碳的生物化学地球循环
卡尔文碳循环实验
卡尔文碳循环实验是一项重要的科学实验，由美国生物化学家梅尔文·卡尔文于20世纪50年代开展。
该实验旨在研究光合作用中的碳循环过程，对于我们理解植物如何利用光能将二氧化碳转化为有机物质具有深远的意义。
下面将对卡尔文碳循环实验进行详细阐述。
首先，卡尔文碳循环实验的基本步骤如下：1. 实验材料准备：卡尔文选择了一种常见的绿色植物（通常是一种血红色的海藻），并将其置于含有放射性同位素碳14的二氧化碳气体中。
2. 光合作用模拟：卡尔文使用一束强光照射植物样本，以模拟自然光合作用的条件。
3. 收集有机物质：在光照的过程中，植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机物质。
卡尔文及其团队使用化学方法收集和分离这些有机物质。
4. 分析同位素：通过测量收集到的有机物质中的放射性同位素碳14的浓度，卡尔文可以推断出这些有机物质是由二氧化碳转化而来的。
接下来，我们来详细了解卡尔文碳循环实验的原理和意义。
首先，卡尔文碳循环实验揭示了光合作用的关键过程。
通过将植物置于含有放射性同位素碳14的二氧化碳中，卡尔文成功地跟踪了二氧化碳在光合作用过程中的转化路径。
他发现，二氧化碳首先被固定成3-磷酸甘油酸（PGA），然后通过进一步的化学反应转化为糖类，最终形成植物体内的有机物质。
这一发现为我们深入理解光合作用的分子机制提供了重要线索。
其次，卡尔文碳循环实验对于研究生物能源和碳排放具有重要意义。
光合作用是地球上最重要的能量来源之一，通过将太阳能转化为化学能，植物在光合作用中固定大量的碳，并释放出氧气。
通过深入了解光合作用的分子机制，我们可以寻找利用植物能源的新途径，也可以更好地理解和管理碳排放问题。
此外，卡尔文碳循环实验为现代生物学研究提供了重要的实验方法和技术。
卡尔文的实验方法不仅提供了一种跟踪碳同位素的方法，还展示了如何使用化学分离、测量和分析等技术手段来研究生物化学过程。
这对于后续的生物学研究以及其他相关领域的发展具有积极的影响。
地球系统的碳循环文字资料
地球系统的碳循环，是指碳在岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间，CaCO3、MgCO3、CO2，、CH4、(CH2O)n(有机碳)等形式相互转换和运移的过程。
碳循环的重要性:1、植物的光合作用驱动的碳循环不但为人类提供最基本的食物，而且是煤、石油、天然气和森林形成的前提，为人类提供在时空上可以调节的基本能源。
2、受到全球碳循环调节的大气二氧化碳、甲烷等气体，由于可以吸收由地表放射回来的长波辐射，从而使地球表面温度升高，因此，碳循环通过调节大气温室气体浓度而调节地球表面温度，使其适合生命的发展。
碳在圈层间的循环和效应：1、大气碳库是联系海洋和陆地生态系统的纽带和桥梁，对于大气中的碳来说，岩石圈和人类活动圈是其净源，水圈和生物圈可能是源也可能是汇。
2、海洋具有储存和吸收大气二氧化碳的能力，影响着大气二氧化碳的收支平衡，有可能成为人类活动产生的二氧化碳的最主要的汇。
大气二氧化碳不断的与海洋表层进行碳交换，浅层海水吸收二氧化碳并通过生物化学过程向深部转移；海洋是碳酸盐沉积的主要场所，由陆地水文系统输送到海洋的碳酸盐成分，主要在温热带海底沉积；海洋中的浮游生物通过光合作用吸收碳并且向深海和海底沉积物输送。
3、陆地生态系统是一个土壤-植被-大气相互作用的复杂系统，是全球碳循环中受人类影响最大的部分，全球碳循环中最大的不确定性主要是来自陆地生态系统。
4、地球内部的二氧化碳通过地热区、活动断裂带或火山活动不断的释放出来，直接进入大气圈或存储在沉积地层中形成二氧化碳气田；在岩溶作用中，一方面由于碳酸盐的溶解通过水从大气吸收二氧化碳，另一方面由于钙化的沉积则向大气圈释放二氧化碳。
影响碳循环的因素一、碳循环的载体1、生物因素（1）动物因素动物是排放二氧化碳的主体，当然C是组成一切生命的最基本的元素，所以地球上的碳循环无处不在，动物主要是以消费者的形式出现的，他们不但呼吸排放CO2,而且它先是使碳循环在其机体里合成葡萄糖，然后转化成身体的各个组织或排除体外的排泄物，等到他们死亡，尸体又被其他微生物分解，因此完成了碳循环中的使碳从有机界过渡到无机界（2)植物因素植物一方面通过呼吸作用排除二氧化碳，一方面通过光合作用吸收二氧化碳，合成含碳有机物，是大自然天然吸收二氧化碳的工具，而且使他转化成生物赖以生存的能源物质(3)微生物因素微生物通过分解动植物尸体，把有机碳转化为无机的二氧化碳，排放到大气中影响碳循环的主要因素包括了生物和非生物，几个方面环环相扣，缺一不可，动物作为消费者是二氧化碳的主要产生者，而植物又是转化二氧化碳的主体，微生物作为分解者去分解动植物的有机体，所以世界上才不会有堆积如山的尸体，使有机碳变成了无机碳，是碳循环过程中又以重要的因素，如果没有生产者，那么地球上的动物和有些微生物赖以生存的氧气会越来越少，二氧化碳越来越多，使全球气候变暖，改变地球环境2、非生物因素主要包括一些煤和气体燃烧所释放的二氧化碳排放到大气中，还有工业的排放，汽车尾气的排放等非生物影响空气中二氧化碳的含量，如果过度的燃烧废品，排放二氧化碳，那么超出了自然界的自我调节能力，那么也会严重的影响碳循环过程二、影响循环的其他因素大气环流对二氧化碳的世界范围的输送和全球气候的变化也对碳循环有深切的影响1、大气环流将空气中的二氧化碳带到世界的其他地方，带来了全球的二氧化碳的流动循环，碳循环不再是局限于某个地方的，是全球共同的2、当然全球的气候变化，比如全球冰期和间冰期还有暖湿期的转换，会影响地球上的动植物的种类和分布，对碳循环也有很大的影响碳循环过程碳的地球化学循环：碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈、土壤圈、岩石圈和水圈（海洋、湖泊、河流）之间的迁移碳的生物循环：在碳的生物循环中,大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。
森林生态学复习题参考答案(定稿)
森林生态学复习题参考答案一、名词解释1、耐荫性：指树种在林冠庇荫条件下能否正常生长发育并完成更新的能力。
2、生活型：植物长期适应不同环境条件而在外貌上反映出来的植物类型称为生活型。
3、生物量：生物有机体在某一段时间内单位面积上所积累的有机物的总量。
4、异株克生：指植物的根、芽、叶和花等排放出的生物化学物质对其它植物的生长和发育抑制和对抗作用或者某些有益的作用。
5、建群种：指在创造群落特有环境条件以及引起群落种类组成方面起主要作用的植物种。
6、建群种：群落中存在于主要层次中的优势种。
7、生态型：指同种植物的不同立体由于长期生长在不同的环境条件下所形成的在生理、生态和形态方面各异的类型形态。
8、环境：指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。
9、生态系统：生物群落与非生物环境间通过物质循环、能量流动和信息传递所形成的群落与环境的综合体称为生态系统。
10、自然稀疏：指在一定密度的森林内，随着林龄增大和林木生长而出现的株数不断减少的现象。
11、竞争：指植物不同个体间为利用环境的能量和资源而发生的相互关系。
12、次生演替：从次生裸地上开始的植物群落演替称为次生演替。
13、物候：指植物生长期适应于一年中的寒暑节律性变化而形成与此相适应的发育节律。
14、生物圈：指生物生存着的岩石圈、土壤圈、大气圈、水圈的总称。
15、大气污染：指大气中人为排放的有害物质达到一定浓度，持续一定时间，破坏了大气中原来成分的物理、化学和生态平衡体系，并对人的健康、生物的生长、正常的工农业生产和交通运输发生危害的条件。
16、食物网：生态系统中生物之间通过取食和被食关系所形成的网状结构。
17、自然整枝：当林分密度较大时，随林木生长树冠下部枝条因光照不足而枯死的现象。
18、郁闭度：指树冠郁闭的程度，是树冠垂直投影面积与林地总面积之比。
19、有效积温：植物某一发育时期或全部生长期中有效温度的总和。
地球生物化学循环
地球生物化学循环《神奇的地球生物化学循环》嘿，朋友们！你们知道吗？咱们生活的这个地球，就像一个超级大的魔法盒子，里面藏着好多好多神奇的秘密！今天我就来给你们讲讲其中一个超厉害的魔法——地球生物化学循环！咱们先来说说碳循环吧。
碳，这可是个重要的家伙！就好像我们身体里的骨头一样，支撑着整个地球的生命。
植物们通过光合作用，把空气中的二氧化碳“吃”进去，然后变成自己的“食物”，长出叶子、花朵和果实。
这难道不神奇吗？这不就像我们在学校里努力学习，把知识“吃”进肚子里，然后变得更聪明一样吗？然后呢，动物们又吃植物，把植物里的碳变成自己身体的一部分。
当动物们呼吸、排泄的时候，碳又回到了大自然中。
这像不像我们把学到的知识分享给小伙伴，知识就在我们之间传递来传递去？还有水的循环！水从大海、河流、湖泊蒸发，变成了云朵飘在天上。
哇塞，这云朵就像一群调皮的孩子，到处乱跑。
等到它们玩累了，就变成雨水落下来。
雨水落到地上，又流回大海、河流和湖泊。
这难道不是一场超级有趣的旅行吗？氮循环也很重要呢！氮气在空气中到处都是，可是植物们不能直接用。
这时候，一些特别的细菌就来帮忙啦，它们把氮气变成植物能吸收的形式。
植物长大了，动物吃了植物，氮就进入了动物的身体。
动物们死后，氮又回到了土壤里。
这多像一个接力比赛呀，大家一个接一个地传递着氮这个“接力棒”！哎呀，地球的生物化学循环可真是太奇妙啦！这就好像一个巨大的拼图游戏，每一个环节都紧紧相扣，少了哪一块都不行。
想想看，如果碳循环出了问题，植物们没办法好好“吃饭”了，那世界会变成什么样？如果水不再循环，天上不再下雨，河流干涸，我们又该怎么办？氮循环要是乱了套，植物长不好，动物没东西吃，那不是乱了套啦？所以说呀，我们一定要好好保护地球，让这些神奇的循环一直顺利地进行下去。
我们可不能乱丢垃圾，不能乱砍树木，不能污染水源，不然就像在拼图里故意放错了一块，整个画面都会变得乱七八糟！朋友们，让我们一起行动起来，守护这个神奇的地球家园吧！。
生态系统中的地球化学循环
生态系统中的地球化学循环地球是一个充满生命的行星，生物和环境之间的相互作用就构成了生态系统。
而生态系统的基本组成单位就是生物、环境和物质循环三个部分。
从物质循环的角度来看，地球的物质循环主要分为氮、碳、水和矿物质循环四个方面。
其中，地球化学循环属于矿物质循环中的重要内容。
地球化学循环是指人类没有直接干预、而是自然界中发生的各种地质和化学变化过程。
这些变化不同于生物循环和生物化学循环，而是通过太阳的能量和地球物理化学作用发生的。
在生态系统中，地球化学循环是一个体积庞大、时间异常漫长的过程。
在这个过程中，地球上的矿物和物质在不断地转化、分布、储存和释放，继而影响着生物的生存和演化。
一、碳的地球化学循环碳是组成生命体和形成矿物质的重要元素之一，是维持生物体内新陈代谢和能量推进的基础。
碳在生态系统中的循环主要是有机碳和无机碳的相互转化过程。
无机碳主要存在于二氧化碳和碳酸盐的形式中。
二氧化碳主要是通过光合作用和呼吸作用来转化的，而碳酸盐则主要是通过岩石的风化和沉积来实现的。
在这个过程中，大气中的二氧化碳可以转化为海水中的碳酸盐，并沉积在海底形成石灰岩和大量油气资源；而岩石的风化和岩浆的喷发则可以向大气中释放出大量的二氧化碳。
而有机碳则主要是通过生物体内合成和腐解过程来实现的。
生物体通过进行光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机碳，并通过食物链向上转化传递到更高级别的生物体中，同时在这个过程中释放出能量。
而有机碳也可以通过腐解过程重新回到生物体外的环境中，转化为水中的二氧化碳和土地中的甲烷等物质。
二、氮的地球化学循环氮是构成蛋白质和核酸的基本元素，是生命体内新陈代谢和能量转换的重要组成部分。
氮的循环主要涉及固氮、氨化和硝化等过程。
固氮是指将氮气转化为无机氮的过程，因为氮在原始状态下很难被生命体吸收利用。
在这个过程中，一些特定的细菌和真菌可以通过生理反应将氮气转化为氨气或者亚硝酸盐等无机氮，进而被生命体摄取利用。
生态系统的养分循环
大部分养分从土壤溶液中吸收； 菌根营养
（二）植物体内养分的分配 （三）植物养分的损失
雨水的淋失 草食动物的取食 生殖器官的消耗 凋落物损失的养分
（四）凋落物的分解
凋落物分解和养分的释放是森林生物地球化学循环中最重 要的一环。分解过快或过慢对森林生长都不利。 思考：热带雨林生产力高，生长快，但也最脆弱，为什么 ？
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森林生态系统 生物地球化学
循环的效能
未经干扰的天然森林生态系统内，养分能 够有效地积累和保存。
贫养土地上森林对养分的保持能力可以补 充养分不足的问题
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森林生态系统 生物地球化学
循环的效能
世界各地许多森林溪流水的共同特点是： 养分含量极低。
森林生物地球化学循环的效能，为当前的 环境问题提供了一种可能的解决办法。
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森林经营对森 林生物地球化 学循环的影响
经营措施可以有利于养分循环和增加 养分的有效性或者造成养分的损失；
“全树利用”表面上是对林地生物量 的充分利用，是一种节约的措施，然而 却造成林地养分的巨大损失，完全破坏 了森林的生物地球化学循环；
据研究温带森林，如按中等或较长的 轮伐期（80-120年）并采用干材采伐方 式，对林地养分的损失量不大。
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几种主要 元素的循环
磷循环
然而，一旦江河、湖泊中磷含量提高，会 引起藻类暴长。出现“富营养化”。
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几种主要 元素的循环
磷循环
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几种主要 元素的循环
硫循环
硫的主要储库：硫酸盐如石膏，也有少量 存在于大气，主要是SO2和H2S。 硫的来源：沉积岩石的风化、化石燃料（ 特别是煤）的燃烧、火山喷发和有机物的分 解。
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几种主要 元素的循环
生物化学循环及其对全球气候的影响
生物化学循环及其对全球气候的影响随着全球气候变化的日益严重化，针对气候变化的各种议题被广泛关注。
其中，生物化学循环是影响气候变化的重要因素之一。
生物化学循环包括碳循环、氮循环、硫循环等，它们会产生各种影响，以下将具体分析。
碳循环碳循环是指碳在大气、陆地和海洋之间的循环。
碳在大气中以二氧化碳（CO2）的形式存在，然后被植物通过光合作用吸收，将其转换为有机物，并释放氧气（O2）。
随后，这些有机物被食物链传播，最终进入动物体内。
接着，当植物和动物死亡后，它们的遗体和排泄物会被分解，将其转换回二氧化碳，形成循环。
碳循环对全球气候的影响体现在以下方面：首先，碳循环直接关系到温室效应。
二氧化碳是主要温室气体（GHG）之一，它能够吸收太阳热辐射，在地球表面产生温暖效应。
然而，由于人类活动的增长，二氧化碳的排放不断增加，导致气温上升，全球气候变得不稳定。
其次，碳循环也对海洋生态系统的健康产生了影响。
二氧化碳溶解在海水中形成碳酸，并导致了海洋的酸化。
水体酸化会导致海洋生态系统中壳类动物无法正常生长并死亡，进而影响整个海洋食物链。
氮循环氮循环是指氮在大气、土壤、植物和动物之间的循环。
氮气（N2）占大气的78％，而氮在大气中并不直接有用，它需要被植物吸收。
当植物从土壤中吸收氮时，氮原子被转化成氨，称为氮固定。
在这里，大部分氮由微生物完成。
植物吸收到氮后，将其转化成蛋白质。
当动物摄取植物，摄取蛋白质后，氮元素就进入了动物体内。
当动物死亡时，氮又通过分解和腐烂返回到土壤。
氮循环对全球气候的影响体现在以下方面：首先，氮循环对土地健康的影响非常大。
使用过量化肥会导致土壤贫瘠，而这又会导致采取更多的措施来恢复土壤健康，例如破坏地下水系统或往土地注入过多的氮肥等。
其次，氮的排放对空气质量也是一种污染。
汽车和工业设施的废气中含有氮氧化物（NOx），而这些气体产生的氮氧化物在空气中有毒，会导致酸雨和这样的其他恶性后果。
硫循环硫循环是硫在大气、海洋和陆地之间的循环。
碳循环知识：碳循环和生物地球化学——全球生态化学的视角
碳循环知识：碳循环和生物地球化学——全球生态化学的视角碳循环和生物地球化学——全球生态化学的视角碳是地球上最重要的元素之一。
它在生物体内以及地球大气层和海洋中的循环过程中扮演着至关重要的角色。
随着全球气候变化问题的日益突出，人们对碳循环和生物地球化学的研究需求也越来越迫切。
在全球生态化学的视角下，该领域的研究不断深化，对于人类认识碳循环和生态系统的运作机制，尤其是生态系统的碳循环机制具有重要意义。
碳循环包括了生物地球化学循环，大气层碳的生物地球化学循环和地球生物碳循环等几个方面。
其中，生物地球化学循环是最常见的。
生物体利用二氧化碳和光能，通过光合作用和光呼吸，将大气中的CO2和亚硝酸盐还原为有机物，并对土壤物质进行氧化还原反应。
此外，有机物在生态系统内部的分解也会产生CO2和甲烷等时间。
这些过程使得碳在生物体内得以循环利用，是维持生态系统稳定的重要因素。
另一方面，大气层碳的生物地球化学循环主要由植物和微生物的光合作用和呼吸作用、大气中二氧化碳的吸收和释放、海洋的生物量和水文循环作用、以及大气溶胶的形成和沉积等多种因素共同作用所形成。
其中，生物量极具代表性，它可以将大气中的碳转变为有机物，在后续的分解和化石化过程中形成石油等有价值的资源。
同时，海洋也是生物地球化学循环的重要组成部分之一，它可以吸收和释放大量的二氧化碳，对地球气候变化具有较强的影响。
地球生物碳循环是另一方面的内容。
地球上生物体本身就是碳循环的重要组成部分。
它在线性和规模上具有巨大的差异性。
不同类型的生态系统因其结构和功能的差异，而表现出不同的真实碳循环速率。
生态系统的总体碳循环速率直接影响着稳定性，对于人类认识地球上生物体的规模和分布有很大帮助。
在上述三个方面的循环过程之中，生态系统碳循环机制的研究更具有全球生态化学的意义。
生态系统碳循环机制从根本上影响着生态系统的稳定性和全球生态系统的可持续性。
许多重要的生态问题，如全球气候变化、生态系统的稳定性和改变等，可以通过对生态系统碳循环机制的探讨得到解答。
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碳的生物化学地球循环
一、碳元素及其同位素
C12（98.9%）C13（1.1%）C14（1.2*10^-10%）
C13 稳定同位素C14放射同位素
二、什么是生物地球化学循环？
地球系统：大气圈、生物圈、水圈、地圈和人类构成的相互作用的系统。
生物地球化学循环: these cycles of chemical elements through the atmosphere, lithosphere, hydrosphere, and biosphere are called biogeophy chemical cycles
Reservoirs:
1.Source-源
2.Sink-汇
3.Flux-通量
4.库
⇨地球全层结构和各个圈层的相互影响
→实例：造山运动如青藏高原的隆升导致的物质“源-汇”效应
白垩纪（约1.35亿年到6500万年前）
【长江的浑浊物质中绝大多数来自于金沙江】
→汇：长江入海口
三、碳循环的重要性
1.碳是生物体的中央部分
2.碳循环造就了适宜居住的环境
3.是全球生物地球化学循环的主体线索
4.人类活动改变了原来的碳循环——温室效应
→碳循环的关键反映
1.光合作用（photosynthesis）
2.呼吸作用（respiration）——aerobic decay （呼吸和燃烧）& anaerobic decay
（复杂化合物的形成——白垩纪和侏罗纪）
四、碳库和大气中的CO2
最大的碳库是地球表层的沉积物和沉积岩（通常不与大气交换）。
大气中碳的最主要形势是CO2，此外陆地生物存贮的碳量也非常大。
→因此，海洋、陆地和沉积库中碳量的小变化能够引起大气中碳量的大变化。
The dissolved inorganic carbon (DIC) in the ocean is by far the largest, active C pool. 五、carbon cycle flux
⇨slow flux and quick flux
六、生物泵的概念
在海洋的额垂直方向上，有上而下
1.Solubility pump-大气中CO2溶解到海水表面
2.Physical pump-海水表面物理混合作用使得碳酸氢根向海洋中扩散和传递
3.Biological pump-光合作用与呼吸作用是碳在有机和无机间转换。
七、CO2含量随纬度变化
南半球浓度波动振幅较小，而南半球要小得多。
【南半球以海洋为主】
八、两类人类活动对CO2的影响
1.燃烧化石燃料
2.森林砍伐和农业活动（焚烧）
九、Suess效应或工业效应(Hans Suess，1950)
a)• 化石燃料的燃烧至~ 1890年已造成大气中的12CO2增加
b)• 有效稀释14C/12C比值至~2%
c)• 1890树木被用来作为校正标准并可修正至1950年的蜕变。
十、大气二氧化碳含量的变化趋势
1.全球人口的增长状况
2.能源结构类型及消费水平
3.土地利用状况
4.对全球碳循环了解的深度
→无论采取什么方式，co2 含量都将比19世纪翻一番，引起重大的生态变化。
增加的生态影响
I.温室效应（就全球范围而言）
II.海平面上升
⇨全球变暖：行动还是等待？（《科学通报》）
十一、相关课题
1．气候变化的地球轨道理论
2．全球变暖转冷的可能驱动机制。