生物地质化学循环(全)

生物地质化学循环

生物地质化学循环（Biogeochemical Cycle，又称作生态系统的物质循环）在生态学上指的是化学元素或分子在生态系统中划分的生物群落和无机环境之间相互循环的过程。这使得相关的元素得以循环，虽然实际上在某些循环中化学元素被长期积聚在同一个地方而不发生移动。

类别

有机体中的所有的化学元素都参与了生物地质化学循环。除了参与有机体的构成外，这些化学元素亦可经过生态系统的各种非生物因素进行循环，例如水（水圈）、陆地（岩石圈）和空气（大气圈）；地球上的所有生物因素都可以被认为是生物圈的组成部分。所有的化学物质、营养物质或者更进一步说——元素，例如碳、氮、氧、磷——存在于生态系统中的有机体的封闭系统中，同时有机体又与开放系统相互循环这些化学物质以保持收支平衡。生态系统的能量则由开放系统所提供；太阳持续地为地球以光的形式提供能量，最后被食物网中的各个营养级所利用或以热能的形式散失。

氮循环

环境中氮的流向示意图。相关的细菌是循环中的关键因素，生产出不同种类的含氮化合物供更高等的生物体进行同化作用。参看条目马尔亭乌斯·贝叶林克。

氮循环是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。

基本概念

空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。

加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气氢化成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关系。

其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进

食植物所获得。

氨

氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解，被用作制造铵离子（NH4+）。在富含氧气的土壤中，这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子（NO2−），然后被硝化细菌转化为硝酸根离子（NO3−）。铵的两步转化过程被叫做硝化作用。

铵对于鱼类来说有剧毒，因此必须对废水处理植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。为避免鱼类死亡的损失，应在排放前对水中的铵进行硝化处理，在陆地上为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。

硝酸盐危害

铵离子很容易被固定在土壤中（尤其是腐殖质和粘土）。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。在强降雨后或过量灌溉后，硝酸根和亚硝酸根移动到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征。如果过量硝酸盐通过径流或地下水进入地表水，会导致水体的富营养化，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒，硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起，在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制，磷肥的使用也将受到了同样的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。

在无氧或低氧条件下，厌氧细菌的―反硝化作用‖将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。

氮气(N2)的转化

有三种将游离态的N2（大气中的氮气）转化为化合态氮的方法：

1生物固定–一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。

2工业固氮–在哈伯-博施法中，N2与氢气被化合生成氨（NH3）肥。

3化石燃料燃烧–主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。

另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO2，是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。由于豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分，人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。

氧循环

氧循环是其中一种生态系统的物质循环，而此循环主要是用于形容氧在三个主要贮存器，即大气层、生物圈和岩石圈。而整个循环则靠着光合作用去驱使，植物以光合作用把二氧化碳和水组合，形成葡萄糖和副产品氧气。在大气层中，即使所有的光合作用皆停止，大量的氧气仍然需要五千[1]至二万五千年的时间以移除全部的氧气。

储藏及流出

在地球中，有百分之九十九点五储存于最大的氧储存器即地幔及地壳中的硅酸盐和氧化矿物质。而只有非常小量氧，约百分之零点零一会以自由模式被释放至生物圈及百分之零点四九被释放至大气层。

然而，在生物圈及大气层中，最主要的氧气来源为光合作用，即透过分解二氧化碳及水以产生葡萄糖和氧气。

6CO2 + 6H2O + 能量→ C6H12O6 + 6O2

超光合作用的生物包括在地表的植物及海洋表面的浮游植物。在1986年，在海上发现了微小的蓝绿菌，而这便能解释为何有超过一半的光合作用发生于海洋中。[2]

另一个大气中氧气的来源来自光解，大气中的水份和氮化物被紫外光分解为其组成原子。氢和氮会离去逃到太空，而氧气则留在大气层:

2H2O + 能量→ 4H + O2

2N2O + 能量→ 4N + O2

氧气的流失主要是由动物与细菌的呼吸作用及腐烂时消耗氧气而释出二氧化碳。

因岩石中的矿物质被氧气氧化，化学风化过程中，岩石也消耗氧气。表面风化的例子有铁锈的氧化物：4FeO + 3O2→ 2Fe2O3

氧气也在生物圈和岩石圈中循环。生物圈中的海洋生物产生含大量氧的碳酸钙(CaCO3)。当生物死亡及它的壳会存留于浅水层，埋葬多时后便会于岩石圈产生石灰岩。而生物会开始破坏岩石令氧气由岩石圈被释放。植物和动物会从岩石吸收营养矿物并释放氧气。

氧的储藏量及流失量

以下的表格会列出氧气停留于氧气的储存器容量和留失时间的估计值。而这些数据是由Walker, J.C.G 初次估计得出的。

表一: 在氧循环中主要的储存器

储存器容量

(kg

流入/出

(kg O2每

停留时间

(年)