环境地学-赵烨-第11章

11-地球环境系统中的物质循环111地球环境系统中的物质循环——目录11.1物质循环过程概述11.2碳循环及其环境效应11.3氮循环及其环境效应11.4磷循环及其环境效应11.5硫循环及其环境效应11.7有毒有害物循环11.8思考题与个案分析11-地球环境系统中的物质循环2物质循环(matercycles)是指物质周而复始的运动或变化，地球环境系统中的物质都时刻不停地迁移转化着，这一物质循环过程是当今环境地学的重要研究内容。按物质状态及功能的差异，可以将地球环境系统中物质迁移转化过程分解为物质循环和能量流动。11.1物质循环过程概述11-地球环境系统中的物质循环311.1.1物质循环过程的类型从地球环境形成演化的角度来看，地球环境系统中物质循环可划归为物质的地质循环、物理循环、生物化学循环(生物地球化学循环)三大类型。11-地球环境系统中的物质循环4物质的地质循环过程包括地质学中板块构造运动(大陆漂移)、多旋回构造运动、岩石循环、地形侵蚀循环(戴维斯地貌演化循环模型)，这些循环过程一般都具有物质运动的时间尺度和空间尺度巨大的特点。11-地球环境系统中的物质循环5物质的物理循环包括地球表层中的大气环流、大洋环流和水分循环，在物理循环过程中参与循环的物质运动快(即时间尺度较小)，空间尺度巨大(即全球尺度)，参与循环的物质化学组成变化较小，而物质的存在状态及物理性状变化显著。11-地球环境系统中的物质循环6物质的生物循环是指生物从大气圈、水圈、土壤圈和岩石圈获得营养物质，且部分营养物质再通过食物链在生物之间被重复利用，最终均通过生物代谢和微生物的分解作用归还于非生物环境的过程，这一过程包括碳循环、氮循环、磷循环、硫循环、微量营养元素循环和污染物循环等。11-地球环境系统中的物质循环7地球环境系统中物质的地质循环、物理循环和生物循环三者之间具有密切的相互联系，其中地质循环及其结果在宏观上控制着物理循环和生物循环，而物理循环(如水循环、大气环流)与生物循环又交织在一起，是驱动生物循环的重要动力之一。11-地球环境系统中的物质循环811.1.2物质循环过程的驱动力在地球环境系统中能量的存在形式有：动能、势能、热能、辐射能、化学能、原子能、电能、声能等。驱使地球环境系统中物质循环的能量主要有：地球的能量(地球物质运动的动能、势能、地热、岩石圈中的原子能等)、太阳辐射能、日-月-地系统的势能。11-地球环境系统中的物质循环9图11-1地球环境系统中物质循环及其能量过程示意图能量11-地球环境系统中的物质循环10尽管地球环境系统中各种物质的运动方式和转化途径是千变万化的，但这种变化过程决不是没有约束的，其最基本的约束就是：质量守恒定律能量守恒定律热力学定律11-地球环境系统中的物质循环1111.1.3物质循环与循环经济从现代人类生产生活消费总量来看，地球已成为一艘没有补给通道、也没有下水道的空间飞船，面对“船载”资源的日益枯竭和“船舱”环境质量的不断恶化，人们必须采用新技术对废物加以循环利用，维持并不断改善人类生存环境质量，这应该是循环经济概念的源头。11-地球环境系统中的物质循环121996年德国学者提出了“物质闭路循环与废物管理(closedsubstancecycleandwastemanagement)”的经济管理思路，随后其他国家也纷纷提出构建以节约资源和废物的循环再利用为核心的循环经济(recycling-basedeconomy)模式。11-地球环境系统中的物质循环13图11-2高消费型社会与循环性社会物质与能源消耗过程比较示意图11-地球环境系统中的物质循环14基于仿生学原理，地球环境系统特别是生态系统中的物质循环机理与规律是构建循环经济体系的基础和典范。循环经济的宏观表达就是要把自然环境、经济活动、社会系统整合成为一个良性循环的物质系统。11-地球环境系统中的物质循环15由于地质循环和物理循环已在岩石圈、大气圈和水圈中作了介绍，本章就着重从环境地学角度系统地介绍与环境科学研究密切相关的碳循环、氮循环、磷循环、硫循环、微量营养元素循环和污染物循环过程。11-地球环境系统中的物质循环16图11-3地球环境系统的物质循环过程的示意图（据G.T.Miller,1996年资料）11-地球环境系统中的物质循环1711.2碳循环及其环境效应11.2.1地球环境系统中的碳素碳在地壳中的丰度是200010-6，从数量上看碳比氧、硅、铝、铁、钙等元素的丰度低得多。请同学结合化学课程学习了解碳元素的特性。11-地球环境系统中的物质循环18在地球环境系统中碳元素的存在状态有碳酸盐(如CaCO3、MgCO3、Na2CO3、NaHCO3等)、CO2和CO、有机化合物(如土壤腐殖质、生物躯体、石油、天然气、煤炭和油页岩等)、单质的碳(如石墨和金刚石)和海洋底部的可燃冰(固态CH4)等。11-地球环境系统中的物质循环1911.2.2碳循环过程碳素循环过程包括：生物的同化和异化作用，主要是植物的光合作用和生物的呼吸作用；大气圈与水圈之间CO2交换过程；大气圈-土壤圈-生物圈之间CO2交换过程；水圈之中的碳酸盐沉积过程；以及人类活动对岩石圈中碳的加速释放和对陆地生物圈碳储量的影响等。11-地球环境系统中的物质循环20图11-4地球环境系统中碳素循环过程图式（据G.T.Miller,1996年资料）11-地球环境系统中的物质循环21当前国际环境科学界共同关注的热点问题主要有：土壤圈与大气圈之间物质交换过程机理的研究，客观评价土壤圈作为大气中温室气体源和汇的作用，人类活动对土壤圈作为大气温室气体源和汇的干扰程度，土壤圈中温室气体产生、排放与吸收的过程及其机制等。11-地球环境系统中的物质循环2211.3氮循环及其环境效应11.3.1地球环境系统中的氮素氮是地球环境系统中常见的化学元素，氮在大气圈中的含量高达75.51％(N2质量分数)，而在地壳中的含量仅为0.002％(质量分数)。请同学结合化学课程学习了解氮元素的特性。11-地球环境系统中的物质循环2311-地球环境系统中的物质循环2411.3.2氮循环过程由于氮元素在不同的环境条件下以不同形态存在，故氮素的生物地球化学循环过程非常复杂，如在好氧条件和硝化细菌的作用下，土壤中氮素就向着形成NO3－的方向转化，而在厌氧条件和反硝化细菌的作用下，土壤中氮素则向着形成N2的方向转化。11-地球环境系统中的物质循环25图11-5地球环境系统中氮素循环过程图式（据G.T.Miller，1996年资料）11-地球环境系统中的物质循环26日益增强的人类活动对地球环境系统中氮循环过程的扰动，已经带来了许多生态环境问题，如水体富营养化，O3层空洞、温室效应、酸雨、亚硝酸盐污染和光化学烟雾等。11-地球环境系统中的物质循环2711.4磷循环及其环境效应11.4.1地球环境系统中的磷素地球环境系统中的磷元素几乎全部以化合物形式存在，无游离态磷存在。含磷化合物包括无机含磷化合物和有机含磷化合物两大类。请同学结合化学课程学习了解磷元素的特性。11-地球环境系统中的物质循环2811.4.2磷循环过程地球环境系统中磷素循环属于典型的沉积循环，其基本过程包括：岩石圈表层及土壤中的磷酸盐被风化、迁移转化、淋溶流失，进入水圈然后再沉积形成磷酸盐。11-地球环境系统中的物质循环29图11-6地球环境系统中磷素循环过程图式（据G.T.Miller，1996年资料）11-地球环境系统中的物质循环30人类活动对磷素循环所引发的环境影响：磷素随农田退水、生活污水及部分工业废水进入天然水体中，使水体中营养元素浓度增加引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，由此引起水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，这种现象被称之为水体富营养化。11-地球环境系统中的物质循环3111.5硫循环及其环境效应11.5.1地球环境系统中的硫素在地球环境系统中硫元素的分布广泛，如在地壳中硫化物数量仅次于氧化物占第二位，其中能与硫化合形成各种化合物的化学元素约有40多种，地壳中含硫化合物含量为0.15％。请同学结合化学课程学习了解硫元素的特性。11-地球环境系统中的物质循环3211.5.2硫循环过程地球环境系统中硫素循环的基本过程是：岩石圈中的硫及海洋挥发出的硫被氧化成SO2进入大气圈，大气圈中的硫以硫酸或硫酸盐气溶胶通过沉降过程进入到生物圈、土壤圈和水圈之中，之后这些硫素再被植物吸收同化并经过食物链在生物之间传递，最后又返回到环境之中。11-地球环境系统中的物质循环33图11-7地球环境系统中硫素循环过程图式（据G.T.Miller,1996年资料）11-地球环境系统中的物质循环34在北美、西欧、东南亚等工业发达或人口密集地区，大量富硫煤的使用导致大量SO2气体的排放，引发了大范围的酸雨，这些酸沉降(酸雨)对区域农业生态系统、森林生态系统、水生生态系统及其人类社会系统带来了严重的危害。11-地球环境系统中的物质循环3511.6微量营养元素循环11.6.1微量营养元素循环的特征在自然因素或人为因素作用下，地球环境系统中的微量营养物质(如Fe、I、Zn、Mn、Co、Mo、Se)不断地循环和流动，使全球各种生态系统得以生存和发展。请同学结合环境化学课程学习了解微量营养元素的特性。11-地球环境系统中的物质循环36区域微量营养元素循环异常会造成环境中某些元素的异常偏少或异常偏高，这必然会对区域生物的正常生长发育带来各种不利的影响。苏联科学家维诺格拉多夫在20世纪早期就指出，当环境中某种化学元素含量特别高或特别低时，生物就会产生强烈的生理反应。11-地球环境系统中的物质循环37据此他提出了著名的“生物地球化学省”学说，所谓生物地球化学省是指由于地球表层不同区域环境中化学元素的不同而引起地方植物和动物群出现不同生物反应的地区。在极端情况下由于某一化学元素或某几个化学元素含量显著不足或过剩，在一定的生物地球化学省境内，就会产生生物地球化学地方病。11-地球环境系统中的物质循环3811-地球环境系统中的物质循环3911.6.2碘循环异常与地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿是一种世界性的地方病。早在19世纪，学术界就确立了地方性甲状腺肿的缺碘病因学说，1965年科学研究还发现因食用高碘食物也能引起高碘性地方性甲状腺肿。11-地球环境系统中的物质循环40碘是生物必需的营养元素，人体中的碘主要集中在甲状腺内。甲状腺的生理功能是产生甲状腺激素，甲状腺激素具有促进新陈代谢、神经、骨骼生长发育的功能。作为生命元素碘对人的生理作用服从于伯特兰(G.Bertrand)的生物最适浓度定律，即碘具有双侧阈浓度。11-地球环境系统中的物质循环4111.6.3氟循环异常与地方性氟病地方性氟病也是一种世界性的地方病，在各大洲均有分布。地方性氟病是由于长期饮食当地高氟水和食物所引起的一种慢性氟中毒，是全身性疾病。11-地球环境系统中的物质循环42宁夏回族自治区灵武11-地球环境系统中的物质循环43图11-8氟斑牙的症状（据中国科学院地理研究所，1989年资料）11-地球环境系统中的物质循环44图11-9地方性氟病的症状（据中国科学院地理研究所，1989年资料）11-地球环境系统中的物质循环4511.6.4硒循环异常与克山病和大骨节病克山病是一种以心肌坏死为主要症状的地方病，因1935年最早在中国黑龙江省克山县发现而得名，患者发病率及死亡率高，是中国重点防治的地方病之一。对其病因有多种假设，如水土病因说或环境地球化学病因说。11-地球环境系统中的物质循环46大骨节病是一种世界性地方病，患者在发病初期不易觉察，后来发现关节疼痛、增粗等症状，晚期发生关节畸形和功能障碍，重患者臂弯腿短、关节粗大、步态蹒跚，不仅丧失劳动能力，甚至连生活都不能自理，此病是中国重点防治的地方病之一。11-地球环境系统中的物质循环4711-地球环境系统中的物质循环48图11-10地方性克山病的症状（据中国科学院地理研究所，1989年资料）11-地球环境系统中的物质循环49图11-11地方性大骨节病症（据中国科学院地理研究所，1989年