元素循環

文 蔣高明

元素循環是指由生物合成作用和礦化作用所引起的化學元素的循環運動過程。其中合成作用是指綠色植物吸收空氣、水、土壤中的無機養分后合成自身的有機質，植物有機質被動物吸收（通過食物鏈又合成動物有機質）的過程。礦化作用(即分解作用)指動植物死后，其殘體經微生物分解為無機物釋放回到空氣、水、土壤中的過程，這是元素在無機環境與生物體之間的循環過程。在元素循環遷移過程中，伴隨著物質的形態、組成與性質的變化，這種循環是開放性的，并具有不可逆性。

元素循環主要類型

元素循環可分為三大類型，即水循環（或氫氧循環）、氣體型循環和沉積型循環。在氣體型循環中，物質的主要儲存庫是大氣和海洋，其循環與大氣和海洋密切相聯，具有明顯的全球性，循環性能最為完善。

①水循環（氫氧循環）氧與氫兩種活躍元素尤其是氧的循環是通過水循環實現的。水循環又分為海洋-海洋，陸地-陸地的小循環（或內循環），以及海洋-陸地的大循環（外循環）。水循環受到來自太陽能能流的驅動，直接或間接影響了氣態與沉降型循環。

水循環在陸地-海洋之間的整個過程即為水的全球循環。陸地上的降水來自海洋蒸發，大部分降水直達地面，小部分被植被截留后蒸發或間接落到地面。降雨先是形成涓涓細流，然后形成河流，通過重力落差作用，搬運到海洋。這是陸地向海洋輸送水分的主要途徑，還有一部分水汽是通過大氣環流運輸到海洋上端，并形成降水（雨、雪等），水分回到海洋。

②氣體型循環凡屬于氣體型循環的物質，其分子或某些化合物常以氣體形式參與循環過程，屬于這類的物質有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。氣體型循環表現得較為快速，循環性能一般較為完善。

③沉積型循環參與該循環的物質，其分子或化合物絕無氣體形態，這些物質主要是通過巖石的風化和沉積物的分解轉變為可被生態系統利用的營養物質，而海底沉積物轉化為巖石圈成分則是一個緩慢的、單向的物質移動過程，時間要以數千年計。這些沉積型循環物質的主要儲存庫是土壤、沉積物和巖石，而無氣體形態屬于沉積型循環的物質有磷、鈣、鉀、鈉、鎂、鐵、錳、碘、銅、硅等，其中磷是較典型的沉積型循環物質，它從巖石中釋放出來，最終又沉積在海底并轉化為新的巖石。

幾種重要的元素循環

①碳循環碳是構成一切有機物的基本元素。綠色植物通過光合作用將吸收的太陽能固定于碳水化合物中，這些化合物再沿食物鏈傳遞并在各級生物體內氧化放能，從而帶動群落整體的生命活動。因此碳水化合物是生物圈中的主要能源物質。生態系統的能流過程即表現為碳水化合物的合成、傳遞與分解。自然界有大量碳酸鹽沉積物，但其中的碳卻難以進入生物循環。植物吸收的碳完全來自氣態CO2。生物體通過呼吸作用將體內的CO2作為廢物排入空氣中。

②氮循環雖然大氣中富含氮元素（79%），植物卻不能直接利用，只有經固氮生物（主要是固氮菌類和藍藻）將其轉化為氨（NH3）后才能被植物吸收，并用于合成蛋白質和其他含氨有機質。

在生物體內，氮存在于氨基中，呈-3價。在土壤富氧層中，氮主要以硝酸鹽（+5價）或亞硝酸鹽（+3價）形式存在。土壤中有兩類硝化細菌，一類將氨氧化為亞硝酸鹽，一類將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，兩類都依靠氧化作用釋放的能量生存。除了與固氮菌共生的植物（主要為豆科）可能直接利用空氣中的氮轉化的氨外，一般植物都是吸收土壤中的硝酸鹽。植物吸收硝酸鹽的速度很快，葉和根中有相應的還原酶能將硝酸根還原為NH3，但這需要供能。土壤中還有一類細菌為反硝化細菌，當土壤中缺氧而同時有充足的碳水化合物時，它們可以將硝酸鹽還原為氣態的氮（N2）或一氧化二氮（N2O）。由進化的角度來看，這一步驟極為重要。否則大量的氮將貯存在海洋或沉積物中。

在原始地球的大氣中可能含有氨，但大量生物合成耗盡這些氨后，固氮作用便成為必需。現已發現具有固氮作用的微生物是一些自由生活或共生的細菌以及某些藍藻。它們的營養方式有異養的，也有光能合成和化能合成的。除生物外，空中的雷電以及高能射線也能固定少量氮氣。

③磷循環磷主要以磷酸鹽形式貯存于沉積物中，以磷酸鹽溶液形式被植物吸收。但土壤中的磷酸根在堿性環境中易與鈣結合，酸性環境中易與鐵、鋁結合，都形成難以溶解的磷酸鹽，植物不能利用。而且磷酸鹽易被徑流攜帶而沉積于海底。磷質離開生物圈即不易返回，除非有地質變動或生物搬運。因此磷的全球循環是不完善的。磷與氮、硫不同，在生物體內和環境中都以磷酸根的形式存在，因此其不同價態的轉化都無需微生物參與，是比較簡單的生物地球化學循環。

磷是生命必需的元素，又是易于流失而不易返回的元素，因此很受重視。據觀察，某些含磷廢物排入水體后竟引致藻類暴發性生長，這說明自然界中可利用的磷質已相當缺乏。巖石風化逐漸釋放的磷質遠不敷人類的需要，而且磷質在地表的分布很不均勻。目前開采的磷肥主要來自地表的磷酸鹽沉積物，因此應該合理開采和節約使用。同時應注意保護植被，改造農林業操作方法，避免磷質流失。

④硫循環硫主要以硫酸鹽的形式貯存于沉積物中，以硫酸鹽溶液形式被植物吸收。但沉積的硫在土壤微生物的幫助下卻可轉化為氣態的硫化氫，再經大氣氧化為硫酸復降于地面或海洋中。與氮相似的是，硫在生物體內以-2價形式存在，而在大氣環境中卻主要以硫酸鹽（+6價）形式存在。因此在植物體內也存在相應的還原酶系。在土壤富氧層和貧氧層中，分別存在氧化和還原兩種微生物系，可促進硫酸鹽與水之間的相互轉化。

人類對元素循環的破壞作用

人類活動創造出新的物理化學條件，使地球化學循環具有新的特點。據20世紀80年代初的資料，人工合成的化合物迄今已達 500萬種，每年的生產量也在6000萬噸以上。人類活動釋放到環境中的化學物質的數量，相當于火山活動和巖石風化過程釋放的 10～100倍。所有這些物質都進入地球化學循環，從而改變著原有的元素遷移平衡，加速化學循環，形成新的地球化學過程。

翻耕土地也使土壤中容納的一部分CO2釋放出來，腐殖質氧化產生的CO2更多。燃燒煤炭和石油等燃料也能產生CO2，特別是工業化以后，以這種方式產生的CO2量逐漸增大，甚至超過來自其他途徑的CO2量。大氣中的CO2一方面因植物的減少而降低了消耗，另一方面又因上述燃料使用量的增加而增多了補充，所以濃度有增加的趨勢。

20世紀發展起來的氮肥工業，以越來越大的規模將空氣中的氮固定為氨和硝酸鹽。現在全球范圍的固氮速度可能已超過反硝化作用釋放氮的速度。

人類最關心的環境污染都是人類破壞元素自然循環發生的。人類技術過程每年提煉數億噸純金屬，如鐵、鋁、錫、鉛、鋅等；人類生產和生活的廢棄物排放也不斷增加，僅美國一個國家每年排放廢棄物約 19440噸，其中各種化學物質達60萬種以上。人類活動造成的離子流失量每年約12～18億噸。

為了生存與發展，人類不斷用人為的農業生態系統代替自然生態系統，用人為的物質循環渠道代替自然的物質循環渠道。例如在農田中，一年生作物的單種栽培代替了自然植被，消滅了大量肉食動物，只保留少數役用和肉用植食動物。人工灌溉系統減輕了缺水地區和缺水季節的供水問題，稻稈喂飼家畜和糞肥施田形成了局部循環，但不恰當的耕作方法卻造成水土流失。特別是工業化以后，大量生產礦質肥料和人造氮肥，極大地改變了自然界原有的元素循環。