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1、生态系统中的元素循环生态系统中的元素循环生物体中最丰富的自然元素是氢(H)、氧(O)和碳(C),这三种元素加起来共占地球生物量的99%以上。事实上,所有生物(有机分子)都包含有氢和碳元素。此外,氮(N)、钙(Ca)、钾(K)、镁(Mg)、硫(S)和磷(P)元素也都是生物体生长的重要营养物质和必需元素。自然界中包含几个关键的化学循环过程。氧、碳、氮元素都有各自的气体循环(gaseous cycles)过程,其中一部分过程是在大气中进行的;其他元素则为沉积循环(sedimentary cycles)过程,其元素化合物主要是矿物和固相物质。沉积循环的主要元素有磷、钙、钾和硫。还有一些元素循环则是气态
2、循环与固态循环相互结合。气体和沉积物质(营养物)的再循环构成了生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemical cycles),这一称谓缘于它包含有生命系统成长和发育所需的化学反应。这些化学元素自身也在生命过程中不断地重复循环。1.氧和碳的循环氧和碳的循环 把这两种元素的循环放在一起讲述,是因为它们的光合作用与呼吸作用有紧密联系(图1)。可利用的氧元素主要来源于大气。地壳中的氧元素更多,但不能被利用,因为它们与其他元素一起形成了化合物,主要是二氧化硅(SiO2)和碳酸盐类矿物(CO32-)。未被氧化的化石燃料和沉淀物中也含有氧元素。图图 1 碳元素和氧元素的循环碳元素和氧元素的循
3、环注:光合作用固定的碳,通过生态系统过程开启了它的生态运行过程。生物体的呼吸作用、森林和草原大火、化石燃料的燃烧向大气进行碳排放。人类活动对碳循环影响很大。海洋是一个巨大的碳库储量约为429000亿吨。然而,这些碳原子被化学键束缚于CO2、碳酸钙等化合物之中。海洋对CO2的吸收,最初是浮游植物通过光合作用来进行的;这些CO2成为生物体的组成成分,固定于某些酸盐矿物中,如石灰岩(CaC03)。若海洋从大气中摄取过量CO2则可造成海水的pH值减小。这种酸性化的海水环境会使浮游生物、珊瑚等有机体难以维持它们的碳酸钙骨骼结构。大气作为碳循环的中间环节,任一时刻大气中的碳含量大约有7000亿吨(CO2气
4、体)。这一数量远远低于化石燃料和油页岩中的碳储量(132000亿吨,碳氢化合物),以及固定在活体生物和有机质中的碳量(25000吨,碳水化合物分子)。释放到大气中的CO2是由动植物呼吸、火山活动以及工业和交通使用化石燃料所产生的。由于人类活动不断地向大气中排放大量的碳,使得大气圈好像变成了一个实时的实验室,如同正在进行一项巨大的地球化学试验。人类每年的大气碳排放量是1950年的四倍,而且化石燃料造成的全球碳排放量仍在持续增加,2007年大约有82亿吨的碳排入大气;相比之下,1950年的碳排放量为14.7亿吨,1980年为47.4亿吨。自工业革命以来排放的碳量中,大约有50%未被海洋和生物吸收,
5、而继续留存于大气中,这加剧了地球的温室效应,导致全球变暖。2.氮循环氮循环 氮气是大气的主要成分,在我们每次呼吸的空气中都含有78.08%的氮气。氮元素还是有机分子的重要组成成分,尤其是蛋白质,因此氮是生命过程的必要元素。图2是氮元素循环的简化图解。1图图 2 氮元素的循环氮元素的循环注:大气是气态氮的储藏库。大气中的氮气主要靠固氮菌的化学作用转化为氨态氮,雷电和森林火灾使氮气形成硝酸盐,化石燃料在大气中燃烧产生的含氮化合物可被降水吸收。植物吸收的含氮化合物用于制造有机物。固氮菌是生命的关键纽带,它们主要生活在土壤中,并与某些植物的根系有关。在豆类植物根系上,如草木犀、紫花苜蓿、大豆、豌豆、黄
6、豆和花生等,就有这种细菌。豆科植物根瘤上的固氮菌菌落,可与空气中的氮气发生化学反应形成硝酸盐(NO3-)和氨(NH3)。植物利用这些氮的化合物制造自身的有机物。以这些植物为食的所有生物,摄取的都是这类氮。最终,这些氮经过消费者变成有机废物,并通过反硝化细菌释放到大气中,进入氮的再循环过程。为了提高农作物产量,许多农民使用合成无机肥料。无机肥料是化学固氮工厂生产的人工肥料,它不同于能够改良土壤的有机肥料(粪肥和堆肥)。目前,每年通过人工合成肥料固定的氮量已超过了陆地天然固氮量的总和;全世界每周的氮肥产量大约是182万吨,而且合成氮肥的产量每隔8年就会增加一倍。从1970年开始,人工的固氮量就已超
7、过了自然固氮量。合成氮肥的大量施用,导致地球生态系统中的有效氮剩余量累积,其中部分作为过剩养分从土壤中冲刷至河流里,甚至流入海洋。过量的氮负荷会引发水污染过程,导致水体中的藻类和浮游植物大量增长、生化需氧量增加、溶解氧降低,最终造成水生生态系统破坏。此外,大气污染中过量的氮化合物成为酸沉降的一部分,进而会改变土壤和水体中的氮循环。图3是墨西哥湾死亡带中心分布区及其卫星影像。该海域位于墨西哥湾路易斯安那州,离岸水域的氧气已耗竭。2008年,得克萨斯州农工大学的研究人员报告指出:死亡带范围已由沿岸扩展至整个墨西哥湾,并以间断的方式扩散至大约离岸32km的地方。23图图 3 墨西哥湾死亡带墨西哥湾死
8、亡带密西西比河携带着大量的农业化肥、农田污水等排泄物流入到墨西哥海湾,导致浮游植物大量繁殖:初级生产力使海水变为绿色。密西西比河水系的径流量约占美国大陆总径流量的41%;夏季,食腐细菌的生化需氧量超过了溶解氧,使水体缺氧(氧耗竭)严重,导致进入这一水域的鱼类死亡。这种缺氧状况,对于海洋生物来说就是限制因子。从2002年起,墨西哥湾沿岸死亡带的面积,每年都在2.2万km2以上。农业、饲养场以及化肥厂的经营者们因为营养物排放和死亡带面积扩大而争论不休。世界其他一些地区也存在这种类似的联系。全球有400多条河流水系由于营养物的排放,形成了类似的海岸死亡带,使25万km2的近海海域受到影响。在瑞典和丹
9、麦,为了减少营养物排入河流,两国协力合作使得卡特加特海峡(斯开湾与北海之间)水域的缺氧状况有所改善。此外,随着1990年苏联及其国营农业的解体,苏联的肥料使用量下降了50%以上。黑海河口三角洲已有几个月的时间摆脱了常年缺氧状态。和大多数环境问题一样,对于海洋生态系统,缓解环境问题的成本费用远低于持续破坏后再治理的费用。就墨西哥湾而言,如果上游流域能够减少20%30%的氮排放,那么死亡带水域的溶解氧就可增加50%。据美国政府估计:就爱荷华州、伊利诺伊州和印第安纳州而言,氮肥施用量已超过所需量的20%。若要解决这一问题,首先应该规定施用肥料量不能超过作物需求量(节约农业生产的间接成本),其次还要动手解决流域内饲养场的牲畜排泄物。伴随2005年卡特里娜飓风的到来,墨西哥湾被排放的污水所充斥,这种污水中含有废水、化学有毒物质、泄漏的石油、家用杀虫剂、动物粪便和动物尸体以及营养物质。这些羽状污染流当前大部分都已消散,它们的路径从事发地点开始,环绕佛罗里达半岛,然后向北延伸至美国东海岸图3(a)。除此之外,2010年,由英国、瑞士和开曼群岛经营的“深水地平线(Deepwater Horizon)钻井平台,在马绍尔群岛管辖区内造成了石油泄漏事件,漏油污染了美国海域,这是美国历史上遭受的最严重的石油污染灾难。4 5
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