第七章 硫的生物地球化学循环
第七章 生物地球化学循环(一)
第7章生物地球化学循环第1节土壤的组成第2节土壤的性质第3节物质循环与土壤形成第4节土壤分类与土壤类型第4节生态系统的组成与结构第6节生态系统的能量流动第7节生态系统的物质循环第8节地球上的生态系统引子：生物地球化学循环概述一、何谓生物地球化学循环？1.概念：生命有机体及其产物与周围环境之间反复不断进行的物质和能量的交换过程。
2.过程：物能的吸收-同化-排放-分解-归还-流失3.性质：非封闭的循环（进入土壤、岩层、海底）4.主体：生物和土壤5.循环的介质：水和大气二、人类对生物地球化学循环的影响1.大气、水体、土壤的污染2.污染物质的迁移、转化和集散3.对人类健康的威胁第1节土壤的组成引言：土壤与土壤肥力1. 土壤：在陆地表层和浅水域底部、由有机和无机物质组成、具有肥力、能生长植物的疏松层。
2.土壤的本质是肥力，指土壤中水、热、气、肥（养分）周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物需求的能力。
3. 土壤是一种类生物体代谢和调节功能比生物弱（如温度）不具有生长、发育和繁殖的功能不具有功能各异的器官一、土壤的无机组成1. 原生矿物：在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物。
土壤中各种化学元素的最初来源；土壤矿物质的粗质部分；经化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需养分。
2. 次生矿物：岩石在化学风化过程中新生成的土壤矿物，如粘土矿物。
土壤矿物质中最细小的部分；具有吸附保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
二、土壤的有机组成1.原始组织：包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。
土壤有机部分的最初来源2.腐殖质：有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的、比较稳定的分解产物，呈黑色或棕色，性质上为胶体状（颗粒直径<1μm）。
具有极强的吸持水分和养分离子的能力，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。
土壤中生活的重要生物类群三、土壤水分1.土壤水分通常是以溶液的形式存在的。
生物地球化学循环及其对全球环境的影响
生物地球化学循环及其对全球环境的影响地球是一个复杂而系统的生命体，生物地球化学循环被视为其中最重要的一个过程。
生物地球化学循环是指各种元素在生物圈、岩石圈、大气圈和水圈之间的循环。
它包括营养元素如碳、氮、磷、硫、钙、镁和铁等的循环，同时还涉及多种有机物和化学物质的循环。
这一过程是全球生态系统的重要组成部分，能够影响到环境保护、气候变化、人类健康等诸多方面，因此，本文将从不同角度对其进行探讨。
一、营养元素的循环营养元素的循环是生物地球化学循环中的重要环节。
其中，碳、氮、磷和硫是存在于生物体内的关键元素。
其循环过程由生物、地理和化学因素共同协作完成，影响着全球的生态系统平衡和物质流动。
以下分别介绍这些元素的循环过程。
1. 碳循环碳是地球上最丰富的元素之一，其循环过程主要有四个方面：生态系统的碳库、大气二氧化碳的环境与气候效应、碳库在全球生态系统中的动态平衡，以及海洋与蒸发对碳存储的影响。
其中，大气二氧化碳的环境与气候效应最为明显。
由于人类活动导致化石燃料的大规模燃烧，二氧化碳排放量不断增加，引发了气候变化的警示。
而生物地球化学循环中，植物蒸腾作为一种被动的作用，在空气中吸收水分并释放二氧化碳，进而促进碳的循环。
2. 氮循环氮是地球上最常见的元素之一，其循环过程主要涉及生态系统内氮转化、生物固氮、土壤的氮库和植物、动物对氮的吸收和归还等。
其中，氮转化是氮循环中最为关键的过程之一。
通过氮进行吸收后，微生物对其进行转化，并进一步将固态氮转化为氨气、硝酸盐等形式，帮助植物生长和发育。
氮的过量增加会改变植物和动物生长，加剧土壤侵蚀和花费暴跌等问题，对生态环境和人类社会带来深远影响。
磷是组成核酸和骨骼的重要元素，对固定氮肥、制药工业、重金属污染物处理等都有着重要作用。
其主要来源是岩石圈、水圈和生物圈。
其中，生物圈是磷的主要库，其中磷化学元素维持生物活动、促进植物的生长以及如同银行存款的方法一样确保了磷的循环。
在生物地球化学循环中，人类活动是影响磷循环的主要原因。
湖泊中硫的地球化学循环效应研究
湖泊中硫的地球化学循环效应研究
湖泊是地球表面的淡水储存库之一，同时也是地球化学循环的重要组成部分。
硫在水体中的循环过程受到湖泊特有的环境条件的影响，其地球化学循环效应引起了科学家们的关注。
硫在湖泊中的循环主要涉及到硫的不同形态之间的转化过程，包括硫化合物的形成、氧化还原反应、硫循环的生物过程等。
湖泊中的硫来源包括大气中的硫氧化物、水体中的溶解气体、湖泊底部的沉积物等。
湖泊中的硫主要以硫酸盐的形式存在，其中硫酸盐的浓度和种类在不同湖泊之间存在差异。
湖泊中硫的地球化学循环效应首先表现在湖泊的水化学特征上。
硫酸盐的浓度可以反映湖泊的硫含量和硫循环的强度，不同硫酸盐之间的比例可以指示氧化还原反应的程度。
硫酸盐浓度高的湖泊一般具有较强的硫循环能力，反之亦然。
湖泊中的硫循环对湖泊生态系统的稳定性和功能有着重要影响。
硫是许多微生物生长所必需的元素，它参与了湖泊中的氮、磷等元素的循环过程。
湖泊中的硫循环能影响微生物的生长和代谢活动，进而影响湖泊生态系统的结构和功能。
湖泊中硫的地球化学循环效应还与湖泊环境污染和人类活动有关。
湖泊是重要的污染物储存库，硫的循环也会影响湖泊中污染物的转化和迁移过程。
湖泊中硫酸盐的还原反应会导致硫化物的生成，从而影响溶解氧的分布和水体的呈黑色。
总的说来，湖泊中硫的地球化学循环效应是一个复杂的过程，涉及到硫的不同形态之间的转化和湖泊中的生物过程。
对湖泊中硫循环的研究可以帮助我们更好地理解湖泊生态系统的结构和功能，并为湖泊环境保护和管理提供科学依据。
地球化学解析生物地球化学循环过程
地球化学解析生物地球化学循环过程地球上的生物地球化学循环是一种重要的生态过程，它通过不断循环的能量和元素转化，维持着地球生态系统的平衡。
本文将通过地球化学的角度，解析生物地球化学循环的过程和机制。
一、碳循环碳循环是生物地球化学循环中最重要的一个环节。
地球上的生物体通过光合作用吸收二氧化碳转化成有机物，释放出氧气。
植物通过呼吸作用将有机物分解成二氧化碳，同时释放能量。
动物通过食物链摄取植物产生的有机物，将有机物分解成二氧化碳和水，并释放能量。
生物体死亡后，有机物会经过分解作用，将碳元素重新释放到环境中。
而某些有机物则会沉积在地下或海洋中，形成石油和石煤等化石燃料。
二、氮循环氮循环是生物地球化学循环中另一个重要的过程。
大气中的氮气不能被生物直接利用，但通过闪电和微生物固氮作用，将氮气转化成氨、硝酸盐等可供生物利用的形式。
植物通过根系吸收土壤中的氨、硝酸盐等形式的氮，合成氨基酸等有机物，然后通过食物链传递给动物。
动物排泄的尿液和粪便中含有氮，经过分解作用可再次还原成氨，供应给植物继续利用。
此外，在海洋中还存在氮沉降和浮游植物吸收等机制，使氮循环在陆地和海洋之间实现平衡。
三、水循环水循环是生物地球化学循环中不可或缺的一环。
太阳的热量使得地表水蒸发形成水蒸气，升至高空形成云，随后降雨或降雪回到地面，形成河流、湖泊和地下水。
植物通过根系吸收地下水，将其中的水分蒸散到大气中，同时释放氧气。
动物则通过饮水和饮食摄取水分，将其中的水分通过新陈代谢排出。
水循环不仅维持着生物体的生存，也将养分输送到各个地区，促进了生物地球化学过程的进行。
四、矿物元素循环除了碳和氮，其他的关键元素如磷、硫、铁等也在生物地球化学循环中发挥着重要作用。
这些元素在土壤、岩石、海洋中以无机盐的形式存在，被生物体通过摄取和吸收利用。
植物通过根系吸收土壤中的矿物盐，动物通过食物链摄取植物中的矿物元素。
当生物体死亡后，分解作用会将这些矿物元素重新释放到环境中，形成一个循环。
湖泊中硫的地球化学循环效应研究
湖泊中硫的地球化学循环效应研究
硫是地球上最常见的元素之一，它有着广泛的化学循环。
在湖泊中，硫的地球化学循环对于水体质量和生态系统健康至关重要。
硫在湖泊中的循环可以通过多个途径实现，包括植物和动物生物体内的代谢产物交换，以及来自大气和地下水的输入。
湖泊中的每个生态系统都有其硫循环的特点。
早期的湖泊可能会有大量的硫，因为它们被认为是休眠期的湖，缺乏大量的氧气和生态系统，从而导致了硫还原细菌大量繁殖。
硫还原细菌消费有机质并将硫转化为硫化氢，这是一种有毒气体，不利于湖泊生态系统的发展。
然而，正常的湖泊循环过程包括硝化和硫氧化过程，这是以氧气为基础的，产生硝酸盐和硫酸盐。
近些年来，湖泊水质管理已成为各国政府和科学家的关注点之一。
硫循环在湖泊生态系统中起着重要的作用，例如硫氧化和硫还原细菌的生长和死亡会影响湖泊的化学和物理状态。
中国的洞庭湖就是一个相关研究的案例。
洞庭湖是中国第二大淡水湖，近年来由于污染和过度开发而受到了严重影响。
研究表明，洞庭湖中的硫循环是一个复杂的系统，其主要受到水体的温度和氧化还原电位等因素的影响。
硫循环的研究可以帮助科学家更好地了解湖泊生态系统的健康状况以及如何管理这些生态系统。
例如，研究表明，在缺氧环境下，硫还原细菌的繁殖率会增加，从而增加湖泊中毒素和气体的风险。
了解这些过程可以帮助我们更好地制定湖泊保护和修复计划，以便消除硫还原细菌和其他对湖泊健康有害的生态系统。
总之，湖泊中的硫地球化学循环对水体质量和生态系统健康至关重要。
科学家对湖泊中硫循环的深入研究以及对其对湖泊生态系统的影响进行持续监测，有助于管理和改善湖泊生态系统的健康状况。
湖泊中硫的地球化学循环效应研究
湖泊中硫的地球化学循环效应研究湖泊是地球上重要的淡水资源，也是全球硫元素的重要存储和循环库。
湖泊中硫的地球化学循环效应研究对于理解湖泊生态系统的功能和变化具有重要意义。
本文将从湖泊硫的来源、循环途径、地球化学效应等方面进行探讨，并阐述其在湖泊环境中的意义和展望。
湖泊是地球上重要的硫源之一。
硫的输入主要来自于大气降水和土壤侵蚀物等。
大气中的气态氮氧化物经降水作用进入湖泊，在湖水表面氧化成硝酸盐和硫酸盐，形成一些硝酸盐和硫酸盐富集的湖水。
湖泊周围的植物和土壤中的有机物质降解产生的硫化氢和硫酸盐也是湖泊中的硫源。
湖泊中的硫主要以硫酸盐和硫化物的形式存在。
湖泊中硫的循环途径复杂多样。
湖泊内部的生物活动是湖泊硫循环的重要过程之一。
湖泊中的浮游植物和蓝藻通过光合作用吸收湖水中的无机碳和硫酸盐，产生机构物质和硫化物。
这些有机物质和硫化物被沉积于湖底，形成有机质富集的沉积物。
湖底沉积物中的有机物质通过微生物的分解作用释放出硫化氢和硫酸盐，进而参与湖泊水-沉积物界面的硫交换过程。
湖泊中的湖水混合作用也会影响硫的循环。
湖泊水体的混合可以重新分配湖水中的硫酸盐和硫化物，从而影响湖泊水体中硫的分布和富集程度。
湖泊中硫的地球化学循环对湖泊生态系统的功能和变化具有重要影响。
硫元素在湖泊生态系统中扮演着重要的角色。
硫酸盐和硫化物是湖泊中重要的无机营养盐，对浮游生物的生长和营养吸收起到关键作用。
湖底沉积物中的有机物质富集也为湖水中硫的循环提供了重要的源。
湖泊硫的地球化学循环还会影响湖泊中的氧化还原环境。
湖泊底层水体中的硫化物可以释放出硫化氢，导致湖泊底层水体的还原性增加。
硫化氢的释放还会影响湖泊水体中其他化学物质的转化和生物有效性。
未来的研究中，需要进一步深入探索湖泊硫循环的机制和影响因素。
研究人员可以通过野外观测和实验室模拟研究等方法，揭示湖泊中硫的来源和循环途径、硫化物和硫酸盐的转化、湖底沉积物中硫的释放等方面的变化规律和机制。
自然界中的硫循环
自然界中的硫循环
硫循环是指地球上硫元素的自然循环过程，包含了硫的氧化还原、生物地球化学和岩石圈-大气系统的相互作用等。
硫元素在地表气候、
大气化学、土壤生命、沉积岩石和地热活动等多个方面起着重要的作用。
在大气中，硫元素以二氧化硫和硫氧化物的形式存在，它们可以
通过光化学反应与其他元素结合形成气溶胶颗粒，在大气中形成云、
光学现象甚至影响气候。
在地球表层，硫元素则参与光合作用、腐殖
质分解和土壤养分循环等生物地球化学过程，以及火山喷发和海底喷
气孔等地热活动。
此外，硫元素还与地壳和岩石相互作用，通过水文
地质等过程循环于地球内部和地表，参与矿物化学和岩石风化等过程。
硫循环对于维持地球的生物多样性和可持续发展至关重要。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
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2(H2S)g+O2→2S0+2H2O 2S0+2H2O+3O2→2SO42-+4H+
(7.11) (7.12)
固7．3表明，水一沉积物系统中H2S的氧化至少 存在三条路径。不过．光合自养细茵只局限于在 水深小于10一20m的地方生长，因而有关这一支 路的氧化只在局部范围内是重要的。
主要含硫矿物的形成过程
例如，乳酸盐的呼吸代谢就是这样一个实例:
还有一些微生物，例如脱硫木醋杆菌(Desulfuromonas acetoxidans)，具有把元素硫氧化为H2S的功能： 在较浅的水体中，上述反应产生的H2S气体，常常 从水分室中逸出而输人大气分室，并导致类似“鸡 蛋腐败”的奥味。这是盐沼和湿地生态系统的特征。
第二节 循环的关键反应
• 循环过程中的主要反应 • 主要含硫矿物的形成过程
循环过程中的主要反应
尽管硫是生物圈重要成分，但它最重要的生物地球化 学反应，却发生在硫的无机形态通过一2和十6氧化态 之间的相互转化，并在各种关键的氧化一还原反应中 起着电子受体或电子供体的作用。 例如，在富含有机质的缺氧水体中，硫酸还原细菌能 够利用硫酸根(SO42-)作为氧化剂，在把有机质氧化降解 为CO2的同时获得化学能。有关的反应如下：
硫的生物地球化学循环是生物圈最复杂的循环 之一，它包括了气体型循环和沉积型循环两个 重要的生物地球化学过程(见图7．1)。这是由 硫的生物地球化学基本特征所决定的、也是其 地球化学与生态化学过程(包括侵蚀、沉积、淋 溶、降水和向上的提升作用等)和生物学过程 (包括合成、降解、吸收、代谢和排泄作用等) 相互作用的结果。
第七章 硫的生物地球化学循环
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 循环的基本过程 循环的关键反应 工业革命前硫的循环 循环的现代库存和通量 硫的甲基化机制 不同生态系统中硫的循环
第一节 循环的基本过程 • 硫的生物地球化学循环的过程 • 硫的生物地球化学循环的主要特征
硫的生物地球化学循环的过程
在绿色植物光合作用以及大气圈氧气升高的阶段到 来之前，经反应(7．5)产生的大部分H2S，能够被具 有光合能力的紫色和绿色硫细菌重新转化为硫酸根：
过程(7．9)往往比过程(7．10)要快，致使生物一 非生物复合系统中常常有元素硫的积累。然而， 在当今条件下，由于大气圈和水圈的氧化条件改 善，大部分H2S只是经简单的一系列氧化反 应．就可转化为硫酸根。主要的反应式如下：
厌氧微生物把硫酸根还原为硫化氢，以及硫化氢 的氧化作用，构成了硫的一个极其封闭式的循环。 它酷似光合作用与呼吸作用构成的循环。正是由 于这个特点，以及在全球尺度上只涉及光合作用 所产生肋一小部分碳，因而它的这一循环在全球 水平上并不特别重要。但是．当含有赤铁矿的海 洋沉积物中出现上述硫酸根的厌氧微生物还原， 则意味着开始了具有全球意义的生物地球化学循 环。在这些沉积物中，所谓的“无色细菌”在对 有机化合物进行氧化的同时，把赤铁矿中的铁(Fe) 以及硫酸根中的硫(s)进行还原：
例如：
• 硫的生物地球化学循环的重要特征，还涉及到一系列由酶 催化的氧化一还原作用，而酶通常含有Fe、Cu或某些其它 属。因此，硫生物地球化学循环的后果之一，是形成两种 重要的矿物：石膏和黄铁矿。在这种意义上，硫的生物地 球化学循环无疑是一类沉积型循环。此外，植物组分可以 改变硫的生物地球化学循环的方向。这主要是指植物吸收 土壤溶液或海水中的硫酸盐，并将其还原为有机硫化物如 半腕氨园、肮氨酸和蛋氨酸，它是许多蛋白质的基本成分 。可见，硫的生物地球化学在很大程度上受植物组分的影 响。因此，人类活动的目的在于如何增大这一支流的通量 。
基于我们前节的探讨．可以在全球水平上把地球分成 以下5个分室：以石膏[(CaSO4·2H2O)、]沉积为持征的氧 化沉积分室、以赤铁矿[FeS2]等含硫铁矿沉积为特征的 还原沉积分空、大气硫分室、海洋硫分室和土壤硫分 室．并基于稳定状态的硫循环，我们可得图7．4所示 的硫生物地球化学循环的基本模型。
另一个具有全球意义的硫矿物，是石膏(CaSO4·2H2O) 。它 的形成反应如下:
由于该反应需要结晶核的形成，因而是一个相对缓慢 的过程。通常，SO42-，’通过取代方解石中的CO32-， 即通过不均匀成核反应．形成石膏：
有趣的是，这一循环对大气圈中氧气的含量，具有 潜在的影响。因为，它把海洋沉积物(方解石)中固 定的CO32-置换到海水中，可以为光合浮游生物利 用．这等于促进了大气氧气的产生。当这些石膏沉 积物被带到地球表面，并进行风化作用：
在这个过程中，产生则不溶性化合物在海洋沉积 物中逐渐积累，形成具有经济意义的赤铁矿。 当人类活动或者其它过程把赤铁矿提到地表并进 ห้องสมุดไป่ตู้有关的风化作用，便完成了一个循环。有 关的风化反应如下：
事实上．在海洋沉积分室和土壤分室中，铁硫 化物的种类很多，除了赤铁矿(FeS2)外，还存在 无定形硫化铁(FeS)、马基诺矿(FeS0.9)和硫复铁矿 (Fe3S4)。例如．在土壤或沉积分室中，铁氧化物 如羧氧铁矿可与孔隙水中的H2S发生反应： 和 其结果是形成无定形硫化铁。无定形硫化铁 逐渐结晶，可转化为马基诺矿。
硫的生物地球化学循环的主要特征
• 在这些复杂的过程中，硫最重要的生物地球化学作用 是参与活有机体的功能。在生物能的催化作用下，硫从一 种氧化态转化为另一种氧化态（图7．2)。这样，生物圈 中的硫由于形成了各种各样的有机和无机化合物，改变了 硫化物的生物地球化学特性及其在大气分室、土壤分室和 水分室中的分配。元素硫经过硫氧化细菌、化学氧化成入 为合成作用可转化为硫酸盐。活的有机体特别是细菌则起 着改变其地求化学环境(Eh和pH)的作刀，每一微生物执行 着特定的化学氧化或还原作用。
从而完成了一个完整的循环。
第三节 工业革命前硫的循环
工业革命以前，硫的循环基本上是一自然生物地球化 学过程，它相对不受人为的干扰。因而，所涉及的化 合物基本上那是自然产生的。表7．1概述了自然界存 在的各种含硫化合物。不同的分室，由于生态环境条 件不同．硫的存在形态也不一样。在大气分空中，气 态的硫与颗粒态的硫，其形态也存在差异。