关于地球元素循环的那些事儿 - 海洋地球化学循环研究

' {) S, K4 b' v% G5 A( R" [ n# i

生物泵和温盐环流对海洋化学成分的影响。图中显示了有机物、溶解氧、硝酸盐和无机碳含量的典型垂直剖面。

碳循环-C

e- v3 T, e1 G1 R t

碳支出与碳收入

; @7 h% h. ?& C& Y* f1 J

海洋生物泵， The marine biological pump ，是指在海洋的生态环境中以生物或生物行为为动力，将碳元素从海洋表面向深层传递的过程

海洋生物泵（来源：百度百库）

生物泵（Biological pump）：Particulate （颗粒有机质）organic matter (POM) and inorganic particles of biogenic origin sinking from surface water to ocean interior

6 {" Z/ g* g. n( Z: \" y( x' t' }$ o6 R

Particulate Organic Carbon (POC颗粒有机碳)：

颗粒有机物形成于海水表层透光带中（euphotic zone）

POC在沉降过程中不断的降解

$ i8 G/ V! ~( Y% B" _1 F h, f

硫循环-S

+ b! e H' X) t8 m- y! A

陆地和海洋中的硫通过生物分解、火山爆发等进入大气；大气中的硫通过降水和沉降、表面吸收等作用，回到陆地和海洋；地表径流又带着硫进入河流，输往海洋，并沉积于海底。在人类开采和利用含硫的矿物燃料和金属矿石的过程中，硫被氧化成为二氧化硫（SO2）和还原成为硫化氢（H2S）进入大气。硫还随着酸性矿水的排放而进入水体或土壤。

9 c6 G; P8 r! B+ g- h* f

+ U8 `6 c. b2 q) i2 h6 S( ^

自然界中硫的最大储存库在岩石圈，在沉积岩、变质岩和火成岩三类岩石中总含量达294800×1020克。硫在水圈中的储存量也较大，在海水中含13480×1020克，在极地冰帽、冰山和陆地冰川中含278×1020克，但在地下水、地面水、土壤圈、大气圈中含量均较小。通过有机物分解释放H2S气体或可溶硫酸盐、火山喷发（H2S、SO42-、SO2）等过程使硫变成可移动的简单化合物进入大气、水或土壤中。

/ E9 G' R( V1 P/ h7 ~

土壤中微生物可将含硫有机物质分解为硫化氢，硫黄细菌和硫化细菌可将硫化氢进一步转变为元素硫或硫酸盐，许多兼性或嫌气性微生物又可将硫酸盐转化为硫化氢。因此，在土壤和水体底质中，硫因氧化还原电位不同而呈现不同的化学价态。土壤和空气中硫酸盐、硫化氢和二氧化硫可被植物吸收，每年全球植物吸收硫总量约为15×1018克，然后沿着食物链在生态系统中转移。陆地上可溶价态的硫酸盐通过雨水淋洗，每年由河流携入海洋地硫总量达132×1032克。海水和海洋沉积物中积蓄着最大量对生物有效态硫，总量达16480×1020克。由于有机物燃烧、火山喷发和微生物氨化及反硫化作用等，也有少量硫以H2S、SO2和硫酸盐气溶胶状态存在于大气中。近来由于工业发展，化石燃料的燃烧增加，每年燃烧排入大气的SO2量高达147×106吨，影响了生物圈中硫的循环。

) N! |! X' a9 C( o& r! J1 _7 h

磷循环-P

1 C* s( W0 V/ A l# Q/ U

磷循环是指磷元素在生态系统和环境中运动、转化和往复的过程。磷灰石构成了磷的巨大储备库，含磷灰石岩石的风化，将大量磷酸盐转交给了陆地上的生态系统。并且与水循环同时发生的是，大量磷酸盐被淋洗并被带入海洋。在海洋中，它们使近海岸水中的磷含量增加，并供给浮游生物及其消费者的需要。

# Q2 E3 _" q/ T5 g6 D

表层海水磷含量

自然界的磷循环的基本过程是：岩石和土壤中的磷酸盐由于风化和淋溶作用进入河流，然后输入海洋并沉积于海底，直到地质活动使它们暴露于水面，再次参加循环。这一循环需若干万年才能完成。

" d2 W% c' \8 Q

氮循环-N

2 W! X+ _, O0 I

氮循环是指氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一，如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反复循环，以至无穷。

9 ~% \4 [ c; s0 I* |0 T3 w

表层海水氮含量

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。 [1] 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。

' f9 c2 g2 G2 V3 y }, J

关于氧化还原反应

沉积物的氧化还原分带

M# _/ j Q2 b8 _! Y

7 l! o6 S' y1 }/ c' ` ; L/ \* b- r" Q$ c/ y 0 v+ Q6 ]: c* i4 a3 |+ {8 g' U* B H