储层 质量(g) 大气(1) 2.9×108 海洋(2) 3.5×1014 岩石(3) 沉积物(4) 6.9×1019 土壤和植物(5) 6.0×1015 铜可能在其中任何两个储层间发生质量迁移,这样的径路有20种,但只 有如下九种是主要的 源 径路 流入速率(10°g/a) 大气 海洋 大气 土壤和植物 海洋 大气 2→1 3.3 洋 沉积物 2→4 833 岩石 大气 岩石 土壤和植物 824 沉积物 岩石 土壤和植物大气 33455 土壤和植物海洋 820 按照质量守恒有 R1+R16&Ry1+R31+R R21+R2故R12+R52 Rs1+Rg2改R5+R35 基于以上数据和守恒式,可以计算铜在各储层中的滞留时间:大气中为 6天,海水中为420年,土壤和植物中为7000年,海底沉积物中为107年, 岩石中为10年 1.4物质的生物地球化学循环 将物质的地球化学循环和物质在生态系统中的循环加以综合考虑,就是 物质在生物圈范围内的循环。这种循环中除地质系统、化学系统外,还包含 着生物系统,所以称为生物地球化学循环。稳定有序的生物地球化学循环是 生态系统存在和发展的必要条件之一。在自然条件下,这一状态是通过漫长 的、互相协同的生物进化和环境演化得以达成的。由于人类各种不适当活动 结果的长期累积,目前这种循环已偏离了原有的稳定性和有序性,从而导致 了各种不良的环境后果。 生命体的最小结构单位是细胞,组成细胞的成分都是原生质,可以说原 生质是生命活动的物质基础。原生质的主要组成元素如下 含量最多元素:碳、氢、氧、氮等约占总质量的98%; 含量少的元素:磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙、铁等; 含微量的元素:铜、锰、锌、硼、钼、碘等
储层 质量（ g ） 大气（ 1 ） 2.9 × 108 海洋（ 2 ） 3.5 × 1014 岩石（ 3 ） 1.3 × 1021 沉积物（ 4 ） 6.9 × 1019 土壤和植物（ 5 ） 6.0 × 1015 铜可能在其中任何两个储层间发生质量迁移，这样的径路有 20 种，但只 有如下九种是主要的： 源 汇 径路 流入速率（ 109 g/a ） 大气 海洋 1 → 2 13 大气 土壤和植物 1 → 5 6 海洋 大气 2 → 1 3.3 海洋 沉积物 2 → 4 833 岩石 大气 3 → 1 9.3 岩石 土壤和植物 3 → 5 824 沉积物 岩石 4 → 3 833 土壤和植物 大气 5 → 1 10 土壤和植物 海洋 5 → 2 820 按照质量守恒有： R + R R + R + R R + R R + R R + R R + R 12 15 21 31 51 21 24 12 52 51 52 15 35 & & & = = = 基于以上数据和守恒式，可以计算铜在各储层中的滞留时间：大气中为 6 天，海水中为 420 年，土壤和植物中为 7000 年，海底沉积物中为 107年， 岩石中为 109年。 2.1.4 物质的生物地球化学循环 将物质的地球化学循环和物质在生态系统中的循环加以综合考虑，就是 物质在生物圈范围内的循环。这种循环中除地质系统、化学系统外，还包含 着生物系统，所以称为生物地球化学循环。稳定有序的生物地球化学循环是 生态系统存在和发展的必要条件之一。在自然条件下，这一状态是通过漫长 的、互相协同的生物进化和环境演化得以达成的。由于人类各种不适当活动 结果的长期累积，目前这种循环已偏离了原有的稳定性和有序性，从而导致 了各种不良的环境后果。 生命体的最小结构单位是细胞，组成细胞的成分都是原生质，可以说原 生质是生命活动的物质基础。原生质的主要组成元素如下： 含量最多元素：碳、氢、氧、氮等约占总质量的 98％； 含量少的元素：磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙、铁等； 含微量的元素：铜、锰、锌、硼、钼、碘等
运用现代分析技术获知这样一个事实,即包括上述元素在内的自然存在 的所有元素(共90余种)都或多或少地存在于有机生物体之中,这是生物界 和非生物界统一性的表现,也恰恰说明了物质是在生物界和非生物界之间流 动和循环的。 从化学元素组成和分子化学的观点来看有机生物体,人们可以发现,所 有有生命的系统都由相对简单的无机分子(在生物体体液中常呈电离状态) 和含碳的有机化合物所组成;非生物系统所遵循的所有物理的和化学的定律 同样也适用于生物系统。 组成原生质的上述各化学元素在生物圈中的循环过程,对于人类和各种 生物体的生存、生长、繁衍来说是至关重要的。以下将分节阐述水和元素碳、 氧、氮、硫和磷的生物地球化学循环
运用现代分析技术获知这样一个事实，即包括上述元素在内的自然存在 的所有元素（共 90 余种）都或多或少地存在于有机生物体之中，这是生物界 和非生物界统一性的表现，也恰恰说明了物质是在生物界和非生物界之间流 动和循环的。 从化学元素组成和分子化学的观点来看有机生物体，人们可以发现，所 有有生命的系统都由相对简单的无机分子（在生物体体液中常呈电离状态） 和含碳的有机化合物所组成；非生物系统所遵循的所有物理的和化学的定律 同样也适用于生物系统。 组成原生质的上述各化学元素在生物圈中的循环过程，对于人类和各种 生物体的生存、生长、繁衍来说是至关重要的。以下将分节阐述水和元素碳、 氧、氮、硫和磷的生物地球化学循环
2.2水的循环 地球上的天然水约1.4×102kg,并具有与地球几乎相同的年龄(约46 亿年)。这么多的水又这样长久存在而不消散,这与水的性质、大气的化学 组成,地球的质量及地球在太阳系中的位置(与太阳间距离适中)等因素有 关 在地球表面,海水约占97%冰川水约2%,淡水略小于1%,而大气 中水分远小于1%。地球表面水在各储层中的滞留时间如表2-1所示。 表2—1水在环境中的平均滞留时间 域 大气 9~10天 大陆 海洋 河川 2~3周 浅层 100~150年 湖泊 10~100年 最深层 3000~40000年 冰冠和冰川 0000~15000年 世界范围平均 3000年 深地下水 浅地下水 几百年 大气4 河川[2 4X10 小川区4×10 湖泽[280 地下水「6×10 x1015k|储层x10kg/a通量 图2-4水在地球表层的循环 图2-4所示为水在地球表层的循环,其驱动力是太阳能。构成循环的主 要过程有蒸发、蒸腾、降雨和径流,多数属于相变过程。地球表面水经吸收 太阳辐射热而蒸发,进入大气的水中有83%来自海洋,但通过雨雪而返回海 洋的水量仅为70%左右;陆地水的情况正好与海水相反,也就是说,有一部 分海水是通过河川归流入海而得到补足的。在河川水归海的过程中还有一部 分渗入土壤或岩层,为植物吸收或转入地下水,缓慢流动后才归流海洋。生 物圈含水总量少得几乎不能与其他圈层相比,但组成生物体的主要成分还是 水。例如活细胞中含水分约60%~90%,其他生物体含水量大约是:脊椎动 物为66%哺乳动物平均为85%、木材为60%、干的种子为10%氧、碳 氢依次是生物圈中丰度最大的三元素,且氧和氢的比例接近于水中该两元素 之比。如此看来,生物体中含有如此多量的水是可以理解的了 水在生物圈内的循环,在许多方面具有重大意义。首先,一切有机体内
2.2 水的循环 地球上的天然水约 1.4×1021kg，并具有与地球几乎相同的年龄（约 46 亿年）。这么多的水又这样长久存在而不消散，这与水的性质、大气的化学 组成，地球的质量及地球在太阳系中的位置（与太阳间距离适中）等因素有 关。 在地球表面，海水约占 97％、冰川水约 2％，淡水略小于 1％，而大气 中水分远小于 1％。地球表面水在各储层中的滞留时间如表 2－1 所示。 表 2 — 1 水在环境中的平均滞留时间 区域 平均滞留时间 区域 平均滞留时间 大气 9 ～ 10 天 大陆 海洋 河川 2 ～ 3 周 浅层 100 ～ 150 年 湖泊 10 ～ 100 年 最深层 30000 ～ 40000 年 冰冠和冰川 10000 ～ 15000 年 世界范围平均 3000 年 深地下水 几千年 浅地下水 几百年 图 2-4 所示为水在地球表层的循环，其驱动力是太阳能。构成循环的主 要过程有蒸发、蒸腾、降雨和径流，多数属于相变过程。地球表面水经吸收 太阳辐射热而蒸发，进入大气的水中有 83％来自海洋，但通过雨雪而返回海 洋的水量仅为 70％左右；陆地水的情况正好与海水相反，也就是说，有一部 分海水是通过河川归流入海而得到补足的。在河川水归海的过程中还有一部 分渗入土壤或岩层，为植物吸收或转入地下水，缓慢流动后才归流海洋。生 物圈含水总量少得几乎不能与其他圈层相比，但组成生物体的主要成分还是 水。例如活细胞中含水分约 60％～90％，其他生物体含水量大约是：脊椎动 物为 66％、哺乳动物平均为 85％、木材为 60％、干的种子为 10％。氧、碳、 氢依次是生物圈中丰度最大的三元素，且氧和氢的比例接近于水中该两元素 之比。如此看来，生物体中含有如此多量的水是可以理解的了。 水在生物圈内的循环，在许多方面具有重大意义。首先，一切有机体内
含有大量水分,没有水就不可能有生命。还可以认为,地球表层是由太阳和 大海造就的一个超级规模的蒸馏水制造装置,由此制得了淡水,供大多数生 物需用。生命有机体中水的主要功能是作为输送和流通体内物质(如食物、 氧气、排泄物)的溶剂。此外,水有很大热容值,能帮助高等动物身体维持 平均体温。水还是参与光合作用和呼吸作用的重要物质。 流动于大气中的水分有调节气温的巨大能力。大气中一般含1%~3% (体积)水蒸气,这部分水分子能强烈吸收红外线,由此影响地球热平衡; 大气中水分形成云层后还有反射太阳光而降温的作用;到了晚间,覆盖在地 球表层的水蒸气又起了“被褥”的作用,使地面在白天所吸收到的热量不致 于大量散发到空间中去 由于水具有溶解许多物质及具有流动的特性,因此通过其本身循环能载 带和推动其他物质循环。岩石中的很多组分受水体侵蚀后随水流归入大海是 最显而易见的例子;再如,海水中所溶解的盐分能以喷沫形式转入大气,从 而使近海地区降雨中含有相当数量盐分也是一例
含有大量水分，没有水就不可能有生命。还可以认为，地球表层是由太阳和 大海造就的一个超级规模的蒸馏水制造装置，由此制得了淡水，供大多数生 物需用。生命有机体中水的主要功能是作为输送和流通体内物质（如食物、 氧气、排泄物）的溶剂。此外，水有很大热容值，能帮助高等动物身体维持 平均体温。水还是参与光合作用和呼吸作用的重要物质。 流动于大气中的水分有调节气温的巨大能力。大气中一般含 1％～3％ （体积）水蒸气，这部分水分子能强烈吸收红外线，由此影响地球热平衡； 大气中水分形成云层后还有反射太阳光而降温的作用；到了晚间，覆盖在地 球表层的水蒸气又起了“被褥”的作用，使地面在白天所吸收到的热量不致 于大量散发到空间中去。 由于水具有溶解许多物质及具有流动的特性，因此通过其本身循环能载 带和推动其他物质循环。岩石中的很多组分受水体侵蚀后随水流归入大海是 最显而易见的例子；再如，海水中所溶解的盐分能以喷沫形式转入大气，从 而使近海地区降雨中含有相当数量盐分也是一例
2.3碳的循环 2.3.1碳在自然环境中的循环 碳在各圈层中的浓度如下(括号内数字为元素的丰度次序) 地球整体:350mg/kg(14) 地壳:200mg/kg(17) 海洋:无机碳28mg/kg(10);有机碳2ng/kg(15) 大气:C2360×106W/)(4);cH417×106()(7) 环境中碳(特别是含碳有机物)的存在形态非常多歧,这与碳元素的如 下性质相关:①碳元素具有四个共价性较强的价键,可通过各种各样的结合 方式联结大量基团;②0-C键具有很大强度,可形成非常长的长链结构;③ 碳原子有形成双键和多重键的能力,更加增大了生成多种有机分子的可能 性 地球上的碳主要集中在岩石之中,石灰岩中的碳(约占岩石层中总碳的 3/4)主要以石灰石(GaCO2)和白云石(caCO3·MgCO2)形态存在;沉积性 页岩中的碳(约占岩石层中总碳的1/4)主要以分散性有机物形态存在。散 布在其他圈层(水体、大气、陆生生物、土壤腐植质、化石燃料、海生生物 等)中的碳大约只占地球上总碳的0.1%。 大气中碳的主要存在形态有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。在地球形成 初期,作为大气组分之一的甲烷,随同氢、氨和水蒸气,通过发生在大气中 的辐射或放电作用,导致了氨基酸等生命原始物质的形成。二氧化碳则逐渐 被海水吸收,并以碳酸钙形式沉积海底,达成了目前二氧化碳在大气-海水 沉积物之间的平衡状态。 天然水系中碳的主要存在形态有组成平衡碳酸系统的各种组分:C0 、HC0、HCOn、C2。在水质测定中,这些形态的浓度之和构成了水 样的总无机碳(TC)参数。存在于水体中的有机碳组分可划分为溶解性有机 碳(D00)和颗粒有机碳(P0C)两类。一般以含碳组分能否通过0.45μm滤 膜作为区分此二者的判据。水体中Dc来源主要是浮游生物排泄物中可溶成 分和生物尸体细胞经胞溶作用产生的溶出物。水中D0C可进一步作为异养微 生物的营养物料,在海水中还有部分可转化为高分子腐植质。严格说来,在 作水样中总有机碳(T00)项目测定前,应先过滤除去P00组分,随之测得的 结果实际上就是D0C。组成水样P0C的有难分解和易分解的两部分。前者为 生物尸体的骨骼碎屑,后者如生物粪便物等为是。 自然环境中碳循环景象如图2-5所示
2.3 碳的循环 2.3.1 碳在自然环境中的循环 碳在各圈层中的浓度如下（括号内数字为元素的丰度次序）： 地球整体：350mg/kg（14） 地壳：200mg/kg（17） 海洋：无机碳 28mg/kg（10）；有机碳 2mg/kg（15） 大气：CO2 360×10-6（V/V）（4）；CH4 1.7×10-6（V/V）（7） 环境中碳（特别是含碳有机物）的存在形态非常多歧，这与碳元素的如 下性质相关：①碳元素具有四个共价性较强的价键，可通过各种各样的结合 方式联结大量基团；②C—C 键具有很大强度，可形成非常长的长链结构；③ 碳原子有形成双键和多重键的能力，更加增大了生成多种有机分子的可能 性。 地球上的碳主要集中在岩石之中，石灰岩中的碳（约占岩石层中总碳的 3/4）主要以石灰石（CaCO3）和白云石（CaCO3·MgCO3）形态存在；沉积性 页岩中的碳（约占岩石层中总碳的 1/4）主要以分散性有机物形态存在。散 布在其他圈层（水体、大气、陆生生物、土壤腐植质、化石燃料、海生生物 等）中的碳大约只占地球上总碳的 0.1％。 大气中碳的主要存在形态有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。在地球形成 初期，作为大气组分之一的甲烷，随同氢、氨和水蒸气，通过发生在大气中 的辐射或放电作用，导致了氨基酸等生命原始物质的形成。二氧化碳则逐渐 被海水吸收，并以碳酸钙形式沉积海底，达成了目前二氧化碳在大气-海水- 沉积物之间的平衡状态。 天然水系中碳的主要存在形态有组成平衡碳酸系统的各种组分：CO2 （aq）、H 2 CO3、HCO3 -、CO3 2-。在水质测定中，这些形态的浓度之和构成了水 样的总无机碳（TIC）参数。存在于水体中的有机碳组分可划分为溶解性有机 碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）两类。一般以含碳组分能否通过 0.45μm 滤 膜作为区分此二者的判据。水体中 DOC 来源主要是浮游生物排泄物中可溶成 分和生物尸体细胞经胞溶作用产生的溶出物。水中 DOC 可进一步作为异养微 生物的营养物料，在海水中还有部分可转化为高分子腐植质。严格说来，在 作水样中总有机碳（TOC）项目测定前，应先过滤除去 POC 组分，随之测得的 结果实际上就是 DOC。组成水样 POC 的有难分解和易分解的两部分。前者为 生物尸体的骨骼碎屑，后者如生物粪便物等为是。 自然环境中碳循环景象如图 2-5 所示