生态系统的物质循环——氮、磷、硫循环

发布时间:2021/6/29,浏览人次:5907

氮、磷、硫循环

 

一、氮循环

   自然界的氮总是在不断地循环着,称为氮循环(nitrogen cycle)。进入生态系统的氮被固定成氨或氨盐,经过硝化作用成为亚硝酸盐或硝酸盐,被绿色植物吸收,并转化为氨基酸,合成蛋白质,然后植食动物利用植物蛋白质合成动物蛋白质。在动物的生活中,一部分蛋白质分解为废物(尿酸、尿素),部分经细菌的成氨作用分解出氨。

   动植物残体受细菌的腐败分解作用成为氮、CO2和水。氨排到土壤中又经细菌的硝化作用,形成硝酸盐,再被植物吸收、利用、合成蛋白质,如此循环不已。一部分硝酸盐被反硝化细菌还原,经过反硝化作用生成游离的氨,返回到大气中。这样,氮又从生命系统中回到无机环境中去。硝酸盐还可能贮存于腐殖质中被淋溶,然后经过河流、湖泊,最后到达海洋,为水域生态系统所作用。

   在水体中进行固氮作用的生物主要是蓝绿藻,它能将氮转化为氨基酸。除了生物循环以外,还有一部分沉入深海,积累于储存库中。

   火成岩的风化和火山活动使小量的氨重新返回到生物循环之中。从氮的全球循环(引自Southwick 1985)可以看出氮循环是一个相当完全的、自调系统,是相当完善的动态平衡循环。有一些氮从陆地人口稠密地区、淡水和浅海流失到深海沉积物中,这样就暂时(也许几百年)离开了循环。这个损失由火山喷放到空气中的气体来补偿。因此,E. P. Odum(1983)指出,火山的活动并非是完全可悲的,毕竟还有用处。他强调:如果我们能够替世界上的各个火山盖顶,即使技术上是可能的,但因此会使更多的人饿死,这比从火山爆发中得救的人要多得多。

   人们把大量的氮排入河流、湖泊和海洋,引起水域生态系统发生一系列变化,使藻类及其他浮游生物迅速繁殖,物种组成上逐渐由绿藻、硅藻为优势转为蓝藻占绝对优势。极度增殖,使湖水变红发蓝,水质浑浊缺氧,同时,水花蓝藻分泌毒素到水中,从而使鱼类、贝类难以生存。这种现象在江河湖泊中称为水华,在海洋中则称为赤潮。这都是水域富营养化(eutrophication)所造成的环境问题。例如懒户内海在1972年8月17~21日发生过一次持续五天的赤潮,使鱼类死亡达1428万尾,损失约71亿日元。控制水体富营养化进程的措施,主要是尽量减少含氮、磷的各种废水直接排入水体,特别要控制含磷废水的排放。

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二、磷循环

   磷一般由两种存在形态:岩石态和溶盐态。磷循环(phosphorus cycle)都是起始于岩石的风化,终于水中的沉积。

   植物可以直接从土壤或水中吸收磷酸盐离子,合成自身原生质,然后通过植食动物、肉食动物在生态系统中循环,并借助于排泄物和动植物残体再分解成无机离子形式,又重新回到环境中,再被植物吸收。

   陆地生态系统中,磷的有机化合物被细菌分解为磷酸盐,回到土壤中重新被植物利用;有些在循环中被分解者所利用,成了微生物的一部分;还有一部分随水流进入了湖泊和海洋。

   在水域中(包括海洋和淡水),浮游植物吸收无机磷的速率很快,而浮游植物又被浮游动物和食腐屑者所取食。在水域生态系统中,死亡的动植物体沉入水底,其体内的磷的大部分以钙盐的形式长期沉积下来,离开了循环。所以,磷循环是不完全的循环。

   进入深海的磷又如何重新回到陆地,投入循环呢?主要通过三个途径。

   ①被海水的上涌流携带到上层水体中,又被冲到陆地上来。②海平面的变迁。过去曾被海水淹没的地区,由于地质的变化成为陆地。这样,通过磷酸盐风化重又进入循环。③海鸟和捕捞鱼虾可以使一部分磷重返大陆。

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三、硫循环

   硫有若干形态:元素硫、-2价亚硫酸盐、+2价氧化硫、+4价亚硫酸盐、+6价硫酸盐。其中在自然界中重要的三种是:元素硫、亚硫酸盐和硫酸盐。

   硫循环(sulfur cycle)的特点是既属沉积型,也属气体型。硫的主要储存库是岩石,以硫化亚铁(FeS2)的形式存在。硫循环有一个长期沉积阶段和一个较短的气体阶段。在沉积阶段中硫被束缚在有机和无机的沉积物中,只有通过风化和分解作用才能被释放出来,并以盐溶液的形式被携带到陆地和水生生态系统。在气体阶段,可以在全球范围内进行流动。

   酸雨(acid rain)已成为全球性重大环境问题之一,它是指含有一定量的酸性物质(硫酸、硝酸等)的自然降水。一般认为,PH值小于5.6的大气降水。资料表明,20世纪30年代降水还不是酸性的,以后雨水的酸度,逐年增加,到20世纪50年代已经酸化,20世纪70年代降水的PH值在4.5以下的地区正逐渐扩张。而在美国安大略湖,德国、荷兰等国和地区,酸雨PH值可降到3以下。酸雨形成的主要物质之一是SO2,可以是当地排放也可以从远处迁来。我国的降水酸度由北向南逐渐加重,主要分布于秦岭、淮河以南、酸雨区大致有三个:华东地区(包括上海、苏州、常州和杭州等地)、中南地区(包括长沙、广州、南宁和桂林等地)和西南地区(包括重庆和贵阳周围地区)。1988年后陇南地区出现酸性降水,胶东半岛亦出现PH平均值小于5.0的酸雨。与国外酸雨现象相比,我国酸雨特点主要是由燃煤造成的,充分反映了煤烟型大气污染和低空排放的特点;主要以城市为中心的局部污染,具有显著的地域性。控制和消除酸雨的危害,根本的措施是限制二氧化硫和一氧化氮的排放量。我国的酸雨对策应预防为主,总量控制的政策,煤的利用实施综合技术战略,清洁煤能源并发展新能源。

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——摘自科学出版社·蔡晓明编著·《生态系统生态学》·第二篇 生态系统功能·第九章 第三节

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