化學物質循環

化學物質循環 是指由H，O，N，P，S等元素構成的化學物質（包括無機鹽、單質、有機物等）從無機環境到生物群落，再從生物群落到無機環境的循環過程 。主要包括水循環、二氧化碳、含氮化合物等化學物質的循環。

基本介紹

• 中文名：化學物質循環
• 外文名：chemical cycles
• 常見循環：水循環、二氧化碳循環、氮循環
• 相關學科：地理學、化學、生物學

水循環

概述

水循環是指水由地球不同的地方透過吸收太陽以來的能量轉變存在的模式到地球中另一些地方，例如：地面的水份被太陽蒸發成為空氣中的水蒸氣。而水在地球的存在模式包括有固態、液態和氣態。而地球中的水多數存在於大氣層中、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水會透過一些物理作用，例如：蒸發、降水、滲透、表面的流動和表底下流動等，由一個地方移動至另一個地方。如水由河川流動至海洋。

原因

形成水循環的內因是水在通常環境條件下氣態、液態、固態易於轉化的 特性，外因是太陽輻射和重力作用，為水循環提供了水的物理狀態變化和運動的能量。地球上的水分布廣泛，貯量巨大，是水循環的物質基礎。由於地球上太陽輻射的強度不均勻，不同地區的水循環的情況也就不相同。如在赤道地區太陽輻射強度大，降水量一般比中緯地區多，尤其比高緯地區多。

影響因素

自然因素主要有氣象條件(大氣環流、風向、風速、溫度、濕度等)和地理條件(地形、地質、土壤、植被等)。人為因素對水循環也有直接或間接的影響。

人類活動不斷改變著自然環境，越來越強烈地影響水循環的過程。人類構築水庫，開鑿運河、渠道、河網，以及大量開發利用地下水等，改變了水的原來徑流路線，引起水的分布和水的運動狀況的變化。農業的發展，森林的破壞，引起蒸發、徑流、下滲等過程的變化。城市和工礦區的大氣污染和熱島效應也可改變本地區的水循環狀況。環境中許多物質的交換和運動依靠水循環來實現。陸地上每年有3.6×10¹³ m³的水流入海洋，這些水把約3.6×10⁹噸的可溶解物質帶入海洋。人類生產和消費活動排出的污染物通過不同的途徑進入水循環。礦物燃料燃燒產生並排入大氣的二氧化硫和氮氧化物，進入水循環能形成酸雨，從而把大氣污染轉變為地面水和土壤的污染。大氣中的顆粒物也可通過降水等過程返回地面。土壤和固體廢物受降水的沖洗、淋溶等作用，其中的有害物質通過徑流、滲透等途徑，參加水循環而遷移擴散。人類排放的工業廢水和生活污水，使地表水或地下水受到污染，最終使海洋受到污染。

水循環示意圖

水在循環過程中，沿途挾帶的各種有害物質，可由於水的稀釋擴散，降低濃度而無害化，這是水的自淨作用。但也可能由於水的流動交換而遷移，造成其他地區或更大範圍的污染。

二氧化碳循環

從大氣中移走二氧化碳

植物（生產者）：光合作用會從空氣中吸入二氧化碳並轉化為碳水化合物，例如葡萄糖和澱粉，接著將碳水化合物轉化為蛋白質和脂肪。較新的樹林會轉化較多的二氧化碳，因為植物生長的速度較快。

動物（消費者）：動物會以植物為食物，並將植物組織的有機物消化及轉化為動物組織。化石燃料生物屍體埋在泥土下或壓縮在水底下，經過數萬年泥土或水的壓力及地下的高溫，就會生成化石燃料而儲存大量的碳。另外海中有殼的動物會利用海水中的碳去製造自己的殼。所以沒殼的海中動物不會使用碳。

其他：大氣中的二氧化碳，部分會與降雨的水結合成碳酸，落至地面經滲透後，與地底的鈣質化合成碳酸鈣。此即為鐘乳石生成原理，但此作用極為緩慢。

二氧化碳回歸大氣中

呼吸作用：植物、動物、細菌和真菌皆會透過呼吸作用釋放二氧化碳。

分解：細菌和真菌會將生物的屍體分解並釋放二氧化碳返回大氣中。

燃燒：當燃燒化石燃料時，便會釋放大量二氧化碳。

其他：當貝殼碎裂的時候、生物死亡被分解時二氧化碳會被釋放到海里。碳酸鈣遇到酸雨（鹽酸、硫酸、亞硫酸），將導致碳酸鈣之中封存的二氧化碳釋出到大氣。

氮循環

氮循環(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮單質和含氮化合物之間相互轉換過程的生態系統的物質循環。

氮循環是全球生物地球化學循環的重要組成部分，全球每年通過人類活動新增的“活性”氮導致全球氮循環嚴重失衡，並引起水體的富營養化、水體酸化、溫室氣體排放等一系列環境問題。

構成陸地生態系統氮循環的主要環節是：生物體內有機氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物，將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮，這一過程為生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮化合物被微生物分解後形成氨，這一過程是氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，並且進一步還原成分子態氮，分子態氮則返回到大氣中，這一過程被稱作反硝化作用。固氮作用（nitrogen fixation） 是分子態氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程。自然界氮（N₂）的固定有兩種方式：一種是非生物固氮，即通過閃電、高溫放電等固氮，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子態氮在生物體內還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態氮都是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。由此可見，由於微生物的活動，土壤已成為氮循環中最活躍的區域。

相關報導

《氣候變暖擾亂海洋化學物質循環》：據物理學家組織網9月8日報導，英國東英吉利亞大學的一項新研究顯示，海洋溫度上升將擾亂浮游生物對二氧化碳、氮和磷等化學物質的自然循環。這一研究結果發表在最新一期的《自然—氣候變化》雜誌上。

在海洋碳循環中，浮游生物發揮著重要作用，通過光合作用將從大氣中的二氧化碳去除一半，然後將其儲存於深海下的過程，該作用已與大氣隔離了幾個世紀。該大學環境科學與計算機科學學院的研究人員，用顯微鏡研究依靠光合作用繁殖和生長的浮游植物，發現微型藻類等浮游植物能自然清除大氣中一定的二氧化碳，對於氣候控制起到至關重要的作用。這些浮游植物也產生氧氣，以及形成漁業食物鏈的基礎，因此，對於糧食安全非常重要。

研究顯示，水的溫度對維持海洋里浮游生物的生態系統有著直接影響。而海洋變暖將會影響浮游生物，反過來驅動氣候變化的惡性循環。首席研究員托馬斯·莫克博士說：“以前的研究表明，浮游植物群落通過多樣性和生產力的變化應對全球變暖，但我們的研究表明，較高的溫度直接影響到海洋的化學循環，而這在之前還沒有被證明過。”

作為合作者、埃克塞特大學的研究人員創建了一個全球性的計算機生態系統模型，將全球海洋的溫度、從樣品中採集的150萬浮游生物DNA序列和生物化學的數據整合其中。

莫克博士說：“研究發現，在海洋微型藻類的化學循環中，溫度起著至關重要的作用，它對這些反應的影響與養料和陽光差不多，這是以前所不知的。”