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物質循環
鎖定
物質循環概念釋義
物質循環名詞解釋
物質循環指的是，在生態系統中，各種化學元素（或物質）沿特定的途徑從環境到生物體，再從生物體到環境並再次被生物體吸收利用的循環變化的過程，即各種化學元素或物質在生物體與非生物環境之間的循環運轉過程。物質循環又稱為生物地球化學循環或生物地化循環。
[5]
物質循環主要特點
- 物質循環與能量流動相輔相成，不可分割。在生態系統中，能量是物質循環的推動力，物質是組成生物體的原材料和能量的載體。生產者通過光合作用固定光能並通過食物鏈進行能量轉化的過程，也是物質由簡單無機態轉化為複雜有機態，並再回到簡單無機態的過程。因此，物質循環和能量流動是生態系統不可分割的兩個基本功能。任何生態系統的發生發展都是物質循環與能量流動共同作用的結果。 [5]
- 物質循環的富集作用和生物學放大作用。在生態系統中，生物逆着濃度從環境中吸收有毒和有害物質的作用為生物富集作用。當這些物質的濃度沿着食物鏈逐步升高（濃縮或放大），而不被生物排除其結果造成頂極消費者受害，這時就為生物放大作用。 [5]
- 水循環推動其他物質循環：水循環對其他物質的循環運動具有決定性作用。許多物質必須以水溶液的形式才能被植物吸收利用進入生態系統，並經過食物鏈進行傳遞。因此，物質的循環與水循環的關係密不可分，水循環是物質循環的基礎。正是在水循環的推動下，才實現了物質在其各個營養庫間的轉移。 [5]
物質循環影響因素
影響物質循環速率的主要因素：
- 循環物質的理化性質。循環物質的理化性質對營養物質的循環速率具有比較重要的影響，那些水溶性強或主要存在形式為氣體的元素或物質，其循環速率遠快於那些水溶性較弱、主要存在形式為固體的沉積型循環物質。 [5]
- 有機物質的分解速率。有機物的分解決定了循環物質再利用的速度。有機物分解速度越快，則釋放礦物質元素的速度越快。通常，較高的土壤温度和土壤濕度有利於土壤有機物的分解，而乾旱和低温常常會降低土壤有機物的分解。 [5]
- 土壤酸鹼度。土壤酸鹼性對土壤有機物的分解具有較為顯著的作用。土壤有機物的分解主要依賴於微生物的分解作用，一般情況下，大多數微生物在中性、微酸性土壤中發育最好，而在鹼性土壤中，微生物的生長髮育常常受到抑制。因此，在中性和微酸性土壤中，物質循環的速度就要快於在鹼性土壤中。此外，土壤酸鹼性還影響礦物質養分的可利用性。土壤酸性加強，礦物質的溶解性降低，其可利用性降低；而鹼性增強，土壤礦物質溶解度增加，很多植物會發生中毒現象，同樣不利於營養元素的循環。 [5]
- 人類活動的影響。人類活動也是對物質循環速率有較大影響的主要因素。人類活動對CO2的影響就是一個典型事例。自從工業革命以來，人類大量砍伐森林、燃燒化石燃料的活動，使得大氣CO的含量逐步上升。CO2透射短波輻射、吸收長波輻射的特性，可以使近地面的大氣温度增高，這種現象被叫作温室效應。温室效應所導致的地球大氣温度逐漸上升和全球氣候變化的問題，已經成為全世界關注的焦點問題。人類大量燃燒化石燃料所帶來的另一個問題是SO2污染問題。燃燒化石燃料大量排放的SO2在大氣中遇水蒸氣反應形成硫酸，SO2濃度過高，就會成為災害性的空氣污染。SO2隨雨水降落到地面就形成酸雨，對植被、土壤都會造成嚴重的破壞。 [5]
物質循環
物質循環名詞辨析
物質循環—能量流動
項目 | 物質循環 | 能量流動 | |
|---|---|---|---|
區別 | 形式 | 因不同元素而異，如碳以CO2形式循環 | 以有機物形式流動 |
特點 | 物質被反覆利用，具有循環性 | 單向流動、逐級遞減 | |
範圍 | 生物圈內，具有全球性 | 生態系統的各營養級 | |
過程 | 在無機環境和生物羣落之間往復循環 | 沿食物鏈（網）單向流動 | |
聯繫 | （1）在生物羣落中它們的流動渠道都是食物鏈和食物網，且相互聯繫、同時進行 （2）能量的固定、儲存、轉移、釋放離不開物質的合成和分解 | ||
物質循環術語分類
生態系統中，各種元素往往是以化合物形式進行轉移和循環的，由於這些物質的化學特性不同，形成了不同特點的物質循環類型。
一、按循環經歷途徑與週期分類
生物地球化學循環依據其循環的範圍和週期，可分為地質大循環和生物小循環兩類：
- 生物小循環（biological cycle）。生物小循環是指環境中元素經生物體吸收，在生態系統中被相繼利用，然後經過分解者的作用，回到環境後，很快再為生產者吸收，利用的循環過程。生物小循環具有範圍小，時間短和速度快等特點，是開放式的循環。 [4]
二、按物質循環過程中存在的主要形式分類
根據不同的化學元素、化合物在5個物質循環庫中存在的形式，庫存量的大小和被固定時間的長短，可將物質循環分為以下兩大類型：
- 氣體型循環（gaseous type cycle）。元素或化合物可以轉化為氣體形式，通過大氣進行擴散，瀰漫了陸地或海洋上空，這樣在很短的時間內可以實現大氣庫和生物庫直接交換，或通過大氣庫與土壤庫的交換後再與生物庫交換，從而為生物重新利用。這種類型的物質循環比較迅速，如碳、氮、氧、水、氯、溴和氟等。
- 沉積型循環（sedimentary type cycles）。許多礦物元素的儲存庫主要在地殼裏，經過自然風化和人類的開採冶煉，從陸地岩石中釋放出來，為植物所吸收，參與生命物質的形成，並沿食物鏈轉移。然後動植物殘體或排泄物經微生物的分解作用，將元素返回環境。除一部分保留在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉積物狀態進入江河，匯入海洋，經過沉降、澱積和成岩作用變成岩石，當岩石被抬升並遭受風化作用時，該循環才算完成，在此過程中幾乎沒有或僅有微量進入大氣庫中。如磷、硫、碘、鈣、鎂、鐵、錳、銅、硅等元素屬於此類循環。這類循環是緩慢的、非全球性，並且容易受到干擾，成為“不完全”的循環，受到生物作用的負反饋調節，變化較小。 [4]
物質循環價值意義
在生態系統中，物質從物理環境開始，經生產者、消費者和分解者，又回到物理環境，完成一個由簡單無機物到各種高能有機化合物，最終又還原為簡單無機物的生態循環。通過該循環，生物得以生存和繁衍，物理環境得到更新並變得越來越適合生物生存的需要。在這個物質的生態循環過程中，太陽能以化學能的形式被固定在有機物中，供食物鏈上的各級生物利用。
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生態系統中幾乎所有的營養物質都在生物與無機環境之間循環流動。物質循環的順利進行使生態系統的各部分協調一致，對生態系統的自我調節起着重要作用。如果人類大規模干擾，物質循環不能暢通進行，就會造成嚴重的環境污染和破壞，導致生態失衡。
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物質循環應用領域
- 農業生態系統
氮：秸稈，特別是豆科作物的秸稈中含有一定的氮素，從合理利用氮素和能源的角度來考慮，將作物秸稈燃燒是不經濟的，它使已經固定的氮素完全揮發損失了。利用作物秸稈比較有效的辦法，首先，能作飼料的有機物質儘量先作飼料，使植物固定的氮素為動物利用，以增加畜產品，促進農牧結合；其次，以牲畜糞尿和作物秸稈作為沼氣池原料，在密閉嫌氣條件下發酵，既能解決燃料問題，又能很好地保存氮素；再次，將沼氣發酵後的殘餘物用作肥料，不僅減少病菌蟲卵，而且肥效高。從植物秸杆→動物飼料→能源原料→優質肥料→植物養料這樣的物質循環途徑，充分利用植物有機物質和氮素，為培肥土壤和增加畜產品創造有利條件。
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磷：依據農業生態系統中磷的小循環及輸出、輸入特點，可以通過相應措施維持系統的磷平衡：重視有機磷的歸還，保持土壤持續的磷的有效性與供應；減少土壤侵蝕；合理施肥，減少磷的固定，鹼性土壤以施酸性肥料為宜，酸性土壤則適宜施用鹼性肥料；由於依靠風化難以滿足作物對磷的需要，因此需要適當施用磷肥。
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鉀：保持農田生態系統鉀的生物小循環的循環效率，減少無效輸出的核心是要注重秸稈的還田，具體措施包括：儘量將作物秸杆還田及施用草木灰；適當種植綠肥，如水花生、紅萍等富鉀的十字花科、莧科等植物；通過土壤耕作等措施促使土壤中難溶性鉀有效化；因地制宜，合理施用鉀肥，並注意工業廢渣的利用；合理施肥與灌水，減少淋失。
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- 環境問題分析
在人類大規模的干擾之前，各種物質元素在五大物質庫之間進行着相對穩定的循環轉換，並保持着相對的平衡。然而工業革命以來，各種生產和生活活動對物質循環的庫與流造成了各種影響，特別是對碳、水及氮等物質的循環影響最為劇烈，進而衍生出了人類正面臨的諸多環境問題，如環境污染、温室效應、水體富營養化、生物濃縮等。
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- 參考資料
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- 1. 何劍平主編．高考核心知識與高頻考點 生物[M]．長沙：湖南師範大學出版社，2013：127
- 2. 趙文著．生態學詩話[M]．大連：大連出版社，2018：108
- 3. 林崇德主編．中國少年兒童百科全書 自然·環境 經典版[M]．杭州：浙江教育出版社，2017：121
- 4. 陳阜，隋鵬主編．農業生態學 第3版[M]．北京：中國農業大學出版社，2019：68-69
- 5. 高凌巖主編．普通生態學[M]．北京：中國環境科學出版社，2016：226-230
- 6. 曾芳，張盼主編；齊立強，李晶欣副主編．電力能源與環境概論[M]．北京：冶金工業出版社，2019：20
- 7. 胡榮桂，劉康主編．環境生態學（第二版）[M]．武漢：華中科技大學出版社，2018：117
- 8. 李北罡，付淵主編．資源環境學[M]．武漢：武漢大學出版社，2016：206-211
