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第5章 元素转换—沼泽的物质循环

1.万物之本—碳循环

沼泽中的生物不断的生长、死亡、再生长,形成了完整的物质循环过程,其中,碳和氮两种元素的循环是两条主线。

碳是一切生物体中最基本的成分,因此碳循环是沼泽生物物质循环过程中最基本的循环。

沼泽中的碳来自大气和溶解于水中的二氧化碳,以及泥炭中的有机物质的分解。沼泽的碳循环,首先是植物进行光合作用,稳定大气中的二氧化碳,合成碳水化合物。一部分碳水化合物,又被植物呼吸消耗,产生二氧化碳,返回土壤和大气中,从而完成碳的简单循环过程。其次是在植物残体通过泥炭化过程形成泥炭,在需氧性细菌的作用下,泥炭中的有机物质开始被分解,释放出的二氧化碳参加生态系统碳循环。在泥炭的有机物质中含有纤维素和半纤维素及多糖类物质等。多糖类物质在细菌、真菌和少数放线菌所分泌的水解酶的作用下,分解为葡萄糖等。葡萄糖在不同条件和不同微生物作用下的分解产物有很大的差异。

沼泽地表有常年积水和季节性积水两种情况,在这两种不同的情况下,葡萄糖分解特点也就是二氧化碳的释放特点,不同的是:季节性积水沼泽在干季时,葡萄糖经需氧性的细菌和真菌的分解,最后产生二氧化碳、水和能量,二氧化碳返回土壤和大气中;常年积水沼泽或季节性积水沼泽在雨季时,葡萄糖经厌氧性细菌分解,首先形成有机酸和二氧化碳,最后释放出甲烷和氢气。二氧化碳为中间产物,部分返回大气中。

沼泽类型不同,泥炭种类也不一样。相应地,泥炭含碳量也有差别。此外,在有机质含量基本相同的条件下,泥碳含碳量与分解度有关,分解度越大,含碳量越高,反之则小。另外,泥炭的含碳量,还随着地质年代的增加而增加。据估算,含碳量增加2%?3%,需要5000?8000年,因为碳聚积要依靠缓慢进行的次生缩合过程、脱水过程和脱羧基作用来进行。

煤是含碳物质。沼泽中的植物残体逐渐形成泥炭,泥碳在漫长的地质时期中经压力成岩作用而形成煤,煤由于地壳变动便露出地表,通过风化或人类燃烧,释放二氧化碳到大气中,参与地球碳的循环。这种通过沉积物的碳循环周期比大气碳循环要长得多。

你知道煤是怎样形成的吗?

煤,一种固体可燃有机岩,主要由植物遗体经生物化学作用,埋藏后再经地质作用转变而成。煤俗称煤炭。

在地表常温、常压下,由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用,转变成泥炭或腐泥;泥炭或腐泥被埋藏后,由于盆地基底下降而沉至地下深部,经成岩作用而转变成褐煤;当温度和压力逐渐增高,再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。而腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。

我国是世界上最早利用煤的国家。辽宁省新乐古文化遗址中,就发现有煤制工艺品,河南省巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。《山海经》中称煤为石涅,魏、晋时称煤为石墨或石炭。明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。希腊和古罗马也是用煤较早的国家,希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有《石史》,其中记载有煤的性质和产地;古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。

2.非它莫属—氮循环

氮是组成动植物体内蛋白质的主要成分,也是沼泽生态循环中重要的一环。

氮循环过程比碳循环复杂。沼泽生态系统中氮素主要来源于大气中的游离态氮、降水携带的少量硝态氮和铵态氮,还有泥炭中的含氮有机物质,如蛋白质、腐植酸、生物碱等。大气中的游离态氮,要经过固氮细菌的固氮作用,才能被植物吸收。沼泽植物桤木根部的束状大根瘤中,生活有共生的放线菌,能固定大气中的氮,因此桤木沼泽中,氮的含量较多。

沼泽中氮的循环主要是泥炭中的含氮有机物质在微生物的作用下,经过复杂的生物化学过程,然后释放出氮。但是含氮有机物质分解过程在不同条件下(需氧条件、厌氧条件)有不同特点。需氧性细菌分解发生在干季泥炭的表层,在微生物的作用下泥炭中含氮有机物,转化为氨,其中一部分氨返回土壤被植物利用,另一部分又可在亚硝化细菌和硝化细菌等微生物的作用下,氧化为亚硝酸及硝酸盐类,被植物吸收。

泥炭中的含氮量在沼泽地表常年积水情况下,以厌氧性细菌活动为主,并伴有需氧性细菌活动。氮的转化以反硝化过程为主。反硝化细菌以亚硝酸及硝酸盐作为氧的来源,将化合态氮转化为游离态氮,最后返回大气中,实现了氮的循环。

泥炭中的含氮化合物90%以上是有机态氮。泥炭含氮量随着泥炭类型的不同而不同,富养泥炭含氮量高,贫养泥炭含氮量低。

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