[科普中国]-化学物质循环

水循环概述

水循环是指水由地球不同的地方透过吸收太阳以来的能量转变存在的模式到地球中另一些地方，例如：地面的水份被太阳蒸发成为空气中的水蒸气。而水在地球的存在模式包括有固态、液态和气态。而地球中的水多数存在于大气层中、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水会透过一些物理作用，例如：蒸发、降水、渗透、表面的流动和表底下流动等，由一个地方移动至另一个地方。如水由河川流动至海洋。

原因形成水循环的内因是水在通常环境条件下气态、液态、固态易于转化的 特性，外因是太阳辐射和重力作用，为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。地球上的水分布广泛，贮量巨大，是水循环的物质基础。由于地球上太阳辐射的强度不均匀，不同地区的水循环的情况也就不相同。如在赤道地区太阳辐射强度大，降水量一般比中纬地区多，尤其比高纬地区多。

影响因素自然因素主要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等)和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。

人类活动不断改变着自然环境，越来越强烈地影响水循环的过程。人类构筑水库，开凿运河、渠道、河网，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和水的运动状况的变化。农业的发展，森林的破坏，引起蒸发、径流、下渗等过程的变化。城市和工矿区的大气污染和热岛效应也可改变本地区的水循环状况。环境中许多物质的交换和运动依靠水循环来实现。陆地上每年有3.6×1013 m3的水流入海洋，这些水把约3.6×109吨的可溶解物质带入海洋。人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生并排入大气的二氧化硫和氮氧化物，进入水循环能形成酸雨，从而把大气污染转变为地面水和土壤的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面。土壤和固体废物受降水的冲洗、淋溶等作用，其中的有害物质通过径流、渗透等途径，参加水循环而迁移扩散。人类排放的工业废水和生活污水，使地表水或地下水受到污染，最终使海洋受到污染。

水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物质，可由于水的稀释扩散，降低浓度而无害化，这是水的自净作用。但也可能由于水的流动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。

二氧化碳循环从大气中移走二氧化碳植物（生产者）：光合作用会从空气中吸入二氧化碳并转化为碳水化合物，例如葡萄糖和淀粉，接着将碳水化合物转化为蛋白质和脂肪。较新的树林会转化较多的二氧化碳，因为植物生长的速度较快。

动物（消费者）：动物会以植物为食物，并将植物组织的有机物消化及转化为动物组织。化石燃料生物尸体埋在泥土下或压缩在水底下，经过数万年泥土或水的压力及地下的高温，就会生成化石燃料而储存大量的碳。另外海中有壳的动物会利用海水中的碳去制造自己的壳。所以没壳的海中动物不会使用碳。

其他：大气中的二氧化碳，部分会与降雨的水结合成碳酸，落至地面经渗透后，与地底的钙质化合成碳酸钙。此即为钟乳石生成原理，但此作用极为缓慢。

二氧化碳回归大气中呼吸作用：植物、动物、细菌和真菌皆会透过呼吸作用释放二氧化碳。

分解：细菌和真菌会将生物的尸体分解并释放二氧化碳返回大气中。

燃烧：当燃烧化石燃料时，便会释放大量二氧化碳。

其他：当贝壳碎裂的时候、生物死亡被分解时二氧化碳会被释放到海里。碳酸钙遇到酸雨（盐酸、硫酸、亚硫酸），将导致碳酸钙之中封存的二氧化碳释出到大气。1

氮循环氮循环(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。

氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分，全球每年通过人类活动新增的“活性”氮导致全球氮循环严重失衡，并引起水体的富营养化、水体酸化、温室气体排放等一系列环境问题。

构成陆地生态系统氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮，这一过程为生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮化合物被微生物分解后形成氨，这一过程是氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程被称作反硝化作用。固氮作用（nitrogen fixation） 是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。由此可见，由于微生物的活动，土壤已成为氮循环中最活跃的区域。2

相关报道《气候变暖扰乱海洋化学物质循环》：据物理学家组织网9月8日报道，英国东英吉利亚大学的一项新研究显示，海洋温度上升将扰乱浮游生物对二氧化碳、氮和磷等化学物质的自然循环。这一研究结果发表在最新一期的《自然—气候变化》杂志上。

在海洋碳循环中，浮游生物发挥着重要作用，通过光合作用将从大气中的二氧化碳去除一半，然后将其储存于深海下的过程，该作用已与大气隔离了几个世纪。该大学环境科学与计算机科学学院的研究人员，用显微镜研究依靠光合作用繁殖和生长的浮游植物，发现微型藻类等浮游植物能自然清除大气中一定的二氧化碳，对于气候控制起到至关重要的作用。这些浮游植物也产生氧气，以及形成渔业食物链的基础，因此，对于粮食安全非常重要。

研究显示，水的温度对维持海洋里浮游生物的生态系统有着直接影响。而海洋变暖将会影响浮游生物，反过来驱动气候变化的恶性循环。首席研究员托马斯·莫克博士说：“以前的研究表明，浮游植物群落通过多样性和生产力的变化应对全球变暖，但我们的研究表明，较高的温度直接影响到海洋的化学循环，而这在之前还没有被证明过。”

作为合作者、埃克塞特大学的研究人员创建了一个全球性的计算机生态系统模型，将全球海洋的温度、从样品中采集的150万浮游生物DNA序列和生物化学的数据整合其中。

莫克博士说：“研究发现，在海洋微型藻类的化学循环中，温度起着至关重要的作用，它对这些反应的影响与养料和阳光差不多，这是以前所不知的。”3