Циркулацията на веществата в биосферата е цикличен, повтарящ се процес на съвместно, взаимосвързано преобразуване и движение на веществата. Наличието на циркулация на вещества е необходимо условие за съществуването на биосферата. След като бъдат използвани от някои организми, веществата трябва да преминат във форма, достъпна за други организми. Такъв преход на вещества от една връзка към друга изисква енергийни разходи, следователно е възможно само с участието на енергията на Слънцето. С използването на слънчева енергия на планетата възникват два взаимосвързани цикъла на вещества: голям - геоложки и малък - биологичен (биотичен).
Геоложка циркулация на веществата- процесът на миграция на веществата, осъществяван под въздействието на абиотични фактори: изветряне, ерозия, движение на водата и др. Живите организми не участват в него.
С появата на живата материя на планетата, биологична (биотична) циркулация... В него участват всички живи организми, които поглъщат едни вещества от околната среда и отделят други. Например растенията в процеса на своята жизнена дейност консумират въглероден диоксид, вода, минерали и отделят кислород от околната среда. Животните използват кислород, освободен от растенията за дишане. Те ядат растения и в резултат на храносмилането усвояват органични вещества, образувани в процеса на фотосинтеза. Те отделят въглероден диоксид и несмлени хранителни остатъци. След като умират, растенията и животните образуват маса от мъртва органична материя (детрит). Детритът е наличен за разлагане (минерализация) от микроскопични гъбички и бактерии. В резултат на тяхната жизнена дейност допълнително количество въглероден диоксид навлиза в биосферата. А органичните вещества се превръщат в оригинални неорганични компоненти - биогени. Образуваните минерални съединения, попадайки във водоеми и почва, отново стават достъпни за растенията за фиксиране чрез фотосинтеза. Този процес се повтаря безкрайно и има затворен характер (циркулация). Например, целият атмосферен кислород пътува по този път за около 2 хиляди години, докато въглеродният диоксид отнема около 300 години, за да направи това.
Енергията, съдържаща се в органичната материя, намалява, докато се движи в хранителните вериги. По-голямата част от него се разсейва в околната среда под формата на топлина или се изразходва за поддържане на жизнените процеси на организмите. Например, върху дишането на животни и растения, транспортирането на вещества в растенията, както и върху процесите на биосинтез на живите организми. Освен това биогените, образувани в резултат на дейността на разложителите, не съдържат енергията, достъпна за организмите. В този случай можем да говорим само за потока на енергия в биосферата, но не и за цикъла. Следователно условието за стабилно съществуване на биосферата е постоянната циркулация на веществата и притока на енергия в биогеоценозите.
Геоложките и биологичните цикли заедно образуват общия биогеохимичен цикъл на веществата, в основата на който са циклите на азот, вода, въглерод и кислород.
Азотният цикъл
Азотът е един от най-разпространените елементи в биосферата. Основната част от биосферния азот е в атмосферата в газообразна форма. Както знаете от курса по химия, химичните връзки между атомите в молекулния азот (N 2) са много силни. Следователно повечето живи организми не са в състояние да го използват директно. Следователно важен етап от азотния цикъл е неговото фиксиране и превръщане във форма, достъпна за организмите. Има три начина за фиксиране на азота.
Атмосферна фиксация... Под въздействието на атмосферни електрически разряди (мълния) азотът може да взаимодейства с кислорода, за да образува азотен оксид (NO) и диоксид (NO 2). Азотният оксид (NO) много бързо се окислява от кислород и се превръща в азотен диоксид. Азотният диоксид се разтваря във водна пара и под формата на азотна (HNO 2) и азотна (HNO 3) киселини с утаяване навлиза в почвата. В почвата, в резултат на дисоциацията на тези киселини, се образуват нитритни (NO 2 -) и нитратни йони (NO 3 -). Нитритите и нитратните йони вече могат да бъдат усвоени от растенията и включени в биологичния цикъл. Атмосферната азотфиксация представлява около 10 милиона тона азот годишно, което е около 3% от годишната азотфиксация в биосферата.
Биологична фиксация... Осъществява се от азотфиксиращи бактерии, които превръщат азота във форми, достъпни за растенията. Благодарение на микроорганизмите, около половината от целия азот се свързва. Най-известните бактерии фиксират азота в нодулите на бобовите растения. Те доставят азот на растенията под формата на амоняк (NH 3). Амонякът е лесно разтворим във вода с образуването на амониев йон (NH 4 +), който се абсорбира от растенията. Следователно бобовите растения са най-добрите предшественици на културните растения в сеитбообращението. След смъртта на животните и растенията и разлагането на техните останки почвата се обогатява с органични и минерални азотни съединения. След това гнилостните (амонифициращи) бактерии разграждат азотсъдържащите вещества (протеини, урея, нуклеинови киселини) на растения и животни до амоняк. Този процес се нарича амонификация... По-голямата част от амоняка впоследствие се окислява от нитрифициращи бактерии до нитрити и нитрати, които се използват повторно от растенията. Връщането на азота в атмосферата става чрез денитрификация, която се извършва от група денитрифициращи бактерии. В резултат на това азотните съединения се редуцират до молекулен азот. Част от азота в нитратни и амониеви форми с повърхностен отток навлиза във водните екосистеми. Тук азотът се усвоява от водните организми или навлиза в дънни органични седименти.
Индустриална фиксация... Голямо количество азот годишно се свързва индустриално в производството на минерални азотни торове. Азотът от такива торове се усвоява от растенията в амониеви и нитратни форми. Обемът на произвежданите в Беларус азотни торове в момента е около 900 хиляди тона годишно. Най-големият производител е АД Гродно Азот. Това предприятие произвежда урея, амониев нитрат, амониев сулфат и други азотни торове.
Около 1/10 от изкуствено приложения азот се използва от растенията. Останалата част с повърхностния отток и подземните води преминава във водните екосистеми. Това води до натрупване във водата на големи количества азотни съединения, достъпни за асимилация от фитопланктона. В резултат на това е възможно бързо размножаване на водораслите (еутрофикация) и в резултат на това смърт във водните екосистеми.
Водният цикъл
Водата е основният компонент на биосферата. Той е среда за разтваряне на почти всички елементи по време на цикъла. По-голямата част от биосферната вода е представена от течна вода и вода от вечен лед (повече от 99% от всички водни запаси в биосферата). Незначителна част от водата е в газообразно състояние - това е атмосферна водна пара. Биосферният воден цикъл се основава на факта, че изпарението му от земната повърхност се компенсира от валежите. Падайки върху земната повърхност под формата на валежи, водата допринася за разрушаването на скалите. Това прави съставните им минерали достъпни за живите организми. Именно изпарението на водата от повърхността на планетата определя нейния геоложки цикъл. Той консумира около половината от падащата слънчева енергия. Изпаряването на водата от повърхността на моретата и океаните става с по-висока скорост, отколкото връщането й с валежите. Тази разлика се компенсира с повърхностен и дълбок отток, поради факта, че валежите преобладават над изпарението на континентите.
Увеличаването на интензивността на изпаряване на водата на сушата до голяма степен се дължи на жизнената дейност на растенията. Растенията извличат вода от почвата и активно я пренасят в атмосферата. Част от водата в растителните клетки се разгражда по време на фотосинтезата. В този случай водородът се фиксира под формата на органични съединения и кислородът се отделя в атмосферата.
Животните използват водата, за да поддържат осмотичния и солевия баланс в тялото и да я освобождават във външната среда заедно с метаболитните продукти.
Въглеродният цикъл
Въглеродът като химичен елемент присъства в атмосферата в състава на въглеродния диоксид. Това определя задължителното участие на живите организми в кръговрата на този елемент на планетата Земя. Основният път, по който въглеродът от неорганичните съединения преминава в състава на органичните вещества, където е основен химичен елемент, е процесът на фотосинтеза. Част от въглерода се отделя в атмосферата в състава на въглероден диоксид при дишането на живите организми и при разлагането на мъртвата органична материя от бактерии. Въглеродът, погълнат от растенията, се консумира от животните. Освен коралови полипи, мекотелите използват въглеродни съединения за изграждане на скелетни образувания и черупки. След като отмрат и се утаят на дъното, се образуват варовикови отлагания. По този начин въглеродът може да бъде елиминиран от цикъла. Отстраняването на въглерода от цикъла за дълго време се постига чрез образуването на минерали: въглища, нефт, торф.
През цялото съществуване на нашата планета въглеродът, отстранен от цикъла, се компенсира от въглероден диоксид, освободен в атмосферата по време на вулканични изригвания и в хода на други природни процеси. Понастоящем към естествените процеси на попълване на въглерод в атмосферата е добавено значително антропогенно въздействие. Например при изгаряне на въглеводородни горива. Това нарушава вековния въглероден цикъл на Земята.
Увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид само с 0,01% за един век доведе до забележимо проявление на парниковия ефект. Средната годишна температура на планетата се е увеличила с 0,5 ° C, а нивото на Световния океан се е повишило с почти 15 см. Учените прогнозират, че ако средната годишна температура се увеличи с още 3-4 ° C, вечният лед ще започне да се стопи. В същото време нивото на Световния океан ще се повиши с 50-60 см, което ще доведе до наводняване на значителна част от сушата. Това се счита за глобална екологична катастрофа, тъй като около 40% от световното население живее на тези територии.
Кислороден цикъл
Във функционирането на биосферата кислородът играе изключително важна роля в метаболитните процеси и дишането на живите организми. Намаляването на количеството кислород в атмосферата в резултат на процесите на дишане, изгаряне на гориво и разпад се компенсира от кислорода, освободен от растенията по време на фотосинтезата.
Кислородът се е образувал в първичната атмосфера на Земята по време на нейното охлаждане. Поради високата си реактивност той преминава от газообразно състояние в състава на различни неорганични съединения (карбонати, сулфати, железни оксиди и др.). Днешната кислород-съдържаща атмосфера на планетата се е образувала изключително благодарение на фотосинтезата, извършвана от живи организми. Съдържанието на кислород в атмосферата нараства до сегашните си стойности от дълго време. Поддържането на количеството му на постоянно ниво в момента е възможно само благодарение на фотосинтезиращите организми.
За съжаление през последните десетилетия човешките дейности, водещи до обезлесяване, ерозия на почвата, намаляват интензивността на фотосинтезата. А това от своя страна нарушава естествения ход на цикъла на кислорода в големи области на Земята.
Малка част от атмосферния кислород участва в образуването и разрушаването на озоновия екран под действието на ултравиолетовото лъчение от Слънцето.
Основата на биогенния цикъл на веществата е слънчевата енергия. Основното условие за стабилното съществуване на биосферата е постоянната циркулация на веществата и притока на енергия в биогеоценозите. В кръговрата на азота, въглерода и кислорода основната роля принадлежи на живите организми. Основата на глобалния кръговрат на водата в биосферата се осигурява от физически процеси.
Цикълът и биогеохимичните цикли на веществата
Обяснете значението на геоложкия цикъл, като използвате примера на водния цикъл.
Как протича биологичният цикъл?
Какъв е законът на биогенната миграция на атомите V.I. Вернадски?
Какви са резервните и обменните фондове на естествения цикъл? Каква е разликата между тях?
Земята като жив суперорганизъм
* За да съществува и се развива биосферата, циркулацията на биологично важни вещества трябва постоянно да се случва на Земята, тоест след употреба те отново трябва да преминат във форма, усвояема от други организми. Този преход на биологично важни вещества може да се осъществи само с определен разход на енергия, чийто източник е Слънцето.
Ученият В. Р. Уилямс вярва, че слънчевата енергия осигурява два цикъла на материята на Земята -геоложки , или голям тираж ибиологичен , малък, тираж.
Геоложки до Циркулацията най-ясно се проявява в кръговрата на водата. Земята получава 5,24´1024 J излъчвана енергия годишно от Слънцето. Около половината от него се изразходва за изпаряване на водата. В същото време повече вода се изпарява от океана, отколкото се връща с валежите. На сушата, от друга страна, падат повече валежи, отколкото водата се изпарява. Излишъкът му се влива в реки и езера, а оттам - обратно в океана (при прехвърляне на определено количество минерални съединения). Това определя големия цикъл в биосферата, базиран на факта, че общото изпаряване на водата от Земята се компенсира от валежите.
** С появата на живата материя на базата на геоложкия цикъл, кръговрата на органичнатакамери, биологична (малка) циркулация.
Водният цикъл като пример за геоложкия цикъл
(от Х. Пенман)
С развитието на живата материя от геоложкия цикъл непрекъснато се извличат все повече и повече елементи, които влизат в нов, биологичен цикъл. За разлика от простото пренасяне на минерални вещества в голямата циркулация, както под формата на разтвори, така и под формата на механични утайки, при малката циркулация най-важните моменти са синтезът и разрушаването на органичните съединения. За разлика от геоложкия, биологичният цикъл има пренебрежимо малка енергия. Както е известно, само 0,1-0,2% от цялата слънчева енергия, доставяна на Земята, се изразходва за създаването на органична материя (до 50% за геоложката циркулация). Въпреки това, енергията, включена в биологичния цикъл, върши огромно количество работа за създаване на първични продукти.
Биологичен цикъл
С появата на живата материя на Земята, химическите елементи непрекъснато циркулират в биосферата, преминавайки от външната среда
в организмите и отново във външната среда. Такава циркулация на веществата по повече или по-малко затворени пътища се наричабиогеохимичен цикъл.
Основните биогеохимични цикли са циклите на кислород, въглерод, вода, азот, фосфор, сяра и други биогенни елементи.
*** Биогенна миграция на материята - една от формите на обща миграция на елементите в природата. Биогенна геохимична миграция трябва да се разбира като миграция на органична и инертна материя, участваща в растежа и развитието на живите организми и произведена от последните в резултат на сложни биохимични и биогеохимични процеси. В И. - формулира ВернадскиЗакон за биогенната миграция на атомите в следната форма:
Миграцията на химичните елементи в биосферата се осъществява или с прякото участие на живата материя (биогенна миграция), или се осъществява в среда, чиито геохимични особености (O2, CO2, H2 и др.) се дължат на живите материя (тази, която обитава биосферата в момента и тази, която е действала на Земята през цялата геоложка история).
Човекът засяга преди всичко биосферата и нейното живо население, поради което той променя условията на биогенна миграция на атомите, създавайки предпоставки за дълбоки химически промени. Така процесът може да стане саморазвиващ се, независим от човешкото желание и практически неконтролируем в глобален мащаб.
От гледна точка на планетарната циркулация на материята най-важни са почвено-ландшафтният, хидросферният и дълбоките (вътреземни) цикли. Първият от тях включва извличане на химични елементи от скали, вода, въздух, разлагане на органични вещества, усвояване и синтез на различни органични и органо-минерални съединения. В хидросферния цикъл основна роля играят съставът на водата и биологичната активност на живите организми. Биопроизводството на материя тук се осъществява с преобладаващото участие на фито и зоопланктона. В дълбокия цикъл на биогенна миграция най-важната роля принадлежи на дейността на анаеробните микроорганизми.
**** Процесите, протичащи в различни черупки на Земята, са в състояние на динамично равновесие и промяната в хода на всеки от тях води до безкрайни вериги от понякога необратими явления. Във всеки естествен цикъл е препоръчително да се прави разлика между две части или два „фонда“:
резервен фонд- голяма маса от бавно движещи се вещества, предимно от неорганична природа;
Подвижен, или обмен, фонд- по-малък, но по-активен, който се характеризира с бърз обмен между организмите и околната среда.
Обменният фонд се образува поради вещества, които се връщат в кръвообращението или поради първична екскреция (от лат. excretum - отделен) от животни, или по време на разлагането на детрита от микроорганизми.
Ако имаме предвид биосферата като цяло, тогава биогеохимичните цикли могат да бъдат разделени на два основни типа:
циркулация на газообразни вещества с резервен фонд в атмосферата или хидросферата;
седиментен цикъл с резервен фонд в земната кора.
^ БИОЛОГИЧЕН КРЪГ НА ВЕЩЕСТВАТА В ПРИРОДАТА
Общата концепция за биологичния цикъл на веществата
Биологична циркулация на веществата като форма на развитие на планетата Земя
Елементи от биогеохимичния цикъл на веществата в природата
Параметри на биогеохимичния цикъл на сушата
Биологична циркулация и почвообразуване
^ ОБЩА КОНЦЕПЦИЯ
Биологичният цикъл на веществата е комбинация от процесите на навлизане на химични елементи от почвата и атмосферата в живите организми, биохимичния синтез на нови сложни съединения и връщането на елементите в почвата и атмосферата с годишен спад на част от органичната материя. Биологичният цикъл на веществата не е напълно компенсиран затворен цикъл, поради което в хода на него почвата се обогатява с хумус и азот, елементи на минерално хранене (т.нар. биогенни елементи), което създава благоприятна основа за съществуване на растителни организми.
Биологичното, биохимичното и геохимичното значение на процесите, извършвани в биологичната циркулация на веществата, е показано за първи път от В. В. Докучаев, който създава теорията за природните зони. По-нататък това е разкрито в трудовете на В. И. Вернадски, Б. Б. Полинов, Д. Н. Прянишников, В. Н. Сукачев, Н. П. Ремезов, Л. Е. Родин, Н. И. Базилевич, В. А. Ковда и други изследователи.
Международният съюз на биологичните науки проведе обширна програма за изследване на биологичната продуктивност на биогеоценозите на земята и водните тела. Международната биологична програма е създадена, за да ръководи това изследване. С цел уеднаквяване на термините и понятията, използвани в съвременната литература по Международната биопрограма, е извършена известна работа. Преди да започнем да изучаваме естествените биологични цикли на веществата, е необходимо да обясним най-често използваните термини.
биомаса -масата на живата материя, натрупана в даден момент от време.
^ Растителна биомаса (синоним - фитомаса) - масата от живи и мъртви организми от растителни съобщества на всяка площ, които са запазили анатомичната си структура до този момент.
^ Структура на биомасата - съотношението на подземни и надземни части на растенията, както и едногодишни и многогодишни, фотосинтетични и нефотосинтетични части на растенията.
парцали -мъртви части на растението, които са запазили механична връзка с растението.
^ Кучило -количеството органична материя на растенията, загинали в надземните и подземните части на единица площ за единица време.
постеля -маса от многогодишни отлагания от растителни остатъци с различна степен на минерализация.
Растеж -маса на организъм или общност от организми, натрупана на единица площ за единица време.
^ Истинска печалба - съотношението на увеличението към количеството постеля за единица време на единица площ.
Основно производство -масата на живата материя, създадена от автотрофи (зелени растения) на единица площ за единица време.
^ Вторични продукти - масата на органичната материя, създадена от хетеротрофи на единица площ за единица време.
Капацитетът на биологичния цикъл -количеството химични елементи в състава на масата на зряла биоценоза (фитоценоза).
Интензитетът на биологичния цикъл е количеството химични елементи, съдържащи се в растежа на фитоценозата на единица площ за единица време.
Скоростта на биологичния цикъл е периодът от време, през който даден елемент преминава пътя от усвояването му от живо вещество до освобождаването му от състава на живо вещество. Определя се с помощта на индикаторни атоми.
Според L. Ye. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), пълният цикъл на биологичния цикъл на елементите се състои от следните компоненти.
Поглъщането от усвояващата повърхност на растенията от атмосферата на въглерод, и от кореновите системи от почвата - азот, пепелни елементи и вода, фиксирането им в телата на растителните организми, навлизане в почвата с мъртви растения или техни части, разлагане на боклука и освобождаването на съдържащите се в тях елементи.
Отчуждаване на растителни части от животните, които се хранят с тях, превръщането им в животински тела в нови органични съединения и консолидирането на някои от тях в животински организми, последващото им навлизане в почвата с животински екскременти или с техните трупове, разлагане и на двете и освобождаването на съдържащите се в тях елементи.
Газообмен между усвояващата растителна повърхност и атмосферата, между кореновата система и почвения въздух.
Жизненоважно отделяне от надземните растителни органи и по-специално чрез кореновата система на някои елементи директно в почвата.
^ БИОЛОГИЧНИЯ КРЪГ НА ВЕЩЕСТВАТА КАТО ФОРМА НА РАЗВИТИЕ НА ПЛАНЕТАТА ЗЕМЯ
Структурата на биосферата в най-общ вид представлява двете най-големи природни комплекси от първи ранг -континентален и океански. Растенията, животните и почвената покривка образуват сложна световна екологична система на сушата. Чрез свързване и преразпределение на слънчевата енергия, атмосферния въглерод, влагата, кислорода, водорода, азота, фосфора, сярата, калция и други биофилни елементи, тази система образува биомаса и генерира свободен кислород.
Водните растения и океанът образуват друга световна екологична система, която изпълнява на планетата същите функции на свързване на слънчева енергия, въглерод, азот, фосфор и други биофили чрез образуване на фитобиомаса и освобождаване на кислород в атмосферата.
Има три форми на натрупване и преразпределение на космическата енергия в биосферата. ^ Същността на първияОт тях растителните организми и чрез хранителните вериги и свързаните с тях животни и бактерии включват много съединения в техните тъкани. Тези съединения съдържат H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn и други биофили, много микроелементи (I, Co, Cu, Zn и др.). В този случай има селекция от леки изотопи (C, H, O, N, S) от по-тежки. In vivo и посмъртно организмите на земята, водата и въздуха, намиращи се в състояние на непрекъснат обмен с околната среда, възприемат и отделят широк и разнообразен спектър от минерални и органични съединения. Общата маса и обем на продуктите от жизнения метаболизъм на организмите и околната среда (метаболити) надвишават няколко пъти биомасата на живата материя.
^ Втора форманатрупването, задържането и преразпределението на космическата енергия на Слънцето на планетата в нейната биосфера се проявява чрез нагряване на водни маси, образуване и кондензация на пари, валежи и движение на повърхностни и подземни води по наклон от местата за хранене към областите на изпаряване. Неравномерното нагряване на въздуха и водата причинява планетарни движения на водата и въздушните маси, образуване на градиенти на плътност и налягане, океански течения и грандиозни процеси на атмосферна циркулация.
Ерозията, химическата денудация, транспортирането, преразпределението, отлагането и натрупването на механични и химически утайки на сушата и в океана са третата форма на пренос и трансформация на тази енергия.
И трите от тези планетарни процеса са тясно преплетени; образувайки общо земно кръвообращение и система от локално обръщение на материята. Така в продължение на милиарди години биологична история на планетата се е развила голяма биогеохимична циркулация и диференциация на химичните елементи в природата. Те са създали съвременната биосфера и са в основата на нейното нормално функциониране.
^ ЕЛЕМЕНТИ НА БИОГЕОХИМИЧНИЯ КРЪГ НА ВЕЩЕСТВАТА В ПРИРОДАТА
Елементите на биогеохимичната циркулация на веществата са следните компоненти.
Редовно повтарящи се или непрекъснато протичащи процеси на приток на енергия, образуване и синтез на нови съединения.
Постоянни или периодични процеси на пренос или преразпределение на енергия и процеси на отстраняване и насочено движение на синтезирани съединения под въздействието на физични, химични и биологични агенти.
Насочени ритмични или периодични процеси на последователна трансформация: разлагане, разрушаване на синтезирани преди това съединения под въздействието на биогенни или абиогенни влияния на околната среда.
В природата се срещат както биологични цикли на веществата, така и абиогенни цикли.
^ Биологични цикли - поради във всички връзкижизнената дейност на организмите (хранене, хранителни връзки, размножаване, растеж, движение на метаболити, смърт, разлагане, минерализация).
^ Абиогенни цикли - образувани на планетата много по-рано от биогенните. Те включват целия комплекс от геоложки, геохимични, хидрологични, атмосферни процеси.
В предбиогенния период на планетата миграцията и натрупването на вода и въздух играе решаваща роля в геоложките, хидрологичните, геохимичните, атмосферните цикли. В развитата биосфера циркулацията на веществата се насочва от комбинираното действие на биологични, геоложки и геохимични фактори. Съотношението между тях може да е различно, но действието е задължително съвместно! Именно в този смисъл се използват термините – биогеохимична циркулация на веществата, биогеохимични цикли.
Ненарушените биогеохимични цикли са почти кръгови, почти затворени. Степента на повтарящо се възпроизвеждане на цикли в природата е много висока и вероятно, според V. A. Kovda, достига 90-98%. Това поддържа известно постоянство и баланс на състава, количеството и концентрацията на компонентите, участващи в цикъла, както и генетичната и физиологична годност и хармония на организмите и околната среда. Но непълното изолиране на биогеохимичните цикли в геоложкото време води до миграция и диференциация на елементите и техните съединения в пространството и в различни среди, до концентрацията или разпръскването на елементите. Ето защо наблюдаваме биогенно натрупване на азот и кислород в атмосферата, биогенно и хемогенно натрупване на въглеродни съединения в земната кора (нефт, въглища, варовик).
^ ПАРАМЕТРИ НА БИОГЕОХИМИЧНИЯ КРЪГ НА СУХА
Следните показатели са задължителни параметри за изследване на биогеохимичните цикли в природата.
Биомаса и нейният действителен растеж (фито-, зоо-, микробна маса поотделно).
Органична постеля (количество, състав).
Органична материя на почвата (хумус, неразложени органични остатъци).
Елементен състав на почвата, водата, въздуха, валежите, фракциите от биомаса.
Наземни и подземни запаси от биогенна енергия.
Жизненоважни метаболити.
Брой на видовете, изобилие, състав.
Продължителност на живота на видовете, динамика и ритъм на живот на популациите и почвите.
Екологична и метеорологична среда: предистория и оценка на човешката намеса.
Покритие от точки за наблюдение на вододел, склонове, тераси, речни долини, езера.
Количеството замърсители, техните химични, физични, биологични свойства (особено CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, въглеводороди).
1. Съдържание на пепел, въглерод и азот в биомасата (надземна, подземна, фито-, зоо-, микробна). Съдържанието на тези елементи може да бъде изразено в % или в g / m 2, t / ha повърхност. Основните съставни елементи на живата материя по тегло са О (65-70%) и Н (10%). Всички останали представляват 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Химичният състав на фитомасата варира значително. Особено различен е съставът на фитомасата на иглолистни и широколистни гори, тревиста растителност и халофити (табл. 13).
Таблица 13 - Минерален състав на различни групи суши растения
| Тип растителност | Съдържание на пепел, % | Годишен оборот на минерала Компоненти, кг/ха | Преобладаващи компоненти |
| Иглолистни гори | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Широколистни гори | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Дъждовни гори | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Ливади, степи | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Халофитни съобщества | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4, Na, Mg, K |
Индивидуалната значимост на даден химичен елемент се оценява чрез коефициента на биологична абсорбция (BCF). Изчислете го по формулата:
През 1966 г. V.A.Kovda предлага да се използва съотношението на регистрираната фитобиомаса към годишното фотосинтетично увеличение на фитомасата, за да се характеризира средната продължителност на общия въглероден цикъл. Този коефициент характеризира средната продължителност на общия цикъл на синтез - минерализация на биомасата в дадена област (или на сушата като цяло). Изчисленията показват, че за земята като цяло този цикъл се вписва в периода от 300-400 и не повече от 1000 години. Съответно с тази средна скорост се осъществява отделянето на минерални съединения, свързани в биомасата, образуването и минерализацията на хумус в почвата.
За обща оценка на биогеохимичното значение на минералните компоненти на живата материя на биосферата, В. А. Ковда предложи да се сравнят доставките на минерали от биомаса, количеството минерали, участващи годишно в циркулация с прираст и отпадъци, с годишния химически отток на реките . Оказа се, че тези стойности са близки: 10 8-9 пепелни вещества участват в растежа и постелята, а 10 9 - в годишния химически отток на реките.
BGHK индекс = S b / S X,
Където S b - сумата от елементи (или количеството на един елемент) в годишното увеличение на биомасата; S x - сборът от същите елементи (или един елемент), изнесени от водите на реките на дадения басейн (или част от басейна).
Оказа се, че показателите на биогеохимичния цикъл варират значително при различни климатични условия, под покритието на различни растителни съобщества, при различни условия на естествен дренаж.
4. Н. И. Базилевич, Л. Е. Родин (1964) предложиха да се изчисли коефициентът, характеризиращ интензивността на разлагането на постеля и продължителността на задържане на постеля при условията на дадена биогеоценоза:
Според Н. И. Базилевич и Л. Е. Родина, индексите на интензивност на разлагане на фитомасата са най-високи в тундрата и блатата на север, а най-ниските (приблизително равни на 1) в степите и полупустините.
5. B. B. Polynov (1936) предложи да се изчисли индексът на миграция на водата:
IVM = X H2O / X zk,
където ICM е индексът на миграция на водата; Х Н2О - количеството елемент в минералния остатък на изпарените речни или подземни води; X zk - съдържанието на същия елемент в земната кора или скала.
Изчисляването на индексите на водна миграция показа, че най-мобилните мигранти в биосферата са Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Най-пасивни в това отношение са Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ БИОЛОГИЧЕН КРЪГ И ПОЧВООБРАЗУВАНЕ
Данните от геологията и палеоботаниката позволиха на В. А. Ковда да очертае в общи линии най-важните етапи от развитието на почвообразуващия процес във връзка с историята на развитието на растенията и растителната покривка (1973). Началото на почвообразуващия процес на Земята се свързва с появата на автотрофни бактерии, способни да съществуват самостоятелно при най-неблагоприятни хидротермални условия. В. Р. Уилямс нарече този първоначален процес на влиянието на низшите организми върху скалите на земната кора първичен почвообразуващ процес. Автотрофните бактерии, открити от С. Н. Виноградов в края на 19 век, са най-простите едноклетъчни организми, наброяващи около сто вида. Те имат способността да се възпроизвеждат много бързо: 1 индивид може да даде трилиони организми на ден. Сред съвременните автотрофи са серни бактерии, железни бактерии и др., които играят изключително важна роля във вътрешнопочвените процеси. Появата на автотрофни бактерии очевидно датира от докамбрия.
Така първият синтез на органична материя и биологичните цикли C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 в земната кора са свързани с дейността на автотрофни бактерии, които използват кислорода на минералните съединения. В развитието на почвообразуващия процес е възможно, наред с автотрофните бактерии, да играят роля и неклетъчни форми на живот като вируси и бактериофаги. Разбира се, това не беше почвообразуващ процес в съвременния му вид, тъй като нямаше кореноплодни растения, нямаше натрупвания на хумусни съединения и биогенен механизъм. И очевидно е по-правилно да се говори за първичното биогеохимично изветряне на скалите под въздействието на низши организми.
В докамбрия се появяват едноклетъчни синьо-зелени водорасли. От силура и девона се разпространяват многоклетъчни водорасли – зелени, кафяви, пурпурни. Процесът на почвообразуване се усложнява, ускорява, започва синтеза на органична материя в забележими количества и се очертава разширяване на малкия биологичен цикъл на O, H, N, S и други хранителни вещества. Очевидно, според V.A. Ковда, почвообразуващият процес на тези етапи е бил съпроводен с натрупване на биогенна ситна пръст. Етапът на първоначално почвообразуване е много дълъг и е придружен от бавно, но непрекъснато натрупване на биогенна фина пръст, обогатена с органична материя и елементи, участващи в биологичния цикъл: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. На този етап вече може да се осъществи биогенен синтез на вторични минерали: алуминий и ферисиликати, фосфати, сулфати, карбонати, нитрати, кварц и почвообразуването е ограничено до плитки зони. На сушата имаше скалист и блатисти характер.
През камбрия се появяват и псилофити - нискоразмерни растения от храстов тип, които дори нямат корени. Те са получили известно разпространение в Силура и значително развитие в Девон. В същото време се появяват хвощ и папрати - обитатели на влажни низини. Така една относително развита форма на почвообразуващия процес започва със силура и девона, т.е. преди около 300-400 милиона години. Въпреки това, не се наблюдава дерново процес, тъй като няма тревиста растителност. Пепелното съдържание на папрати и лири не е високо (4-6%), хвощът е много по-висок (20%). Съставът на пепелта е доминиран от K (30%), Si (28%) и C1 (10%). Гъбичната микрофлора насърчава участието на P и K в биологичния цикъл, а лишеите - Ca, Fe, Si. Вероятно е образуването на кисели почви (каолинит алит, боксит) и хидроморфни почви, обогатени с железни съединения.
Развитият почвообразуващ процес очевидно се е оформил едва в края на палеозоя (карбон, перм). Именно на това време учените приписват появата на непрекъсната растителна покривка на сушата. В допълнение към папратите се появяват ликоподи, хвощ, голосеменни растения. Преобладават ландшафти от гори и блата, климатичното зониране се формира на фона на доминирането на топли тропически и субтропични. Следователно през този период преобладават блатистите и горските тропически почвообразуващи процеси.
Този режим продължава до средата на пермския период, когато постепенно настъпва охлаждане и изсушаване на климата. Сухотата и студеното време допринесоха за по-нататъшното развитие на зонирането. През този период (втората половина на перм, триас) голосеменните са широко развити. Във високите географски ширини по това време се извършва образуването на кисели подзолисти почви, в ниските ширини почвообразуването протича по пътя на развитие на жълти почви, червени почви и боксити. Ниско съдържание на пепел (около 4%), незначително съдържание на Cl, Na, високо съдържание на Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) в боровите иглички доведоха до увеличаване на участие в биологичната циркулация и в почвообразуването ролята на Ca, S, P и намаляване на ролята на Si, K, Na, C1.
Диатомеите се появяват през юра, а покритосеменните се появяват в периода на Креда, който следва. От средата на периода Креда широко се разпространяват широколистните видове - клен, дъб, бреза, върба, евкалипт, орех, бук, габър. Под навеса им процесът на образуване на подзол започва да отслабва, тъй като съставът на постелята на тези растения съдържа висок процент на Ca, Mg, K.
В терциерната епоха на земното кълбо преобладава тропическата флора: палми, магнолии, секвоя, бук и кестен. Минералният състав на веществата, участващи в кръговото движение от тези гори, се характеризира със значително участие на Ca, Mg, K, P, S, Si, Al. Така се създават екологичните предпоставки за възникване и развитие на тревиста растителност: намаляване на киселинността на почвите и скалите, натрупване на хранителни вещества.
Промяната в господството на тревисто-дървесната растителност беше от огромно фундаментално значение за промяна на естеството на почвообразуващите процеси. Мощната коренова система на дърветата включва значителна маса минерални вещества в биологичния цикъл, мобилизирайки ги за последващо заселване на тревиста растителност. Краткият живот на тревната растителност и концентрацията на коренови маси в най-горните слоеве на почвата осигуряват под покривката на тревите пространствена концентрация на биологичната циркулация на минерали в по-малко дебел слой хоризонти с натрупване на хранителни елементи от пепел в тях . Така, започвайки от втората половина на Кредата, през терциера и особено през кватернера, под влиянието на доминирането на тревиста растителност, се разпространява дерновия процес на почвообразуване.
Така ролята на живата материя и биологичната циркулация в геоложката история на Земята и развитието на почвообразуващия процес непрекъснато нараства. Но почвообразуването също постепенно се превърна в едно от основните звена в биологичния цикъл на веществата.
Почвата осигурява постоянно взаимодействие на големи геоложки и малки биологични цикли на вещества на земната повърхност. Почвата е свързващо звено и регулатор на взаимодействието на тези два глобални цикъла на материята.
Почвата - натрупва органична материя и свързаната с нея химическа енергия, химични елементи, като по този начин регулира скоростта на биологична циркулация на веществата.
Почвата, притежаваща способността динамично да възпроизвежда плодородието си, регулира биосферните процеси. По-специално, плътността на живота на Земята, заедно с климатичните фактори, до голяма степен се определя от географската хетерогенност на почвата.
Циркулацията на веществата в природата е най-важното екологично понятие.
На фиг. биологичният цикъл е представен в комбинация с опростена диаграма на потока на енергията. Веществата участват в цикъла и енергийният поток е еднопосочен от растенията, които преобразуват енергията на слънцето в енергията на химичните връзки, до животните, които използват тази енергия, и след това до микроорганизмите, които разрушават органичната материя.
Еднопосочен поток от енергия задвижва циркулацията на веществата. Всеки химичен елемент, осъществявайки кръговрат в екосистемата, последователно преминава от органична към неорганична форма и обратно.
Ориз. 1. Енергийният поток и кръговрата на биогенните елементи в биосферата
Фотосинтеза- създаване на органични вещества (глюкоза, нишесте, целулоза и др.) от въглероден диоксид и вода с участието на хлорофил под действието на слънчевата енергия:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Фотосинтезата е процес на улавяне на слънчева енергия от фотосинтезиращи организми и преобразуването й в енергия от биомаса.
Всяка година растителният свят съхранява безплатна енергия 10 пъти по-висока от количеството минерална енергия, консумирана годишно от цялото население на Земята. Самите тези минерали (въглища, нефт и природен газ) също са продукти на фотосинтезата, осъществена преди милиони години.
Всяка година фотосинтезата усвоява 200 милиарда тона въглероден диоксид и отделя до 320 милиарда тона кислород. Целият въглероден диоксид в атмосферата преминава през живата материя за 6-7 години.
Процесите на разрушаване на органичната материя до най-простите молекули: CO 2, H 2 O, NH 3 също протичат в биосферата. Разлагането на органичните съединения се случва в организмите на животните, в растенията по време на дишане с образуване на CO 2 и H 2 O.
Минерализацията на органичните вещества, разлагането на мъртвата органична материя до прости неорганични съединения става под действието на микроорганизми.
Противоположните процеси на образуване и разрушаване на органичната материя в биосферата образуват единен биологичен цикъл на атомите. В процеса на минерализация на органичните съединения се отделя енергия, която се абсорбира по време на фотосинтезата. Освобождава се като топлина, а също и като химическа енергия.
Биологичен цикъле съвкупност от процеси за навлизане на химични елементи в живите организми, биосинтеза на нови сложни съединения и връщане на елементите в почвата, атмосферата и хидросферата.
Интензитетът на биологичния цикъл (BIR) се определя от температурата на околната среда и количеството вода. Биологичният цикъл е по-интензивен в тропическите дъждовни гори, отколкото в тундрата.
Най-важният резултат от биологичния цикъл на веществата е образуването на хумусен хоризонт на почвите на сушата.
Биологичният цикъл се характеризира със следните показатели.
биомаса -масата на живата материя, натрупана в даден момент от време (фито-, зоо-, микробиомаса).
Растителна биомаса(фитомаса) - масата от живи и мъртви растителни организми.
постеля -количеството органична материя на растенията, които са измрели на единица площ за единица време.
Растеж- биомаса, натрупана на единица площ за единица време.
Химичният състав на растенията зависи от два основни фактора:
1) екологична, - среда за растеж на растенията, - нива на съдържанието на елементи в околната среда, форми на местоположение, включително мобилни, достъпни за растенията;
2) генетичен, поради особеностите на произхода на растителните видове.
В условия на замърсяване на околната среда концентрацията на елементи в растенията се определя от първия фактор. При фонови (ненарушени) пейзажи и двата фактора са важни.
В зависимост от реакцията към химическия фактор на околната среда (на съдържанието на химични елементи) могат да се разграничат 2 групи растения:
1) адаптиранпромени в концентрацията на химични елементи;
2) не е адаптиранпромени в концентрацията на химични елементи.
Промените в концентрациите на химичните елементи в околната среда в неадаптирани растения причиняват физиологични смущения, водещи до заболявания; развитието на растенията се потиска, видът загива.
Някои растителни видове са добре приспособени към преноса на високи концентрации на елементи. Това са диви растения, които виреят продължително време в даден район, които в резултат на естествения подбор придобиват устойчивост на неблагоприятни условия на живот.
Растенията, които концентрират химични елементи, се наричат концентратори. Например: слънчоглед, картофен концентрат калий, чай - алуминий, мъхове - желязо. Пелин, хвощ, царевица, дъб натрупват злато.
Изключителен руски учен, академик V.I. Вернадски.
Биосфера- сложната външна обвивка на Земята, която съдържа цялата съвкупност от живи организми и онази част от веществото на планетата, която е в процес на непрекъснат обмен с тези организми. Това е една от най-важните геосфери на Земята, която е основният компонент на естествената среда около хората.
Земята е съставена от концентрични черупки(геосфери) както вътрешни, така и външни. Вътрешните включват ядрото и мантията, а външните: литосфера -каменна обвивка на Земята, включително земната кора (фиг. 1) с дебелина от 6 km (под океана) до 80 km (планински системи); хидросфера -водна обвивка на Земята; атмосфера- газовата обвивка на Земята, състояща се от смес от различни газове, водни пари и прах.
На височина от 10 до 50 km има озонов слой с максимална концентрация на височина 20-25 km, който предпазва Земята от прекомерно ултравиолетово лъчение, което е фатално за тялото. Тук (към външните геосфери) принадлежи и биосферата.
биосфера -външната обвивка на Земята, която включва част от атмосферата до височина 25-30 km (до озоновия слой), практически цялата хидросфера и горната част на литосферата до дълбочина до 3 km
Ориз. 1. Схема на строежа на земната кора
(фиг. 2). Особеността на тези части е, че те са обитавани от живи организми, които съставляват живата материя на планетата. Взаимодействие абиотична част от биосферата- въздух, вода, скали и органични вещества - биотапредизвика образуването на почви и седиментни скали.
Ориз. 2. Структурата на биосферата и съотношението на повърхностите, заети от основните структурни единици
Цикъл на материята в биосферата и екосистемите
Всички химични съединения, достъпни за живите организми в биосферата, са ограничени. Изчерпването на химикалите, подходящи за асимилация, често инхибира развитието на определени групи организми в местни зони на сушата или океана. Според академик В.Р. Уилямс, единственият начин да придадем на крайното свойства на безкрайност е да го накараме да се върти по затворена крива. Следователно стабилността на биосферата се поддържа поради циркулацията на веществата и енергийните потоци. Има два основни цикъла на веществата: голям - геоложки и малък - биогеохимичен.
Голяма геоложка циркулация(фиг. 3). Кристалните скали (магматични) се трансформират в седиментни скали под въздействието на физични, химични и биологични фактори. Пясъкът и глината са типични седименти, продукти на трансформация на дълбоки скали. Образуването на седименти обаче се случва не само поради разрушаването на съществуващите скали, но и чрез синтеза на биогенни минерали - скелети на микроорганизми - от природни ресурси - океански води, морета и езера. Разхлабените водни утайки, тъй като се изолират на дъното на резервоарите с нови порции утаечен материал, потапяни в дълбочина, навлизайки в нови термодинамични условия (по-високи температури и налягания), губят вода, втвърдяват се, като се трансформират в седиментни скали.
Впоследствие тези скали се потапят в още по-дълбоки хоризонти, където протичат процесите на тяхното дълбоко преобразуване към нови температурни и барични условия - протичат процесите на метаморфизъм.
Под въздействието на ендогенни енергийни потоци дълбоките скали се претопяват, образувайки магма - източник на нови магмени скали. След издигането на тези скали на повърхността на Земята, под въздействието на процесите на изветряне и пренос, те отново се трансформират в нови седиментни скали.
Така голямата циркулация се дължи на взаимодействието на слънчевата (екзогенна) енергия с дълбоката (ендогенна) енергия на Земята. Той преразпределя веществата между биосферата и по-дълбоките хоризонти на нашата планета.
Ориз. 3. Голяма (геоложка) циркулация на материята (тънки стрелки) и промяна в разнообразието в земната кора (твърди широки стрелки - растеж, периодично - намаляване на разнообразието)
Големият джакузисе нарича още кръговрата на водата между хидросферата, атмосферата и литосферата, която се движи от енергията на Слънцето. Водата се изпарява от повърхността на водните тела и земята и след това отново влиза в Земята под формата на валежи. Над океана изпарението надвишава валежите, над сушата, напротив. Тези разлики се компенсират от речните потоци. Земната растителност играе важна роля в глобалния воден цикъл. Транспирацията на растенията в определени участъци от земната повърхност може да представлява до 80-90% от валежите, падащи тук, а средно за всички климатични зони - около 30%. За разлика от голямата, малката циркулация на веществата се случва само в биосферата. Връзката между големия и малкия воден цикъл е показана на фиг. 4.
Циклите с планетарен мащаб се създават от безбройните локални циклични движения на атомите, движени от жизнената активност на организмите в отделните екосистеми, и тези движения, причинени от действието на ландшафтни и геоложки причини (повърхностен и подземен отток, ветрова ерозия, движение). на морското дъно, вулканизъм, планинско строителство и др.) ).
Ориз. 4. Взаимовръзка на големия геоложки цикъл (BGC) на водата с малкия биогеохимичен цикъл (MBC) на водата
За разлика от енергията, която веднъж използвана от тялото, се превръща в топлина и се губи, веществата циркулират в биосферата, създавайки биогеохимични цикли. От деветдесет и няколко елемента, открити в природата, живите организми се нуждаят от около четиридесет. Най-важните са им необходими в големи количества - въглерод, водород, кислород, азот. Циклите на елементите и веществата се осъществяват благодарение на саморегулиращи се процеси, в които участват всички съставни части. Тези процеси са безотпадни. Съществува законът за глобалното затваряне на биогеохимичния цикъл в биосфератадействащи на всички етапи от своето развитие. По време на еволюцията на биосферата ролята на биологичния компонент в затварянето на биогеохимичния
кого цикълът. Човекът има още по-голямо влияние върху биогеохимичната циркулация. Но ролята му се проявява в обратна посока (циклите стават отворени). В основата на биогеохимичната циркулация на веществата е енергията на Слънцето и хлорофилът на зелените растения. Другите най-важни цикли - вода, въглерод, азот, фосфор и сяра - са свързани и допринасят за биогеохимията.
Водният кръговрат в биосферата
Растенията използват водорода на водата при фотосинтезата, за да изградят органични съединения, освобождавайки молекулен кислород. В процесите на дишане на всички живи същества, по време на окисляването на органичните съединения, водата се образува отново. В историята на живота цялата свободна вода на хидросферата многократно е преминавала през цикли на разлагане и нови образувания в живата материя на планетата. Около 500 000 км 3 вода годишно участва в кръговрата на водата на Земята. Водният цикъл и неговите запаси са показани на фиг. 5 (в относително изражение).
Цикълът на кислорода в биосферата
Земята дължи уникалната си атмосфера с високо съдържание на свободен кислород на процеса на фотосинтеза. Образуването на озон във високите слоеве на атмосферата е тясно свързано с кислородния цикъл. Кислородът се освобождава от водните молекули и по същество е страничен продукт от фотосинтетичната активност на растенията. Абиотичният кислород се появява в горните слоеве на атмосферата поради фотодисоциация на водна пара, но този източник е само хилядна част от процента от този, доставян от фотосинтезата. Съществува движещо се равновесие между съдържанието на кислород в атмосферата и хидросферата. Във вода е около 21 пъти по-малко.
Ориз. 6. Диаграма на цикъла на кислорода: удебелени стрелки - основни потоци на прием и консумация на кислород
Освободеният кислород се изразходва интензивно за дихателните процеси на всички аеробни организми и за окисляването на различни минерални съединения. Тези процеси протичат в атмосферата, почвата, водата, тиня и скалите. Доказано е, че значителна част от кислорода, свързан в седиментните скали, е с фотосинтетичен произход. Обменният фонд O, в атмосферата е не повече от 5% от общото производство на фотосинтеза. Много анаеробни бактерии също окисляват органичната материя по време на анаеробно дишане, използвайки сулфати или нитрати.
Пълното разлагане на органичната материя, създадена от растенията, изисква точно същото количество кислород, което се отделя по време на фотосинтезата. Погребването на органична материя в седиментни скали, въглища, торф послужи като основа за поддържане на обменния фонд на кислород в атмосферата. Целият кислород в него преминава през пълен цикъл през живите организми за около 2000 години.
Понастоящем значителна част от атмосферния кислород се свързва в резултат на транспорт, промишленост и други форми на антропогенна дейност. Известно е, че човечеството вече изразходва повече от 10 милиарда тона свободен кислород от общото количество от 430-470 милиарда тона, доставено от процесите на фотосинтеза. Ако вземем предвид, че само малка част от фотосинтетичния кислород влиза в обменния фонд, активността на хората в това отношение започва да придобива застрашителни размери.
Цикълът на кислорода е тясно свързан с цикъла на въглерода.
Цикълът на въглерода в биосферата
Въглеродът, като химичен елемент, е основата на живота. Той може да се комбинира с много други елементи по различни начини, за да образува прости и сложни органични молекули, които изграждат живи клетки. По отношение на разпространението на планетата въглеродът се нарежда на единадесето място (0,35% от теглото на земната кора), но в живата материя той представлява средно около 18 или 45% от сухата биомаса.
В атмосферата въглеродът е включен в състава на въглеродния диоксид CO2, в по-малка степен - в състава на метана CH4. Във хидросферата CO2 се разтваря във вода и общото му съдържание е много по-високо от атмосферното. Океанът служи като мощен буфер за регулиране на CO2 в атмосферата: с увеличаване на концентрацията му във въздуха, абсорбцията на въглероден диоксид от водата се увеличава. Някои от молекулите на CO2 реагират с вода, образувайки въглеродна киселина, която след това се дисоциира в йони HCO 3 - и CO 2 - 3. Тези йони реагират с калциеви или магнезиеви катиони, за да утаят карбонати. Такива реакции са в основата на буферната система на океана, поддържайки постоянно pH на водата.
Въглеродният диоксид на атмосферата и хидросферата е обменен фонд във въглеродния цикъл, откъдето се поема от сухоземните растения и водорасли. Фотосинтезата е в основата на всички биологични цикли на Земята. Освобождаването на фиксиран въглерод става при дихателната дейност на самите фотосинтезиращи организми и всички хетеротрофи – бактерии, гъби, животни, които се включват в хранителната верига поради жива или мъртва органична материя.
Ориз. 7. Въглероден цикъл
Особено активно е връщането на СО2 от почвата в атмосферата, където е концентрирана дейността на множество групи организми, разлагане на останките от мъртви растения и животни и се осъществява дишането на кореновата система на растенията. Този интегрален процес се обозначава като "почвено дишане" и има значителен принос за попълването на обменния фонд на CO2 във въздуха. Успоредно с процесите на минерализация на органичната материя в почвите се образува хумус – сложен и стабилен молекулен комплекс, богат на въглерод. Хумусът на почвите е един от важните въглеродни резервоари на сушата.
При условия, при които активността на деструкторите е инхибирана от фактори на околната среда (например, когато в почвите и на дъното на водните тела възниква анаеробен режим), органичната материя, натрупана от растителността, не се разлага, превръщайки се с течение на времето в скали като въглища или кафяви въглища, торф, сапропели, нефтени шисти и други, богати на акумулирана слънчева енергия. Те попълват въглеродния резервен фонд, изключвайки се от биологичния цикъл за дълго време. Въглеродът също временно се отлага в жива биомаса, мъртва постеля, разтворена органична материя в океана и др. но основният въглероден резерв при записне са живи организми и не са изкопаеми горива, а седиментни скали - варовици и доломити.Образуването им е свързано и с дейността на живата материя. Въглеродът на тези карбонати е заровен за дълго време в недрата на Земята и влиза в цикъла само по време на ерозия, когато скалите са изложени в тектонски цикли.
Само части от процента въглерод от общото му количество на Земята участват в биогеохимичния цикъл. Въглеродът от атмосферата и хидросферата преминава през живите организми многократно. Наземните растения са в състояние да изчерпят запасите си във въздуха за 4-5 години, запасите в почвения хумус за 300-400 години. Основното връщане на въглерода в обменния фонд се осъществява поради дейността на живите организми и само малка част от него (хилядни от процента) се компенсира от отделянето на вулканични газове от вътрешността на Земята.
В момента добивът и изгарянето на огромни запаси от изкопаеми горива се превръща в мощен фактор за прехвърлянето на въглерод от резерва към обменния фонд на биосферата.
Цикълът на азота в биосферата
Атмосферата и живата материя съдържат по-малко от 2% от целия азот на Земята, но именно този азот поддържа живота на планетата. Азотът е част от най-важните органични молекули - ДНК, протеини, липопротеини, АТФ, хлорофил и др. В растителните тъкани съотношението му към въглерода е средно 1:30, а в морските водорасли I:6. Биологичният азотен цикъл е следователно също е тясно свързан с въглерода.
Молекулният азот на атмосферата е недостъпен за растенията, които могат да усвоят този елемент само под формата на амониеви йони, нитрати или от почвени или водни разтвори. Следователно липсата на азот често е фактор, ограничаващ първичното производство – работата на организмите, свързана със създаването на органични вещества от неорганични. Въпреки това, атмосферният азот е широко включен в биологичния цикъл поради дейността на специални бактерии (азотфиксатори).
Амонифициращите микроорганизми също вземат голямо участие в азотния цикъл. Те разграждат протеините и други азот-съдържащи органични вещества до амоняк. В амониевата форма азотът частично се реабсорбира от корените на растенията, а частично се улавя от нитрифициращи микроорганизми, което е противоположно на функциите на група микроорганизми - денитрификатори.
Ориз. 8. Азотният цикъл
При анаеробни условия в почви или води те използват кислорода на нитратите, за да окисляват органичната материя, като получават енергия за живота си. В този случай азотът се редуцира до молекулен азот. Фиксирането на азот и денитрификацията в природата са приблизително балансирани. Следователно цикълът на азот зависи главно от активността на бактериите, докато растенията се интегрират в него, като използват междинните продукти на този цикъл и значително увеличават мащаба на циркулацията на азота в биосферата поради производството на биомаса.
Ролята на бактериите в азотния цикъл е толкова голяма, че ако само 20 от вида им бъдат унищожени, животът на нашата планета ще спре.
Небиологичното фиксиране на азота и навлизането на неговите оксиди и амоняк в почвите се случва и при валежи при йонизация на атмосферата и светкавични разряди. Съвременната индустрия за торове фиксира атмосферния азот в повече от естествената азотна фиксация, за да увеличи производството на култури.
Понастоящем човешката дейност все повече влияе върху азотния цикъл, главно в посока надхвърляне на превръщането му в свързани форми над процесите на връщане в молекулярно състояние.
Цикълът на фосфора в биосферата
Този елемент, необходим за синтеза на много органични вещества, включително АТФ, ДНК, РНК, се усвоява от растенията само под формата на йони на фосфорна киселина (P0 3 4 +). Той принадлежи към елементите, ограничаващи първичното производство както на сушата, така и особено в океана, тъй като обменният фосфорен фонд в почвите и водите е малък. Цикълът на този елемент в мащаба на биосферата не е затворен.
На сушата растенията извличат фосфати от почвата, освободени от разложителите от разлагащите се органични остатъци. Въпреки това, в алкални или кисели почви, разтворимостта на фосфорните съединения рязко спада. Основният резервен фонд от фосфати се съдържа в скалите, създадени на дъното на океана в геоложкото минало. В хода на излужването на скалите част от тези запаси преминават в почвата и под формата на суспензии и разтвори се измиват във водни обекти. В хидросферата фосфатите се използват от фитопланктона, преминавайки по хранителните вериги към други водни организми. Въпреки това, в океана повечето от фосфорните съединения са погребани с останки от животни и растения на дъното с последващ преход със седиментни скали в голямата геоложка циркулация. На дълбочина разтворените фосфати се свързват с калция, за да образуват фосфорити и апатити. В биосферата всъщност има еднопосочен поток на фосфор от скалите на сушата към дълбините на океана, следователно неговият обменен фонд в хидросферата е много ограничен.
Ориз. 9. Цикълът на фосфора
Приземните находища на фосфорити и апатити се използват при производството на торове. Навлизането на фосфор в сладководните обекти е една от основните причини за тяхното „цъфтеж“.
Цикълът на сярата в биосферата
Цикълът на сярата, който е необходим за изграждането на редица аминокиселини, е отговорен за триизмерната структура на протеините и се поддържа в биосферата от широк спектър от бактерии. В отделните звена на този цикъл участват аеробни микроорганизми, които окисляват сярата на органичните остатъци до сулфати, както и анаеробни сулфатни редуктори, които редуцират сулфатите до сероводород. В допълнение към изброените групи серни бактерии, сероводородът се окислява до елементарна сяра и след това до сулфати. Растенията усвояват само SO 2-4 йони от почвата и водата.
Пръстенът в центъра илюстрира процесите на окисление (O) и редукция (R), които обменят сяра между наличния сулфатен басейн и басейна на железен сулфид дълбоко в почвата и седимента.
Ориз. 10. Цикълът на сярата. Пръстенът в центъра илюстрира процеса на окисление (0) и редукция (R), поради което се осъществява обменът на сяра между басейна на наличния сулфат и басейна от железни сулфиди, разположени дълбоко в почвата и седиментите.
Основното натрупване на сяра се случва в океана, където сулфатните йони непрекъснато се доставят от сушата с речен отток. Когато сероводородът се отделя от водата, сярата се връща частично в атмосферата, където се окислява до диоксид, превръщайки се в сярна киселина в дъждовната вода. Промишленото използване на големи количества сулфати и елементарна сяра и изгарянето на изкопаеми горива отделят големи количества серен диоксид в атмосферата. Той вреди на растителността, животните, хората и служи като източник на киселинни дъждове, засилвайки негативните ефекти от човешката намеса в цикъла на сярата.
Скоростта на циркулация на веществата
Всички цикли на веществата протичат с различни скорости (фиг. 11)
Така циклите на всички хранителни вещества на планетата се поддържат от сложно взаимодействие на различни части. Те се образуват от дейността на групи организми с различни функции, системата за отток и изпарение, свързваща океана и сушата, процесите на циркулация на водни и въздушни маси, действието на гравитационните сили, тектониката на литосферните плочи и други големи- мащабни геоложки и геофизични процеси.
Биосферата действа като единна сложна система, в която протичат различни кръгове на вещества. Основният двигател на тях циркулацията е живата материя на планетата, всички живи организми,осигуряване на процесите на синтез, трансформация и разлагане на органичната материя.
Ориз. 11. Скорости на циркулация на веществата (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Екологичният възглед за света се основава на идеята, че всяко живо същество е заобиколено от много различни фактори, въздействащи върху него, които формират местообитанието му в комплекс – биотоп. следователно, биотоп - част от територия, която е хомогенна по отношение на условията на живот за определени видове растения или животни(склон на дере, градски лесопарк, малко езеро или част от голямо, но с еднакви условия - крайбрежна част, дълбоководна част).
Съставят се организми, характерни за определен биотоп жизнена общност или биоценоза(животни, растения и микроорганизми на езерото, ливадата, крайбрежната ивица).
Жизнената общност (биоценоза) образува единно цяло със своя биотоп, който се нарича екологична система (екосистема).Пример за естествени екосистеми е мравуняк, езеро, езерце, ливада, гора, град, ферма. Класическият пример за изкуствена екосистема е космическият кораб. Както виждате, тук няма строга пространствена структура. Близко до понятието екосистема е концепцията биогеоценоза.
Основните компоненти на екосистемите са:
- нежива (абиотична) среда.Това са вода, минерали, газове, както и органични вещества и хумус;
- биотични компоненти.Те включват: производители или производители (зелени растения), консуматори или консуматори (живи същества, които се хранят с производители) и разложители или разложители (микроорганизми).
Природата работи изключително икономично. По този начин биомасата, създадена от организмите (вещество на телата на организмите) и съдържащата се в тях енергия се прехвърлят към други членове на екосистемата: животните ядат растения, тези животни се ядат от други животни. Този процес се нарича хранителна, или трофична, верига.В природата хранителните вериги често се припокриват, образуване на хранителна мрежа.
Примери за хранителни мрежи: растение - тревопасно - хищно; зърнена култура - полска мишка - лисица и др. и хранителната мрежа са показани на фиг. 12.
По този начин състоянието на равновесие в биосферата се основава на взаимодействието на биотични и абиотични фактори на околната среда, което се поддържа поради непрекъснатия обмен на материя и енергия между всички компоненти на екосистемите.
В затворените цикли на природните екосистеми, наред с други, трябва да участват два фактора: наличието на разложители и постоянното доставяне на слънчева енергия. В градските и изкуствените екосистеми има малко или никакви разложители, поради което се натрупват течни, твърди и газообразни отпадъци, замърсяващи околната среда.
Ориз. 12. Хранителна мрежа и посока на потока на материята
Зареждане ...