生物地球化学循环及其对生态环境的影响

在生态系统中，生物为了生存不仅需要能量，也需要物质。物质是化学能量的运载工具，又是有机体维持生命活动所进行的生物化学过程的结构基础。假如没有物质作为能量的载体，能量就会自由散失，不能沿着食物链转移；假如没有物质满足有机体生长发育的需要，生命就会停止。

生物有机体维持生命所必须的化学元素有40多种，其中氧、碳、氢、氮被称为基本元素，占全部原生质的97%以上，是生物大量需要的；钙、镁、磷、钾、硫、钠等被称为大量营养元素，生物需要量相对较多；铜、锌、硼、锰、钴、铁等被称为微量营养元素，在生命过程中需要量虽然很少，但却是不可缺少的。所有这些化学元素，不论生物体需要量是多是少，都是保证生命活动正常进行所必需的，是同等重要、不可代替的。

生物从大气圈、水圈、土壤岩石圈获得这些营养物质，而这些营养物质在生态系统中都是沿着周围环境→生物体→周围环境的途径做反复运动。这种循环过程又称为生物地球化学循环，简称生物地化循环。根据物质循环路线和周期长短的不同，可将循环分为生物小循环和地球化学大循环。

在一定地域内，生物与周围环境（气、水、土）之间进行的物质周期性循环，称为生物小循环，主要是通过生物对营养元素的吸收、留存和归还来实现。其特点是，在一个具体的范围内进行，以生物为主体与环境之间进行迅速的交换，流速快、周期短。生物小循环为开放式循环，受地球化学大循环所制约。

地球化学大循环，是指环境中的元素经生物吸收进入有机体，然后以排泄物和残体等形式返回环境，进入大气圈、水圈、土壤岩石圈及生物圈的循环，形成地化大循环的动力有地质、气象和生物三个方面。地化大循环与生物小循环相比较，有范围大、周期长、影响面广等特点。生物小循环和地化大循环相互联系、相互制约。小循环置于大循环之中，大循环不能离开小循环，两者相辅相成，在矛盾的统一体中构成生物地球化学循环。

生物地球化学循环是地球表面自然界物质运动的一种形式，有了这种物质的循环运动，资源才能更新，生命才能维持，系统才能发展。例如生物在不停的呼吸过程中，每天都要消耗大量的氧气，可是空气中氧的含量并没有明显的改变；动物每年都要排泄大量的粪便，动植物死后的残体也要遗留地面，经过漫长的岁月后，这些粪便、残体并未堆积如山。正是由于生态系统中存在着永久不断的物质循环，人类才能有良好的生存环境。

下面将分别简述水、碳、氮和磷四种循环。氧与氢结合成水，又和碳合成二氧化碳，已包括在水和碳的循环中，故不再另述。

（1）水循环

照射地球表面的太阳能除了很少一部分供植物光合作用的需要外，约有1/4用于蒸发水分，从而引起了生物圈中水的循环。水分不仅能从水面和陆地表层蒸发，而且也可通过植物叶面的蒸发作用而进入大气中。大气中的水遇冷则凝结成雨雪等降水，又落回地表。地球表面约70%为海洋，而且海洋水面蒸发的水比凝降返回的多，陆地上的情况恰恰相反。

水循环

因此，陆地的水一部分流经河川重返海洋；一部分渗入土壤或松散的岩层中，除被植物部分吸收外，其余均成为地下水，最后也经缓慢移动流回海洋。水分虽然也会通过动物身体循环，但流量甚少。

一切物体中的有机物质大部分是由水组成的，地面水体又是人类从事生产和生活所不可缺少的，所以任何一个生态系统都离不开水；同时水循环为生态系统中物质和能量的交换提供了基础。此外，水循环还起着调节气候、清洗大气和净化环境的作用。

（2）碳循环(www.xing528.com)

碳也是构成生物体的主要元素，它以二氧化碳的形式贮存于大气中。植物借光合作用吸收空气中的二氧化碳制成糖类等有机物质而释放出氧气，供动物呼吸作用。

同时，植物和动物又通过呼吸作用吸入氧气而放出二氧化碳重返空气中。此外，动物的遗体经微生物分解破坏，最后也氧化变成二氧化碳、水和其他无机盐类。矿物燃料如煤、石油、天然气等也是地质史上生物遗体所形成的。当它们被人类燃烧时，耗去空气中的氧而释放出二氧化碳。最后，空气中的二氧化碳有很大一部分为海水所吸收，逐渐转变为碳酸盐沉积海底，形成新岩石；或通过水生生物的贝壳和骨骼移到陆地。这些碳酸盐又从空气中吸收二氧化碳成为碳酸氢盐而溶于水中，最后也归入海洋。其他如火山爆发和森林大火等自然现象也会使碳元素变成二氧化碳回到大气中。

由于工业的高速发展，人类大量耗用化石燃料，使空气中二氧化碳的浓度不断增加，对世界的气候发生影响，对人类造成危害。

（3）氮循环

氮也是构成生物体有机物质的重要元素之一，而且它在环境问题中都有重要的作用。人类食物中缺乏蛋白质时会引起营养不良，使体力和智力均受到危害。氮制造的合成化学肥料，在施用时也可能引起水体污染。此外，氮在燃烧过程中被氧化成氮氧化物，能造成大气中光化学烟雾的严重污染。

大气中含有大量的氮（约占79%），但不能为植物或动物所直接利用。只有像茴蓿、大豆等豆科植物的根瘤菌这一类固氮细菌或某些蓝绿藻，才能将空气中的氮转变为硝酸盐固定下来。植物从土壤中吸取硝酸盐和铵盐等，并在体内制成各种氨基酸，然后再合成各种蛋白质。动物借食用植物而取得氮，动植物死亡后，身体中的蛋白质被微生物分解成硝酸盐或铵盐而返回土壤中，供植物吸收利用。土壤中一部分硝酸盐在反硝化细菌的作用下转变成分子氮回到大气中。化学肥料的生产和使用也能将空气中氮变成铵盐而贮存于土壤中。火山喷发时也会有氮气进入大气。

（4）磷循环

磷是维持生命所必需的另一重要元素。生物在新陈代谢过程中都需要磷。人类大量应用磷类洗涤剂和磷肥的结果，使水体中磷养分过多，水生植物生长过盛，引起对环境的危害。

磷的主要来源是磷酸盐岩石以及鸟粪层和动物化石的天然磷酸盐矿床。磷酸盐岩石或矿床通过天然侵蚀或人工开采进入水体或食物链中，经短期循环后最终大部分流失在深海沉积层中，一直到经过地质上的活动才又提升上来。人工开采磷矿做化学肥料使用，最后大半部分也是冲刷到海洋中去，只有小部分通过浅海的鱼类和鸟类又返回到陆地。磷在生物圈中只有较小的部分进行生物地质化学循环，大部分是单方向流动过程，是一种不可更新的资源。因此，对磷矿资源的利用应予以慎重考虑。据美国1972年的资料显示，世界上现有磷矿储量估计可维持100年左右。

值得注意的是，物质流在食物链中有一个突出的特性，就是生物放大作用。当环境受到污染后，某些不能降解的重金属元素或其他有毒物质却会通过食物链逐级放大，在生物体内进行富集。例如，DDT等有机氯杀虫剂，在食物链上的富集情况，就是明显的一例。DDT是一种难分解的脂溶性物质，当它进入生物体后，与脂肪结合，不易排出体外，并通过食物链富集。由于生物的富集作用，就大大增加了有毒物质对食物链中较高营养级的动物和人类的毒害作用。但同时，人类也可以利用生物富集作用来降低或消除环境污染。

在生态系统中，能量流动和物质循环虽然具有性质上的差别，各自发挥自己的作用，然而它们之间是紧密结合、不可分割的整体。能量流动和物质循环是在生物取食过程中同时发生的，两者密切相关，相互伴随，难以分开。例如，食物是由有机分子构成，能量就贮存于分子的键内。