物质循环materials cycles

生物圈或生态系统中，生物生命活动所必需的化学物质移动的规律，又称化学物质循环(chemical cycles)。生命活动需要各种必要的营养元素和它们贮存的化学能。美国哈钦森(G.E. Hutchinson,) 1944年提出“生物地化循环”(biogeochemical cycles)的概念，是指化学物质在生物和地球上的地壳、水体和空气之间转移、交换和循环的全过程。美国奥德姆(E.P.Odum)于1971年指出：化学元素包括原生质所必需的元素，以特别的方式从环境进入生物体，又从生物体返回环境，在生物圈中不断循环。这些元素和无机化合物的移动，是生命活动不可或缺的，故又称“营养物质循环”(nutrient cycles)。自然界已知的元素中，有30～40种是生物生命活动必需的，有的需要量大，如碳、氢、氧、氮、磷，占有机物干重含量1%以上，其次是硫、氯、钾、钠、钙、镁、铁等，含量在0.2～1%左右。还有一些不可缺少的微量元素，如铝、硼、溴、铬、钴、氟、碘、锰、钼、硒、锶、锡、钛、钒、锌等。从某种意义上说，这些非生物因素控制着生物的生命活动，而生物又通过许多途径，使这些物质的理化性质发生改变，并最终返回到环境中去。在每类物质循环过程中，可出现两类不同的库(pool):❶贮存库(reservoir pool)。如岩层中的碳，海底动植物尸体所沉积的碳，地壳内经碳化作用所形成的矿物燃料等，储量很大而活动极缓慢，系碳元素贮存库；
❷交换库(exchange pool)。如大气和水体中的碳，可与生物迅速交换，容量较小而活跃。
类型 所有物质循环可区分为3种类型：❶水循环(water cycles)，在大气、海洋和陆地组成的系统中，太阳辐射推动着水循环运动。据史密斯(Smith,1974)推算，假定降落到地球上的总降水量为100单位，其中降到海洋约77单位，降到陆地约23单位。降水来源于海洋蒸发占84单位，来源于陆地蒸发只占16单位。陆地的径流可将多余的水流回海洋(图1)。
❷气体循环(gaseous cycles)，如碳循环、氮循环、氧循环等都属气体型循环。碳是一切有机物的基本成分，光合作用所固定的能量，都与碳结合在一起，植物的碳都来自空气中或溶于水中的CO₂，植食动物和肉食动物则靠取食获得碳元素化合物，生物的呼吸作用可释回一部分碳，另一部分碳构成动物的内外骨骼、动物排泄物和动植物尸体中的碳，由分解者分解后又释回到环境中(图2),
❸沉积型循环(sedimentary cycles)，如磷循环是典型的沉积型循环。磷可随水循环由陆地进入海洋，大气中通常不含磷，且不易从海洋返回陆地。磷主要来源于岩石和天然的磷酯块沉积。在陆地，有机磷被细菌还原为无机磷，部分由植物吸收而再循环(图3)。

图1 水循环
(仿E. P.Odum)

图2 碳循环
(仿S.C.Kendeigh)

生态系统的物质循环 在生态系统的各营养层次生物与环境的联系中，都存在物质循环过程。例如，生物个体摄食时所获的营养物质，经过消化吸收后，大部用于建造机体或维持机体的功能，一部分经过新陈代谢而排出体外，另一部分提供捕食者生物的需要，最后随着个体的死亡而返回环境。种群可利用从外界输入的物质，供给种群生长的需要，经过同化作用和代谢作用，物质仍可输出或最终返回环境。在生态系统中，物质循环现象更为明显。植物在光能作用下，从空气中摄入CO2。从土壤摄入水和无机物，制造成复杂的有机化合物，提供植物生命活动的需要，一部分供植食性动物（包括昆虫）取食，枯枝落叶和残体经分解后又返回环境。植食性动物经过摄食植物，获得营养物质，大部分用于建造机体和生命活动的需要，一部分供肉食动物取食，其尸体或排出物经分解后又返回环境。肉食动物的摄食、同化、异化过程，与植食动物相类似，其排除物和尸体最终以无机物和简单化合物的形式，返回环境之中(图4)。

图3 磷循环

(仿E.P.Odum)

在食物链中化学物质的转动→
图4 生态系统中化学物质的循环
S-土壤； P-生产者； C₁、C₂、C₃-消费者a～d-不被高一级营养阶层消耗的化学物质
(仿P.W.Price)

生态系统中的物质循环受人为干扰较大，如过度砍伐森林，破坏生态系统的收支平衡，引起水土流失，加速营养物质流失速率。草原过度放牧，引起草原沙漠化。农田过多施用化肥，引起水域污染和富营养化而降低水质和水产。过量施用化学杀虫剂，引起环境污染和食物链中积累性毒害。因此研究物质循环的过程和规律，是改善生态系统物质收支状况的基本途径。

物质循环material cycle

又称生物地球化学循环。包括生命所必需的营养物质在内的各种化学元素在生物圈内生物与环境之间周而复始地运转的过程。生物地球化学循环包括生物小循环和地球化学大循环。前者指环境中的各种营养物质，经生物体吸收利用，并以它的残体、凋落物归还土壤，通过微生物分解成简单无机物被生产者再利用，所构成的局部性循环，循环范围比较小、周期短、速度快、效率高，物质得以充分利用。而地球化学大循环指经过生物循环归还环境的一部分气态物质，随空气流动迅速扩散，最后被降水带到地面供植物吸收利用；另一部分固态或液态物质由陆地流入海洋，沉积于海底，经地质作用形成岩石，岩石风化把元素或无机化合物释放出来，参与再循环。这类循环带有全球性，范围大、周期长，而且物质在流经水域过程中，常有部分沉积物沉积下来暂时离开循环，成为一种不完全循环。两类循环紧密联系，大循环是小循环的源头和归宿，共同构成生物地球化学循环。农业生态系统的养分循环是以生物小循环为主体的营养物质循环。