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物质循环

物质循环的概述 生态系统的物质循环是指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。生态系统中的物质循环可以用库(pool)和流通(flow)两个概念来加以概括。 [1] 库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中的一定数量的某种化合物所构成的。对于某一种元素而言,存在一个或多个主要的蓄库。在库里,该元素的数量远远超过正常结合在生命系统中的数量,并且通常只能缓慢地将该元素从蓄库中放出。物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通的。在单位时间或单位体积的转移量就称为流通量。

在物质循环中,周转率越大,周转时间就越短。如大气圈中二氧化碳的周转时间大约是一年左右(光合作用从大气圈中移走二氧化碳);大气圈中分子氮的周转时间则需100万年(主要是生物的固氮作用将氮分子转化为氨氮为生物所利用);而大气圈中的水的周转时间为10.5d,也就是说,大气圈中的水分一年要更新大约34次。在海洋中,硅的周转时间最短,约800s,钠最长,约2.06亿年。

物质循环的速率在空间和时间上是有很大的变化,影响物质循环速率最重要的因素有:①循环元素的性质:即循环速率由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致;②生物的生长速率:这一因素影响着生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度;③有机物分解的速率:适宜的环境有利于分解者的生存,并使有机体很快分解,迅速将生物体内的物质释放出来,重新进入循环。

生态系统的物质循环可分为三大类型,即水循环(water cycle),气体型循环(gaseous cycle)和沉积型循环(sedimentary cycle)。

生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的,因此,没有水的循环,也就没有生态系统的功能,生命也将难以维持。在气体循环中,物质的主要储存库是大气和海洋,循环与大气和海洋密切相联,具有明显的全球性,循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质,其分子或某些化合物常以气体的形式参与循环过程。属于这一类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。气体循环速度比较快,物质来源充沛,不会枯竭。主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环,如磷、硫循环。沉积型循环速度比较慢,参与沉积型循环的物质,其分子或化合物主要是通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质,而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程,时间要以千年来计。这些沉积型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中,而无气体状态,因此这类物质循环的全球性不如气体型循环、循环性能也很不完善。属于沉积型循环的物质有:磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等,其中磷是较典型的沉积型循环物质,它从岩石中释放出来,最终又沉积在海底,转化为新的岩石。

气体循环和沉积型循环虽然各有特点,但都能受能量的驱动,并能依赖于水循环

生态系统中的物质循环,在自然状态下,一般处于稳定的平衡状态。也就是说,对于某一种物质,在各主要库中的输入和输出量基本相等。大多数气体型循环物质如碳、氧和氮的循环,由于有很大的大气蓄库,它们对于短暂的变化能够进行迅速的自我调节。例如,由于燃烧化石燃料,使当地的二氧化碳浓度增加,则通过空气的运动和绿色植物光合作用对二氧化碳吸收量的增加,使其浓度迅速降低到原来水平,重新达到平衡。硫、磷等元素的沉积物循环则易受人为活动的影响,这是因为与大气相比,地壳中的硫、磷蓄库比较稳定和迟钝,因此不易被调节。所以,如果在循环中这些物质流入蓄库中,则它们将成为生物在很长时间内不能利用的物质。

自然界碳循环的基本过程如下:大气中的二氧化碳(CO2)被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动,又以二氧化碳的形式返回大气中。自然界中碳的分布、碳的流动和交换。

有机体和大气之间的碳循环 绿色植物从空气中获得二氧化碳,经过光合作用转化为葡萄糖,再综合成为植物体的碳化合物,经过食物链的传递,成为动物体的碳化合物。植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气,另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后,残体中的碳,通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。

一部分(约千分之一)动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代,在热能和压力作用下转变成矿物燃料──煤、石油和天然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时,其中的碳氧化成为二氧化碳排入大气。人类消耗大量矿物燃料对碳循环发生重大影响。

大气和海洋之间的二氧化碳交换 二氧化碳可由大气进入海水,也可由海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处,由于风和波浪的作用而加强。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等,大气中二氧化碳量增多或减少,海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。

碳质岩石的形成和分解 大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸,碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐,并被河流输送到海洋中。海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的,接纳新输入的碳酸盐,便有等量的碳酸盐沉积下来。通过不同的成岩过程,又形成为石灰岩、白云石碳质页岩。在化学和物理作用(风化)下,这些岩石被破坏,所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。碳质岩石的破坏,在短时期内对循环的影响虽不大,但对几百万年中碳量的平衡却是重要的。

人类活动的干预 人类燃烧矿物燃料以获得能量时,产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年,由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动,二氧化碳的生成量估计每年增加 4.8-。其结果是大气中二氧化碳浓度升高。这样就破坏了自然界原有的平衡,可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解,但海水中溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。

与此同时,如果工业固氮量继续高速增长,而反硝化作用(也称脱氮作用)的增加速度又跟不上的话,那么全球的氮循环平衡就可能受到越来越大的压力。

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