Transcript Chap.4 Biogeochemical cycles 鄭先祐 (Ayo) 國立台南大學 環境與生態學院

Chap.4 Biogeochemical
cycles
鄭先祐 (Ayo)
國立台南大學 環境與生態學院
2008年2月至6月
Chap.4 Biogeochemical
cycles
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Basic type of biogeochemical cycles
Cycling of nitrogen
Cycling of phosphorus
Cycling of sulfur
Cycling of carbon
The hydrologic cycle
Turnover and residence times
4 biogeochemical cycles
2
8. Watershed biogeochemistry
9. Cycling of nonessential elements
10. Nutrient cycling in the tropics
11. Recycling pathways: the cycling index
12. Global climate change
4 biogeochemical cycles
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1 Basic Types of
Biogeochemical Cycles
 two compartments (pools)
Reservoir pool
Labile or cycling pool
Two basic groups
Gaseous types
Sedimentary types
4 biogeochemical cycles
4
Fig. 4-1. Biogeochemical cycle superimposed on a
4 biogeochemical cycles
simplified energy flow diagram.
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4 biogeochemical cycles
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4 biogeochemical cycles
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2 Cycling of Nitrogen
The atmosphere, which is approximately
78% nitrogen, is the greatest reservoir.
Nitrogen is entering the atmosphere by the
action of denitrifying bacteria and
returning to the cycle through the action of
nitrogenfixing microorganism (biofixation),
lighting and other physical fixation.
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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-→ NO24 biogeochemical cycles
→ N2

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4 biogeochemical cycles
Fig. 4-2 nitrogen
11
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Fig. 4-2 nitrogen
12
人為產生
Fig. 11-12 全球氮循環。單位：1012 g
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
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4 biogeochemical cycles
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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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Detrimental effects of too
much nitrogen
Tilman et al. (1997) predicted that nitrogen
deposition is likely to strongly affect
ecosystem processes.
Detrimental to natural ecosystems becomes
detrimental to humans.
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4
從綠色革命至藍色嬰兒：
氮的緩慢運行
補充資料，摘取自：地下水的震撼
過量施用氮肥，滲入地下
自從1950年代早期，全球農業生產就被
「陷入」必要施用「氮肥」的陷阱中。
這些過量的肥料溶入灌溉用水，最後往往會滲
入土壤，而進入地下水層。
畜牧業產出的有機廢棄物(糞尿)。
來自都會區的污水，鄉野草地、高爾夫球
場和園藝景觀的肥料(與其它相關的污染物)
之滲流出。
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當「硝酸鹽」進入飲水將會如何？
飲用高濃度 (每公升超過10毫克) 的「硝酸鹽」，
可能會造成所謂的「嬰兒methemoglobinemia」，
或是稱為「藍嬰兒症候群」(blue-baby syndrome) 。
自從1945年以來，全球約有3,000個案例，其中有
近一半發生在匈牙利，該國家內的私有井水的「硝
酸鹽」含量特別高。
「硝酸鹽」也會肇致消化道癌，雖然流行病學的關
連性仍不確定。
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過量的氮肥，反而弱化體質
於穀物農地，過多的「硝酸鹽」會弱化植
物的免疫体系，因而使其更易受害虫和疾
病的侵蝕。
譬如，施肥過多會造成小麥易於感染「麥
銹病」(wheat rust)，對於梨樹則會亦感染
「熱萎病」(fire blight)。
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3 Cycling of Phosphorus
 human activities appear to hasten the rate
of loss of phosphorus and, thus, to make
the phosphorus cycle less cyclic.
每年約6萬噸phosphorus 透過海產回到陸地。
但每年有200萬噸 phosphorus is mined and
used for fertilizer, much of which is washed
away and lost.
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Fig. 4-4. model diagram of the phosphorus cycle.
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Fig. 4-4 (B) the global phosphorus cycle.
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人為的
12g
Fig.
11-18
全球硫循環。單位：10
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
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4 Cycling of Sulfur
Fig. 4-5 (A)
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Fig. 4-5 (B) the sulfur cycle in
aquatic environment.
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5 Cycling of Carbon
 greenhouse effect
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全球的碳循環
碳循環可有四個部門：大氣、海洋、陸域
生物、和化石燃料。
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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
15g 回到大氣。
其中有60
x
10
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
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呼吸量
粗基礎生產量
分解量
Fig. 11-7 全球碳循環。 單位：1015g；轉換單位；每年1015g
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
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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)
大 氣
百分率
702
4.2％
活體
826
5.0％
屍體
1,456
8.8％
活體
1
< 0.1％
屍體
1,650
9.9％
化石(含可開採燃料)
12,000
72.1％
總 共
16,635
100.0％
陸域地區
海域地區
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
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
全球碳循環的平衡
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Fig. 4-6. plot depicting the continuous increase
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in atmospheric CO2 from 1958 to 2002.
34
Essay 28.5
The greenhouse effect

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Essay 28.5
The greenhouse effect
4 biogeochemical cycles

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6 The Hydrologic Cycle
7 Turnover and Residence Times
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11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。

大氣
雨量
雨量
蒸發
地下水
佔97%量
4 biogeochemical cycles
單位：km3 ；
轉換的單位：km3 /年
40
 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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Fig. 4-8. Changes in sea level during the last century.
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Fig. 4-9. overview of
the river continuum,
depicting stream
order, organisms by
feeding type, and
changes in
particulate mater.
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Fig. 4-9. model of the river continuum, depicting changes in
4community
biogeochemicalmetabolism
cycles
(P/R ratios), diversity, and particle
size from headwater streams to large rivers.
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8 Watershed Biogeochemistry
Fig. 4-10. (A)
Balanced calcium
budget of a
forested
watershed.
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Fig. 4-1-. (B) effect of deforestation and natural reforestation
4(recovery)
biogeochemical
oncycles
stream output of nitrogen and calcium.
49
Table 4-3
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9 Cycling of Nonessential
Elements
 biological magnification (chap.5)
Nonessential elements
Sr-90 (strontium),
Cs-137 (cesium),
Mercury
Toxic heavy metals
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10 Nutrient Cycling in the
Tropics
Fig. 4-12. Comparison of the distribution of
organic carbon accumulated in abiotic and biotic
compartments of a northern temperate and a
tropical forest
ecosystem.
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cycles
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11 Recycling Pathways: The
Cycling Index
 Five major recycling pathways
1. By microbial decomposition
2. By animal excretions
3. By direct recycling from plant to plant
through microbial symbiosis
4. By physical means
5. By use of fuel energy
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Cycling index (CI)
Based on the ratio of the sum of amounts
cycling between compartments within the
system to total throughflow.
 CI = TSTc/TST
TSTc is the portion of the total system
throughflow that is recycled
TST is the total system throughflow.
Throughflow is defined as the sum of all
inputs minus the change in storage within the
system.
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Fig. 4-13. (A) Ecological theory of recycling.
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Fig. 4-13. paper flow through
urban-industrial system
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(A) 無「循環回收」(recycling)
自然
資源
消耗大量
自然資源
生產
体系
處
理
費
相
當
高
。
城市的
生活
＄
產
生
大
量
垃
圾
，
掩埋或是焚化
(A) 無「循環回收」的社會，大量耗用自然資源，產生
大量垃圾，再花費大量金錢處置垃圾。
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
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(B) 有「循環回收」(recycling)
＄
自然
資源
＄
生產
体系
減少消耗
自然資源
減少垃圾量，
節省處理費
城市的
生活
＄
掩埋或是焚化
(B) 有「循環回收」的社會，因回收再利用，可減少自
然資源的耗用，並可減少垃圾量，節省處理費，且可有
利潤。
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
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無「循環回收」的社會，其是「不經濟」
的；或是說，其經濟是難持久的。
有「循環回收」的社會，不僅是合乎「生
態環保」的原則，亦是「經濟」的。
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12 Global Climate Change
Fig. 4-14. Global warming in terms of
4 biogeochemical cycles
average mean temperature (1960-2000).
62
問題與討論
[email protected]
Ayo 台南站：http://mail.nutn.edu.tw/~hycheng/
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