第5章_自然地理系统内部的物质循环

1、第五章第五章 自然地理系统内部的物质联系自然地理系统内部的物质联系 第一节第一节 自然地理系统内的物质循环自然地理系统内的物质循环 一、大气循环一、大气循环 二、水分循环二、水分循环 三、地质循环三、地质循环 四、生物循环四、生物循环第二节第二节 自然地理环境中化学元素迁移自然地理环境中化学元素迁移 一、元素的地球化学迁移一、元素的地球化学迁移 二、影响元素迁移的因素二、影响元素迁移的因素 三、元素迁移的方式三、元素迁移的方式第一节 自然地理系统内的物质循环 自然地理系统内的自然地理系统内的物质循环运动必须以能量为物质循环运动必须以能量为动力，能量又以运动着的物质为载体动力，能量又以运动着的物

2、质为载体，二者密切不，二者密切不可分离。因此，在物质循环过程中，能量必然伴随可分离。因此，在物质循环过程中，能量必然伴随物质在系统内部发生传递和转换。物质在系统内部发生传递和转换。 自然地理系统中物质循环的方式从宏观方面可自然地理系统中物质循环的方式从宏观方面可分为四种类型，即分为四种类型，即大气循环、水分循环、地质循环大气循环、水分循环、地质循环和生物循环和生物循环。一、大气循环一、大气循环 大气循环主要发生在地球大气圈对流层内，是以大气循环主要发生在地球大气圈对流层内，是以大气环流形式进行的气体运动。它包括大气环流形式进行的气体运动。它包括行星风系、季行星风系、季风风系和地方性风系风风系和

3、地方性风系三种不同规模的大气运动。三种不同规模的大气运动。 行星风系行星风系主要包括分布于南、北半球大约主要包括分布于南、北半球大约3030纬纬圈之间包含信风带在内的哈德来对流循环、大约分布圈之间包含信风带在内的哈德来对流循环、大约分布于于30306060纬圈之间的西风环流和南、北极地的极地纬圈之间的西风环流和南、北极地的极地东风带。东风带。图图1 全球大气环流理想图式（斯特勒拉，全球大气环流理想图式（斯特勒拉，1983）哈德来（正）环流（信风环流）；哈德来（正）环流（信风环流）； 极地环流；极地环流； 中纬（反）环流（西风环流）中纬（反）环流（西风环流）一、大气循环一、大气循环 季风风系季风

4、风系主要分布于北太平洋西部、北印度洋、亚主要分布于北太平洋西部、北印度洋、亚洲东及南部，以及北大西洋西部与北美洲中东部；在南洲东及南部，以及北大西洋西部与北美洲中东部；在南半球出现于澳洲北部。半球出现于澳洲北部。 地方性风系地方性风系又称又称“局地风系局地风系”，属于规模及影响范，属于规模及影响范围在围在100100至数十公里之内的大气运动。其生成往往与局部至数十公里之内的大气运动。其生成往往与局部地形及海陆分布状况有关。如山谷风、焚风、布拉风及地形及海陆分布状况有关。如山谷风、焚风、布拉风及海陆风等。海陆风等。 n 大气环流的作用大气环流的作用大气环流最显著的作用是重新分配地表的热量和大气环

5、流最显著的作用是重新分配地表的热量和水分；水分；大气环流对大洋面的动力摩擦，形成大规模的洋大气环流对大洋面的动力摩擦，形成大规模的洋流运动，也促成大洋热量的全球调节。大气环流流运动，也促成大洋热量的全球调节。大气环流调配全球水分、热量的结果，导致地表不同地区调配全球水分、热量的结果，导致地表不同地区的气候千差万别。的气候千差万别。大气环流还是地表固体物质的运输载体。大气环流还是地表固体物质的运输载体。一、大气循环一、大气循环二、水分循环二、水分循环 在太阳能和重力的共同作用下，水在自然地理系统在太阳能和重力的共同作用下，水在自然地理系统中不停地从一个圈层向另一个圈层转移运动着，形成水分中不停地

6、从一个圈层向另一个圈层转移运动着，形成水分循环。循环。 其其循环方式循环方式主要有两种：主要有两种：l通过汽、液、固三态转化的方式在各圈层中运动；通过汽、液、固三态转化的方式在各圈层中运动；l液态水在热力和重力作用下，通过洋流或陆地地表及地液态水在热力和重力作用下，通过洋流或陆地地表及地下径流进行物质和能量的传输下径流进行物质和能量的传输( (又分为水分大循环和大洋又分为水分大循环和大洋水循环水循环) )。 二、水分循环二、水分循环n 水分大循环：又称为外循环或海陆水分循环，是指全水分大循环：又称为外循环或海陆水分循环，是指全球海洋与大陆之间，由海洋水分蒸发，经大气水分输球海洋与大陆之间，由海

7、洋水分蒸发，经大气水分输送，至大陆经降水及河川径流过程重新返回海洋的水送，至大陆经降水及河川径流过程重新返回海洋的水分循环过程。分循环过程。n 水分小循环：只发生在海洋与大气或陆地与大气之间水分小循环：只发生在海洋与大气或陆地与大气之间的水分交换过程称为小循环或微循环，而前者又称海的水分交换过程称为小循环或微循环，而前者又称海洋小循环，后者称陆地小循环。洋小循环，后者称陆地小循环。 1、水分大循环与小循环、水分大循环与小循环 二、水分循环二、水分循环n地球上的水在不停地循环交替运动着，地球上的水在不停地循环交替运动着， 因此有一定因此有一定的循环交替周期。的循环交替周期。 1、水分大循环与小循

8、环、水分大循环与小循环 二、水分循环二、水分循环 大洋环流：大洋环流： 在一定的海在一定的海洋空间范围内，大规模的洋空间范围内，大规模的海水沿一定方向并具有相海水沿一定方向并具有相对比较稳定的流速流向构对比较稳定的流速流向构成的环流体系。其表层环成的环流体系。其表层环流，指海面以下至水深流，指海面以下至水深400500m 混合水层内的混合水层内的洋流。洋流。 2 2、大洋水循环、大洋水循环大洋环流大洋环流图 大洋表面环流模式3 3、水分循环的作用、水分循环的作用 水分循环对于全球性水分和热量的再分配起着重水分循环对于全球性水分和热量的再分配起着重大作用，也是岩石圈表层物质机械搬运作用和自然地大

9、作用，也是岩石圈表层物质机械搬运作用和自然地理环境中化学元素迁移的强大动力机。理环境中化学元素迁移的强大动力机。 液态及固态水在重力作用下对地貌的塑造作用，液态及固态水在重力作用下对地貌的塑造作用，也是消耗太阳辐射能的一种有效方式。也是消耗太阳辐射能的一种有效方式。二、水分循环二、水分循环 水分循环也是生物有机体维持生命活动和整个生物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胶体溶液系统的基本条件，起着有机界和圈构成复杂的胶体溶液系统的基本条件，起着有机界和无机界联系的纽带作用。无机界联系的纽带作用。 总之，水分循环如同自然地理环境的总之，水分循环如同自然地理环境的“血液循环血液

10、循环”，它，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。水分循环同时起着形成水文、气候、地貌、土壤、生物过程和地循环同时起着形成水文、气候、地貌、土壤、生物过程和地球化学过程的作用。球化学过程的作用。3 3、水分循环的作用、水分循环的作用二、水分循环二、水分循环三、地质循环三、地质循环 由四个基本过程组成：由四个基本过程组成：n 风化过程；风化过程；n 搬运过程；搬运过程；n 沉积过程；沉积过程；n 构造过程。构造过程。 地质循环地质循环是指地壳物质在地球内外营力共同作用下，通过是指地壳物质在地球内外营力共同作用下，通过不同地质过程完成

11、的物质循环。不同地质过程完成的物质循环。图3 地质循环图式四、生物循环四、生物循环1、生物循环的组成、生物循环的组成 生物循环生物循环：指发生于生物体自身的生命过程中以：指发生于生物体自身的生命过程中以及生物之间的能量与物质的流通转化过程。它是自然及生物之间的能量与物质的流通转化过程。它是自然地理系统中特有的一种能量与物质流转循环形式。地理系统中特有的一种能量与物质流转循环形式。四、生物循环四、生物循环图 生物循环图示食物链：植物食物链：植物一级消费者一级消费者二级消费者二级消费者四、生物循环四、生物循环 生物循环由生物循环由生物的食物链生物的食物链和和生态系统的物质循环生态系统的物质循环两两

12、方面组成。方面组成。（1 1）生物的食物链）生物的食物链l绿色植物吸取水分、无机养分和太阳辐射能进行光合作用，将绿色植物吸取水分、无机养分和太阳辐射能进行光合作用，将无机物转化成碳水化合物，完成食物生产。无机物转化成碳水化合物，完成食物生产。l植物的初级生产品被动物顺次消耗，其过程各级生物通过呼吸植物的初级生产品被动物顺次消耗，其过程各级生物通过呼吸作用和新陈代谢作用向空间释放能量，向土壤输送有机排泄物作用和新陈代谢作用向空间释放能量，向土壤输送有机排泄物及有机体残骸，逐级实现能量与物质的转化、转移过程。及有机体残骸，逐级实现能量与物质的转化、转移过程。l吃入能量吃入能量消化能量消化能量代谢能

13、量代谢能量净能净能（各级消费者）（各级消费者） 流失流失 流失流失 流失流失 粪便粪便 尿气尿气 热量热量 试验证明，伴随食物进入草食动物肌体内的能量只有试验证明，伴随食物进入草食动物肌体内的能量只有10%10%的净能被吸收利用于肌体的建造，实际转移到下一级消费者的净能被吸收利用于肌体的建造，实际转移到下一级消费者肉食动物体内的能量也在肉食动物体内的能量也在10%10%左右。其余部分的能量消耗于生左右。其余部分的能量消耗于生命活动中的消化和代谢过程。命活动中的消化和代谢过程。四、生物循环四、生物循环l 生物圈中的微生物将土壤中的残余有机物质分解还原成无机生物圈中的微生物将土壤中的残余有机物质分

14、解还原成无机物，在土壤中再为绿色植物所吸收，重新参与光合作用，从而物，在土壤中再为绿色植物所吸收，重新参与光合作用，从而完成生物食物链的循环过程。完成生物食物链的循环过程。（2 2）生态系统的物质循环）生态系统的物质循环n生态系统生态系统是生物与非生物环境之间相互依存，通过能量转换和是生物与非生物环境之间相互依存，通过能量转换和物质循环所构成的能量与物质运动的统一体。物质循环所构成的能量与物质运动的统一体。n广义的生态系统的物质循环广义的生态系统的物质循环即为即为生物循环生物循环。狭义的理解狭义的理解，是指，是指生物圈内的各种生物体自身与非生物环境间进行能量与物质的生物圈内的各种生物体自身与非

15、生物环境间进行能量与物质的输入与输出，以维系生命过程，当生物生命终结时，再以生物输入与输出，以维系生命过程，当生物生命终结时，再以生物遗骸等回归环境完成的遗骸等回归环境完成的物质循环物质循环。这种循环有别于生物的食物。这种循环有别于生物的食物链循环，而称为链循环，而称为“生物地球化学循环生物地球化学循环”。四、生物循环四、生物循环（2 2）生态系统的物质循环）生态系统的物质循环四、生物循环四、生物循环n自然界参与生物体循环的物质是生物的生命过程中不可缺自然界参与生物体循环的物质是生物的生命过程中不可缺少的营养元素物质，可分为大量元素和微量元素两类。少的营养元素物质，可分为大量元素和微量元素两类

16、。n自从地球上出现生物以来，生态系统中生物体物质的循环自从地球上出现生物以来，生态系统中生物体物质的循环数量巨大。数量巨大。n生物物质循环的速度也相当快，全球生物体全部活物质的生物物质循环的速度也相当快，全球生物体全部活物质的更新周期估算为更新周期估算为8 8年。年。2、生物循环的自然地理意义、生物循环的自然地理意义l实现了太阳能与化学潜能的转换。实现了太阳能与化学潜能的转换。l引起化学元素迁移，使其在自然地理环境中重新分配。引起化学元素迁移，使其在自然地理环境中重新分配。l改变大气的组成，并保持大气成分的相对平衡。改变大气的组成，并保持大气成分的相对平衡。l影响并制约水圈的化学成分。影响并制

17、约水圈的化学成分。l将太阳能引入成土过程。将太阳能引入成土过程。l参与了某些岩石和矿物的形成。参与了某些岩石和矿物的形成。四、生物循环四、生物循环第二节第二节 自然地理环境中化学元素迁移自然地理环境中化学元素迁移一、元素的地球化学迁移一、元素的地球化学迁移 在运动、变化着的自然地理环境中，随时间的推在运动、变化着的自然地理环境中，随时间的推移，化学元素也不停地从一种存在形式转化为另一种移，化学元素也不停地从一种存在形式转化为另一种存在形式，并伴随有一定的空间位置的转移，这种过存在形式，并伴随有一定的空间位置的转移，这种过程称为程称为元素的地球化学迁移元素的地球化学迁移。l 化学元素的迁移包括两

18、种情况：化学元素的迁移包括两种情况： 空间上元素的位移，表现为元素的空间上元素的位移，表现为元素的地域分布特征地域分布特征； 时间上从物质分解，到元素搬运，再到重新化合的时间上从物质分解，到元素搬运，再到重新化合的过程，表现为过程，表现为元素迁移的阶段性元素迁移的阶段性。二、影响元素迁移的因素二、影响元素迁移的因素（一）影响元素迁移的内在因素（一）影响元素迁移的内在因素 影响化学元素迁移的内在因素取决于它的物理和化影响化学元素迁移的内在因素取决于它的物理和化学性质。其中主要是指原子的热力性质（即键性）、原学性质。其中主要是指原子的热力性质（即键性）、原子和离子的引力性质、原子的化学性质和放射性

19、质。子和离子的引力性质、原子的化学性质和放射性质。 1 1化学键化学键 2 2化学性质化学性质 3 3晶格性质晶格性质 4 4放射性质放射性质（二）影响元素迁移的外在因素（二）影响元素迁移的外在因素 这类因素主要指迁移介质的热力学、化学以这类因素主要指迁移介质的热力学、化学以及生物学因素。及生物学因素。1 1水热条件水热条件 2 2酸碱度（酸碱度（pHpH）3 3浓度浓度 4 4氧化还原电位氧化还原电位5 5络合物的作用络合物的作用 6 6胶体吸附胶体吸附7 7生物活动生物活动 8 8人类活动人类活动（二）影响元素迁移的外在因素（二）影响元素迁移的外在因素 这类因素主要指迁移介质的热力学、化学

20、以这类因素主要指迁移介质的热力学、化学以及生物学因素。及生物学因素。1 1水热条件水热条件 2 2酸碱度（酸碱度（pHpH）3 3浓度浓度 4 4氧化还原电位氧化还原电位5 5络合物的作用络合物的作用 6 6胶体吸附胶体吸附7 7生物活动生物活动 8 8人类活动人类活动三、元素迁移的方式三、元素迁移的方式 根据元素迁移介质的不同，其迁移方式可分为根据元素迁移介质的不同，其迁移方式可分为水迁移水迁移、空空气迁移气迁移和和生物迁移生物迁移三种。其中又以水迁移为最主要的方式。三种。其中又以水迁移为最主要的方式。 1 1、水迁移、水迁移 化学元素的水迁移方式是指陆地风化壳及土壤中的化学元化学元素的水迁

21、移方式是指陆地风化壳及土壤中的化学元素呈简单离子、络合离子、分子、胶体或悬浮物状态，作为溶素呈简单离子、络合离子、分子、胶体或悬浮物状态，作为溶质在水介质中迁移的方式。质在水介质中迁移的方式。xxxxxanmnamK/100/100 1、水迁移、水迁移 化学元素的水迁移能力可用化学元素的水迁移能力可用水迁移系数水迁移系数 Kx 表示。它反映某表示。它反映某元素元素x 在水介质中的相对含量与该元素在水体流经区岩石中的在水介质中的相对含量与该元素在水体流经区岩石中的平均含量之比，平均含量之比， 即即式中：式中： Kx x 元素的水迁移系数；元素的水迁移系数；Mx x 元素在水介质中元素在水介质中的含量（的含量（mg/L）；）；A 水介质的总矿化度（水介质的总矿化度（mg/L）；）；Nx x 元素在水流经区内岩石中的平均含量（丰度）（）。元素在水流经区内岩石中的平均含量（丰度）（）。K Kx x 值愈大，值愈大， 表明该元素在水介质中的迁移流失量越大。表明该元素在水介质中的迁移流失量越大。