地球科学课件:第九章 海洋生态系统的分解作用与生物地化循环.ppt
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- 地球科学课件:第九章 海洋生态系统的分解作用与生物地化循环 地球科学 课件 第九 海洋 生态系统 分解 作用 生物 循环
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1、第九章第九章 海洋生态系统的分解作用海洋生态系统的分解作用 与生物地化循环与生物地化循环 学习目的:学习目的:学习本章应掌握生态系统分解学习本章应掌握生态系统分解作用的概念及意义,海洋主要分解者类群作用的概念及意义,海洋主要分解者类群和微型生物食物环在有机质分解过程中的和微型生物食物环在有机质分解过程中的贡献,沉积物中有机质的有氧和缺氧分解,贡献,沉积物中有机质的有氧和缺氧分解,海洋生物泵概念及其作用以及海洋生物泵概念及其作用以及DMS的来源、的来源、去向与作用,了解大洋和近岸水层颗粒有去向与作用,了解大洋和近岸水层颗粒有机物的沉降分解过程的差异及原因以及氮、机物的沉降分解过程的差异及原因以及
2、氮、磷、硫等营养物质生物地化循环的基本过磷、硫等营养物质生物地化循环的基本过程。程。 第一节第一节 海洋生态系统的分解作用海洋生态系统的分解作用 一、有机物质的分解作用及其意义一、有机物质的分解作用及其意义 (一)什么叫分解作用(一)什么叫分解作用C6H12O66O2酶6CO26H2O能量 (二)有机物质的分解过程(二)有机物质的分解过程 (1)沥滤阶段()沥滤阶段(leaching phase):):(2)分解阶段()分解阶段(decomposition phase):):(3)耐蚀阶段()耐蚀阶段(refractory phase):):(三)分解作用的意义三)分解作用的意义 促使营养物质
3、循环,维持平衡;促使营养物质循环,维持平衡; 维持大气氧气与二氧化碳浓度比例;维持大气氧气与二氧化碳浓度比例; 分解过程中产生的有机颗粒物为食碎屑的各种生物提供分解过程中产生的有机颗粒物为食碎屑的各种生物提供 食物来源,对维持生态系统物种多样性有重要意义食物来源,对维持生态系统物种多样性有重要意义 ; 陆地:陆地:改善土壤物理性状,改造地球表面惰性物质。改善土壤物理性状,改造地球表面惰性物质。 二、主要分解者生物类别二、主要分解者生物类别 (一)细菌(一)细菌 1. 重要的分解者重要的分解者,特别是对一些难分解物质,特别是对一些难分解物质2. 复杂性:复杂性: 分解有机物释出营养盐,同时从介质
4、中吸收无机营养物质。分解有机物释出营养盐,同时从介质中吸收无机营养物质。 底物化学组成:底物化学组成:C:N比值比值 底物氨基酸含量底物氨基酸含量 也有的研究表明,异养细菌的自然群落同化与产生也有的研究表明,异养细菌的自然群落同化与产生NH4+ 是同时进行的是同时进行的海洋细菌常因受病毒感染而死亡,其主要溶解产物是营海洋细菌常因受病毒感染而死亡,其主要溶解产物是营 养物质的一种重要的潜在来源。养物质的一种重要的潜在来源。(二)微型食植者(二)微型食植者(micro-grazers) 1. 重要的营养物质再生者重要的营养物质再生者 数量丰富;代谢速率很高;不吸收数量丰富;代谢速率很高;不吸收NH
5、4+。2. 影响原生动物氮再生速率的因素影响原生动物氮再生速率的因素食物的营养质量食物的营养质量生长状态生长状态 3.与细菌相比谁更重要与细菌相比谁更重要? 尤其两者之间还存在捕食关系尤其两者之间还存在捕食关系Caron等通过一个捕食等通过一个捕食被捕食系统的实验:被捕食系统的实验:细菌与微型鞭毛虫放入营养盐限制的培养液细菌与微型鞭毛虫放入营养盐限制的培养液加入葡萄糖,加入葡萄糖,C/N比值升高,双方竞争营养盐,引入原生动物,摄食比值升高,双方竞争营养盐,引入原生动物,摄食细菌,细菌数量下降,此时原生动物是主要再生者;细菌,细菌数量下降,此时原生动物是主要再生者; 加入氨基酸,加入氨基酸, C
6、/N比值降低,细菌是主要再生者比值降低,细菌是主要再生者Caron 总结:总结:n 细菌和微型异养食植者都是重要的营养盐再生者,但微细菌和微型异养食植者都是重要的营养盐再生者,但微型摄食者对自然海区的营养盐再生可能起更重要的作用。型摄食者对自然海区的营养盐再生可能起更重要的作用。 n 其次,尽管微型摄食者是重要的营养盐再生者,但其再其次,尽管微型摄食者是重要的营养盐再生者,但其再生效率很少能超过生效率很少能超过50。 n 第三,由于再生效率不超过第三,由于再生效率不超过50,那么开阔大洋区氮再,那么开阔大洋区氮再生效率能达到生效率能达到90这样高的数值,就必定要由比较复杂的、这样高的数值,就必
7、定要由比较复杂的、多营养级的微型生物食物网结构来完成。多营养级的微型生物食物网结构来完成。 n 第四,微型生物食物网既是营养物质向较高营养级流动第四,微型生物食物网既是营养物质向较高营养级流动的一个环节,也是在其内部再生循环的一个系统,二者是的一个环节,也是在其内部再生循环的一个系统,二者是同时进行的(图同时进行的(图9.1),只不过两种途径的相对重要性在不),只不过两种途径的相对重要性在不同条件下有差别(同条件下有差别(Caron 1991)。)。在微微型浮游植物占主在微微型浮游植物占主要优势的贫营养大洋区,微型生物食物网在营养物质再循要优势的贫营养大洋区,微型生物食物网在营养物质再循环中的
8、作用更为明显。环中的作用更为明显。 浮游植物 浮游植物 原生动物 原生动物 较高级生物 较高级生物 溶解无机营养盐 溶解无机营养盐 细菌 细菌 POM DOM POM DOM 图 9.1 通过微型生物食物环的营养循环模型(Caron 1991) A:示有较高的营养物质传递效率, B:示有较高的营养物质再生效率。箭头粗细表示营养物质流途径的相对大小 A B (三)有机凝聚体(三)有机凝聚体(the organic aggregates) 生物活性中心,较大颗粒可存在小群落生物活性中心,较大颗粒可存在小群落 下沉的速度非常缓慢,可长时间停留在海洋表层。下沉的速度非常缓慢,可长时间停留在海洋表层。(
9、四)后生动物(四)后生动物(metazoans) 浮游动物比较重要、与其食物丰盛度有关,与原生动浮游动物比较重要、与其食物丰盛度有关,与原生动 物和细菌等相比较为次要。物和细菌等相比较为次要。 第二节第二节 海洋水层有机颗粒物海洋水层有机颗粒物 的沉降与分解的沉降与分解 一、水层中颗粒有机物的沉降与分布一、水层中颗粒有机物的沉降与分布 1. 1. 来源:来源: 浮游生物的粪粒、皮壳、尸体等,细菌、浮游植物、原生动浮游生物的粪粒、皮壳、尸体等,细菌、浮游植物、原生动 物和浮物和浮游动物等可视为活的颗粒有机物。游动物等可视为活的颗粒有机物。 2. 2. POMPOM的沉降速率与粒径大小有关的沉降速
10、率与粒径大小有关3. 3. 具有垂直洄游的浮游动物可能通过昼夜垂直移动而将营养物质由表层带具有垂直洄游的浮游动物可能通过昼夜垂直移动而将营养物质由表层带到下层。到下层。 4. 4. POCPOC数量在大洋区的垂直分布规律数量在大洋区的垂直分布规律 表层及次表层数量丰富,其下方逐渐减少,而在深洋水中一直保持着表层及次表层数量丰富,其下方逐渐减少,而在深洋水中一直保持着相对恒定的低含量状态。相对恒定的低含量状态。5. POC从真光层向下输出通量在不同海区以及同一海区的不同季节有很大从真光层向下输出通量在不同海区以及同一海区的不同季节有很大差别。差别。 二、海洋水层营养盐再生效率二、海洋水层营养盐再
11、生效率 (一)真光层内氮的再循环(一)真光层内氮的再循环 1. 研究方法:研究方法: 15N法法、沉积物捕捉器法等。、沉积物捕捉器法等。2. 结果:结果: Eppley根据已有根据已有15N法的资料,提出全球海洋真光层氮的再生法的资料,提出全球海洋真光层氮的再生效率约为效率约为80%,并呈从沿岸向外洋逐渐增加的趋势。,并呈从沿岸向外洋逐渐增加的趋势。在沿岸浅海区,真光层内氮再生效率只有在沿岸浅海区,真光层内氮再生效率只有50%左右,而在贫左右,而在贫营养的大洋区,真光层内的再生效率可达营养的大洋区,真光层内的再生效率可达80%90%。 初级生产力水平越高的海区,真光层内的再生效率越低,同初级生
12、产力水平越高的海区,真光层内的再生效率越低,同时再生效率也有明显的季节变化。时再生效率也有明显的季节变化。(二)真光层下方的营养物质再生(二)真光层下方的营养物质再生 真光层下方营养盐再生速率随深度增加而下降真光层下方营养盐再生速率随深度增加而下降其其C N的比率逐渐提高的比率逐渐提高 溶解有机物在营养物质再生中的作用更为重要溶解有机物在营养物质再生中的作用更为重要 第三节第三节 沉积环境中有机物质沉积环境中有机物质的分解和营养盐再生的分解和营养盐再生 一、底栖一、底栖水层系统耦合水层系统耦合 benthic-pelagic coupling:海洋生态系统通过能流和物流的传递海洋生态系统通过能
13、流和物流的传递而将水层系统和底层系统融为一体的各种相互作用的过程。而将水层系统和底层系统融为一体的各种相互作用的过程。 1食物来源、生活基质食物来源、生活基质 2浅水区浅水区底栖生物及其所形成的渗出物、颗粒物等可充当浮底栖生物及其所形成的渗出物、颗粒物等可充当浮游生物的食物源。游生物的食物源。3海洋浮游生物和底栖生物通过其不同的生活史阶段既利用海洋浮游生物和底栖生物通过其不同的生活史阶段既利用水层又利用底栖环境水层又利用底栖环境 4从表层下沉到达底层的有机物质不仅为深水底栖生物群落从表层下沉到达底层的有机物质不仅为深水底栖生物群落提供食物来源,同时通过底栖系统内生物的分解作用释出无机提供食物来
14、源,同时通过底栖系统内生物的分解作用释出无机营养盐,最终又回到表层水为浮游植物所利用。营养盐,最终又回到表层水为浮游植物所利用。 以底栖滤食和食底泥动物的活动为例:以底栖滤食和食底泥动物的活动为例: 生物沉降:滤食性动物通过摄食活动去除水层中的生物沉降:滤食性动物通过摄食活动去除水层中的 POM使使之作为粪球被沉降到沉积物表面或内部的过程。之作为粪球被沉降到沉积物表面或内部的过程。 加速水层有机颗粒沉降,表明生物沉降在沉积物加速水层有机颗粒沉降,表明生物沉降在沉积物海水界面海水界面物质交换方面比天然颗粒沉降作用更为重要物质交换方面比天然颗粒沉降作用更为重要 。 生物扰动(生物扰动(biotur
15、bation):):底栖动物通过摄食、建管、筑底栖动物通过摄食、建管、筑穴以及对沉积物的搬运、混合过程改变了沉积物的物理化学性穴以及对沉积物的搬运、混合过程改变了沉积物的物理化学性质。质。 食沉积物的动物在吞食底泥时同时将细菌、纤毛虫、变形虫、食沉积物的动物在吞食底泥时同时将细菌、纤毛虫、变形虫、扁虫、线虫的集合体一并吞食,促进扁虫、线虫的集合体一并吞食,促进POM有效矿化的作用,又有效矿化的作用,又有控制细菌和微型分解者数量的作用。有控制细菌和微型分解者数量的作用。 二、海洋沉积物及其栖息生物的垂直结构二、海洋沉积物及其栖息生物的垂直结构三、沉积物中有机物质分解作用和营养物质三、沉积物中有机
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