物質(zhì)循環(huán)

物質(zhì)循環(huán)的速率在空間和時(shí)間上是有很大的變化，影響物質(zhì)循環(huán)速率最重要的因素有：①循環(huán)元素的性質(zhì)：即循環(huán)速率由循環(huán)元素的化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所致；②生物的生長(zhǎng)速率：這一因素影響著生物對(duì)物質(zhì)的吸收速度和物質(zhì)在食物鏈中的運(yùn)動(dòng)速度；③有機(jī)物分解的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，迅速將生物體內(nèi)的物質(zhì)釋放出來，重新進(jìn)入循環(huán)。

人類活動(dòng)的干預(yù) 人類燃燒礦物燃料以獲得能量時(shí)，產(chǎn)生大量的二氧化碳。從1949年到1969年，由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動(dòng)，二氧化碳的生成量估計(jì)每年增加 4.8%。其結(jié)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(dǎo)致氣候異常。礦物燃料燃燒生成并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(tài)二氧化碳的增加又會(huì)引起海水中酸堿平衡和碳酸鹽溶解平衡的變化。

與此同時(shí)，如果工業(yè)固氮量繼續(xù)高速增長(zhǎng)，而反硝化作用（也稱脫氮作用）的增加速度又跟不上的話，那么全球的氮循環(huán)平衡就可能受到越來越大的壓力。2100433B

在物質(zhì)循環(huán)中，周轉(zhuǎn)率越大，周轉(zhuǎn)時(shí)間就越短。如大氣圈中二氧化碳的周轉(zhuǎn)時(shí)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(zhuǎn)時(shí)間則需100萬(wàn)年(主要是生物的固氮作用將氮分子轉(zhuǎn)化為氨氮為生物所利用)；而大氣圈中的水的周轉(zhuǎn)時(shí)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(zhuǎn)時(shí)間最短，約800s，鈉最長(zhǎng)，約2.06億年。

生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)可分為三大類型，即水循環(huán)(water cycle)，氣體型循環(huán)(gaseous cycle)和沉積型循環(huán)(sedimentary cycle)。

生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都是在水循環(huán)的推動(dòng)下完成的，因此，沒有水的循環(huán)，也就沒有生態(tài)系統(tǒng)的功能，生命也將難以維持。在氣體循環(huán)中，物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫(kù)是大氣和海洋，循環(huán)與大氣和海洋密切相聯(lián)，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善。凡屬于氣體型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或某些化合物常以氣體的形式參與循環(huán)過程。屬于這一類的物質(zhì)有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。氣體循環(huán)速度比較快，物質(zhì)來源充沛，不會(huì)枯竭。主要蓄庫(kù)與巖石、土壤和水相聯(lián)系的是沉積型循環(huán)，如磷、硫循環(huán)等。沉積型循環(huán)速度比較慢，參與沉積型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或化合物主要是通過巖石的風(fēng)化和沉積物的溶解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧锢玫臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而海底沉積物轉(zhuǎn)化為巖石圈成分則是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的、緩慢的、單向的物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程，時(shí)間要以千年來計(jì)。這些沉積型循環(huán)物質(zhì)的主要儲(chǔ)庫(kù)在土壤、沉積物和巖石中，而無氣體狀態(tài)，因此這類物質(zhì)循環(huán)的全球性不如氣體型循環(huán)、循環(huán)性能也很不完善。屬于沉積型循環(huán)的物質(zhì)有：磷、鈣、鉀、鈉、鎂、錳、鐵、銅、硅等，其中磷是較典型的沉積型循環(huán)物質(zhì)，它從巖石中釋放出來，最終又沉積在海底，轉(zhuǎn)化為新的巖石。

氣體循環(huán)和沉積型循環(huán)雖然各有特點(diǎn)，但都能受能量的驅(qū)動(dòng)，并能依賴于水循環(huán)。

生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)，在自然狀態(tài)下，一般處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。也就是說，對(duì)于某一種物質(zhì)，在各主要庫(kù)中的輸入和輸出量基本相等。大多數(shù)氣體型循環(huán)物質(zhì)如碳、氧和氮的循環(huán)，由于有很大的大氣蓄庫(kù)，它們對(duì)于短暫的變化能夠進(jìn)行迅速的自我調(diào)節(jié)。例如，由于燃燒化石燃料，使當(dāng)?shù)氐亩趸紳舛仍黾?，則通過空氣的運(yùn)動(dòng)和綠色植物光合作用對(duì)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(dá)到平衡。硫、磷等元素的沉積物循環(huán)則易受人為活動(dòng)的影響，這是因?yàn)榕c大氣相比，地殼中的硫、磷蓄庫(kù)比較穩(wěn)定和遲鈍，因此不易被調(diào)節(jié)。所以，如果在循環(huán)中這些物質(zhì)流入蓄庫(kù)中，則它們將成為生物在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能利用的物質(zhì)。

有機(jī)體和大氣之間的碳循環(huán) 綠色植物從空氣中獲得二氧化碳，經(jīng)過光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。植物和動(dòng)物的呼吸作用把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機(jī)體或在機(jī)體內(nèi)貯存。動(dòng)、植物死后,殘?bào)w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(huán)一次約需20年。一部分（約千分之一）動(dòng)、植物殘?bào)w在被分解之前即被沉積物所掩埋而成為有機(jī)沉積物。這些沉積物經(jīng)過悠長(zhǎng)的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料──煤、石油和天然氣等。當(dāng)它們?cè)陲L(fēng)化過程中或作為燃料燃燒時(shí)，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(duì)碳循環(huán)發(fā)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(jìn)入海水，也可由海水進(jìn)入大氣。這種交換發(fā)生在氣和水的界面處，由于風(fēng)和波浪的作用而加強(qiáng)。這兩個(gè)方向流動(dòng)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(zhì)巖石的形成和分解 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?guī)r變?yōu)榭扇軕B(tài)的重碳酸鹽，并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。通過不同的成巖過程，又形成為石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁(yè)巖。在化學(xué)和物理作用（風(fēng)化）下，這些巖石被破壞，所含的碳又以二氧化碳的形式釋放入大氣中?；鹕奖l(fā)也可使一部分有機(jī)碳和碳酸鹽中的碳再次加入碳的循環(huán)。碳質(zhì)巖石的破壞，在短時(shí)期內(nèi)對(duì)循環(huán)的影響雖不大，但對(duì)幾百萬(wàn)年中碳量的平衡卻是重要的。

實(shí)踐已經(jīng)證明,由于各種生物質(zhì)燃料自身特性的原因,即使經(jīng)過簡(jiǎn)單破碎的秸稈、廢木材、稻殼等生物質(zhì)廢棄物仍然具有熱值較低、形狀很不規(guī)則的特點(diǎn)。因此,它的爐前熱值經(jīng)常發(fā)生很大的變化,若將其直接送入CFB鍋爐里進(jìn)行燃燒,會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外,由于空隙率很高,這些體積龐大的生物質(zhì)廢棄物也不利于長(zhǎng)距離的運(yùn)輸。為了解決上述矛盾,生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是把生物質(zhì)與經(jīng)過除氯的添加劑混合后被鑄造模型制成具有統(tǒng)一尺寸、所含熱值均勻并易于輸送的衍生燃料。

將生物質(zhì)加工成成型燃料是利用CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)的重要方式。成型燃料代替原生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒,可以減少大量的化學(xué)不完全燃燒熱損失與排煙熱損失。而且燃燒速度均勻適中,燃燒相對(duì)穩(wěn)定。

在生物質(zhì)壓縮成型的過程中,一般都會(huì)加入一些添加劑(石灰石等)和其他輔助燃料(煤、污泥等)。這種方式充分發(fā)揮了生物質(zhì)燃料易著火和其他輔助燃料燃燒穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒利用的重點(diǎn),各國(guó)學(xué)者的研究也大都集中于此。西方發(fā)達(dá)國(guó)家、泰國(guó)、印尼等國(guó)已投入使用,中國(guó)和土耳其等國(guó)也正在推廣。

物質(zhì)的交互狀態(tài)

我們通常能夠直接看到和接觸的物質(zhì)狀態(tài)，它以各種粒子形態(tài)為基本表現(xiàn)形式如電子、質(zhì)子、中子等。這些物質(zhì)粒子總是以相互作用的形式存在于宇宙之中并隨宇宙的演化發(fā)生改變。

物質(zhì)的輻射狀態(tài)

物質(zhì)的輻射狀態(tài)在這里并不包括物質(zhì)粒子輻射，這里所指的是電磁輻射。它以電磁能量為基本表現(xiàn)形式，其主要特性是能量的傳播和參與物質(zhì)的交互作用。其一是改變物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即改變物質(zhì)的動(dòng)能，如分子的熱運(yùn)動(dòng)。其二是改變物質(zhì)的能量狀態(tài)，如原子的能級(jí)躍遷的能量改變。在電磁能量與物質(zhì)相互作用中我們也可發(fā)現(xiàn)電磁能量即可被物質(zhì)吸收也可發(fā)生折射和反射。高能電磁能量除以上的特性外它還可被分解為正反物質(zhì)對(duì)，而正反物質(zhì)相遇也可同時(shí)湮滅而轉(zhuǎn)化為電磁能量。

暗物質(zhì)狀態(tài)

暗物質(zhì)是我們未充分認(rèn)知的領(lǐng)域。暗物質(zhì)不以粒子形態(tài)出現(xiàn)，但它確實(shí)是客觀存在的事物，當(dāng)電荷移動(dòng)時(shí)它表現(xiàn)出磁場(chǎng)特性并相互作用，移動(dòng)電荷的結(jié)果破壞了原有的電磁作用狀態(tài)產(chǎn)生了正反物質(zhì)勢(shì)壘，正反物質(zhì)勢(shì)壘反過來作用于移動(dòng)電荷。但是正反物質(zhì)勢(shì)壘并未形成物質(zhì)粒子，當(dāng)撤去移動(dòng)電荷時(shí)其勢(shì)壘隨即消失。2100433B

物質(zhì)的變化過程

汽化:液態(tài)變氣態(tài), 吸熱

液化:氣態(tài)變液態(tài), 放熱

熔化:固態(tài)變液態(tài), 吸熱

凝固:液態(tài)變固態(tài), 放熱

升華:固態(tài)變氣態(tài), 吸熱

凝華:氣態(tài)變固態(tài), 放熱