生态系统中的物质循环

生态系统中的物质循环

生态系统中的物质循环是维持生命活动和地球环境稳定的基础过程。从碳、氮到水，这些基本元素在生物群落与无机环境之间不断循环，构成了地球上复杂而精妙的生态网络。本文将为您详细介绍这一神奇的自然现象。

1. 物质循环(Materialcycle)
指组成生物体的C、H、O、N、P、S等基本元素在生态系统(Ecosystem)的生物群落(Biocenosis)与无机环境之间反复循环运动的过程，即生物地球化学循环(Biogeochemical cycles)。

2. 物质循环的模式
(1)库(Pool)：物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所，如植物库、动物库、土壤库等。
a. 储存库(Reservoir pool)：容积大，物质交换活动缓慢，一般为环境成分。

b. 交换库(Exchange pool)：容积小，交换快。一般为生物成分。

(2)流(Flux)：物质在库与库之间的转移运动状态。

3. 物质循环的类型
(1)依据物质循环的流划分：
a. 生物循环(Biologicalcirculation)：生命必要元素(Bioelement)在生态系统内进行的循环，称为闭路循环(Closedcycle)。

b. 地球化学循环(Geochemicalcirculation)：元素在生态系统外部进行的循环，称为开路循环(Open cycle)。

(2)依据物质贮存的库划分：
a. 气体型循环(Gaseouscycle)：
贮存库是大气和海洋。
有气体形式的分子参与循环过程。
循环速度比较快，如CO2、N2、O2等。

b. 沉积型循环(Sedimentarycycle)：
贮存库是岩石、土壤和沉积物。
无气体形式的分子参与循环过程。
循环速度较慢，时间以百年、千年甚至万年、百万年计，如P、Ca、Na、Mg、Fe等。

c. 水循环(Watercycle)：
水的全球循环过程。
生态系统中所有的物质循环均是在水循环的推动下得以完成。

4. 物质循环的特点
生物群落和无机环境之间的物质可反复出现反复利用，周而复始进行循环，不会消失。
生物圈是地球上的最大的生态系统，生态系统中的物质循环具有全球性。

5. 物质循环与能量流动的关系
生态系统的存在是靠物质循环和能量流动来维持的。生态系统的能量流动和物质循环均是通过食物链(Food chain)和食物网(Food web)的渠道实现的，二者相互伴随进行，又相辅相承，是密不可分的统一整体。
但是，能量流动和物质循环又有本质上的区别：能量流经生态系统各个营养级(Trophiclevel)时是逐级递减，且是单向流动，最终在环境中消失。
物质循环是带有全球性的，在生物群落与无机环境间物质可反复出现、反复利用、循环运动，不会消失。

1. 全球水的组成

2. 全球淡水的组成
目前人们主要利用的水资源是：河流水、淡水湖泊水、浅层地下水。

3. 水体之间的相互补给

4. 水循环
(1)水循环：
自然界的水在水圈(Hydrosphere)、大气圈(Atmosphere)、岩石圈(Lithosphere)、生物圈(Biosphere)四大圈层中通过各个环节连续运动的过程。

(2)水循环类型：
a. 海陆间循环
b. 陆地内循环
c. 海上内循环

(3)水循环过程：

(4)水循环动力：
a. 太阳辐射(Solarradiation)
b. 水的重力(Gravity)

(5)水循环意义：
水循环使地球上各种水体处于不断运动、更新中，从而维持全球水的动态平衡、更新陆地淡水资源。
水循环通过大气洋流(Ocean current)等过程缓解了全球高低纬地区之间热量收支的不平衡。
水循环通过沟通地球的四大圈层进而促进了全球性的物质迁移和能量交换。
水循环影响全球的气候变化和生态环境。
水循环是自然界最富动力作用的循环运动，不断塑造着地表形态。

三. 全球碳循环(Carboncycle)

四. 全球氮循环(Nitrogencycle)

注：Oxic，常氧环境；Suboxic，次氧化环境；N2 fixation，固氮作用；Nitrification，硝化作用；Ammonia oxidation，氨氧化作用；Nitrite oxidation，亚硝化作用；Denitrification，反硝化作用；Anammox，厌氧氨氧化作用；DNRA (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium)，硝酸盐异化还原为氨；nifH，固氮酶(Nitrogenase)铁蛋白(催化N2→NH4+)基因；amoA，氨单加氧酶(Ammonia Monooxygenase) (催化NH4+→NO2–)基因；hao，羟胺氧化酶(Hydroxylamine oxidoreductase) (催化NH2+OH→NO2–)基因；nxrA，亚硝酸盐氧化还原酶(Nitrite Oxidoreductase) (催化NO2–→NO3–)基因；narG，膜靠硝酸盐还原酶(Membrane-bound Nitrate Reductase) (催化NO3–→NO2–)基因；napA，可溶性细胞质硝酸盐还原酶(Periplasmic-bound Nitrate Reductase) (催化NO3–→NO2–)基因；nirK，含铜离子的亚硝酸盐还原酶(Copper-containing Nitrite Reductase) (催化NO2–→NO)基因；nirS，含细胞色素cd1亚硝酸盐还原酶(Cytochrome cd1-containingNitrite Reductase) (催化NO2–→NO)基因；norB，NO还原酶(Nitric Oxide Reductase)(催化NO→N2O)基因；nosZ，N2O还原酶(Nitrous OxideReductase) (催化N2O→N2)基因；nrfA，异化氮还原氨(Dissimilatory Nitrate Reductase) (催化NO2–→NH4+)基因；hzo，厌氧氨氧化酶(Anaerobic ammonium oxidase) (催化NH4+→N2)基因。

五. 全球磷循环(Phosphoruscycle)

六. 全球硫循环(Sulfurcycle)

七. 全球钾循环(Potassiumcycle)

注：