Круговорот веществ в биосфере

Все вещества на планете находятся в процессе биохимического круговорота.  Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой (геологический)(рис.1.7) длится миллионы лет: породы разрушаются, выносятся в океан, часть растворяется, поглощается живыми организмами, осевшие на дне уплотняются, опускаются. Затем в результате движения материков, поднятия морского дна, выносятся на поверхность и процесс начинается заново.              

Рис.1.6. Большой круговорот веществ.

Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимичском цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Малый (биотичекий) является частью большого, происходит на уровне биоценоза. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с. ш.). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д. (рис. 1.7) а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2—3%.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы. Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (С0₂, Н₂0) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Рис.1.7. Схема биогеохимического круговорота веществ на суши (по Р. Кашанову, 1984)

Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстройсаморегуляции. В круговороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его формы — С0₂, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов — возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота С0₂ составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере, рис.1.8).

Рис.1.8. Темпы циркуляции веществ.

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания С0₂ в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет, именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество (рис.1.8). Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53-109 т кислорода, а в океанах — 414-109 т.

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.

Предполагается, что в ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.

Биогеохимические циклы фосфора (рис.1.9) и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала — апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Рис.1.9. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями)

 Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно.

Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и неожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения».

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере (рис.1.10). В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие — окислители.

Рис.1.10. - Круговорот серы. «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановление (R),

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах — в форме иона (S0₄^2-). в газообразной фазе в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (S0₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы — так продолжается круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (S0₂) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.

Пример 1.2. Экосистема представляет собой зрелый пихтовый лес. Биомасса этой экосистемы не увеличивается. Данные о биомассе основных её компонент и среднем содержании азота в каждой из них приведены в таблице 3.

Таблица 3

 Рассчитать максимальное количество азота, накопленное каждой компонентой экосистемы. В какой из них он содержится в максимальном количестве?

Определить количество азота, проходящее через каждую компоненту экосистемы.

Используя результаты составить азотный цикл для данного леса. Какая из компонент является наиболее важной составляющей этого цикла?

Максимальную величину накопления азота в биомассе можно получить, умножая биомассу на содержание в ней азота (табл.4).

Аналогичным образом определяется перенос азота между компонентами экосистемы. Для этого перемножаются величины переносимых биомасс на содержание в них азота (табл.4) Здесь следует сказать, что содержание азота в опадающих хвоинках (листьях) и молодых веточках выше, чем в массивных старых ветвях. Это приводит к тому, что в результате расчета мы получаем заведомо низкое значение переноса азота от надземной части деревьев. В действительности же перенос азота от надземных частей деревьев равен количеств азота, поступающему в лесную подстилку и затем выводимого из нее, то есть 14 кг/га.

На рисунке 1.11 приведен азотный цикл экосистемы с содержанием азота в каждой из компонент и с учетом его переноса между компонентами. Из рисунка видно, что с наибольшей интенсивностью круговорот азота протекает в почве благодаря разрушению микоризы и грибов и включению в цикл продуктов их распада.

Пример 1.3: Какой объем углекислого газа, взятого при нормальных условиях, необходимо поглотить растению, чтобы выросло дерево со следующими параметрами: диаметр ствола D=0,8 м, высота h=15 м, плотность древесины р=0,08 м . Принимаем, что вся древесина состоит из углерода, и что древесный ствол имеет правильную цилиндрическую форму.

Решение: Определяем массу m дерева.

m= πr²hρ

Образование древесины из углекислого газа идет по реакции:

СО₂ → С + О₂

Cоотношением масс реагирующих веществ и их молекулярных масс:

Рис. 4. Азотный цикл лесной экосистемы.

Варианты задания:

№№

Вид древесины

г/см

II

III

IV

V Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 2587; Мы поможем в написании вашей работы! Поделиться с друзьями: ⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒ Мы поможем в написании ваших работ! . . © 2014-2024 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.041)