生物地球化学循环

构成生命的化学元素在生物体、土壤、水和大气之间无休止地循环，追踪这些循环可以揭示生态系统和地球系统是如何相互关联的。

Definition

生物地球化学循环是化学元素在生态系统和地球系统的生物、土壤、水生和大气组分之间移动和转化的途径。

Scope

本主题涵盖生命必需元素在全球和生态系统层面的循环：生物圈、大气和海洋之间的碳循环及其交换；氮循环及其固氮、硝化和反硝化过程；磷循环；硫循环；以及作为溶解养分载体的水文循环。它涉及库和通量、停留时间，以及人类活动如何改变这些循环。

Core questions

• 碳、氮和磷如何在生物体和环境之间移动？
• 每种元素在其循环中经历哪些转化？
• 如何量化库和通量，以及什么决定了停留时间？
• 人类活动如何改变了全球生物地球化学循环？

Key theories

库、通量和停留时间

每个循环都由元素的储库及其之间的通量来描述，库大小与通量的比率定义了停留时间，并揭示了哪些组分对扰动反应迅速或缓慢。

人类对元素循环的改变

工业固氮、化石燃料燃烧和肥料使用使活性氮输入量大致翻倍，并显著扰动了碳和磷循环，带来了广泛的生态后果。

Mechanisms

元素通过生物转化和物理传输在储库之间移动。碳通过光合作用固定，通过呼吸作用和分解作用返回，并与大气和海洋交换；氮通过专门的微生物从大气中固定，通过硝化作用和同化作用转化，并通过反硝化作用返回大气；磷缺乏气相，通过岩石风化、吸收和沉积缓慢循环。每个库相对于进出通量的大小决定了其周转速度以及对扰动的敏感性。

Clinical relevance

生物地球化学理解是气候变化科学、营养污染引起的富营养化管理、土壤肥力与肥料使用以及旨在限制全球元素循环扰动的政策设计的基础。这属于教育范畴，而非管理处方。

History

弗纳茨基在20世纪20年代将生物圈定义为一种地球化学力量，而哈钦森在20世纪中期推进了定量生物地球化学。随着对酸雨、加洛韦描述的氮级联以及全球碳循环在气候变化中作用的研究，人们对人类扰动的担忧日益增加。

Key figures

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

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

为什么磷的循环与碳和氮不同？

磷没有显著的气态形式，因此它不能通过大气循环；相反，它通过岩石风化缓慢进入生态系统，并最终流失到沉积物中，使其成为常见的限制性养分。

什么是氮级联？

氮级联是指一个活性氮原子在空气、水和土壤中移动时可能引起的一系列环境效应，它依次导致烟雾、酸雨、富营养化和温室效应，最终才被反硝化。