Siklus zat di biosfer adalah siklus, proses berulang yang berulang dari gabungan, transformasi dan pergerakan zat yang saling berhubungan. Adanya peredaran zat adalah kondisi yang diperlukan keberadaan biosfer. Setelah digunakan oleh beberapa organisme, zat tersebut harus berubah menjadi bentuk yang dapat diakses oleh organisme lain. Transisi zat semacam itu dari satu tautan ke tautan lain membutuhkan biaya energi, oleh karena itu, hanya mungkin dengan partisipasi energi Matahari. Dengan menggunakan energi matahari, dua siklus zat yang saling berhubungan berlangsung di planet ini: besar - geologis dan kecil - biologis (biotik).
Siklus geologi zat- proses migrasi zat, dilakukan di bawah pengaruh faktor abiotik: pelapukan, erosi, pergerakan air, dll. Organisme hidup tidak ambil bagian di dalamnya.
Dengan munculnya materi hidup di planet ini, sirkulasi biologis (biotik). Semua organisme hidup mengambil bagian di dalamnya, menyerap beberapa zat dari lingkungan dan melepaskan yang lain. Sebagai contoh, tumbuhan mengkonsumsi karbon dioksida, air, mineral dan melepaskan oksigen. Hewan menggunakan oksigen yang dikeluarkan oleh tumbuhan untuk respirasi. Mereka memakan tumbuhan dan sebagai hasil pencernaan, asimilasi terbentuk dalam proses fotosintesis bahan organik. Mereka melepaskan karbon dioksida dan makanan yang tidak tercerna. Setelah mati, tumbuhan dan hewan membentuk massa bahan organik mati (detritus). Detritus tersedia untuk dekomposisi (mineralisasi) oleh jamur dan bakteri mikroskopis. Sebagai hasil dari aktivitas vital mereka, jumlah tambahan memasuki biosfer karbon dioksida. Dan zat organik diubah menjadi komponen anorganik asli - biogen. Senyawa mineral yang dihasilkan, jatuh ke badan air dan tanah, kembali tersedia bagi tanaman untuk fiksasi melalui fotosintesis. Proses seperti itu berulang tanpa batas dan bersifat tertutup (sirkulasi). Misalnya, semua oksigen atmosfer bergerak di sepanjang jalur ini dalam waktu sekitar 2 ribu tahun, sedangkan karbon dioksida membutuhkan waktu sekitar 300 tahun untuk melakukannya.
Energi yang terkandung dalam bahan organik berkurang saat bergerak melalui rantai makanan. Sebagian besar dihamburkan di lingkungan dalam bentuk panas atau dihabiskan untuk mempertahankan proses vital organisme. Misalnya, pada respirasi hewan dan tumbuhan, pengangkutan zat pada tumbuhan, serta pada proses biosintesis organisme hidup. Selain itu, biogen yang terbentuk sebagai hasil dari aktivitas pengurai tidak mengandung energi yang tersedia untuk organisme. PADA kasus ini orang hanya dapat berbicara tentang aliran energi di biosfer, tetapi tidak tentang sirkulasi. Oleh karena itu, syarat keberlangsungan biosfer adalah sirkulasi zat dan aliran energi yang konstan dalam biogeocenosis.
Siklus geologis dan biologis bersama-sama membentuk siklus biogeokimia umum zat, yang didasarkan pada siklus nitrogen, air, karbon, dan oksigen.
siklus nitrogen
Nitrogen merupakan salah satu unsur yang paling melimpah di biosfer. Bagian utama nitrogen biosfer ada di atmosfer dalam bentuk gas. Seperti diketahui dari pelajaran kimia, ikatan kimia antar atom dalam molekul nitrogen (N 2) sangat kuat. Oleh karena itu, sebagian besar organisme hidup tidak dapat menggunakannya secara langsung. Oleh karena itu, langkah penting dalam siklus nitrogen adalah fiksasi dan konversinya menjadi bentuk yang dapat diakses oleh organisme. Ada tiga cara fiksasi nitrogen.
fiksasi atmosfer. Di bawah pengaruh pelepasan listrik atmosfer (petir), nitrogen dapat berinteraksi dengan oksigen untuk membentuk oksida (NO) dan dioksida (NO 2) dari nitrogen. Nitric oxide (NO) sangat cepat teroksidasi oleh oksigen dan diubah menjadi nitrogen dioksida. Nitrogen dioksida larut dalam uap air dan dalam bentuk asam nitrat (HNO2) dan nitrat (HNO3) memasuki tanah dengan pengendapan. Di dalam tanah, sebagai hasil disosiasi asam-asam ini, nitrit (NO 2 -) dan ion nitrat (NO 3 -) terbentuk. Ion nitrit dan nitrat sudah dapat diserap oleh tanaman dan termasuk dalam siklus biologis. Fiksasi nitrogen atmosfer menyumbang sekitar 10 juta ton nitrogen per tahun, yaitu sekitar 3% dari fiksasi nitrogen tahunan di biosfer.
fiksasi biologis. Ini dilakukan oleh bakteri pengikat nitrogen, yang mengubah nitrogen menjadi bentuk yang tersedia bagi tanaman. Mikroorganisme mengikat sekitar setengah dari semua nitrogen. Bakteri yang memfiksasi nitrogen dalam bintil tanaman polong-polongan paling dikenal. Mereka memasok tanaman dengan nitrogen dalam bentuk amonia (NH3). Amonia sangat larut dalam air dengan pembentukan ion amonium (NH 4 +), yang diserap oleh tanaman. Oleh karena itu, legum merupakan pendahulu terbaik dari tanaman budidaya dalam rotasi tanaman. Setelah kematian hewan dan tumbuhan dan dekomposisi sisa-sisanya, tanah diperkaya dengan senyawa nitrogen organik dan mineral. Selanjutnya, bakteri pembusuk (ammonifying) memecah zat yang mengandung nitrogen (protein, urea, asam nukleat) dari tumbuhan dan hewan menjadi amonia. Proses ini disebut ammonifikasi. Sebagian besar amonia kemudian dioksidasi oleh bakteri nitrifikasi menjadi nitrit dan nitrat, yang digunakan kembali oleh tanaman. Kembalinya nitrogen ke atmosfer terjadi melalui denitrifikasi, yang dilakukan oleh sekelompok bakteri denitrifikasi. Akibatnya, senyawa nitrogen direduksi menjadi nitrogen molekuler. Bagian dari nitrogen dalam bentuk nitrat dan amonium dengan limpasan permukaan memasuki ekosistem perairan. Di sini nitrogen diserap organisme akuatik atau memasuki sedimen organik dasar.
Fiksasi industri. Sejumlah besar nitrogen setiap tahun terikat secara industri dalam produksi pupuk nitrogen mineral. Nitrogen dari pupuk tersebut diserap oleh tanaman dalam bentuk amonium dan nitrat. Volume pupuk nitrogen yang diproduksi di Belarus saat ini sekitar 900 ribu ton per tahun. Produsen terbesar adalah OJSC GrodnoAzot. Perusahaan ini memproduksi pupuk urea, amonium nitrat, amonium sulfat dan pupuk nitrogen lainnya.
Sekitar 1/10 nitrogen buatan digunakan oleh tanaman. Sisanya dengan limpasan permukaan dan air tanah masuk ke ekosistem perairan. Hal ini menyebabkan akumulasi dalam air sejumlah besar senyawa nitrogen yang tersedia untuk asimilasi oleh fitoplankton. Akibatnya, reproduksi ganggang yang cepat (eutrofikasi) dan, sebagai akibatnya, kematian di ekosistem perairan mungkin terjadi.
Siklus air
Air merupakan komponen utama biosfer. Ini adalah media untuk pembubaran hampir semua elemen dalam pelaksanaan siklus. Sebagian besar air biosfer diwakili oleh air cair dan air es abadi (lebih dari 99% dari semua cadangan air di biosfer). Sebagian kecil air dalam keadaan gas - ini adalah uap air atmosfer. Siklus biosfer air didasarkan pada fakta bahwa penguapannya dari permukaan bumi dikompensasi oleh curah hujan. Sampai ke permukaan tanah dalam bentuk presipitasi, air berkontribusi pada penghancuran batu. Hal ini membuat mineral penyusunnya tersedia untuk organisme hidup. Ini adalah penguapan air dari permukaan planet yang menentukan siklus geologisnya. Ini mengkonsumsi sekitar setengah dari energi matahari insiden. Penguapan air dari permukaan laut dan samudera terjadi pada tingkat yang lebih tinggi daripada kembalinya dengan presipitasi. Perbedaan ini dikompensasi oleh limpasan permukaan dan limpasan dalam karena fakta bahwa curah hujan lebih tinggi daripada penguapan di benua.
Peningkatan intensitas penguapan air di darat sebagian besar disebabkan oleh aktivitas vital tumbuhan. Tumbuhan mengekstrak air dari tanah dan secara aktif memindahkannya ke atmosfer. Bagian dari air dalam sel tumbuhan dipecah selama fotosintesis. Dalam hal ini, hidrogen difiksasi dalam bentuk senyawa organik dan oksigen dilepaskan ke atmosfer.
Hewan menggunakan air untuk menjaga keseimbangan osmotik dan garam dalam tubuh dan melepaskannya ke lingkungan eksternal bersama dengan produk metabolisme.
siklus karbon
seperti karbon unsur kimia hadir di atmosfer sebagai karbon dioksida. Ini menentukan partisipasi wajib organisme hidup dalam sirkulasi elemen ini di planet Bumi. Rute utama dimana karbon adalah senyawa anorganik masuk ke komposisi zat organik, di mana itu adalah unsur kimia wajib - ini adalah proses fotosintesis. Bagian dari karbon dilepaskan ke atmosfer sebagai karbon dioksida selama respirasi organisme hidup dan selama dekomposisi bahan organik mati oleh bakteri. Karbon yang diambil oleh tumbuhan dikonsumsi oleh hewan. Selain itu, polip karang dan moluska menggunakan senyawa karbon untuk membangun formasi kerangka dan cangkang. Setelah kematian dan pengendapan mereka, endapan batu kapur terbentuk di bagian bawah. Dengan demikian, karbon dapat dikeluarkan dari siklus. Penghapusan karbon dari siklus untuk waktu yang lama dicapai melalui pembentukan mineral: batu bara, minyak, gambut.
Sepanjang keberadaan planet kita, karbon yang dikeluarkan dari siklus dikompensasi oleh karbon dioksida yang memasuki atmosfer di letusan gunung berapi dan selama lainnya proses alami. Saat ini, signifikan dampak antropogenik. Misalnya, saat membakar bahan bakar hidrokarbon. Ini mengganggu siklus karbon yang diatur selama berabad-abad di Bumi.
Peningkatan konsentrasi karbon dioksida selama satu abad hanya sebesar 0,01% menyebabkan manifestasi nyata dari efek rumah kaca. Suhu tahunan rata-rata di planet ini telah meningkat sebesar 0,5 °C, dan tingkat Samudra Dunia telah meningkat hampir 15 cm. Menurut para ilmuwan, jika suhu tahunan rata-rata meningkat 3-4 °C, es abadi akan mulai mencair. Pada saat yang sama, permukaan Laut Dunia akan naik 50-60 cm, yang akan menyebabkan banjir di sebagian besar daratan. Hal ini dianggap sebagai global bencana ekologi, lagipula, sekitar 40% populasi dunia tinggal di wilayah ini.
Siklus oksigen
Dalam berfungsinya biosfer, oksigen memainkan peran yang sangat penting dalam proses metabolisme dan respirasi organisme hidup. Penurunan jumlah oksigen di atmosfer sebagai akibat dari proses respirasi, pembakaran bahan bakar dan pembusukan dikompensasi oleh oksigen yang dilepaskan oleh tanaman selama fotosintesis.
Oksigen terbentuk di atmosfer utama bumi saat mendingin. Karena reaktivitasnya yang tinggi, ia berpindah dari keadaan gas ke komposisi berbagai senyawa anorganik (karbonat, sulfat, oksida besi, dll.). Atmosfer planet yang mengandung oksigen saat ini terbentuk semata-mata karena fotosintesis yang dilakukan oleh organisme hidup. Kandungan oksigen di atmosfer telah meningkat ke nilai saat ini untuk waktu yang lama. Mempertahankan jumlahnya pada tingkat yang konstan saat ini hanya mungkin berkat organisme fotosintesis.
Sayangnya, dalam beberapa dekade terakhir, aktivitas manusia, yang menyebabkan deforestasi, erosi tanah, mengurangi intensitas fotosintesis. Dan ini, pada gilirannya, mengganggu jalur alami siklus oksigen di sebagian besar wilayah Bumi.
Sebagian kecil oksigen atmosfer terlibat dalam pembentukan dan penghancuran lapisan ozon di bawah aksi radiasi ultraviolet dari Matahari.
Dasar dari siklus biogenik zat adalah energi matahari. Kondisi utama untuk keberadaan biosfer yang berkelanjutan adalah sirkulasi zat yang konstan dan aliran energi dalam biogeocenosis. Dalam siklus nitrogen, karbon, dan oksigen, peran utama adalah milik organisme hidup. Dasar dari siklus air global di biosfer disediakan oleh proses fisik.
Sirkulasi dan siklus biogeokimia zat
Jelaskan pengertian siklus geologi dengan menggunakan siklus air sebagai contoh.
Bagaimana siklus biologis terjadi?
Apa hukum migrasi biogenik atom V.I. Vernadsky?
Apa cadangan dan dana pertukaran dari siklus alami? Apa perbedaan di antara mereka?
Bumi sebagai superorganisme hidup
*Agar biosfer ada dan berkembang, Bumi harus terus berputar secara biologis zat penting, yaitu setelah digunakan, mereka harus kembali berubah menjadi bentuk yang dapat dicerna oleh organisme lain. Transisi zat-zat penting secara biologis ini hanya dapat dilakukan dengan pengeluaran energi tertentu, yang sumbernya adalah Matahari.
Ilmuwan V. R. Williams percaya bahwa energi matahari menyediakan dua siklus materi di Bumi - geologis , atau besar, sirkulasi dan biologis , kecil, siklus.
Geologi ke Siklus ini paling jelas diwujudkan dalam siklus air. Bumi setiap tahun menerima 5,24x1024 J energi radiasi dari Matahari. Sekitar setengahnya dihabiskan untuk penguapan air. Pada saat yang sama, lebih banyak air yang menguap dari laut daripada yang kembali dengan curah hujan. Di darat, sebaliknya, lebih banyak curah hujan yang turun daripada air yang menguap. Kelebihannya mengalir ke sungai dan danau, dan dari sana - lagi ke laut (sambil mentransfer sejumlah senyawa mineral). Inilah yang menyebabkan sirkulasi besar di biosfer, berdasarkan fakta bahwa penguapan total air dari Bumi dikompensasi oleh curah hujan.
** Dengan munculnya materi hidup, berdasarkan siklus geologis, siklus materi organik muncul. keheningan, sirkulasi biologis (kecil).
Siklus air sebagai contoh siklus geologi
(menurut H.Penman)
Saat materi hidup berkembang, semakin banyak elemen yang terus-menerus diekstraksi dari siklus geologis dan memasuki siklus biologis baru. Berbeda dengan perpindahan sederhana zat mineral dalam siklus besar, baik dalam bentuk larutan maupun dalam bentuk presipitasi mekanis, dalam siklus kecil, momen terpenting adalah sintesis dan penghancuran senyawa organik. Berbeda dengan siklus geologi, siklus biologis memiliki energi yang dapat diabaikan. Seperti diketahui, hanya 0,1-0,2% dari semua energi matahari yang datang ke Bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik (hingga 50% pada siklus geologis). Meskipun demikian, energi yang terlibat dalam siklus biologis melakukan pekerjaan yang besar untuk menciptakan produk primer.
Siklus biologis
Dengan munculnya materi hidup di Bumi, unsur-unsur kimia terus bersirkulasi di biosfer, berpindah dari lingkungan eksternal
menjadi organisme dan kembali ke lingkungan. Peredaran zat di sepanjang jalur yang kurang lebih tertutup ini disebut siklus biogeokimia.
Siklus biogeokimia utama adalah siklus oksigen, karbon, air, nitrogen, fosfor, belerang dan elemen biogenik lainnya.
*** Migrasi materi secara biogenik - salah satu bentuk migrasi umum unsur-unsur di alam. Migrasi geokimia biogenik harus dipahami sebagai migrasi bahan organik dan inert yang terlibat dalam pertumbuhan dan perkembangan organisme hidup dan dihasilkan oleh organisme hidup sebagai hasil dari proses biokimia dan biogeokimia yang kompleks. DI DAN. Diformulasikan Vernadsky hukum migrasi biogenik atom dalam bentuk berikut:
Migrasi unsur-unsur kimia di biosfer dilakukan baik dengan partisipasi langsung makhluk hidup (migrasi biogenik), atau berlangsung di lingkungan yang fitur geokimianya (O2, CO2, H2, dll.) ditentukan oleh makhluk hidup (yang yang saat ini menghuni biosfer , dan yang telah beroperasi di Bumi sepanjang sejarah geologi).
Manusia terutama mempengaruhi biosfer dan populasi hidupnya, oleh karena itu ia mengubah kondisi untuk migrasi biogenik atom, menciptakan prasyarat untuk perubahan kimia yang mendalam. Dengan demikian, prosesnya dapat berkembang sendiri, terlepas dari keinginan manusia, dan praktis tidak terkendali dalam skala global.
Dari sudut pandang sirkulasi materi planet, yang paling penting adalah siklus lanskap-tanah, hidrosfer dan dalam (pedalaman). Yang pertama, ekstraksi unsur-unsur kimia dari batuan, air, udara, dekomposisi bahan organik, penyerapan dan sintesis berbagai senyawa organik dan organo-mineral dilakukan. Dalam siklus hidrosfer peran utama memainkan komposisi air dan aktivitas biologis organisme hidup. Bioproduksi zat di sini dilakukan dengan partisipasi dominan fito dan zooplankton. Dalam siklus dalam migrasi biogenik, peran terpenting adalah aktivitas mikroorganisme anaerob.
**** Proses-proses yang terjadi di berbagai kulit Bumi berada dalam keadaan keseimbangan dinamis, dan perubahan dalam jalannya salah satu dari mereka memerlukan rantai tak berujung dari fenomena yang terkadang tidak dapat diubah. Dalam setiap siklus alami, disarankan untuk membedakan antara dua bagian, atau dua "dana":
dana cadangan- sejumlah besar zat yang bergerak lambat, sebagian besar bersifat anorganik;
seluler, atau pertukaran, dana- lebih kecil, tetapi lebih aktif, yang ditandai dengan pertukaran cepat antara organisme dan lingkungan.
Dana pertukaran dibentuk dengan mengorbankan zat yang kembali ke sirkulasi baik karena ekskresi primer (dari lat. excretum - diekskresikan) oleh hewan, atau selama dekomposisi detritus oleh mikroorganisme.
Jika kita mengingat biosfer secara keseluruhan, maka siklus biogeokimia dapat dibagi menjadi dua jenis utama:
peredaran zat gas dengan dana cadangan di atmosfer atau hidrosfer;
siklus sedimen dengan dana cadangan di kerak bumi.
^ SIKLUS BIOLOGIS ZAT DI ALAM
Konsep umum siklus biologis zat
Sirkulasi biologis zat sebagai bentuk perkembangan planet Bumi
Unsur-unsur siklus biogeokimia zat di alam
Parameter siklus biogeokimia di darat
Siklus biologis dan pembentukan tanah
^ KONSEP UMUM
Siklus biologis zat adalah serangkaian proses masuknya unsur-unsur kimia dari tanah dan atmosfer ke organisme hidup, sintesis biokimia senyawa kompleks baru dan kembalinya unsur-unsur ke tanah dan atmosfer dengan penurunan tahunan sebagian dari bahan organik. Siklus biologis zat bukanlah siklus tertutup yang sepenuhnya dikompensasi, oleh karena itu, selama perjalanannya, tanah diperkaya dengan humus dan nitrogen, elemen nutrisi mineral (yang disebut elemen biogenik), yang menciptakan dasar yang menguntungkan bagi keberadaan tanaman. organisme.
Signifikansi biologis, biokimia dan geokimia dari proses yang dilakukan dalam siklus biologis zat pertama kali ditunjukkan oleh V. V. Dokuchaev, yang menciptakan doktrin zona alami. Selanjutnya, terungkap dalam karya-karya V. I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda dan peneliti lainnya.
serikat internasional ilmu biologi(International Union of Biological Sciences) melakukan program penelitian yang luas ke dalam produktivitas biologis biogeocenosis tanah dan air. Untuk memandu studi ini, Program Biologi Internasional didirikan. Untuk menyatukan istilah dan konsep yang digunakan dalam sastra modern, Bioprogram Internasional pekerjaan tertentu. Sebelum kita mulai mempelajari siklus biologis alami zat, perlu dijelaskan istilah yang paling sering digunakan.
Biomassa - massa materi hidup terakumulasi menjadi saat ini waktu.
^ biomassa tanaman (sinonim - phytomass) - massa hidup dan mati, tetapi mempertahankan struktur anatominya hingga saat ini, organisme komunitas tumbuhan di area mana pun.
^ Struktur biomassa - rasio bagian tanaman di bawah tanah dan di atas tanah, serta bagian tanaman tahunan dan abadi, fotosintesis dan non-fotosintetik.
kain - bagian tanaman yang mati yang telah mempertahankan koneksi mekanis dengan tanaman.
^ Jatuh - jumlah bahan organik tumbuhan yang mati di bagian atas dan bawah tanah per satuan luas per satuan waktu.
Sampah - massa endapan abadi dari sisa-sisa tanaman derajat yang bervariasi mineralisasi.
Pertumbuhan - massa organisme atau komunitas organisme yang terakumulasi per satuan luas per satuan waktu.
^ Pertumbuhan sejati - rasio laju pertumbuhan dengan laju serasah per satuan waktu per satuan luas.
Produksi primer - massa materi hidup yang diciptakan oleh autotrof (tanaman hijau) per satuan luas per satuan waktu.
^ produksi sekunder - massa bahan organik yang dibuat oleh heterotrof per satuan luas per satuan waktu.
Kapasitas siklus biologis - jumlah unsur kimia yang merupakan bagian dari massa biocenosis matang (phytocenosis).
Intensitas siklus biologis - jumlah unsur kimia yang terkandung dalam pertumbuhan phytocenosis per satuan luas per satuan waktu.
Laju sirkulasi biologis adalah periode waktu di mana suatu unsur berubah dari diserap oleh materi hidup hingga meninggalkan komposisi materi hidup. Ditentukan menggunakan atom berlabel.
Menurut L. E. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), siklus penuh siklus biologis unsur terdiri dari komponen-komponen berikut.
Penyerapan oleh permukaan tanaman yang berasimilasi dari atmosfer karbon, dan oleh sistem akar dari tanah - nitrogen, elemen abu dan air, mengikatnya di tubuh organisme tanaman, memasuki tanah dengan tanaman mati atau bagiannya, dekomposisi sampah dan pelepasan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya.
Pengasingan bagian tumbuhan oleh hewan yang memakannya, transformasinya dalam tubuh hewan menjadi senyawa organik baru dan fiksasi beberapa di antaranya dalam organisme hewan, selanjutnya masuk ke tanah dengan kotoran hewan atau dengan mayatnya, penguraian keduanya dan pelepasan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya.
Pertukaran gas antara permukaan tanaman yang berasimilasi dan atmosfer, antara sistem akar dan udara tanah.
Ekskresi intravital oleh organ tanaman di atas tanah dan, khususnya, oleh sistem akar dari beberapa elemen langsung ke dalam tanah.
^ SIKLUS BIOLOGIS BAHAN SEBAGAI BENTUK PERKEMBANGAN PLANET BUMI
Struktur biosfer dalam bentuknya yang paling umum terdiri dari dua kompleks alami peringkat pertama - kontinental dan samudera. Tumbuhan, hewan, dan penutup tanah membentuk sistem ekologi global yang kompleks di darat. Dengan mengikat dan mendistribusikan kembali energi matahari, karbon atmosfer, kelembaban, oksigen, hidrogen, nitrogen, fosfor, belerang, kalsium dan elemen biofilik lainnya, sistem ini membentuk biomassa dan menghasilkan oksigen bebas.
Tumbuhan air dan laut membentuk sistem ekologi global lain yang melakukan fungsi yang sama dalam mengikat energi matahari, karbon, nitrogen, fosfor, dan biofil lainnya di planet ini melalui pembentukan fitobiomassa dan pelepasan oksigen ke atmosfer.
Ada tiga bentuk akumulasi dan redistribusi energi kosmik di biosfer. ^ Esensi dari yang pertama salah satunya adalah organisme tumbuhan, dan melalui rantai makanan serta hewan dan bakteri terkait, melibatkan banyak senyawa dalam jaringannya. Senyawa ini mengandung H 2 , O 2 , N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn dan biofil lainnya, banyak elemen jejak (I, Co, Cu, Zn, dll.). Dalam hal ini, isotop ringan (C, H, O, N, S) dipilih dari yang lebih berat. In vivo dan anumerta, organisme tanah, air dan udara, berada dalam keadaan pertukaran terus menerus dengan lingkungan, merasakan dan melepaskan berbagai macam mineral dan senyawa organik. Massa total dan volume produk metabolisme in vivo organisme dan lingkungan (metabolit) melebihi biomassa materi hidup beberapa kali.
^ Bentuk kedua Akumulasi, retensi, dan redistribusi energi kosmik Matahari di planet ini dalam biosfernya dimanifestasikan melalui pemanasan massa air, pembentukan dan kondensasi uap, presipitasi dan pergerakan air permukaan dan air tanah di sepanjang lereng dari area nutrisi ke daerah penguapan. Pemanasan udara dan air yang tidak merata menyebabkan pergerakan planet air dan massa udara, pembentukan gradien kepadatan dan tekanan, arus laut, dan proses sirkulasi atmosfer yang megah.
Erosi, denudasi kimia, transportasi, redistribusi, sedimentasi dan akumulasi sedimen mekanik dan kimia di darat dan di laut adalah bentuk ketiga dari transfer dan transformasi energi ini.
Ketiga proses planet ini saling terkait erat; membentuk siklus bumi umum dan sistem siklus lokal materi. Jadi, selama miliaran tahun sejarah biologis planet ini, siklus biogeokimia yang hebat dan diferensiasi unsur-unsur kimia di alam telah berkembang. Mereka menciptakan biosfer modern dan merupakan dasar dari fungsi normalnya.
^ UNSUR-UNSUR SIKLUS BIOGEOKIMIA BAHAN DI ALAM
Unsur-unsur siklus biogeokimia zat adalah komponen berikut.
Proses masuknya energi, pembentukan dan sintesis senyawa baru yang berulang secara teratur atau terus-menerus.
Proses permanen atau periodik dari transfer atau redistribusi energi dan proses penghilangan dan pergerakan terarah senyawa yang disintesis di bawah pengaruh agen fisik, kimia dan biologi.
Proses ritmis atau periodik yang diarahkan dari transformasi sekuensial: dekomposisi, penghancuran senyawa yang disintesis sebelumnya di bawah pengaruh pengaruh lingkungan biogenik atau abiogenik.
Di alam, siklus biologis zat dan siklus abiogenik terjadi.
^ Siklus biologis - dikondisikan di semua level aktivitas vital organisme (nutrisi, hubungan makanan, reproduksi, pertumbuhan, pergerakan metabolit, kematian, dekomposisi, mineralisasi).
^ Siklus abiogenik - terbentuk di planet ini jauh lebih awal daripada yang biogenik. Mereka mencakup seluruh kompleks proses geologi, geokimia, hidrologi, dan atmosfer.
Pada periode prabiogenik planet dalam siklus geologis, hidrologis, geokimia, dan atmosfer, migrasi dan akumulasi air dan udara memainkan peran yang menentukan. Dalam kondisi biosfer yang berkembang, sirkulasi zat diarahkan oleh aksi bersama faktor biologis, geologis dan geokimia. Rasio di antara mereka mungkin berbeda, tetapi tindakannya harus bersama! Dalam pengertian inilah istilah tersebut digunakan - sirkulasi biogeokimia zat, siklus biogeokimia.
Siklus biogeokimia yang tidak terganggu hampir melingkar, hampir tertutup. Tingkat reproduksi berulang siklus di alam sangat tinggi dan, menurut V. A. Kovda, mungkin mencapai 90-98%. Ini mempertahankan keteguhan dan keseimbangan tertentu dari komposisi, kuantitas dan konsentrasi komponen yang terlibat dalam siklus, serta kebugaran genetik dan fisiologis dan harmoni organisme dan lingkungan. Tetapi penutupan siklus biogeokimia yang tidak lengkap dalam waktu geologis menyebabkan migrasi dan diferensiasi unsur-unsur dan senyawanya di ruang dan di berbagai lingkungan, ke konsentrasi atau dispersi unsur. Itulah sebabnya kami mengamati akumulasi biogenik nitrogen dan oksigen di atmosfer, akumulasi biogenik dan kemogenik senyawa karbon di kerak bumi (minyak, batu bara, batugamping).
^ PARAMETER SIKLUS BIOGEOKIMIA DI TANAH
Parameter wajib untuk mempelajari siklus biogeokimia di alam adalah indikator berikut.
Biomassa dan pertumbuhan aktualnya (fito-, kebun binatang-, massa mikroba secara terpisah).
Sampah organik (jumlah, komposisi).
Bahan organik tanah (humus, residu organik yang tidak terdekomposisi).
Komposisi bahan unsur tanah, air, udara, presipitasi, fraksi biomassa.
Cadangan energi biogenik tanah dan bawah tanah.
metabolit hidup.
Jumlah spesies, kelimpahan, komposisi.
Umur spesies, dinamika dan ritme kehidupan populasi dan tanah.
Kondisi ekologi dan meteorologi lingkungan: latar belakang dan penilaian intervensi manusia.
Cakupan berdasarkan titik pengamatan DAS, lereng, terasering, lembah sungai, danau.
Jumlah pencemar, kimia, fisik, sifat biologis(terutama CO, CO 2 , SO 2 , P, NO 3 , NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, hidrokarbon).
1. Kandungan zat abu, karbon dan nitrogen dalam biomassa (di atas tanah, di bawah tanah, fito-, kebun binatang-, mikroba). Kandungan unsur-unsur ini dapat dinyatakan dalam % atau dalam g/m2, t/ha permukaan. Unsur penyusun utama makhluk hidup menurut beratnya adalah O (65-70%) dan H (10%). Semua sisanya menyumbang 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Komposisi kimia phytomass sangat bervariasi. Komposisi phytomass hutan konifer dan gugur, vegetasi herba dan halofit sangat berbeda (Tabel 13).
Tabel 13 - Komposisi mineral berbagai kelompok tanaman sushi
| jenis vegetasi | Kandungan abu, % | Omset tahunan mineral Komponen, kg/ha | Komponen Dominan |
| hutan jenis konifera | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Hutan gugur | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Hutan hujan | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Padang rumput, stepa | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| komunitas halofit | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4, Na, Mg, K |
Signifikansi individu dari unsur kimia tertentu diperkirakan oleh koefisien penyerapan biologis (BFA). Itu dihitung dengan rumus:
Pada tahun 1966, V. A. Kovda menyarankan penggunaan rasio phytobiomass yang tercatat dengan pertumbuhan fotosintesis tahunan phytomass untuk mengkarakterisasi durasi rata-rata dari siklus karbon total. Koefisien ini mencirikan durasi rata-rata dari siklus total sintesis - mineralisasi biomassa di area tertentu (atau di darat secara keseluruhan). Perhitungan telah menunjukkan bahwa untuk tanah secara keseluruhan, siklus ini cocok dengan periode 300-400 dan tidak lebih dari 1000 tahun. Sejalan dengan itu, dengan laju rata-rata ini, terjadi pelepasan senyawa mineral yang terikat dalam biomassa, pembentukan dan mineralisasi humus di dalam tanah.
Untuk penilaian umum tentang signifikansi biogeokimia dari komponen mineral makhluk hidup biosfer, V. A. Kovda mengusulkan untuk membandingkan stok zat mineral biomassa, jumlah zat mineral setiap tahun yang terlibat dalam sirkulasi dengan pertumbuhan dan serasah, dengan aliran kimia tahunan sungai. Ternyata nilai-nilai ini mendekati: 10 8-9 zat abu terlibat dalam pertumbuhan dan penurunan, dan 109 - dalam aliran kimia tahunan sungai.
indeks BGHK \u003d S b / S X,
Dimana S b - jumlah elemen (atau jumlah satu elemen) dalam peningkatan tahunan biomassa; S x - jumlah elemen yang sama (atau satu elemen) yang dibawa oleh air sungai dari cekungan yang diberikan (atau bagian dari cekungan).
Ternyata indeks siklus biogeokimia sangat bervariasi di bawah kondisi iklim yang berbeda, di bawah naungan komunitas tumbuhan yang berbeda, di bawah kondisi drainase alami yang berbeda.
4. N. I. Bazilevich, L. E. Rodin (1964) mengusulkan untuk menghitung koefisien yang mencirikan intensitas dekomposisi serasah dan durasi pelestarian serasah di bawah kondisi biogeocenosis yang diberikan:
Menurut N. I. Bazilevich dan L. E. Rodin, indeks intensitas dekomposisi fitomassa adalah yang tertinggi di tundra dan rawa-rawa di utara, dan yang terendah (kira-kira sama dengan 1) - di stepa dan semi-gurun.
5. B. B. Polynov (1936) mengusulkan untuk menghitung indeks migrasi air:
IVM \u003d X H2O / X zk,
Dimana IWM adalah indeks migrasi air; X H2O - jumlah elemen dalam residu mineral dari sungai atau air tanah yang menguap; X zk - kandungan unsur yang sama di kerak bumi atau batuan.
Perhitungan indeks migrasi air menunjukkan bahwa migran yang paling banyak berpindah di biosfer adalah Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Yang paling pasif dalam hal ini adalah Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ SIKLUS BIOLOGI DAN PEMBENTUKAN TANAH
Data geologi dan paleobotani memungkinkan V. A. Kovda untuk umumnya memperkenalkan tonggak sejarah perkembangan proses pembentukan tanah sehubungan dengan sejarah perkembangan tumbuhan dan vegetasi (1973). Awal dari proses pembentukan tanah di Bumi dikaitkan dengan munculnya bakteri autotrofik yang mampu hidup mandiri di bawah kondisi hidrotermal yang paling tidak menguntungkan. Dampak awal ini organisme yang lebih rendah pada batuan kerak bumi V. R. Williams disebut proses pembentukan tanah primer. Bakteri autotrofik, ditemukan oleh S. N. Vinogradov pada akhir abad ke-19, adalah organisme uniseluler paling sederhana, berjumlah sekitar seratus spesies. Mereka memiliki kemampuan untuk bereproduksi dengan sangat cepat: 1 individu pada siang hari dapat menghasilkan triliunan organisme. Autotrof modern termasuk bakteri belerang, bakteri besi, dll, yang memainkan peran yang sangat penting dalam proses intrasoil. Munculnya bakteri autotrofik tampaknya berasal dari zaman Prakambrium.
Dengan demikian, sintesis pertama bahan organik dan siklus biologis C, S, N, Fe, Mn, O 2 , H 2 di kerak bumi dikaitkan dengan aktivitas bakteri autotrofik yang menggunakan oksigen dari senyawa mineral. Dalam munculnya proses pembentukan tanah, ada kemungkinan bahwa, bersama dengan bakteri autotrofik, bentuk kehidupan non-seluler seperti virus dan bakteriofag juga memainkan beberapa peran. Tentu saja, ini bukan proses pembentukan tanah di bentuk modern, karena tidak ada tanaman akar, tidak ada akumulasi senyawa humat dan tidak ada mekanisme biogenik. Dan, tampaknya, lebih tepat untuk berbicara tentang pelapukan biogeokimia utama batuan di bawah pengaruh organisme yang lebih rendah.
Di Prakambrium, ganggang biru-hijau uniseluler muncul. Alga multiseluler menyebar dari Silur dan Devonian - hijau, coklat, merah tua. Proses pembentukan tanah menjadi lebih rumit, dipercepat, sintesis bahan organik dimulai dalam jumlah yang nyata, dan ada perluasan siklus biologis kecil O, H, N, S, dan nutrisi lainnya. Rupanya, menurut V.A. Kovd, proses pembentukan tanah pada tahap ini disertai dengan akumulasi tanah halus biogenik. Tahap pembentukan tanah awal sangat panjang dan disertai dengan akumulasi tanah halus biogenik yang lambat namun terus menerus yang diperkaya bahan organik dan unsur-unsur yang terlibat dalam siklus biologis: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, Al. Pada tahap ini, sintesis biogenik mineral sekunder sudah dapat terjadi: aluminosilikat dan ferisilikat, fosfat, sulfat, karbonat, nitrat, kuarsa, dan pembentukan tanah terbatas pada daerah perairan dangkal. Di darat, itu memiliki karakter berbatu dan rawa.
Di Kambrium, psilophytes juga muncul - tanaman tipe semak berukuran kecil yang bahkan tidak memiliki akar. Mereka menerima beberapa distribusi di Silur dan perkembangan yang signifikan di Devonian. Pada saat yang sama, ekor kuda dan pakis muncul - penghuni dataran rendah yang lembab. Dengan demikian, bentuk proses pembentukan tanah yang relatif berkembang dimulai dengan Silur dan Devonian, yaitu. sekitar 300-400 juta tahun yang lalu. Namun, tidak ada proses soddy yang diamati, karena tidak ada vegetasi berumput. Kadar abu paku-pakuan dan lumut gada tidak tinggi (4-6%), ekor kuda jauh lebih tinggi (20%). Komposisi abu didominasi oleh K (30%), Si (28%), dan C1 (10%). Mikroflora jamur berkontribusi pada keterlibatan P dan K dalam siklus biologis, dan lumut - Ca, Fe, Si. Pembentukan tanah masam (kaolinit alit, bauksit) dan tanah hidromorfik yang kaya akan senyawa besi sangat mungkin terjadi.
Proses pembentukan tanah yang berkembang tampaknya baru terbentuk pada akhir Paleozoikum (Karbon, Permian). Sampai saat inilah para ilmuwan mengaitkan penampilan tutupan vegetasi yang berkelanjutan di darat. Selain pakis, lumut klub, ekor kuda, gymnospermae muncul. Lanskap hutan dan rawa mendominasi, zonasi iklim dibentuk dengan latar belakang dominasi tropis dan subtropis yang hangat. Akibatnya, proses pembentukan tanah rawa dan hutan tropis terjadi selama periode ini.
Rezim ini berlanjut sampai sekitar pertengahan periode Permian, ketika iklim secara bertahap menjadi dingin dan kering. Kekeringan dan dingin berkontribusi pada pengembangan lebih lanjut zonasi. Selama periode inilah (paruh kedua Permian, Trias) tumbuhan runjung gymnospermae dikembangkan secara luas. Di lintang tinggi, tanah podsolik masam sedang terbentuk pada waktu itu; Kandungan abu yang rendah (sekitar 4%), kandungan Cl, Na yang dapat diabaikan, kandungan Si yang tinggi (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) dalam abu jarum menyebabkan perluasan partisipasi dalam siklus biologis dan dalam pembentukan tanah peran Ca, S, P dan penurunan peran Si, K, Na, C1.
Di Jurassic, diatom muncul, dan pada periode Cretaceous setelahnya, tanaman berbunga angiospermae. Sejak pertengahan Kapur, kayu keras - maple, oak, birch, willow, eucalyptus, walnut, beech, hornbeam - telah tersebar luas. Di bawah tajuknya, proses pembentukan podzol mulai melemah, karena serasah tanaman ini mengandung sebagian besar Ca, Mg, dan K.
Di era Tersier, flora tropis mendominasi dunia: pohon palem, magnolia, sequoia, beech, kastanye. Komposisi mineral zat-zat yang terlibat dalam sirkulasi oleh hutan-hutan ini ditandai dengan kontribusi yang signifikan dari Ca, Mg, K, P, S, Si, dan Al. Dengan demikian, prasyarat ekologis diciptakan untuk penampilan dan pengembangan vegetasi herba: penurunan keasaman tanah dan batuan, dan akumulasi nutrisi.
Yang sangat penting dan mendasar dalam mengubah sifat proses pembentukan tanah adalah perubahan dominasi vegetasi berkayu menjadi herba. Sistem akar pohon yang kuat melibatkan sejumlah besar zat mineral dalam siklus biologis, memobilisasi mereka untuk penyelesaian vegetasi herba berikutnya. Kehidupan singkat vegetasi herba dan konsentrasi massa akar di lapisan paling atas tanah memberikan, di bawah penutup rerumputan, konsentrasi spasial dari siklus biologis zat mineral di lapisan cakrawala yang kurang kuat dengan akumulasi nutrisi abu. elemen di dalamnya. Jadi, mulai dari paruh kedua Kapur, di Tersier dan terutama di periode Kuarter, di bawah pengaruh dominasi vegetasi herba, proses pembentukan tanah soddy menyebar.
Jadi, peran makhluk hidup dan siklus biologis dalam sejarah geologis Bumi dan perkembangan proses pembentukan tanah terus meningkat. Tetapi pembentukan tanah secara bertahap menjadi salah satu mata rantai utama dalam siklus biologis zat.
Tanah memastikan interaksi konstan dari siklus geologis besar dan biologis kecil zat di permukaan bumi. Tanah adalah penghubung dan pengatur interaksi dua siklus materi global ini.
Tanah - terakumulasi dalam dirinya sendiri bahan organik dan energi kimia yang terkait dengannya, unsur-unsur kimia, sehingga mengatur laju siklus biologis zat.
Tanah, yang memiliki kemampuan untuk secara dinamis mereproduksi kesuburannya, mengatur proses biosfer. Secara khusus, kepadatan kehidupan di Bumi, bersama dengan faktor iklim, sangat ditentukan oleh heterogenitas geografis tanah.
Siklus zat di alam adalah konsep ekologi yang paling penting.
pada gambar. siklus biologis disajikan dalam kombinasi dengan diagram aliran energi yang disederhanakan. Zat terlibat dalam sirkulasi, dan aliran energi searah dari tumbuhan yang mengubah energi matahari menjadi energi ikatan kimia, ke hewan yang menggunakan energi ini, dan selanjutnya ke mikroorganisme yang menghancurkan zat organik.
Aliran energi searah menggerakkan sirkulasi zat. Setiap unsur kimia, yang membuat siklus dalam suatu ekosistem, secara bergantian berpindah dari bentuk organik ke bentuk anorganik dan sebaliknya.
Beras. 1. Aliran energi dan sirkulasi elemen biogenik di biosfer
Fotosintesis- pembuatan zat organik (glukosa, pati, selulosa, dll.) dari karbon dioksida dan air dengan partisipasi klorofil di bawah aksi energi matahari:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kkal) \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Fotosintesis adalah proses menangkap energi matahari oleh organisme fotosintesis dan mengubahnya menjadi energi biomassa.
Setiap tahun, dunia tumbuhan menyimpan energi bebas 10 kali lebih tinggi dari jumlah energi mineral yang dikonsumsi per tahun oleh seluruh penduduk Bumi. Mineral ini sendiri (batubara, minyak dan gas alam) juga merupakan produk fotosintesis yang berlangsung jutaan tahun yang lalu.
Setiap tahun, fotosintesis menyerap 200 miliar ton karbon dioksida dan melepaskan hingga 320 miliar ton oksigen. Semua karbon dioksida di atmosfer melewati materi hidup dalam 6-7 tahun.
Proses penghancuran bahan organik menjadi molekul paling sederhana juga terjadi di biosfer: CO 2 , H 2 O, NH 3 . Penguraian senyawa organik terjadi pada organisme hewan, pada tumbuhan selama respirasi dengan pembentukan CO2 dan H2O.
Mineralisasi zat organik, penguraian bahan organik mati menjadi senyawa anorganik sederhana, terjadi di bawah aksi mikroorganisme.
Proses pembentukan dan penghancuran bahan organik yang berlawanan di biosfer membentuk satu siklus biologis atom. Dalam proses mineralisasi senyawa organik, energi yang diserap selama fotosintesis dilepaskan. Ini dilepaskan sebagai panas dan juga sebagai energi kimia.
Siklus biologisadalah serangkaian proses masuknya unsur-unsur kimia ke dalam organisme hidup, biosintesis senyawa kompleks baru dan kembalinya unsur-unsur ke tanah, atmosfer, dan hidrosfer.
Intensitas siklus biologis (BIC) ditentukan oleh suhu lingkungan dan jumlah air. Siklus biologis berlangsung lebih intensif di hutan hujan tropis daripada di tundra.
Hasil terpenting dari siklus biologis zat adalah pembentukan cakrawala tanah humus di darat.
Siklus biologis ditandai dengan indikator berikut.
Biomassa - massa materi hidup yang terakumulasi pada titik waktu tertentu (phyto-, zoo-, microbiomass).
biomassa tanaman(phytomass) - massa organisme tanaman hidup dan mati.
Jatuh - jumlah bahan organik tanaman yang mati per satuan luas per satuan waktu.
Pertumbuhan- akumulasi biomassa per satuan luas per satuan waktu.
Komposisi kimia tanaman tergantung pada dua faktor utama:
1) ekologi, - kondisi pertumbuhan tanaman, - tingkat unsur di lingkungan, bentuk kehadiran, termasuk yang bergerak, tersedia bagi tanaman;
2) genetik, sehubungan dengan kekhasan asal usul spesies tanaman.
Dalam kondisi pencemaran lingkungan, konsentrasi unsur-unsur dalam tanaman ditentukan oleh faktor pertama. Kedua faktor tersebut penting dalam lanskap latar belakang (tidak terganggu).
Tergantung pada reaksi terhadap faktor kimia lingkungan (terhadap kandungan unsur kimia), 2 kelompok tanaman dapat dibedakan:
1) disesuaikan terhadap perubahan konsentrasi unsur kimia;
2) tidak disesuaikan terhadap perubahan konsentrasi unsur kimia.
Perubahan konsentrasi unsur-unsur kimia di lingkungan pada tanaman yang tidak beradaptasi menyebabkan gangguan fisiologis yang mengarah pada penyakit; perkembangan tanaman terhambat, spesies mati.
Beberapa spesies tanaman beradaptasi dengan baik untuk mentolerir unsur-unsur konsentrasi tinggi. Ini adalah tanaman liar yang tumbuh lama di daerah tersebut, yang, sebagai hasil seleksi alam, memperoleh ketahanan terhadap kondisi lingkungan yang merugikan.
Tumbuhan yang mengkonsentrasikan unsur kimia disebut konsentrator. Misalnya: bunga matahari, kentang konsentrat kalium, teh - aluminium, lumut - besi. Emas diakumulasikan oleh apsintus, ekor kuda, jagung, dan ek.
Adalah seorang akademisi ilmuwan Rusia yang luar biasa V.I. Vernadsky.
Lingkungan- kulit terluar kompleks Bumi, yang berisi totalitas organisme hidup dan bagian dari substansi planet yang dalam proses pertukaran terus menerus dengan organisme ini. Ini adalah salah satu geosfer Bumi yang paling penting, yang merupakan komponen utama dari lingkungan alam yang mengelilingi manusia.
Bumi terdiri dari konsentris kerang(geosfer) baik internal maupun eksternal. Bagian dalam adalah inti dan mantel, dan bagian luar adalah: litosfer - cangkang batu Bumi, termasuk kerak bumi (Gbr. 1) dengan ketebalan 6 km (di bawah laut) hingga 80 km (sistem pegunungan); hidrosfer - cangkang air Bumi; suasana- selubung gas Bumi, terdiri dari campuran berbagai gas, uap air dan debu.
Pada ketinggian 10 hingga 50 km terdapat lapisan ozon, dengan konsentrasi maksimum pada ketinggian 20-25 km, melindungi Bumi dari radiasi ultraviolet berlebihan yang berakibat fatal bagi tubuh. Biosfer juga termasuk di sini (ke geosfer eksternal).
Biosfer - kulit terluar bumi, yang meliputi bagian atmosfer sampai ketinggian 25-30 km (sampai lapisan ozon), hampir seluruh hidrosfer dan bagian atas litosfer hingga kedalaman sekitar 3 km
Beras. 1. Skema struktur kerak bumi
(Gbr. 2). Keunikan bagian-bagian ini adalah bahwa mereka dihuni oleh organisme hidup yang membentuk zat hidup planet ini. Interaksi bagian abiotik dari biosfer- udara, air, batu dan bahan organik - biota menyebabkan terbentuknya tanah dan batuan sedimen.
Beras. 2. Struktur biosfer dan rasio permukaan yang ditempati oleh unit struktural utama
Siklus zat di biosfer dan ekosistem
Semua tersedia untuk organisme hidup senyawa kimia terbatas di biosfer. Kehabisan bahan yang dapat dicerna zat kimia sering menghambat perkembangan kelompok organisme tertentu di wilayah darat atau laut setempat. Menurut Akademisi V.R. Williams, satu-satunya cara untuk memberikan sifat hingga dari yang tak terbatas adalah dengan membuatnya berputar sepanjang kurva tertutup. Akibatnya, stabilitas biosfer tetap terjaga karena adanya sirkulasi zat dan aliran energi. Tersedia dua siklus utama zat: besar - geologis dan kecil - biogeokimia.
Siklus geologi yang hebat(Gbr. 3). Batuan kristal (beku) di bawah pengaruh faktor fisik, kimia dan biologi berubah menjadi batuan sedimen. Pasir dan lempung adalah sedimen yang khas, produk dari transformasi batuan dalam. Namun, pembentukan presipitasi terjadi tidak hanya karena penghancuran yang sudah ras yang ada, tetapi juga oleh sintesis mineral biogenik - kerangka mikroorganisme - dari sumber daya alam- perairan samudra, laut dan danau. Sedimen berair lepas karena terisolasi di dasar badan air oleh bagian baru dari bahan sedimen, tenggelam ke kedalaman, jatuh ke dalam kondisi termodinamika baru (lebih suhu tinggi dan tekanan) kehilangan air, mengeras, berubah menjadi batuan sedimen.
Di masa depan, batuan ini tenggelam ke cakrawala yang lebih dalam, di mana proses transformasi mendalam mereka ke kondisi suhu dan tekanan baru terjadi - proses metamorfisme terjadi.
Di bawah pengaruh aliran energi endogen, batuan dalam dilebur kembali, membentuk magma - sumber batuan beku baru. Setelah munculnya batuan ini ke permukaan bumi, di bawah pengaruh proses pelapukan dan transportasi, mereka kembali berubah menjadi batuan sedimen baru.
Dengan demikian, sirkulasi yang besar disebabkan oleh interaksi energi matahari (eksogen) dengan energi dalam (endogen) Bumi. Ini mendistribusikan kembali zat antara biosfer dan cakrawala yang lebih dalam dari planet kita.
Beras. 3. Sirkulasi besar (geologis) zat (panah tipis) dan perubahan keanekaragaman di kerak bumi (panah lebar padat - pertumbuhan, putus-putus - penurunan keanekaragaman)
lingkaran besar juga disebut siklus air antara hidrosfer, atmosfer dan litosfer, yang didorong oleh energi matahari. Air menguap dari permukaan badan air dan tanah dan kemudian kembali ke bumi dalam bentuk presipitasi. Penguapan melebihi curah hujan di atas lautan, dan sebaliknya di darat. Perbedaan ini dikompensasi oleh aliran sungai. Vegetasi tanah memainkan peran penting dalam siklus air global. Transpirasi tumbuhan di daerah tertentu di permukaan bumi dapat mencapai 80-90% dari curah hujan yang jatuh di sini, dan rata-rata untuk semua zona iklim- sekitar 30%. Berbeda dengan siklus besar, siklus kecil zat hanya terjadi di dalam biosfer. Hubungan antara siklus air besar dan kecil ditunjukkan pada gambar. 4.
Siklus pada skala planet diciptakan dari gerakan siklik lokal yang tak terhitung jumlahnya dari atom yang didorong oleh aktivitas vital organisme dalam ekosistem individu, dan gerakan yang disebabkan oleh tindakan faktor lanskap dan geologis (limpasan permukaan dan bawah tanah, erosi angin, pergerakan dasar laut, vulkanisme, bangunan gunung, dll.).
Beras. 4. Hubungan antara siklus geologi besar (GBC) air dan siklus biogeokimia kecil (MBC) air
Tidak seperti energi, yang pernah digunakan oleh tubuh, berubah menjadi panas dan hilang, zat-zat di biosfer bersirkulasi, menciptakan siklus biogeokimia. Dari lebih dari sembilan puluh elemen yang ditemukan di alam, organisme hidup membutuhkan sekitar empat puluh. Yang paling penting bagi mereka diperlukan dalam jumlah besar - karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen. Siklus unsur dan zat dilakukan melalui proses pengaturan diri di mana semua komponen berpartisipasi. Proses-proses ini bukan limbah. Ada hukum penutupan global sirkulasi biogeokimia di biosfer beroperasi pada semua tahap perkembangannya. Dalam proses evolusi biosfer, peran komponen biologis dalam penutupan biogeokimia
siapa siklusnya. Manusia bahkan memiliki pengaruh yang lebih besar pada siklus biogeokimia. Tapi perannya dimanifestasikan dalam arah yang berlawanan (sirkulasi menjadi terbuka). Dasar dari sirkulasi biogeokimia zat adalah energi Matahari dan klorofil tanaman hijau. Siklus terpenting lainnya - air, karbon, nitrogen, fosfor, dan belerang - terkait dengan biogeokimia dan berkontribusi padanya.
Siklus air di biosfer
Tanaman menggunakan hidrogen air selama fotosintesis untuk membangun senyawa organik, melepaskan molekul oksigen. Dalam proses respirasi semua makhluk hidup, selama oksidasi senyawa organik, air terbentuk lagi. Dalam sejarah kehidupan, semua air bebas hidrosfer telah berulang kali melalui siklus dekomposisi dan neoformasi dalam materi hidup planet ini. Sekitar 500.000 km 3 air terlibat dalam siklus air di Bumi setiap tahun. Siklus air dan cadangannya ditunjukkan pada gambar. 5 (secara relatif).
Siklus oksigen di biosfer
Bumi berutang atmosfernya yang unik dengan kandungan oksigen bebas yang tinggi untuk proses fotosintesis. Pembentukan ozon di lapisan atmosfer yang tinggi berkaitan erat dengan siklus oksigen. Oksigen dilepaskan dari molekul air dan pada dasarnya merupakan produk sampingan dari aktivitas fotosintesis pada tumbuhan. Secara abiotik, oksigen muncul di atmosfer atas karena fotodisosiasi uap air, tetapi sumber ini hanya seperseribu persen dari yang dipasok oleh fotosintesis. Antara kandungan oksigen di atmosfer dan hidrosfer ada keseimbangan bergerak. Di dalam air, itu sekitar 21 kali lebih sedikit.
Beras. Fig. 6. Skema siklus oksigen: panah tebal - aliran utama pasokan dan konsumsi oksigen
Oksigen yang dilepaskan secara intensif dihabiskan untuk proses respirasi semua organisme aerobik dan pada oksidasi berbagai senyawa mineral. Proses ini terjadi di atmosfer, tanah, air, lanau dan batuan. Telah ditunjukkan bahwa bagian penting dari oksigen yang terikat dalam batuan sedimen berasal dari fotosintesis. Dana pertukaran O di atmosfer tidak lebih dari 5% dari total produksi fotosintesis. Banyak bakteri anaerob juga mengoksidasi bahan organik selama respirasi anaerob menggunakan sulfat atau nitrat untuk ini.
Dekomposisi lengkap bahan organik yang dibuat oleh tanaman membutuhkan jumlah oksigen yang persis sama yang dilepaskan selama fotosintesis. Penguburan bahan organik di batuan sedimen, batu bara, dan gambut menjadi dasar untuk mempertahankan dana pertukaran oksigen di atmosfer. Semua oksigen yang dikandungnya melewati siklus penuh melalui organisme hidup dalam waktu sekitar 2000 tahun.
Saat ini, sebagian besar oksigen atmosfer terikat sebagai hasil dari transportasi, industri, dan bentuk aktivitas antropogenik lainnya. Diketahui bahwa umat manusia sudah menghabiskan lebih dari 10 miliar ton oksigen bebas dari jumlah total 430-470 miliar ton yang dipasok oleh proses fotosintesis. Jika kita memperhitungkan bahwa hanya sebagian kecil oksigen fotosintesis yang memasuki dana pertukaran, aktivitas orang dalam hal ini mulai memperoleh proporsi yang mengkhawatirkan.
Siklus oksigen berkaitan erat dengan siklus karbon.
Siklus karbon di biosfer
Karbon sebagai unsur kimia merupakan dasar kehidupan. Dia bisa cara yang berbeda bergabung dengan banyak elemen lain, membentuk molekul organik sederhana dan kompleks yang membentuk sel hidup. Dalam hal distribusi di planet ini, karbon menempati urutan kesebelas (0,35% dari berat kerak bumi), tetapi dalam materi hidup rata-rata sekitar 18 atau 45% dari biomassa kering.
Di atmosfer, karbon termasuk dalam komposisi karbon dioksida CO 2 , pada tingkat yang lebih rendah - dalam komposisi metana CH 4 . Di hidrosfer, CO2 dilarutkan dalam air, dan kandungan totalnya jauh lebih tinggi daripada atmosfer. Lautan berfungsi sebagai penyangga yang kuat untuk pengaturan CO2 di atmosfer: dengan peningkatan konsentrasinya di udara, penyerapan karbon dioksida oleh air meningkat. Beberapa molekul CO2 bereaksi dengan air, membentuk asam karbonat, yang kemudian berdisosiasi menjadi ion HCO3 - dan CO2- 3. Ion-ion ini bereaksi dengan kation kalsium atau magnesium untuk mengendapkan karbonat.Reaksi serupa mendasari sistem penyangga lautan, menjaga pH air tetap konstan.
Karbon dioksida dari atmosfer dan hidrosfer adalah dana pertukaran dalam siklus karbon, dari mana ia diambil tanaman darat dan alga. Fotosintesis mendasari semua siklus biologis di Bumi. Pelepasan karbon tetap terjadi selama aktivitas pernapasan organisme fotosintesis itu sendiri dan semua heterotrof - bakteri, jamur, hewan yang termasuk dalam rantai makanan dengan mengorbankan bahan organik hidup atau mati.
Beras. 7. Siklus karbon
Terutama aktif adalah pengembalian CO 2 ke atmosfer dari tanah, di mana aktivitas banyak kelompok organisme terkonsentrasi, membusuk sisa-sisa tanaman dan hewan yang mati dan respirasi sistem akar tanaman dilakukan. Proses integral ini disebut sebagai "respirasi tanah" dan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengisian kembali dana pertukaran CO2 di udara. Sejalan dengan proses mineralisasi bahan organik, humus terbentuk di tanah - kompleks molekul yang kompleks dan stabil yang kaya akan karbon. Tanah humus merupakan salah satu penyimpan karbon yang penting di darat.
Dalam kondisi di mana aktivitas perusak dihambat oleh faktor lingkungan (misalnya, ketika rezim anaerobik terjadi di tanah dan di dasar badan air), bahan organik yang terakumulasi oleh vegetasi tidak terurai, berubah dari waktu ke waktu menjadi batuan seperti batu bara, lignit, gambut, sapropel, serpih minyak dan lain-lain yang kaya akan akumulasi energi matahari. Mereka mengisi kembali dana cadangan karbon, dimatikan dari siklus biologis untuk waktu yang lama. Karbon juga sementara disimpan dalam biomassa hidup, di serasah mati, dalam bahan organik terlarut laut, dll. Namun dana cadangan utama karbon di tulis bukan organisme hidup dan bukan fosil yang mudah terbakar, tetapi batuan sedimen adalah batugamping dan dolomit. Pembentukan mereka juga terkait dengan aktivitas materi hidup. Karbon karbonat ini terkubur dalam waktu yang lama di perut bumi dan memasuki sirkulasi hanya pada saat erosi ketika batuan tersingkap dalam siklus tektonik.
Hanya sebagian kecil dari persen karbon dari jumlah totalnya di Bumi yang berpartisipasi dalam siklus biogeokimia. Karbon atmosfer dan hidrosfer berulang kali melewati organisme hidup. Tanaman darat mampu menghabiskan cadangannya di udara dalam 4-5 tahun, cadangan di tanah humus - dalam 300-400 tahun. Pengembalian utama karbon ke dana pertukaran terjadi karena aktivitas organisme hidup, dan hanya sebagian kecilnya (seperseribu persen) yang dikompensasi oleh pelepasan dari bagian dalam bumi sebagai bagian dari gas vulkanik.
Saat ini, ekstraksi dan pembakaran cadangan besar bahan bakar fosil menjadi faktor kuat dalam transfer karbon dari cadangan ke dana pertukaran biosfer.
Siklus nitrogen di biosfer
Atmosfer dan materi hidup mengandung kurang dari 2% dari semua nitrogen di Bumi, tetapi dialah yang mendukung kehidupan di planet ini. Nitrogen adalah bagian dari molekul organik terpenting - DNA, protein, lipoprotein, ATP, klorofil, dll. Dalam jaringan tanaman, rasionya dengan karbon rata-rata 1: 30, dan dalam rumput laut I: 6. Oleh karena itu, siklus nitrogen biologis juga terkait erat dengan siklus karbon.
Nitrogen molekuler di atmosfer tidak tersedia bagi tanaman, yang dapat menyerap unsur ini hanya dalam bentuk ion amonium, nitrat, atau dari tanah atau larutan air. Oleh karena itu, kekurangan nitrogen sering menjadi faktor pembatas produksi primer - pekerjaan organisme yang terkait dengan pembuatan zat organik dari zat anorganik. Namun demikian, nitrogen atmosfer secara luas terlibat dalam siklus biologis karena aktivitas bakteri khusus (pengikat nitrogen).
Mikroorganisme amonifikasi juga mengambil bagian penting dalam siklus nitrogen. Mereka menguraikan protein dan zat organik yang mengandung nitrogen lainnya menjadi amonia. Dalam bentuk amonium, nitrogen sebagian diserap kembali oleh akar tanaman, dan sebagian dicegat oleh mikroorganisme nitrifikasi, yang berlawanan dengan fungsi sekelompok mikroorganisme - denitrifier.
Beras. 8. Siklus nitrogen
Dalam kondisi anaerobik di tanah atau perairan, mereka menggunakan oksigen nitrat untuk mengoksidasi bahan organik, memperoleh energi untuk aktivitas hidup mereka. Nitrogen direduksi menjadi nitrogen molekuler. Fiksasi nitrogen dan denitrifikasi di alam kira-kira seimbang. Siklus nitrogen dengan demikian tergantung terutama pada aktivitas bakteri, sementara tanaman memasukinya dengan menggunakan produk antara dari siklus ini dan sangat meningkatkan sirkulasi nitrogen di biosfer melalui produksi biomassa.
Peran bakteri dalam siklus nitrogen begitu besar sehingga jika hanya 20 spesies mereka yang dihancurkan, kehidupan di planet kita akan berhenti.
Fiksasi non-biologis nitrogen dan masuknya oksida dan amonia ke dalam tanah juga terjadi dengan curah hujan selama ionisasi atmosfer dan pelepasan petir. Industri pupuk modern memperbaiki nitrogen atmosfer melebihi fiksasi nitrogen alami untuk meningkatkan produksi tanaman.
Saat ini, aktivitas manusia semakin memengaruhi siklus nitrogen, terutama ke arah melebihi konversinya menjadi bentuk terikat melalui proses kembali ke keadaan molekuler.
Siklus fosfor di biosfer
Unsur ini, yang diperlukan untuk sintesis banyak zat organik, termasuk ATP, DNA, RNA, diserap oleh tanaman hanya dalam bentuk ion asam ortofosfat (PO 3 4 +). Itu termasuk unsur-unsur yang membatasi produksi primer baik di darat dan terutama di laut, karena dana pertukaran fosfor di tanah dan perairan kecil. Sirkulasi elemen ini pada skala biosfer tidak tertutup.
Di darat, tanaman mengambil fosfat dari tanah, yang dilepaskan oleh pengurai dari residu organik yang membusuk. Namun, di tanah alkali atau asam, kelarutan senyawa fosfor turun tajam. Dana cadangan utama fosfat terkandung dalam batuan yang dibuat di dasar laut di masa lalu geologis. Selama pelindian batuan, sebagian dari cadangan ini masuk ke dalam tanah dan tersapu ke badan air dalam bentuk suspensi dan larutan. Di hidrosfer, fosfat digunakan oleh fitoplankton, melewati rantai makanan ke hidrobion lain. Namun, di laut, sebagian besar senyawa fosfor terkubur dengan sisa-sisa hewan dan tumbuhan di bagian bawah, dengan transisi berikutnya dengan batuan sedimen menjadi siklus geologi yang besar. Pada kedalaman, fosfat terlarut berikatan dengan kalsium, membentuk fosforit dan apatit. Di biosfer sebenarnya terdapat aliran fosfor yang searah dari batuan daratan hingga ke kedalaman lautan, oleh karena itu dana pertukarannya di hidrosfer sangat terbatas.
Beras. 9. Siklus fosfor
Deposit tanah fosforit dan apatit digunakan dalam produksi pupuk. Masuknya fosfor ke dalam air tawar adalah salah satu alasan utama "mekar" mereka.
Siklus belerang di biosfer
Siklus belerang, yang diperlukan untuk konstruksi sejumlah asam amino, bertanggung jawab atas struktur tiga dimensi protein, dipertahankan di biosfer. jarak yang lebar bakteri. Mikroorganisme aerobik, yang mengoksidasi belerang residu organik menjadi sulfat, serta reduksi sulfat anaerobik, yang mereduksi sulfat menjadi hidrogen sulfida, berpartisipasi dalam tautan terpisah dari siklus ini. Selain kelompok bakteri belerang yang terdaftar, mereka mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi unsur belerang dan selanjutnya menjadi sulfat. Tanaman hanya menyerap ion SO2-4 dari tanah dan air.
Cincin di tengah menggambarkan proses oksidasi (O) dan reduksi (R) yang menukar belerang antara kolam sulfat yang tersedia dan kolam besi sulfida jauh di dalam tanah dan sedimen.
Beras. 10. Siklus belerang. Cincin di tengah menggambarkan proses oksidasi (0) dan reduksi (R) yang menukar belerang antara kolam sulfat yang tersedia dan kolam besi sulfida jauh di dalam tanah dan sedimen.
Akumulasi utama belerang terjadi di laut, di mana ion sulfat terus disuplai dari tanah dengan limpasan sungai. Ketika hidrogen sulfida dilepaskan dari perairan, belerang sebagian dikembalikan ke atmosfer, di mana ia dioksidasi menjadi dioksida, berubah menjadi asam sulfat dalam air hujan. penggunaan industri jumlah yang besar sulfat dan unsur belerang dan pembakaran bahan bakar fosil melepaskan sejumlah besar belerang dioksida ke atmosfer. Ini membahayakan vegetasi, hewan, manusia dan berfungsi sebagai sumber hujan asam, yang memperburuk efek negatif dari campur tangan manusia dalam siklus belerang.
Laju peredaran zat
Semua siklus zat terjadi pada kecepatan yang berbeda (Gbr. 11)
Dengan demikian, siklus semua elemen biogenik di planet ini didukung oleh interaksi kompleks dari berbagai bagian. Mereka dibentuk oleh aktivitas kelompok organisme dengan fungsi yang berbeda, sistem limpasan dan penguapan yang menghubungkan laut dan daratan, proses sirkulasi massa air dan udara, aksi gaya gravitasi, tektonik lempeng litosfer, dan aktivitas besar lainnya. -skala proses geologi dan geofisika.
Biosfer bertindak sebagai satu sistem yang kompleks di mana berbagai siklus materi berlangsung. Mesin utama ini siklus adalah zat hidup dari planet ini, semua organisme hidup, menyediakan proses sintesis, transformasi dan dekomposisi bahan organik.
Beras. 11. Laju peredaran zat (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Inti dari pandangan ekologis dunia adalah gagasan bahwa setiap makhluk hidup dikelilingi oleh banyak pengaruh di dalamnya. berbagai faktor, membentuk di kompleks habitatnya - biotope. Karena itu, biotope - sepotong wilayah yang homogen dalam hal kondisi kehidupan untuk jenis tanaman atau hewan tertentu(kemiringan jurang, taman hutan kota, danau kecil atau bagian dari yang besar, tetapi dengan kondisi homogen - bagian pantai, bagian air dalam).
Ciri-ciri organisme dari suatu biotop tertentu adalah komunitas kehidupan, atau biocenosis(hewan, tumbuhan dan mikroorganisme danau, padang rumput, jalur pantai).
Komunitas kehidupan (biocenosis) membentuk satu kesatuan dengan biotopnya, yang disebut sistem ekologi (ekosistem). Sarang semut, danau, kolam, padang rumput, hutan, kota, pertanian dapat menjadi contoh ekosistem alami. Contoh klasik ekosistem buatan adalah pesawat ruang angkasa. Seperti yang Anda lihat, tidak ada yang ketat struktur ruang. Dekat dengan konsep ekosistem adalah konsep biogeocenosis.
Komponen utama ekosistem adalah:
- lingkungan mati (abiotik). Ini adalah air, mineral, gas, serta zat organik dan humus;
- komponen biotik. Ini termasuk: produsen atau produsen (tanaman hijau), konsumen, atau konsumen (makhluk hidup yang memakan produsen), dan pengurai, atau pengurai (mikroorganisme).
Alam sangat ekonomis. Jadi, biomassa yang diciptakan oleh organisme (substansi tubuh organisme) dan energi yang terkandung di dalamnya ditransfer ke anggota ekosistem lainnya: hewan memakan tumbuhan, hewan ini dimakan oleh hewan lain. Proses ini disebut rantai makanan atau trofik. Di alam, rantai makanan sering berpotongan, membentuk jaring-jaring makanan.
Contoh rantai makanan: tumbuhan - herbivora - pemangsa; sereal - tikus lapangan - rubah, dll. dan jaring makanan ditunjukkan pada gambar. 12.
Dengan demikian, keadaan keseimbangan di biosfer didasarkan pada interaksi faktor lingkungan biotik dan abiotik, yang dipertahankan karena pertukaran materi dan energi yang terus menerus antara semua komponen ekosistem.
Dalam siklus tertutup ekosistem alami, bersama dengan yang lain, partisipasi dua faktor adalah wajib: keberadaan pengurai dan pasokan energi matahari yang konstan. Ada sedikit atau tidak ada pengurai di ekosistem perkotaan dan buatan, sehingga limbah cair, padat dan gas menumpuk, mencemari lingkungan.
Beras. 12. Jaring makanan dan arah aliran materi
Memuat...