文 蔣高明

元素循環(huán)是指由生物合成作用和礦化作用所引起的化學(xué)元素的循環(huán)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(jī)養(yǎng)分后合成自身的有機(jī)質(zhì)，植物有機(jī)質(zhì)被動物吸收（通過食物鏈又合成動物有機(jī)質(zhì)）的過程。礦化作用(即分解作用)指動植物死后，其殘體經(jīng)微生物分解為無機(jī)物釋放回到空氣、水、土壤中的過程，這是元素在無機(jī)環(huán)境與生物體之間的循環(huán)過程。在元素循環(huán)遷移過程中，伴隨著物質(zhì)的形態(tài)、組成與性質(zhì)的變化，這種循環(huán)是開放性的，并具有不可逆性。

元素循環(huán)主要類型

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

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

水循環(huán)在陸地-海洋之間的整個過程即為水的全球循環(huán)。陸地上的降水來自海洋蒸發(fā)，大部分降水直達(dá)地面，小部分被植被截留后蒸發(fā)或間接落到地面。降雨先是形成涓涓細(xì)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(huán)流運輸?shù)胶Ｑ笊隙?，并形成降水（雨、雪等），水分回到海洋?/p>

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

③沉積型循環(huán)參與該循環(huán)的物質(zhì)，其分子或化合物絕無氣體形態(tài)，這些物質(zhì)主要是通過巖石的風(fēng)化和沉積物的分解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧鷳B(tài)系統(tǒng)利用的營養(yǎng)物質(zhì)，而海底沉積物轉(zhuǎn)化為巖石圈成分則是一個緩慢的、單向的物質(zhì)移動過程，時間要以數(shù)千年計。這些沉積型循環(huán)物質(zhì)的主要儲存庫是土壤、沉積物和巖石，而無氣體形態(tài)屬于沉積型循環(huán)的物質(zhì)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(huán)物質(zhì)，它從巖石中釋放出來，最終又沉積在海底并轉(zhuǎn)化為新的巖石。

幾種重要的元素循環(huán)

①碳循環(huán)碳是構(gòu)成一切有機(jī)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(nèi)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(zhì)。生態(tài)系統(tǒng)的能流過程即表現(xiàn)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(jìn)入生物循環(huán)。植物吸收的碳完全來自氣態(tài)CO2。生物體通過呼吸作用將體內(nèi)的CO2作為廢物排入空氣中。

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

在生物體內(nèi)，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(xì)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(zhuǎn)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(yīng)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(xì)菌為反硝化細(xì)菌，當(dāng)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(tài)的氮（N2）或一氧化二氮（N2O）。由進(jìn)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?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有固氮作用的微生物是一些自由生活或共生的細(xì)菌以及某些藍(lán)藻。它們的營養(yǎng)方式有異養(yǎng)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(huán)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(huán)境中易與鈣結(jié)合，酸性環(huán)境中易與鐵、鋁結(jié)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(zhì)離開生物圈即不易返回，除非有地質(zhì)變動或生物搬運。因此磷的全球循環(huán)是不完善的。磷與氮、硫不同，在生物體內(nèi)和環(huán)境中都以磷酸根的形式存在，因此其不同價態(tài)的轉(zhuǎn)化都無需微生物參與，是比較簡單的生物地球化學(xué)循環(huán)。

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(jù)觀察，某些含磷廢物排入水體后竟引致藻類暴發(fā)性生長，這說明自然界中可利用的磷質(zhì)已相當(dāng)缺乏。巖石風(fēng)化逐漸釋放的磷質(zhì)遠(yuǎn)不敷人類的需要，而且磷質(zhì)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(yīng)該合理開采和節(jié)約使用。同時應(yīng)注意保護(hù)植被，改造農(nóng)林業(yè)操作方法，避免磷質(zhì)流失。

④硫循環(huán)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(zhuǎn)化為氣態(tài)的硫化氫，再經(jīng)大氣氧化為硫酸復(fù)降于地面或海洋中。與氮相似的是，硫在生物體內(nèi)以-2價形式存在，而在大氣環(huán)境中卻主要以硫酸鹽（+6價）形式存在。因此在植物體內(nèi)也存在相應(yīng)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(jìn)硫酸鹽與水之間的相互轉(zhuǎn)化。

人類對元素循環(huán)的破壞作用

人類活動創(chuàng)造出新的物理化學(xué)條件，使地球化學(xué)循環(huán)具有新的特點。據(jù)20世紀(jì)80年代初的資料，人工合成的化合物迄今已達(dá) 500萬種，每年的生產(chǎn)量也在6000萬噸以上。人類活動釋放到環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量，相當(dāng)于火山活動和巖石風(fēng)化過程釋放的 10～100倍。所有這些物質(zhì)都進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)，從而改變著原有的元素遷移平衡，加速化學(xué)循環(huán)，形成新的地球化學(xué)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(zhì)氧化產(chǎn)生的CO2更多。燃燒煤炭和石油等燃料也能產(chǎn)生CO2，特別是工業(yè)化以后，以這種方式產(chǎn)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(bǔ)充，所以濃度有增加的趨勢。

20世紀(jì)發(fā)展起來的氮肥工業(yè)，以越來越大的規(guī)模將空氣中的氮固定為氨和硝酸鹽。現(xiàn)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(guān)心的環(huán)境污染都是人類破壞元素自然循環(huán)發(fā)生的。人類技術(shù)過程每年提煉數(shù)億噸純金屬，如鐵、鋁、錫、鉛、鋅等；人類生產(chǎn)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(xué)物質(zhì)達(dá)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(fā)展，人類不斷用人為的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)代替自然生態(tài)系統(tǒng)，用人為的物質(zhì)循環(huán)渠道代替自然的物質(zhì)循環(huán)渠道。例如在農(nóng)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(shù)役用和肉用植食動物。人工灌溉系統(tǒng)減輕了缺水地區(qū)和缺水季節(jié)的供水問題，稻稈喂飼家畜和糞肥施田形成了局部循環(huán)，但不恰當(dāng)?shù)母鞣椒▍s造成水土流失。特別是工業(yè)化以后，大量生產(chǎn)礦質(zhì)肥料和人造氮肥，極大地改變了自然界原有的元素循環(huán)。