Круговорот веществ в биосфере

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, которые протекают в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот вещество осуществляется при непрерывном поступлении внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, внутри круговорота веществ можно выделить геологический (большой круговорот), биологический (биогеохимический, малый круговорот) и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в биосфере)

Этот круговорот осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Движущей силой этого процесса являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные процессы происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, которая выделяется в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов и др. К эндогенным процессам относят, например, тектонические движения, землетрясения. Эти процессы ведут к образования крупных форм рельефа (материки, океанические впадины, горы и равнины). Экзогенные процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца. К ним относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы, живых организмов и человека. Эти процессы ведут к сглаживанию крупных форм рельефа (речные долины, холмы, овраги и др.).

Продолжается геологический круговорот миллионы лет и 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. Символом этого круговорота веществ является спираль, а не круг, т.к. новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое.

К большому круговороту относится круговорот воды (гидрологический цикл) между сушей и океаном через атмосферу (рис. 3.2).

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

Рис. 3. 2. Круговорот воды в биосфере.

В гидрологическим цикле все части гидросферы связаны между собой. В нем ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Движущей силой этого процесса является солнечная энергия. Молекулы воды под действием солнечной энергии нагреваются и поднимаются в виде газа в атмосферу (ежесуточно испаряется – 875 км3 пресной воды). По мере поднятия они постепенно охлаждаются, конденсируются и образуют облака. После достаточного охлаждения облака освобождают воду в виде различных осадков, падающих обратно в океан. Вода, попавшая на землю, может следовать двумя различными путями: либо впитываться в почву (инфильтрация), либо стекать по ней (поверхностный сток). По поверхности вода стекает в ручьи и реки, направляющиеся к океану или другие места, где происходит испарение. Впитавшаяся в почву вода, может удерживаться в ее верхних слоях (горизонтах) и возвращаться в атмосферу путем транспирации. Такая вода называется капиллярной. Вода, которая увлекается силой тяжести и просачивается вниз по порам и трещинам называется гравитационной. Просачивается гравитационная вода до непроницаемого слоя горной породы или плотной глины, заполняя все пустоты. Такие запасы называются грунтовыми водами, а их верхняя граница – уровнем грунтовых вод. Подземные слои породы, по которым медленно текут грунтовые воды называются водоносными горизонтами. Под действием силы тяжести грунтовые воды двигаются по водоносному слою до тех пор, пока не найдут «выход» (например, образуя естественные родники, которые питают озера, реки, пруды, т.е. становятся частью поверхностных вод). Таким образом, круговорот воды включает три основные «петли»: поверхностного стока, испарения-транспирации, грунтовых вод. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды и он играет основную роль в формировании природных условий.

Биологический (биогеохимический) круговорот

(малый круговорот веществ в биосфере)

Движущей силой биологического круговорота веществ является деятельность живых организмов. Он является частью большого и происходит в пределах биосферы на уровне экосистем. Состоит малый круговорот в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений (автотрофы), расходуются на построение тел и жизненные процессы, как растений, так и других организмов (как правило, животных - гетеротрофов), которые поедают эти растения. Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах различают резервный фонд (вещества, которые не связаны с живыми организмами) и обменный фонд (вещества, которые связаны прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:

Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа, обладая большим обменным фондом, являются более совершенными. И, кроме того, они способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом.

Интенсивность биологического круговорота определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

Круговороты основных биогенных веществ и элементов

Круговорот углерода

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы в другую (рис. 3. 3.).

Рис. 3. 3. Круговорот углерода.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода (CO2). Растения поглощают молекулы углекислого газа, в процессе фотосинтеза. В результате атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

· углерод остается в растениях ® молекулы растений идут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений) ® углерод возвращается в атмосферу в качестве CO2;

· растения съедаются травоядными животными ® углерод возвращается в атмосферу в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти; либо травоядные животные будут съедены плотоядными и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями;

· растения после гибели превращаются в ископаемое топливо (например, в уголь) ® углерод возвращается в атмосферу после использования топлива, вулканических извержений и др. геотермальных процессов.

В случае растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов: углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно); углерод может войти в ткани морских растений или животных, тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Скорость круговорота CO2 составляет около 300 лет.

Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания CO2 в атмосфере и развитию парникового эффекта. В настоящее время исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Круговорот кислорода

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле (в морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15%, в земной коре 47,2%). Соединения кислорода незаменимы для поддержания жизни (играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании, входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы). Главная масса кислорода находится в связанном состоянии (количество молекулярного кислорода в атмосфере составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре).

Так как кислород содержится во многих химических соединениях, его круговорот в биосфере весьма сложен и главным образом происходит между атмосферой и живыми организмами. Концентрация кислорода в атмосфере поддерживается благодаря фотосинтезу, в результате которого зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Основная масса кислорода продуцируется растениями суши – почти ¾, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Мощным источником кислорода является и фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Кроме того, кислород совершает важнейший круговорот, входя в состав воды. Незначительное количество кислорода образуется из озона под воздействием ультрафиолетовой радиации.

Скорость круговорота кислорода около 2 тыс. лет.

Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот кислорода на значительных территориях. Кроме того, на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 25 % кислорода, образующегося в результате ассимиляции.

Круговорот азота

Биогеохимический круговорот азота, так же как и предыдущие круговороты, охватывает все области биосферы (рис. 3.4).

Рис. 3. 4. Круговорот азота.

Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул (приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота). Кроме того, азот входит в состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, поглощая нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием азота. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Эта кислота, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами (например, с карбонатом кальция СаСОз), образует нитраты. Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Кроме того, свободный азот выделяется при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Помимо этого, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты), переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву (часть его постепенно выделяется в свободном виде).

К процессам, возмещающим потери азота, относятся, прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота (последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты). Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - клубеньков. Клубеньковые бактерии, усваивая атмосферный азот, перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота.

В связи с тем, что ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений (например, зерно), почва «требует» вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений. В основном используют нитрат кальция (Ca(NO)2), нитрат аммония (NH4NO3), нитрат натрия (NANO3), и нитрат калия (KNO3). Также, вместо химических удобрений, используют сами растения из семейства бобовых. Если количество искусственных азотных удобрений, вносимых в почву, излишне велико, то нитраты поступают и в организм человека, где они могут превращаться в нитриты, обладающие большой токсичностью и способные вызывать онкологические заболевания.

Круговорот фосфора

Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Содержание фосфора в земной коре составляет от 8 - 10 до 20 % (по весу) и находится он здесь в виде минералов (фторапатит, хлорапатит и др.), которые входят в состав природных фосфатов - апатитов и фосфоритов. В биогеохимический круговорот фосфор может попасть в результате выветривания горных пород. Эрозионными процессами фосфор выносится в море в виде минерала апатита. В превращениях фосфора большую роль играют живые организмы. Организмы извлекают фосфор из почв и водных растворов. Далее фосфор передается по цепям питания. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей, и концентрируется в виде морских фосфатных отложений, что в свою очередь создает условия для создания богатых фосфором пород (рис. 3. 5.).

Рис. 3.5. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями).

При неправильном применении фосфорных удобрений, в результате водной и ветровой эрозии (разрушение под действием воды или ветра) большое количество фосфора удаляется из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфоросодержащих руд.

С другой стороны, повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение водоемов» и их эвтрофикацию (обогащение питательные веществами).

Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Круговорот серы

Основной резервный фонд серы находится в отложениях, в почве и атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители (рис. 3. 6.).

Рис. 3. 6. Круговорот серы (по Ю. Одуму, 1975).

В природе в большом количестве известны различные сульфиды железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере до сульфатной серы. Сульфаты поглощаются растениями. В живых организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, в состав эфирных масел и т.д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются сложными превращениями серы (микроорганизмы, создают многочисленные промежуточные соединения серы). После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H2S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород в атмосфере окисляется и возвращается в почву с осадками. Кроме того, сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.

Кроме того, сера в виде SO2, SO3, H2S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу.

Круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому становится сжигание каменного угля и выбросы химической промышленности, в результате чего образуется сернистый газ, нарушающий процессы фотосинтеза и приводящий к гибели растительности.

Таким образом, биогеохимические циклы обеспечивают гомеостаз биосферы. При этом они в значительной степени подвержены влиянию человека. И одним из мощнейших антиэкологических действий человека связано с нарушением и даже разрушением природных круговоротов (они становятся ациклическими).

Антропогенный круговорот

Движущей силой антропогенного круговорота является деятельность человека. Данный круговорот включает две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей. Антропогенный круговорот в отличие и геологического и биологического не является замкнутым. Эта незамкнутость становится причиной истощения природных ресурсов и загрязнения природной среды.

Поиск по сайту: