Các Chu Trình Sinh Địa Hóa

Các nguyên tố hóa học cấu tạo nên sự sống luân chuyển không ngừng giữa các sinh vật, đất, nước và khí quyển, và việc theo dõi các chu trình này cho thấy các hệ sinh thái và hệ thống Trái Đất được liên kết với nhau như thế nào.

Definition

Các chu trình sinh địa hóa là những con đường mà các nguyên tố hóa học di chuyển và biến đổi giữa các ngăn sống, đất, nước và khí quyển của các hệ sinh thái và hệ thống Trái Đất.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự luân chuyển ở quy mô toàn cầu và hệ sinh thái của các nguyên tố thiết yếu cho sự sống: chu trình carbon và sự trao đổi của nó giữa sinh quyển, khí quyển và đại dương; chu trình nitơ với quá trình cố định, nitrat hóa và khử nitrat; chu trình phốt pho; chu trình lưu huỳnh; và chu trình thủy văn như một chất mang các chất dinh dưỡng hòa tan. Nó đề cập đến các bể chứa và dòng chảy, thời gian lưu trú, và cách hoạt động của con người đã làm thay đổi các chu trình này.

Core questions

• Carbon, nitơ và phốt pho di chuyển giữa các sinh vật và môi trường như thế nào?
• Mỗi nguyên tố trải qua những biến đổi nào trong chu trình của nó?
• Các bể chứa và dòng chảy được định lượng như thế nào và điều gì quyết định thời gian lưu trú?
• Hoạt động của con người đã làm thay đổi các chu trình sinh địa hóa toàn cầu như thế nào?

Key theories

Các bể chứa, dòng chảy và thời gian lưu trú

Mỗi chu trình được mô tả bằng các bể chứa của một nguyên tố và các dòng chảy giữa chúng, với tỷ lệ kích thước bể chứa so với dòng chảy xác định thời gian lưu trú và cho thấy ngăn nào phản ứng nhanh hay chậm với sự xáo trộn.

Sự thay đổi của con người đối với các chu trình nguyên tố

Quá trình cố định nitơ công nghiệp, đốt nhiên liệu hóa thạch và sử dụng phân bón đã làm tăng gấp đôi lượng nitơ phản ứng và làm xáo trộn đáng kể các chu trình carbon và phốt pho, với những hậu quả sinh thái trên diện rộng.

Mechanisms

Các nguyên tố di chuyển giữa các bể chứa thông qua các biến đổi sinh học và vận chuyển vật lý. Carbon được cố định bằng quang hợp, được trả lại bằng hô hấp và phân hủy, và được trao đổi với khí quyển và đại dương; nitơ được cố định từ khí quyển bởi các vi khuẩn chuyên biệt, được chuyển đổi thông qua quá trình nitrat hóa và đồng hóa, và được trả lại không khí bằng quá trình khử nitrat; phốt pho, thiếu pha khí, luân chuyển chậm thông qua phong hóa đá, hấp thụ và lắng đọng. Kích thước của mỗi bể chứa so với các dòng chảy vào và ra quyết định tốc độ luân chuyển của nó và mức độ nhạy cảm của nó với sự xáo trộn.

Clinical relevance

Hiểu biết về sinh địa hóa là nền tảng cho khoa học biến đổi khí hậu, quản lý hiện tượng phú dưỡng do ô nhiễm chất dinh dưỡng, độ phì nhiêu của đất và việc sử dụng phân bón, cũng như thiết kế các chính sách nhằm hạn chế sự xáo trộn của các chu trình nguyên tố toàn cầu. Đây là bối cảnh giáo dục, không phải là chỉ định quản lý.

History

Vernadsky đã định hình sinh quyển như một lực địa hóa học vào những năm 1920, và Hutchinson đã phát triển ngành sinh địa hóa định lượng vào giữa thế kỷ XX. Mối lo ngại về sự xáo trộn của con người ngày càng tăng với các nghiên cứu về mưa axit, chuỗi nitơ được Galloway mô tả, và vai trò của chu trình carbon toàn cầu trong biến đổi khí hậu.

Key figures

• Vladimir Vernadsky
• G. Evelyn Hutchinson
• William Schlesinger
• James Galloway

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

Tại sao chu trình phốt pho khác với carbon và nitơ?

Phốt pho không có dạng khí đáng kể, vì vậy nó không thể luân chuyển qua khí quyển; thay vào đó, nó đi vào các hệ sinh thái chậm thông qua quá trình phong hóa đá và cuối cùng bị mất đi vào trầm tích, khiến nó trở thành một chất dinh dưỡng hạn chế phổ biến.

Thác nitơ là gì?

Thác nitơ là chuỗi các tác động môi trường mà một nguyên tử nitơ phản ứng có thể gây ra khi nó di chuyển qua không khí, nước và đất, lần lượt góp phần gây ra sương mù, mưa axit, phú dưỡng và sự nóng lên do hiệu ứng nhà kính trước khi bị khử nitrat.