НАЗЕМНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Рисунок 2 Классификация природных экосистем

Рисунок 3 Классификация изменений в экосистемах

и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для

питания и дыхания. А выделяемый консументами СО и минеральные вещества мочи - необходимы растениям.

Существование экосистемы возможно благодаря постоянному притоку

энергии извне - таким источником энергии, как правило, является солнце, хотя не для всех экосистем это справедливо. Устойчивость экосистемы обеспечивается прямыми и обратными связями между ее компонентами, внутренним круговоротом веществ и участием в глобальных круговоротах.

Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый его трофический уровень.

Энергия - одно из основных базовых свойств материи - способность

производить работу, в широком смысле энергия - сила. Энергия - источник жизни, основа и средство управления всеми природными системами. Энергия - движущая сила мироздания.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Понимание этих законов чрезвычайно важно для обеспечения эффективного подхода к проблемам природопользования.

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, а превращается из одной формы в другую. Энергия Солнца превращается в энергию пищи путем фотосинтеза.

Второй закон термодинамики - любой вид энергии, в конечном счете, переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. Для всех энергетических процессов характерен процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку).

Перенос энергии пищи в процессах питания от растений через последовательный ряд живых организмов, каждое предыдущее звено которого служит пищей следующему называется пищевой, или трофической, цепью. Существует несколько уровней трофических цепей:

- зеленые растения - продуценты;

- первичные консументы (травоядные животные);

- вторичные консументы (хищники);

- третичные консументы (хищники, поедающие первичных хищников).

На каждом новом уровне до 90% потенциальной энергии системы рассеивается, переходя в теплоту. С более низкого на более высокий трофический уровень переходит только 10% энегргии.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота веществ.

3.3.1.2 Круговорот веществ

Круговорот веществ в природе - основной способ существования и развития живых существ. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биотический.

Большой круговорот длится миллионы лет. В его основе лежит процесс переноса минеральных соединений в масштабе планеты.

Большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Рисунок 4 - Большой круговорот веществ

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рисунок 4). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый циклкруговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным измерениям.

Большой круговорот - это и круговорот водымежду сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды. 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 за 2 млн лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический), в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с.ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д., а на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2—3%. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно впланктоне сего интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (С0₂, Н₂0) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биогеохимическим циклом. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Эти два процесса обеспечивают жизнь на Земле.

Основной принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.

Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих в состав биосферы.

Круговорот углерода. Для примера рассмотрим круговорот углерода. В атмосфере запасы углерода в виде СО₂ невелики, в земной коре они присутствуют в виде ископаемого топлива. Когда около 2 млрд лет назад на Земле появилась жизнь, атмосфера в основном состояла из СО₂. Первые организмы были анаэробными, т.е. жили в отсутствие кислорода. Накопление кислорода обусловлено существованием зеленых растений. Сейчас его запасы на Земле оцениваются в 1,6-10⁵т. Эту массу зеленые растения могут создать за 10 тыс. лет. Поступивший в атмосферу по разным причинам углерод усваивается зелеными растениями, выделяющими в процессе своей жизнедеятельности кислород. А в результате потребления животными органических соединений происходит окисление органических веществ до углекислого газа, который поступает в атмосферу. Иными словами, углерод — главный участник биотического круговорота. Человек активно вмешивается в этот круговорот, что может в ближайшие 100 лет привести к изменениям климата, подъему океана, уменьшению количества кислорода в составе атмосферы и пр.

Круговорот серы. Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в биосфере. Из природных источников она попадает в атмосферу в следующем виде:

- сероводород (H₂S) — бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ — при извержении вулканов, при разложении органических веществ в болотах и затапливаемых приливами низинах;

- диоксид серы (SO;) — бесцветный, удушливый газ при извержении вулканов;

- частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) - из мельчайших брызг океанической воды.

Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие технологические процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который при реакции с водяным паром образует мельчайшие капельки серной кислоты (H₂SO₄). Взаимодействуя с другими атмосферными компонентами, триоксид серы может образо­вывать мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и сульфатные соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

Круговорот воды. Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды, состоит в следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.

Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и туманов и выпадению атмосферных осадков.

Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.

Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается глубоко в фунт. Там происходит накопление фунтовых вод в водоносных горизонтах — подземных резервуарах. Подземные источники иводотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: