生物地球化学循环研究在地球系统科学中的地位与应用_耿安朝
生物地球化学循环的重要性与意义
生物地球化学循环的重要性与意义地球上的一切生命体都离不开物质的循环，因为地球自己无法产生新的元素，所有的物质都需要通过循环再利用才能维持生命活动的正常进行。
这个过程的调整和控制是由生物地球化学循环来完成的，而这个过程对于生态系统的稳定和发展有着非常重要的意义。
1. 生物地球化学循环是地球上各种生态系统的“维生系统”在地球上的各种生态系统中，无论是气候环境还是生命体系，都是由生物地球化学过程来支撑的。
这些过程使得各种元素在地球上分布均匀，促进各种生态系统的发展和演化，并维持着生态系统内部各种环节的动态平衡。
2. 生物地球化学循环对于维持生态系统的稳定和健康状态至关重要生物地球化学循环对于维持生态系统的健康状态及其发展过程起到了至关重要的作用。
尽管人类对地球带来的影响越来越明显，并且产生了许多负面的影响，但是只有当我们掌握了生物地球化学循环的重要性，才能更好地维护生态环境的平衡，以保护我们未来的生存。
3. 生物地球化学循环的重要作用在于“自净能力”生物地球化学循环的一个重要功能就是它的“自净能力”。
在地球上，任何物质过程都是要通过循环再利用才能完成的。
在这个过程中，各种物质需要通过各种生物、地球化学和物理过程进行循环，使得它们在地球上完成了“从出现到再利用”的周期过程。
4. 生物地球化学循环促进了各种生物进化生物地球化学循环对于生物进化也起到了至关重要的作用，因为这个过程让各种物质在地球上分布均匀，从而促进了各种生物的进化和演化。
同时，这个过程还能够通过调整和平衡各种生物体系的代谢过程，使得它们更好地适应地球的环境。
5. 生物地球化学循环与气候变化的关系生物地球化学循环还对气候变化有着深远的影响。
在地球上，任何的气候变化都是需要通过生物地球化学循环来实现的。
因为它可以减少CO2等有害物质的排放，使得整个地球体系能够更好地对抗气候变化的影响，同时也可以更好地维护生态环境的平衡。
总之，生物地球化学循环对于生态环境的维护和人类的生存等方面都有着重要的作用。
生态学中的生物地球化学循环
生态学中的生物地球化学循环生态学是研究自然生态系统的科学，它研究的是非人类生态系统，以及人类与自然生态系统之间的相互作用。
生态学中的生物地球化学循环是指生物体内或生物体外的能量、物质在生物体和自然界之间循环的过程。
一、生物地球化学循环的定义生物地球化学循环是指生物体和自然界中地球化学元素之间的相互转移、湿降转化和物质循环过程。
它包括生物的吸收、转化和释放物质，以及物质循环的能量来源和重要环节等。
在生物地球化学循环中，生物体把化学元素和水分从环境中吸收、积累和利用，并将水和化学元素的剩余部分释放到环境中；同时，在湿降过程中，生物和非生物的湿降的化学元素也进入土壤和水体，形成循环。
可以说，生物地球化学循环是维持生态系统稳态的重要基础。
二、生物地球化学循环的类型1.碳循环碳是生物体的重要元素，所有生物都需要它来合成有机物。
碳循环涉及到大气中的二氧化碳的吸收和释放，以及生物体和土壤中碳的转移和湿降过程。
在生态系统中，植物通过光合作用将CO2转化为有机碳、蛋白质和核酸等化合物，同时释放氧气。
而在地球化学循环中，碳是由生物和非生物过程制造。
生态系统中的碳循环是维持生态系统的一个重要过程。
生物固定、储存和释放碳的能力对生态系统的稳定性、功能和适应性起着支配性的作用。
2.氮循环氮是蛋白质、核酸和其他有机化合物的组成元素。
氮循环涉及到在环境中和生物体内氮的形态转化和利用。
氮循环包括氮的固定、硝化、脱硝和氨化等过程，在其中生物和非生物过程共同作用。
氮循环是生态系统中最重要的基本公共服务之一。
氮的利用率是衡量生态功能的重要指标之一。
3.磷循环磷是细胞和细胞核酸等有机化合物的不可或缺的组成元素。
磷循环涉及到在土壤和水体中磷的溶解和固定、生物体内的吸收、利用和释放等过程。
磷循环是一种非常缓慢的过程，由于磷不易被氧化、还原和湿降，所以磷循环过程比氮和碳都显得更为重要。
三、生态学中生物地球化学循环的影响生物地球化学循环是维持生态系统平衡和稳定的基础，也是环境和生物地理学研究的重要内容之一。
生物地球化学循环研究的进展
生物地球化学循环研究的进展生命存在于地球上已经有数十亿年，而生物地球化学循环则是维持这个生态系统长期稳定的关键。
在生物地球化学循环中，生物体中的元素不断地在海洋、陆地、大气等不同的媒介中循环，对地球的各个环境系统都产生了极为重要的影响。
近年来，随着环境论和可持续发展研究的逐渐兴起，对生物地球化学循环研究的关注度也日益加大。
本文将就生物地球化学循环研究的进展进行探讨，涉及海洋、陆地、大气等不同的媒介中元素的循环。
海洋中元素循环海洋是地球上最大的水体，也是最大的碳储库之一。
这一领域的研究主要集中在生物地球化学循环中的生物方面，包括海洋中营养元素的循环、生物地球化学循环中的微生物和海洋光合作用等。
针对营养元素的循环方面，研究者主要关注氮、磷、硅等元素在海洋中的来源、循环途径及其对生态系统的影响.例如，氮的循环，在海洋中存在一个氮循环的重要过程，叫做生物固氮作用。
固氮作用是指将氮气转化为生物可利用的氨或氮化物的过程。
这个过程通常由一些氮固氮菌来完成，这些菌可以将氮气转化为生物可用的氨基酸等。
同时，海洋中还存在氮沉积作用等直接或间接的氮循环途径，这些过程在维持海洋生态系统长期稳定方面起到了重要作用。
再比如，硅元素则在海洋中的界面和钙化生物中起到了重要作用，比如海绵、硬珊瑚等。
硅元素可以用于生物制造的骨骼、外壳等结构，起到加强生物身体、防御和抗艾滋病毒等重要作用。
因此，对硅元素在海洋中的循环是否受到人类活动的影响、其对生物多样性和健康的影响等方面进行深入研究，具有十分重要的科学意义。
陆地及水域中元素循环除了海洋，在陆地和水域中元素的循环同样存在着十分重要的功能。
在陆地中，磷元素在植物生长、养料的供应等方面起到了至关重要的作用，但由于土地的草木火灾和泥石流等自然灾害和人类扰动等原因，会带来磷元素裸露、磷损失等问题。
因此，对于磷的管理、处理技术，以及如何减少磷元素的损失等方面进行研究，是减少环境污染、促进可持续发展的关键所在。
生物地球化学循环
北京河湖中元素含量（％）
湖河名
P
Na K Ca Mg Mn Al Zn Fe Si Pb Cu
后海 前海 北海 昆玉河 八一湖 玉渊潭 动物园 北护城河 亮马河 朝阳公园 柳荫公园 红领巾公园 陶然亭 圆明园
0.1 46.4 7.02 33.7 30.8 0.02 0.07 0.1 0.46 1.9
重量百分率
体
oxygen
43 kg
中
carbon 16 kg hydrogen 7 kg
元
nitrogen 1.8 kg
素
calcium 1.0 kg phosphorus 780 g
37 L 7.08 L 98.6 L 2.05 L 645 mL 429 mL
3氧3：.561c％m 碳碳：：212.82% 4氢6：.210c%m 1氮2:.72.6c%m 8钙.6：41.c4%m 7磷.5：41.c1%m
6.81 72.1 37.5 49 26.8 0.01 0.03 0.03 0.02 11.3
2.14 76 34.5 24.8 33.7 0.08 .0.38 0.32 0.42 10.1 0.12 0.01
1.05 44.7 15.7 32.7 35.2 0.07 0.4 0.24 1.17 3.25
重量百分率
46.6 27.7 8.1 5.0 3.6 2.8 2.6 2.1 1.5
氧 硅 铝 铁 钙 钠 钾 镁 其它所有
7
人
Element
M7700a--ksksggo动动f e物物le或m或e人nt Volume of i体人n 中a体7元中0-素k元g含素p量e含rs量on purified element
喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究_重要性_现状与趋势_刘丛强
绕全球变化及其区域响应 , 揭示我国对全球变化的
1 全球变化与喀斯特区域生态环境研 究
人类当今面临的环境问题不再只是局部或区域 的问题 , 而是跨越国界的全球性问题 。 全球性环境 问题就科学内容而言已经远远超过了单一学科的范 围 , 往往涉及 大气 、海洋 、土壤 、生物等各类 环境因 子 , 又与物理 、 化学和生物过程有密切关联 。 全球变 化科学对揭示和理解人类赖以生存的地球系统运转 的机制 、 变化规律及人类活动对地球表层环境系统 的影响具有重要的意义
Sr/ 86 Sr).T he achiev ed impo rtant under-
standings are that the bio geo chemical cy cling of nutrients in kar stic ecolog ical sy stem is active , coupled to each other a nd clo sely related to eco -enviro nmental change , tha t human activities are clea rly impacting natura l biogeochemical cy cling in catchments and re sult in related ecological and environmenta l problem s , and tha t the studies on areal chang e ar e im po rtant for studying g lobal chang e .T hese finding s or recog nitions w ill be the main directio ns leading our further studie s of biog eo chemical cy cling nutrients in karstic and other ecolo gica l sy stems . Key words :karstic eco lo gical sy stem ; biog eochemical cy cling ; g lobal chang e ; areal respo nse ; ecolog ical adaptability ;resea rch trends 摘 要 : 喀斯特地质与生态 系统是地球表层系统中的重要组成部 分 , 其 变化将对 其他地区以 及整个地 球系统 产生影响 . 生物地球化学循 环是全球和区域变化研究的核心内容 , 而生 态系统的 演化与系统 内水分和 养分的 生物地球化学循环密切相关 。 因此 , 我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分 析研究 , 在充分研究认识整 个喀斯特生态系统物质生物地球化学 循环规律 的基础上 , 进一步 研究喀斯 特生态
生物地球化学循环研究
生物地球化学循环研究生物地球化学循环，是指地球上各种生物元素与无机元素之间相互转化的过程，是维持全球生态平衡的重要因素之一。
近年来，随着全球环境问题的日益严重，对生物地球化学循环的研究也越来越深入，为人类探索全球环境变化提供了重要的科学数据支持。
一、生物地球化学循环的基本过程生物地球化学循环通常分为三个过程，即生物固定、物质循环和生物释放。
简单来说，就是植物通过光合作用将二氧化碳、水和养分转化为有机物质；然后有机物质通过食物链逐层转化，在各个生物体间循环；最后，生物体死亡后，有机物质被微生物分解为无机物质，供下一轮生物固定。
二、生物地球化学循环的关键元素生物地球化学循环中，碳、氮、磷是最为重要的元素。
碳元素是生物体构成有机物的基础，通过二氧化碳固定到有机物中，并在呼吸和分解过程中释放出来，影响大气中的缺氧气体；氮元素是构成核酸和蛋白质的基础，在土壤中的循环能够维持作物生长的良性循环；磷元素是细胞质膜和ATP等重要分子的组成成分，在海洋中的循环对海洋生物的生长起着重要作用。
三、生物地球化学循环的研究方法近年来，随着科技水平的提升，研究生物地球化学循环的方法也越来越多样化。
其中，同位素示踪技术被广泛应用。
同位素是指同一元素中质子数相同、中子数不同的不同种类，它可以被用来追踪不同应用场合的元素，探究元素的来源、传输路径和作用过程。
四、生物地球化学循环的应用生物地球化学循环在许多领域都有广泛的应用。
在人类农业生产中，针对不同植物和土壤的养分需要有特定的养分调控方案，了解生物地球化学循环有助于调整养分平衡；在环境保护方面，密切关注生物体内的有毒污染物传输路径和污染物转化过程，寻找低风险的污染清理方式。
五、未来趋势随着全球气候变化的加剧，对生物地球化学循环的研究将成为解决环境问题的重要突破口。
未来的研究方向可能包括进一步开发新的研究技术和方法，将生物地球化学循环的过程和结果与生态学和生物学等学科进行更紧密的结合，以推动对全球气候变化和可持续发展的全面认识。
地球科学中的地球化学及应用
地球科学中的地球化学及应用地球科学是研究地球各个层面的一门学科，其中地球化学是它的重要领域之一。
地球化学研究地球物质的成分、构造和变化规律，尤其是矿物、岩石和有机物质的组成和演化过程。
在地球科学中，地球化学的应用广泛，例如研究地球历史、资源勘探、污染控制等方面。
本文将从地球化学的基本概念，地球化学分析方法及其应用三个方面，介绍地球化学在地球科学中的重要性。
一、地球化学的基本概念地球化学是研究地球物质的化学成分及其变化规律的学科，包括有机地球化学、岩石地球化学、环境地球化学和宇宙地球化学等多个分支领域。
其中有机地球化学主要研究有机物质在地球内部形成、演化及其有关过程，岩石地球化学则着重研究岩石中元素、矿物、岩石化学和成岩作用等方面的问题。
环境地球化学主要关注地球表层物质的成分及其与环境之间的相互作用，宇宙地球化学则是研究宇宙物理化学和地球演化之间的关系。
地球化学的研究对象包括天然物质的元素化学组成、矿物、岩石、土壤、水体、大气等各种自然界物质。
地球中比较丰富的元素有O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti和H等，而地球化学家通常还对一些稀有元素、有毒元素和高放射性元素等进行研究。
二、地球化学的分析方法地球化学的分析方法是地球化学研究的基础，主要包括直接测定、化学分离、物理测量等多种手段。
其中最重要的是化学分离技术，可分为物理分离和化学分离两大类。
物理分离主要是利用分散、吸附、过滤、沉淀、离心和浮选等物理现象，将样品不同尺寸、性质和成分的颗粒分离开来。
而常用的化学分离方法有溶剂萃取、离子交换、氧化还原等，其原理是根据矿物或样品中元素、离子之间的化学平衡选择特定的分离剂，将所需元素或离子分离出来。
地球化学分析方法的发展，促进了多个领域的研究，如矿产资源勘探、环境保护、地质演化研究、灾害防治等方面。
其中，矿物资源勘探是地球化学的重要应用之一。
利用地球化学分析方法，先进地面及空中探测技术，对矿床的分布、规模、品位、类型等进行研究，从而实现有效地勘探。
生物地球化学循环在全球变化中的作用
生物地球化学循环在全球变化中的作用随着人类科技的进步和工业化的发展，大量的化石能源被开采和利用，导致了大气中温室气体的浓度迅速上升，从而引起了全球气候变化的问题。
为了解决这个问题，生物地球化学循环起到了至关重要的作用。
本文将从以下几个角度分析生物地球化学循环在全球变化中的作用。
一、碳循环碳的生物地球化学循环包括了碳的进入和离开大气室断面，以及碳在地球的各个界面间的转化。
人类活动增加了CO2的排放，导致了大气层中CO2的浓度的增加，而这种CO2的增加对于气候变化有着重要的影响。
生物地球化学循环通过生物过程和非生物过程将CO2吸收并转化，以达到减少CO2浓度的目的。
例如，植物通过光合作用中吸收二氧化碳和水，并产生氧气和葡萄糖，将二氧化碳通过生物转化转化成有机物，并释放出氧气。
同时，地球上的海洋中也有大量的微生物，它们可以吸收CO2，参与大气和海洋CO2的交换。
因此，碳在经过生物地球化学循环后可以部分地减少大气中的CO2浓度，缓解全球气候变化的问题。
二、氮循环氮循环是生物地球化学循环中最为复杂的过程之一，它能够调节着生态系统中的氮素分布和转移。
人类活动也会对氮循环产生一定的影响。
氮气被固定成化合物，如氨，硝酸盐等化合物，形成了可供生物利用的氮源。
但是，人类活动对于氮循环也有着巨大的影响，特别是因大量的化肥使用而导致了氮的过度积累。
氮的过度积累导致水体中的蓝藻或红潮等有害生物的产生，从而危害了海洋生态平衡。
生物地球化学循环在氮的循环中，能够通过土壤生物固氮等手段，让固定的氮重新进入氮循环中，达到减轻环境压力的目的。
三、硫循环硫循环是生物地球化学循环中非常重要的一个循环过程，它可以减少大气污染并促进植物生长。
硫化氢、二氧化硫和其他硫化合物被大气和水体中的生物材料（例如，海藻和其他浮游生物）吸收和转化，进而减少了空气污染，促进了植物的生长。
硫循环过程中还会产生气溶胶，这些气溶胶是影响大气辐射平衡的重要成分。
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生物地球化学循环研究在地球系统科学中的地位与应用耿安朝摘要文章采用系统科学的基本原理和方法,阐明了地球系统科学与可持续发展战略之间的关系,重点探讨了物质的生物地球化学循环研究在地球系统科学中的地位与作用。
选择氮磷营养物质并建立以湖泊为中心的陆地地球系统,尝试性探讨制定区域可持续发展战略的基本思路方法,从社会与自然生态两方面提出实现系统可持续运转的调控措施。
关键词地球系统科学;可持续发展;生物地球化学循环;氮磷物质中图分类号X 1421地球系统科学与可持续发展地球系统科学强调将地球的大气圈、岩石圈、生物圈作为一个互相联系的系统,研究作用于该系统内的物理的、化学的和生物的过程,着重探讨十年至几百年的变化及其人类生活和生产活动的关系,提出制约、改变和适应这些变化的措施[1]。
从系统论的观点出发,地球系统科学的研究内容应该包括自然与社会两大系统以及二者之间的相互作用。
其中,自然系统由大气、海洋和陆地三部分组成,它们之间通过在界面处所发生的物理、化学和生物等复杂过程而进行着物质和能量的交换;人类本身作为自然的产物,它所构成的社会系统既依赖于自然而存在,又重要地影响着自然过程。
人类社会的一切生产与生活活动无时不在与自然系统产生相互作用,构成所谓的“人—地”关系。
象在自然系统之间所进行的一样,自然与社会系统之间的作用形式,也同样表现为物质与能量以及信息的交换。
因此,人类社会参与自然过程成为地球进入人文时期以来的重要特征。
用系统科学的理论和方法进行研究时,可将地球视为由大气、海洋、陆地和人类社会等大系统所构成的巨系统,同时将实现可持续发展确定为该巨系统的总目标。
在此意义上讲,可持续发展的具体含义可以理解为通过优化调控人类活动和维护自然系统,实现整个巨系统的可持续运转。
图1给出地球系统科学与可持续发展之间的关系。
为实现这个总目标,地球系统科学必须揭示各个系统之间的内在联系,定量描述系统之间的物质与能量交换规律及———————————————收稿日期:1999-01-21耿安朝.男,1962年生,教授,苏州城建环保学院环保系,苏州,215011第12卷第3期J .SU ZHOU INSTITUTE OF URBAN CONSTRU CTIONVol .12No .31999年9月AND E NVIRONMENTAL PROTECTION Se p .1999苏州城建环保学院学报其影响。
然后通过综合与优化,确定各个系统实现可持续运转的分目标,为制定可持续发展战略和实施调控奠定基础。
图1所构筑的巨系统,明确包含着三个层次的工作。
首先,研究物理气候系统的变化、揭示物质的生物地球化学循环规律和分析预测人类经济社会的发展,构成地球系统科学的核心内容。
特别是在系统科学的角度上,定量描述这三者之间的关系,成为跨越自然科学与社会科学的综合课题。
其次,在充分进行上述研究的基础上,优化确定实现可持续发展的各个系统目标,制定可持续发展战略。
这属于决策科学的范畴,需要以地球系统科学为决策支持,所以说地球系统科学是可持续发展战略的科学基础。
另外,根据可持续发展战略,对社会与自然系统实施调控,以确保整个巨系统长期可持续运转。
该层次属于工程范畴,势必涵盖一系列在经济技术上切实可行的工程措施。
图1地球系统科学与可持续发展的关系2物质的生物地球化学循环研究地球自然演化的原动力经历了从内部能量到以太阳能为主的漫长过程,这种演变的结果导致地表元素分布、海洋与大气化学组成的改变,进而影响整个地球的气候。
物质在地球24苏州城建环保学院学报1999年系统的运动具体表现为一系列复杂的物理、化学和生物过程,以太阳能为动力,在地表不断地进行着迁移、转化以及系统之间和界面处的交换。
揭示地表物质的运动规律及其对全球变化的影响,是生物地球化学循环研究的核心内容,也是地球系统科学的中心问题之一[2]。
(1)在地球系统的大气、海洋和陆地三大部分之间,物质链是它们相互联系的主要形式。
物质链穿越界面的循环运动,造成了三大部分之间的相互影响。
同样,对构成地球系统之一的陆地地球系统而言,在它的土壤、河流、湖泊、生物等各个子系统之间所形成的物质链及其运动形式,是研究陆地地球系统所必须面对的核心问题。
因此,所谓地球系统科学可以理解为采用系统科学的原理和方法,综合研究目标系统的物质运动规律、作用机制、由此而引起的系统变化以及制约和适应这种变化的优化措施。
研究各个子系统界面之间物质链的传递规律以及在各个环节的作用机制,定量描述界面物质的运动行为,既是物质的生物地球化学循环研究的核心内容,又是开展地球系统科学研究的关键所在。
(2)研究物质的生物地球化学循环规律,是探索物理气候系统变化成因的科学基础。
生物的出现,导致了地球特别是地表系统的重要变化,物质在地球各系统之间的一系列生物地球化学循环,通过界面物质的运动,形成现在的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。
进入人文时期以来,人类对自然界生物地球化学循环过程的干预,势必对地球的物理气候系统产生重要影响。
目前,人们普遍关心的是那些重要参与生物地球化学循环的元素,主要包括C 、N 、S 、P 、O 、重金属等。
人为活动导致这些元素在大气圈、水圈、土壤圈和生物圈的再分配,是人类社会对地表环境产生影响的最根本原因,充分揭示其内在规律已经成为环境地球化学研究的热点问题之一。
因此,作为地球系统科学的重要内容,开展全球变化研究必须与物质的生物地球循环研究综合起来。
(3)人类所建立的复杂的社会系统为维持运转,需要不断地从大自然摄取资源,然后再以所谓“废物”的形式排放到自然界。
这种对自然系统的影响本质上表现为对各系统之间物质链的干涉,已经成为物质链中重要的一环。
特别是近几百年来,由于工业革命和人口的急剧增长,导致人类的生产和生活活动大规模地介入到物质的生物地球化学循环过程,进而对全球变化产生目前尚难以估计的影响,全球气候变暖现象就是一个明显的例证。
因此,研究人类社会对生物地球化学循环的影响,定量描述其影响的程度和范围,是“人—地”关系研究的重要内容。
(4)所谓可持续发展一般指在综合考虑人口、社会、经济、资源和环境的情况下,公平地照顾到这一两代与后代的福利发展。
地球作为一个敞开的复杂巨系统,其组成可视为由人口、社会和经济所构成的社会系统以及由资源与环境所构成的自然系统。
要实现可持续发展,就必须协调这两个系统之间的相互关系,通过优化和调控,最终实现整个巨系统的长期可持续运转。
在资源———社会———环境三者所构成的三角关系中,其内在联系和相互影响主要靠物质链所联系。
制定可持续发展的战略,必须基于的事实为:(a )资源的最大允许摄取量;(b )人类社会维持生存与发展的资源必需量、使用方式和排放方式;(c )可持续的环境质量。
显然,要回答这三个事实,就必须揭示物质的生物地球化学循环规律,定量地预测和评价人为行为所造成的物质运动对自然系统正常运转而产生的效应。
因而物质的生物地球化学循环研究是可持续发展战略的基础之一。
第3期25耿安朝:生物地球化学循环研究在地球系统科学中的地位与应用3氮磷物质的生物地球化学循环研究与应用利用地球系统科学的理论和方法,为制定区域可持续发展战略奠定基础,选择与人类关系最密切的陆地地球系统进行区域性研究,在目前具有现实意义。
本文选择典型的界面物质-氮磷营养物质,区域性地研究其在太湖流域的生物地球化学循环规律,以此来阐明地球系统科学在制定区域可持续发展战略中的基本思路和方法。
湖泊作为陆地地球系统的一个子系统,与大气、河流、底部沉积物、水生生物、土壤以及人类生产生活活动等之间,存在着复杂的物质和能量交换,湖泊水体的化学组成是这些交换过程综合作用的结果。
氮磷营养物质在水体中生物地球化学作用都是在一定水深和氧环境、有机质、微生物细菌和水生生物等的间接和直接参与下进行的,包括氧化和还原、溶解和沉淀、吸收同化、吸附和解吸、迁移和富集、扩散和埋藏及生物扰动等[3]。
广泛进行着的生物地球化学循环不断地调节和改变着水体中营养物质和其它敏感元素的浓度,直接影响着水体质量。
太湖位于人口稠密,经济发达的长江三角洲南缘,地跨江浙两省,水面面积2338.1km 2,平均水深2m 左右。
太湖是该地区的主要饮用水源,兼有调蓄、灌溉、航运、旅游、养殖等功能。
近十几年来,随着人口的急剧增加和经济持续高速发展,大量工业废水和生活污水直接排入湖中,加之农业上使用化肥农药造成的面源污染,给太湖综合治理营养物质污染问题带来很大困难。
目前,太湖整体上处于中营养向富营养过渡的状态,局部水域已发生富营养化[4]。
对水域内重点工业污染源作为首选措施实施治理,只能起到抑制势头的效果,继续站在地球系统科学的角度综合探讨该区域的战略决策,对实现太湖流域的可持续发展十分必要。
图2给出以太湖湖体为中心所建立的区域陆地系统示意。
图2太湖流域陆地系统示意系统内参与氮磷营养物质生物地球化学循环的主要环节包括:(1)大气:降水过程洗脱进入湖水,或者N 2、NO 、N 2O 、NH 3等的逸出;(2)河流:入流与出流河水携载;26苏州城建环保学院学报1999年(3)沉积物:与水体之间发生沉淀、吸附、解吸、溶解和再悬浮等过程;(4)水生植物:水生植物同化吸收、死亡分解与沉积所构成的循环;(5)蓝藻:蓝藻同化吸收、死亡分解与沉积所构成的循环;(6)浮游动物:浮游动物生长摄取与死亡分解所构成的循环;(7)工业废水和生活污水:直接排入水体;(8)面源污染:农业上使用的化肥、农药等随地表径流排入水体;(9)养殖业:饲料等所含营养物质的排入;(10)灌溉与饮用取水:直接从水体取出。
上述10个主要环节中,前面6个构成生物地球化学循环的自然过程,后面4个表现为人类活动对自然系统的干预。
为实现整个系统的可持续运转,必须维持营养物质在系统中的平衡。
在充分调查研究各主要环节之间物质传递规律的基础上,可以对系统进行质量守恒分析。
输入量=[大气系统交换的变化量]+[与河流系统交换的变化量]+[与沉积物交换的变化量]+[工业废水和生活污水排入量]+[面源排入量]+[养殖业排入量]输出量=[水生植物(利用去除量+沉积去除量)]+[蓝藻(利用去除量+沉积去除量)]+[大型浮游动物(捕捞去除量+沉积量)]+[灌溉与饮用水取出量]在上述系统中,首先要根据氮磷物质的生物地球化学循环综合研究结果与区域经济社会发展规划,确定整个系统的社会经济发展目标及各项资源环境目标。
并在此基础上,优化筛选各种调控措施,通过调节社会与自然系统,控制输入和输出水体的营养物质平衡,最终实现区域的可持续发展。
分析输入系统的各个环节,除大气洗脱和沉积物释放外,主要为人类社会的生产与生活活动所排入。
资料显示[5～6],西太湖单位面积的平均氮、磷污染负荷量分别为11.8和0.83g /m 2.a ,每年滞留在湖内的氮、磷量分别为3105t 和946t ;东太湖的平均氮、磷污染负荷分别为51.6和3.95g /m 2.a ,氮、磷输入量分别为6754t 和519t 。