主要生源要素的生物地球化学循环
Chapter05-1 海洋化学
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
海洋生物固氮作用； 通过物理过程由中深层 向上提供的NO3-； 各 种 形 态 氮 （ NO 3 - N , NH 4 + ,小分子有机氮）被
海洋生物的吸收；
通过颗粒物沉降向中深 层输送的PON；
DON垂向或水平输送；
硝化作用； 反硝化作用。
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收； 2、固氮作用； 3、硝化作用； 4、反硝化作用。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
四、海洋氮循环关键过程 1、氮的生物吸收 在许多开阔大洋海域，生
物初级生产过程往往受氮
的提供量所限制。由于海 洋中的大部分浮游植物无
法直接利用N2 ，它们必须
通过吸收溶解态氮组分 （如NO3-、NO2-、NH4+、
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
海洋的氮输入途径主要包括：
（1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气； （4）对于表层海水，还有上升流输送。
火山活动和河流向海洋输送各种无机（NO3-、NO2-、NH4+） 和有机形态（DON、PON）的氮，而大气主要提供N2。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
参与氮循环的关键过程：
海洋生物活动是导致海洋中 氮于各种化学形态之间相互 转化的重要影响因素，其中 生物固氮作用、氮的生物吸 收、硝化作用和反硝化作用 是海洋氮循环的关键过程。
海洋生物活动及其导致的氮形态转化
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
在真光层内，营养盐经生物光合作用被吸收，成为生物
有机体组成部分。生物体死亡后下沉到真光层以下，有
长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环
长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环一、本文概述Overview of this article本文旨在深入探讨长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环。
长江中下游地区作为中国的重要经济和文化中心，其浅水湖泊生态系统对于区域生态环境和经济发展具有至关重要的影响。
本文将对这一区域内浅水湖泊中的生源要素（如碳、氮、磷等）的生物地球化学循环过程进行系统的阐述和分析。
This article aims to explore in depth the biogeochemical cycles of biogenic elements in shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River. As an important economic and cultural center of China, the shallow lake ecosystem in the middle and lower reaches of the Yangtze River has a crucial impact on the regional ecological environment and economic development. This article will systematically elaborate and analyze the biogeochemical cycling process of biogenic elements (such as carbon, nitrogen, phosphorus, etc.) inshallow lakes in this region.我们将概述长江中下游地区浅水湖泊的基本特征，包括湖泊的水文条件、生态环境和生源要素的分布状况。
在此基础上，我们将深入探讨这些湖泊中生源要素的生物地球化学循环过程，包括生源要素的输入、转化、输出和积累等关键环节。
地球化学与地球化学循环
地球化学与地球化学循环地球化学是研究地球及其各种构成物质的科学。
地球上的各种元素分布和相互作用，以及它们与地壳、海洋、大气等环境的关系都属于地球化学的范畴。
地球化学循环则是指地球上各种元素与物质在地壳、大气、水体以及生物圈之间相互转化、迁移和循环的过程。
一、地球化学循环的概述地球化学循环是指地球上各种元素和环境之间的相互作用和循环的过程。
它包括岩石圈、大气圈、水圈和生物圈在地球表面上的相互作用。
这些物质在地球不同圈层之间的转移和循环被称为地球化学循环。
地球化学循环可以分为有机地球化学循环和无机地球化学循环。
有机地球化学循环主要指碳、氧、氮、硫等元素在生物圈中的循环过程，包括植物光合作用、动物呼吸作用、微生物分解作用等。
无机地球化学循环则主要指含有金属元素的矿石的形成、水体中溶解物的循环、岩石圈中元素的迁移等过程。
二、地球化学循环的重要性地球化学循环对地球的生态系统和人类社会都有重要的影响。
首先，地球化学循环是维持生态系统平衡和物质循环的重要机制。
它调节了各种元素和化学物质的稳定性和流动性，保持了地球上各种生物和非生物因素之间的动态平衡。
其次，地球化学循环对气候变化和环境污染的影响不可忽视。
大气中的气态元素和化学物质的循环直接影响到大气组成的稳定性以及气候变化的趋势。
水体中溶解物的循环则直接关系到水质的清洁与否，对生物圈和人类的健康产生重要影响。
最后，地球化学循环还对矿产资源的形成和分布有一定的影响。
矿石中的金属元素在地球化学循环中经历了岩浆、热液和沉积等作用，形成了多种矿石矿床。
这些矿产资源对于支撑现代社会的发展具有重要的经济和战略价值。
三、地球化学循环的主要过程地球化学循环包括很多复杂而繁琐的过程，下面列举其中几个主要过程。
首先是生物地球化学循环，主要涉及碳、氮、硫等元素在生物圈中的转化和循环。
植物通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，参与了碳的循环；微生物参与了氮的固氮和氮的释放；硫的循环则与微生物的硫微生物循环等有关。
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环分析
二、氮的存在形态与储库
氮以多种价态
存在，其生物 地球化学行为 异常复杂
溶解于海水中的N2分子是最重要的氮存在形
态，海水中的溶解N2接近于与大气达到平衡 的数值。 少量以溶解态或颗粒态的无机和有机氮存在。 主要无机形态是NO3-（1~500 μM）、NO2（0.1~50 μM）、NH4+（1~50 μM），合起 来又称溶解无机氮。
但还原酶还原形成H2，还另外需要2个电子：
N2 8e 8H 2NH3 H 2
生物固氮过程需要消耗大量的能量，同时伴
随着放氢反应，ATP为此反应过程提供所需 的能量。生物固氮的总反应式为：
N2 8e nATP 8H 2NH3 4H2 nADP nPi
第五章 海水中主要生源要素的生 物地球化学循环
第1节 引言
一、营养盐的构成
海洋植物与动物生长所必需的元素
（1）含量高，不会限制生物生长：CO2、SO42-、 HBO3-、Mg2+、Cl-、K+、Ca2+等，不称为营养盐。 （2）在海水中含量很低：如Fe、Mn、Co、Zn、Se 等，称为痕量营养盐。 （3）在海水中的含量会影响海洋生物生产力与生 态系统结构，是海洋初级生产过程和食物链的基础， 反过来，生物活动又对其在海水中的含量、分布产 生明显影响： N、P、Si，称为主要营养盐。
三、海洋氮循环路径
海洋的氮输入途径主要包括： （1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气。
火山活动和河流向海洋输送各种无机（NO3-、NO2-、 NH4+）和有机形态（DON、PON）的氮，而大气 主要提供N2。
第五章 海水中主要生源 要素的生物地球化学循环 §三、海洋氮循环路径
基础生态学--第五章第三节生态系统的物质循环
一、生物地球化学循环
（二）分类
（2）沉积型：矿物元素贮存在地壳里。经过自然风化和开采 冶炼，从岩石中释放出来为植物吸收，并沿食物链转移，经微 生物的分解再返回环境。一部分在土壤中，一部分随水汇入海 洋，经过沉降、淀积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭 受风化作用时，该循环才算完成。
这类循环缓慢易受干扰。沉积循环通常无全球性影响。
1）生物圈：海平面上升，淹没海岸湿地，陆地生物区变化。 2）生态系统
●农业生态系统：农作物减产；病虫害加重；影响牲畜食。 ●森林生态系统：导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。 ●水生生态系统：使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的
生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。
3、磷循环 （2）磷循环的环境问题。人类对磷循环的影响,主要是在农 业生态系统中取走收获物,使土壤供磷能力下降,人工施用的 磷肥补充了有效磷,但可溶性磷酸极易与金属离子结合使不 溶性降低所以磷肥的利用与土壤酸度关系很大。另外,水土 流失也使肥料流失,土壤中有效磷的含量有效地控制生物固 氮的速度。
4、水循环 从总体上说,水可以分为五部分,即大气中的水、地表水、地 下水、土壤中的水和动植物的蒸发水。地球上的水时刻都在 运动。水从一个系统输出,必然会为另一个系统输入。海洋 水、陆地水和大气水通过固体、液体和气体三相的变化,不 停地进行着交换,这种交换称为水循环。
在生态系统中的物质循环可以用库和流通两个概念 来加以概括,库是由存在于生态型：其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海 洋相联系，循环迅速，具有明显的全球性。
如 CO2、N2、O2 和水等。气相循环与全球性三个环境问题 （温室效应，酸雨，臭氧层破坏）密切相关。
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环
二、磷的存在形态与储库
海水中的总磷（TP）可分为颗粒磷（PP）和
总溶解磷（TDP）（TP=PP+TDP）， 在大 多数开阔海洋环境中，TDP储库一般远远超 过PP储库。 颗粒磷和总溶解磷均包括无机和有机的磷组 分，因此，PP=POP+PIP，TDP= DOP+DIP。
4HNO3 5CH 2O 5CO2 7H 2O 2N2
反硝化作用发生的条件：
（1）亚氧或缺氧； （2）大量的有机物存在。
全球海洋σt=27等密度面溶解氧的空间分布
五、海洋中氮营养盐的分布
1、全球海洋表层水中NO3-的空间分布
全球海洋表层水中NO3-的空间分亚北极大西 洋，表层海水具有高浓度的NO3-，在任何季 节都不会因浮游植物光合作用而呈缺乏状态， 这些海域称为高营养盐低叶绿素海域。
2、全球海洋深层水中NO3-的空间分布
沿热盐
循环路 径，深 层海水 中NO3的含量 逐渐增 加
全球海洋4000m深度NO3-的空间分布特征
开阔大洋表层水，氮主要存 在于DON中（83%），其次 是PON（7%）、NO3- +NO2河口区 （5%）、NH4+（5%）。 开阔大洋深层水，氮主要以 开阔大 洋表层 NO3 +NO2 形式存在，占比 水 92%，其余以DON存在。 沿岸海域和河口区， NO3+NO2-的比例明显比大洋表 近岸海域 层水来得高，分别占比45% 开阔大 和31%；DON占比降低（沿 洋深层 岸海域18%；河口区13%）；水 NH4+的比例随离岸距离的减 少贡献越大。 PON占比在沿岸海域（3%） 与河口区（8%）与开阔大洋 开阔大洋、沿岸和河口区水体各形态 氮的分配情况 表层水差别不大。
第5章主要生源要素的生物地球化学循环
反过来，生物活动又对其在海水中的含量、分布产
生明显影响： N、P、Si，称为主要营养盐。
❖
二 营养盐循环
营养盐存在形态与
分布会受到生物活
动的制约，同时受
到化学、地质和水
文因素的影响。
❖ 因此，它们在海洋
中的含量与分布不
均匀，也不恒定，
往往存在明显的季
节与区域变化。
太古代
元古代
显生宙
地球大气的初始氧化过程
海洋氮循环在冰期—间冰期大气CO2
变化中的作用
三个假说
❖ 冰期—间冰期海洋氮储库的变化可能是导致
冰期—间冰期海洋生物生产力和大气CO2浓
度发生变化的重要原因。
❖ 了解海洋水体氮的生物地球化学循环对于阐
释海洋生态系统的功能和全球气候变化具有
重要意义。
❖ 正基于此，氮循环研究一直是海洋科学经久
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收
2、固氮作用；
3、硝化作用；
4、反硝化作用
1、氮的生物吸收
❖ 在许多开阔大洋海域，生物初级生产过程往
往受氮的提供量所限制。由于海洋中的大部
分浮游植物无法直接利用N2，它们必须通过
吸收溶解态氮组分（如NO3-、NO2-、NH4+、
尿素）来满足其光合作用需要。
当海水中的氮进入到生物细胞壁后，通过一系列酶的
作用和合成代谢反应，最终被转化为蛋白质。所发生
的重要合成代谢反应如下：
由于亚硝酸盐比硝酸盐处于较低的氧化态，其转化
为有机形式需要耗费较少的能量。与此类似，浮游
植物吸收氨盐或尿素所耗费的能量更少。
❖ 如果将混合了溶解态尿素、氨盐、亚硝酸盐和硝酸
化学物质的循环过程及其源汇效应2015
Cu Speciation – Ocean Distributions
Total Copper Strong Organic Ligands
Free Cu2+ Total Cu
5-3 Solutes in water: Nutrients and Organics
Nutrients are chemicals essential for life.
低氧区 (DO<2mg/L)
河口海岸低氧的特征？
海洋中的物质（化学）
Water molecular Ocean Water: solvent solute major ions trace ions/gas nutrients organic substances pollutants
Water
Al (nM)
Fe (nM)
Metal Limitation and Toxicity – Cu – Role of Free Metal Ion
海水生源要素
z 海洋生物固氮作用； z 通过物理过程由中深
层向上提供的NO3-； z 各种形态氮（NO3-、
NH4+）被海洋生物 的吸收； z 通过颗粒物沉降向中
深层输送的PON； z DON垂向或水平输
送； z 硝化作用； z 反硝化作用
生物吸收
生物固氮作用
反硝化作用
NO3-垂向输送
氮的垂向输送
硝化作用
氮的埋藏
海洋氮循环及其关键过程示意图
5
海洋生物活动是导致海洋 中氮于各种形态之间相互 转化的重要影响因素，其 中生物固氮作用、氮的生 物吸收、硝化作用和反硝 化作用是海洋氮循环的关 键过程。
海洋生物活动及其导致的氮形态转化
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收； 2、固氮作用； 3、硝化作用； 4、反硝化作用
2、固氮作用
z 海洋固氮作用：海洋中的某些原核生物通过固氮酶的作用 将N2转化为N化合物（如NH4+, DON等）的过程。该过程 所释放的N化合物可为浮游植物和其他微生物提供N营养盐。 固氮酶促成生物固氮作用，将N2还原为NH3是6个电子的转 移过程： 但还原酶还原形成H2，还另外需要2个电子：
生物固氮过程需要消耗大量的能量，同时伴随着放氢反 应，ATP为此反应过程提供所需的能量。 生物固氮的总反应式为：
Sigman & Boyle, Nature, 2000
共识： 海洋的作用
2
三个假说
假说一：陆架侵蚀机制（McElroy,Nature,1983; Culter等, EPSL, 2003）
冰期海平面低 陆架区暴露于空气 间冰期累积的有机物风化侵蚀
增加海洋结合态氮储库 促进光合作用 吸收更多大气CO2
生物地球化学循环过程和全球变化
生物地球化学循环过程和全球变化自地球形成以来，生物地球化学循环过程一直在维持着地球上的生态平衡。
这些循环过程通过生物体的生长、死亡和分解，将元素从一种形式转化为另一种形式，并在全球范围内进行传递和循环。
然而，随着人类活动的不断发展，这些生物地球化学循环过程受到了破坏，导致了全球变化的加剧。
生物地球化学循环包括碳循环、氮循环、磷循环等。
其中最为重要的是碳循环，因为碳是构成有机物的主要元素，对维持地球上的生命至关重要。
在碳循环中，二氧化碳通过光合作用从大气中吸收，转化为有机物，然后通过呼吸作用被动物排出，最终返回大气中。
然而，现代工业化和大规模森林砍伐导致了大量的森林破坏和燃烧，使生物地球化学循环过程遭到了干扰。
森林作为碳汇，能够吸收并贮存大量的二氧化碳，缓解大气中的温室气体排放。
但是，由于人类的活动，全球每年约有数千万公顷的森林被砍伐和焚烧，导致大量的二氧化碳释放到大气中，破坏了碳循环的平衡。
此外，在氮和磷循环中，人类活动同样给生态系统带来了影响。
农业的发展使得大量的化肥被广泛使用，从而增加了土壤中的氮和磷含量。
当这些化肥进入水域时，会导致水体富营养化，引发藻类爆发和氧化还原反应，破坏水体生态系统的平衡。
同时，过度施肥还会导致氮气的释放，进一步加剧了温室气体的增加和气候变化的恶化。
全球变化是由人类活动引起的一系列特征和事件，包括气候变化、生物多样性丧失和土地退化等。
这些全球变化与生物地球化学循环过程密切相关。
例如，随着大气中温室气体浓度的上升，全球气温不断升高，导致冰川融化、海平面上升和极端天气事件的增加。
这些变化直接威胁到地球上的生物多样性和人类的生存环境。
因此，为了减缓全球变化的影响，保护并恢复生物地球化学循环过程至关重要。
首先，我们应该致力于减少温室气体的排放，特别是二氧化碳的排放。
这可以通过促进可再生能源的使用、提高能源效率和改变人们的生活方式来实现。
其次，我们需要加强森林保护和恢复工作，尤其是热带雨林的保护。
主要生源要素的生物地球化学循环
• 反硝化作用发生的条件： （1）亚氧或缺氧； （2）大量的有机物存在。
全球海洋σt=27等密度面溶解氧的空间分布
• 五、海洋中氮营养盐的分布 • 1、全球海洋表层水中NO3-的空间分布
全球海洋表层水中NO3-的空间分布
• 3、开阔大洋 NO3-的垂直分 布
六、人类活动对海洋氮循环的影响
• 人类工、农业活动经常大量使用各种含氮物质于 塑料生产、农作物肥料等，其基本原料是氮的化 合物NH3；
第5章 主要生源要素的生物地 球化学循环
第1节 引言
• 一、生源要素构成 海洋植物与动物生长所必需的元素
（1）不称为营养盐：CO2、SO42-、HBO3-、Mg2+、 Cl-、K+、Ca2+等（含量高，不会限制生物生长）。
（2）痕量营养盐：如Fe、Mn、Co、Zn、Se等（在 海水中含量很低）。
• 磷是所有生物进行能量传输和生长所必需 的营养盐，但是，有关磷在全球海洋浮游
生物分布及其生产力中所起的作用了解得 并不多。
• 地球化学家的观点：磷限制
当NO3-相对PO43-稀少的时候，固氮生物可从 大气获取用之不绝的N2，当这些藻类被摄食或降 解时，以NH4+等形式将氮释放到水体中，从而增 加N:P比。但大气并没有磷储库，也就是说，一旦 水体中的磷被消耗完，则没有可替代的来源。从 这点看，硝酸盐浓度应追随磷酸盐浓度的变化而 变化，海洋中磷的动力学控制着海洋的生物生产 力。
• 所合成的NH3有少部分直接用作农作物肥料，其 余大量的被进一步合成为更易为运输和保存的尿 素：
• 还有部分合成的NH3与磷酸、硫酸或硝酸进一步 合成为其他含氮肥料或用于塑料生产。
• 人类合成的各种含氮组分最终会以各种途径进入 海洋，从而对海洋氮循环产生明显影响。
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环ppt课件
促进光合作用 大气CO2
吸收更多
.
• 假说二：海洋固氮作用机制（Falkowski,
Nature, 1997; Broecker andHenderson, Paleooceanogr, 1998; Michaels等, Oceanography, 2001；Karl等, Biogeochemistry, 2002）
• 正基于此，氮循环研究一直是海洋科学经久不衰 的热点研究领域。
.
• 目前对海洋中各形态氮的含量与分布有一定了解， 对其循环路径也有定性认识，但有关海洋氮循环 关键过程的速率特征仍缺乏定量信息。
.
二、氮的存在形态与储库
• 氮以多种价态存在，其生物地球化学行为异常复杂。
.
• 溶解于海水中的N2分子是最重要的氮存在形态， 海水中的溶解N2接近于与大气达到平衡的数值。
程中起着重要作用
.
• 磷是所有生物进行能量传输和生长所必需 的营养盐，但是，有关磷在全球海洋浮游 生物分布及其生产力中所起的作用了解得 并不多。
.
• 地球化学家的观点：磷限制
当NO3-相对PO43-稀少的时候，固氮生 物可从大气获取用之不绝的N2，当这些藻类被摄 食或降解时，以NH4+等形式将氮释放到水体中， 从而增加N:P比。但大气并没有磷储库，也就是说 ，一旦水体中的磷被消耗完，则没有可替代的来 源。从这点看，硝酸盐浓度应追随磷酸盐浓度的 变化而变化，海洋中磷的动力学控制着海洋的生 物生产力。
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第2节 氮的生物地球化学循环
一、海洋氮循环在气候变化中的作用
• 氮（N）是海洋生物生长的必需营养元素，它是生 物体中蛋白质、核酸、光合色素等有机分子的重 要组成元素。
• 氮是许多海域初级生产力和碳输出的主要控制因 子，因而与大气CO2浓度的变化乃至全球气候变化
生态系统的生物地球化学循环和生态服务
生态系统的生物地球化学循环和生态服务生态系统是由各种生物和非生物组成的有机体系，它们互相作用、相互依存，共同维持着地球上的生命。
其中，生物地球化学循环是生态系统运转的基础，其作用在于将地球上的化学元素不断地循环利用，维持着生命和生态系统的平衡。
而生态服务则是生态系统为人类和其他生物群体提供的各种物质和能量上的支持，这些服务支撑着人类的经济、社会和文化活动。
本文将从生态系统的生物地球化学循环和生态服务两个方面对生态系统进行探析。
一、生物地球化学循环生物地球化学循环是指碳、氮、硫等元素在生物和非生物之间的循环作用。
生态系统中的每一个生物体都会从水、土壤、空气等地方摄取不同的元素，并在其体内进行代谢作用。
这些元素会随着生物体的代谢排放至环境中，又被其他生物摄取，不断地循环利用。
这种循环的重要性在于，它使得世界各地的元素分布得到均等，没有任何地区缺乏所需元素的情况出现。
同时，生物地球化学循环也能够维持生态系统中的物种多样性和能量平衡。
1、碳循环碳元素是生命活动中最为关键的元素之一，人类的生存和发展都依赖于碳元素的循环。
生态系统中的植物在进行光合作用时，将二氧化碳转化为有机物，生成能量和氧气。
同时，动物则摄取植物中的有机物，通过呼吸作用将其氧化为二氧化碳排放至环境。
这样，碳元素在生物和非生物之间不断地循环。
此外，生境中的土壤微生物通过各种代谢反应，也能有机地储存和释放碳元素。
2、氮循环氮元素是生态系统中最为丰富的元素之一，它是蛋白质、核酸的组成成分，是生命活动中不可或缺的物质。
氮循环是指氮元素在生物和非生物之间的循环作用。
在生态系统中，大气、土壤、水体中都存在氮元素。
植物通过根部的菌根和瘤根吸收氮元素，在其体内形成氮固氮素固定的有机物，将其储存。
而动物则通过吃植物来摄取其中蛋白质和其他氨基酸。
此外，土壤中的氮素在微生物的作用下，也能自主固氮，生成氨和硝酸。
这样，氮元素在生物和非生物之间不断地循环利用，维持着生态系统的稳定。
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环
• CH3COCOOH(丙酮酸) + HOOCCH(NH2 )CH2CH2COOH⎯⎯→CH3CH(NH2 )COOH(丙氨酸) + HOOCCO(CH2
)2COOH
• 由于亚硝酸盐比硝酸盐处于较低的氧化态，其转 化为有机形式需要耗费较少的能量。与此类似， 浮游植物吸收氨盐或尿素所耗费的能量更少。
• 生物固氮过程需要消耗大量的能量，同时伴随着 放氢反应，ATP为此反应过程提供所需的能量。
• 主要海洋固氮生物： 蓝藻类、异养细菌类和光合 细菌类。蓝藻类（cyanobacteria）在海洋中分布最 广的是束毛藻属（Trichodesmiumspp.），包括铁 氏束毛藻（T. thiebautii）、汉氏束毛藻（T. hildebrandtii）、红海束毛藻（T.erythraeum）等。
库
促进光合作用
吸收更多大气CO2
• 假说二：海洋固氮作用机制（Falkowski, Nature,
1997; Broecker andHenderson, Paleooceanogr, 1998;
Michaels等, Oceanography, 2001；Karl等, Biogeochemistry, 2002）
（3）主要营养盐： N、P、Si（是海洋初级生产过 程和食物链的基础，其在海水中的含量会影响海 洋生物生产力与生态系统结构，反过来，生物活 动又对其在海水中的含量、分布产生明显影响。
•海 洋 中 主 要 营 养 盐 循 环
• 由于营养盐参与了生物生命活动的整个过程，它 们的存在形态与分布会受到生物活动的制约，同 时受到化学、地质和水文因素的影响，因此，它 们在海洋中的含量与分布并不均匀，也不恒定， 往往存在明显的季节与区域变化。
生物地球化学循环的机制与调控
生物地球化学循环的机制与调控地球上的生物地球化学循环是一系列复杂的过程，其中包括碳、氮、磷等元素的循环过程。
这些元素在生物体内和环境中相互转化，通过生物的作用被循环利用，维持着地球上各种生态系统的平衡。
生物地球化学循环的机制与调控是一个重要的研究领域，本文将就此进行探讨。
一、碳的循环机制与调控碳是地球上最重要的元素之一，它通过光合作用和呼吸作用在生物体与大气、水体和土壤之间进行循环。
光合作用将二氧化碳转化为有机物质，同时释放出氧气，是地球上碳循环的重要过程。
呼吸作用则将有机物质分解为二氧化碳，并释放能量。
在碳循环过程中，植物是重要的参与者。
它们通过光合作用吸收二氧化碳，将其转化为有机物质，并在生长过程中固定碳。
同时，植物的死亡和腐烂也会释放出二氧化碳，进一步参与循环过程。
此外，土壤中的微生物也会分解有机物质，释放出二氧化碳。
碳循环过程还受到气候因素的调控。
温度和湿度等气候条件会影响植物的生长和呼吸作用速率，从而影响碳的释放和吸收。
另外，人类活动也对碳循环产生了重要影响，例如燃烧化石燃料释放出大量二氧化碳，加剧了温室效应。
二、氮的循环机制与调控氮是地球上丰度第七的元素，它对生物体的生长和发育起着重要作用。
氮的循环包括氮的固定、氮的转化和氮的释放等过程。
氮的固定是指将氮气（N₂）转化为可供生物利用的氨（NH₃）或硝酸盐（NO₃⁻）的过程。
固定氮主要由微生物完成，包括自由生活的氮结构菌和共生的根瘤菌等。
这些微生物通过共生关系与植物根系结合，互相促进生长和代谢。
氮的转化是指氨和硝酸盐在生物体和环境中相互转化的过程。
植物通过吸收土壤中的氨和硝酸盐，将其转化为氨基酸等有机氮化合物，并在代谢过程中利用。
而细菌和真菌则通过分解有机物质释放出氨和硝酸盐。
氮的释放是指氨和硝酸盐在生物体和环境中被分解为氮气的过程。
这一过程主要由细菌完成，包括硝化细菌和反硝化细菌。
硝化细菌将氨氧化为硝酸盐，而反硝化细菌则将硝酸盐还原为氮气。
生物地球化学循环的机制和影响
生物地球化学循环的机制和影响地球是一个复杂的生态系统，由各种生物和非生物组成的一个庞大的系统。
生物地球化学循环是地球生物圈的重要部分，包括碳、氮、磷、硫等元素的转化和流动。
这些元素的循环对于地球生态系统的健康和稳定是至关重要的。
碳循环是生物地球化学循环中最重要的一环。
碳在大气和海洋之间循环，被生物体吸收和释放。
地球上的生物体通过光合作用将二氧化碳转换为有机物，并将氧气释放到大气中。
这项重要的过程为大气中的碳循环提供了关键的输入和输出，在地球上维持着生态系统的平衡。
氮也是生物地球化学循环中不可缺少的元素之一。
氮在大气中占据了78％，但是大多数生物不能利用大气中的氮，而是依靠氮气固定细菌将氮固定转化为可吸收和使用的形式。
这些可利用的形式包括氨、硝酸盐和亚硝酸盐。
在植物和动物的生命过程中，氮在生物间流动和转化，提供了稳定的底层物质基础和能量系统。
磷循环同样也是生物地球化学循环中的重要环节。
磷是生物体内的DNA、RNA和ATP的组成成分，是植物和动物生长与繁殖的必要元素之一。
在地球上，磷的资源稀缺，大部分的磷都被堆积在海底或是结晶成磷酸盐矿物。
通过吸收和利用磷，生态系统中的植物和动物能够生活和发展，有助于地球生物圈的平衡和发展。
生物地球化学循环对于地球生态系统的健康和稳定有着重要的影响。
以氮循环为例，氮的过量释放和利用都会产生不利的影响。
氮肥的过用会导致水源中的氮过量，从而进一步妨碍植物的生长和水生生态系统的健康。
而氮的过度固定则会导致温室气体的释放，进一步使地球气候出现不稳定和极端的事件。
因此，合理的生物地球化学循环对生态系统的稳定和健康至关重要。
总之，生物地球化学循环是一个由复杂的微生物、植物和动物组成的系统，是地球生态系统中如此复杂的一个因素。
生物地球化学循环对于地球生态系统的平衡和稳定至关重要，在推进绿色经济和可持续发展的时候不可忽视。
地球化学揭示地球化学元素的循环
地球化学揭示地球化学元素的循环地球化学是一门研究地球上化学元素循环的科学，通过揭示地球化学元素的循环过程，我们可以更好地了解地球系统的运行机制、环境变化以及生命的发展。
本文将介绍地球化学元素的循环、影响因素以及重要性。
地球化学元素循环是指地球上各种化学元素在不同地球系统之间的相互转化与传输过程。
这些元素包括了常见的元素如氧气、氮气、碳、硫、铁等，以及稀有元素如金、银、铂等。
地球上的各种生物、地质和大气过程都与这些元素的循环息息相关。
首先，大气中的元素循环是最为重要的一个环节。
例如，氧气的循环对维持地球上生命的存在至关重要。
植物通过光合作用释放氧气，而动物则通过呼吸消耗氧气，并释放二氧化碳。
此外，大气中的氮气也起着重要的作用。
氮气通过固氮菌的作用转化为植物可利用的形式，进而被动物摄入。
这种氮循环是生态系统中关键的营养循环过程。
其次，地壳中的元素循环是另一个重要的方面。
地壳中的元素主要通过地球的岩石圈循环。
例如，碳元素在地壳中以矿物或有机质的形式储存，并通过火山活动、岩石侵蚀等过程释放到大气中。
此外，一些金属元素如铁、铜等也以矿物的形式存在于地壳中，经过矿石开采和冶炼后被人类利用。
另外，水循环也是地球化学元素循环的重要组成部分。
水对地球的化学元素循环起着连接和媒介的作用。
降水中含有一些可溶解的气体和物质，如二氧化碳、硫酸盐等，当水蒸发后，这些物质也会随之转移到大气中。
同时，水中的溶解氧和一些元素也会对水生生物的生存和繁衍产生重要影响。
地球化学元素循环的过程受多种因素的影响。
其中，生物活动、地质作用、大气和水体的运动以及人类活动等都对元素循环产生影响。
例如，生物活动通过光合作用和呼吸作用促进了元素的循环。
人类活动对元素的循环也产生了重要的影响，如大量排放二氧化碳导致温室效应，从而影响了全球气候变化。
地球化学元素循环对地球生物系统的运行和地球环境的演化起着至关重要的作用。
通过揭示地球化学元素的循环过程，我们可以更好地了解地球上的物质转移与代谢、生态系统的稳定性以及生命的适应能力。
Chapt_9_生物地球化学循环
● ● ●
水势 渗透压
相对湿度变化 (蒸汽压)
水势:水的热动力学状态,表示各 种状态的水与纯水的自由能之差
量化土壤植物体中的水传输 –水势(Wiebe et al. 1970)
植被的水分平衡
● 植物可以通过改变叶面积大 小来调节蒸腾的水分。 ● 夏季降水的下渗通常都很浅， 而冬季降水的下渗可以增加 深层土壤的水分。 ● 草本植物只能接近土壤表层 的水，而木本植被的发达根 系对深层和浅层的水都可吸 收。
海洋的蒸发量(425)超过其降水量(385)，被海洋蒸发的水分(40) 被带到了陆地上空，以降水方式落到地面，导致了陆地降水 (111)超过蒸发(71)。它们最终又通过径流回到到海洋 (40)，从 而使海洋到陆地之间的水分输运达到平衡。气态水的库(10)虽 然小，但是其流通率却是巨大的。
全球水循环的库存量(pool)
第九章 生物地球化学循环
1. 生物地化循环
2. 水循环 3. 碳循环 4. 氮循环 5. 磷循环
6. 硫循环
1、生物地化循环
1.1 概念
生物地球化学循环指元素的各种化合物在生物圈、水圈、大 气圈和岩石圈(包括土壤圈)各圈层之间的迁移和转化。生物 地球化学循环研究除了研究各圈层的各种物理、化学和生物 过程外, 还研究包括它们的源、汇、通量、储库及模式。 在主要的生命元素中，H2O、C、N、P以及S与人类的关系 最为密切，也是受人类活动影响最大的元素，因此关于它们 的生物地球化学循环过程最为清楚。
(3)土壤有机碳库
土壤是个巨大的有机碳库，它在全球碳循环中的重要 性表现在下列3个方面：
●它占全球陆地总碳库的2/3-3/4，比全球陆地植被
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洋结合态氮储库
激发生物
生产力
有机碳输出通量增
加
吸收更多大气CO2
启示
• 冰期—间冰期海洋氮储库的变化可能是导致冰 期—间冰期海洋生物生产力和大气CO2浓度发生变 化的重要原因。
• 了解海洋水体氮的生物地球化学循环对于阐释海 洋生态系统的功能和全球气候变化具有重要意义。
• 正基于此，氮循环研究一直是海洋科学经久不衰 的热点研究领域。
海洋固氮作
增加海洋结合态氮储库 生物生产力
激发
有机碳输出通量增加
吸
收更多大气CO2
• 假说三：海洋反硝化作用机制（Ganeshram等，
Nature, 1995；Altabet等，Nature, 1995；Ganeshram等，
Paleoceanogr., 2000）
冰期时海洋反硝化作用降低
增加海
氮被海洋生物吸收的示意图
• 当海水中的氮进入到生物细胞壁后，通过一系列 酶的作用和合成代谢反应，最终被转化为蛋白质 。所发生的重要合成代谢反应如下：
• HOOCCO(CH2 )2COOH(α −酮戊二酸) + NH3 + 2NADPH⎯⎯→HOOCCH(NH2 )CH2CH2COOH(谷氨酸) + 2NADP+ H2O
（3）主要营养盐： N、P、Si（是海洋初级生产过 程和食物链的基础，其在海水中的含量会影响海 洋生物生产力与生态系统结构，反过来，生物活 动又对其在海水中的含量、分布产生明显影响。
•海 洋 中 主 要 营 养 盐 循 环
• 由于营养盐参与了生物生命活动的整个过程，它 们的存在形态与分布会受到生物活动的制约，同 时受到化学、地质和水文因素的影响，因此，它 们在海洋中的含量与分布并不均匀，也不恒定， 往往存在明显的季节与区域变化。
海洋生物活动及其导致的氮形态转化
四、海洋氮循环关键过程
• 1、氮的生物吸收； • 2、固氮作用； • 3、硝化作用； • 4、反硝化作用
• 1、氮的生物吸收
在许多开阔大洋海 域，生物初级生产 过程往往受氮的提 供量所限制。由于 海洋中的大部分浮 游植物无法直接利 用N2，它们必须通 过吸收溶解态氮组 分（如NO3-、NO2-、 NH4+、尿素）来满 足其光合作用需要。
吸收更多
• 假说二：海洋固氮作用机制（Falkowski,
Nature, 1997; Broecker andHenderson, Paleooceanogr, 1998; Michaels等, Oceanography, 2001；Karl等, Biogeochemistry, 2002）
冰期大气Fe沉降通量增加 用增强
• 海洋中有机氮均以-3价存在，其中最重要的组分 是腐殖质，其次包括氨基酸、核酸、氨基糖、尿 素以及它们的聚合物（如DNA、RNA、甲壳质 Chitin）。
海洋氮储库
ห้องสมุดไป่ตู้
海洋中各种形态氮的浓度
海洋的不同区域，各种形态氮之间的分配是不同的
开阔大洋、 沿岸和河口 区水体各形 态氮的分配 情况
• 开阔大洋深层水，氮主要以NO3- 和NO2-形式存在， 其比例占92%，其余的以溶解有机氮形态存在。
• 沿岸海域与河口区PON所占比例与开阔大洋表层水 差别不大，分别占3%（沿岸海域）和8%（河口 区）。
三、海洋氮循环路径及其关键过程
• 海洋的氮输入途径主要包括： （1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气。
火山活动和河流向海洋输送各种无机 （NO3-、NO2-、NH4+）和有机形态（DON、PON） 的氮，而大气主要提供N2。
第5章 主要生源要素的生物地 球化学循环
第1节 引言
• 一、生源要素构成 海洋植物与动物生长所必需的元素
（1）不称为营养盐：CO2、SO42-、HBO3-、Mg2+、 Cl-、K+、Ca2+等（含量高，不会限制生物生长）。
（2）痕量营养盐：如Fe、Mn、Co、Zn、Se等（在海 水中含量很低）。
地球大气的初始氧化过程
• 海洋氮循环在冰期—间冰期大气CO2变化中的作用
变化 机制？
共识： 海洋的作用
三个假说
• 假说一：陆架侵蚀机制
（McElroy,Nature,1983; Culter等, EPSL,
2003）
冰期海平面低
陆架区暴露于空气
间冰期累积的有机物风化侵蚀
增加海
洋结合态氮储库
促进光合作用 大气CO2
• 少量以溶解态或颗粒态的无机和有机氮存在。
• 主要无机形态是NO3-（1‾500 μM）、NO2（0.1‾50 μM）、NH4+（1‾50 μM），合起来又 称溶解无机氮。
• 氨离子以NH4+ 和NH3两种形态存在，二者存在如 下平衡：
NH4 + ←⎯→NH3 + H+
pH=8.1时，95%的氨以NH4+形态存在， 仅5%以NH3形态存在。
第2节 氮的生物地球化学循环
一、海洋氮循环在气候变化中的作用
• 氮（N）是海洋生物生长的必需营养元素，它是生 物体中蛋白质、核酸、光合色素等有机分子的重 要组成元素。
• 氮是许多海域初级生产力和碳输出的主要控制因 子，因而与大气CO2浓度的变化乃至全球气候变化
有密切联系。
• 地球大气的初始氧化与氮循环密切相关
• 目前对海洋中各形态氮的含量与分布有一定了解， 对其循环路径也有定性认识，但有关海洋氮循环 关键过程的速率特征仍缺乏定量信息。
二、氮的存在形态与储库
• 氮以多种价态存在，其生物地球化学行为异常复杂。
• 溶解于海水中的N2分子是最重要的氮存在形态， 海水中的溶解N2接近于与大气达到平衡的数值。
• 开阔大洋表层水，氮主要存在于DON中（83%）， 其次是PON（7%），再下来是NO3- +NO2-（5%）和 NH4+（5%）。
• 沿岸海域和河口区，NO3- +NO2-的比例明显比大 洋表层水来得高，其比例分别为45%和31%；DON所 占比例降低至18%（沿岸海域）和13%（河口区）； NH4+的比例随离岸距离的减少贡献越大。
• 海洋生物固氮作用； • 通过物理过程由中深层
向上提供的NO3-；
• 各种形态氮（NO3-、 NH4+）被海洋生物的吸 收；
• 通过颗粒物沉降向中深 层输送的PON；
• DON垂向或水平输送； • 硝化作用； • 反硝化作用
海洋生物活动 是导致海洋中 氮于各种形态 之间相互转化 的重要影响因 素，其中生物 固氮作用、氮 的生物吸收、 硝化作用和反 硝化作用是海 洋氮循环的关 键过程。