Chap.11

生態體系的元素流動途徑鄭先祐 製作

Ecology 2000

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生態體系的元素流動途徑• 11.1 許多元素的流動是隨著能量循流• 11.2 元素的循環 among compartments in the

ecosystem

• 11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。• 11.4 體系的氧化 - 還原 (redox) potential 呈

現出它的能量層次 (level) 。• 11.5 現代碳循環包含 a missing sink of

carbon 。

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生態體系的元素流動途徑• 11.6 氮循環 (nitrogen cycle) 於生態體系

內，有多種氧化狀態。• 11.7 磷循環與土壤的 pH 值和水域環境

的營養互動有密切關係。• 11.8 硫參與許多 redox 反應。• 11.9 生態体系的元素循環，相當複雜。• 11.10 微生物在元素循環中有特殊的功能。

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11.1 許多元素的流動是隨著『能量循流』

氧化作用 還原作用能量

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Fig.11-2 Energy is input into the ecosystem by the reduction of carbon, an assimilatory reaction.

廢熱

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11.2 元素的循環 among compartments in the ecosystem

大氣

生物

物理環境

sinks

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11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。

雨量

地下水

雨量 蒸發

大氣

單位： km3 ； 轉換的單位： km3 / 年

佔 97%量

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全球水量的分佈• 全球水量估計有 1,400,000,000 km3 ，• 海洋有 1,350,000,000 km3 ( 佔 97%) 。• 冰層有 27,500,000 km3

• 地下水有 8,200,000 km3

• 河流水有 40,000 km3

• 陸域雨量有 111,000 km3

• 海洋雨量有 385,000 km3

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全球水量的 residence time

• 全球水份的 evaporation 量，約可吸收陽光射入地球總能量的四分之一。

• 約是每年 1021 KJ

• 大氣的水蒸氣之平均 residence time 是 2週 (1/26 年 ) 。

• 液態水的 residence time 則是高達 2,800年。

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11.4 體系的氧化 - 還原 (redox) potential 呈現出它的能量層次

(level) 。• Redox potential ：化學反應的能量潛力。

氧化 還原

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Redox potentials of oxidizers and reducers are measured by their electric potentials (Eh) , expressed in volts (V) .

Eh 值愈高，與低 Eh 聯合作用，則可產生愈大的能量。

Eh 值愈低，反應難發生。

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Fig. 11-6 土壤的 pH 值與水份和離子的 Eh 值的關係。

(a) 水的氧和氫的穩定範圍限制土壤的情況。

(b) 土土壤中的水份傾向於下降 Eh 值。

(c) 離子狀況受 pH 值的影響。

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11.5 現代碳循環包含 a missing sink of carbon 。

• 海洋有 38,000 x 1015 g 的碳。• 土壤和植物體有 2,060 x 1015 g

• 大氣只有 720 x 1015 g (<1%)

• 化石的碳量有 4,000 x 1015 g– 大約是陸域碳量的兩倍。

• 基礎生產量 每年 120 x 1015 g – 呼吸量產出 每年 60 x 1015 g– 分解量每年 62 x 1015 g– 其中有 60 x 1015g 回到大氣。

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Fig. 11-7 全球碳循環。 單位： 1015g ；轉換單位；每年 1015g

粗基礎生產量呼吸量

分解量

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表 2 全地球碳之分佈。碳含量之單位是 Gt (Gigaton), Gt=109 公噸。原資料取自 Leo Smith (1990), p.251-253 。其中海域地區之水體碳含量是 39,000Gt 於本表中並未計入。全地球碳總含量是 55,635Gt(16,635Gt + 39,000Gt) 。

分布地區 位置 碳含量(Gt) 百分率大 氣 702 4.2％

活體 826 5.0％陸域地區屍體 1,456 8.8％活體 1 < 0.1％海域地區屍體 1,650 9.9％

化石(含可開採燃料) 12,000 72.1％總 共 16,635 100.0％

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Carbon in fresh waters

• 湖泊只佔低於 2% 的地球表面，其貯水量也相當的有限，但對人類的淡水供應卻是很重的份量。

• 海洋吸收碳量高於釋放出的碳量，所以海洋是碳的 sink 。

• 湖泊是否也如同海洋？ (Fig.11-8)– 湖泊是 sources of carbon

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Fig. 11-8 全球湖泊水面的相對 CO2 濃度。普遍都高於大氣的分壓量。湖泊是 sources of carbon 。

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全球碳循環的平衡。

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Land plants as the missing sink

• 因為人類的活動而造成產出的 CO2 不平衡，每年有 1.8 x 1015g 的多餘。

• 這些是否會被陸域植物所吸收？• 大氣 CO2 的增加，可以促使光合作用加

速。但情況似乎並不如此單純。• Bazzaz (1993) 的實驗，第一年的結果是

有顯著的差異，但第 2 年至第 3 年，情況有變化。 (Fi.11-10)

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Fig.11-10 高濃度 (700l l-1) 和低濃度 (3500l l-

1) 栽培環境下， 5 種樹苗的成長 ( 生物質量 )比率。

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沼澤

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Fig. 11-11 農耕的結果，會使土壤的有機質含量下降。

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11.6 氮循環 (nitrogen cycle) 於生態體系內，有多種氧化狀態。

• 陸域植物須要 1,200 x 1012 g 每年– Nitrogen fixation 約 140 x 1012 g 每年– 閃電則可有 20 x 1012 g 每年

• ammonification 產生 ammonia (NH3)

• nitrification ： ammonia → nitrite (NO2-)

– nitrite → nitrate (NO3-)

• denitrification ： NO3-→ NO2

- → N2

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Fig. 11-12 全球氮循環。單位： 1012 g

人為產生

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Fig. 11-13 氮循環中的氮化合物的氧化狀態。

氧化狀態

還原狀態

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The energetics of nitrogen fixation

• 氮的固定是需要耗能的 (Table 11-4) 。• 估計固定 1 g 的氮，須要消耗 8 g 至 12

g 的葡萄醣 (C6H12O6) 。• 根瘤菌與植物根部共生 (Fig. 11-14)

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Balancing the global nitrogen budget• 目前全球的氮循環，同樣也有不平衡的情

況，有些微的剩餘到大氣中。– 熱帶雨林每年有 2.4 至 7.4 x 1012 g N2O

– 人類的化肥則產出 90 x 1012 g N2O 和 NO

• 這些在大氣的氮 (N2O) ，是很強的溫室氣體，是 CO2 的 200 倍。

• 95% 的 N2O進入平流層，會與臭氧作用，而被摧毀。

• 另外，還有一些貢獻到酸雨。

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11.7 磷循環與土壤的 pH 值和水域環境的營養互動有密切關係。

• 磷元素沒有氣體狀態，所以只有土壤和水域環境部門 (Fig.11-15) 。

• 每年約有 21 x 1012 g 從陸域經由河流進入海洋。這些大部份 (20 x 1012 g) 是有機體內的磷。

• 人為開發出來的，加入土壤的磷約是每年 14 x 1012 g 。

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陸域

Fig. 11-15 The global phosphorus cycle. 單位： 1012 g P

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Fig. 11-16 The solubility of P ions in the soil.

pH 低時， P 會與 Fe 或 Al離子結合，形成 Fe(OH)2H2PO4

Al(OH)2H2PO4

pH 高時，會形成 Ca10(PO4)6(OH)2

solubility 最高，約在 pH 值在 6 和 7間。

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11.8 硫參與許多 redox 反應。 (Fig. 11-17)

氧化狀態

還原狀態

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Fig. 11-18 全球硫循環。單位： 1012g

人為的

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11.9 生態体系的元素循環，相當複雜。

• Element cycles are linked at many different levels.

• 因為相互牽連，人為活動所造成的全球碳、氮、和磷 budgets 的變動往往相當複雜，且是不可預期的。

• 極地凍原受到 CO2上升的影響，被認為是最敏感的區域。碳與氮循環是相互coupled (Fig. 11-19) 。

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Fig. 11-19 於極地凍原區的碳與氮的互動關係之理論模型。

植物體

土壤

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11.10 微生物在元素循環中有特殊的功能。

• 微生物是重要的分解者，讓有機物質得以完全的分解，完成元素的循環。

• 生物獲取能量有 3 種方式：– photoautotrophs ( 光合作用 )– heterotrophs ( 氧化有機物質 )– chemoautotrophs ( 氧化無機物質 )

• deep-sea hydrothermal vents (靠微生物的生產 )

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