第二节 自然地理环境的物质循环

自然地理环境各组成成分之间以及各自然综合体之间的相互联系、相互作用是通过物质循环和能量转换实现的。从系统论的角度看，这就是系统的功能。由于它们的存在，才可能把各种组成成分融合为自然综合体以及把一定等级的不同综合体融合为高一级的自然综合体，从而决定了自然地理环境的整体性，使自然地理环境成为地球上一个相对独立的物质系统。因此，自然地理环境物质循环和能量转换过程的总和称为整体功能。这是整体性研究的核心。

物质循环必须以能量作为动力。没有能量，物质循环就不可能进行。而物质和能量是一个统一体，任何质量本身都包含着一定的能量，能量又一般都以一定的物质为载体。因此，在物质循环的过程中，能量必然伴随着在物质之间发生传递和转换。

自然地理环境中物质循环（蕴含着能量转换）的方式可以归纳为四种类型，即大气循环、水分循环、地质循环和生物循环。从大规模和大范围着眼， 自然地理环境中一切物质运动和能量转化均可由这四大循环加以阐释。因为它们代表了固、液、气三种相态，代表了有机与无机两大物质类型，代表了势能与动能、显热与潜热等不同能量形式在全球范围内的流通过程。

一、大气循环

大气循环是以大气环流的形式进行的，它包括了行星风系（环流）、季风环流和局地环流三种不同尺度的模式。其中行星风系支配着全球性的大气循环（图 4.1）。

大气循环的原动力是太阳辐射。高低纬度间因获得的太阳辐射不等而产生的热力差异驱使大气不断运动，从而输送着物质与能量。

由于气体是极易运动的流体，可以达到较高的流动速度；它又是极易相互渗透的物质，具有较强的交换能力；同时行星风系具有全球性规模。因此， 大气循环成为自然地理环境中传输物质和能量的有效途径之一。

大气循环最显著的作用是重新分配地表的热量和水分。直 接的作用是通过输送贮存在大气环流中的热能和水汽实现的。低纬地区存在的信风环流平均每秒可以流动 2×108 吨空气，赤道地区的大量热能就是通过这一环流机制不断地向中、高纬地区输送；海陆间的环流系统则使海洋水分输送到大陆内部。间接的作用是通过驱动大规模的洋流运动而实现。由于这样的作用，大气环流也就成为气候形成的主要因子之一。

大气环流还积极地搬运地表松散的固体物质。就局部而言，这一作用是相当显著的。突出的例子可以举出美国发生的“黑风暴”。 1953 年 5 月 12 日，加拿大的西段边界与美国西部大草原邻近的几个州刮起了一股黑色尘雾，它以每小时 60—100 公里的速度向东推进。据估计，这股黑风暴携带了

这个干旱地区的 3 亿吨尘土，跨越美国三分之一的领土，直到达东部海岸，

最后倾泻在离岸几百公里的大西洋之中。这次黑风暴平均刮走了 5—30 厘米厚的表土层，毁环了大量农田。在原苏联也曾发生过类似的事件。大气搬运地表松散物质的过程也就是塑造地表形态的过程，因此，大气环流也就作为地貌形成的外力条件之一。

二、水分循环

水分在自然地理环境中的循环有两种主要的方式：一是通过水本身的相变，即从液态或固态转换成气态，随着空气的运动输送到远方，在适当的条件下，再由气态转换成液态或固态返回地表；一是液态水在热力梯度或势能梯度的作用下，通过洋流或陆地上河川径流进行物质和能量的大规模传输。见图 4.2。

在实际过程，这两种形式的水分循环是不可分割的。水分通过蒸发—凝结—输送—降水—径流等相互联系的环节，不断地在海洋—大气—陆地之间循环往复。显然，水分的循环不可能是孤立的。在第一种循环形式中，水分循环加入到大气循环的某些过程中；在第二种形式中，水分循环又参加了地质循环的某些过程。

水分既然处于连续的循环运动过程中，各种水体也就不断地

图 4.2 水分循环图示

（流量单位：1012 吨/年）

进行着自然更新。据估计，大气中的水汽 9 天可更换一次；河流水约需 10—

20 天；土壤水约需 280 年；淡水湖湖水约需 1—100 年；地下水约需 300 年；

盐湖和内陆海水的更新，因其规模不同而有较大的差别，时间约 10—1000

年；高山冰川约需数十年至数百年；极地冰盖则需 16 000 年；海洋中的水全

部更新需时最长，要 37 000 年。

水分循环对于全球性水分和热量的再分配起着重大的作用，这种作用与大气循环相互联系而发生，从而影响了一地气候的主要方面——阵水与气温。水分循环具有物质“传输带”的作用，而且又是岩石圈表层机械搬运作用以及自然地理环境中无机成分和有机成分化学元素迁移的强大动力。在水分循环过程中伴随产生了各种常态地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循环也是生物有机体维持生命活动和整个生物圈构成复杂的水胶体系统的基本条件，起着有机界和无机界联系的纽带作用。总之，水分循环有如自然地理环境的“血液循环”，它沟通了各基本圈层的物质交换，促使各种联系的发生。水分循环过程同时起着水文过程、气候过程、地形过程、土壤过程、生物过程以及地球化学过程等作用。

三、地质循环

地质循环由四个基本过程所构成。第一是风化过程：裸露地表的岩石在各种破环营力的作用下，其内部性质发生机械的和化学的改造和变化。风化作用的结果，使坚硬的岩石成为松散的物质，增强了透水性和通气性，矿质养分元素以可溶性盐的形式被释放出来，并形成一些次生的粘土矿物，为土壤的形成准备了必要的物质基础。第二是输运过程：风化作用的产物，在太阳能和重力能提供动力的前提下，通过各种渠道，输运到远离产生这些物质的地方，实现了地表物质的重新分配。第三是沉积过程：被输运并聚集在海洋底部和陆地下陷部位的松散沉积物，在改变深

太阳能

岩浆上升

喷出地面

隆起

变质作用

风化搬运

岩化作用

变质作用

熔化作用

地热

图 4.3 地质循环图示

度、温度和压力等条件下逐渐密实，改变了原来的结构和成分，并通过岩化作用形成岩石。最后为构造过程：由于地球内能的作用，产生地壳的抬升、下陷、断裂、褶曲、火山、地震等现象，同时也发生大规模的水平运动。构造过程有时剧烈，有时缓慢，或者此处剧烈而彼处平静，主要决定于地球内能的输入状况。在构造过程抬升到地表的物质，又重新经历风化、输运、沉积等过程，形成一个不间断的循环。地壳物质沿着这条“传送带”也不断地从地表到地下，又从地下到地表进行着往复的运动，如图 4.3 所示。

四、生物循环

生物循环即生态系统中的物质循环（图 4.4）。在自然地理环境中，生物循环包含着两个基本的意义：一是生物作为土壤—植物—大气之间的一个联系环节，从而使它成为整个自然地理环境中物

图 4.4 生物循环图示

质能量交换的一个基本通道；二是实现了有机界与无机界之间的互相转化，这是生物循环的最本质的体现。生物循环对于能量的贮存和消耗，对于化学元素的迁移和积累，对于碳循环、氮循环、氧循环和其它有关成分的循环等，都具有明显的作用。具体有如下几点：

1. 生物有机体可以把太阳辐射能转化为化学潜能。当这种能量释放时，便成为地球化学过程的能源。广泛分布于陆地和海洋中的绿色植物通过光合作用，把周围环境中的无机物合成为有机物质的同时，把来自于太阳而被植物所截获的能量转化为化学能贮藏在有机物质中。据估计，陆生植物每年积累的能量约 8.9×1020 焦之巨，大致相同的数量也被海洋植物所固定。而当生物有机体进行新陈代谢作用时，则把这些化学能重新释放到环境中。

2. 生物循环引起化学元素的迁移，使得这些元素在自然地理环境中重新分配。化学元素的迁移现象在地球上出现生物体之前就已存在，但它们迁移的方式仅仅限于物理的和化学的两种。只有当具有新陈代谢能力的生物有机体出现之后，元素的生物迁移才随着生命的进化逐渐加强和扩大。

在生物循环过程中的化学元素迁移的特点是经历了无机物→有机物→无机物的反复转化过程。绿色植物在大气中吸收无机化学元素，也从地壳和水圈中吸收无机化学元素，使许多元素离开原来位置进入到生物体内，并改变了它们原来的存在形式。根据对生命物质的分析，发现几乎在自然地理环境中存在的元素都可以在不同的生物体内找到，但含量则有很大的不同。例如植物体中氮的平均含量比岩石圈高出 30 倍，碳高出 180 倍。被生物有机体所吸收的元素在有机体被异养微生物分解而发生矿化的过程中，又以无机物的形式归还到周围环境中去，并且使这些元素在自然地理环境中重新分布。

1. 生物循环可以改变大气的组成成分，并保持大气圈中气体的相对平衡。在生命有机体出现之前，大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮和氨，

而缺乏氧气。绿色植物出现后，大气中的氧才逐渐丰富起来。地球上的游离氧共计有 1015 吨，这些氧都是生命的产物，是光合作用的结果。

氧是非常活泼的元素，经常积极参加到化合物中去，同时又由于植物光合作用中释放出的氧弥补了大气游离氧的损失，才保持了大气中氧的平衡。又如植物每年要从大气中吸取 1/35 的二氧化碳作为养料，如果没有二

氧化碳返回大气的过程，那么大气中的二氧化碳只要 35 年便消耗殆尽。

正是由于火山爆发、人类活动（燃烧木柴、煤和石油等），特别是生物呼吸以及有机残体的腐烂和矿质化过程，才使得大气中的二氧化碳得到补偿。

1. 生物循环影响并改造水圈中的化学成分。地面水和地下水的化学成分很大程度上受生物循环的制约。例如，有机残体的矿化过程把二氧化物、腐殖质和重碳酸盐离子以及铝、镁、磷、硫等元素运送到水中，并从水中获得游离氧。目前海水富含氯盐类物质，这与海洋的生物活动是分不开的。

2. 生物循环还把太阳能引进成土过程，使分散在岩石风化壳、水圈和大气中的营养元素在地表积聚，有机体本身则是土壤中有机成分的来源，从而使土层产生肥力，促进土壤的形成和发展。

3. 生物循环参与了某些岩石和矿物的形成。目前分布广泛的石灰岩和富含煤和石油的有机岩层，都是由有机残体及有机体活动产物组成的。许多有机体是一定元素的富集者。例如，铁细菌在自己的细胞中或周围可富集氢氧化铁，硫细菌可富集硫，当有机体死亡后，这些聚集的元素就地沉积起来。

因此，铁矿、锰矿和硫矿等的形成与这些富集元素的微生物有关。动物的成矿作用也有很好的例子。如智利和秘鲁的海岛以及我国南海诸岛上沉积的磷矿床就是由海鸟长期排泄的粪便形成的。