Сделай Сам Свою Работу на 5

Биогеохимические круговороты углерода, азота, фосфора и кислорода.





Действительно, все вещества на нашей планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (био­тический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные по­роды подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты вы­ветривания, в том числе растворенные в воде питательные ве­щества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвраща­ются на сушу с осадками,- с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, пе­ремещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на су­шу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение те­ла и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей, моллюсков, простейших и др.) и вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовле­каемых ими в поток вещества.



Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорга­ническую среду с использованием солнечной энергии или энер­гии химических реакций носит название биогеохимиче­ского цикла.

Круговорот углерода, как и любого другого элемента, совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот

Большой круговорот углерода.

Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организ­мов. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере, служит сырьем для фотосинтеза растений и далее по­ступает вместе с веществом, в котором он аккумулирован, в пи­щевые цепи: в распоряжение консументов разных уровней, а далее—редуцентов. При дыхании организмов СО2 возвра­щается в атмосферу. Определенная часть углерода накаплива­ется в виде мертвой органики, частично переходит в ископае­мое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа — это и есть органическое вещество — продукт процессов фотосинте­за растений прошлых геологических эпох. В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании этого топлива, возникает так называемый биологотехнический круговорот углерода, поскольку при сжигании топ­лива диоксид углерода дополнительно поступает в атмосферу.




Рис. 3.2. Трансформация и использование СО2 в природе.

Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана, кристаллических породах, в каменном угле и нефти. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте.

С другой стороны, поступление диоксида углерода в атмо­сферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобаль­ным изменениям в биосфере — прежде всего в отношении теп­лового баланса. Стойкое увеличение содержания СО2 в атмо­сфере в связи с сжиганием топлива подтверждается прямыми наблюдениями и расчетами. В атмосфере задерживается около половины «антропогенного» диоксида углерода, а остальное поглощается водами Мирового океана и, отчасти, живыми (в первую очередь, автотрофными) организмами. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12 % диоксида углерода, т. е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет.

Круговорот азота. Несмотря на то что в составе воздуха 78 % азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы-продуценты не могут. Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жиз­ненно важных структур организма — аминокислот, белка, а так­же нуклеиновых кислот. В целом в живых организмах содер­жится примерно 3 % всего активного фонда азота. Растения ежегодно потребляют около 1 % имеющегося в активном фонде азота, т. е. время его круговорота составляет 100 лет. От ра­стений-продуцентов азотсодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органи­ческих соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины (рис. 3.3), причем мочевина также превращается в амми­ак в результате гидролиза.



В дальнейшем в процессах окисле­ния азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, спо­собные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти хи­мические превращения возможны в результате жизнедеятель­ности почвенных микроорганизмов, в частности свободноживущих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпур­ных водорослей. Особенно значима в круговороте азота роль симбиотических (от греч. симбиоз — сожительство) клубеньковых бактерий, ло­кализующихся на корнях растений преимущественно семейства бобовых. Бактерии родов азотобактер или ризобиум способны путем ферментативного расщепления молекул N2 фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корневым системам растений. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации. С другой стороны, при сни­жении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на теплоэлектростанциях и на транспорте. Азот, «фик­сированный» в промышленных выбросах, токсичен, в отличие от азота биологической фиксации. При естественных процессах оксиды азота появляются в атмосфере в малых количествах в качестве промежуточных продуктов, но в городах и промыш­ленных районах их концентрации становятся опасными. Они раздражают органы дыхания, а под воздействием ультрафиоле­тового излучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с образованием высокотоксичных и канцеро­генных соединений.

Круговорот фосфора. У живых организмов фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем пере­носа энергии (аденозинди- и аденозинтрифосфат), костных тка­ней. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме раство­ренных фосфат-ионов. Далее он переходит по пищевой цепи к, животным и возвращается в почву в виде фосфатов, либо не­посредственно — выводимый животными, либо опосредованно — в результате бактериального преобразования органических со­единений, содержащихся в остатках отмирающих растений (детрите). Фосфаты при посредстве фосфатредуцирующих бакте­рий образуют растворимые фосфат-ионы, опять доступные рас­тениям (рис. 3.4).

 

 

Общий (большой) круговорот более сложен (рис. 3.5). Основной фонд фосфора в отличие от азота и углерода, сосредоточен в горных породах, включая вулканический апатит, подвергаю­щихся эрозии. В процессе эрозии образуются растворимые фосфаты, которые частью локализуются в почве, а частью вы­щелачиваются и сносятся в воду, где отлагаются в мелковод­ных и глубоководных осадках. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями, напри­мер за счет подъема океанических глубинных вод (апвеллинга). В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона к рыбам, а далее — к морским птицам, возвра­щающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). В атмо­сфере фосфор практически отсутствует, если не считать крат­ковременно присутствующих пылевидных форм, и поэтому пере­нос происходит только в системе почва — вода.

Сбалансированный круговорот фосфора означает, что его вынос с суши компенсируется возвратом на сушу, причем выне­сенный фосфор не выключается из доступных фондов за счет образования, например, нерастворимых соединений.

Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфора. При этом баланс в глобальном аспекте может суще­ственно не нарушаться, а локальные изменения могут быть весьма значительными.

Важнейшей формой влияния человека на круговорот фос­фора является вовлечение в использование депонированных на суше отложений (минералов, фосфатов, апатитов) для произ­водства миллионов тонн фосфорных удобрений, а также детер­гентов (моющих средств). Большая часть фосфора, внесенного с удобрениями в почву, смывается и исключается из кругово­рота. Правда, значительная доля фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которой также идет на производство удобрений. Дефицит фосфора, разумеется, пока не угрожает, ибо запасы фосфорсодержащих пород велики, но избыточное поступление фосфора в воду в результате смыва удобрений и сброса промышленных и бытовых сточных вод приводит к резкому повышению продуктивности водных экоси­стем. Скачкообразный рост массы фитопланктона (аэробного комплекса) приводит к связыванию кислорода и обеднению им воды, что негативно сказывается, прежде всего, на рыбе, особен­но на молоди, приводит к преобладанию анаэробных процессов, т. е. к явлению эвтрофикации.

Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых соединениях и непосредственно для ис­пользования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосин­теза кислород содержится в атмосфере и проходит через растительные компоненты биосферы в течение 2,5 тыс. лет. В процессе фотосинтеза СО2 превраща­ется в органическое вещество с выделением свободного О2. Од­нако специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула О2 один из атомов получает от СО2; а другой — от воды. При дыхании потребляемая молекула О2один из атомов отдает воде, а другой — диоксиду углерода (рис. 3.7).

 

Гомеостаз экосистемы и его механизмы, устойчивое, кризисное и коллапсное состояние экосистем.

Гомеостаз экосистемы – способность экосистемы противостоять внешним воздействиям и сохранять состояние подвижного равновесия. Важнейшее свойство экосистемы – устойчивость к внешним воздействиям и способность к саморегуляции. Благодаря этому экосистема способна сохранять свою структуру и функциональные особенности.

В некоторых экосистемах количество осадков снизилось на 50% по сравнению со среднегодовым значением. На продуктивность растений это снижение сказалось уже в меньшей степени, только на 25%, а численность популяций снизилось только на 10%. Относительное затухание колебаний, имевших место во внешней среде по мере их прохождения по пищевым сетям экосистем, является мерой внутренней устойчивости системы или ее гомеостазом.

В рассмотренном примере устойчивость к засухе может быть обусловлена запасом влаги или частичное замещение чувствительности к засухе видов растений – засухоустойчивых видов. В экосистеме существуют различные виды связей между ее компонентами.

Положения о системообразующих отношениях:

1. Причинно-следственные связи (необратимые связи). Если происходит изменение в одном элементе, то они вызывают изменения в другом и т.д.

Пример: Малое количество осадков ведет к снижению продуктивности геосистемы (образование биомассы в единицу времени) и наоборот.

2. Параллельные отношения. Изменение в двух элементах и их комбинация ведет к изменению в другом элементе. Изменения в двух элементах могут не оказывать влияния друг на друга.

Пример: - содержание органического вещества в почве - режим увлажнения=> плодородие почв

3. Отношения обратной связи. Два элемента взаимно влияют друг на друга.

«+» обратная связь – когда увеличение значения первого элемента приводит к увеличению значения второго, который в свою очередь увеличивает значение первого.

«-» типичные отношения хищник – жертва.

«+» отношения придает геосистеме направленное развитие.

Пример: увеличение концентрации СО2 ведет к увеличению температуры атмосферного воздуха, что в свою очередь увеличивает температуру в мировом океане, еще больше СО2 в атмосфере и т.д.

Пример: хищник поедает жертв, если численность жертв постоянно растет (высокий коэффициент прироста), то хищники также увеличивают свою численность. В этом проявляется “+” обратная связь, но поскольку хищники питаются жертвами, они снижают численность жертв, в этом проявляется “-” связь. Если численность хищников выше предела, то они естественным образом снизят численность жертв, и тем самым будут ограничивать собственную численность. Гомеостаз – следствие естественного отбора.

4. Множественность следствий. Изменение в одном элементе влекут изменения в других.- изменение в температуре- изменение в радиационном балансе => - продуктивность- испаряемость

Классификация состояния природной среды:

1. Устойчивость- свойство природных систем сохранять или восстанавливать свою структуру и функции при воздействии внешних факторов. - характеризует способность нормального функционирования систем.

Устойчивость зависит от: - инвариантных свойств геосистем; - ранга геосистем; - интенсивность воздействия

2 Естественное – когда система испытывает слабые или косвенные воздействия от антропогенных источников. - особо охраняемые природные территории; - удаленные территории.

3. Равновесное – скорость восстановительных процессов больше или равна скорость антропогенных изменений. - лесохозяйство где осуществляется рациональное лесопользование.

4. Кризисное– скорость антропогенного воздействия больше скорости восстановления, но происходящее изменение обратимо. - не рациональное лесопользование.

5. Критическое – под воздействием антропогенной деятельности происходит обратимая замена экосистем на менее продуктивные. - лесной пожар.

6. Катастрофическое – трудно обратимая замена экосистем на менее продуктивную.

- сильная степень эвтрофикации водоема.

7. Состояние коллапса – необратимая потеря продуктивности экосистемой. -опустынивание.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.