能流物流原理

【专家解说】：2.1 自然环境中的能流和物流 2.1.1生态系统及其中的能流和物流 按照现代生态学的观点，生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间的组合。在生态系统中，各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间相互作用，且不断发生物质和能量的流动。目前人类所生活的生物圈内有无数大小不同的生态系统。在一个复杂的大生态系统中又包含着无数个小的生态系统。各种各样的生态系统组成了统一的整体，这就是目前人类生活的自然环境。大而言之，整个生物圈是一个生态系统；小而言之，一滴天然水珠也是一个生态系统。 世界是物质的，物质又是恒久运动的，图2-1所示的正是这样的一幅图景。自然环境中的物质迁移或循环，又是以能量流动为推动力的（在地球范围内，极大多数形式的能量来自太阳）。正由于能量的不停流动，物质在自然环境中的不息循环，才构成了循环不已的自然史和生生不息的生物史。能量流动和物质循环过程又分别遵循着两条最重要的自然法则，即能量守恒定律和物质不灭定律。 图2-1所示的是生物和环境（非生物界）之间一种宏观的循环体系，也就是自然界中由无机物合成有机物，而后又降解转化为无机。物的基本过程。在图中，被称为生产者或自养生物的绿色植物，吸收太阳的光能，通过光合作用将二氧化碳和水等无机物合成为有机物，并将太阳能转化为化学能贮存于该有机物中。被称为消费者或异养生物的草食动物，以植物为食，取得养分而得以生活和生长；还有所谓的二次消费者即肉食动物，以草食动物为食，借以维持生命。动物的排泄物和尸体、植物的枯枝落叶和残骸等，在被称为还原者的低等动物和细菌微生物等作用下，腐败分解而又重新转化为无机物。这样就构成了一个循环体系，也可将它看作是一个有代表性的生态系统。在这里，推动循环的动力是太阳能。 2.1.2 太阳能在地球上的流动 人类利用能量的形式经历了由低级到高级的历史过程：风力、水力→木材→煤→石油→天然气→原子裂变能→原子聚变能。其中风力和水力是太阳能的变形；木材、煤、石油、天然气可看作是太阳能的历史“遗产”；至于裂变物质和聚变物质，前者是在地球诞生日起与地球共存的矿物质，后者则是人工生产物质（如3H）。当前，可以说太阳能是地球上大多数形式能量的源泉。 太阳到地球的距离为1.5×108km，从地球看太阳犹如盘子般大，而从太阳看地球，则像运动场上百米跑道一端看另一端地面上一枚分币那么大。相距如此之遥，能达到地球的太阳能仅是太阳总能量的25亿分之一，但这仍相当于太阳每年向地球提供90×1012吨优质煤。 按热力学第二定律，若无外界能量输入，则作为封闭体系的地球上的一切事物将随时间的推延而增大其无序性，地球上的一切将变得毫无生气。幸亏由于太阳辐射不断向地球注入能量，才不致于发生这种情况。 如图2-2所示，到达近地面的太阳能总量的约19％被大气层中臭氧、水汽、二氧化碳所吸收；约34％被地面反射折回空间而被云层吸收；仅有约47％辐射能到达地球表面后为地表吸收，而其中约半数又消耗在使地球表面水蒸发；能用于发生光合作用的太阳辐射能约仅占总能量的0.1％。 用于蒸发水分的太阳能又以动能和势能的形态重现。地面水经蒸发化为雨雪、再流入河海是太阳能转化为动能的表现；冰川的形成则是太阳能转为势能的表现。 由于纬度不同的地面受太阳光直射或斜射的情况不同，致使各地区吸收辐射的程度有所差异。这种地区间的不平衡又可通过风流和水流来抵消，以使太阳能的吸收在全球范围内达到平衡，从而使地球平均温度大致保持恒定。 2.1.3 物质的地球化学循环 地球上物质的大多数循环过程是在生物和人类出现之前就发生了的。例如河流将悬浮物和溶解物从陆地搬运入海；地球板块运动引起海洋沉积物拔升并形成新的陆地过程；大气组分的循环和渐次演化过程等。这些过程都可归入地球化学循环。在地球化学循环中，虽然多种元素和它们的各类化合物往往同时参与同一循环，但为研究方便，常将某一元素或某一特定化合物在地球表面的迁移用一个特定的地球化学循环来描述。此外，由于迁移是连续的，物质又是守恒的（很少与地幔或外层空间交换物质），所以物质在地球圈层之间的迁移是循环往复、不见始终的。物质的地球化学循环模型如图2-3所示。 图中方框代表储层，箭头所向代表物质迁移径路。物质从某储层流出时，该储层被称为源；物质自外流入储层时，该储层又被称为汇。为了定量描述一个循环，还需要在方框内标出储层中物质总量（即贮存量），并在箭头处标出两储层间的通量。通量表示为在一定时期内（一般为一年）沿特定径路传质的数量。若某储层中物质浓度保持恒定，这表示在流入量和输出量之间保持平衡，达到了恒定状态。以此我们可定义恒定状态时该物质在该储层中的滞留时间为 式中Mi——储层中物质i的总质量； Ri——储层中物质i的流入速率（或输出速率，写作Pi） 当体系处于恒定状态时， 即物质i在储层中的流入速率恒定地等于输出速率。 现以铜为例，说明其地球化学循环过程的详情。铜在各环境储层中的数量分布如下： 铜可能在其中任何两个储层间发生质量迁移，这样的径路有20种，但只有如下九种是主要的： 按照质量守恒有： 基于以上数据和守恒式，可以计算铜在各储层中的滞留时间：大气中为6天，海水中为420年，土壤和植物中为7000年，海底沉积物中为107年，岩石中为109年。 2.1.4 物质的生物地球化学循环 将物质的地球化学循环和物质在生态系统中的循环加以综合考虑，就是物质在生物圈范围内的循环。这种循环中除地质系统、化学系统外，还包含着生物系统，所以称为生物地球化学循环。稳定有序的生物地球化学循环是生态系统存在和发展的必要条件之一。在自然条件下，这一状态是通过漫长的、互相协同的生物进化和环境演化得以达成的。由于人类各种不适当活动结果的长期累积，目前这种循环已偏离了原有的稳定性和有序性，从而导致了各种不良的环境后果。 生命体的最小结构单位是细胞，组成细胞的成分都是原生质，可以说原生质是生命活动的物质基础。原生质的主要组成元素如下： 含量最多元素：碳、氢、氧、氮等约占总质量的98％； 含量少的元素：磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙、铁等； 含微量的元素：铜、锰、锌、硼、钼、碘等。 运用现代分析技术获知这样一个事实，即包括上述元素在内的自然存在的所有元素（共90余种）都或多或少地存在于有机生物体之中，这是生物界和非生物界统一性的表现，也恰恰说明了物质是在生物界和非生物界之间流动和循环的。 从化学元素组成和分子化学的观点来看有机生物体，人们可以发现，所有有生命的系统都由相对简单的无机分子（在生物体体液中常呈电离状态）和含碳的有机化合物所组成；非生物系统所遵循的所有物理的和化学的定律同样也适用于生物系统。 组成原生质的上述各化学元素在生物圈中的循环过程，对于人类和各种生物体的生存、生长、繁衍来说是至关重要的。以下将分节阐述水和元素碳、氧、氮、硫和磷的生物地球化学循环。