1. 氧的循环

   1. 氧在自然环境中的循环

氧在各圈层中的浓度如下（括号内数字为元素的丰度次序）： 地球整体：28.5％（2）

地壳：46.6％（1）

海洋：总量 85.8％（1）

溶解氧量，15℃时为 6mg/kg（13） 大气：23.2％（2）

所有元素中，唯有氧是同时在地壳、大气、水圈和生物圈中都有着极大丰度的元素。因此，在生物界和非生物界，元素氧都有着极端重要的地位。按照化合物形态，氧的各种化合物在地球表面的丰度排列次序如表 2－3

所示。列于首位的无机氧主要是指岩石硅酸盐中所含氧。表中还列举了氧在各储层中含有量的估计值。

表 2 — 3 在不同储层中氧的质量（× 1012 kg ）

① 这一行数值不甚确切。

在地壳中，形成岩石的矿物质中约 95％是硅酸盐，其主要结构单元是四面体的［SiO44- ］。其余 5％的组分也大多含有氧元素，如石灰岩中碳酸盐

（CO32-）、蒸发岩中硫酸盐（SO42-）、磷酸盐岩石中的磷酸盐（PO43-）等。氧的离子半径是 140pm（1pm=10^-12m），除钙（100pm）、钠（102pm）、钾（138pm） 外，地壳岩石中其他主要元素的离子半径都小于 80pm。正因为氧具有特别大的离子半径，所以以体积计的地壳元素组成中，氧占了极大的比例。当 SiO44- 这类含氧基团在岩石发生风化碎裂时，通常仍能以不变的原形进入地球化学循环，即随水流迁移到海洋，进入海底沉积物，甚至重新返回陆地。因此， 地壳中存在的氧可看成是化学惰性的。

大气中的氧主要以双原子分子 O2 形态存在，并且表现出很强的化学活性。这种化学活性足以影响能与氧生成各种化合物的其他元素（如碳、氢、氮、硫、铁等）的地球化学循环。大气中的氧气多数来源于光合作用，还有少量系产生于高层大气中水分子与太阳紫外线之间的光致离解作用。

2H O ^uv→ 2H + O

在此反应中同时产生 H2 逸散到大气空间。

在紫外光作用下，大气中氧能转变为三原子分子臭氧。第一步是氧分子通过光解反应生成氧原子：

O2 → O + O

随后，氧原子和氧分子结合生成臭氧分子

O+O2→O3

通过以上反应，在距地面约 10～40km 的大气层上空形成了臭氧层，正常情况下，臭氧分子的形成过程和随后的分解过程在臭氧层中达到平衡（详见7.8.1），所以，臭氧层中的臭氧具有大体恒定的浓度；又由于臭氧的生成和分解都需要吸收紫外光，所以臭氧层成为地球上各种生物抵御来自太阳过强紫外光辐射的天然屏障。臭氧层对于地球生物，有着生死攸关的作用。

在组成水圈的大量水中，氧是主要组成元素；在水体中还有各种形式的大量含氧阴离子以及相当数量的溶解氧，它们无不对水圈或整个生物圈中的生物有着极为重要的意义。

各种含氧化合物在氧循环中发生迁移和转化的情况如图 2－12 所示。在图中所示的各种过程中，许多别的元素也随同氧元素一起进行着循环。

在生物光合作用和呼吸作用的过程中，参与氧循环的物质有 CO2、H2O 等。化石燃料的燃烧和有机物腐烂分解过程则是与呼吸作用具有类似情况的一类氧化反应。对于呼吸作用和燃烧过程将分别在下一节和以后的有关章节中予以详述。

由于火山爆发或有机体腐烂产生 H2S，能在大气中进一步被氧化为含氧

化合物 SO2 ，化石燃料燃烧及从含硫矿石中提取金属的过程中也都能产生SO ，这些 SO 在大气中被氧化为 SO ^2-，然后通过酸雨形式返转地面。相似地，

由微生物或人类活动产生的各种氮氧化合物最终也被氧化为 NO -，然后通过

酸雨形式返回地面。

在陆地（也少量地发生在海洋中），有许多金属通过氧化过程转化为不溶性氧化物；也有一些还原性的非金属可能被氧化为溶解性更大的化合物。如：

4Fe²⁺+3O2 → 2Fe2O3

（易溶） （难溶）

S^2-+2O2 → SO42-

（难溶） （易溶）

大气中的氧和水体中的溶解氧之间存在着溶解平衡关系。当由于某种外来原因引起平衡破坏时，该水-气体系还具有一定的自动调节、恢复平衡的功

能。例如当水体受有机物污染后，水体中的细菌当即降解有机物并耗用水中溶解氧，被消耗的溶解氧就由大气中的氧通过气-水界面予以补给。反之，当大气中氧的平衡浓度由于某种原因（例如岩石风化加剧）低于正常浓度时， 则水体中溶解氧浓度也相应低落。由此，水体中有机物耗氧降解作用缓慢下来，相反地促进了水生生物的光合作用（增氧过程），这样就会进一步引起表面水中溶解氧浓度逐渐提高到呈过饱和状态而逸散到大气中去。