岩石中的物质迁移过程及生态影响

景观中物质的迁移分垂直和水平两个方向，按迁移尺度分为全球、区域和局地三个层次。

（一）垂直方向上的物质迁移

1.物质迁移的过程

（1）岩石的地质大循环过程。地表岩石的地质大循环过程主要表现为海底扩张、造山运动、大陆漂移、板块运动及三大类岩石的转化。这种大循环从其发生过程看分为幼年期、壮年期和晚年期。在地貌特征上主要表现为高原、山地、丘陵和平原的形成与转化，最后在地球内力的作用下将平原抬升为高原而进入下一轮地质大循环。

陆地表面环境不大适宜于保存在高温高压条件下形成的岩浆岩，当其暴露在低温低压条件下时，特别是大气中有丰富的自由氧、二氧化碳和水时，矿物就会随变化了的环境而发生化学变化。岩石表面受物理崩解力的作用，破碎成细小的碎屑，碎屑物在化学性质活泼的溶液中表面积增大，从而加速了岩浆岩的化学蚀变。岩浆岩的化学蚀变是产生沉积岩无机矿物的最主要来源，在矿物蚀变过程中，固体岩石变软、破碎，产生大小不同的颗粒。这些颗粒被流体介质——空气、水或冰搬运到较低的位置和可能沉积的地方。通常沉积物堆积的最佳地点是大陆边缘的浅海。但也可以是内陆海或大湖泊。堆积巨厚的沉积物可能被深深地埋藏在比较新的沉积物下面，随着压力的增大，沉积物发生物理和化学变化，变得紧实、坚硬，形成沉积岩。沉积岩有碎屑沉积岩、化学沉积岩和有机沉积岩三大类。碎屑沉积岩主要有砾岩（砾岩代表岩化的海滩或河床沉积物）、砂岩（砂粒一般是石英）、粉砂岩和页岩（页岩是沉积岩中最多的一种，大部分由黏土矿物高岭石、伊利石和蒙脱石组成）；化学沉积岩是矿质化合物从海洋和荒漠气候区的内陆成水湖里的盐溶液中沉淀出来的，最常见的岩类是石灰岩（其主要组成矿物为方解石），与石灰岩密切相关的是白云岩，它是由钙、镁碳酸盐矿物所组成，二者统称为碳酸盐岩；有机沉积岩中最重要的是碳氢化合物，如煤、泥炭、呈液态的石油和天然气等。地球内部的碳氢化合物总称为化石燃料。从人类能源的观点看来，这些燃料是不可更新的资源。一旦它们被消耗完，就不可能复得，因为地质过程一千年之内产生的量与整个地质时期所形成的量相比是微乎其微的。

（2）水循环过程。垂直方向上的水循环是水及其中的元素宏观尺度上的循环。其迁移、转化路径为：地表的水在太阳能和重力能的作用下，不断地从一种聚积状态（气态、液态、固态）转变为另一种状态，从一种赋存形式（自由水、结晶水、薄膜水和吸附水）转变为另外一种形式，从一个圈层（水圈、气圈、岩石圈和生物圈）转移到另一个圈层，形成复杂的迁移过程。

景观中的水受到太阳热力的作用发生形态变化，蒸发作用使液态水变为水蒸气，从水圈、岩石圈、生物圈进入大气圈。水蒸气在大气圈中随大气环流而运动，赋予每一单位体积水分以它上升高度相应的势能和太阳辐射能将水抬升到一定高度而做的功，均表现为能量的转化。首先要供给水分蒸发时的潜能，然后产生大气的运动，当冷凝时散热归还给大气，与用于蒸发时的能量相互抵消，再以降水、雾凇和雪、冰雹的形式从高空重返水圈、岩石圈、生物圈。从能量的角度看是势能转化为动能，同时大部分消耗于克服大气摩擦阻力，并且以长波辐射的形式离开这一系统。到达地表的降水把势能转变为以地表水、地下水和冰川形式等流动的动能，加之重力作用产生的径流，参与岩石圈的侵蚀、改造，最后流入海洋。落在高纬地区或高山、高原地区的降雪，形成冰川或冰盖，成为水圈的组成部分。当冰川融化，水又参与生物的生长、岩石的风化，或者再次被蒸发、蒸腾进入大气圈，参与天气过程，形成雨、雪、霜、露、雹、雾等各种各样的天气现象，进入下一轮圈层间水的大循环。

（3）生物小循环过程。垂直方向上的生物小循环主要发生在生物圈、岩石圈、水圈和土壤圈中。但也有部分微生物的循环仅在大气圈中。各圈层间的生物小循环过程主要完成的是C、N、P、S的生物循环和一些微量元素全球尺度的循环。这些元素的生物迁移过程与生物生命过程的形成与分解是密切相关的，无论是陆地还是海洋，只要有生命存在就一定有元素的生物迁移过程，只是方向与强度在不同的景观可能完全不同。垂直方向上的生物小循环主要表现为，在没有人为干预的自然条件下，植物通过根系从风化壳或土坡深处汲取各种元素至体内，待植物枯死后，再返回原地的土壤表层。这时的元素迁移只是通过植物“泵”的作用从风化壳或突然深层转移到土壤表面。如此反复，风化壳下部的亲生性元素逐渐向风化壳表层移动，使风化壳内的化学元素在垂直方向上发生分异。从地表化学元素迁移的方向来看，生物迁移与水迁移的方向正好相反。水迁移力图使风化壳中的元素不断向下和向低处淋失，而生物迁移力图使风化壳中的元素向上和向生物体内积聚，减少流失。土壤中的无机元素和有机化合物经植物、草食动物、肉食动物或人以及微生物的摄食、吸收、分解，从一地转移到另一地。这是一种生物（食物）链的迁移过程。水体中（包括水底沉积物）的元素经过水生生物的吸收转移之后，部分返回原来的水体，部分被人类移往他处。根据生物生长发育的需要，生物体内可以吸收、聚集化学性质明显不同的元素（N、S、Ca等），甚至有些元素的富集与化学性质毫无关系，如某些海岛上鸟粪层磷的迁移与富集则完全由海鸟的生物学行为所决定。

（4）大气循环过程。现代大气对流层中N2、O2、Ar等含量基本上是恒定的，CO2、水汽等的含量虽然有一定的变化，但是变化幅度也不大。这表明大气的气体成分和水汽在大气环流和生物等因素的共同作用下基本保持动态平衡。垂直方向上的大气迁移过程中可细分为C、N、O等元素的迁移过程。

2.物质迁移的意义

垂直方向上的元素通过不同介质实现的迁移过程，虽然迁移方式各不相同，但它们彼此之间相互制约，相互影响组合成一个整体。一种要素变化必然对另一种要素产生影响，一个圈层内物质迁移速率和方向的变化，也必然对另一圈层乃至景观圈的整体产生影响。元素在地表水或地下水中的迁移不仅与生物迁移密切相关，且生物作用又不断地改变着景观中的介质状况与氧化还原条件；大气迁移则在更大的区域范围内把元素的水迁移与生物迁移联结在一起，使元素的迁移循环过程变得更加复杂，以至于产生“蝴蝶效应”，成为全球变化的一个根源。(www.xing528.com)

（二）水平方向上的物质迁移

水平方向上的物质迁移按迁移尺度分为全球、区域和局地三种。

1.全球尺度的物质迁移

全球尺度的物质迁移和地质大循环、水循环和大气运动直接相关，这里不再赘述。目前常用“源”“流”“汇”分析全球尺度的物质迁移。从全球尺度看，海洋是CO2的源和汇。从大陆的尺度看，CO2的源是土壤和植物的呼吸作用、植物和薪炭林的燃烧以及交通、工业和建筑物取暖时化石燃料的燃烧。主要的汇是植物的光合作用和大气圈。

生长植物的温暖又潮湿的土壤，如赤道和亚热带及寒带的夏季，呼吸作用很旺盛。真菌和细菌在温暖潮湿的条件下分解死有机体，产生CO2。白天从土壤中释放的CO2可被植物的光合作用吸收。夜晚植物不能进行光合作用时，风很小的条件下，上升的温暖气流将绝大部分土壤中的CO2带到对流层这一传送带中，可输入另一个区域，在那里可能被吸收也可能不被吸收。所有的绿色植物都能进行光合作用，但光合作用的速率差距很大。大叶植物（叶面系数大）和具有很高生长速度的植物净生产率大，是CO2最大的吸收者，或者说它是CO2最大的汇。因此大量的CO2被正在生长的幼林或者谷田吸收，转化成生物量。但是，裸露的、干的、寒冷的地表或者建筑区吸收的CO2量少。成熟林吸收CO2但也通过呼吸作用释放大量的CO2。如果对流层传送带没有遇到汇，CO2就只能在大气圈中单调地增加，与粒子物质一样，在倒置层下积累。CO2被称为“大气温室气体”。最近几十年平均气温随大气圈中CO2浓度的增加而升高。这是碳氧化物的增多限制了热量向宇宙空间扩散造成的。

2.区域尺度的物质迁移过程

（1）区域间的水迁移过程。区城间的水迁移过程是物质迁移过程中最为重要的过程，它往往与化学元素的迁移共轭，决定区域景观过程的方向和强度。

水在对流层中以雪粒、雨滴、水滴和水蒸气方式实现迁移。前三种方式存在于云中，传送的距离短，水蒸气大部分在地面附近传输，其中一小部分在高处可传送较远的距离。如湖泊、湿地或者森林的下风向呈羽状的气流，水汽很丰富。绿洲周围的灌溉农田往往由于上风向的蒸发导致下风向气流中水汽含量增加，减少下风向蒸发造成的水分损失。

水的水平运动主要表现为地表径流或地下径流。在重力势能作用下，水从高处向低处流，最终流至大海或局部低洼地。在这一水文过程中，地形地貌起了重要作用。由于地形高度的差异，导致空间上水的重力势能不同，较高处势能大，较低处势能小，两者的势能差决定了水在水平方向上的流向，也是其水平运动的动力源。植物类型和土地利用类型控制着水流的水平流速，当裸地变为林地时，因基质的异质性增大，而流速度就会降低。

（2）区域之间的大气迁移过程。区域间的大气迁移是指自然地理过程中的气体成分、水汽、固体和液体颗粒随气流运动而发生的位移。区域间的大气迁移主要是由于热力条件不同，产生的区域间的风流，其实质是全球尺度大气迁移的一部分。