第13章 生物圈、水圈、大气圈、岩石圈-1

第十三章 生物圈、水圈、大气圈、岩石圈相互作用与地球表层系统

第⼀一节地球表层系统的能量流动与能量平衡第二节地球表层系统的物质迁移与循环

第三节地球表层自然环境的地域分异规律第四节土壤与土壤系统

第五节喀斯特作用与喀斯特地貌

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能量传递!

二、地球表层系统中能量的传输与转化!太阳能

在蒸发过程中，水体吸收空气中的热量，由液态变为气态，热能从大气向水体传输；当降水或降雪时，水由气态变为液态或固态，释放出热量，热能从水体向大气传输。一般来说，冬季海洋整体上是个热源，热能从海洋流向大气或大陆；而夏季海洋温度较低，热能从大气或大陆流向海洋。暖洋流（暖流）经过的洋面，一般温度比较高，热能是从海洋向大气传输；而冷洋流（寒流）经过的洋面，温度比较低，热能是从大气向海洋传输。

地热能

由于地热能分布的不均匀，导致地幔对流的产生，热能转变成动能。地幔对流引起海底扩张、岩浆侵入和火山喷发，动能转变为热能。当岩浆侵入导致围岩变质时，热能转变成化学能。当大陆漂移、板块运动导致山地的形成与高原的隆起时，动能转变成势能。当冰川融水和降水汇流成河，从高山或高原向下流动时，势能又转变成动能。

地球自转能

地球自转和自转速度的变化，引起板块的运动、大陆的漂移，导致构造造山和造陆，动能转变成势能。当河流从高处流下，或滑坡、崩塌、蠕动发生时，势能转变成动能。板块运动引起火山喷发、岩浆侵入，动能也就转化为热能释放出来。地球自转动能引起潮汐，潮汐对地面的摩擦产生热能。地球自转速度的变化还会导致地球表面大范围的海侵海退，导致大气环流、洋流的变化。也就是说，地球自转动能可以直接传输给岩石圈、大气圈、水圈，从而导致岩石圈、大气圈、水圈的变化，再通过它们的变化间接地影响生物圈。

圈层间的能量的交换!

第一，大气圈与水圈之间进行着热能、动能、化学能和势能的传输与交换。 第二，大气圈与岩石圈之间在进行着热能、化学能、动能的交换。

第三，水圈与岩石圈之间存在着热能、动能、势能与化学能的交换。

第四，生物圈与其他三个圈层之间，普遍存在着热能与化学能的交换。

地球表层系统的辐射平衡（Murck,1996

)!

太阳几乎以恒定的数量

不断地向地球提供短波辐射，

其中一部分直接被大气中的

云、尘埃和洋面、陆面反射

回地外空间，剩余的则被大

气、海洋、陆地吸收，用于

升高它们的温度。与此同时，

大气、海洋、陆地也在不断

地向地外空间发射长波辐射。

从长时间平均说，地球接受

的辐射能与发射出去的辐射

能是相等的，因而地球表面

的温度保持不变。

三、地球表层系统的能量平衡

各纬度能量平衡与极向热输送（Strahler,1997）

作为整个地球表

层系统，从年平均

状况来说，能量处

于平衡状态。但是

对于地球表层的各

个部分来说，能量

却不一定是平衡的。

实际上，在低纬度

地区是能量过剩区

域；而高纬度地区

是能量亏损区域。

因此在地表存在着

极向热输送。

一、跨越圈层的水循环!

二、碳循环!

• 短时间尺度碳循环：光合作用、生物呼吸作用、

的交换过程 

大气-海水界面CO

2

• 中等时间尺度碳循环：分散态的沉积有机质和富集态的有机质（煤、石油、天然气）的埋藏及热演化过程 

• 长时间尺度碳循环：碳酸盐与硅酸盐分化作用、

火山活动释放幔源的CO

2 

Xie et al., 2007 Geology

Beerling et al., 2011

Yu et al., 2010 GRL

Yu et al., 2010 GRL

Ruddiman et al., 2005 QSR

Chen et al., 2013 GBC

四、氮循环!

大气中的N

2!

生物固氮工业固氮

闪电固氮

硝酸盐和氨等物质

McLauchlan et al., 2013 Nature

McLauchlan et al., 2013 Nature

Liu et al., 2013 Nature

Sutton et al., 2013 Nature

硫循环

五、矿质循环!

一、纬度地带性

地球上的热量带

植被随干燥度的变化

!

干湿度分带性是大陆尺度的地域分异规律，在宽广的大陆上，尤其是季风大陆区，比较明显。

由于降水的分带性，导致了植被、土壤也呈现出类似的分带性。植被由沿海地区的森林向陆地逐渐变为森林草原、草原、荒漠。植被类型与干燥度之间的关系见下图。

二、干湿度分带性

三、垂直带性山地垂直带

三、垂直带性

构造—地貌成因的地域性分

异：

由于构造及构造运动，形成

了不同的地貌单元与景观，

例如，高原、盆地、山地、

丘陵、平原等。由于发生学

上的一致性，各个构造—地

貌单元内部自然环境具有相

对一致性，而各个构造-地貌

单元之间却有比较大的差异。

四、其他地域分异规律

具有地方气候背景的地域分异：

境的空间分异。例如，湖泊

及其周围气温变差比较小，

湿度比较大；而向外围气温

变差逐步增大，湿度降低。

这种现象在干旱区更加明显。