第5章 主要生源要素的生物地球化学循环分析
长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环
长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环一、本文概述Overview of this article本文旨在深入探讨长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环。
长江中下游地区作为中国的重要经济和文化中心，其浅水湖泊生态系统对于区域生态环境和经济发展具有至关重要的影响。
本文将对这一区域内浅水湖泊中的生源要素（如碳、氮、磷等）的生物地球化学循环过程进行系统的阐述和分析。
This article aims to explore in depth the biogeochemical cycles of biogenic elements in shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River. As an important economic and cultural center of China, the shallow lake ecosystem in the middle and lower reaches of the Yangtze River has a crucial impact on the regional ecological environment and economic development. This article will systematically elaborate and analyze the biogeochemical cycling process of biogenic elements (such as carbon, nitrogen, phosphorus, etc.) inshallow lakes in this region.我们将概述长江中下游地区浅水湖泊的基本特征，包括湖泊的水文条件、生态环境和生源要素的分布状况。
在此基础上，我们将深入探讨这些湖泊中生源要素的生物地球化学循环过程，包括生源要素的输入、转化、输出和积累等关键环节。
生物地球化学元素的生物地球化学循环与生态效应分析
生物地球化学元素的生物地球化学循环与生态效应分析生物地球化学元素是指在地球上存在的各种元素，其广泛存在于生物界、岩石圈、水文圈和大气圈之中。
生物地球化学元素的生物地球化学循环较为复杂，包括了元素的输入和输出过程、生物地球化学循环、矿物质化学风化、岩浆活动和生物地球化学标记以及大气圈和水文圈之间的联系等。
本文将从生物地球化学元素的循环和生态效应两个方面对其进行详细分析。
一、生物地球化学元素的生物地球化学循环生物地球化学元素通过生物地球化学循环与不同组成物质相互转换、交换和储存。
生物地球化学循环主要包括了生物转化、水生环境和地球化学循环三个方面。
其中生物转化是指生物体在对元素进行代谢过程中产生的能量和物质转换，而水生环境和地球化学循环则主要是指土壤、岩石圈、水域和大气圈之间的物质交换以及元素循环。
其中生物转化和水生环境的循环是生物地球化学循环的核心部分。
1.生物转化生物转化是生物地球化学循环的核心。
生物元素循环过程主要分为生产者、消费者和分解者三个阶段。
其中，生产者是指那些利用光合作用或化学合成的自养细胞生产有机物质，并从无机盐中得到所需元素的生物；而消费者和分解者则是指那些依赖于有机物质为食物的生物，而有机物质的来源是其它生物，包括属性越来越高的消费者和分解者。
其中，生产者在光合作用或化学合成中大量利用了二氧化碳和水进行光合作用，产生氧和有机物质，再由有机物质供给上层生物的生存。
同时，土壤也有其它能力较强的细菌，与生产者和分解者一起进行元素循环，保持了地球上各种生物的生态平衡。
2.水生环境的循环水生环境是生物地球化学循环的一个重要部分，包括了水域、水系、河道、湖泊和大海等。
水生环境中的生物往往是居住在其中的一种特殊的生物体系，它们在水中往往作为食物链的一部分存在，并参与到生物地球化学元素的循环之中。
生物体通过食物链的方式将水生环境的生物地球化学元素转化为它所需要的元素。
而水生环境中的细菌、微生物或发酵物等则能够通过代谢作用将一些化合物中的元素进行化学转化和分解，从而生态地维持着水生环境中生物地球化学元素的平衡。
地球化学与地球化学循环
地球化学与地球化学循环地球化学是研究地球及其各种构成物质的科学。
地球上的各种元素分布和相互作用，以及它们与地壳、海洋、大气等环境的关系都属于地球化学的范畴。
地球化学循环则是指地球上各种元素与物质在地壳、大气、水体以及生物圈之间相互转化、迁移和循环的过程。
一、地球化学循环的概述地球化学循环是指地球上各种元素和环境之间的相互作用和循环的过程。
它包括岩石圈、大气圈、水圈和生物圈在地球表面上的相互作用。
这些物质在地球不同圈层之间的转移和循环被称为地球化学循环。
地球化学循环可以分为有机地球化学循环和无机地球化学循环。
有机地球化学循环主要指碳、氧、氮、硫等元素在生物圈中的循环过程，包括植物光合作用、动物呼吸作用、微生物分解作用等。
无机地球化学循环则主要指含有金属元素的矿石的形成、水体中溶解物的循环、岩石圈中元素的迁移等过程。
二、地球化学循环的重要性地球化学循环对地球的生态系统和人类社会都有重要的影响。
首先，地球化学循环是维持生态系统平衡和物质循环的重要机制。
它调节了各种元素和化学物质的稳定性和流动性，保持了地球上各种生物和非生物因素之间的动态平衡。
其次，地球化学循环对气候变化和环境污染的影响不可忽视。
大气中的气态元素和化学物质的循环直接影响到大气组成的稳定性以及气候变化的趋势。
水体中溶解物的循环则直接关系到水质的清洁与否，对生物圈和人类的健康产生重要影响。
最后，地球化学循环还对矿产资源的形成和分布有一定的影响。
矿石中的金属元素在地球化学循环中经历了岩浆、热液和沉积等作用，形成了多种矿石矿床。
这些矿产资源对于支撑现代社会的发展具有重要的经济和战略价值。
三、地球化学循环的主要过程地球化学循环包括很多复杂而繁琐的过程，下面列举其中几个主要过程。
首先是生物地球化学循环，主要涉及碳、氮、硫等元素在生物圈中的转化和循环。
植物通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，参与了碳的循环；微生物参与了氮的固氮和氮的释放；硫的循环则与微生物的硫微生物循环等有关。
潮滩生态系统中生源要素氮的生物地球化学过程研究综述
第19卷第5期2004年10月地球科学进展A DVAN CE S I N E AR TH S C I E N C EV o l.19 N o.5O c t.，2004文章编号：1001-8166（2004）05-0774-08潮滩生态系统中生源要素氮的生物地球化学过程研究综述侯立军1，2，刘 敏2，许世远2，欧冬妮2，刘巧梅2，刘华林2，蒋海燕2（1．华东师范大学河口海岸动力沉积和动力地貌综合国家重点实验室，上海 200062；2．华东师范大学地理系，上海 200062）摘 要：海岸带潮滩生源要素生物地球化学循环过程是国际地圈生物圈计划（I G B P）、海岸带陆海交互作用（L O I C Z）研究的重要内容，也是全球变化区域响应研究中的重要组成部分。
在过去的10～20年之间，潮滩生源要素氮的生物地球化学循环研究得到了长足的发展。
基于此，较为全面、系统地总结和分析了有关潮滩氮营养盐的来源、潮滩氮素的物理、化学和生物迁移转化过程及氮素地球化学循环过程中底栖生物效应等一系列研究成果，并提出了今后潮滩生源要素氮的生物地球化学循环研究重点和发展趋向。
关 键 词：潮滩；生态系统；生源要素；生物地球化学循环；硝化—反硝化耦合作用中图分类号：X142 文献标识码：A 滨岸潮滩是海陆作用的重要地带，是一个多功能的复杂生态系统［1～3］，具有独特的生态价值和资源潜力。
由于受海陆交互作用影响，滨岸潮滩各种物理、化学、生物因素变化剧烈，是一个典型的环境脆弱带和敏感区［4］，易受各种自然和人为活动的干扰和破坏。
尤其随着人口的不断增长和经济的快速发展，大量的人为污染物如营养盐、微量重金属、多环芳烃和多氯联苯等污染物质输入到滨岸地区［5］，给滨岸环境质量造成不同程度的威胁，对潮滩复杂环境的初级生产力、生物多样性以及生态系统功能产生深刻的负面效应［6］。
其中富营养化对滨岸潮滩生态环境产生的潜在危害日益严重，已成为当前国际环境研究的热点和重点问题之一［7］，而潮滩富营养化现象的研究在很大程度上依赖于对营养盐的生物地球化学过程的了解和认识［8～10］。
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环
二、磷的存在形态与储库
海水中的总磷（TP）可分为颗粒磷（PP）和
总溶解磷（TDP）（TP=PP+TDP）， 在大 多数开阔海洋环境中，TDP储库一般远远超 过PP储库。 颗粒磷和总溶解磷均包括无机和有机的磷组 分，因此，PP=POP+PIP，TDP= DOP+DIP。
4HNO3 5CH 2O 5CO2 7H 2O 2N2
反硝化作用发生的条件：
（1）亚氧或缺氧； （2）大量的有机物存在。
全球海洋σt=27等密度面溶解氧的空间分布
五、海洋中氮营养盐的分布
1、全球海洋表层水中NO3-的空间分布
全球海洋表层水中NO3-的空间分亚北极大西 洋，表层海水具有高浓度的NO3-，在任何季 节都不会因浮游植物光合作用而呈缺乏状态， 这些海域称为高营养盐低叶绿素海域。
2、全球海洋深层水中NO3-的空间分布
沿热盐
循环路 径，深 层海水 中NO3的含量 逐渐增 加
全球海洋4000m深度NO3-的空间分布特征
开阔大洋表层水，氮主要存 在于DON中（83%），其次 是PON（7%）、NO3- +NO2河口区 （5%）、NH4+（5%）。 开阔大洋深层水，氮主要以 开阔大 洋表层 NO3 +NO2 形式存在，占比 水 92%，其余以DON存在。 沿岸海域和河口区， NO3+NO2-的比例明显比大洋表 近岸海域 层水来得高，分别占比45% 开阔大 和31%；DON占比降低（沿 洋深层 岸海域18%；河口区13%）；水 NH4+的比例随离岸距离的减 少贡献越大。 PON占比在沿岸海域（3%） 与河口区（8%）与开阔大洋 开阔大洋、沿岸和河口区水体各形态 氮的分配情况 表层水差别不大。
化学物质的循环过程及其源汇效应2015
Cu Speciation – Ocean Distributions
Total Copper Strong Organic Ligands
Free Cu2+ Total Cu
5-3 Solutes in water: Nutrients and Organics
Nutrients are chemicals essential for life.
低氧区 (DO<2mg/L)
河口海岸低氧的特征？
海洋中的物质（化学）
Water molecular Ocean Water: solvent solute major ions trace ions/gas nutrients organic substances pollutants
Water
Al (nM)
Fe (nM)
Metal Limitation and Toxicity – Cu – Role of Free Metal Ion
海洋生物的生物地球化学循环
海洋生物的生物地球化学循环地球上约70%的面积被海洋所覆盖，海洋是地球生态系统中最为广阔和复杂的环境之一。
海洋生物在其中发挥着重要的角色，不仅仅是物种的栖息地，同时也参与着生物地球化学循环的过程。
本文将从氮、碳、硫、铁等要素的循环方面，探讨海洋生物在生地化学循环中的作用。
一、氮的循环氮是构成生物体蛋白质和核酸等生命物质的重要元素，在自然界中以不同形式存在，包括氮气、氨、硝酸盐等。
海洋中氮的循环主要通过硝化和脱硝作用实现。
硝化作用由氨氧化细菌和硝化细菌完成，在此过程中，硝化细菌将氨氧化成亚硝酸，再经过亚硝酸氧化成硝酸盐，进而被海洋生物吸收。
而脱硝作用则由脱硝细菌完成，将硝酸盐还原成氮气释放到大气中。
这些过程中，海洋中的浮游植物起到了重要的媒介作用，通过光合作用吸收二氧化碳，同时吸收和释放底层水体中的氮元素，维持了海洋中氮的循环平衡。
二、碳的循环碳是生命起源和维持的基础元素之一，海洋是全球最大的碳储库之一。
海洋中碳的循环主要包括海洋生物的光合作用吸收二氧化碳、有机碳的沉积和沉积物中的生物作用等过程。
海洋中的浮游植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机碳，这些有机碳可以通过食物链转运至其他海洋生物，并最终沉积到海底形成有机质。
同时，有机质在沉积过程中可能经历一系列的生物地球化学转化过程，其中最重要的是腐殖质的形成。
腐殖质对于碳的储存和循环起到了重要的作用，同时也影响了海洋中的生态系统结构和功能。
三、硫的循环硫是构成蛋白质、酶和维生素等生命物质的重要组成元素之一。
海洋中的硫主要以硫酸盐形式存在，通过一系列的生物地球化学循环过程实现循环。
硫依靠海洋中的浮游植物和微生物参与循环过程。
浮游植物吸收硫酸盐并将其转化为有机硫，而微生物则通过还原有机硫来释放硫酸盐。
硫的循环对于维持海洋中微生物和浮游植物的生态功能具有重要意义，同时也影响着海洋生态系统的稳定性。
四、铁的循环铁是海洋生物体内多种酶和蛋白质的重要成分，是细胞呼吸、DNA合成等过程的必需元素。
《地球化学》课程笔记
《地球化学》课程笔记第一章：地球化学概述一、地球化学的定义与范畴1. 定义地球化学是研究地球及其组成部分的化学组成、化学作用、化学演化规律以及这些过程与地球其他物理、生物过程的相互关系的学科。
2. 范畴地球化学的研究范畴包括但不限于以下几个方面：- 地球的物质组成和结构- 元素在地球各圈层中的分布、迁移和循环- 岩石和矿物的形成、演化和分类- 生物与地球化学过程的相互作用- 地球表面环境的化学演化- 自然资源和能源的地球化学特征- 环境污染和生态破坏的地球化学机制二、地球化学的研究内容1. 地球的物质组成- 地壳：研究地壳的化学成分、岩石类型、矿物组成及其变化规律。
- 地幔：探讨地幔的化学结构、岩石类型、矿物组成和地球化学动力学过程。
- 地核：分析地核的物质组成、物理状态和地球化学性质。
- 地球表面流体：研究大气、水圈和生物圈的化学组成和演化。
2. 元素地球化学- 元素的丰度：研究元素在地壳、地幔、地核中的丰度分布。
- 元素的分布：分析元素在地球各圈层中的分布规律和影响因素。
- 元素的迁移与富集：探讨元素在地质过程中的迁移机制和富集条件。
- 元素循环：研究元素在地球系统中的循环路径和循环速率。
3. 岩石地球化学- 岩石成因分类：根据岩石的化学成分、矿物组成和形成环境对岩石进行分类。
- 岩浆岩地球化学：研究岩浆的起源、演化、结晶过程和岩浆岩的地球化学特征。
- 沉积岩地球化学：分析沉积物的来源、沉积环境和沉积岩的地球化学特点。
- 变质岩地球化学：探讨变质作用过程中岩石的化学变化和变质岩的地球化学特征。
4. 矿物地球化学- 矿物的化学成分：研究矿物的化学组成、晶体结构和化学键合。
- 矿物的形成与变化：探讨矿物的形成条件、变化过程和稳定性。
- 矿物物理性质与地球化学：分析矿物的物理性质与地球化学环境的关系。
- 矿物化学分类：根据矿物的化学成分和结构特点进行分类。
5. 生物地球化学- 生物地球化学循环：研究元素在生物体内的循环过程和生物地球化学循环的模式。
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二、氮的存在形态与储库
氮以多种价态
存在，其生物 地球化学行为 异常复杂
溶解于海水中的N2分子是最重要的氮存在形
态，海水中的溶解N2接近于与大气达到平衡 的数值。 少量以溶解态或颗粒态的无机和有机氮存在。 主要无机形态是NO3-（1~500 μM）、NO2（0.1~50 μM）、NH4+（1~50 μM），合起 来又称溶解无机氮。
但还原酶还原形成H2，还另外需要2个电子：
N2 8e 8H 2NH3 H 2
生物固氮过程需要消耗大量的能量，同时伴
随着放氢反应，ATP为此反应过程提供所需 的能量。生物固氮的总反应式为：
N2 8e nATP 8H 2NH3 4H2 nADP nPi
第五章 海水中主要生源要素的生 物地球化学循环
第1节 引言
一、营养盐的构成
海洋植物与动物生长所必需的元素
（1）含量高，不会限制生物生长：CO2、SO42-、 HBO3-、Mg2+、Cl-、K+、Ca2+等，不称为营养盐。 （2）在海水中含量很低：如Fe、Mn、Co、Zn、Se 等，称为痕量营养盐。 （3）在海水中的含量会影响海洋生物生产力与生 态系统结构，是海洋初级生产过程和食物链的基础， 反过来，生物活动又对其在海水中的含量、分布产 生明显影响： N、P、Si，称为主要营养盐。
三、海洋氮循环路径
海洋的氮输入途径主要包括： （1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气。
火山活动和河流向海洋输送各种无机（NO3-、NO2-、 NH4+）和有机形态（DON、PON）的氮，而大气 主要提供N2。
第五章 海水中主要生源 要素的生物地球化学循环 §三、海洋氮循环路径
海洋生物固氮作用； 通过物理过程由中深 层向上提供的NO3- ； 各种形态氮（ NO3- 、 NH4+ ）被海洋生物 的吸收； 通过颗粒物沉降向中 深层输送的PON； DON垂向或水平输 送； 硝化作用； 反硝化作用
主要海洋固氮生物：
蓝藻类、异养细菌类和
光合细菌类。
蓝藻类（cyanobacteria）在海洋中分布最广的是
束毛藻属（Trichodesmium spp.），包括铁氏束 毛藻（T. thiebautii）、汉氏束毛藻（T. hildebrandtii）、红海束毛藻（T.erythraeum）等。
往受氮的提供量所限制。由于海洋中的大部 分浮游植物无法直接利用N2，它们必须通过 吸收溶解态氮组分（如NO3-、NO2-、NH4+、 尿素）来满足其光合作用需要。
当海水中的氮进入到生物细胞壁后，通过一系列酶的 作用和合成代谢反应，最终被转化为蛋白质。所发生 的重要合成代谢反应如下：
由于亚硝酸盐比硝酸盐处于较低的氧化态，其转化 为有机形式需要耗费较少的能量。与此类似，浮游 植物吸收氨盐或尿素所耗费的能量更少。 如果将混合了溶解态尿素、氨盐、亚硝酸盐和硝酸 盐的溶液来培养浮游植物， 浮游植物利用还原态氮 的速率最快。 在沿岸海域， 尿素由于有较快的产生速率，生物对 其的吸收也比较重要。
二 营养盐循环
营养盐存在形态与 分布会受到生物活 动的制约，同时受 到化学、地质和水 文因素的影响。 因此，它们在海洋 中的含量与分布不 均匀，也不恒定， 往往存在明显的季 节与区域变化。
第2节氮的生物地球化学循环
一、海洋氮循环在气候变化中的作用
������
氮（N）是海洋生物生长的必需营养元素， 它是生物体中蛋白质、核酸、光合色素等有机分 子的重要组成元素。 ������ 氮是许多海域初级生产力和碳输出的主要控 制因子，因而与大气CO2浓度的变化乃至全球气 候变化有密切联系。
2、固氮作用
海洋固氮作用：海洋中的某些原核生物通过
固氮酶的作用将N2转化为N化合物（如NH4+, DON等）的过程。该过程所释放的N化合物 可为浮游植物和其他微生物提供N营养盐。 固氮酶促成生物固氮作用，将N2还原为NH3 是6个电子的转移过程：
N2 6e 6H 2NH3
氨以NH4+
下平衡：
和NH3两种形态存在，二者存在如
NH3形态存在。 海洋中有机氮均以-3价存在，其中最重要的组分是 腐殖质，其次包括氨基酸、核酸、氨基糖、尿素以 及它们的聚合物（如DNA、RNA、甲壳质Chitin）。
pH=8.1时，95%的氨以NH4+形态存在，仅5%以
海洋氮储库
海洋中各种形态氮的浓度
开阔大洋表层水，氮主要存 在于DON中（83%），其次 是PON（7%）、NO3- +NO2河口区 （5%）、NH4+（5%）。 开阔大洋深层水，氮主要以 开阔大 洋表层 NO3 +NO2 形式存在，占比 水 92%，其余以DON存在。 沿岸海域和河口区， NO3+NO2-的比例明显比大洋表 近岸海域 层水来得高，分别占比45% 开阔大 和31%；DON占比降低（沿 洋深层 岸海域18%；河口区13%）；水 NH4+的比例随离岸距离的减 少贡献越大。 PON占比在沿岸海域（3%） 与河口区（8%）与开阔大洋 开阔大洋、沿岸和河口区水体各形态 氮的分配情况 表层水差别不大。
地球大气的初始氧化与氮循环密切相关
太古代
元古代
显生宙
地球大气的初始氧化过程
(Pa)
海洋氮循环在冰期—间冰期大气CO2 变化中的作用
三个假说
冰期—间冰期海洋氮储库的变化可能是导致
冰期—间冰期海洋生物生产力和大气CO2浓 度发生变化的重要原因。 了解海洋要意义。 正基于此，氮循环研究一直是海洋科学经久 不衰的热点研究领域。
海洋生物活动是 导致海洋中氮于 各种形态之间相 互转化的重要影 响因素，其中生 物固氮作用、氮 的生物吸收、硝 化作用和反硝化 作用是海洋氮循 环的关键过程
海洋生物活动导致的氮形态转化
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收 2、固氮作用； 3、硝化作用； 4、反硝化作用
1、氮的生物吸收
在许多开阔大洋海域，生物初级生产过程往