自然环境中化学物质的循环

自然环境可分为四个圈层：生物圈、大气圈、水圈和岩石圈，总称生态圈，这是经过漫长的演化而形成的。各圈层之间有着复杂的物质交换和能量交换，如图 4－1 所示。

图 4－1 生物圈、水圈、大气圈和岩石圈中的无机物交换示意图

根据放射性同位素方法推算，地球的年龄约为 46 亿年，自然环境发展历史可划分为地球的形成、生物的形成和人类的出现三个阶段。

地球的形成 地壳内部大量放射性元素的裂变和衰变所释放出的能量的积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击等，导致了地球火山的强烈活动，使地球温度升高到出现局部熔融，重元素沉入地心，轻物质浮升到地表，逐渐形成地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。与此同时，被禁锢在地球内部的气体不断迸发出来，形成原始大气圈，其主要成分为 H2O，CO，CO2，CH4 和 N2 等。当时不含有氧气，这是一个还原性大气圈。水气凝结后在低凹处汇聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述过程历时约 10～15 亿年。显然，早期地表环境的显著特征是缺氧，也没有臭氧层，太阳辐射中的高能紫外线可直接射到地面上。

生物的形成 在太阳能和地热能的作用下，简单无机化合物和甲烷等化合形成了简单有机化合物（如氨基酸、单糖等），并逐步演化为生物大分子

（如蛋白质、多糖等），为生命的产生创造了条件。大气中 O2 的积累主要是依赖于生物的光合作用。原始海洋中的蛋白质、氨基酸首先形成无氧呼吸的细菌（原生物），并逐步演化为含有叶绿素的藻类，在水体中进行光合作用放出游离氧。经历了 20 多亿年的进化，终于在 6 亿年前出现了海洋的生物群，

4 亿年前形成了水陆生物和藻类的生命系统，逐渐形成了生物圈。游离氧的

出现促进了生命的进化，并使地球在 4 亿年前出现了能屏蔽太阳强烈紫外线辐射的臭氧层，保护了陆地植物的生长。陆地植物的生长和微生物的作用， 产生了土壤层。土壤是岩石与植物相互作用下的产物。土壤层的形成，又使易于流失的养分在地表上富集起来，从而促使陆地植物更加繁盛，保证了生物圈的发展与繁荣。

人类的出现 人类出现距工业革命约 300 万年。在这 300 万年中人类活

动对环境的化学演化的影响并不明显。而工业革命至今不过 200 年，特别是近几十年，自然资源和能源的开发速度和规模都是惊人的，不仅将地下矿藏大量移至地表，把本来固定在岩石中的元素变成了可进入生态环境和人体的

形态，而且将大量的工业废物排入大气、水体和土壤环境中，大大加速了化学物质在自然环境中的迁移，而且迅速改变了各圈层中化学物质的组成和数量。更值得注意的是人口剧增对环境造成的冲击。人类为了自身的需要，不断地向大自然索取，并对与环境的协调长期失去控制，从而引发了近年来倍受关注的环境问题。

人类和其他生物生存的生物圈是在大气圈、水圈和岩石圈的交汇处。生态系统的物质循环就是自然界的各种化学元素，通过被植物吸收而从环境进入生物界，并随着生物之间的营养关系而流转，又通过排泄物和尸体的降解再回到环境中去。如此周而复始，循环不息。

生态系统中各种元素的循环是非常复杂的，现仅就其最主要的水、氮、氧、碳的循环作简要叙述。