物質循環

在物質循環中，周轉率越大，周轉時間就越短。如大氣圈中二氧化碳的周轉時間大約是一年左右(光合作用從大氣圈中移走二氧化碳)；大氣圈中分子氮的周轉時間則需100萬年(主要是生物的固氮作用將氮分子轉化為氨氮為生物所利用)；而大氣圈中的水的周轉時間為10.5d，也就是說，大氣圈中的水分一年要更新大約34次。在海洋中，硅的周轉時間最短，約800s，鈉最長，約2.06億年。

物質循環的速率在空間和時間上是有很大的變化，影響物質循環速率最重要的因素有：①循環元素的性質：即循環速率由循環元素的化學特性和被生物有機體利用的方式不同所致；②生物的生長速率：這一因素影響著生物對物質的吸收速度和物質在食物鏈中的運動速度；③有機物分解的速率：適宜的環境有利於分解者的生存，並使有機體很快分解，迅速將生物體內的物質釋放出來，重新進入循環。

生態系統的物質循環可分為三大類型，即水循環(water cycle)，氣體型循環(gaseous cycle)和沉積型循環(sedimentary cycle)。

生態系統中所有的物質循環都是在水循環的推動下完成的，因此，沒有水的循環，也就沒有生態系統的功能，生命也將難以維持。在氣體循環中，物質的主要儲存庫是大氣和海洋，循環與大氣和海洋密切相聯，具有明顯的全球性，循環性能最為完善。凡屬於氣體型循環的物質，其分子或某些化合物常以氣體的形式參與循環過程。屬於這一類的物質有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。氣體循環速度比較快，物質來源充沛，不會枯竭。主要蓄庫與岩石、土壤和水相聯繫的是沉積型循環，如磷、硫循環。沉積型循環速度比較慢，參與沉積型循環的物質，其分子或化合物主要是通過岩石的風化和沉積物的溶解轉變為可被生物利用的營養物質，而海底沉積物轉化為岩石圈成分則是一個相當長的、緩慢的、單向的物質轉移過程，時間要以千年來計。這些沉積型循環物質的主要儲庫在土壤、沉積物和岩石中，而無氣體狀態，因此這類物質循環的全球性不如氣體型循環、循環性能也很不完善。屬於沉積型循環的物質有：磷、鈣、鉀、鈉、鎂、錳、鐵、銅、硅等，其中磷是較典型的沉積型循環物質，它從岩石中釋放出來，最終又沉積在海底，轉化為新的岩石。

氣體循環和沉積型循環雖然各有特點，但都能受能量的驅動，並能依賴於水循環。

生態系統中的物質循環，在自然狀態下，一般處於穩定的平衡狀態。也就是說，對於某一種物質，在各主要庫中的輸入和輸出量基本相等。大多數氣體型循環物質如碳、氧和氮的循環，由於有很大的大氣蓄庫，它們對於短暫的變化能夠進行迅速的自我調節。例如，由於燃燒化石燃料，使當地的二氧化碳濃度增加，則通過空氣的運動和綠色植物光合作用對二氧化碳吸收量的增加，使其濃度迅速降低到原來水平，重新達到平衡。硫、磷等元素的沉積物循環則易受人為活動的影響，這是因為與大氣相比，地殼中的硫、磷蓄庫比較穩定和遲鈍，因此不易被調節。所以，如果在循環中這些物質流入蓄庫中，則它們將成為生物在很長時間內不能利用的物質。

有機體和大氣之間的碳循環 綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經過光合作用轉化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。植物和動物的呼吸作用把攝入體內的一部分碳轉化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構成生物的機體或在機體內貯存。動、植物死後，殘體中的碳，通過微生物的分解作用也成為二氧化碳而最終排入大氣。大氣中的二氧化碳這樣循環一次約需20年。

一部分（約千分之一）動、植物殘體在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機沉積物。這些沉積物經過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉變成礦物燃料──煤、石油和天然氣等。當它們在風化過程中或作為燃料燃燒時，其中的碳氧化成為二氧化碳排入大氣。人類消耗大量礦物燃料對碳循環發生重大影響。

大氣和海洋之間的二氧化碳交換 二氧化碳可由大氣進入海水，也可由海水進入大氣。這種交換髮生在氣和水的界面處，由於風和波浪的作用而加強。這兩個方向流動的二氧化碳量大致相等，大氣中二氧化碳量增多或減少，海洋吸收的二氧化碳量也隨之增多或減少。

碳質岩石的形成和分解 大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成為碳酸，碳酸能把石灰岩變為可溶態的重碳酸鹽，並被河流輸送到海洋中。海水中的碳酸鹽和重碳酸鹽含量是飽和的，接納新輸入的碳酸鹽，便有等量的碳酸鹽沉積下來。通過不同的成岩過程，又形成為石灰岩、白雲石和碳質頁岩。在化學和物理作用（風化）下，這些岩石被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中。火山爆發也可使一部分有機碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環。碳質岩石的破壞，在短時期內對循環的影響雖不大，但對幾百萬年中碳量的平衡卻是重要的。

人類活動的干預 人類燃燒礦物燃料以獲得能量時，產生大量的二氧化碳。從1949年到1969年，由於燃燒礦物燃料以及其他工業活動，二氧化碳的生成量估計每年增加 4.8%。其結果是大氣中二氧化碳濃度升高。這樣就破壞了自然界原有的平衡，可能導致氣候異常。礦物燃料燃燒生成並排入大氣的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水中溶解態二氧化碳的增加又會引起海水中酸鹼平衡和碳酸鹽溶解平衡的變化。

與此同時，如果工業固氮量繼續高速增長，而反硝化作用（也稱脫氮作用）的增加速度又跟不上的話，那麼全球的氮循環平衡就可能受到越來越大的壓力。