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元素循环是指由生物合成作用和矿化作用所引起的化学元素的循环运动过程。其中合成作用是指绿色植物吸收空气、水、土壤中的无机养分后合成自身的有机质，植物有机质被动物吸收(通过食物链又合成动物有机质)的过程。矿化作用(即分解作用)指动植物死后，其残体经微生物分解为无机物释放回到空气、水、土壤中的过程，这是元素在无机环境与生物体之间的循环过程。在元素循环迁移过程中，伴随着物质的形态、组成与性质的变化，这种循环是开放性的，并具有不可逆性。元素循环可分为三大类型，即水循环(或氢氧循环)、气体型循环和沉积型循环。在气体型循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相连，具有明显的全球性，循环性能最为完善。
（1）水循环(氢氧循环)：氧与氢两种活跃元素尤其是氧的循环是通过水循环实现的。水循环又分为海洋一海洋、陆地一陆地的小循环(或内循环)，以及海洋一陆地的大循环(外循环)。水循环受到来自太阳能能流的驱动，直接或间接影响了气态与沉降型循环。在陆地一海洋之间的整个过程即为水的全球循环。陆地上的降水来自海洋蒸发，大部分降水直达地面，小部分被植被截留后蒸发或间接落到地面。降雨先是形成涓涓细流，然后形成河流，通过重力落差作用，搬运到海洋。这是陆地向海洋输送水分的主要途径，还有一部分水汽是通过大气环流运输到海洋上端，并形成降水(雨、雪等)，水分回到海洋。
(2）气体型循环：凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体形式参与循环过程，属于这类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。气体型循环表现得较为快速，循环性能一般较为完善。
（3）沉积型循环：参与该循环的物质，其分子或化合物绝无气体形态，这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个缓慢的、单向的物质移动过程，时间要以数千年计。这些沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态属于沉积型循环的物质有磷、钙、钾、钠、镁、铁、锰、碘、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底并转化为新的岩石。就生物圈而言，上述参与循环的元素中，碳、氮、磷、硫四种元素尤其受到关注。
（1)碳循环：碳是构成一切有机物的基本元素。绿色植物通过光合作用将吸收的太阳能固定于碳水化合物中，这些化合物再沿食物链传递并在各级生物体内氧化放能，从而带动群落整体的生命活动。因此碳水化合物是生物圈中的主要能源物质。生态系统的能流过程即表现为碳水化合物的合成、传递与分解。自然界有大量碳酸盐沉积物，但其中的碳却难以进入生物循环。植物吸收的碳完全来自气态CO2。生物体通过呼吸作用将体内的CO2作为废物排入空气中。
（2)氮循环：虽然大气中富含氮元素（79%)，植物却不能直接利用，只有经固氮生物（主要是固氮菌类和蓝藻）将其转化为氨（NH，）后才能被植物吸收，并用于合成蛋白质和其他含氨有机质。在生物体内，氮存在于氨基中，呈价。在土壤富氧层中，氮主要以硝酸盐（*价）或亚硝酸盐（”价）形式存在。土壤中有两类硝化细菌，一类将氨氧化为亚硝酸盐，一类将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，两类都依靠氧化作用释放的能量生存。除了与固氨菌共生的植物(主要为豆科）可能直接利用空气中的氮转化的氨外，一般植物都是吸收土壤中的硝酸盐。植物吸收硝酸盐的速度很快，叶和根中有相应的还原酶能将硝酸根还原为NH，，但这需要供能。土壤中还有一类细菌为反硝化细菌，当土壤中缺氧而同时有充足的碳水化合物时，它们可以将硝酸盐还原为气态的氮（N，）或一氧化二氮(N，0）。由进化的角度来看，这一步骤极为重要。否则大量的氮将贮存在海洋或沉积物中。在原始地球的大气中可能含有氨，但大量生物合成耗尽这些氨后，固氮作用便成为必需。现已发现具有固氮作用的微生物是一些自由生活或共生的细菌以及某些蓝藻。它们的营养方式有异养的，也有光能合成和化能合成的。除生物外，空中的雷电以及高能射线也能固定少量氮气。
（3）磷循环：磷主要以磷酸盐形式贮存于沉积物中，以磷酸盐溶液形式被植物吸收。但土壤中的磷酸根在碱性环境中易与钙结合，酸性环境中易与铁、铝结合，都形成难以溶解的磷酸盐，植物不能利用；而且磷酸盐易被径流携带而沉积于海底。磷质离开生物圈即不易返回，除非有地质变动或生物搬运。因此磷的全球循环是不完善的。磷与氮、硫不同，在生物体内和环境中都以磷酸根的形式存在，因此其不同价态的转化都无需微生物参与，是比较简单的生物地球化学循环。磷是生命必需的元素，又是易于流失而不易返回的元素，因此很受重视。据观察，某些含磷废物排入水体后竟引致藻类暴发性生长，这说明自然界中可利用的磷质已相当缺乏。岩石风化逐渐释放的磷质远不敷人类的需要，而且磷质在地表的分布很不均匀。目前开采的磷肥主要来自地表的磷酸盐沉积物，因此应该合理开采和节约使用。同时应注意保护植被，改造农林业操作方法，避免磷质流失。
（4)硫循环：硫主要以硫酸盐的形式贮存于沉积物中，以硫酸盐溶液形式被植物吸收。但沉积的硫在土壤微生物的帮助下却可转化为气态的硫化氢，再经大气氧化为硫酸复降于地面或海洋中。与氮相似的是，硫在生物体内以价形式存在，而在大气环境中却主要以硫酸盐（*价）形式存在。因此在植物体内也存在相应的还原酶系。在土壤富氧层和贫氧层中，分别存在氧化和还原两种微生物系，可促进硫酸盐与水之间的相互转化。人类活动创造出新的物理化学条件，使地球化学循环具有新的特点。据20世纪80年代初的资料，人工合成的化合物迄今已达500万种，每年的生产量也在6000万吨以上。人类活动释放到环境中的化学物质的数量，相当于火山活动和岩石风化过程释放的10~100倍。所有这些物质都进入地球化学循环，从而改变着原有的元素迁移平衡，加速化学循环，形成新的地球化学过程。翻耕土地也使土壤中容纳的一部分CO，释放出来，腐殖质氧化产生的CO，更多。燃烧煤炭和石油等燃料也能产生CO2，特别是工业化以后，以这种方式产生的CO，量逐渐增大，甚至超过来自其他途径的CO，量。大气中的CO2一方面因植物的减少而降低了消耗，另一方面又因上述燃料使用量的增加而增多了补充，所以浓度有增加的趋势。20世纪发展起来的氮肥工业，以越来越大的规模将空气中的氮固定为氨和硝酸盐。现在全球范围的固氮速度可能已超过反硝化作用释放氮的速度。人类最关心的环境污染都是人类破坏元素自然循环发生的。人类技术过程每年提炼数亿吨纯金属，如铁、铝、锡、铅、锌等；人类生产和生活的废弃物排放也不断增加，仅美国一个国家每年排放废弃物约19440万吨，其中各种化学物质达60万种以上。人类活动造成的离子流失量每年约12亿~18亿吨。
为了生存与发展，人类不断用人为的农业生态系统代替自然生态系统，用人为的物质循环渠道代替自然的物质循环渠道。例如在农田中，一年生作物的单种栽培代替了自然植被，消灭了大量肉食动物，只保留少数役用和肉用植食动物。人工灌溉系统减轻了缺水地区和缺水季节的供水问题，稻秆喂饲家畜和粪肥施田形成了局部循环，但不恰当的耕作方法却造成水土流失。特别是工业化以后，大量生产矿质肥料和人造氮肥，极大地改变了自然界原有的元素循环。
信息来源：中国林业出版社2018年出版的《生态文明关键词》主编：黎祖交 本条作者：蒋高明 编辑 尹乐乐）
