Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Система биогеохимического круговорота веществ на Земле



Биогеохимический круговорот веществ - повторяющиеся циклические превращения и перемещения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот представляет собой часть биотического круговорота, включающую обменные циклы химических элементов абиотического происхождения, без которых не может существовать живое вещество (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и многие другие). Обычно выделяют три основных типа биогеохимических круговоротов: круговорот воды, круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан), осадочные циклы химических элементов с резервным фондом в земной коре. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт

саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части

экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего

бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза,

так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы,

например, азот. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в

биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения

замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе

эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании

биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический

круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном

направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом

проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере

на сегодняшний день. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости

биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для

различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не

абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы.

Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости

биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах –

наиболее древних и консервативных).

Круговорот веществ в биосфере

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических

компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы

должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит

благодаря их круговороту в биосфере. Громадные количества воды проходят через растения и водоросли впроцессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому,

что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а

вся остальная вода океана – приблизительно за год. Весь углекислый газ

атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько

тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота,

210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий,

кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов

придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый

(биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том,

что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том

числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в

Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично

возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы

опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в

течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования

возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и

состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в

веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы

как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных),

которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического

вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы,

черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и

вовлекаемых ими в потоки вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через

растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с

использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется

биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические

элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки.

Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%),

водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё

примерно из 30 элементов

29. Система круговорота углерода на Земле

Круговорот углерода - циркуляция углерода в биосфере, один из самых важных биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ. В круговороте углерода особенно велика роль диоксида углерода (углекислого газа). Биологический цикл углерода в окружающей среде, который В. И. Вернадский называл жизненным, осуществляется при непосредственном участии живых организмов: зеленые растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый газ в сложные углеводороды. Этот восстановительный процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. В результате дыхания живых организмов происходит обратный процесс - окисление фиксированного в живом веществе углерода в углекислый газ (С02), который вновь поступает в атмосферу, и этот процесс идет с выделением энергии. Примерно 2/3 объема углерода атмосферы, ежегодно усваиваемого организмами в процессе фотосинтеза, возвращается обратно в атмосферу редуцентами. На суше значительная доля углерода в форме углекислого газа возвращается в атмосферу микроорганизмами почвы. В большинстве случаев существует баланс между поступлением углерода в подсистему редуцентов и его выделением в виде С02- В тропическом лесу подстилка разлагается быстро и практически полностью, до ее конечных продуктов - воды и двуокиси углерода. В бореальных лесах разложение протекает медленно, и большое количество органических соединений накапливается при неполном разложении органического вещества.

Часть образуемого в процессе фотосинтеза органического вещества в определенных условиях, после гибели растений и живых организмов, преобразуется в ископаемые, обогащенные углеродом, твердые и жидкие органические продукты. Приблизительно 99 % углерода находится в осадочных породах и менее 1 % -в биосфере.

объем углерода, содержащегося в растительности суши, сопоставим с объемом углерода во всей атмосфере и составляет приблизительно 40 % количества углерода, имеющегося в поверхностных слоях океанов. В почвах накоплено в 2 раза больше углерода, чем в атмосфере. Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайги примерно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, т. к. в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза

Скорость круговорота углерода в гидросфере существенно выше, чем в атмосфере. Время пребывания углерода в наземной растительности составляет от 10 до 100 лет, а в морской фитомассе - меньше месяца. Это объясняется, в основном, тем, что фитопланктон состоит, главным образом, из одноклеточных организмов, время жизни которых значительно меньше, чем у наземной древесной растительности. Древесина более устойчива к разложению, чем листья. В одном и том же лесу разные виды растений и их различные фракции (листья, ветви, сучья, стволы) разлагаются с различной скоростью. Скорость разложения зависит также от климатических условий. Напр., период полураспада подстилки в северных хвойных лесах составляет 10 лет и более, в южных сосновых - от одного года до нескольких лет, в тропических дождевых лесах - менее года. Объемы ежегодного поглощения и эмиссии углерода, согласно оценкам ФАО Баланс углерода отрицательный (-3,2 Пг /год). Это тот объем углерода, который ежегодно накапливается в атмосфере. Следовательно, средняя концентрация диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает примерно на 0,5 %. Это обусловлено, в основном, сжиганием ископаемого топлива, разрушением пахотных почв и сведением лесов. В результате сжигания ископаемого топлива каждый год в атмосферу выбрасывается Зх109т углерода. В тропических лесах заключено около 72 % мировых запасов органического углерода, который содержится в древесине и гумусе почв. Сейчас тропические леса вырубают со скоростью 15,4 млн га в год. Кроме того, разложение древесины после рубки леса приводит к дополнительному поступлению диоксида углерода в атмосферу. В результате деятельности почвенных редуцентов выделяется также метан. При проведении рубок выделение метана из лесной почвы возрастает вследствие ее переувлажнения и заболачивания. Метан и диоксид углерода являются главными виновниками парникового эффекта, следствие которого - постепенное глобальное потепление климата.

Лесам принадлежит важнейшая роль в поглощении углекислого газа и в поддержании относительной стабильности газового состава атмосферы. Леса России, площадь которых составляет более 1/5 площади лесов мира, являются огромным резервуаром углерода в виде биомассы живых растений, растительных остатков разной степени разложения, гумуса и торфов. Общий запас углерода, сосредоточенный в органическом веществе лесных экосистем России, составляет около 233 млрд т, в т. ч. 34 млрд т - в фитомассе, 17 млрд т - в отмершей растительной органической массе (морт-массе) и 182 млрд т - в гумусе почв. Особенно большие запасы углерода сосредоточены в мортмассе и органическом веществе почв бореальных лесов, расположенных в северных регионах России, где скорость биологического круговорота замедлена. В лесах России отмечается тенденция к увеличению чистой первичной продукции, которая достигает в настоящее время 600 млн т С/год.

30. Круговорот азота. Изменение его человеком.

Круговорот азотавключает следующие процессы: фиксация азота; аммонизация; нитрификация; денитрификация. Круговорот азота иллюстрирует ключевую роль микроорганизмов в круговороте веществ.Фиксация азотапроисходит в результате деятельности азотфиксирующих бактерий (биологическая азотфиксация), при грозовых разрядах и в результате антропогенной деятельности, напр. при производстве азотных удобрений. Фиксировать атмосферный азот способны следующие широко распространенные в природе микроорганизмы: свободноживущие бактерии Azotobacter и Clostridium и др. Циано-бактерии могут фиксировать азот как самостоятельно, так и в симбиозах с грибами (в составе некоторых лишайников) или мхами, папоротниками и даже семенными растениями. Биологическая азотфиксация происходит эффективнее, когда в среде мало соединений азота. Поэтому внесение азотных удобрений под бобовые растения делает невозможной фиксацию ими азота. В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде аммиака (NH3) или иона аммония (NH,). Образование аммония происходит в результате аммонификации - разложения микроорганизмами азотсодержащих соединений - белков, нуклеиновых кислот, мочевины и др. Аммиак легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается действию нитрифицирующих бактерий при нитрификации. В результате этого процесса корни растений получают нитриты (N0^) и нитраты (NOn). Часть азота затем из растений переходит в ткани животных. Денитрификация - разложение азотсодержащих соединений редуцентами (как правило, микроорганизмами) до молекулярного азота. Азот снова поступает в атмосферу. В настоящее время, вследствие уменьшения количества естественных экосистем, доля биофиксации азота стала меньше, чем доля промышленной фиксации. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает загрязнение биогенными элементами (эвтрофикацию) водоемов. Значительное количество азота в форме окислов азота поступает в атмосферу в результате техногенного загрязнения. Выбросы окислов азота промышленными предприятиями и сверхзвуковыми самолетами могут стать причиной разрушения озонового экрана, предохраняющего все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации.

В отличие от круговорота азота, который является закрытым, круговорот фосфора разомкнут, т. к. фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Основные запасы фосфора находятся в горных породах земной коры, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом горизонте наземных и подводных почв. Из общего количества фосфора, содержащегося в почве, растениям доступно 10-20 %, малодоступно -50-60 %. Из горных пород фосфор выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит в состав тканей животных. После разложения мертвых тел растений и животных редуцентами в круговорот вовлекается не весь фосфор. Часть его вымывается из почвы в водоемы, где он оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо возвращается в небольших количествах - с выловленной рыбой или экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Нарушения биогеохимических циклов азота и фосфора представляют опасность для человека и окружающей среды. Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв, внесении фосфорных удобрений. Неправильное применение и хранение фосфорных удобрений приводит к увеличению содержания фосфатов в почвах, их вымыванию, загрязнению и эвтрофикации водоемов, последующему накоплению фосфора в продуктах питания. Для восстановления и поддержания сбалансированного биохимического цикла фосфора необходимо проводить систему агромелиоративных мероприятий и внедрять малоотходные технологии промышленного производства.





Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 1157 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.008 с)...