第二节 地球化学循环
地球化学循环可分为大类即水循环（water cycle）、气体型循环（gaseous cycle）和沉积型循环（ sedimentary cycle）。
一、水循环
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。水循环是物质循环的核心。水循环的主要作用表现在三个方面：
（1）水是所有营养物质的介质:营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起。地球上水的运动，把陆地生态系统和水域生态系统连接起来，从而使局部生态系统与整个生物圈发生联系。同时，大量的水防止了地球上温度的剧变。
（2） 水对物质是很好的溶剂:水在生态系统中起着能量传递和利用的作用。绝大多数物质都溶于水，随水迁移。
（3） 水是地质变化的动因之一:其他物质的循环常是结合水循环进行的。一个地方矿质元素的流失，与另一个地方矿质元素的沉积，亦往往要通过水循环来完成。
1. 全球的水循环
水循环受太阳能、大气环流、洋流和热量交换所影响，通过蒸发、冷凝等过程在地球上不断地循环，降水和蒸发是水循环的两种方式，天气中的水汽以雨、雪、冰、雹等形式落到地面或海洋，而地面上和海洋中的水又通过蒸发进入大气中。因此，水循环是由太阳能推动的，大气、海洋和陆地形成一个全球性水循环系统，并成为地球上各种物质循环的中心循环。
水的主要蓄库是海洋。在太阳能的作用下通过蒸发把海水转化为水汽，进人大气。在大气中，水汽遇冷凝结、迁移，又以降水的形式回到地面或海洋。当降水到达地面时，有的直接落到地面上，有的落在物群落中，并被截留大部分，有的落在城市街道和建筑物上，很快流失。到达土壤的水，一部分渗入土中，一部分作为地表径流而流入江、河、湖、海。河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水再通过不断蒸发作用进入大气。
地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的。也就是说，通过降水和蒸发这两种形式，地球上的水分达到平衡状态。但在不同的表面、不同地区的降水量和蒸发量是不同的。就海洋和陆地来说，海洋的蒸发量约占总蒸发量的84%，陆地只有16%；海洋中的降水量占总降水量的77%，陆地占 23%；可见，海洋的降水量比蒸发量少 7%，而陆地的降水量则比蒸发量多7%。海洋和陆地的水量差异是通过江河源源不断地输送水到海洋，以弥补海洋每年因蒸发量大于降水量而产生的亏损，达到全球性水循环的平衡（图 10 -2）。
水循环的另一特点是，由于每年降到地面的雨雪大约有35% 又以地表径流的形式流人海洋，这些地表径流能够溶解和携带大量的营养物质，因此它可以将各种营养物质从一个生态系统搬运到另一个生态系统、这对补充菜些生态系统营养物质的不足起着重要作用。由于携带着各种营养物质的水总是从高处向低处流，所以高地往往比较贫瘠，而低地则比较肥沃，例如沼泽地和大陆架就是这种比较肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。水的全球循环也影响地球热量的收支情况，对能量的传递和利用也有重要作用，地球上大量热能用于将冰融化为水，因此，水有防止温度发生剧烈波动的重要作用。
2.生态系统中的水循环
生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。植物在水循环中起着重要作用，植物通过根吸收土壤中的水分。与其他物质不同的是进入植物体的水分，只有1% ~3%参与植物体的建造并进入食物链，由其他营养级所利用，其余97% ~98% 通过叶面蒸腾返回大气中，参与水分的再循环。例如，生长茂盛的水稻，一天大约吸收 70 t/hm2的水，这些被吸收的水分仅有5%用于维持原生质的功能和光合作用，其余大部分成为水蒸气从气孔排出。
不同的植被类型，蒸腾作用是不同的，而以森林植被的蒸腾最大，它在水的生物地球化学循环中的作用最为重要。森林的植物从地下吸收水分，经传导叶片后蒸发到大气中，可以调节大气的湿度，降低林区空气温度。降水时，森林树冠一般可以截留约 20% ~30%，对减少地表径流和水土流失有很大作用。所以，森林是水循环重要的调节者。
二、气体型循环
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连。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。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。
1. 碳循环
碳是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的 45% 以上是碳。据估计，全球碳储存量约为 26 x 10" t，但绝大部分以碳酸盐的形式禁铜在岩石圈中，其次是储存在化石燃料中。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以二氧化碳形式存在的碳，二氧化碳或存在于大气中，或溶解于水中，所有生命的碳源均是二氧化碳。碳的主要循环形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，然后经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄库中。碳被固定后始终与能流密切结合在一起，生态系统的生产力的高低也以单位面积中的碳来衡量。
植物通过光合作用，将大气中的二氧化碳固定在有机物中，包括合成多糖、脂肪和蛋白质，储存于植物体内。食草动物吃后经消化合成，通过一个一个营养级，再消化再合成。在这个过程中，部分碳又通过呼吸作用回到大气中；另一部分成为动物体的组分、动物排泄物和动植物残体中的碳，则由微生物分解为二氧化碳，再回到大气中。
除了大气，碳的另一个储存库是海洋，它的含碳量是大气的 50 倍，更重要的是海洋对于调节大气中的含碳量起着重要的作用。在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的二氧化碳固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，再消化再合成,各种水生动植物呼吸作用又释放二氧化碳到大气中。动植物残体埋人水底,其中的碳都暂时离开循环。但是经过地质年代，又可以石灰岩或珊瑚礁的形式再露于地表;岩石圈中的碳也可以借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气圈。一部分则转化为化石燃料,燃烧过程使大气中的二氧化碳含量增加(图 10-3)。
二氧化碳在大气圈和水圈之间的界面上通过扩散作用而相互交换。二氧化碳的移动方向，主要取决于在界面两侧的相对浓度，它总是从高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散。借助于降水过程，二氧化碳也可进入水体。1L雨水中大约含有0.3 mL 的二氧化碳。在土壤和水域生态系统中，溶解的二氧化碳可以和水结合形成碳酸，这个是可逆的，反应的方向取决于参加反应的各成分的浓度。碳酸可以形成氢离子和碳酸氢根离子，而后者又可以进一步离解为氢离子和碳酸根离子。由此可以预见，如果大气中的二氧化碳发生局部短缺，就会引起一系列的补偿反应，水圈中的二氧化碳就会更多地进入大气圈中；同样，如果水圈中的二氧化碳在光合作用中被植物利用耗尽，也可以通过其他途径或从大气中得到补偿。总之，碳在生态系统中的含量过高或过低都能通过碳循环的自我调节机制而得到调整，并恢复到原有水平。大气中每年大约有1x1011 t的二氧化碳进入水体，,同时水中每年也有相同数量的二氧化碳进入大气中，在陆地和大气之间，碳的交换也是平衡的、陆地的光合作用每年大约从大气中吸收1.5x1010 t 碳，植物死后被分解约可释放出1.7x1010 t 碳，森林是碳的主要吸收者，每年约可吸收3.6 x109 t 碳。因此，森林也是生物碳的主要储存库，约储存 482 x 109 t 碳，这相当于目前地球大气中含碳量的2/3。
我国草地生态系统碳素总储量为 308 x10”t碳，占陆地生态系统碳素总储量的15.2%，草地生态系统在碳循环研究中占有重要的位置。草地生态系统碳循环具有其独特的生物地球化学循环过程和作用，主要表现为：碳素储量绝大部分集中于土壤中，地上生物量中仅为 10%；草地生态系统不像森林生态系统那样具有明显的地上生物量，但由于地上部分受放牧、农垦等的影响，碳循环远较森林生态系统要强烈，地上部分碳循环不仅速度快，而且向大气排放二氧化碳的作用明显；作为主要碳储存库的地下部分，由于草地所处的特殊地理位置和气候条件，导致其地下部分分解普遍较慢，草地作为二氧化碳汇的作用更为明显。因此，对于草地生态系统独特的碳循环过程与机制的研究将会为正确评估整个陆地生态系统的碳源汇功能提供重要的数据基础。
在生态系统中，碳循环的速度是很快的，最快的在几分钟或几小时就能够返回大气，一般会在几周或几个月返回大气。一般来说，大气中二氧化碳的浓度基本上是恒定的。但是，近百年来，由于人类活动对碳循环的影响，一方面森林大量砍伐，另一方面在工业发展中大量化石燃料的燃烧，使得大气中二氧化碳的含量呈上升趋势。由于二氧化碳对来自太阳的短波辐射有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射有高度的吸收性，这就有可能导致大气层低处的对流层变暖，而高处的平流层变冷，这一现象称为温室效应。
2. 氮循环
氮是构成蛋百质和核酸的主要元素，在生物学上具有重要意义。氮循环过程非常复杂，很多环节都有微生物参加，循环性能极为完善。
虽然大气化学成分中氮的含量非常丰富，有78%为氮气，然而氮气是一种惰性气体，植物不能够直接利用。因此，大气中的氮对生态系统来讲，不是决定性库。必须通过固氮作用将游离氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，氮被固定后，才能进入生态系统，参与循环。
氮在环境中的循环可用图10-4 来表示。植物从土壤中吸收无机态的氮，主要是硝酸盐，用作合成蛋白质的原料。这样，环境中的氮进人了生态系统。植物中的氮一部分为食草动物所取食，合成动物蛋白质。在动物代谢过程中，一部分蛋白质分解为含氮的排泄物(尿素、尿酸)，再经过细菌的作用，分解释放出氮气。动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用，使有机态氮转化为无机态氮，形成硝酸盐。硝酸盐可再为植物所利用，继续参与循环，也可经反硝化细菌作用，形成氮气，返回大气库中。
因此，含氮有机物的转化和分解过程主要包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用。
氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮(氨基酸和核酸)分解成为氨与氨化合物，氨溶水即成为 NH4+，可为植物所直接利用。氨无论在好氧还是在厌氧条件下均能发挥作用，形成的氨和铵盐可被植物利用，而且铵态氮易被胶体吸附，不易淋失，可继续转化为植物更易吸收的硝态氮，氨化作用在土壤氨素养分供应上有很大意义。
硝化作用：在通气情况良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧花为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用。土壤中还有一部分硝酸盐变为腐殖质的成分，或被雨水冲洗掉，然后径流到达湖泊和河流，最后到达海洋，为水生生物所利用。海洋中还有相当数量的氨沉积于深海而暂时离开循环。亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌都属自养型好氧性细菌，因此，硝化作用只能在好氧环境下发挥。氨态氮和硝态氮都属植物直接利用的有效态氮，它们常被作为土壤营养诊断的氮素营养指标。
反硝化作用：也称脱氮作用，在通气不良的条件下，反硝化细菌将硝酸盐转变成分子氮，回到大气库中。
人工固氮对全球氮循环和环境的影响：工业固氮的发明以及氮肥被广泛使用，极大地促进了农业的发展使衣作物的产量大幅度提高。据联合国粮农组织有关统计资料，近十多年来化肥对农作物总产量增长的贡献率在 30% 以上，为解决全球粮食短缺做出了巨大贡献。但是与此同时，也破坏了全球氮循环平衡，造成严重的环境问题。
（1）污染水体。氮肥被过量施用，导致大部分氮肥流失而进入水体，造成水体污染。 水体硝酸盐（NO3-）含量过高对于生物是危险的，由于NO3-的溶解性极高，一部分NO3-随水滲入地下，造成地下水的污染。NO3-在消化管内可以转化为NO2-，NO2-可与血红蛋白相结合形成正铁血红蛋白，导致红细胞运输氧功能的丧失。含过量NO3-的水对婴儿危害更为严重，可导致婴儿皮肤缺氧而呈蓝色，在眼部和口部尤为明显，这就是所谓的“蓝婴病”。此外，NO2-与人体各类胺结合生成强致癌物亚硝胺，可引起癌症。未被吸收的氮肥可随着农田退水，流入池塘、河流、湖泊、海湾与磷共同作用造成水体富营养化，破坏天然水体的生态平衡，引起个别蓝藻、原生动物和藻类的种群大爆发，其死体的分解消耗大量氧气，从而造成鱼类等其他水生生物大量死亡，有些种类还产生毒素，污染空气，引发疾病。淡水的富营养化称为“水华”，海洋和海湾的富营养化称为“赤潮”。水体富营养化可导致一些水生生物列死亡和灭绝，降低生物多样性，降低尔的使用价值，破坏自然景观。
（2）加速全球气温升高。未被吸收的 NO3-，在土壤缺氧时，通过反硝化作用可产生N2O（俗称笑气）。N2O是一种温室气体，其每个分子吸收地球红外辐射的能力比二氧化碳要高 200 多倍，它在天气中的寿命超过 100年，近年来其产生量呈上升趋势，从而引起全球气温升高。
（3） 臭氧层破坏。N2O不仅是一种温室气体，进入到平流层的N2O还能破坏臭氧，造成到达地面的紫外线增多，对人体和其他生物造成伤害。
（4） 降低土壤质量。长期大量施用化肥，可引起土壤板结，破坏土壤的团粒结构，导致土壤酸化和肥力下降，土壤生物多样性降低。过多的NO3-和 NO2-可在蔬菜和水果中残留，使蔬菜和水果的品质下降。
（5） 污染空气、形成酸雨。化石燃料与物质燃烧产生的NO、NO2，可形成光化学烟雾，造成空气污染，也可形成酸雨，对生物和材料产生巨大危害。
我国耕地面积仅占世界耕地面积的 7%，而氮肥的消耗量占世界氮肥消耗量的1/3。人类从工业固氮中获得巨大利益，但人类没有能预见其对于环境的不良后果；即使到现在，人类对于这些不良后果关注得仍然不足，远不如对大气二氧化碳含量上升的关注。进一步重视其不良后果，并加强科学研究是当前全球生态学的重要任务。
三、沉积型循环
沉积型循环的主要蓄库与岩石、土壤和水相联系，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存库在土壤、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、硫、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等，其中礎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。
矿质元素通过岩石风化等作用释放出来参与循环，又通过沉积等作用进入地壳而暂时离开循环，所以沉积型循环往往是不完全的循环。
1.磷循环
磷是生物不可缺少的重要元素，生物的代谢过程都需要磷的参与，磷是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分，高能磷酸键在腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）之间可逆地转移，它是细胞内一切生化作用的能量。它还制约着生态系统，尤其是水域生态系统的光合生产力。因此，磷循环是促进生物圈功能过程的基础。
磷不存在任何气体形式的化合物，所以磷是典型的沉积型循环物质。沉积型循环物质主要有两种存在相:岩石相和溶解盐相。循环的起点源于岩石的风化，终于水中的沉积。由于风化侵蚀作用和人类的开采，磷被释放出来，由于降水成为可溶性磷酸盐，经由植物、食草动物和食肉动物而在生物之间流动，待生物死亡后被分解，又使其回到环境中。溶解性磷酸盐，也可随着水流，进人江河湖海，并沉积在海底。其中一部分长期留在海里，另一些可形成新的地壳，在风化后再次进入循环（图10-5）。
在陆地生态系统中，含磷有机物被细菌分解为磷酸盐，其中一部分又被植物再吸收，另一些则转化为不能被植物利用的化合物。同时，陆地的一部分磷由径流进入湖泊和海洋。在淡水和海洋生态系统中，磷酸盐能够迅速地被浮游植物所吸收，而后又转移到浮游动物和其他动物体内，浮游动物每天排出的磷与其生物量所含有的磷相等，所以使磷得以继续循环。浮游动物所排出的磷又有一部分是无机磷酸盐，可以为植物所利用，水体中其他的有机磷酸盐可被细菌利用，细菌又被其他的一些小动物所食用。一部分磷沉积在海洋中，沉积的磷随着海水的上涌被带到光合作用带，并被植物所吸收。
因动植物残体的下沉，常使得水表层的磷被耗尽而使深水中的磷积累过多。磷是具有可溶性的，但由于磷没有挥发性，所以，除了鸟粪和对海鱼的捕捞，磷没有再次回到陆地的有效途径。在深海处的磷沉积，只有在发生海陆变迁，由海底变为陆地后，才有可能因风化而再次释放出磷，否则就将永远脱离循环。正是由于这个原因，使陆地的磷损失越来越大。因此，磷的循环为不完全循环，现存量越来越少，特别是随着工业的发展而大量开采磷矿加速了这种损失。据估计，全世界磷蕴藏量只能维持 100年左右，在生物圈中，磷参与循环的数量，目前正在减少，磷将成为人类和陆地生物生命活动的限制因子。
2. 硫循环
硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动，因此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。在沉积相，硫被束缚在有机或无机沉积物中。
自然界中的火山爆发也可將岩石蓄库中的硫以硫化氢的形式释放到大气中，化石燃料的燃烧也将蓄库中的硫以二氧化硫的形式释放到大气中，可为植物吸收。
硫循环要经过气体型阶段。硫的主要蓄库是硫酸盐岩，但大气中也有少量的存在。在硫循环中涉及许多微生物的活动，生物体需要硫合成蛋白质和维生素。植物所需要的大部分硫主要来自土壤中的硫酸盐，同时可以从大气中的二氧化硫获得。植物中的硫通过食物链被动物所利用，或动植物死亡后，微生物对蛋白质的分解将硫释放到土壤中，然后再被微生物利用，以硫化氢或硫酸盐形式而释放硫。无色硫细菌既能将硫化氢还原为元素硫，又能氧化为硫酸；绿色硫细菌在有阳光时，能利用硫化氢作为氧的接收者；生活于沼泽和河口的紫细菌能使硫化氢氧化，形成硫酸盐，进人再循环，或者被生产者生物所吸收，或为硫酸还原细菌所利用（图10-6）。
人类对硫循环的影响很大，通过燃烧化石燃料，人类每年向大气中输人的二氧化硫已达1.47 x 108 t，其中70%来源于燃烧煤，二氧化硫在大气中遇水蒸气反应形成硫酸，大气中的硫酸对于环境有许多方面的影响，对人类及动物的呼吸道产生刺激作用，如果是细雾状的微小颗粒，还能进人肺，刺激敏感组织。二氧化硫浓度过高，就会成为灾害性的空气污染，例如伦敦 1952 年、纽约和东京1960 年的二氧化硫灾害，造成支气管性哮喘大增，死亡率上升。空气中的污染物的种类很多，现在往往将硫的浓度作为空气污染严重程度的指标，空气中硫含量与人的健康关系最为密切。
四、人类活动对生物地球化学循环的影响
人类的生产活动在地球化学循环中具有非常重要的作用。它加速化学循环的进程，扩大化学循环的规模。特别是可能破坏大气圈二氧化碳平衡、氧平衡和水平衡，造成酸雨现象、地球“温室效应”现象，使地球臭氧屏蔽可能受到破坏。这一切正逐渐引起人们的严重关切。
从活动性质上看：
（1）开垦土地，开矿等工程使地下矿物暴露于风化环境中，从而加速了矿物的分解。由于提炼数亿吨纯金属，造成了大量的废弃物排放。
（2） 化石燃料的使用，使自然界已经固定在矿物中的二氧化碳重新释放。
（3）人类活动创造出新的物理化学条件，使地球化学循环具有新的特点。
据 20 世纪 80 年代初的资料，人工合成的化合物迄今已达 500 万种，每年的生产量也在6 000 万吨以上；人类活动释放到环境中的化学物质的数量，相当于火山活动和岩石风化过程释放的 10~100 倍，所有这些物质都进入地球化学循环，从而改变着原有的元素迁移平衡，加速化学循环，形成新的地球化学过程。
从具体内容上看：
（1）人类活动对全球碳循环的影响体现在三方面：一是人为增加碳源；二是人为减少碳汇；三是气候变暖的反端作用。碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程，包括碳元素在各个储库的储存和在不同储库之间的流通。不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。人类活动触动了这种平衡机制，成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。
（2）由于化石燃料的大量使用和化肥产业的固氮为肥，地球的氮循环在过去150 年里发生了很大的变化，空气中的氮氧化合物（NOx= NO + NO2）含量显著增加，因此也影响到了空气中氨同位素（δ18N）的含量。
（3）人类活动不断改变着自然环境，越来越强烈地影响水循环的过程。人类构筑水库，开凿运河、渠道、河网，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和水的运动状况的变化，人类对水的自然循环的作用构成了水的社会循环。城市和工矿区的大气污染和热岛效应也可改变本地区的水循环状况。农林垦殖、森林砍伐、城市化、水资源开发利用和生态环境恶化，引起蒸发、径流、下滲等过程的变化和陆面对太阳辐射的反照率、粗糙度、不透水面积的扩大等物理参数的变化。虽然这些影响是局部的，但其强度往往很大，有时它对水循环的影响可扩展至地区，甚至通过水圈、气圈的相互作用影响到全球范围。
