地球环境系统中的物质循环

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总之，地球环境系统中物质的地质循环、物 理循环和生物循环三者之间具有密切的相互联系，
其中地质循环及其结果在宏观上控制着物理循环 和生物循环，而物理循环（如水循环、大气环流） 与生物循环又交织在一起是驱动生物循环的重要
动力之一。
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11.1.2 物质循环过程的驱动力
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11.1.3 物质循环与循环经济
从现代人类生产生活消费总量来看，地球
已成为一艘没有补给通道、也没有下水道的空 间飞船，面对“船载”资源的日益枯竭和“船 舱”环境质量的不断恶化，人们必须采用新技
术对废物加以循环利用，维持并不断改善人类 生存环境质量，这应该是循环经济概念的源头。
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质形态转变为另一种物质形态。能量守恒定律：在 地球环境系统中，驱动物质变化的能量既不能消灭，
也不能创造，但可以从一种能量形式转化为另一种 能量形式，也可以从一种物质传递到另一种物质，
在转化和传递过程中能量的总值保持不变。
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在地球环境系统中能量的存在形式有：动 能、势能、热能、辐射能、化学能、原子能、
电能、声能等。驱使地球环境系统中物质循环 的能量主要有：地球的能量(地球物质运动的动
能、势能、地热、岩石圈中的原子能等)、太阳 辐射能、日-月-地系统的势能。
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能 量 图11-1 地球环境系统中物质循环及其能量过程示意图
G.T. Miller, 1996
地 球 环 境 系 统 年中 资硫 料素 ）循 环 过 程 图 式
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在北美、西欧、东南亚等工业发达或人口密
集地区，大量富硫煤的使用导致大量SO2气体的 排放，引发了大范围的酸雨，这些酸沉降(酸雨)
对区域农业生态系统、森林生态系统、水生生态 系统及其人类社会系统带来了严重的危害。
地球环境系 统中物质循 环理论
碳循环与 环境 磷循环与 环境 有毒有害 循环
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11.1 物质循环过程概述
物质循环(mater cycles)是指物质周而复始的运 动或变化，地球环境系统中的物质都时刻不停地
迁移转化着，这一物质循环过程是当今环境地学 的重要研究内容。按物质状态及功能的差异，可
地球环境系统中磷素循环属于典型的沉积
循环，其基本过程包括：岩石圈表层及土壤中 的磷酸盐被风化、迁移转化、淋溶流失，进入
水圈然后再沉积形成磷酸盐。
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图11-6 地球环境系统中磷素循环过程图式
（据G.T. Miller，1996年资料）
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中的物质循环与能量流动是肩并肩地相伴发生的。
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11.1.1 物质循环过程的类型
大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈
和智慧圈是一个相互联系、相互作用、相互制 约的统一整体，即地球环境系统，其中的各圈
层之间虽然没有严格的界限，但每一个圈层又 都可被看成是一个相对独立的子系统，每一个
地球环境系统中硫素循环的基本过程是： 岩石圈中的硫及海洋挥发出的硫被氧化成SO2进
入大气圈，大气圈中的硫以硫酸或硫酸盐气溶胶 通过沉降过程进入到生物圈、土壤圈和水圈之中，
之后这些硫素再被植物吸收同化并经过食物链在 生物之间传递，最后又返回到环境之中。
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图 11-7
（ 据
地球环境系统是由运动的物质组成，运动
既是物质的存在方式又是物质本质的表现，物质 的运动形式多种多样并在不断地相互转化，驱使
着地球环境系统的发展与演化。能量是刻画系统 中物质运动的物理量，一个系统的能量可以被定
义为从一个被定义零能量的状态转换为该系统现 状所需做功的总和。
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来净化重金属元素造成的环境污染。
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物质的物理循环包括地球表层中的大气环流、大
洋环流和水分循环，在物理循环过程中参与循环的物
质运动快（即时间尺度较小）空间尺度巨大（即全球
尺度），参与循环的物质化学组成变化较小，而物质
的存在状态及物理性状变化显著。地表淡水资源、水
力资源和许多能量（风力、潮汐能、洋流能）的形成 均有赖于物质的物理循环过程。
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物质的生物循环是指生物从大气圈、水圈、土壤
圈和岩石圈获得营养物质，且部分营养物质再通过食 物链在生物之间被重复利用，最终均通过生物代谢和
微生物的分解作用最终归还于非生物环境的过程，这
一过程包括碳循环、氮循环、磷循环、硫循环、微量
营养元素循环和污染物循环等。
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子系统的内都存在着各自的物质循环。
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例如大气圈中的大气环流、水圈中的水分循
环和大洋环流、岩石圈中的地壳运动和岩石循环， 以及土壤圈、生物圈与智慧圈之间的地球化学元 素循环与污染物循环等。从地球环境形成演化的
角度来看，地球环境系统中物质循环可划归为物 质的地质循环、物理循环、生物化学循环（生物
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11.4 磷循环及其环境效应
11.4.1 地球环境系统中的磷素
地球环境系统中的磷元素几乎全部以化合 物形式存在，无游离态磷存在。含磷化合物包
括无机含磷化合物和有机含磷化合物两大类。 请同学结合化学课程学习了解磷元素的特性。
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11.4.2 磷循环过程
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图 （地 据球 环 境 系 统 ，中 氮 素 年循 资环 料过 ）程 图 式 11-5
G.T. Miller 1996
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日益增强的人类活动对地球环境系统中氮
循环过程的扰动，已经带来了许多生态环境问 题，如水体富营养化，O3层空洞、温室效应、
酸雨、亚硝酸盐污染和光化学烟雾等。
碳素循环过程包括：生物的同化和异化作
用，主要是植物的光合作用和生物的呼吸作用； 大气圈与水圈之间CO2交换过程；大气圈-土壤
圈-生物圈之间CO2交换过程；水圈之中的碳酸 盐沉积过程；以及人类活动对岩石圈中碳的加
速释放和对陆地生物圈碳储量的影响等。
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图 （ 据地 球 环 境 系 统 中 碳 年素 资循 料环 ）过 程 图 式 11-4
为一个良性循环的物质系统。
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由于地质循环和物理循环已在岩石圈、大 气圈和水圈中作了介绍，本章就着重从环境地
学角度系统地介绍与环境科学研究密切相关的 碳循环、氮循环、磷循环、硫循环、微量营养
元素循环和污染物循环过程。
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图 地 （球 据环 境 系 统 的 物 质 循 年环 资过 料程 ）的 示 意 图
地球化学循环）三大类型。
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物质的地质循环过程包括地质学中板块构造运动
（大陆飘移）、多旋回构造运动、岩石循环、戴维斯地
形侵蚀循环，这些循环过程一般都具有物质运动的时空
尺度巨大的特点，它控制着地球环境的总体格局，也是 形成许多矿产资源和土地资源的重要过程，人类造成的 重金属污染也只能依靠物质的地质循环过程给予净化， 但因其时间尺度巨大，故人类不可能利用地质循环过程
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1996年德国学者提出了“物质闭路循环与废
物管理(closed substance cycle and waste management)”的经济管理思路，随后其他国家也
纷纷提出构建以节约资源和废物的循环再利用为 核心的循环经济(recycling-based economy)模式。
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人类活动对磷素循环所引发的环境影响： 磷素随农田退水、生活污水及部分工业废水进
入天然水体中，使水体中营养元素浓度增加引 起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，由此引起水
体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物 大量死亡，这种现象被称之为水体富营养化。
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11.5 硫循环及其环境效应
11 地球环境系统中的物质循环——目录
11.1 物质循环过程概述
11.2 碳循环及其环境效应 11.3 氮循环及其环境效应
11.4 磷循环及其环境效应
11.5 硫循环及其环境效应 11.7 有毒有害物循环
11.8 思考题与个案分析
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教学内容框架及理论探讨
物质循环 过程概述 硫循环与 环境 氮循环与 环境
G.T. Miller, 1996
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当前国际环境科学界共同关注的热点问题 主要有：土壤圈与大气圈之间物质交换过程机
理的研究，客观评价土壤圈作为大气中温室气 体源和汇的作用，人类活动对土壤圈作为大气
温室气体源和汇的干扰程度，土壤圈中温室气 体产生、排放与吸收的过程及其机制等。
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尽管地球环境系统中各种物质的运动方式 和转化途径是千变万化的，但这种变化过程决
不是没有约束的，其最基本的约束就是： 质量守恒定律 能量守恒定律
热力学定律
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物质不灭定律：在地球环境系统的物质变化 中，物质既不能创造，也不能毁灭，只能由一种物
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图
11-2
与 能 源 消 耗 过 程 比 较 示 意 图
高 消 费 型 社 会 与 循 环 性 社 会 物 质
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基于仿生学原理，地球环境系统特别是生
态系统中的物质循环机理与规律是构建循环经 济体系的基础和典范。循环经济的宏观表达就 是要把自然环境、经济活动、社会系统整合成
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在生物循环过程中，物质性状变化的时间尺度和
空间尺度都比较小，人类的食物、纤维及许多天然药
品的形成均有赖于物质的生物循环过程。生物地球化 学循环是消除许多生活废弃物造成环境污染的重要过
程，但由于生物地球化学循环的方式和通量存在着巨
大的时空差异性，所以人们在利用该循环净化环境污
染时必须考虑这种差异。
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11.3 氮循环及其环境效应
11.3.1 地球环境系统中的氮素
氮是地球环境系统中常见的化学元素，氮 在大气圈中的含量高达75.51％(N2质量分数)，
而在地壳中的含量仅为0.002％(质量分数)。请同 学结合化学课程学习了解氮元素的特性。
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11.3.2 氮循环过程
由于氮元素在不同的环境条件下以不同形 态存在，故氮素的生物地球化学循环过程非常
复杂，如在好氧条件和硝化细菌的作用下，土 壤中氮素就向着形成NO3－ 的方向转化，而在厌
氧条件和反硝化细菌的作用下，土壤中氮素则 向着形成N2的方向转化。
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在地球环境系统中碳元素的存在状态有碳
酸盐(如CaCO3、MgCO3、Na2CO3、NaHCO3等)、 CO2和CO、有机化合物(如土壤腐殖质、生物躯
体、石油、天然气、煤炭和油页岩等)、单质的 碳(如石墨和金刚石)和海洋底部的可燃冰(固态
CH4)等。
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11.2.2 碳循环过程
11-3
G.T. Miller, 1996
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11.2 碳循环及其环境效应
11.2.1 地球环境系统中的碳素
碳在地壳中的丰度是200010-6，从数量
上看碳比氧、硅、铝、铁、钙等元素的丰度 低得多。请同学结合化学课程学习了解碳元 素的特性。
11-地球环境系统中ຫໍສະໝຸດ Baidu物质循环
以将地球环境系统中物质迁移转化过程分解为物 质循环和能量流动。
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从物质循环角度来看，地球环境系统属于相对 密闭的系统，既地球环境系统与外围宇宙系统没有
显著的物质交换过程；从能量流动角度来看，地球 环境系统属于开放系统，它时刻不停地与外围宇宙
系统进行着能量交换。由于能量是驱动物质循环的 动力，而物质又是能量的载体，所以地球环境系统
11.5.1 地球环境系统中的硫素
在地球环境系统中硫元素的分布广泛，如在
地壳中硫化物数量仅次于氧化物占第二位，其中 能与硫化合形成各种化合物的化学元素约有40多
种，地壳中含硫化合物含量为0.15％。请同学结 合化学课程学习了解硫元素的特性。
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11.5.2 硫循环过程