إن تداول المواد في المحيط الحيوي هو عملية دورية متكررة للتحول المشترك والمترابط وحركة المواد. وجود دورة من المواد شرط ضروريوجود المحيط الحيوي. بعد استخدامها من قبل بعض الكائنات الحية ، يجب أن تنتقل المواد إلى شكل يمكن للكائنات الأخرى الوصول إليه. يتطلب مثل هذا الانتقال للمواد من رابط إلى آخر تكاليف طاقة ، لذلك لا يمكن تحقيقه إلا بمشاركة طاقة الشمس. مع استخدام الطاقة الشمسية ، هناك دورتان مترابطتان من المواد على هذا الكوكب: كبيرة - جيولوجية وصغيرة - بيولوجية (حيوية).
التداول الجيولوجي للمواد- عملية هجرة المواد ، التي تتم تحت تأثير العوامل اللاأحيائية: التجوية ، التعرية ، حركة المياه ، إلخ. لا تشارك الكائنات الحية فيها.
مع ظهور المادة الحية على هذا الكوكب ، الدورة الدموية البيولوجية (الحيوية)... تشترك فيه جميع الكائنات الحية ، تمتص بعض المواد من البيئة وتطلق بعضها الآخر. على سبيل المثال ، تستهلك النباتات في عملية الحياة ثاني أكسيد الكربون والماء ، المعادنويطلق الأكسجين. تستخدم الحيوانات الأكسجين الذي تطلقه النباتات للتنفس. يأكلون النباتات ، ونتيجة للهضم ، يستوعبون تلك التي تشكلت في عملية التمثيل الضوئي. المواد العضوية... يطلقون ثاني أكسيد الكربون وبقايا الطعام غير المهضومة. بعد الموت ، تشكل النباتات والحيوانات كتلة من المواد العضوية الميتة (المخلفات). المخلفات متاحة للتحلل (التمعدن) عن طريق الفطريات والبكتيريا المجهرية. نتيجة لنشاطهم الحيوي ، كمية إضافية من نشبع... ويتم تحويل المواد العضوية إلى مكونات غير عضوية أصلية - كائنات حيوية. تصبح المركبات المعدنية المتكونة ، التي تدخل المسطحات المائية والتربة ، متاحة مرة أخرى للنباتات للتثبيت من خلال عملية التمثيل الضوئي. تتكرر هذه العملية إلى ما لا نهاية وتغلق في الطبيعة (الدوران). على سبيل المثال ، ينتقل كل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي على طول هذا المسار في حوالي ألفي عام ، بينما يستغرق ثاني أكسيد الكربون حوالي 300 عام للقيام بذلك.
تقل الطاقة الموجودة في المادة العضوية كلما تحركت في سلاسل الغذاء. يتم تبديد معظمها في البيئة على شكل حرارة أو يتم إنفاقها على الحفاظ على العمليات الحيوية للكائنات الحية. على سبيل المثال ، فيما يتعلق بتنفس الحيوانات والنباتات ، ونقل المواد في النباتات ، وكذلك في عمليات التخليق الحيوي للكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكائنات الحيوية التي تكونت نتيجة نشاط المُحلِّلات لا تحتوي على الطاقة المتاحة للكائنات. الخامس في هذه الحالةيمكننا التحدث فقط عن تدفق الطاقة في المحيط الحيوي ، ولكن ليس عن الدورة. لذلك ، فإن شرط الوجود المستقر للمحيط الحيوي هو الدوران المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكوينات الحيوية.
تشكل الدورات الجيولوجية والبيولوجية معًا الدورة البيوجيوكيميائية العامة للمواد ، والتي أساسها دورات النيتروجين والماء والكربون والأكسجين.
دورة النيتروجين
النيتروجين هو أحد أكثر العناصر وفرة في المحيط الحيوي. يوجد الجزء الأكبر من نيتروجين الغلاف الحيوي في الغلاف الجوي في صورة غازية. كما تعلم من مسار الكيمياء ، فإن الروابط الكيميائية بين الذرات في النيتروجين الجزيئي (N 2) قوية جدًا. لذلك ، فإن معظم الكائنات الحية غير قادرة على استخدامها مباشرة. ومن ثم ، فإن إحدى المراحل المهمة في دورة النيتروجين هي تثبيته وتحويله إلى شكل يمكن للكائنات الحية الوصول إليه. هناك ثلاث طرق لتثبيت النيتروجين.
تثبيت الغلاف الجوي... تحت تأثير التصريفات الكهربائية في الغلاف الجوي (البرق) ، يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الأكسجين لتكوين أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد (NO 2). يتأكسد أكسيد النيتريك (NO) بسرعة كبيرة بواسطة الأكسجين ويتحول إلى ثاني أكسيد النيتروجين. يذوب ثاني أكسيد النيتروجين في بخار الماء وفي شكل أحماض نيتروز (HNO 2) وأحماض النيتريك (HNO 3) مع هطول الأمطار يدخل إلى التربة. في التربة ، نتيجة لتفكك هذه الأحماض ، تتشكل أيونات النتريت (NO 2 -) والنترات (NO 3 -). يمكن بالفعل امتصاص أيونات النتريت والنترات بواسطة النباتات وإدراجها في الدورة البيولوجية. يمثل تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي حوالي 10 ملايين طن من النيتروجين سنويًا ، وهو ما يمثل حوالي 3 ٪ من التثبيت السنوي للنيتروجين في المحيط الحيوي.
التثبيت البيولوجي... يتم تنفيذه بواسطة بكتيريا مثبتة للنيتروجين ، والتي تحول النيتروجين إلى أشكال يمكن للنباتات الوصول إليها. بفضل الكائنات الحية الدقيقة ، يرتبط نصف النيتروجين تقريبًا. تُثبت البكتيريا الأكثر شهرة النيتروجين في عقيدات النباتات البقولية. يزودون النباتات بالنيتروجين على شكل أمونيا (NH 3). الأمونيا قابلة للذوبان في الماء بسهولة مع تكوين أيون الأمونيوم (NH 4 +) ، الذي تمتصه النباتات. لذلك ، فإن البقوليات هي أفضل أسلاف النباتات المزروعة في تناوب المحاصيل. بعد موت الحيوانات والنباتات وتحلل بقاياها ، يتم إثراء التربة بمركبات النيتروجين العضوية والمعدنية. ثم تكسر البكتيريا المتعفنة (ammonifying) المواد المحتوية على النيتروجين (البروتينات واليوريا والأحماض النووية) للنباتات والحيوانات إلى أمونيا. هذه العملية تسمى ammonification... تتأكسد معظم الأمونيا لاحقًا بواسطة البكتيريا الآزوتية إلى نتريت ونترات ، والتي يعاد استخدامها بواسطة النباتات. تحدث عودة النيتروجين إلى الغلاف الجوي من خلال نزع النتروجين ، والذي يتم بواسطة مجموعة من البكتيريا المزيلة للنيتروجين. نتيجة لذلك ، يتم تقليل المركبات النيتروجينية إلى نيتروجين جزيئي. يدخل جزء من النيتروجين في النترات والأمونيوم مع الجريان السطحي إلى النظم الإيكولوجية المائية. هذا هو المكان الذي يتم فيه امتصاص النيتروجين الكائنات المائيةأو يدخل في الرواسب العضوية السفلية.
التثبيت الصناعي... يتم ربط كمية كبيرة من النيتروجين سنويًا في إنتاج الأسمدة النيتروجينية المعدنية. يتم استيعاب النيتروجين من هذه الأسمدة بواسطة النباتات في أشكال الأمونيوم والنترات. يبلغ حجم الأسمدة النيتروجينية المنتجة في بيلاروسيا حاليًا حوالي 900 ألف طن سنويًا. أكبر شركة مصنعة هي JSC GrodnoAzot. تنتج هذه المؤسسة اليوريا ونترات الأمونيوم وكبريتات الأمونيوم والأسمدة النيتروجينية الأخرى.
تستخدم النباتات حوالي 1/10 من النيتروجين المطبق صناعيًا. يمر الباقي مع الجريان السطحي والمياه الجوفية إلى النظم الإيكولوجية المائية. هذا يؤدي إلى تراكم كميات كبيرة من مركبات النيتروجين في الماء المتاحة لاستيعاب العوالق النباتية. نتيجة لذلك ، من الممكن التكاثر السريع للطحالب (التخثث) ، ونتيجة لذلك ، الموت في النظم الإيكولوجية المائية.
دورة المياه
الماء هو المكون الرئيسي للمحيط الحيوي. إنها وسيلة لحل جميع العناصر تقريبًا خلال الدورة. يتم تمثيل معظم مياه المحيط الحيوي بواسطة الماء السائل وماء الجليد الأبدي (أكثر من 99٪ من جميع احتياطيات المياه في المحيط الحيوي). جزء ضئيل من الماء في حالة غازية - إنه بخار ماء في الغلاف الجوي. تعتمد دورة مياه الغلاف الحيوي على حقيقة أن تبخره من سطح الأرض يتم تعويضه عن طريق الترسيب. يسقط الماء على سطح الأرض على شكل هطول ، ويساهم في تدمير الصخور. هذا يجعل المعادن المكونة لها متاحة للكائنات الحية. إن تبخر الماء من سطح الكوكب هو الذي يحدد دورته الجيولوجية. تستهلك حوالي نصف الطاقة الشمسية العارضة. يحدث تبخر المياه من سطح البحار والمحيطات بمعدل أعلى من عودته مع هطول الأمطار. يتم تعويض هذا الاختلاف عن طريق الجريان السطحي والعميق ، نظرًا لحقيقة أن هطول الأمطار يسود على التبخر في القارات.
تعود الزيادة في شدة تبخر المياه على الأرض إلى حد كبير إلى النشاط الحيوي للنباتات. تستخرج النباتات الماء من التربة وتنقله بنشاط إلى الغلاف الجوي. يتم تكسير جزء من الماء في الخلايا النباتية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، يتم إصلاح الهيدروجين في الشكل مركبات العضوية، ويتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.
تستخدم الحيوانات الماء للحفاظ على التوازن الأسموزي والملح في الجسم وإطلاقه في البيئة الخارجية جنبًا إلى جنب مع منتجات التمثيل الغذائي.
دورة الكربون
الكربون عنصر كيميائيالموجود في الغلاف الجوي في تكوين ثاني أكسيد الكربون. هذا يحدد المشاركة الإلزامية للكائنات الحية في دورة هذا العنصر على كوكب الأرض. المسار الرئيسي الذي ينطلق منه الكربون المركبات غير العضويةيدخل في تكوين المواد العضوية ، حيث يكون عنصرًا كيميائيًا إلزاميًا - هذه هي عملية التمثيل الضوئي. يتم إطلاق جزء من الكربون في الغلاف الجوي في تكوين ثاني أكسيد الكربون أثناء تنفس الكائنات الحية وأثناء تحلل المواد العضوية الميتة بواسطة البكتيريا. تستهلك الحيوانات الكربون الذي تمتصه النباتات. إلى جانب السلائل المرجانية ، تستخدم الرخويات مركبات الكربون لبناء التكوينات الهيكلية والأصداف. بعد أن يموتوا ويستقروا في القاع ، تتشكل رواسب الحجر الجيري. وبالتالي ، يمكن التخلص من الكربون من الدورة. تتم إزالة الكربون من الدورة لفترة طويلة من خلال تكوين المعادن: الفحم والنفط والجفت.
طوال فترة وجود كوكبنا ، تم تعويض الكربون الذي تمت إزالته من الدورة عن طريق دخول ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي عندما ثورات بركانيةوفي غير ذلك العمليات الطبيعية... في الوقت الحاضر ، تمت إضافة كمية كبيرة إلى العمليات الطبيعية لتجديد الكربون في الغلاف الجوي. تأثير بشري... على سبيل المثال ، عند حرق الوقود الهيدروكربوني. هذا يعطل دورة الكربون التي استمرت لقرون على الأرض.
أدت الزيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون بنسبة 0.01٪ فقط على مدى قرن إلى ظهور مظهر ملحوظ لتأثير الاحتباس الحراري. ارتفع متوسط درجة الحرارة السنوية على الكوكب بمقدار 0.5 درجة مئوية ، وارتفع مستوى المحيط العالمي بنحو 15 سم.يتوقع العلماء أنه إذا زاد متوسط درجة الحرارة السنوية بمقدار 3-4 درجات مئوية أخرى ، فإن الجليد الأبدي سيبدأ ليذوب. في الوقت نفسه ، سيرتفع مستوى المحيط العالمي بمقدار 50-60 سم ، مما سيؤدي إلى فيضان جزء كبير من الأرض. هذا يعتبر عالمي كارثة بيئية، لأن هذه المناطق هي موطن لحوالي 40٪ من سكان العالم.
دورة الأكسجين
في عمل المحيط الحيوي ، يلعب الأكسجين دورًا مهمًا للغاية في عمليات التمثيل الغذائي وتنفس الكائنات الحية. يتم تعويض النقص في كمية الأكسجين في الغلاف الجوي نتيجة عمليات التنفس واحتراق الوقود والتعفن بالأكسجين الذي تطلقه النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي.
تشكل الأكسجين في الغلاف الجوي الأساسي للأرض أثناء تبريده. نظرًا لفاعلية عالية ، فقد انتقل من الحالة الغازية إلى تكوين مركبات غير عضوية مختلفة (الكربونات ، الكبريتات ، أكاسيد الحديد ، إلخ). تشكل الغلاف الجوي الحالي للكوكب المحتوي على الأكسجين حصريًا نتيجة لعملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها الكائنات الحية. يزداد محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي إلى قيمه الحالية لفترة طويلة. لا يمكن حاليًا الحفاظ على مقدارها عند مستوى ثابت إلا بفضل الكائنات الحية الضوئية.
لسوء الحظ ، في العقود الأخيرة ، أدت الأنشطة البشرية التي تؤدي إلى إزالة الغابات وتآكل التربة إلى تقليل كثافة التمثيل الضوئي. وهذا بدوره يعطل المسار الطبيعي لدورة الأكسجين في مناطق واسعة من الأرض.
يشارك جزء صغير من الأكسجين الجوي في تكوين وتدمير شاشة الأوزون تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.
أساس الدورة الحيوية للمواد هو الطاقة الشمسية. الشرط الرئيسي للوجود المستقر للمحيط الحيوي هو الدوران المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكوينات الحيوية. في دورات النيتروجين والكربون والأكسجين ، ينتمي الدور الرئيسي للكائنات الحية. يتم توفير أساس دورة المياه العالمية في المحيط الحيوي من خلال العمليات الفيزيائية.
الدورة والدورات البيوجيوكيميائية للمواد
اشرح معنى الدورة الجيولوجية باستخدام مثال دورة المياه.
كيف تحدث الدورة البيولوجية؟
ما هو قانون الهجرة الحيوية من الذرات؟ فيرنادسكي؟
ما هي الأموال الاحتياطية والصرفية للدورة الطبيعية؟ ما الفرق بينهم؟
الأرض ككائن حي خارق
* لكي يتواجد المحيط الحيوي ويتطور ، يجب أن تكون هناك دائمًا دورة بيولوجية مواد مهمة، أي بعد الاستخدام ، يجب أن تنتقل مرة أخرى إلى شكل قابل للاستيعاب للكائنات الأخرى. لا يمكن إجراء هذا الانتقال للمواد المهمة بيولوجيًا إلا بنفقات معينة من الطاقة ، مصدرها الشمس.
يعتقد العالم في آر ويليامز أن الطاقة الشمسية توفر دورتين من المادة على الأرض -جيولوجي ، أو كبيرة ، تداول وبيولوجي صغير الدورة الدموية.
الجيولوجي يتجلى الدوران بشكل واضح في دورة الماء. تتلقى الأرض 5.24-1024 جول من الطاقة المشعة سنويًا من الشمس. يتم إنفاق حوالي نصفها على تبخير الماء. في الوقت نفسه ، يتبخر المزيد من المياه من المحيط أكثر مما يعود مع هطول الأمطار. على الأرض ، من ناحية أخرى ، يسقط المزيد من الأمطار أكثر من تبخر الماء. يتدفق فائضه إلى الأنهار والبحيرات ، ومن هناك - يعود إلى المحيط (أثناء نقل كمية معينة من المركبات المعدنية). هذا هو ما يحدد الدورة الكبيرة في المحيط الحيوي ، بناءً على حقيقة أن التبخر الكلي للمياه من الأرض يتم تعويضه عن طريق الترسيب.
** مع ظهور المادة الحية على أساس الدورة الجيولوجية وهي الدورة العضويةاللقطات ، تداول بيولوجي (صغير).
دورة المياه كمثال للدورة الجيولوجية
(بقلم هـ. بنمان)
مع تطور المادة الحية ، يتم استخراج المزيد والمزيد من العناصر باستمرار من الدورة الجيولوجية ، والتي تدخل في دورة بيولوجية جديدة. على عكس النقل البسيط للمواد المعدنية في الدورة الدموية الكبيرة ، سواء في شكل محاليل أو في شكل رواسب ميكانيكية ، فإن أهم اللحظات في الدورة الدموية الصغيرة هي تركيب وتدمير المركبات العضوية. على عكس الدورة الجيولوجية ، فإن الدورة البيولوجية لها طاقة ضئيلة. كما هو معروف ، يتم إنفاق 0.1-0.2٪ فقط من إجمالي الطاقة الشمسية التي يتم توفيرها للأرض على تكوين المواد العضوية (ما يصل إلى 50٪ للدوران الجيولوجي). على الرغم من ذلك ، فإن الطاقة المتضمنة في الدورة البيولوجية تقوم بقدر هائل من العمل لإنتاج المنتجات الأولية.
الدورة البيولوجية
مع ظهور المادة الحية على الأرض ، تنتشر العناصر الكيميائية باستمرار في المحيط الحيوي ، منتقلة من البيئة الخارجية
في الكائنات الحية ومرة أخرى في البيئة الخارجية. يسمى هذا الدوران للمواد على طول مسارات مغلقة أكثر أو أقلدورة الكيمياء الحيوية.
الدورات البيوجيوكيميائية الرئيسية هي دورات الأكسجين والكربون والماء والنيتروجين والفوسفور والكبريت والعناصر الحيوية الأخرى.
*** هجرة المادة حيوية المنشأ - أحد أشكال الهجرة العامة للعناصر في الطبيعة. يجب فهم الهجرة الجيوكيميائية الحيوية على أنها هجرة المواد العضوية والخاملة المشاركة في نمو وتطور الكائنات الحية والتي تنتجها الأخيرة نتيجة للعمليات الكيميائية الحيوية والجيوكيميائية الحيوية المعقدة. في و. تمت صياغة Vernadskyقانون الهجرة الحيوية للذرات بالشكل التالي:
يتم تنفيذ هجرة العناصر الكيميائية في المحيط الحيوي إما بالمشاركة المباشرة للمادة الحية (الهجرة الحيوية) ، أو يحدث في بيئة ترجع سماتها الجيوكيميائية (O2 ، CO2 ، H2 ، إلخ) إلى المادة الحية (ما يسكن المحيط الحيوي في الوقت الحاضر ، والذي كان يعمل على الأرض طوال التاريخ الجيولوجي).
يؤثر الإنسان في المقام الأول على المحيط الحيوي وسكانه الأحياء ، وبالتالي فهو يغير ظروف الهجرة الحيوية للذرات ، مما يخلق المتطلبات الأساسية للتغييرات الكيميائية العميقة. وبالتالي ، يمكن أن تصبح العملية ذاتية التطوير ، ومستقلة عن الرغبة البشرية ، وغير قابلة للسيطرة عمليًا على نطاق عالمي.
من وجهة نظر الدوران الكوكبي للمادة ، فإن الأهم هو المناظر الطبيعية للتربة والغلاف المائي والدورات العميقة (داخل كوكب الأرض). يتضمن أولهما استخراج العناصر الكيميائية من الصخور والماء والهواء وتحلل المواد العضوية وامتصاص وتركيب مختلف المركبات العضوية والعضوية المعدنية. في دورة الغلاف المائي الدور الرئيسييلعب تكوين الماء والنشاط البيولوجي للكائنات الحية. يتم تنفيذ الإنتاج الحيوي للمادة هنا بمشاركة سائدة من العوالق النباتية والحيوانية. في الدورة العميقة للهجرة الحيوية ، ينتمي الدور الأكثر أهمية إلى نشاط الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية.
**** العمليات التي تحدث في قذائف مختلفة من الأرض في حالة توازن ديناميكي ، وأي تغيير في مسار أي منها يستلزم سلاسل لا نهاية لها من الظواهر التي لا رجعة فيها في بعض الأحيان. في كل دورة طبيعية ، يُنصح بالتمييز بين جزأين أو "صندوقين":
صندوق احتياطي- كتلة كبيرة من المواد التي تتحرك ببطء ، وخاصة ذات الطبيعة غير العضوية ؛
التليفون المحمول، أو الصرف والصندوق- أصغر حجمًا ، ولكنه أكثر نشاطًا ، ويتميز بالتبادل السريع بين الكائنات الحية والبيئة.
يتشكل صندوق التبادل بسبب المواد التي تعود إلى الدورة الدموية إما بسبب الإفراز الأولي (من الإفراز اللاتيني - المخصص) بواسطة الحيوانات ، أو أثناء تحلل المخلفات بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.
إذا أخذنا في الاعتبار المحيط الحيوي ككل ، فيمكن تقسيم الدورات الكيميائية الجيوكيميائية إلى نوعين رئيسيين:
تداول المواد الغازية مع وجود صندوق احتياطي في الغلاف الجوي أو الغلاف المائي ؛
دورة رسوبية مع وجود صندوق احتياطي في القشرة الأرضية.
^ الدائرة البيولوجية للمواد في الطبيعة
المفهوم العام للدورة البيولوجية للمواد
التداول البيولوجي للمواد كشكل من أشكال تطور كوكب الأرض
عناصر الدورة البيوجيوكيميائية للمواد في الطبيعة
معلمات الدورة البيوجيوكيميائية على الأرض
الدورة البيولوجية وتكوين التربة
^ مفهوم عام
الدورة البيولوجية للمواد هي مزيج من عمليات دخول العناصر الكيميائية من التربة والجو إلى الكائنات الحية ، والتوليف الكيميائي الحيوي لمركبات معقدة جديدة وعودة العناصر إلى التربة والجو مع انخفاض سنوي في جزء من المادة العضوية. إن الدورة البيولوجية للمواد ليست دورة مغلقة معوضة بالكامل ، لذلك ، في أثناء ذلك ، يتم إثراء التربة بالدبال والنيتروجين ، وعناصر التغذية المعدنية (ما يسمى بالعناصر الحيوية) ، مما يخلق أساسًا ملائمًا للوجود من الكائنات الحية النباتية.
تم عرض الأهمية البيولوجية والكيميائية الحيوية والجيوكيميائية للعمليات التي يتم إجراؤها في الدورة البيولوجية للمواد لأول مرة بواسطة V.V. Dokuchaev ، الذي أنشأ نظرية مناطق الطبيعة. علاوة على ذلك تم الكشف عنها في أعمال VI Vernadsky و B.B Polynov و D.N Pryanishnikov و V.N. Sukachev و N.P Remezov و L.E Rodin و N.I Bazilevich و V.A Kovda وغيرهم من الباحثين.
الاتحاد الدولي العلوم البيولوجيةقام (الاتحاد الدولي للعلوم البيولوجية) بتنفيذ برنامج واسع للبحث حول الإنتاجية البيولوجية للتكاثر الحيوي للأراضي والأجسام المائية. تم إنشاء البرنامج البيولوجي الدولي لتوجيه هذا البحث. من أجل توحيد المصطلحات والمفاهيم المستخدمة في الأدب الحديث في البرنامج الحيوي الدولي ، عمل معين... قبل أن نبدأ في دراسة الدورات البيولوجية الطبيعية للمواد ، من الضروري شرح المصطلحات الأكثر استخدامًا.
الكتلة الحيوية -تراكمت كتلة المادة الحية ل هذه اللحظةزمن.
^ الكتلة الحيوية النباتية (مرادف - الكتلة النباتية) - كتلة الكائنات الحية والميتة للمجتمعات النباتية في أي منطقة حافظت على بنيتها التشريحية حتى هذه اللحظة.
^ هيكل الكتلة الحيوية - نسبة الأجزاء الموجودة تحت الأرض وفوق الأرض من النباتات ، وكذلك الأجزاء السنوية والمعمرة ، والنباتات الضوئية وغير الضوئية.
رايات -أجزاء النبات الميتة التي احتفظت برابطة ميكانيكية مع المصنع.
^ فضلات -كمية المادة العضوية للنباتات التي ماتت في الأجزاء الموجودة فوق الأرض وتحت الأرض لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
قمامة -كتلة المخلفات النباتية المعمرة درجات متفاوتهتمعدن.
نمو -كتلة كائن حي أو مجموعة من الكائنات الحية ، متراكمة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
^ مكسب حقيقي - نسبة الزيادة إلى كمية القمامة لكل وحدة زمنية لكل وحدة مساحة.
الإنتاج الأولي -كتلة المادة الحية التي تم إنشاؤها بواسطة autotrophs (النباتات الخضراء) لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
^ المنتجات الثانوية - كتلة المادة العضوية التي تم إنشاؤها بواسطة الكائنات غيرية التغذية لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
قدرة الدورة البيولوجية -كمية العناصر الكيميائية في تكوين كتلة التكاثر الحيوي الناضج (التكاثر النباتي).
شدة الدورة البيولوجية هي كمية العناصر الكيميائية الموجودة في نمو التكاثر النباتي لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
سرعة الدورة البيولوجية هي الفترة الزمنية التي يمر خلالها العنصر من امتصاصه بواسطة مادة حية إلى إطلاقه من تكوين مادة حية. مصمم باستخدام ذرات التتبع.
وفقًا لـ L. Ye. Rodin، N.I Bazilevich (1965) ، تتكون الدورة الكاملة للدورة البيولوجية للعناصر من المكونات التالية.
الامتصاص عن طريق امتصاص سطح النباتات من الغلاف الجوي للكربون ، ومن خلال أنظمة الجذر من التربة - النيتروجين وعناصر الرماد والماء ، وتثبيتها في أجسام الكائنات الحية النباتية ، ودخول التربة بالنباتات الميتة أو أجزائها ، والتحلل من القمامة وإطلاق العناصر الموجودة فيها.
عزل أجزاء النبات عن طريق الحيوانات التي تتغذى عليها ، وتحولها في أجسام الحيوانات إلى مركبات عضوية جديدة ، وتوحيد بعضها في الكائنات الحية ، ودخولها لاحقًا إلى التربة ببراز الحيوانات أو بجثثها ، وتحلل كلاهما و الافراج عن العناصر الواردة فيها.
تبادل الغازات بين سطح النبات الممتص والجو ، بين نظام الجذر وهواء التربة.
إفراز حيوي من قبل أعضاء النبات الموجودة فوق سطح الأرض ، وعلى وجه الخصوص ، عن طريق أنظمة الجذر لبعض العناصر مباشرة في التربة.
^ الدائرة البيولوجية للمواد كشكل من أشكال تطور كوكب الأرض
يمثل هيكل المحيط الحيوي في أكثر صوره عمومية أكبر هيكلين مجمعات طبيعية من المرتبة الأولى -القارية والمحيطية. تشكل النباتات والحيوانات وغطاء التربة نظامًا بيئيًا عالميًا معقدًا على الأرض. من خلال ربط وإعادة توزيع الطاقة الشمسية ، والكربون الجوي ، والرطوبة ، والأكسجين ، والهيدروجين ، والنيتروجين ، والفوسفور ، والكبريت ، والكالسيوم ، وعناصر بيوفيلية أخرى ، فإن هذا النظام يشكل الكتلة الحيوية ويولد الأكسجين الحر.
تشكل النباتات المائية والمحيطات نظامًا بيئيًا عالميًا آخر يؤدي على الكوكب نفس وظائف ربط الطاقة الشمسية والكربون والنيتروجين والفوسفور وغيرها من الكائنات الحية من خلال تكوين الكتلة الحيوية النباتية ، وإطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.
هناك ثلاثة أشكال لتراكم وإعادة توزيع الطاقة الكونية في المحيط الحيوي. ^ جوهر الأولمن بين هذه الكائنات الحية النباتية ، ومن خلال سلاسل الغذاء والحيوانات والبكتيريا المرتبطة بها ، تشتمل على العديد من المركبات في أنسجتها. تحتوي هذه المركبات على H 2 و O 2 و N و P و S و Ca و K و Mg و Si و Al و Mn وعناصر حيوية أخرى والعديد من العناصر النزرة (I ، Co ، Cu ، Zn ، إلخ). في هذه الحالة ، هناك مجموعة مختارة من نظائر الضوء (C ، H ، O ، N ، S) من نظائرها الثقيلة. في الجسم الحي وبعد الوفاة ، الكائنات الحية على الأرض والماء والهواء ، في حالة التبادل المستمر مع البيئة ، تدرك وتصدر طيفًا واسعًا ومتنوعًا من المركبات المعدنية والعضوية. يتجاوز إجمالي الكتلة والحجم لمنتجات التمثيل الغذائي الحيوي للكائنات الحية والبيئة (المستقلبات) الكتلة الحيوية للمادة الحية عدة مرات.
^ الشكل الثانييتجلى تراكم الطاقة الكونية للشمس والاحتفاظ بها وإعادة توزيعها على الكوكب في محيطه الحيوي من خلال تسخين الكتل المائية وتكوين الأبخرة وتكثيفها وهطول الأمطار وحركة المياه السطحية والجوفية على طول منحدر من مناطق التغذية إلى مناطق التبخر. يتسبب التسخين غير المتكافئ للهواء والماء في حركات كوكبية للمياه و الكتل الهوائية، وتشكيل تدرجات الكثافة والضغط ، وتيارات المحيطات والعمليات الهائلة للدوران الجوي.
يمثل التعرية والتعرية الكيميائية والنقل وإعادة التوزيع والترسب وتراكم الرواسب الميكانيكية والكيميائية على الأرض وفي المحيط الشكل الثالث لنقل هذه الطاقة وتحويلها.
كل هذه العمليات الكوكبية الثلاث متشابكة بشكل وثيق ؛ تشكيل الدورة الأرضية العامة ونظام الدوران المحلي للمادة. وهكذا ، على مدى بلايين السنين من التاريخ البيولوجي للكوكب ، تطور دوران بيوجيوكيميائي كبير وتمايز العناصر الكيميائية في الطبيعة. لقد خلقوا المحيط الحيوي الحديث وهم أساس عمله الطبيعي.
^ عناصر الدائرة البيوجيوكيميائية للمواد في الطبيعة
عناصر الدورة الكيميائية الحيوية للمواد هي المكونات التالية.
عمليات التكرار المنتظم أو التدفق المستمر لتدفق الطاقة ، وتشكيل وتركيب مركبات جديدة.
العمليات المستمرة أو الدورية لنقل أو إعادة توزيع الطاقة وعمليات الإزالة والحركة الاتجاهية للمركبات المركبة تحت تأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية.
عمليات إيقاعية أو دورية موجهة للتحول المتسلسل: التحلل ، وتدمير المركبات التي تم تصنيعها مسبقًا تحت تأثير التأثيرات البيئية الحيوية أو غير الحيوية.
في الطبيعة ، تحدث كل من الدورات البيولوجية للمواد والدورات الحيوية.
^ الدورات البيولوجية - بسبب في جميع الروابطالنشاط الحيوي للكائنات (التغذية ، وصلات الغذاء ، التكاثر ، النمو ، حركة المستقلبات ، الموت ، التحلل ، التمعدن).
^ دورات أبوجينية - تشكلت على الكوكب في وقت أبكر بكثير من الكائنات الحية. وهي تشمل المجموعة الكاملة من العمليات الجيولوجية والجيوكيميائية والهيدرولوجية والجوية.
في فترة ما قبل نشأة الكوكب ، لعبت هجرة الماء والهواء وتراكمهما دورًا حاسمًا في الدورات الجيولوجية والهيدرولوجية والجيوكيميائية والغلاف الجوي. في المحيط الحيوي المتقدم ، يتم توجيه تداول المواد من خلال العمل المشترك للعوامل البيولوجية والجيولوجية والجيوكيميائية. قد تكون النسبة بينهما مختلفة ، لكن الفعل مشترك بالضرورة! وبهذا المعنى يتم استخدام المصطلحات - تداول المواد البيوجيوكيميائية ، الدورات البيوجيوكيميائية.
الدورات البيوجيوكيميائية غير المضطربة تكون دائرية تقريبًا ومغلقة تقريبًا. إن درجة التكاثر المتكرر للدورات في الطبيعة عالية جدًا ، وربما تصل ، وفقًا لـ V. A. Kovda ، إلى 90-98٪. هذا يحافظ على ثبات وتوازن معينين في تكوين وكمية وتركيز المكونات المشاركة في الدورة ، فضلاً عن اللياقة الجينية والفسيولوجية وتناغم الكائنات الحية والبيئة. لكن العزلة غير الكاملة للدورات البيوجيوكيميائية في الزمن الجيولوجي تؤدي إلى هجرة العناصر ومركباتها وتمايزها في الفضاء وفي بيئات مختلفة ، إلى تركيز العناصر أو تشتتها. هذا هو السبب في أننا نلاحظ التراكم الحيوي للنيتروجين والأكسجين في الغلاف الجوي ، والتراكم الحيوي والكيميائي لمركبات الكربون في قشرة الأرض (النفط والفحم والحجر الجيري).
^ معلمات الدائرة الكيميائية الحيوية على الأرض
المؤشرات التالية هي معلمات إلزامية لدراسة الدورات البيوجيوكيميائية في الطبيعة.
الكتلة الحيوية ونموها الفعلي (نباتي ، حديقة حيوان ، الكتلة الميكروبية بشكل منفصل).
القمامة العضوية (الكمية والتكوين).
المواد العضوية في التربة (الدبال ، المخلفات العضوية غير المتحللة).
التركيب الأولي للتربة ، الماء ، الهواء ، هطول الأمطار ، أجزاء الكتلة الحيوية.
احتياطيات الأرض والجوفية من الطاقة الحيوية.
المستقلبات الحيوية.
عدد الأنواع ، الوفرة ، التكوين.
العمر الافتراضي للأنواع ودينامياتها وإيقاعها في المجموعات السكانية والتربة.
البيئة البيئية والأرصاد الجوية: خلفية وتقييم التدخل البشري.
تغطية من خلال نقاط المراقبة لمستجمعات المياه ، والمنحدرات ، والمدرجات ، ووديان الأنهار ، والبحيرات.
عدد الملوثات ، الكيميائية ، الفيزيائية ، الخصائص البيولوجية(خاصة CO ، CO 2 ، SO 2 ، P ، NO 3 ، NH 3 Hg ، Pb ، Cd ، H 2 S ، الهيدروكربونات).
1. محتوى الرماد والكربون والنيتروجين في الكتلة الحيوية (فوق الأرض ، تحت الأرض ، نباتي ، حديقة حيوان ، ميكروبي). يمكن التعبير عن محتوى هذه العناصر بالنسبة المئوية أو في جم / م 2 ، طن / هكتار من السطح. العناصر المكونة الرئيسية للمادة الحية بالوزن هي O (65-70٪) و H (10٪). كل الآخرين يمثلون 30-35٪: C ، N ، Ca (1-10٪) ؛ S ، P ، K ، Si (0.1-1٪) ؛ Fe ، Na ، Cl ، Al ، Mg (0.01-0.1٪).
يختلف التركيب الكيميائي للكتلة النباتية اختلافًا كبيرًا. يختلف تكوين الكتلة النباتية للغابات الصنوبرية والنفضية والنباتات العشبية والنباتات الملحية بشكل خاص (الجدول 13).
الجدول 13 - التركيب المعدني مجموعات مختلفةنباتات السوشي
| نوع الغطاء النباتي | نسبة الرماد،٪ | معدل الدوران السنوي للمعادن المكونات ، كجم / هكتار | المكونات السائدة |
| الغابات الصنوبرية | 3-7 | 100-300 | سي ، كا ، ف ، مغ ، ك |
| الغابات النفضية | 5-10 | 460-850 | Ca، K، P، Al، Si |
| الغابات المطيرة | 3-4 | 1000-2000 | Ca، K، Mg، Al |
| المروج والسهوب | 5-7 | 800-1200 | سي ، كا ، ك ، إس ، ف |
| المجتمعات الملحية | 20-45 | 500-1000 | Cl ، SO 4 ، Na ، Mg ، K |
يتم تقييم الأهمية الفردية لعنصر كيميائي معين بواسطة معامل الامتصاص البيولوجي (BCF). احسبها بالصيغة:
في عام 1966 ، اقترح V.A.Kovda استخدام نسبة الكتلة الحيوية النباتية المسجلة إلى الزيادة السنوية في التمثيل الضوئي في الكتلة النباتية لتوصيف متوسط مدة دورة الكربون الإجمالية. يميز هذا المعامل متوسط مدة دورة التوليف العامة - تمعدن الكتلة الحيوية في منطقة معينة (أو على الأرض ككل). أظهرت الحسابات أنه بالنسبة للأرض ككل ، فإن هذه الدورة تناسب فترة 300-400 ولا تزيد عن 1000 عام. وفقًا لذلك ، مع هذا المعدل المتوسط ، يتم إطلاق المركبات المعدنية المرتبطة بالكتلة الحيوية ، ويتم تكوين وتمعدن الدبال في التربة.
لإجراء تقييم عام للأهمية البيوجيوكيميائية للمكونات المعدنية للمادة الحية للمحيط الحيوي ، اقترحت VAKovda مقارنة إمدادات معادن الكتلة الحيوية ، وكمية المعادن المتضمنة سنويًا في الدوران مع الزيادة والقمامة ، مع الجريان الكيميائي السنوي للأنهار . اتضح أن هذه القيم متقاربة: 10 8-9 مواد رماد متورطة في النمو والقمامة ، و 10 9 - في الجريان السطحي الكيميائي للأنهار.
مؤشر BGHK = S b / S X ،
حيث S ب - مجموع العناصر (أو مقدار عنصر واحد) في الزيادة السنوية في الكتلة الحيوية ؛ S x - مجموع العناصر نفسها (أو عنصر واحد) التي تنفذها مياه أنهار الحوض المحدد (أو جزء من الحوض).
اتضح أن مؤشرات الدورة البيوجيوكيميائية تختلف اختلافًا كبيرًا في الظروف المناخية المختلفة ، تحت غطاء المجتمعات النباتية المختلفة ، في ظل ظروف مختلفة من الصرف الطبيعي.
4. اقترح NI Bazilevich، LE Rodin (1964) حساب المعامل الذي يميز شدة تحلل القمامة ومدة الاحتفاظ بالقمامة في ظل ظروف تكاثر حيوي معين:
وفقًا لـ N.I.Bazilevich و L.E. Rodina ، فإن مؤشرات شدة تحلل الكتلة النباتية هي الأعلى في التندرا والمستنقعات في الشمال ، والأدنى (تساوي تقريبًا 1) في السهوب وشبه الصحاري.
5. اقترح B. B. B. Polynov (1936) حساب مؤشر الهجرة المائية:
IVM = X H2O / X zk ،
حيث ICM هو مؤشر هجرة المياه ؛ Х Н2О - كمية العنصر في البقايا المعدنية للنهر المتبخر أو المياه الجوفية ؛ X zk - محتوى نفس العنصر في قشرة الأرض أو الصخور.
أظهر حساب مؤشرات الهجرة المائية أن المهاجرين الأكثر تنقلًا في المحيط الحيوي هم Cl ، S ، B ، Br ، I ، Ca ، Na ، Mg ، F ، Sr ، Zn ، U ، Mo. الأكثر سلبية في هذا الصدد هي Si ، K ، P ، Ba ، Mn ، Rb ، Cu ، Ni ، Co ، As ، Li ، Al ، Fe.
^ الدائرة البيولوجية وتشكيل التربة
سمحت البيانات الجيولوجية وعلم النبات القديم لـ VA Kovda بـ المخطط العامتقديم المراحل الحرجةتطوير عملية تكوين التربة فيما يتعلق بتاريخ تطور النباتات والغطاء النباتي (1973). ترتبط بداية عملية تكوين التربة على الأرض بظهور بكتيريا ذاتية التغذية قادرة على الوجود المستقل في أكثر الظروف الحرارية المائية غير المواتية. عملية التعريض الأولية هذه الكائنات الحية السفليةعلى صخور قشرة الأرض ، أطلق ويليامز على صخور القشرة الأرضية عملية تكوين التربة الأولية. البكتيريا ذاتية التغذية ، التي اكتشفها S.N.Venogradov في نهاية القرن التاسع عشر ، هي أبسط كائنات وحيدة الخلية ، يبلغ عددها حوالي مائة نوع. لديهم القدرة على التكاثر بسرعة كبيرة: يمكن للفرد الواحد أن يعطي تريليونات من الكائنات الحية يوميًا. من بين autotrophs الحديثة بكتيريا الكبريت ، وبكتيريا الحديد ، وما إلى ذلك ، والتي تلعب دورًا مهمًا للغاية في العمليات داخل التربة. يبدو أن ظهور البكتيريا ذاتية التغذية يعود إلى عصر ما قبل الكمبري.
وهكذا ، ارتبط التوليف الأول للمادة العضوية والدورات البيولوجية C ، S ، N ، Fe ، Mn ، O 2 ، H 2 في قشرة الأرض بنشاط البكتيريا ذاتية التغذية التي تستخدم أكسجين المركبات المعدنية. في تطوير عملية تكوين التربة ، من الممكن ، جنبًا إلى جنب مع البكتيريا ذاتية التغذية ، أن تلعب أشكال الحياة غير الخلوية مثل الفيروسات والعاثيات دورًا. بالطبع ، لم تكن هذه عملية تكوين التربة في شكل حديثنظرًا لعدم وجود نباتات جذرية ، لم يكن هناك تراكمات للمركبات الدبالية ولا آلية حيوية. ويبدو أنه من الأصح الحديث عن التجوية الكيميائية الحيوية الأولية للصخور تحت تأثير الكائنات الحية السفلية.
في عصر ما قبل الكمبري ، ظهرت الطحالب أحادية الخلية زرقاء وخضراء. من الطحالب السيلورية والديفونية ، تنتشر الطحالب متعددة الخلايا - خضراء ، بنية ، قرمزية. أصبحت عملية تكوين التربة أكثر تعقيدًا ، وتسريعًا ، وبدأ تركيب المواد العضوية بكميات ملحوظة ، وتم تحديد توسيع الدورة البيولوجية الصغيرة لـ O و H و N و S والمغذيات الأخرى. على ما يبدو ، وفقًا لـ V.A. Kovda ، كانت عملية تكوين التربة في هذه المراحل مصحوبة بتراكم التراب الناعم الحيوي. كانت مرحلة التكوين الأولي للتربة طويلة جدًا وكان مصحوبًا بتراكم بطيء ولكن مستمر من التراب الناعم الحيوي المخصب بالمواد العضوية والعناصر المشاركة في الدورة البيولوجية: H ، O ، C ، N ، P ، S ، Ca ، K ، Fe ، Si ، A1. في هذه المرحلة ، يمكن أن يتم بالفعل التوليف الحيوي للمعادن الثانوية: تم حصر الألومنيوم و ferrisilicates ، والفوسفات ، والكبريتات ، والكربونات ، والنترات ، والكوارتز ، وتكوين التربة في مناطق المياه الضحلة. على الأرض كان لها طابع صخري وعرق.
في العصر الكمبري ، ظهرت نباتات psilophytes أيضًا - نباتات شجيرة صغيرة الحجم ليس لها جذور حتى. اكتسبوا بعض التوزيع في Silurian وتطور هام في Devonian. في الوقت نفسه ، تظهر ذيل الحصان والسراخس - سكان الأراضي المنخفضة الرطبة. وهكذا ، بدأ شكل مطور نسبيًا من عملية تكوين التربة مع السيلوريين والديفونيين ، أي منذ حوالي 300-400 مليون سنة. ومع ذلك ، لم يلاحظ أي عملية طينية ، حيث لم يكن هناك نبات عشبي. محتوى الرماد في السرخس والقيارات ليس مرتفعًا (4-6٪) ، ذيل الحصان أعلى بكثير (20٪). سيطر على تركيبة الرماد K (30٪) ، Si (28٪) و C1 (10٪). عززت البكتيريا الفطرية مشاركة الفوسفور والبوتاسيوم في الدورة البيولوجية ، والأشنات - Ca ، Fe ، Si. من المحتمل تكوين تربة حمضية (أليت كاولين ، بوكسيت) وتربة هيدرومورفيك المخصبة بمركبات الحديد.
يبدو أن عملية تكوين التربة المتقدمة لم تتشكل إلا في نهاية العصر الباليوزويك (الكربوني ، البرمي). في هذا الوقت يعزو العلماء ظهور غطاء نباتي مستمر على الأرض. بالإضافة إلى السراخس ، ظهرت ليكوبودس ، ذيل الحصان ، عاريات البذور. سادت المناظر الطبيعية للغابات والمستنقعات ، وتم تشكيل المناطق المناخية على خلفية هيمنة المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية الدافئة. وبالتالي ، خلال هذه الفترة ، سادت عمليات تكوين التربة في المستنقعات والغابات الاستوائية.
استمر هذا النظام حتى منتصف العصر البرمي تقريبًا ، عندما بدأ تبريد المناخ وتجفيفه تدريجياً. ساهم في الجفاف والطقس البارد مزيد من التطويرالتقسيم. خلال هذه الفترة (النصف الثاني من العصر البرمي ، الترياسي) تم تطوير عاريات البذور على نطاق واسع. في خطوط العرض العالية في هذا الوقت ، حدث تكوين تربة البودزوليك الحمضية ، في خطوط العرض المنخفضة ، استمر تكوين التربة على طول مسار تطور التربة الصفراء ، والتربة الحمراء ، والبوكسيت. محتوى رماد منخفض (حوالي 4٪) ، محتوى ضئيل من Cl ، Na ، محتوى عالٍ من Si (16٪) ، Ca (2٪) ، S (6٪) ، K (6.5٪) في إبر الصنوبر أدى إلى زيادة في المشاركة في الدورة الدموية البيولوجية وفي تكوين التربة دور Ca ، S ، P وتقليل دور Si ، K ، Na ، C1.
تظهر الدياتومات في العصر الجوراسي ، وتظهر كاسيات البذور في العصر الطباشيري التالي. منذ منتصف العصر الطباشيري ، أصبحت الأنواع المتساقطة الأوراق منتشرة على نطاق واسع - القيقب ، والبلوط ، والبتولا ، والصفصاف ، والأوكالبتوس ، والجوز ، والزان ، وشعاع البوق. تبدأ عملية تشكيل البودزول تحت المظلة بالضعف ، لأن تكوين فضلات هذه النباتات يحتوي على نسبة عالية من الكالسيوم ، المغنيسيوم ، ك.
في الحقبة الثلاثية ، سادت النباتات الاستوائية على الكرة الأرضية: النخيل ، المغنوليا ، السكوية ، الزان ، والكستناء. تميز التركيب المعدني للمواد المشاركة في الحركة الدائرية لهذه الغابات بمشاركة كبيرة من Ca، Mg، K، P، S، Si، Al. وهكذا ، تم إنشاء المتطلبات البيئية لظهور وتطور النباتات العشبية: انخفاض في حموضة التربة والصخور ، وتراكم العناصر الغذائية.
كان التغيير في هيمنة الغطاء النباتي الخشبي العشبي ذا أهمية أساسية هائلة في تغيير طبيعة عمليات تكوين التربة. اشتمل نظام الجذر القوي للأشجار على كتلة كبيرة من المواد المعدنية في الدورة البيولوجية ، وحشدها للاستقرار اللاحق للنباتات العشبية. يوفر العمر الافتراضي القصير للنباتات العشبية وتركيز الكتل الجذرية في طبقات التربة العلوية ، تحت غطاء الأعشاب ، تركيزًا مكانيًا للدوران البيولوجي للمعادن في طبقة أقل سمكًا من الآفاق مع تراكم عناصر تغذية الرماد فيها . وهكذا ، بدءًا من النصف الثاني من العصر الطباشيري ، في العصر الثالث وخاصة في الفترات الرباعية ، وتحت تأثير هيمنة الغطاء النباتي العشبي ، انتشرت عملية تشكيل التربة.
لذلك ، يتزايد باستمرار دور المادة الحية والدوران البيولوجي في التاريخ الجيولوجي للأرض وتطور عملية تكوين التربة. لكن تكوين التربة أصبح أيضًا تدريجياً أحد الروابط الرئيسية في الدورة البيولوجية للمواد.
توفر التربة تفاعلًا مستمرًا بين الدورات الجيولوجية الكبيرة والدورات البيولوجية الصغيرة للمواد الموجودة على سطح الأرض. التربة هي رابط متصل ومنظم لتفاعل هاتين الدورتين العالميتين للمادة.
التربة - تتراكم المواد العضوية والطاقة الكيميائية المرتبطة بها ، والعناصر الكيميائية ، وبالتالي تنظم معدل الدوران البيولوجي للمواد.
التربة ، التي لديها القدرة على إعادة إنتاج خصوبتها ديناميكيًا ، تنظم عمليات المحيط الحيوي. على وجه الخصوص ، يتم تحديد كثافة الحياة على الأرض ، إلى جانب العوامل المناخية ، إلى حد كبير من خلال عدم التجانس الجغرافي للتربة.
تداول المواد في الطبيعة هو أهم مفهوم بيئي.
في التين. يتم تقديم الدورة البيولوجية جنبًا إلى جنب مع مخطط تدفق الطاقة المبسط. المواد تدخل في الدورة ، وتدفق الطاقة أحادي الاتجاه من النباتات التي تحول طاقة الشمس إلى طاقة الروابط الكيميائية ، إلى الحيوانات التي تستخدم هذه الطاقة ، ثم إلى الكائنات الحية الدقيقة التي تدمر المواد العضوية.
يعمل التدفق أحادي الاتجاه للطاقة على تحريك دوران المواد. كل عنصر كيميائي ، يصنع دورة في النظام البيئي ، ينتقل بالتناوب من الشكل العضوي إلى الشكل غير العضوي والعكس صحيح.
أرز. 1. تدفق الطاقة ودورة العناصر الحيوية في المحيط الحيوي
البناء الضوئي- تكوين مواد عضوية (جلوكوز ، نشا ، سليلوز ، إلخ) من ثاني أكسيد الكربون والماء بمشاركة الكلوروفيل تحت تأثير الطاقة الشمسية:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 سعر حراري) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
التمثيل الضوئي هو عملية التقاط الطاقة الشمسية بواسطة كائنات التمثيل الضوئي وتحويلها إلى طاقة الكتلة الحيوية.
في كل عام ، يخزن العالم النباتي طاقة مجانية أعلى بعشر مرات من كمية الطاقة المعدنية التي يستهلكها كل سكان الأرض سنويًا. هذه المعادن نفسها (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) هي أيضًا نتاج لعملية التمثيل الضوئي التي حدثت منذ ملايين السنين.
في كل عام ، تستوعب عملية التمثيل الضوئي 200 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون وتطلق ما يصل إلى 320 مليار طن من الأكسجين. يمر ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي عبر المادة الحية خلال 6-7 سنوات.
عمليات تدمير المادة العضوية لأبسط الجزيئات: CO 2 ، H 2 O ، NH 3 تحدث أيضًا في المحيط الحيوي. يحدث تحلل المركبات العضوية في الكائنات الحية للحيوانات ، في النباتات أثناء التنفس بتكوين ثاني أكسيد الكربون و H 2 O.
تمعدن المواد العضوية ، تحلل المواد العضوية الميتة إلى مركبات غير عضوية بسيطة يحدث تحت تأثير الكائنات الحية الدقيقة.
تشكل العمليات المعاكسة لتكوين وتدمير المواد العضوية في المحيط الحيوي دورة بيولوجية واحدة من الذرات. في عملية تمعدن المركبات العضوية ، يتم إطلاق الطاقة ، والتي يتم امتصاصها أثناء عملية التمثيل الضوئي. يتم إطلاقه كحرارة وأيضًا كطاقة كيميائية.
الدورة البيولوجيةعبارة عن مجموعة من العمليات لدخول العناصر الكيميائية إلى الكائنات الحية ، والتخليق الحيوي لمركبات معقدة جديدة وعودة العناصر إلى التربة والغلاف الجوي والغلاف المائي.
يتم تحديد شدة الدورة البيولوجية (BIR) من خلال درجة الحرارة المحيطة وكمية الماء. تكون الدورة البيولوجية أكثر كثافة في الغابات الاستوائية المطيرة منها في التندرا.
إن أهم نتيجة للدورة البيولوجية للمواد هو تكوين أفق الدبال للتربة على الأرض.
تتميز الدورة البيولوجية بالمؤشرات التالية.
الكتلة الحيوية -تراكمت كتلة المادة الحية في لحظة معينة من الزمن (نباتية ، حديقة حيوانات ، كتلة ميكروبيومية).
الكتلة الحيوية النباتية(الكتلة النباتية) - كتلة الكائنات الحية النباتية والميتة.
قمامة -كمية المادة العضوية للنباتات التي ماتت لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
نمو- الكتلة الحيوية المتراكمة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.
يعتمد التركيب الكيميائي للنباتات على عاملين رئيسيين:
1) بيئي ، - بيئة نمو النبات ، - مستويات محتوى العناصر في البيئة ، وأشكال الموقع ، بما في ذلك العناصر المتنقلة ، المتاحة للنباتات ؛
2) وراثي ، بسبب خصوصيات أصل الأنواع النباتية.
في ظروف التلوث البيئي ، يتم تحديد تركيز العناصر في النباتات بواسطة العامل الأول. في المناظر الطبيعية الخلفية (غير المضطربة) ، كلا العاملين مهمان.
اعتمادًا على التفاعل مع العامل الكيميائي للبيئة (لمحتوى العناصر الكيميائية) ، يمكن تمييز مجموعتين من النباتات:
1) تكيفللتغيرات في تركيز العناصر الكيميائية ؛
2) لا تتكيفللتغيرات في تركيز العناصر الكيميائية.
تؤدي التغييرات في تركيزات العناصر الكيميائية في البيئة في النباتات غير المعدلة إلى اضطرابات فسيولوجية تؤدي إلى الإصابة بالأمراض ؛ يتم قمع تطور النباتات ، وتموت الأنواع.
تتكيف بعض الأنواع النباتية جيدًا مع نقل تركيزات عالية من العناصر. هذه نباتات برية تنمو لفترة طويلة في منطقة معينة ، والتي ، نتيجة للانتقاء الطبيعي ، تكتسب مقاومة للظروف المعيشية غير المواتية.
تسمى النباتات التي تركز العناصر الكيميائية بالمكثفات. على سبيل المثال: عباد الشمس ، البطاطس ، تركيز البوتاسيوم ، الشاي - الألمنيوم ، الطحالب - الحديد. يتراكم الشيح والذرة والذرة والبلوط الذهب.
العالم الروسي البارز ، الأكاديمي ف. فيرنادسكي.
المحيط الحيوي- الغلاف الخارجي المعقد للأرض ، والذي يحتوي على مجمل الكائنات الحية وهذا الجزء من مادة الكوكب ، والذي يخضع لعملية تبادل مستمر مع هذه الكائنات. إنها واحدة من أهم الغلافات الأرضية للأرض ، وهي المكون الرئيسي للبيئة الطبيعية المحيطة بالإنسان.
تتكون الأرض من متحدة المركز اصداف(الغلاف الجوي) على الصعيدين الداخلي والخارجي. تشمل الأجزاء الداخلية اللب والعباءة ، والداخلية الخارجية: الغلاف الصخري -القشرة الحجرية للأرض ، بما في ذلك القشرة الأرضية (الشكل 1) بسمك 6 كم (تحت المحيط) إلى 80 كم (الأنظمة الجبلية) ؛ الغلاف المائي -قشرة الماء للأرض. أجواء- الغلاف الغازي للأرض ، ويتكون من خليط من الغازات المختلفة وبخار الماء والغبار.
على ارتفاع من 10 إلى 50 كم توجد طبقة من الأوزون ، بتركيز أقصى يصل إلى 20-25 كم ، تحمي الأرض من الأشعة فوق البنفسجية المفرطة ، والتي تكون قاتلة للجسم. ينتمي المحيط الحيوي هنا أيضًا (إلى الغلاف الجوي الخارجي).
المحيط الحيوي -الغلاف الخارجي للأرض ، والذي يشمل جزءًا من الغلاف الجوي يصل ارتفاعه إلى 25-30 كم (حتى طبقة الأوزون) ، والغلاف المائي بأكمله تقريبًا و الجزء العلويالغلاف الصخري لعمق 3 كم
أرز. 1. مخطط هيكل القشرة الأرضية
(الصورة 2). خصوصية هذه الأجزاء هي أنها مأهولة بالكائنات الحية التي تشكل المادة الحية على الكوكب. تفاعل الجزء اللاأحيائي من المحيط الحيوي- الهواء والماء والصخور والمواد العضوية - الكائنات الحيةتسبب في تكوين التربة والصخور الرسوبية.
أرز. 2. هيكل المحيط الحيوي ونسبة الأسطح التي تشغلها الوحدات الهيكلية الرئيسية
دورة المادة في المحيط الحيوي والنظم البيئية
كل شيء متاح للكائنات الحية مركبات كيميائيةفي المحيط الحيوي محدودة. استنفاد مناسب للاستيعاب مواد كيميائيةغالبًا ما يعيق نمو مجموعات معينة من الكائنات الحية في المناطق المحلية من الأرض أو المحيط. وفقًا للأكاديمي ف. وليامز ، الطريقة الوحيدة لإعطاء المحدود خصائص اللانهاية هي جعلها تدور على طول منحنى مغلق. وبالتالي ، يتم الحفاظ على استقرار المحيط الحيوي بسبب تداول المواد وتدفقات الطاقة. هناك دورتان رئيسيتان للمواد: كبيرة - جيولوجية وصغيرة - بيوجيوكيميائية.
تداول جيولوجي كبير(تين. 3). تتحول الصخور البلورية (النارية) إلى صخور رسوبية تحت تأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. الرمل والطين عبارة عن رواسب نموذجية ، نتاج تحول الصخور العميقة. ومع ذلك ، فإن تكوين هطول الأمطار يحدث ليس فقط بسبب تدمير بالفعل السلالات الموجودة، ولكن أيضًا عن طريق تخليق المعادن الحيوية - الهياكل العظمية للكائنات الحية الدقيقة - من الموارد الطبيعية- مياه المحيطات والبحار والبحيرات. الرواسب المائية السائبة حيث يتم عزلها في قاع الخزانات بأجزاء جديدة من المواد الرسوبية ، والانغماس في العمق ، والوقوع في ظروف ديناميكية حرارية جديدة (المزيد درجات حرارة عاليةوالضغط) تفقد الماء وتتصلب وتتحول إلى صخور رسوبية.
بعد ذلك ، تغرق هذه الصخور في آفاق أعمق ، حيث تحدث عمليات تحولها العميق إلى درجات حرارة جديدة وظروف قاسية - تحدث عمليات التحول.
تحت تأثير تدفقات الطاقة الداخلية ، يتم إعادة صهر الصخور العميقة ، وتشكيل الصهارة - مصدر الصخور النارية الجديدة. بعد رفع هذه الصخور إلى سطح الأرض ، تحت تأثير عمليات التجوية والنقل ، تتحول مرة أخرى إلى صخور رسوبية جديدة.
وبالتالي ، فإن الدوران الكبير يرجع إلى تفاعل الطاقة الشمسية (الخارجية) مع الطاقة العميقة (الداخلية) للأرض. إنه يعيد توزيع المواد بين المحيط الحيوي والآفاق الأعمق لكوكبنا.
أرز. 3. دوران كبير (جيولوجي) للمادة (أسهم رقيقة) وتغير في التنوع في قشرة الأرض (أسهم عريضة صلبة - نمو ، متقطع - انخفاض في التنوع)
الدوامة الكبيرةتسمى أيضًا دورة الماء بين الغلاف المائي والغلاف الجوي والغلاف الصخري ، والتي تتحرك بواسطة طاقة الشمس. يتبخر الماء من سطح المسطحات المائية والأرض ثم يدخل الأرض مرة أخرى في شكل هطول. فوق المحيط ، التبخر يفوق هطول الأمطار ، على الأرض ، على العكس من ذلك. يتم تعويض هذه الاختلافات عن طريق تدفقات الأنهار. يلعب الغطاء النباتي الأرضي دورًا مهمًا في دورة المياه العالمية. يمكن أن يمثل نتح النباتات في مناطق معينة من سطح الأرض ما يصل إلى 80-90 ٪ من هطول الأمطار الهابط هنا ، وفي المتوسط للجميع المناطق المناخية- حوالي 30٪. على عكس الدوران الكبير والصغير للمواد يحدث فقط داخل المحيط الحيوي. العلاقة بين دورة المياه الكبيرة والصغيرة موضحة في الشكل. 4.
يتم إنشاء دورات مقياس الكواكب من الحركات الدورية المحلية التي لا حصر لها للذرات ، مدفوعة بالنشاط الحيوي للكائنات في النظم البيئية الفردية ، وتلك الحركات التي تسببها أعمال المناظر الطبيعية والأسباب الجيولوجية (الجريان السطحي والجوفي ، تآكل الرياح ، الحركة من قاع البحر ، والبراكين ، وبناء الجبال ، وما إلى ذلك)).
أرز. 4. الترابط بين الدورة الجيولوجية الكبيرة (BGC) للمياه والدورة البيوجيوكيميائية الصغيرة (MBC) للمياه
على عكس الطاقة ، التي كانت تستخدم من قبل الجسم ، تتحول إلى حرارة وتضيع ، تدور المواد في المحيط الحيوي ، مما يخلق دورات بيوجيوكيميائية. من بين العناصر الفردية والتسعين الموجودة في الطبيعة ، تحتاج الكائنات الحية إلى حوالي أربعين عنصرًا. أهمها مطلوبة بكميات كبيرة - الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين. يتم تنفيذ دورات العناصر والمواد بسبب عمليات التنظيم الذاتي التي تشارك فيها جميع الأجزاء المكونة. هذه العمليات خالية من النفايات. موجود قانون الإغلاق العالمي للدورة البيوجيوكيميائية في المحيط الحيويتعمل في جميع مراحل تطورها. أثناء تطور المحيط الحيوي ، كان دور المكون البيولوجي في إغلاق البيوجيوكيميائية
الذين الدورة. الإنسان له تأثير أكبر على الدورة الكيميائية الحيوية. لكن دورها يتجلى في الاتجاه المعاكس (تصبح الدورات مفتوحة). أساس الدورة الكيميائية الحيوية للمواد هو طاقة الشمس والكلوروفيل للنباتات الخضراء. الدورات الأخرى الأكثر أهمية - الماء والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت - ترتبط وتساهم في الكيمياء الجيوكيميائية الحيوية.
دورة المياه في المحيط الحيوي
تستخدم النباتات هيدروجين الماء في عملية التمثيل الضوئي لبناء مركبات عضوية ، وإطلاق الأكسجين الجزيئي. في عمليات التنفس لجميع الكائنات الحية ، وأثناء أكسدة المركبات العضوية ، يتشكل الماء مرة أخرى. في تاريخ الحياة ، مرت كل المياه المجانية للغلاف المائي مرارًا وتكرارًا بدورات تحلل وتشكيلات جديدة في المادة الحية للكوكب. يشارك حوالي 500000 كيلومتر مكعب من المياه سنويًا في دورة المياه على الأرض. تظهر دورة المياه واحتياطياتها في الشكل. 5 (من حيث النسبية).
دورة الأكسجين في المحيط الحيوي
تدين الأرض بغلافها الفريد بمحتوى عالٍ من الأكسجين الحر لعملية التمثيل الضوئي. يرتبط تكوين الأوزون في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ارتباطًا وثيقًا بدورة الأكسجين. يتم إطلاق الأكسجين من جزيئات الماء وهو في الأساس منتج ثانوي لنشاط التمثيل الضوئي للنباتات. يحدث الأكسجين اللاأحيائي في الغلاف الجوي العلوي بسبب التفكك الضوئي لبخار الماء ، ولكن هذا المصدر لا يمثل سوى جزء من الألف من النسبة المئوية التي توفرها عملية التمثيل الضوئي. يوجد توازن متحرك بين محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي والغلاف المائي. في الماء ، يكون حوالي 21 مرة أقل.
أرز. 6. مخطط دورة الأكسجين: أسهم جريئة - التدفقات الرئيسية لاستهلاك الأكسجين واستهلاكه
يتم إنفاق الأكسجين المنطلق بشكل مكثف على عمليات التنفس لجميع الكائنات الهوائية وعلى أكسدة المركبات المعدنية المختلفة. تحدث هذه العمليات في الغلاف الجوي والتربة والمياه والطمي والصخور. لقد ثبت أن جزءًا كبيرًا من الأكسجين المرتبط بالصخور الرسوبية هو من أصل ضوئي. صندوق الصرف O ، في الغلاف الجوي لا يزيد عن 5 ٪ من إجمالي إنتاج التمثيل الضوئي. تعمل العديد من البكتيريا اللاهوائية أيضًا على أكسدة المواد العضوية أثناء التنفس اللاهوائي باستخدام الكبريتات أو النترات.
يتطلب التحلل الكامل للمواد العضوية التي تنتجها النباتات نفس كمية الأكسجين التي تم إطلاقها أثناء عملية التمثيل الضوئي. خدم دفن المواد العضوية في الصخور الرسوبية والجَمْر والجفت كأساس للحفاظ على صندوق تبادل الأكسجين في الغلاف الجوي. يمر كل الأكسجين الموجود فيه بدورة كاملة عبر الكائنات الحية في حوالي 2000 عام.
في الوقت الحاضر ، يرتبط جزء كبير من الأكسجين الجوي نتيجة النقل والصناعة والأشكال الأخرى من النشاط البشري. من المعروف أن البشرية تنفق بالفعل أكثر من 10 مليارات طن من الأكسجين الحر من إجمالي كمية 430-470 مليار طن توفرها عمليات التمثيل الضوئي. إذا أخذنا في الاعتبار أن جزءًا صغيرًا فقط من الأكسجين الناتج عن التمثيل الضوئي يدخل في صندوق التبادل ، فإن نشاط الأشخاص في هذا الصدد يبدأ في اكتساب نسب تنذر بالخطر.
ترتبط دورة الأكسجين ارتباطًا وثيقًا بدورة الكربون.
دورة الكربون في المحيط الحيوي
الكربون ، كعنصر كيميائي ، هو أساس الحياة. هو يستطيع طرق مختلفةتتحد مع العديد من العناصر الأخرى ، وتشكل جزيئات عضوية بسيطة ومعقدة تشكل الخلايا الحية. من حيث التوزيع على الكوكب ، يحتل الكربون المرتبة الحادية عشرة (0.35٪ من وزن قشرة الأرض) ، ولكن في المادة الحية يبلغ متوسطه حوالي 18 أو 45٪ من الكتلة الحيوية الجافة.
في الغلاف الجوي ، يتم تضمين الكربون في تكوين ثاني أكسيد الكربون CO2 ، إلى حد أقل - في تكوين الميثان CH4. في الغلاف المائي ، يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء ، ومحتواه الإجمالي أعلى بكثير من الغلاف الجوي. يعمل المحيط كمانع قوي لتنظيم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي: مع زيادة تركيزه في الهواء ، يزداد امتصاص الماء لثاني أكسيد الكربون. تتفاعل بعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون مع الماء ، مكونة حمض الكربونيك ، والذي يتفكك بعد ذلك إلى أيونات HCO3 - وثاني أكسيد الكربون - 3. تتفاعل هذه الأيونات مع كاتيونات الكالسيوم أو المغنيسيوم لترسيب الكربونات. تكمن هذه التفاعلات في النظام العازل للمحيط ، مع الحفاظ على درجة حموضة ثابتة للماء.
ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والغلاف المائي هو صندوق تبادل في دورة الكربون ، من حيث يتم الحصول عليه نباتات ارضيةوالطحالب. البناء الضوئي هو أساس كل الدورات البيولوجية على الأرض. يحدث إطلاق الكربون الثابت أثناء النشاط التنفسي لكائنات التمثيل الضوئي نفسها وجميع الكائنات غيرية التغذية - البكتيريا والفطريات والحيوانات ، والتي يتم تضمينها في السلسلة الغذائية بسبب المواد العضوية الحية أو الميتة.
أرز. 7. دورة الكربون
نشط بشكل خاص هو عودة ثاني أكسيد الكربون من التربة إلى الغلاف الجوي ، حيث يتركز نشاط مجموعات عديدة من الكائنات الحية ، مما يؤدي إلى تحلل بقايا النباتات والحيوانات الميتة ويتم التنفس من أنظمة جذر النباتات. هذه العملية المتكاملة تسمى "تنفس التربة" وتساهم بشكل كبير في تجديد صندوق تبادل ثاني أكسيد الكربون في الهواء. بالتوازي مع عمليات تمعدن المواد العضوية ، يتشكل الدبال في التربة - وهو مركب جزيئي معقد ومستقر غني بالكربون. الدبال في التربة هو أحد خزانات الكربون المهمة على الأرض.
في الظروف التي يتم فيها إعاقة نشاط المواد المدمرة بسبب العوامل البيئية (على سبيل المثال ، عندما يحدث نظام لاهوائي في التربة وفي قاع المسطحات المائية) ، لا تتحلل المادة العضوية المتراكمة بواسطة الغطاء النباتي ، وتتحول بمرور الوقت إلى صخور مثل الفحم أو الفحم البني ، والجفت ، والسابروبيل ، والصخر الزيتي ، وغيرها من المصادر الغنية بالطاقة الشمسية المخزنة. إنهم يجددون صندوق احتياطي الكربون ، ويغلقون من الدورة البيولوجية لفترة طويلة. يتم أيضًا ترسيب الكربون مؤقتًا في الكتلة الحيوية الحية ، والقمامة الميتة ، والمواد العضوية الذائبة في المحيط ، وما إلى ذلك. لكن احتياطي الكربون الرئيسي عند الكتابةليست كائنات حية وليست وقودًا أحفوريًا ، ولكن الصخور الرسوبية - الحجر الجيري والدولوميت.يرتبط تكوينها أيضًا بنشاط المادة الحية. يتم دفن الكربون من هذه الكربونات لفترة طويلة في أحشاء الأرض ولا يدخل الدورة إلا أثناء التعرية عندما تتعرض الصخور في دورات تكتونية.
تشارك فقط أجزاء من نسبة مئوية من الكربون من إجمالي كميته على الأرض في الدورة البيوجيوكيميائية. يمر الكربون الموجود في الغلاف الجوي والغلاف المائي عبر الكائنات الحية عدة مرات. نباتات الأرض قادرة على استنزاف احتياطياتها في الهواء في 4-5 سنوات ، احتياطيات في التربة الدبال في 300-400 سنة. يحدث العائد الرئيسي للكربون في صندوق التبادل بسبب نشاط الكائنات الحية ، ويتم تعويض جزء صغير منه فقط (جزء من الألف في المائة) عن طريق إطلاق الغازات البركانية من باطن الأرض.
في الوقت الحاضر ، أصبح استخراج وحرق احتياطيات ضخمة من الوقود الأحفوري عاملاً قوياً في نقل الكربون من الاحتياطي إلى صندوق الصرف في المحيط الحيوي.
دورة النيتروجين في المحيط الحيوي
يحتوي الغلاف الجوي والمادة الحية على أقل من 2٪ من كل النيتروجين على الأرض ، ولكن هذا النيتروجين هو الذي يدعم الحياة على هذا الكوكب. النيتروجين هو جزء من أهم الجزيئات العضوية - DNA ، والبروتينات ، والبروتينات الدهنية ، و ATP ، والكلوروفيل ، وما إلى ذلك. في أنسجة النبات ، تكون نسبته مع الكربون في المتوسط 1:30 ، وفي الأعشاب البحريةأولاً: 6. ترتبط الدورة البيولوجية للنيتروجين ارتباطًا وثيقًا بدورة الكربون.
لا يمكن الوصول إلى النيتروجين الجزيئي في الغلاف الجوي للنباتات ، والتي يمكنها استيعاب هذا العنصر فقط في شكل أيونات الأمونيوم أو النترات أو من التربة أو محاليل مائية... لذلك ، غالبًا ما يكون نقص النيتروجين عاملاً يحد من الإنتاج الأولي - عمل الكائنات الحية المرتبطة بتكوين المواد العضوية من المواد غير العضوية. ومع ذلك ، يشارك النيتروجين الجوي على نطاق واسع في الدورة البيولوجية بسبب نشاط البكتيريا الخاصة (مثبتات النيتروجين).
تأخذ الكائنات الحية الدقيقة دورًا كبيرًا في دورة النيتروجين. يحللون البروتينات والمواد العضوية الأخرى المحتوية على النيتروجين إلى أمونيا. في شكل الأمونيوم ، يتم امتصاص النيتروجين جزئيًا بواسطة جذور النباتات ، ويتم اعتراضه جزئيًا بواسطة الكائنات الحية الدقيقة الآزوتية ، وهو عكس وظائف مجموعة الكائنات الحية الدقيقة - أجهزة إزالة النتروجين.
أرز. 8. دورة النيتروجين
في ظل الظروف اللاهوائية في التربة أو المياه ، يستخدمون أكسجين النترات لأكسدة المواد العضوية ، والحصول على الطاقة اللازمة لحياتهم. في هذه الحالة ، يتم تقليل النيتروجين إلى نيتروجين جزيئي. تثبيت النيتروجين ونزع النتروجين في الطبيعة متوازنان تقريبًا. لذلك ، تعتمد دورة النيتروجين بشكل أساسي على نشاط البكتيريا ، بينما يتم دمج النباتات فيها ، باستخدام المنتجات الوسيطة لهذه الدورة وزيادة حجم تداول النيتروجين في المحيط الحيوي بشكل كبير بسبب إنتاج الكتلة الحيوية.
إن دور البكتيريا في دورة النيتروجين عظيم جدًا لدرجة أنه إذا تم تدمير 20 نوعًا فقط من أنواعها ، فستتوقف الحياة على كوكبنا.
يحدث التثبيت غير البيولوجي للنيتروجين ودخول أكاسيده والأمونيا في التربة أيضًا مع هطول الأمطار أثناء تأين الغلاف الجوي وتصريفات البرق. تعمل صناعة الأسمدة الحديثة على إصلاح النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي بشكل زائد عن تثبيت النيتروجين الطبيعي من أجل زيادة إنتاج المحاصيل.
في الوقت الحاضر ، يؤثر النشاط البشري بشكل متزايد على دورة النيتروجين ، بشكل رئيسي في اتجاه تجاوز تحويله إلى أشكال مرتبطة خلال عمليات العودة إلى الحالة الجزيئية.
دورة الفوسفور في المحيط الحيوي
هذا العنصر الضروري لتخليق العديد من المواد العضوية ، بما في ذلك ATP ، DNA ، RNA ، يتم استيعابه بواسطة النباتات فقط في شكل أيونات حمض الفوسفوريك (P0 3 4 +). إنه ينتمي إلى العناصر التي تحد من الإنتاج الأولي على اليابسة ، وخاصة في المحيط ، نظرًا لأن صندوق الفوسفور القابل للاستبدال في التربة والمياه صغير. دورة هذا العنصر على مقياس المحيط الحيوي ليست مغلقة.
على الأرض ، تستخلص النباتات الفوسفات من التربة ، الذي تطلقه المُحلِّلات من المخلفات العضوية المتحللة. ومع ذلك ، في التربة القلوية أو الحمضية ، تنخفض بشدة قابلية ذوبان مركبات الفوسفور. يوجد صندوق الاحتياطي الرئيسي للفوسفات في الصخور التي تم إنشاؤها في قاع المحيط في الماضي الجيولوجي. في سياق رشح الصخور ، يمر جزء من هذه الاحتياطيات إلى التربة ، وفي شكل معلقات ومحاليل ، يتم غسلها في المسطحات المائية. في الغلاف المائي ، تستخدم العوالق النباتية الفوسفات ، لتمرير سلاسل الغذاء إلى الكائنات المائية الأخرى. ومع ذلك ، في المحيط ، يتم دفن معظم مركبات الفوسفور مع بقايا الحيوانات والنباتات في القاع مع الانتقال اللاحق مع الصخور الرسوبية إلى الدوران الجيولوجي الكبير. في العمق ، يرتبط الفوسفات المذاب بالكالسيوم ليشكل الفوسفوريت والأباتيت. في المحيط الحيوي ، في الواقع ، هناك تدفق أحادي الاتجاه للفوسفور من صخور الأرض إلى أعماق المحيط ، وبالتالي ، فإن صندوق الصرف الخاص به في الغلاف المائي محدود للغاية.
أرز. 9. دورة الفوسفور
تستخدم الرواسب الأرضية من الفوسفوريت والأباتيت في إنتاج الأسمدة. يعد دخول الفوسفور إلى المسطحات المائية العذبة أحد الأسباب الرئيسية "لتفتحها".
دورة الكبريت في المحيط الحيوي
إن دورة الكبريت ، الضرورية لبناء عدد من الأحماض الأمينية ، هي المسؤولة عن التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتينات ، ويتم الحفاظ عليها في المحيط الحيوي مجال واسعبكتيريا. الكائنات الحية الدقيقة الهوائية ، التي تؤكسد الكبريت من المخلفات العضوية إلى الكبريتات ، وكذلك مخفضات الكبريتات اللاهوائية ، التي تقلل الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين ، تشارك في الروابط الفردية لهذه الدورة. بالإضافة إلى المجموعات المدرجة من بكتيريا الكبريت ، يتأكسد كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت عنصري ثم إلى كبريتات. تستوعب النباتات فقط SO 2-4 أيونات من التربة والمياه.
توضح الحلقة الموجودة في الوسط عمليات الأكسدة (O) والاختزال (R) التي تتبادل الكبريت بين حوض الكبريتات المتاح وحوض كبريتيد الحديد في أعماق التربة والرواسب.
أرز. 10. دورة الكبريت. توضح الحلقة الموجودة في الوسط عملية الأكسدة (0) والاختزال (R) ، والتي يحدث بسببها تبادل الكبريت بين تجمع الكبريتات المتاحة ومجمع كبريتيد الحديد الموجود في أعماق التربة والرواسب.
يحدث التراكم الرئيسي للكبريت في المحيط ، حيث يتم إمداد أيونات الكبريتات باستمرار من اليابسة مع جريان النهر. عندما يتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين من الماء ، يعود الكبريت جزئيًا إلى الغلاف الجوي ، حيث يتأكسد إلى ثاني أكسيد ، ويتحول إلى حمض الكبريتيك في مياه الأمطار. الاستخدام الصناعى عدد كبيرالكبريتات والكبريت الأولي واحتراق الوقود الأحفوري يطلقان كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي. إنه يضر بالنباتات والحيوانات والبشر ويعمل كمصدر للأمطار الحمضية ، مما يؤدي إلى تفاقم الآثار السلبية للتدخل البشري في دورة الكبريت.
معدل تداول المواد
تحدث جميع دورات المواد بسرعات مختلفة (الشكل 11)
وبالتالي ، فإن دورات جميع العناصر الغذائية على الكوكب مدعومة بتفاعل معقد لأجزاء مختلفة. تتشكل من خلال نشاط مجموعات الكائنات الحية ذات الوظائف المختلفة ، ونظام الجريان السطحي والتبخر الذي يربط المحيط بالأرض ، وعمليات دوران الماء والكتل الهوائية ، وعمل قوى الجاذبية ، والتكتونية لألواح الغلاف الصخري وغيرها من- مقياس العمليات الجيولوجية والجيوفيزيائية.
يعمل المحيط الحيوي كواحد نظام معقد، والتي تحدث فيها دورات مختلفة من المواد. المحرك الرئيسي لهؤلاء الدورة الدموية هي المادة الحية للكوكب ، وجميع الكائنات الحية ،توفير عمليات تخليق وتحويل وتحلل المواد العضوية.
أرز. 11. معدلات تداول المواد (P. Cloud، A. Jibor، 1972)
تستند النظرة البيئية للعالم إلى فكرة أن كل كائن حي محاط بالعديد من العوامل المؤثرة عليه عوامل مختلفةتشكيل موطنها في المجمع - بيئة حيوية. لذلك، biotope - قطعة أرض متجانسة من حيث الظروف المعيشية لأنواع معينة من النباتات أو الحيوانات(منحدر واد ، متنزه غابات حضري ، بحيرة صغيرة أو جزء من بحيرة كبيرة ، ولكن بشروط موحدة - الجزء الساحلي ، جزء المياه العميقة).
خاصية الكائنات الحية في تكوين حيوي معين مجتمع الحياة ، أو التكاثر الحيوي(الحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة للبحيرة ، المرج ، الشريط الساحلي).
يشكل مجتمع الحياة (التكاثر الحيوي) كلًا واحدًا مع بيئته الحيوية ، وهو ما يسمى النظام البيئي (النظام البيئي).مثال على النظم البيئية الطبيعية هو عش النمل ، البحيرة ، البركة ، المرج ، الغابة ، المدينة ، المزرعة. مثال كلاسيكيالنظام البيئي الاصطناعي هو مركبة فضائية. كما ترون ، ليس هناك صرامة الهيكل المكاني... قريب من مفهوم النظام البيئي هو المفهوم التكاثر الحيوي.
المكونات الرئيسية للنظم البيئية هي:
- البيئة غير الحية (اللاأحيائية).هذه هي المياه والمعادن والغازات ، وكذلك المواد العضوية والدبال ؛
- المكونات الحيوية.وتشمل هذه: المنتجين أو المنتجين (النباتات الخضراء) ، والمستهلكين ، أو المستهلكين (الكائنات الحية التي تتغذى على المنتجين) ، والمحللات أو المحللات (الكائنات الحية الدقيقة).
تعمل الطبيعة اقتصاديًا للغاية. وهكذا ، فإن الكتلة الحيوية التي خلقتها الكائنات الحية (مادة أجسام الكائنات الحية) والطاقة الموجودة فيها تنتقل إلى أعضاء آخرين في النظام البيئي: الحيوانات تأكل النباتات ، وهذه الحيوانات تأكلها الحيوانات الأخرى. هذه العملية تسمى سلسلة الغذاء أو الغذائية.في الطبيعة ، غالبًا ما تتداخل سلاسل الغذاء ، تشكيل شبكة غذائية.
أمثلة على سلاسل الغذاء: نبات - حيوان عاشب - مفترس؛ الحبوب - فأر الحقل - الثعلب ، إلخ ، وشبكة الغذاء موضحة في الشكل. 12.
وبالتالي ، فإن حالة التوازن في المحيط الحيوي تعتمد على تفاعل العوامل البيئية الحيوية وغير الحيوية ، والتي يتم الحفاظ عليها بسبب التبادل المستمر للمادة والطاقة بين جميع مكونات النظم البيئية.
في الدورات المغلقة للنظم البيئية الطبيعية ، جنبًا إلى جنب مع عوامل أخرى ، يجب أن يشارك عاملان: وجود المُحلِّلات والإمداد المستمر بالطاقة الشمسية. في النظم البيئية الحضرية والاصطناعية ، هناك القليل من المُحلِّلات أو لا توجد مُحلِّلات ؛ لذلك ، تتراكم النفايات السائلة والصلبة والغازية ، مما يؤدي إلى تلويث البيئة.
أرز. 12. شبكة الغذاء واتجاه تدفق المادة
جار التحميل ...