Круговорот биогенных веществ и потоки энергии в экосистемах: 7.4. Круговорот веществ и превращения энергии в экосистемах, роль в нем организмов разных царств. Биологическое разнообразие, саморегуляция и круговорот веществ – основа устойчивого развития экосистем.

7.4. Круговорот веществ и превращения энергии в экосистемах, роль в нем организмов разных царств. Биологическое разнообразие, саморегуляция и круговорот веществ – основа устойчивого развития экосистем.

Основой устойчивого развития экосистем являются:

— биологическое разнообразие,

— саморегуляция

— круговорот веществ.

Биологическое разнообразие – вариабельность живых организмов из всех источников, включая среди прочего наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем (Конвенция о биологическом разнообразии).

Биологическое разнообразие – разнообразие видов в конкретной экосистеме, на определенной территории или на всей планете.

В настоящее время науке известно около 2,5 млн видов, причем 74% видов связано с тропическим поясом, 24% — с умеренными широтами и 2% — с полярными районами. Считается, что этот список очень неполон, так как не выявлены многие мелкие животные (в частности, насекомые и паукообразные), грибы, бактерии (особенно в тропиках, где Б.р. самое высокое).

Ученые предполагают, что общее число видов на планете составляет от 5 до 30 млн. Биологическое разнообразие разных групп организмов существенно различается. Самая богатая видами группа организмов — насекомые. Их насчитывается почти 1,5 млн видов. Биологическое разнообразие обычно оценивается по отдельным группам организмов: указывается количество видов сосудистых растений (цветковых, голосеменных, папоротников, плаунов, хвощей), мхов, лишайников, крупных грибов, видимых глазом (их называют макромицетами), микроскопических грибов (микромицетов), водорослей, насекомых, почвенных животных (также видимых глазом, их называют мезофауной), птиц, млекопитающих, бактерий и т. д.

Аналогично по группам оценивается биологическое разнообразие водных экосистем (группы планктона и бентоса — фитопланктон, зоопланктон, фитобентос, зообентос, нектон, растения-макрофиты). Совокупность видов растений называется флорой, а видов животных —

фауной. Между биологическим разнообразием разных трофических уровней отмечена зависимость «разнообразие порождает разнообразие»: чем больше видов-автотрофов, тем больше видов-гетеротрофов (консументов и редуцентов). Между биологическим  разнообразием,  устойчивостью экосистем и их биологической продукцией нет прямой связи. Более продуктивными могут быть экосистемы с невысоким биологическим разнообразием.  Например, при удобрении лугов их биологическое разнообразие резко снижается, а продукция — увеличивается. Устойчивыми (т. е. способными самовосстанавливаться после нарушения) часто являются экосистемы с невысоким биологическим разнообразием, например, пустыни.

Биологическое разнообразие отдельных биоценозов определяется взаимодействием многих факторов, главные из которых следующие.

1. Благоприятность условий среды. В экосистемах с богатыми и хорошо увлажненными почвами и в теплом климате может быть больше видов, чем в экосистемах с бедными, холодными и очень сухими почвами. Впрочем, в тундрах снижение биологического разнообразия сосудистых растений компенсируется возрастанием биологического разнообразия мхов и лишайников, которые имеют очень мелкие размеры.

2. Общий «запас» видов ландшафта. Если ландшафт в прошлом был подвержен сильным нарушениям, которые обеднили его флору и фауну, то даже при благоприятных условиях и по прошествии после нарушения долгого времени биоценозы будут иметь весьма низкое биологическое разнообразие.

3. Режим нарушений. При умеренных нарушениях экосистем (легкий выпас, выборочная рубка леса или ветровал на ограниченной площади, периодические низовые пожары) биологическое разнообразие увеличивается. В таких условиях виды-доминанты не могут усилиться настолько, чтобы захватить «львиную долю» ресурсов.

Возрастает биологическое разнообразие травяного яруса в пригородных лесах, если они умеренно нарушаются вытаптыванием. В то же время любое сильное нарушение снижает биологическое разнообразие.

Биологическое разнообразие  зависит и от неоднородности территории. На равнине оно всегда будет ниже, чем в горной местности, где на ограниченной площади представлено много разных экотопов. Это связано с разной высотой участков над уровнем моря, разной экспозицией, разными геологическими породами (кислые граниты, щелочные известняки) и т. д.

Биологическое разнообразие — самый важный биологический индикатор состояния биосферы и входящих в ее состав биомов, который чутко реагирует на воздействия человека. В настоящее время четко проявляется тенденция снижения

биологического разнообразия. С 1600 г. исчезло 63 вида млекопитающих и 74 вида птиц. В числе исчезнувших видов тур, тарпан, зебра-квагга, сумчатый волк, морская корова Стеллера, европейский ибис и др.

В современном мире ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно — 1 вид растений. Гибель одного вида растений ведет к уничтожению примерно 30 видов мелких животных (прежде всего насекомых и круглых червей — нематод), связанных с ним в процессе питания. Охрана биологического  разнообразия является одним из важнейших требований при построении общества устойчивого развития.

Саморегуляция 

– главное свойство экосистем: за счет биотических связей количество всех видов поддерживается на постоянном уровне. Саморегуляция позволяет экосистемам выдерживать неблагоприятные воздействия. Например, лес может сохраниться (восстановиться) после нескольких лет засухи, бурного размножения майских жуков и/или зайцев.

Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии. Выполняя основные биохимические функции, живые организмы создают в биосфере круговороты  важнейших биогенных элементов (углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы), которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю.

 Круговорот веществ

— естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы (или биоценоза) к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации. Основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов. В воздушный круговорот включается 98,3% веществ (02, Н2, N, С и др.), в водный -1,7% (Na, Mg, Fe, S, CI, К и др.).

Биологический круговорот

— обмен веществ и энергии между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью живых организмов и носящий циклический характер. Движущая сила этого процесса — поток энергии Солнца и деятельность живого вещества.

Круговорот углерода.

Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями, при фотосинтезе превращается в органические вещества, которые затем переходят по цепям питания, и снова углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, образующегося в результате метаболизма (дыхание, брожение), благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.

Круговорот азота

— биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии. Азот — важный химический элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот. Основная масса азота поступает из атмосферы благодаря азотфиксирующим бактериям. Они усваивают его и переводят в химические соединения, способные усваиваться растениями. Затем азот передается по цепям питания и возвращается в свободном виде в атмосферу. Аммонификация — разложение (гниение) белков с образованием аммиака (минерализация органического вещества) — осуществляется редуцентами. Нитрификация — процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты: I этап — превращение аммиака в нитриты; II этап — превращение нитритов в нитраты. Осуществляется почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас, нитрозабактер). Денитрификация — разложение солей азотной кислоты до образования газообразного азота — осуществляется почвенными денитрифицирующими бактериями.

Азотфиксация — образование азотистых соединений путем фиксации атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями (азотобактер) или бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии ризобиум).

Круговорот воды в биосфере.

Вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара атмосферы. Определенная часть выпавших осадков испаряется прямо с поверхности, возвращаясь в атмосферу водяным паром. Другая часть проникает в почву, всасывается корнями растений и затем, пройдя через растения, испаряется в процессе транспирации. Третья часть просачивается в глубокие слои подпочвы до водоупорных горизонтов, пополняя подземные воды. Четвертая часть в виде поверхностного, речного и подземного стока стекает в водоемы, откуда также испаряется в атмосферу. Наконец, часть используется животными и потребляется человеком для своих нужд. Вся испарившаяся и вернувшаяся в атмосферу вода конденсируется и вновь выпадает в качестве осадков.

Сера и фосфор, содержащиеся в горных породах, после их разрушения и эрозии попадают в почву (наземные экосистемы), часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Из почвы серу и фосфор извлекают наземные растения, а из воды — водоросли. В результате деятельности редуцентов они вновь возвращаются в почву или в виде мертвого органического вещества оседают на дно и снова включаются в состав горных пород.

Таким образом, в результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов.

Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда поступают в организм. В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек. В каждом биогеоценозе можно наблюдать биологический круговорот элементов — аккумуляцию и минерализацию. При наличии зеленых растений на поверхности суши и в верхних слоях моря образование живого вещества преобладает над минерализацией, а в почве и в глубинах моря — минерализация. Перенос химических элементов осуществляется также при переселении, миграциях, передвижениях живых организмов, спор, семян. Биогенная миграция атомов, осуществляемая микроорганизмами, превышает миграцию, производимую многоклеточными организмами. В последние десятилетия человеческая деятельность также оказывает влияние на миграцию атомов.

 

Биосфера прошла длительную эволюцию, в течение которой жизнь меняла формы, вышла из воды на сушу, изменила систему круговоротов. Благодаря биологическому круговороту веществ в биосфере жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Экосистема может существовать недолго — например, заливной лужок высохнет за один год, стоит только реке чуть изменить русло. А вот экосистемы тайги, пустынь, морей живут тысячи лет. Что является причиной столь долгого и устойчивого их существования? Дело в том, что компоненты экосистемы возобновляются, идет круговорот веществ, превращение энергии, имеет место постоянство видового состава.

1.      Главным источником энергии для нашей планеты является звезда Солнце. Именно от безостановочного притока энергии зависит жизнедеятельность всех земных экосистем, круговорот веществ в природе.

2.      Фотосинтезирующие растения преображают энергию светила в энергию химических связей органических соединений.

3.      Последовательная передача энергии по пищевым цепям идет в соответствии со вторым законом термодинамики, а именно — преобразование одного вида энергии в другой происходит с неизбежной потерей части энергии.

4.      Исходя из этого закона, мы можем сделать вывод: круговорота энергии в природе не бывает! Она теряется в цепях питания, то есть у нее самой нет цепи.

Итак, энергия, поступившая в экосистему, похожа на одноразовую картонную посуду — она красива, но использовать ее можно только один раз, и к концу пикника она теряется свою функциональность. В отличие от энергии, химические вещества — это фарфоровые тарелки, служащие годами, они используются многократно, с круговым потреблением и превращением. Химические вещества многократно пропускают через себя живые организмы экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) — это и есть биологический круговорот веществ.

Биологический круговорот подразумевает следующие стадии:

1.      Поступление химических элементов в разнообразные живые организмы из воды, почвы, атмосферы.

2.      Превращение их в новые соединения.

3.      Возвращение элементов в ходе жизнедеятельности организмов в воду, почву и атмосферу.

Вечный круговорот веществ в естественных экосистемах можно считать замкнутым, хотя полностью замкнутым он бывает редко. А вот в агроценозе круговорот разомкнут — человек отнимает у системы часть химических веществ вместе с урожаем и вносит их в состав удобрений. Еще одна важная сторона круговорота — накопление различных веществ (химических элементов) в земной толще в качестве полезных ископаемых.

Продуктивность биоценозов

Солнечная энергия, которую потребляют растения-автотрофы, преображается в энергию химических связей синтезируемых внутри растений веществ. В этом процессе важен такой показатель, как скорость фиксации солнечной энергии — он определяет количество биомассы, которое способен произвести биоценоз. Вся совокупность произведенной биомассы растительных и животных организмов — это продукция биоценоза.

Итак, продукция биоценоза, или биологическая продукция, — это биомасса, произведенная за единицу времени на единицу площади или объема (например, г/м2, г/м3, кг/га, т/км2 и др.). Иногда учитывают массу сырого вещества, но обычно ведется подсчет сухого вещества. В продукции биоценоза выделяют фитомассу (растительную биомассу), зоомассу (животную биомассу), бактериомассу, а также биомассу неких групп или организмов отдельных видов.

 

«Круговороты веществ и превращение энергии в биосфере. Антропогенное влияние на круговороты веществ». Урок с использованием ИКТ

Задачи урока:

1. Познакомить учащихся с сущностью круговоротов веществ и превращения энергии в биосфере, с простейшими циклами миграции атомов и веществ.
2. Научить школьников использовать полученные знания о процессах, происходящих в биосфере, для обоснования мероприятий по охране природы.
3. Продолжить формирование у учащихся отрицательного отношения к деятельности человека, наносящей ущерб природной среде.

Ход урока

На доске эпиграф:

“Ах, эта среда обитания!
Все связаны между собой
Обменом, цепями питания,
Составом, структурой, судьбой”.

1. Актуализация знаний: учитель обращает внимание учащихся на эпиграф и организует фронтальную беседу о биосфере как среде обитания живых организмов, основных свойствах живого вещества, роли живых организмов в биосфере, функциях живого вещества в ней (содержание беседы зависит от пройденного в данной теме материала).

2. Изучение новой темы на основе обобщения материала (рассказ учителя):

Учитель: Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. В природе существует теснейшая взаимосвязь между всеми живыми организмами: зелеными растениями, животными, бактериями, грибами. Эта взаимосвязь реализуется через потоки вещества и энергии и может быть представлена в виде схемы (учитель демонстрирует слайд №2 приложения 1).

Круговорот веществ в биосфере поддерживается постоянным потоком энергии. Единственный источник внешней энергии на Земле – это излучение Солнца. Энергия, проходящая через биосферу нашей планеты, образует именно поток, а не круговорот!

Каждый живой организм получает энергию Солнца в прямом или измененном виде, а затем выделяет ее в окружающую среду или передает другим живым организмам. В обобщенной схеме энергия проходит сквозь живую оболочку и выделяется в среду в уже “отработанном” виде, в виде тепла, которое не может быть вновь усвоено живыми организмами.

Основную роль потребителей солнечной энергии выполняют зеленые растения, которые способны непосредственно усваивать световую энергию Солнца.

Если для круговорота веществ достаточно того запаса вещества, который имеется в биосфере, то поток энергии требует непрерывного поступления энергии извне – наша биосфера – открытая система.

Чтобы нагляднее представить себе роль энергии и вещества в жизненных процессах, сравним их с колесом мельницы, которое вращается под напором падающей с плотины воды. Колесо крутится, оставаясь на месте, и символизирует собой запас вещества в биосфере: его столько же сегодня, сколько было вчера, и завтра, не убавится и не прибавится. Но чтобы колесо вертелось, необходим постоянный приток нового количества воды. Поток воды бежит мимо колеса, вращая его. Так и поток энергии “крутит” колесо жизни на нашей планете, и его движение дает стимул “вращательному” движению вещества в биосфере.

Вместе с круговоротом веществ в биосфере осуществляется и круговорот (миграция) атомов конкретных химических элементов. Они переходят из организма в организм, затем — в неживую природу и снова в организм (учитель демонстрирует слайд №3 приложения 1).

Главенствующую роль в этом процессе играет вся масса живых организмов Земли (учитель демонстрирует слайд №4 приложения 1).“Живое вещество, – писал В.И. Вернадский, – охватывает и перестраивает химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени”.

Положение о круговороте атомов является одним из основных законов геохимии биосферы. Этот закон сводится к следующему: в сфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. ( Выделенные жирным шрифтом фразы ребята конспектируют).

В целом за определенный промежуток времени одно то же количество вещества биосферы совершает множество циклов. При этом различают два основных типа круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биологический) (учитель демонстрирует слайд №6 приложения 1).Мы подробнее рассмотрим биологический круговорот наиболее типичных биофильных химических элементов.

3. Самостоятельная работа в группах.

Учитель предлагает классу разбиться на малые группы, каждая из которых получает задание для самостоятельной работы: в памяти компьютеров сохранена папка с файлами, содержащими список терминов (приложение 2) и заготовки схем круговоротов веществ (приложение 3, приложение 4) для задания (см. слайд №7 приложения 1).

C помощью программы Paint учащимся необходимо восстановить схемы круговоротов данных элементов, вписав необходимые термины из списка приложения 2, стрелками показать последовательность происходящих процессов и оформить получившиеся схемы рисунками.

Учитель знакомит учащихся с критериями оценки работы:

• Правильность выбора компонентов круговорота;
• Правильная последовательность происходящих процессов;
• Творческий подход к оформлению работы;

Учитель демонстрирует через проектор модели круговоротов азота и углерода с компакт-диска Открытая биология. Версия 2,5. При необходимости производится повтор демонстраций.

Правильность выполнения работ проверяется во время обсуждения, при сравнении полученных схем со слайдами презентации (учитель демонстрирует слайды № 8 и 9 приложения 1).

Затем учащиеся формируют новые группы, в ходе работы которых происходит взаимообмен полученной информацией.

4. Изучение нового на основе обобщения изученного ранее материала (беседа):

Учитель: Все процессы природы находятся в закономерной связи и развитии. Любое нарушение этих связей, разрыв их порождают негативные явления, с которыми сталкивается как отдельный человек, так и все общество в целом.

С появлением человечества возникло сложное взаимодействие общества и природы, одним из проявлений которого является сдвиг в биосфере в сторону возникновения особых биогеоценозов антропогенного характера.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный прерыванию круговоротов при сборе урожая в агроценозе – одной из причин неустойчивости этого сообщества. Учитель обращает внимание на то, что возврат биогенных элементов приходится компенсировать внесением минеральных или органических удобрений.

Изменения, которые ранее производил человек, сводились к тому, что он брал (часто хищнически) у биосферы средства к существованию, но возвращал то, что могло быть использовано другими организмами в цепях питания. Биологические круговороты тотчас же включали результаты деятельности человека в свои циклы.

В настоящее время в связи с ростом народонаселения и технической революцией воздействие человека на биосферу стало необычайно сильным, качественно отличным от прежнего. Е.Б.Новиком это воздействие названо антибиогенным комплексом.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный аварии на Чернобыльской АЭС.

Антропогенное воздействие явилось причиной колоссальных сдвигов в биосфере.

(Учитель демонстрирует слайд №10 приложения 1, глядя на схему, учащиеся дополняют её конкретными примерами. Возможны выступления ребят с подготовленными сообщениями, например о влиянии человека на круговорот углерода и т.п.).

Учитель: Назовите термины, которыми можно описать последствия негативного воздействия человека на глобальные биогенные круговороты.

Предполагаемые ответы: кислотные дожди, глобальное потепление, эвтрофикация водоемов и т. д.

5. Общие выводы урока (формулируются учащимися).

(Возможен вариант задания, который имеет смысл применить при недостатке времени – заполнение пропусков в тексте, который содержится в кейсе задания (приложение 5)):

1. Количество вещества, вовлекаемого в биосферные процессы, остается постоянным на протяжении целых геологических периодов.
2. В биосфере совершается многократный круговорот входящих в состав живых организмов веществ, атомов химических элементов и превращение энергии.
3. .В биосферу извне постоянно вливается поток солнечной энергии.
4. Биосферные круговороты возможны, так как живое вещество в биосфере постоянно выполняет следующие биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную.
5. В глобальном круговороте веществ непосредственное участие принимают зеленые растения, животные, грибы, бактерии.
6. Круговорот веществ и атомов химических элементов, превращение энергии осуществляются за счет таких процессов, как фотосинтез, дыхание, горение, брожение.
7. Влияние человека на процессы, протекающие в биосфере, все время возрастает, что требует регуляции его взаимоотношений с окружающей природой. Охрана природы – насущная потребность современности.

Учитель: (демонстрируя слайд № 11 приложения 1, под звучащую тревожную музыку).

Биосфера функционирует как гигантская хорошо отлаженная экосистема, где организмы не только приспосабливаются к среде, но и сами создают и поддерживают на Земле условия, благоприятные для жизни. Совершая гигантский биологический круговорот веществ в биосфере, жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека. Это обязывает человека иначе, более разумно относится к своей деятельности в биосфере.

Домашнее задание:

1. Учебник А.А.Каменского “Биология. Введение в общую биологию и экологию” § 6.3, записи в тетради, ответы на вопросы в конце параграфа.
2. Мини-сочинение рассуждение (по желанию учащихся):?

Верите ли вы в то, что человечеству удастся сохранить биосферу для будущих поколений? Если “да”, то в каком виде она будет сохранена? Почему вы так думаете? Если “нет”, то почему и каковы перспективы будущего человечества?

Использованные материалы.

Литература:

1. Кулев А.В. Общая биология. 11 класс. Метод. пособие. – СПб.: Паритет, 2004.
2. Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс.- М.:ВАКО, 2006.
3. Пономарева И.Н. Экология – М.: Вентана-Графф, 2001.

Электронные носители:

1. Биология, химия, экология. Электронное учебное издание. ООО “Физикон” 2005,ООО “Дрофа” 2005.CD-ROM.
2. Открытая биология. Версия 2,5.Полный интерактивный курс биологии. “Физикон”. “Новый Диск”. CD-ROM.
3. 1С: Школа. Экология .10-11 классы. Учебное пособие. ЗАО “1С”, 2004 ООО “Дрофа”, 2004. CD-ROM.
4. Экология. Учебное электронное издание. МИЭМ,2004. CD-ROM.
5. Учитель биологии и экологии МОУ “Селковская СОШ” Сергиево-Посадского района Московской области Ерёмина Л.А.

Потоки вещества и энергии в экосистеме

«Введение в общую биологию и экологию. 9 класс». А.А. Каменский (гдз)

 

 

 

Вопрос 1. Какую роль в сообществе играют автотрофные организмы, какую — гетеротрофные?
Первый трофический уровень экосистемы образуют автотрофы — зеленые растения, фото— и хемосинтезирующие бактерии, в результате жизнедеятельности которых образуютсяо рганические вещества, служащие источником энергии для остального населения биогеозеноза. Автотрофные организмы в сообществе производят (продуцируют) первичное биологическое (органическое) вещество и запасают в нем энергию. От этих веществ косвенно зависят все остальные элементы природного сообщества — гетеротрофы, которые усваивают, перестраивают и разлагают готовые органические вещества. К ним относятся консументы, или потребители — организмы, которые живут за счет питательных веществ, созданных продуцентами. Консументы образуют вторичную продукцию экосистемы.
Редуценты, или разлагатели — это комплекс организмов, разлагающих мертвое органическое вещество до минеральных соединений. К ним относятся бактерии, грибы, простейшие и многие многоклеточные животные, например, дождевые черви.
Таким образом, автотрофы образуют сложные органические вещества из простых неорганических под действием энергии Солнца. Образованные органические вещества обладают скрытой энергией химических связей, которая высвобождается при их расщеплении гетеротрофными организмами. При этом гетеротрофные организмы синтезируют новые органические соединения, а продукты их жизнедеятельности, например, диоксид углерода, аммиак и другие, в свою очередь, используются автотрофами. В результате в границах биогеоценоза создается круговорот биогенных элементов и поток энергии. Энергия Солнца поддерживает этот циклический процесс и компенсирует потери энергии в системе, возникающие в результате теплового излучения.

Вопрос 2. Какому правилу подчиняется изменение скорости потока энергии по пищевой цепи?
В каждом звене цепи питания происходит потеря некоторой части энергии. В цепях питания существует закономерность, отражающая эффективность использования и превращения энергии в процессе питания живых организмов. На каждом последующем трофическом уровне утилизируется лишь 5—15 % энергии биомассы, которая превращается во вновь построенное органическое вещество. Остальная энергия рассеивается в виде тепла или просто не усваивается. Таким образом, в результате неминуемой потери энергии количество образующегося органического вещества на каждом следующем. пищевом уровне резко уменьшается. КПД каждого звена в среднем составляет около 10 %. Поэтому цепи питания состоят не более чем из 4—6 пищевых уровней.

Вопрос 3. Что такое перевернутая пирамида численности?
Пирамиды численности отражают только собственно численность организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления организмов. Если скорость размножения популяции жертвы высока, то даже при низкой численности такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую численность, но низкую скорость размножения. По этой причине пирамиды численности могут быть перевернутыми. Примеры перевернутой пирамиды численности:
—на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых;
—в водных экосистемах первичные продуценты (фитопланктон) быстро делятся и поддерживают большую численность их потребителей (зоопланктона), которые имеют длительный цикл воспроизводства.

Вопрос 4. Назовите виды животных и растений, занимающих смежные трофические уровни и находящихся в единой пищевой цепи.
Единую пищевую цепь образуют виды животных и растений, занимающие смежные трофические уровни. Например, одну цепь могут составлять: крапива (продуцент) — тля (консумент первого порядка) — личинка божьей коровки (консумент второго порядка) — синица (консумент третьего порядка). Другой пример: фитопланктон — зоопланктон — плотва — окунь.

Поток энергии через экосистемы — Биологические концепции

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать основные типы экосистем на Земле
• Различия между пищевыми цепями и пищевыми цепями и признание важности каждого из них
• Опишите, как организмы приобретают энергию в пищевой сети и в связанных пищевых цепях
• Объясните, как эффективность передачи энергии между трофическими уровнями влияет на экосистему

Экосистема — это сообщество живых организмов и их абиотической (неживой) среды. Экосистемы могут быть небольшими, например, приливные бассейны у скалистых берегов многих океанов, или большими, например, в тропических лесах Амазонки в Бразилии ([Рис. 1]).

Рисунок 1: Экосистема приливного бассейна (а) на острове Матиникус, штат Мэн, представляет собой небольшую экосистему, а (б) тропический лес Амазонки в Бразилии представляет собой большую экосистему. (кредит а: модификация работы Джима Куна; кредит б: модификация работы Ивана Млинарича)

Есть три широкие категории экосистем, основанные на их общей окружающей среде: пресноводные, морские и наземные.В эти три категории входят отдельные типы экосистем в зависимости от среды обитания и присутствующих организмов.

Жизнь в экосистеме часто связана с конкуренцией за ограниченные ресурсы, которая происходит как внутри одного вида, так и между разными видами. Организмы конкурируют за пищу, воду, солнечный свет, пространство и минеральные питательные вещества. Эти ресурсы обеспечивают энергию для метаболических процессов и материю, составляющую физические структуры организмов. Другими критическими факторами, влияющими на динамику сообщества, являются компоненты его физической среды: климат среды обитания (времена года, солнечный свет и осадки), высота над уровнем моря и геология.Все они могут быть важными переменными окружающей среды, которые определяют, какие организмы могут существовать в определенной области.

Пресноводные экосистемы являются наименее распространенными, они встречаются только на 1,8 процента поверхности Земли. Эти системы включают озера, реки, ручьи и родники; они довольно разнообразны и поддерживают множество животных, растений, грибов, простейших и прокариот.

Наиболее распространены морские экосистемы, занимающие 75 процентов поверхности Земли и состоящие из трех основных типов: мелководный океан, глубоководная вода и глубокое океанское дно.Мелководные океанические экосистемы включают чрезвычайно биоразнообразные экосистемы коралловых рифов, однако глубоководные воды океана известны большим количеством планктона и криля (мелких ракообразных), которые поддерживают их. Эти две среды особенно важны для аэробных респираторов во всем мире, поскольку фитопланктон выполняет 40 процентов всего фотосинтеза на Земле. Хотя экосистемы глубоководного дна океана не так разнообразны, как два других, они содержат большое разнообразие морских организмов. Такие экосистемы существуют даже на глубинах, где свет не может проникать сквозь воду.

Наземные экосистемы, также известные своим разнообразием, сгруппированы в большие категории, называемые биомами. Биом — это крупномасштабное сообщество организмов, в первую очередь определяемое на суше доминирующими типами растений, которые существуют в географических регионах планеты со схожими климатическими условиями. Примеры биомов включают тропические леса, саванны, пустыни, луга, леса умеренного пояса и тундры. Объединение этих экосистем в несколько категорий биомов скрывает огромное разнообразие отдельных экосистем внутри них.Например, кактусы сагуаро ( Carnegiea gigantean ) и другие растения в пустыне Сонора в Соединенных Штатах относительно разнообразны по сравнению с безлюдной каменистой пустыней Боа-Виста, островом у побережья Западной Африки ([Рис. 2]).

Рисунок 2: Экосистемы пустынь, как и все экосистемы, могут сильно различаться. Пустыня в национальном парке (а) Сагуаро, штат Аризона, богата растительной жизнью, а каменистая пустыня на острове (б) Боа-Виста, Кабо-Верде, Африка, лишена растительной жизни.(Фото А: модификация работы Джея Гэлвина; кредит б: модификация работы Инго Вёльберна)

Экосистемы и нарушения

Экосистемы сложные, с множеством взаимодействующих частей. Они обычно подвергаются различным воздействиям: изменениям в окружающей среде, влияющим на их состав, например, годовые колебания количества осадков и температуры. Многие нарушения являются результатом естественных процессов. Например, когда молния вызывает лесной пожар и разрушает часть лесной экосистемы, земля в конечном итоге заселяется травами, затем кустами и кустарниками, а позже — зрелыми деревьями: таким образом, лес восстанавливается до своего прежнего состояния.Этот процесс настолько универсален, что экологи дали ему название — преемственность. Влияние нарушений окружающей среды, вызванных деятельностью человека, сейчас столь же значимо, как и изменения, вызванные естественными процессами. Человеческие методы ведения сельского хозяйства, загрязнение воздуха, кислотные дожди, глобальное обезлесение, чрезмерный вылов рыбы, разливы нефти и незаконные сбросы отходов на сушу и в океан — все это оказывает воздействие на экосистемы.

Равновесие — это динамическое состояние экосистемы, в котором, несмотря на изменения количества и встречаемости видов, биоразнообразие остается в некоторой степени постоянным.В экологии для измерения изменений в экосистемах используются два параметра: устойчивость и устойчивость. Способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения, называется сопротивлением. Скорость, с которой экосистема восстанавливает равновесие после нарушения, называется устойчивостью. Устойчивость и устойчивость экосистемы особенно важны при рассмотрении воздействия человека. Природа экосистемы может измениться до такой степени, что она может полностью потерять свою устойчивость. Этот процесс может привести к полному разрушению или необратимому изменению экосистемы.

Пищевая цепь — это линейная последовательность организмов, через которую проходят питательные вещества и энергия, когда один организм ест другой; уровни пищевой цепи — это производители, первичные потребители, потребители более высокого уровня и, наконец, разлагатели. Эти уровни используются для описания структуры и динамики экосистемы. Есть единственный путь через пищевую цепочку. Каждый организм в пищевой цепи занимает определенный трофический уровень (энергетический уровень), свое положение в пищевой цепи или пищевой сети.

Во многих экосистемах основу или основу пищевой цепи составляют фотосинтезирующие организмы (растения или фитопланктон), которые называются продуцентами.Организмы, которые потребляют производителей, являются травоядными животными: основными потребителями. Вторичными потребителями обычно являются плотоядные животные, которые поедают основных потребителей. Потребители третичного уровня — плотоядные животные, которые едят других хищников. Потребители более высокого уровня питаются на следующих более низких трофических уровнях и так далее, вплоть до организмов на вершине пищевой цепи: потребителей на вершине. В пищевой цепи озера Онтарио, показанной на [Рис. 3], чавычи являются конечным потребителем на вершине этой пищевой цепи.

Рисунок 3: Это трофические уровни пищевой цепи в озере Онтарио на границе США и Канады.Энергия и питательные вещества текут от фотосинтезирующих зеленых водорослей в основании к вершине пищевой цепочки: чавычи. (кредит: модификация работы Национального управления океанических и атмосферных исследований / NOAA)

Одним из основных факторов, ограничивающих количество шагов в пищевой цепи, является энергия. Энергия теряется на каждом трофическом уровне и между трофическими уровнями в виде тепла и при передаче деструкторам ([Рисунок 4]). Таким образом, после ограниченного числа передач трофической энергии количество энергии, остающейся в пищевой цепи, может быть недостаточно большим для поддержания жизнеспособных популяций на еще более высоком трофическом уровне.

Рисунок 4: Показана относительная энергия на трофических уровнях в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида. Каждый трофический уровень имеет меньше доступной энергии и обычно, но не всегда, поддерживает меньшую массу организмов на следующем уровне.

При использовании пищевых цепочек для описания большинства экосистем возникает одна проблема. Даже когда все организмы сгруппированы по соответствующим трофическим уровням, некоторые из этих организмов могут питаться более чем на одном трофическом уровне; Точно так же некоторые из этих организмов могут питаться с нескольких трофических уровней.Кроме того, виды питаются и поедаются более чем одним видом. Другими словами, линейная модель экосистем, пищевая цепь, является гипотетическим, чрезмерно упрощенным представлением структуры экосистемы. Целостная модель, включающая все взаимодействия между различными видами и их сложные взаимосвязанные отношения друг с другом и с окружающей средой, является более точной и описательной моделью для экосистем. Пищевая сеть — это концепция, которая учитывает множественные трофические (пищевые) взаимодействия между каждым видом и многими видами, которыми он может питаться или которые питаются им.В пищевой сети несколько трофических связей между каждым видом и другими видами, которые с ним взаимодействуют, могут пересекать несколько трофических уровней. Движение вещества и энергии практически во всех экосистемах более точно описывается пищевыми цепями ([Рисунок 5]).

Рисунок 5: Эта пищевая сеть показывает взаимодействия между организмами на трофических уровнях. Стрелки указывают на организм, который потребляет, на организм, который его потребляет. Все производители и потребители в конечном итоге становятся пищей для разложителей (грибов, плесени, дождевых червей и бактерий в почве).(кредит «лиса»: модификация работы Кевина Бахера, NPS; кредит «сова»: модификация работы Джона и Карен Холлингсворт, USFWS; кредит «змея»: модификация работы Стива Джурветсона; кредит «робин»: модификация работы работа Алана Вернона; кредит «лягушка»: модификация работы Алессандро Катенацци; кредит «паук»: модификация работы «Sanba38» / Wikimedia Commons; кредит «многоножка»: модификация работы «Bauerph» / Wikimedia Commons; «Белка»: модификация работы Доун Хучек; кредит «мышь»: модификация работы NIGMS, NIH; кредит «воробей»: модификация работы Дэвида Фрила; кредит «жук»: модификация работы Скотта Бауэра, Министерство сельского хозяйства США Исследовательская служба; кредитные «грибы»: модификация работы Криса Ви; кредитный «слепок»: модификация работы доктораЛюсиль Георг, CDC; кредит «дождевой червь»: модификация работы Роба Хилле; кредитные «бактерии»: модификация работы Дона Сталона, CDC)

Отправляйтесь в этот интерактивный интерактивный симулятор, чтобы исследовать функцию пищевой сети. В поле Interactive Labs под Food Web щелкните Step 1 . Сначала прочтите инструкции, а затем щелкните Step 2 для получения дополнительных инструкций. Когда вы будете готовы создать симуляцию, в правом верхнем углу поля Interactive Labs щелкните OPEN SIMULATOR .

Часто показаны два основных типа пищевых сетей, взаимодействующих в рамках одной экосистемы. В основе пастбищной пищевой сети есть растения или другие фотосинтезирующие организмы, за которыми следуют травоядные и различные плотоядные животные. Обломочная пищевая сеть состоит из основы организмов, которые питаются разлагающимся органическим веществом (мертвые организмы), включая разлагатели (которые разрушают мертвые и разлагающиеся организмы) и детритофаги (которые потребляют органический детрит). Эти организмы обычно представляют собой бактерии, грибы и беспозвоночные животные, которые перерабатывают органический материал обратно в биотическую часть экосистемы, поскольку сами потребляются другими организмами. Поскольку экосистемам требуется метод вторичного использования материала мертвых организмов, у пастбищных пищевых сетей есть связанная с ними детритная пищевая сеть. Например, в экосистеме луга растения могут поддерживать пастбищную пищевую сеть различных организмов, первичных и других уровней потребителей, и в то же время поддерживать детритную пищевую сеть бактерий и грибов, питающихся мертвыми растениями и животными. Одновременно обломочная пищевая сеть может вносить энергию в пастбищную пищевую сеть, как когда малиновка ест дождевого червя.

Все живые существа в той или иной форме нуждаются в энергии.Энергия используется наиболее сложными метаболическими путями (обычно в форме АТФ), особенно теми, которые отвечают за построение больших молекул из более мелких соединений. Живые организмы не смогли бы собирать макромолекулы (белки, липиды, нуклеиновые кислоты и сложные углеводы) из своих мономеров без постоянного ввода энергии.

Диаграммы

пищевой сети показывают, как энергия течет через экосистемы. Они также могут указать, насколько эффективно организмы получают энергию, используют ее и сколько остается для использования другими организмами пищевой сети.Энергия приобретается живыми существами двумя способами: автотрофы используют свет или химическую энергию, а гетеротрофы получают энергию за счет потребления и переваривания других живых или ранее живых организмов.

Фотосинтезирующие и хемосинтетические организмы являются автотрофами, то есть организмами, способными синтезировать свою собственную пищу (более конкретно, способными использовать неорганический углерод в качестве источника углерода). Фотосинтетические автотрофы (фотоавтотрофы) используют солнечный свет в качестве источника энергии, а хемосинтетические автотрофы (хемоавтотрофы) используют неорганические молекулы в качестве источника энергии.Автотрофы имеют решающее значение для большинства экосистем: они представляют собой трофический уровень продуцентов. Без этих организмов энергия не была бы доступна другим живым организмам, а сама жизнь была бы невозможна.

Фотоавтотрофы, такие как растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии, являются источником энергии для большинства экосистем мира. Эти экосистемы часто описываются пастбищами и детритовыми пищевыми сетями. Фотоавтотрофы используют солнечную энергию, преобразовывая ее в химическую энергию в форме АТФ (и НАДФ).Энергия, запасенная в АТФ, используется для синтеза сложных органических молекул, таких как глюкоза. Скорость, с которой производители фотосинтеза поглощают энергию Солнца, называется валовой первичной продуктивностью. Однако не вся энергия, выделяемая производителями, доступна другим организмам в пищевой сети, поскольку производители также должны расти и воспроизводиться, что потребляет энергию. Чистая первичная продуктивность — это энергия, которая остается у производителей после учета дыхания этих организмов и потерь тепла.Таким образом, чистая продуктивность становится доступной для первичных потребителей на следующем трофическом уровне.

Хемоавтотрофы — это в первую очередь бактерии и археи, которые встречаются в редких экосистемах, где отсутствует солнечный свет, например, в экосистемах, связанных с темными пещерами или гидротермальными жерлами на дне океана ([Рис. 6]). Многие хемоавтотрофы в гидротермальных источниках используют сероводород (H ₂ S), который выделяется из источников в качестве источника химической энергии; это позволяет им синтезировать сложные органические молекулы, такие как глюкоза, для получения собственной энергии и, в свою очередь, снабжать энергией остальную часть экосистемы.

Рис. 6. Плавучие креветки, несколько приземистых омаров и сотни мидий видны у гидротермального источника на дне океана. Поскольку солнечный свет не проникает на эту глубину, экосистема поддерживается хемоавтотрофными бактериями и органическим материалом, который тонет с поверхности океана. Этот снимок был сделан в 2006 году у затопленного вулкана Северо-Западный Эйфуку у побережья Японии Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA). Вершина этого высокоактивного вулкана находится на 1535 м ниже поверхности.

Одним из наиболее важных последствий динамики экосистемы с точки зрения антропогенного воздействия является биомагнификация. Биомагнификация — это возрастающая концентрация стойких токсичных веществ в организмах на каждом последующем трофическом уровне. Это жирорастворимые, но не водорастворимые вещества, которые хранятся в жировых запасах каждого организма. Было показано, что многие вещества обладают способностью к биоусилению, включая классические исследования с пестицидом дихлордифенилтрихлорэтаном (ДДТ), которые были описаны Рэйчел Карсон в бестселлере 1960-х годов « Silent Spring ».ДДТ был широко используемым пестицидом до того, как стала известна его опасность для таких потребителей, как белоголовый орлан. В водных экосистемах организмы каждого трофического уровня потребляли множество организмов на более низком уровне, что привело к увеличению количества ДДТ у птиц (верхних потребителей), которые поедали рыбу. Таким образом, птицы накопили достаточное количество ДДТ, чтобы их скорлупа стала ломкой. Этот эффект увеличивал разбитие яиц во время гнездования и, как было показано, имел разрушительные последствия для этих популяций птиц. Использование ДДТ было запрещено в США в 1970-х годах.

Другими веществами, способствующими биоусилению, являются полихлорированные бифенилы (ПХБ), которые использовались в качестве охлаждающих жидкостей в Соединенных Штатах до тех пор, пока их использование не было запрещено в 1979 году, а также тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец и кадмий. Эти вещества лучше всего изучены в водных экосистемах, где хищные виды рыб накапливают очень высокие концентрации токсичных веществ, которые находятся в довольно низких концентрациях в окружающей среде и в продуцентах. Как показано в исследовании, проведенном NOAA в заливе Сагино озера Гурон Великих озер Северной Америки ([Рис. 7]), концентрации ПХБ увеличивались за счет продуцентов экосистемы (фитопланктона) за счет различных трофических уровней видов рыб.Верхний потребитель, судак, содержит более чем в четыре раза больше ПХБ по сравнению с фитопланктоном. Кроме того, согласно результатам других исследований, птицы, которые едят эту рыбу, могут иметь уровни ПХБ, по крайней мере, на порядок выше, чем в озерной рыбе.

Рисунок 7: На этой диаграмме показаны концентрации ПХБ, обнаруженные на различных трофических уровнях в экосистеме залива Сагино озера Гурон. Обратите внимание, что рыбы на более высоких трофических уровнях накапливают больше ПХБ, чем рыбы на более низких трофических уровнях.(кредит: Патрисия Ван Хоф, NOAA)

Другие проблемы были вызваны биомагнификацией тяжелых металлов, таких как ртуть и кадмий, в определенных типах морепродуктов. Агентство по охране окружающей среды США рекомендует беременным женщинам и маленьким детям не употреблять в пищу рыбу-меч, акулу, королевскую макрель или кафельную рыбу из-за высокого содержания в них ртути. Этим людям рекомендуется есть рыбу с низким содержанием ртути: лосось, креветки, минтай и сом. Биомагнификация — хороший пример того, как динамика экосистемы может влиять на нашу повседневную жизнь, даже на пищу, которую мы едим.

Экосистемы существуют под землей, на суше, в море и в воздухе. Организмы в экосистеме приобретают энергию различными способами, которая передается между трофическими уровнями, когда энергия течет от основания к вершине пищевой сети, с потерей энергии при каждой передаче. Энергия теряется на каждом трофическом уровне, поэтому длина пищевых цепей ограничена, потому что есть точка, в которой остается недостаточно энергии для поддержки населения потребителей. Жирорастворимые соединения увеличивают биоразлагаемость пищевой цепи, нанося ущерб основным потребителям.даже при низкой концентрации токсина в окружающей среде.

С каким классом пищевой сети связаны разлагатели?

1. выпас
2. обломок
3. перевернутое
4. водный

[show-answer q = ”276629 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 276629 ″] 2 [/ hidden-answer]

Производитель в пищевой сети океанских пастбищ обычно ________.

1. завод
2. животное
3. грибов
4. планктон

[show-answer q = ”330783 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 330783 ″] 4 [/ hidden-answer]

Какой термин описывает процесс увеличения количества токсичных веществ на трофических уровнях экосистемы?

1. биомассификация
2. биомагнификация
3. биоэнтропия
4. гетеротрофия

[show-answer q = ”100762 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 100762 ″] 2 [/ hidden-answer]

Сравните пастбищные и детритные пищевые сети. Почему они оба присутствуют в одной экосистеме?

Пищевые пищевые сети имеют в своей основе производителя, который является либо растением для наземных экосистем, либо фитопланктоном для водных экосистем. Производители передают свою энергию различным трофическим уровням потребителей. В основе детритных пищевых сетей лежат разложители, которые передают свою энергию множеству других потребителей. Детритные пищевые сети важны для здоровья многих пастбищных пищевых сетей, поскольку они устраняют мертвые и разлагающиеся органические материалы, тем самым освобождая пространство для новых организмов и устраняя потенциальные причины болезней.

Глоссарий

автотроф

Организм, способный синтезировать собственные молекулы пищи из более мелких неорганических молекул

верхний потребитель

Организм на вершине пищевой цепи

биомагнификация

возрастающая концентрация стойких токсичных веществ в организмах на каждом трофическом уровне, от производителей до конечных потребителей

биом

крупномасштабное сообщество организмов, в первую очередь определяемое на суше доминирующими типами растений, которые существуют в географических регионах планеты со схожими климатическими условиями

хемоавтотроф

Организм, способный синтезировать собственную пищу, используя энергию неорганических молекул

детритовая пищевая сеть

тип пищевой сети, которая поддерживается мертвыми или разлагающимися организмами, а не живыми автотрофами; они часто связаны с выпасом пищевых сетей в пределах одной экосистемы

экосистема

Сообщество живых организмов и их взаимодействия с абиотической средой

равновесие

установившееся состояние системы, в котором отношения между элементами системы не меняются

пищевая цепь

линейная последовательность трофических (кормовых) отношений производителей, первичных потребителей и потребителей более высокого уровня

пищевая сеть

сеть трофических (кормовых) отношений между производителями, первичными потребителями и потребителями более высокого уровня в экосистеме

пастбищная пищевая сеть

тип пищевой сети, продуцентами которой являются растения на суше или фитопланктон в воде; часто ассоциируется с детритной пищевой цепью в пределах одной экосистемы

валовая первичная производительность

скорость, с которой производители фотосинтеза поглощают энергию Солнца

чистая первичная продуктивность

энергия, которая остается в производителях после учета дыхания организмов и потерь тепла

фотоавтотроф

Организм, который использует солнечный свет в качестве источника энергии для синтеза собственных молекул пищи

первичный потребитель

трофический уровень, который получает энергию от производителей экосистемы

производитель

трофический уровень, который получает свою энергию от солнечного света, неорганических химикатов или мертвого или разлагающегося органического материала

устойчивость (экологическая)

скорость, с которой экосистема восстанавливает равновесие после нарушения

сопротивление (экологическое)

способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения

вторичный потребитель

трофический уровень в экосистеме, обычно плотоядное животное, которое ест основного потребителя

третичный потребитель

трофический уровень в экосистеме, обычно плотоядные животные, поедающие других хищников

трофический уровень

положение вида или группы видов в пищевой цепи или пищевой сети

Раздел D: Потоки энергии в экосистемах — Энергетическое образование: концепции и практики

Цепи питания

«Эй, а что на ужин?»

«Саншайн. «

«Солнечный свет?»

«Да, солнышко». Почти все, что вы едите, можно проследить через пищевые цепи до солнца. Пищевая цепь состоит из ряда организмов, в которых первый поедается вторым, а второй поедается третьим. Во время этого процесса питательные вещества и энергия из съеденного организма передаются организму, который их ест.

Большая часть пищи, которую мы едим, поступает из простых пищевых цепочек, происходящих из сельскохозяйственных экосистем, контролируемых человеком.Например, говядина, которую мы едим, поступает от коровы, которая ела кукурузу. Кукуруза получила энергию от солнца.

Однако в естественных экосистемах ястреб может съесть змею, которая могла получить энергию от мыши, лягушки или кролика. Если он съел мышь, эта мышь могла съесть семена любого количества растений. Ни одна из этих пищевых цепей не похожа друг на друга, что затрудняет изучение передачи энергии.

Пищевая цепочка начинается с производителей , организмов, таких как зеленые растения, которые могут производить себе пищу. Посредством фотосинтеза производители преобразуют солнечную энергию в химическую энергию , энергию химических связей пищи. Из всей энергии, которую растение получает от солнца, только около три процента превращается в химическую энергию. Количество химической энергии варьируется в зависимости от вида растения и местоположения растения. (Дополнительную информацию о химической энергии см. В блоке What is Energy? .)

Растения едят потребитель , которые являются организмами, которые не могут производить себе пищу.Травоядные животные — потребители, которые едят только производителей. Потребители, которые охотятся на других потребителей, называются плотоядными. Если животное может получать энергию, поедая либо производителей, либо потребителей, оно всеядно.

Бизон — травоядное животное.

Волк — хищник.

Енот — всеядное животное.

Пищевая цепочка не состоит из определенного количества органического вещества и энергии, передаваемых от одного организма к другому подобно дубинке. На самом деле дубинка становится все меньше и меньше с каждой передачей. Когда травоядное животное ест растение, оно не получает всю энергию, полученную растением от солнца.Это снижение связано с тем, что травоядное животное может не есть все части растения и не может переваривать то, что ест. Эти непереваренные части растений выводятся как отходы. То же самое верно и для других организмов в пищевой цепочке (т.е. когда один организм ест второй, потребитель не получает всю энергию, полученную и содержащуюся во втором организме).

Другая причина, по которой энергия, полученная одним организмом, не передается в пищевой цепи, заключается в том, что она больше не доступна (Второй закон термодинамики).Часть энергии уже использовалась первым организмом. Растение использует часть получаемой энергии для роста и функционирования. Травоядное животное использует свою энергию для роста, но также для поиска пищи и бегства от хищников. Хищник использует большое количество энергии, чтобы преследовать свою пищу в дополнение к своим обычным жизненным процессам (например, дыханию, перевариванию пищи, перемещению). Энергия, которую используют эти организмы, в конечном итоге покидает их тела в виде тепла.

Количество энергии, которое передается от одного организма к другому, варьируется в разных пищевых цепочках. Как правило, около десять процентов энергии с одного уровня пищевой цепи переходит на следующий.

Поскольку энергия «теряется» с каждым последующим звеном, в организмах должно быть достаточно энергии, чтобы учесть эту потерю, и все еще иметь достаточно энергии, оставшейся для потребителей на следующем уровне.Другими словами, общая биомасса (органическое вещество) продуцентов должна быть больше, чем общая биомасса травоядных, которых они содержат, а общая биомасса травоядных животных должна быть больше, чем у плотоядных. Из-за этой потери энергии производителей обычно больше, чем травоядных, и больше травоядных, чем плотоядных в экосистеме.

Что происходит с огромным количеством органического материала (и его потенциальной энергии), который не потребляется или не переваривается? Разлагатели , такие как бактерии, грибы и мелкие животные, такие как муравьи и черви, поедают неживые органические вещества. Разлагатели возвращают питательные вещества обратно в пищевые цепи, а оставшаяся потенциальная энергия в неизрасходованном веществе используется и в конечном итоге рассеивается в виде тепла. Следовательно, деструкторы являются неотъемлемым компонентом всех экосистем (Первый и Второй законы термодинамики). (Обратитесь к разделу Energy Rules! для получения дополнительной информации о передаче энергии и законах термодинамики).

Пищевые цепи обеспечивают круговорот питательных веществ внутри экосистемы и обеспечивают механизм протекания энергии через экосистему.В естественных экосистемах эти пищевые цепи имеют множество альтернативных маршрутов, по которым может течь энергия, создавая интегрированные, сложные пищевые сети. Благодаря сельскому хозяйству люди упростили пищевые цепи, поэтому поток энергии стал более прямым. Почти все, что вы едите, очень легко отследить до его первоначального источника энергии: солнца. Можете ли вы проследить то, что вы ели сегодня, до солнца? (Взято из KEEP Energy Education Activity Guide «Игра в пищевую цепочку».)

Экосистемы

Экосистема состоит из видов в биологическом сообществе (живой компонент), взаимодействующих друг с другом и с физическими и химическими факторами, составляющими их среду (неживой компонент).Экосистема может быть такой же маленькой и непонятной, как травинка, весенний пруд или гниющее бревно. Он также может быть таким же большим и великолепным, как Эверглейдс во Флориде или тропический лес Амазонки. Некоторые ученые даже классифицируют Землю как работающую экосистему.

Взаимодействие видов включает такие отношения, как опыление, мутуализм, хищничество и разложение. Растения и животные в окружающей среде по-разному взаимодействуют друг с другом.Например, растения могут зависеть от насекомых или птиц для опыления цветов и от дождевых червей для аэрации почвы; животные могут зависеть от растений для еды или укрытия.

Примеры того, как растения и животные взаимодействуют с неживыми элементами окружающей среды, включают процессы поддержания жизни, такие как фотосинтез, очистка воды, испарение и дыхание. Физические факторы, такие как солнечный свет, влажность, температура и ветер, влияют на пригодность местности для определенных организмов.

Взаимодействие живых и неживых компонентов влияет на качества и характеристики экосистемы. Эти взаимодействия могут влиять на климат в пределах области (часто называемый микроклиматом). Например, в лесу высокие деревья блокируют солнечный свет, что создает тенистую влажную почву, где могут жить только определенные растения.

Энергия проявляется во всех живых и неживых компонентах экосистемы и во взаимодействиях между компонентами. Солнечный свет и ветер являются энергоресурсами, потенциальной энергией растений и животных, температура связана с тепловой энергией, а содержание влаги в почве и воздухе зависит от температуры. Следовательно, энергия влияет на то, какие типы растений и животных живут в экосистеме . Чтобы исследовать потоки энергии в вашем районе, не стесняйтесь участвовать в Ecosystem Survey (это необязательно для участников онлайн-модуля). (Обзор взят из Руководства по энергетическому образованию KEEP «Использование энергии в экосистеме.»)

Пищевые цепи и углеродный цикл

Когда мы говорим о потоке энергии в пищевых цепях, передача энергии между организмами также включает в себя перенос материи, в частности материалов на основе углерода. Однако, в отличие от энергии, углерод и другие элементы круговорота вещества в экосистемах используются снова и снова, когда они проходят через пищевые цепи, атмосферу, почву и воду.

Энергия позволяет углероду перемещаться через эти различные компоненты экосистемы, однако важно отметить, что углерод циклов в пределах системы, а энергия течет с через экосистему.

Перенос углерода и человеческое общество

Можно создать пищевые (энергетические) цепочки из других видов топлива, помимо пищи. Например, то, как мы приводим в действие наши дома и запускаем наши машины, — это разновидности пищевых цепочек. Источниками топлива являются в основном ископаемые виды топлива, которые сжигаются, чтобы обеспечить наше общество энергией. Как и в цепях питания, использование энергии для питания наших домов или управления автомобилями включает поток энергии и круговорот углерода (см. Рисунок выше). И, как и в случае с пищевыми цепями, энергия «тратится» или «теряется» при каждой передаче.

Другие отходы использования энергии, связанные со сжиганием нашего топлива (в основном ископаемого топлива), способствовали возникновению важных экологических проблем в нашем обществе, таких как кислотные дожди и глобальное изменение климата.

Поздравляем! Вы завершили Раздел 3: Энергия в нашей жизни — Часть I

Пищевые сети — цикл питательных веществ

Экосистемы состоят из живых существ ( биотических ), таких как растения, животные и крошечные бактерии ( микроорганизмов, ) и неживых существ ( абиотических ), например камни, вода, воздух и солнечный свет.

Экосистеме необходим баланс живых и неживых существ. При достаточном количестве солнечного света, теплой температуре и воде растения будут расти. Растения также нуждаются в питательных веществах почвы для роста. Многие растения приспособились даже к тени, очень малой воде и холоду.

Растения, растущие в экосистеме, в свою очередь, поддерживают жизнь животных. Растения называются производителями , потому что они производят энергию в экосистеме с помощью солнечного света. фотосинтез. Затем они передают свою энергию животным, которые их едят.Животные съедены другими животными и снова передают энергию.

Энергия течет через экосистему, когда одно животное ест другое животное или растение. Это называется пищевой цепочкой и показывает, «кто кого ест» в экосистеме. Например: Листья служат пищей для гусеницы, которую съедает певчая птица, а затем ее съедает сокол. Энергия течет по пищевой цепочке от растения к животному.

У каждой части пищевой цепочки есть название.Растения сами производят (производят) пищу, используя воду, солнечный свет и углекислый газ (фотосинтез). Растений больше, чем любого другого живого существа, потому что они являются нижней частью пищевой цепочки и обеспечивают энергией все остальное. При каждом обмене часть энергии теряется в виде тепла. Таким образом, в нижней части пищевой цепочки должно быть намного больше растений, чтобы поддерживать животных наверху.
Растения ПРОИЗВОДИТЕЛИ или АВТОТРОФЫ (самоподъемники).

Животные (насекомые, мыши, бурундуки, белки, кролики, олени), которые в основном едят растения, называются травоядными . Травоядных меньше, чем растений, потому что каждому травоядному нужно много растительного вещества, чтобы жить, и, поедая растения, некоторая энергия теряется на тепло. Травоядные животные питаются непосредственно производителями.

Травоядные — это ПЕРВИЧНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ .

Животные (пауки, птицы, змеи), которые едят других животных, — это ВТОРИЧНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ .Вторичных потребителей меньше, чем первичных, потому что каждому вторичному потребителю нужно съесть больше первичных, чтобы выжить.

Животные (лисы, койоты, орлы, совы), которые поедают 1-го и 2-го потребителей, — это плотоядные животные (мясоеды). Это ТРЕТЬИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ. Третичных потребителей меньше, чем вторичных, потому что каждому третичному потребителю нужно съесть много вторичных потребителей, чтобы выжить.

Поскольку по мере продвижения вверх по пищевой цепочке становится меньше животных, это на самом деле пищевая пирамида, где крупные плотоядные животные должны есть больше всего, и поэтому они являются самыми редкими в животном мире.
Поскольку животные на самом деле едят много вещей, пищевая цепочка имеет много пересекающихся частей, поэтому на самом деле это FOOD WEB .

И последнее, но не менее важное: РАЗЛОЖИТЕЛИ (грибы и бактерии) или ДЕТРИТЕРЫ (насекомые) питаются мертвыми животными и растениями, высвобождая свои питательные вещества обратно в почву.В экосистеме ничего не тратится зря.

Глава 5 ~ Потоки и циклы питательных веществ — Наука об окружающей среде

После завершения этой главы вы сможете:

1. Объясните, что такое питательные вещества, и приведите примеры.
2. Обсудите концепцию круговорота питательных веществ и опишите важные компартменты и потоки.
3. Опишите факторы, влияющие на развитие основных типов почв.
4. Опишите циклы углерода, азота, фосфора и серы.

Питательные вещества — это любые химические вещества, которые необходимы для нормального функционирования организмов. Мы можем выделить два основных типа питательных веществ: (1) неорганические химические вещества, которые необходимы автотрофным организмам для фотосинтеза и метаболизма, и (2) органические соединения, потребляемые в пищу гетеротрофными организмами. В этой главе рассматриваются неорганические питательные вещества.

Растения поглощают широкий спектр неорганических питательных веществ из окружающей среды, обычно в виде простых соединений. Например, большинство растений получают углерод в виде газообразного диоксида углерода (CO ₂ ) из атмосферы, азот в виде ионов (заряженных молекул), нитрата (NO ₃ -) или аммония (NH ₄ +), их фосфор в виде фосфата (PO ₄ ^3–), а их кальций и магний в виде простых ионов (Ca ²⁺ и Mg ²⁺ ).Ионы образуются в растворенном виде в почвенной воде, поглощаемой корнями растений. Растения используют эти различные питательные вещества в фотосинтезе и других метаболических процессах для производства всех биохимических веществ, необходимых для роста и воспроизводства.

Некоторые неорганические питательные вещества, называемые макроэлементами, необходимы растениям в относительно больших количествах. Это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. Углерод и кислород требуются в самых больших количествах, потому что углерод обычно составляет около 50% от сухой массы биомассы растений, а кислород несколько меньше.На водород приходится около 6% сухой биомассы растений, в то время как азот и калий присутствуют в концентрациях 1-2%, а кальций, фосфор, магний и сера составляют 0,1-0,5%. Микроэлементы необходимы в гораздо меньших количествах, и они включают бор, хлор, медь, железо, марганец, молибден и цинк. На каждый из них приходится менее 0,01% растительной биомассы и всего несколько частей на миллион (ppm, или 10–6; 1 ppm эквивалентна 0,0001%; ​​см. Приложение A).

Изображение 5.1. Продуктивность естественной экосистемы часто ограничивается поступлением питательных веществ. Это можно проверить, экспериментально добавив удобрение в систему. В этом случае азотные удобрения были внесены на луг в арктической тундре на острове Элсмир, что привело к повышению урожайности. Экспериментальный участок имеет немного более темный цвет. Источник: Б. Фридман.

Гетеротрофы получают необходимые им питательные вещества из пищи, которую они едят, которая может быть растительной биомассой (в случае травоядного животного), другими гетеротрофами (плотоядное животное) или и тем, и другим (всеядным).Проглоченная биомасса содержит питательные вещества в различных органически связанных формах. Животные переваривают органические формы питательных веществ в кишечнике и усваивают их в виде простых органических или неорганических соединений, которые они используют для синтеза своих собственных необходимых биохимических веществ посредством различных метаболических процессов.

Хотя Земля получает небольшое количество материала в результате ударов метеоритов, эти внеземные поступления незначительны по сравнению с массой планеты. По сути, на глобальном уровне Земля представляет собой изолированную систему с материальной точки зрения.Как следствие этого факта, питательные вещества и другие материалы «циркулируют» внутри экосистем и между ними. Напротив, энергия всегда «течет» через экосистемы и биосферу (Глава 4). Круговорот питательных веществ относится к переносу, химическим превращениям и повторному использованию питательных веществ в экосистемах. Бюджет питательных веществ — это количественная (числовая) оценка скорости поступления и выхода питательных веществ в экосистему и из нее, а также количеств, присутствующих и переданных в системе.

Основные элементы цикла питательных веществ показаны на Рисунке 5.1. Внешняя граница диаграммы определяет границы экосистемы. (Он может даже представлять всю биосферу, и в этом случае не будет входов или выходов системы.) В экологических исследованиях система часто определяется как конкретный ландшафт, озеро или водораздел (наземный бассейн, из которого вода стекает в ручей или озеро). Каждая из этих систем имеет входы и выходы питательных веществ, уровень которых можно измерить.

Ящики внутри границы представляют собой отсеки, в каждом из которых хранится определенное количество материала. Размеры отсеков обычно выражаются в единицах массы на единицу площади поверхности. Примеры таких единиц — килограммы на гектар (кг / га) или тонны на гектар (т / га). В водных исследованиях размеры отсеков могут быть выражены на единицу объема воды (например, г / м ³ ). Стрелки на схеме представляют потоки или перенос материала между отсеками. Потоки представляют собой функции скорости и измеряются в единицах массы на единицу площади за время (например, кг / га-год).

Систему можно разделить на четыре основных части:

1. Атмосфера состоит из газов и небольших концентраций взвешенных частиц и водяного пара.
2. Камни и почва состоят из нерастворимых минералов, которые напрямую не доступны для поглощения организмами.
3. Доступные питательные вещества присутствуют в химических формах, которые до некоторой степени растворимы в воде, поэтому они могут поглощаться организмами из окружающей среды и вносить свой вклад в их минеральное питание.
4. Органический отсек состоит из питательных веществ, присутствующих в живом и мертвом органическом веществе.Этот компартмент можно разделить на три функциональные группы: (а) живая биомасса автотрофов, таких как растения, водоросли и автотрофные бактерии, (б) живые гетеротрофы, включая травоядных, плотоядных, всеядных и детритоядных, и (в) и все формы мертвое органическое вещество.

Основные перемещения материала между отсеками или потоками также показаны на Рисунке 5.1. Это важные пути переноса в круговороте питательных веществ. Например, нерастворимые формы питательных веществ в горных породах и почве становятся доступными для поглощения организмами в результате различных химических превращений, таких как выветривание, которые делают питательные вещества растворимыми в воде.Это отменяется реакциями, которые производят нерастворимые соединения из растворимых. Эти последние реакции образуют вторичные минералы, такие как карбонаты (например, известняк, CaCO ₃ и доломит, MgCO ₃ ), оксиды железа и алюминия (Fe ₂ O ₃ и Al (OH) ₃ ) , сульфиды (например, сульфид железа, FeS ₂ ) и другие соединения, которые напрямую не доступны для биологического поглощения.

Рисунок 5.1. Концептуальная схема цикла питательных веществ.На этой диаграмме показаны основные элементы цикла питательных веществ для конкретной экосистемы, например водосбора. Каждый прямоугольник представляет собой отсек (атмосфера, почва и камни, органический материал и доступные питательные вещества), содержащий определенное количество материала. Стрелки представляют потоки или перенос материала между отсеками. Источник: на основе данных Likens et al. (1977).

Другие потоки в круговоротах питательных веществ включают биологическое поглощение питательных веществ из атмосферы или доступного резервуара в почве.Например, листва растений усваивает углекислый газ (CO ₂ ) из воздуха, а корни поглощают ионы нитрата (NO ₃ -) и аммония (NH ₄ +), растворенные в почвенной воде. Затем растения метаболически фиксируют эти питательные вещества в своей растущей биомассе. Затем органические питательные вещества могут попасть в пищевую сеть и в конечном итоге откладываться в виде мертвой биомассы. Органические питательные вещества в мертвой биомассе повторно используются в результате разложения и минерализации, которые восстанавливают запас доступных питательных веществ.

Эти концепции рассматриваются более подробно в следующих разделах.Первоначально мы исследуем почвенную экосистему, в которой круговорот питательных веществ происходит в основном в наземных средах обитания. Затем мы рассмотрим ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.

Почва представляет собой сложную и изменчивую смесь фрагментов горных пород, органического вещества, влаги, газов и живых организмов, которая покрывает почти все наземные ландшафты. Почва обеспечивает механическую поддержку роста даже для деревьев высотой до 100 м. Почва также хранит воду и питательные вещества для использования растениями и обеспечивает среду обитания для многих организмов, которые активны в разложении мертвой биомассы и повторном использовании содержащихся в ней питательных веществ.Почва является составной частью всех наземных экосистем, но сама по себе она также является динамической экосистемой.

Почва в течение длительного времени развивается до зрелого состояния. По сути, почва происходит из так называемого исходного материала, который состоит из горных пород и минералов, которые встречаются в пределах метра или около того от поверхности. Исходные материалы на большей части территории Канады откладывались в результате ледниковых процессов, часто в виде сложной смеси, известной как тилль, которая содержит фрагменты горных пород разного размера и минералогического состава.Однако в некоторых районах материнские материалы откладывались под огромными внутренними озерами, обычно в послеледниковые времена. Такие места обычно плоские и имеют однородные, мелкозернистые почвы, по текстуре от глины до песка. (Частицы глины имеют диаметр менее 0,002 мм, а ил — от 0,002 до 0,05 мм, песок — от 0,05 до 2 мм, гравий — от 2 до 20 мм, а крупный гравий и щебень — более 20 мм.) текстурная классификация почв по процентному содержанию частиц глины, ила и песка.

Рисунок 5. 2. Текстурная классификация почв. Процентный состав частиц размером с глину, ил и песок используется для классификации почв на 12 основных типов, которые показаны. Источник: модифицировано из Foth (1990).

В других регионах материнский материал, известный как лёсс, получают из ила, перенесенного ветром из других мест. Из-за очень маленького размера частиц почва, богатая глиной, имеет огромную площадь поверхности, что придает ей важные химические свойства, такие как способность связывать многие ионы питательных веществ.

Характеристики основного материала имеют важное влияние на тип почвы, которая в конечном итоге образуется. Однако на развитие почвы также сильно влияют биологические процессы и климатические факторы, такие как осадки и температура.

Например, вода из осадков растворяет определенные минералы и уносит образующиеся ионы вниз. Этот процесс, известный как выщелачивание, изменяет химический и минералогический состав как поверхностных, так и более глубоких частей почвы. Кроме того, поступление подстилки (мертвой биомассы) растений увеличивает содержание органического вещества в почве. Свежая подстилка является пищевым субстратом для многих видов животных, обитающих в почве, грибов и бактерий-разлагателей. Эти организмы в конечном итоге окисляют органический мусор до двуокиси углерода, воды и неорганических питательных веществ, таких как аммоний, хотя некоторые вещества остаются в виде сложного органического вещества, известного как гумус. По мере развития почвы они принимают вертикальную стратификацию, известную как профиль почвы, которая имеет узнаваемые слои, известные как горизонты.С поверхности вниз основными горизонтами развитого почвенного профиля являются:

Почва, измененная под влиянием человека, может быть стратифицирована по-разному. На пашне, например, на поверхности образуется однородный пахотный слой (A _p ) 15-20 см. Пахотный слой однороден по структуре, так как на протяжении многих лет неоднократно перемешивался. Кроме того, в почве сельскохозяйственных земель часто не хватает органических веществ, она уплотняется из-за многократного проезда тяжелой техники, ухудшается по структуре, концентрации питательных веществ и другим качествам, важным для ее способности поддерживать урожайность сельскохозяйственных культур. Эти предметы рассматриваются более подробно в главах 14 и 24.

Изображение 5.2. Почвы в природных экосистемах часто имеют вертикальную стратификацию. Обычно на поверхности есть богатые органикой горизонты, а внизу — богатые минералами. Эта почвенная «яма» была вырыта в бореальном лесу с преобладанием елей в Лабрадоре. Под более темным органическим поверхностным слоем находится светлый минеральный горизонт, из которого ионы железа и алюминия вымываются вниз просачивающейся водой. Следующий красноватый слой — часть горизонта В, где отлагаются железо и алюминий.Светлый нижний слой является материнским материалом, который в данном случае представляет собой песок, отложившийся в реке Черчилль тысячи лет назад. Источник: Б. Фридман

.

Вообще говоря, почва в пределах определенного типа экосистемы, такой как тундра, хвойный лес, лиственный лес или прерия, имеет тенденцию развиваться особым образом. Почвы классифицируются по экологическим условиям, в которых они развивались. На самом высоком уровне классификации почвы разбиты на группы, называемые порядками, которые сами могут быть разделены на более подробные сборки.Наиболее важные заказы на почву в Канаде:

Важность почвы

Почвенная экосистема чрезвычайно важна. Наземные растения получают воду и большую часть необходимых им питательных веществ из почвы, поглощая их корнями. Почва также является средой обитания для большого разнообразия животных и микроорганизмов, которые играют решающую роль в разложении подстилки и круговороте питательных веществ.

Почва имеет экономическое значение, потому что она критически влияет на виды сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать (эта тема рассматривается в главе 14).Некоторые из наиболее продуктивных сельскохозяйственных почв представляют собой аллювиальные отложения, обнаруженные вдоль рек и их дельт, где периодические наводнения и отложения ила приносят обильные запасы питательных веществ. Чернозем и брунизол, если они не слишком каменистые, также являются плодородными и полезными для сельского хозяйства. Большая часть сельского хозяйства прерий развита на черноземных почвах, в то время как большая часть плодородных сельскохозяйственных земель южного Квебека и Онтарио относится к типам брунизол.

Углерод — один из основных строительных блоков жизни и самый распространенный элемент в организмах, составляющий около половины типичной сухой биомассы.Ключевые аспекты глобального углеродного цикла представлены на Рисунке 5.3 (см. Также Главу 17 и Рисунок 17.1). Газообразный диоксид углерода (CO ₂ ) является наиболее распространенной формой углерода в атмосфере, где он встречается в концентрации около 400 ppm (0,04%), хотя метан (CH ₄ , 1,8 ppm) также имеет значение.

Рисунок 5.3. Модель глобального углеродного цикла. Углерод хранится в различных отсеках (атмосфера, органический материал, океаны и почва / горная порода) и перемещается из одного ящика в другой.Количество углерода в отсеках выражается в миллиардах тонн углерода (10 ⁹ т или гигатонны, Гт), а потоки между ними составляют 10 ⁹ т / год. На основании данных Blasing (1985), Solomon et al. (1985) и Фридман (1995).

Атмосферный CO ₂ является важным питательным веществом для фотосинтезирующих организмов, таких как растения и водоросли. Растения поглощают этот газ через крошечные поры (называемые устьицами) в своей листве, фиксируют его в простые сахара, а затем используют фиксированную энергию для поддержки своего дыхания и достижения роста и размножения.Биомасса автотрофов доступна для потребления гетеротрофами и прохождения через пищевые сети. Все организмы выделяют в атмосферу CO ₂ в качестве побочного продукта своего респираторного метаболизма.

CO ₂ также является наиболее частым выбросом, связанным с разложением мертвого органического вещества. Однако, если этот процесс происходит в анаэробных условиях (в которых кислород, O ₂ , отсутствует), то выделяются как CO ₂ , так и CH ₄ .Поскольку анаэробное разложение относительно неэффективно, мертвое органическое вещество часто накапливается в водно-болотных угодьях, таких как болота и трясины, в конечном итоге образуя торф. При подходящих геологических условиях глубокого захоронения, высокого давления и температуры, а также при недостатке кислорода торф и другие органические материалы могут медленно превращаться в богатые углеродом ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ (см. Главу 13).

Атмосферный CO ₂ также растворяется в океанической воде с образованием бикарбонат-иона (HCO ₃ -), который может захватываться и фиксироваться фотосинтезирующими водорослями и бактериями, которые составляют основу морской пищевой сети.Различные морские организмы также используют океанический CO ₂ и HCO ₃ — для производства своих панцирей из карбоната кальция (CaCO ₃ ), нерастворимого минерала, который медленно накапливается в отложениях и может со временем литифицироваться в известняк (также CaCO ₃ ). ).

Практически на протяжении всего геологического времени количество CO ₂ , поглощенное мировой биотой из атмосферы, было таким же, как количество CO, выделяемого при дыхании и разложении. Следовательно, круговорот этого питательного вещества можно рассматривать как стационарную систему.Однако в наше время антропогенные выбросы изменили баланс углерода в атмосфере. Глобальные выбросы CO ₂ и CH ₄ в настоящее время превышают поглощение этих газов, дисбаланс, который привел к увеличению концентраций в атмосфере. Это явление, по-видимому, усиливает парниковый эффект Земли и приводит к глобальному потеплению (см. Главу 17).

Азот — еще одно важное питательное вещество для организмов, являющееся неотъемлемым компонентом многих биохимических веществ, включая аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.Как и углеродный цикл, азот имеет важную атмосферную фазу. Однако, в отличие от углерода, азот не является важным компонентом горных пород и минералов. Следовательно, атмосферный резервуар играет первостепенную роль в круговороте азота (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Модель глобального цикла азота. Азот находится в трех основных частях: атмосфера, органический материал суши и органический материал океана. Количество азота, хранящегося в отсеках, выражается в миллионах тонн азота (10 ⁶ т или мегатонн, Мт), в то время как потоки выражаются в 10 ⁶ т / год.Основано на данных Hutzinger (1982) и Freedman (1995).

Практически весь азот в атмосфере присутствует в виде газообразного азота (N ₂ , иногда называемого диазотом), концентрация которого составляет 78%. Другими газообразными формами азота являются аммиак (NH ₃ ), оксид азота (NO), диоксид азота (NO ₂ ) и закись азота (N ₂ O). Эти следовые газы обычно присутствуют в атмосферных концентрациях намного ниже 1 ppm, хотя могут быть и большие количества вблизи источников антропогенных выбросов (см. Главу 16).Азот также присутствует в микрочастицах, содержащих нитрат (NO ₃ -) и аммоний (NH ₄ +), таких как нитрат аммония (NH ₄ NO ₃ ) и сульфат аммония ((NH ₄ ) ₂ SO ₄ ), оба из которых могут быть значительными загрязнителями, связанными с кислотными дождями и дымкой (см. Главы 16 и 19).

Азот присутствует во многих дополнительных формах в наземных и водных средах. «Органический азот» относится к большому разнообразию азотсодержащих молекул в живой и мертвой биомассе.Эти химические вещества различаются по характеру от простых аминокислот, белков и нуклеиновых кислот до больших и сложных молекул, которые являются компонентами гумифицированного органического вещества. Азот в экосистемах также присутствует в небольшом количестве неорганических соединений, наиболее важными из которых являются газы N ₂ и NH ₃ , а также ионы нитрата, нитрита (NO ₂ -) и аммония. Круговорот азота включает в себя преобразование и круговорот различных органических и неорганических форм азота в экосистемах.

Азотная фиксация

Поскольку два атома азота в газообразном диазоте удерживаются вместе прочной тройной связью, N ₂ является крайне инертным соединением. По этой причине N ₂ может непосредственно использоваться только несколькими специализированными организмами, хотя он чрезвычайно распространен в окружающей среде. Эти азотфиксирующие виды, все из которых являются микроорганизмами, обладают способностью метаболизировать N ₂ в газ NH ₃ , который затем может использоваться для их питания.Что еще более важно, NH ₃ также становится косвенно доступным для подавляющего большинства автотрофных растений и микроорганизмов, которые сами не могут фиксировать N ₂ .

Биологическая фиксация азота является критическим процессом — большинство экосистем зависит от него, чтобы обеспечить азот, поддерживающий их первичную продуктивность. Фактически, поскольку азот не является важным компонентом горных пород и минералов почвы, фиксация N ₂ в конечном итоге отвечает за почти весь органический азот в биомассе организмов и экосистем по всей биосфере.Единственными другими значительными источниками фиксированного азота для экосистем являются атмосферное осаждение нитратов и аммония в виде осадков и пыли, а также поглощение газов NO и NO ₂ растениями. Однако, как правило, это второстепенные источники по сравнению с биологической фиксацией N ₂ .

Самыми известными из фиксирующих микроорганизмов N ₂ являются бактерии, называемые Rhizobium, которые живут в специализированных клубеньках на корнях бобовых растений, таких как горох и бобы.Некоторые небобовые культуры, такие как ольха, также живут в благоприятном симбиозе (мутуализм; см. Главу 9) с N ₂ — фиксирующими микроорганизмами. То же самое и с большинством лишайников, которые представляют собой мутуализм между грибами и водорослями. Многие другие микробы, фиксирующие N ₂ , свободно обитают в почве или воде, например цианобактерии (сине-зеленые бактерии).

Небиологическая фиксация азота также происходит, например, во время грозы, когда атмосферный N ₂ объединяется с O ₂ в условиях сильной жары и давления.Люди также могут вызвать исправление N ₂ . Например, азотные удобрения производятся путем объединения N ₂ с газообразным водородом (H ₂ , который производится из ископаемого топлива CH ₄ ) в присутствии железных катализаторов с получением NH ₃ . Кроме того, газ NO образуется в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, где N ₂ соединяется с O ₂ в условиях высокого давления и температуры. Большие количества NO выбрасываются в атмосферу с выхлопными газами транспортных средств, что способствует загрязнению воздуха (Глава 16).Антропогенная фиксация N ₂ сейчас составляет около 120 миллионов тонн в год, около 83% из которых приходится на производство удобрений. Это глобально важный компонент современного азотного цикла, который по величине сопоставим с нечеловеческой фиксацией N ₂ (около 170 миллионов тонн в год).

Изображение 5.3. Большинство видов семейства гороховых (Fabaceae), таких как эти соевые бобы, развивают мутуализм с бактериями Rhizobium. Rhizobium живут в клубеньках на корнях и связывают газообразный азот (N ₂ ) в аммиак (NH ₃ ), который растение может использовать в качестве питательного вещества.Источник: Патрикин Д.

Аммонификация и нитрификация

После смерти организма его органически связанный азот должен быть преобразован в неорганические формы; в противном случае рециркуляция фиксированного азота была бы невозможна (рис. 5.5). Начальной стадией этого процесса является аммонификация, при которой органический азот мертвой биомассы превращается в аммиак, который приобретает ион водорода (H ⁺ ) с образованием аммония (NH ₄ +). Таким образом, аммонификация является составной частью сложного процесса разложения, но специфичным для азотного цикла.Аммонификацию проводят самые разные микроорганизмы. Полученный аммоний является подходящим источником питания для многих видов растений, особенно тех, которые живут в среде с кислой почвой. Однако большинство растений не могут эффективно использовать NH ₄ +, и им требуется нитрат (NO ₃ -) в качестве основного источника азотного питания.

Нитрификация — это процесс, при котором нитрат синтезируется из аммония. Первым шагом является преобразование NH ₄ + в нитрит (NO ₂ -), функция, выполняемая бактериями, известными как Nitrosomonas.Как только нитрит образуется, он быстро окисляется до нитрата бактериями Nitrobacter. Поскольку Nitrosomonas и Nitrobacter чувствительны к кислотности, нитрификация не происходит в кислой почве или воде. Вот почему растения, растущие в кислой среде обитания, должны иметь возможность использовать аммоний в качестве источника азота.

Рисунок 5.5. Важные преобразования фиксированного азота в экосистемах. На диаграмме показаны основные превращения азота среди его наиболее важных неорганических форм в почве и водных экосистемах.Источник: модифицировано из Freedman (1995).

Денитрификация

При денитрификации, также выполняемой множеством видов микробов, нитрат превращается в любой из газов N ₂ O или N ₂ , которые выбрасываются в атмосферу. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, и ее скорость максимальна при высокой концентрации нитратов, например, на удобренных сельскохозяйственных землях, которые временно затоплены. В некоторых отношениях денитрификацию можно рассматривать как процесс, уравновешивающий азотфиксацию.Фактически, глобальные темпы фиксации азота и денитрификации находятся в приблизительном балансе, поэтому общее количество фиксированного азота в биосфере не сильно меняется с течением времени.

Фосфор является ключевым компонентом многих биохимических веществ, включая жиры и липиды, нуклеиновые кислоты, такие как генетические материалы ДНК и РНК, и молекулы, несущие энергию, такие как АТФ. Однако фосфор требуется организмам в гораздо меньших количествах, чем азот или углерод. Тем не менее, фосфора часто не хватает, поэтому он является важным питательным веществом во многих экосистемах, особенно в пресноводных и сельскохозяйственных.

В отличие от циклов углерода и азота, цикл фосфора не имеет значительной атмосферной фазы. Хотя соединения фосфора действительно присутствуют в атмосфере в виде следовых количеств в макрочастицах, результирующий вклад в экосистемы невелик по сравнению с количествами, доступными из почвенных минералов или внесения удобрений в сельскохозяйственные угодья. Фосфор имеет тенденцию перемещаться из наземных ландшафтов в поверхностные воды, а затем в конечном итоге в океаны, где он откладывается в отложениях, которые действуют как долгосрочный сток.Хотя некоторые фосфорные минералы в океанических отложениях в конечном итоге возвращаются на сушу в результате геологического подъема, связанного с горообразованием, это чрезвычайно медленный процесс и не имеет смысла в экологических временных масштабах. Следовательно, аспекты глобального цикла фосфора представляют собой проточную систему.

Тем не менее, определенные процессы действительно возвращают некоторое количество морского фосфора в части континентального ландшафта. Например, некоторые виды рыб проводят большую часть своей жизни в море, но мигрируют вверх по рекам для размножения.Когда их много, рыба, такая как лосось, привозит значительные количества органического фосфора в верховья рек, где он разлагается до фосфатов после нереста и гибели рыбы. Морские птицы, питающиеся рыбой, также играют важную роль в возвращении океанического фосфора на сушу через свои экскременты.

Почва является основным источником поглощения фосфора наземной растительностью. Ион фосфата (PO ₄ ^3–) является наиболее важной формой доступного для растений фосфора.Хотя фосфат-ионы обычно встречаются в почве в небольших концентрациях, они постоянно образуются из медленно растворяющихся минералов, таких как фосфаты кальция, магния и железа (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ , Mg ₃ (PO _{). 4} ) ₂ и FePO ₄ ). Фосфат также образуется в результате микробного окисления органического фосфора, составляющего более общий процесс разложения. Водорастворимый фосфат быстро всасывается микроорганизмами и корнями растений и используется в синтезе широкого спектра биохимических веществ.

Водные автотрофы также используют фосфаты в качестве основного источника фосфорного питания. Фактически, фосфат обычно является наиболее важным фактором, ограничивающим продуктивность пресноводных экосистем. Это означает, что первичная продуктивность увеличится, если система удобряется фосфатом, но не при обработке источниками азота или углерода (если сначала не будет добавлено достаточное количество PO ₄ ^3–; см. Главу 20). Озера и другие водные экосистемы получают большую часть фосфатов за счет стока с суши в водоразделах, а также за счет рециркуляции фосфора из донных отложений и органического фосфора, взвешенного в толще воды.

Люди сильно влияют на глобальный цикл фосфора, добывая его для производства удобрений и применяя этот материал на сельскохозяйственных землях для повышения их продуктивности. Некоторое время основным источником фосфорных удобрений был гуано, высушенные экскременты морских птиц. Гуано добывают на островах, таких как прибрежные районы Чили и Перу, где гнездовые колонии морских птиц многочисленны, а климат сухой, что позволяет гуано накапливаться. Однако в течение двадцатого века залежи осадочных фосфатных минералов были обнаружены в нескольких местах, например в южной Флориде.Фосфор стал геологически сконцентрированным в осадочных отложениях в этих местах в результате осаждения морских организмов в течение миллионов лет. Эти месторождения сейчас разрабатываются для получения минерального фосфора, используемого для производства сельскохозяйственных удобрений. Однако, когда эти легко используемые месторождения полезных ископаемых истощатся, фосфор может оказаться ограничивающим фактором для сельскохозяйственного производства в недалеком будущем.

Ежегодно производится около 50 миллионов тонн фосфорных удобрений.Это очень важный вклад в глобальный цикл фосфора, учитывая, что, по оценкам, около 200 миллионов тонн фосфора в год естественным образом абсорбируются из почвы растительностью.

Изображение 5.4. Там, где обитают колониальные морские птицы, их экскременты (гуано) можно добывать как источник богатых фосфором удобрений. Это вид на большую колонию рыбоядных бакланов гуанея (Phalacrocorax bougancillii) недалеко от Паракаса у побережья Перу. Высушенное гуано периодически очищают от камней и используют в сельскохозяйственных целях.Источник: Б. Фридман.

Проблемы окружающей среды 5.1. Слишком много хорошего — загрязнение питательными веществами
Питательные вещества необходимы для здорового метаболизма организмов и правильного функционирования экосистем. Часто увеличение поступления определенных питательных веществ повышает продуктивность диких и культурных растений — это принцип, лежащий в основе использования удобрений в сельском хозяйстве. Однако бывают также случаи, когда чрезмерное поступление питательных веществ вызывает серьезные экологические проблемы.

Поскольку наличие доступных форм азота (особенно NO ₃ — и NH ₄ +) часто является ограничивающим фактором для продуктивности сельского хозяйства, они, как правило, являются наиболее распространенными питательными веществами в удобрениях. Однако использование сельскохозяйственных удобрений может привести к концентрации NO ₃ — в питьевой воде, которая достаточно высока, чтобы быть токсичной для человека, особенно для младенцев (см. Главу 24). Мы также знаем, что растения могут поглощать газообразный NO и N ₂ O из атмосферы и использовать их в качестве питательных веществ, наряду с NO ₃ — и NH ₄ + из атмосферных осадков и почвенной воды. Тем не менее, газообразный NO и N ₂ O являются загрязнителями воздуха, если они встречаются в высоких концентрациях, особенно в солнечной среде, где они участвуют в фотохимическом производстве токсичного озона (см. Главу 16). Кроме того, большие количества NO ₃ — и NH ₄ + в дождь и снег могут способствовать возникновению кислотных дождей (см. Главу 19).

Есть и другие примеры экологических проблем, вызванных чрезмерным содержанием питательных веществ. Например, CO ₂ является одним из наиболее важных питательных веществ для растений, поскольку углерод составляет около половины биомассы растений.Но это важное питательное вещество присутствует в относительно небольшой концентрации в атмосфере — всего около 0,04%. Однако концентрация CO ₂ в атмосфере увеличилась примерно на 45% за последние два столетия и продолжает увеличиваться. Это хорошо задокументированное изменение способствует глобальному потеплению — важной экологической проблеме (см. Главу 17).

Эвтрофикация или чрезмерная продуктивность водоемов — еще одна экологическая проблема, связанная с чрезмерным поступлением питательных веществ.Чаще всего это вызвано превышением PO ₄ ^3–, обычно из-за сброса сточных вод или стока с удобренных сельскохозяйственных земель (см. Главу 20). Озера с высокой степенью эвтрофности деградировали с экологической точки зрения и больше не могут использоваться в качестве источника питьевой воды или для отдыха.

Очевидно, эти примеры показывают, что существует прекрасный баланс между химическими веществами, которые служат полезными питательными веществами или вредными загрязнителями.

Сера является ключевым компонентом некоторых аминокислот, белков и других биохимических веществ.Сера богата некоторыми минералами и горными породами, а также присутствует в почве, воде и атмосфере.

Сера в атмосфере присутствует в различных соединениях, некоторые из которых являются важными загрязнителями воздуха (см. Главу 16). Двуокись серы (SO ₂ ), газ, выделяется в результате извержений вулканов, а также выделяется угольными электростанциями и плавильными заводами. SO ₂ токсичен для многих растений при концентрациях ниже 1 ppm. В некоторых местах, например в районе Садбери, этот газ нанес серьезный экологический ущерб (Глава 16).

В атмосфере SO ₂ окисляется до аниона (отрицательно заряженный ион) сульфата (SO ₄ ^2–), который присутствует в виде крошечных частиц или растворяется во взвешенных каплях влаги. В этой форме отрицательный заряд сульфата должен уравновешиваться положительным зарядом катионов, таких как аммоний (NH ₄ +), кальций (Ca ₂ +) или ион водорода (H ⁺ , ключевой элемент. «кислотного дождя»; см. главу 19).

Сероводород (H ₂ S), имеющий запах тухлых яиц, естественным образом выделяется из вулканов и глубоководных жерл.Он также выделяется из мест обитания, где органические соединения серы разлагаются в анаэробных условиях, и из бедных кислородом водных систем, где SO ₄ ^2– восстанавливается до H ₂ S. Диметилсульфид представляет собой еще одно восстановленное содержание серы. газ, который производится в океанах и выбрасывается в атмосферу. В богатой кислородом среде, такой как атмосфера, H ₂ S окисляется до сульфата, как и диметилсульфид, но медленнее.

Большинство выбросов SO ₂ в атмосферу связаны с деятельностью человека, но почти все выбросы H ₂ S являются естественными.Важным исключением являются выбросы H ₂ S из скважин высокосернистого газа и перерабатывающих предприятий, например, в Альберте. В целом глобальные выбросы всех серосодержащих газов эквивалентны примерно 251 миллиону тонн серы в год. Около 41% этого выброса является антропогенным, а остальное — естественным (см. Главу 16).

Сера встречается в горных породах и почвах в различных минеральных формах, наиболее важными из которых являются сульфиды, которые встречаются в виде соединений с металлами.Сульфиды железа (такие как FeS ₂ , называемые пиритом, когда они встречаются в виде кубических кристаллов) являются наиболее распространенными сульфидными минералами, но все тяжелые металлы (такие как медь, свинец и никель) могут существовать в этой минеральной форме. Везде, где сульфиды металлов подвергаются воздействию богатой кислородом среды, бактерия Thiobacillus thiooxidans окисляет минерал, образуя сульфат в качестве продукта. Эта автотрофная бактерия использует энергию этого химического превращения для поддержания своего роста и размножения.Такой вид первичной продуктивности называется хемосинтезом (параллельно с фотосинтезом растений). В местах, где окисляются большие количества сульфидов, с сульфатным продуктом связаны высокие уровни кислотности, явление, называемое дренажем кислотных шахт (см. Главу 19).

Сера также присутствует в различных органически связанных формах в почве и воде. Эти соединения включают белки и другие серосодержащие вещества в мертвом органическом веществе. Почвенные микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфата — иона, который растения могут использовать в своем питании.

Растения удовлетворяют свои потребности в питательных веществах серы, ассимилируя простые минеральные соединения из окружающей среды, в основном за счет поглощения сульфата, растворенного в почвенной воде, который поглощается корнями. В окружающей среде, где атмосфера загрязнена SO ₂ , растения также могут поглощать этот газ своей листвой. Однако слишком большое поглощение может быть токсичным для растений — существует тонкая грань между SO ₂ как питательным веществом для растений и как ядом.

Деятельность человека сильно повлияла на определенные потоки цикла серы.Серьезный ущерб окружающей среде был нанесен токсичностью SO ₂ , кислотными дождями, дренажем кислотных шахт и другими проблемами, связанными с серой. Однако сера также является важным минеральным товаром, который широко используется в промышленности в производстве и в качестве сельскохозяйственных удобрений. Большая часть технической серы получается путем очистки «кислого» природного газа (метан, CH ₄ ) от содержания H ₂ S и удаления SO ₂ из отходящих газов металлургических заводов.

Питательные вещества — это химические вещества, которые необходимы для метаболизма организмов и экосистем. Если их будет недостаточно, экологическая продуктивность будет меньше, чем потенциально могла бы быть. Питательные вещества также могут присутствовать в избытке, и в этом случае ущерб окружающей среде может быть вызван токсичностью и другими проблемами. Питательные вещества регулярно проходят цикл между неорганическими и органическими формами внутри экосистем. Ключевые аспекты круговоротов питательных веществ иллюстрируются циклами углерода, азота, фосфора и серы.

1. Каковы основные аспекты цикла питательных веществ? В своем ответе опишите роли отсеков и потоков.
2. Как почва образуется из основного материала? Включите в свой ответ влияние физических и биологических процессов.
3. Какие основные типы почв? Чем они отличаются?
4. Каковы основные химические превращения в круговороте азота и на какие из них влияет влияние человека?

1. Сравните и сопоставьте ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.
2. Использование азотных и фосфорных удобрений имеет решающее значение для современного сельского хозяйства, однако эти материалы производятся из невозобновляемых ресурсов и могут оказаться недоступными в будущем. Каковы были бы последствия для сельскохозяйственного производства, если бы эти удобрения стали более дорогими и менее доступными?
3. Как ваша повседневная деятельность влияет на углеродный цикл?
4. Если почва станет кислой, процесс нитрификации может прекратиться. Каковы последствия этого изменения для питания растений?

1. Завод по очистке сточных вод подал заявку на разрешение сбросить богатый питательными веществами ил на близлежащие сельскохозяйственные угодья.Вас попросили разработать исследование, которое изучит влияние ила на круговорот азота и фосфора в агроэкосистеме. Какие ключевые переменные отклика следует измерять в ходе исследования? Какие эксперименты вы бы порекомендовали для изучения потенциального воздействия ила на круговорот питательных веществ и урожайность сельскохозяйственных культур?

Атлас, Р. и Р. Барта. 1998. Экология микробов: основы и приложения. 4-е изд. Бенджамин / Каммингс, Менло-Парк, Калифорния.

Близинг, Т. Дж. И К. Смит. 2007. Последние концентрации парниковых газов. Центр анализа информации по двуокиси углерода, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США, Ок-Ридж, Теннесси. http://cdiac.ornl.gov/pns/current_ ghg.html

Боткин, Д. и Э.А. Келлер. 2014. Наука об окружающей среде: Земля как живая планета. 9 изд. Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

Брэди, Северная Каролина и Р. Р. Вейль. 2007. Природа и свойства почв. 14-е изд. Прентис Холл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

Вольноотпущенник Б., J. Hutchings, D. Gwynne, J. Smol, R. Suffling, R. Turkington, R. Walker и D. Bazeley. 2014. Экология: канадский контекст. 2-е изд. Нельсон Канада, Торонто, Онтарио.

Hutzinger, O. (ed.) 1982. Справочник по химии окружающей среды. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк. Likens, G.E., and F.H. Bormann. 1999. Биогеохимия лесной экосистемы. 2-е изд. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.

Маргулис, Л., К. Мэтьюз и А. Хазелтон. 2000. Эволюция окружающей среды. 2-е изд. MIT Press, Кембридж, Массачусетс.

Гипс, E.J. 2002. Почвоведение и управление. 3-е изд. Обучение Делмара Томсона, Флоренция, Кентукки.

Post, W.M., T. Peng, W.R. Emanual, A.W. Кинг, В.Х. Дейл, Д.Л. ДеАнджелис. 1990. Глобальный углеродный цикл. Американский ученый, 78: 310-26.

Schlesinger, W.H. 1997. Биогеохимия: анализ глобальных изменений. 2-е изд. Academic Press, Сан-Диего, Калифорния.

[PDF] Загрузить Циклы питательных веществ Потоки энергии через экосистемы (поездка в одну сторону

Загрузить Загрузить Циклы питательных веществ Потоки энергии через экосистемы (поездка в один конец…

Циклы питательных веществ Энергия течет через экосистемы (поездка в одну сторону). Однако, в отличие от энергии, питательные вещества (P, N, C, K, S…) циркулируют в экосистемах. Питательные вещества важны для контроля НПП в экосистемах. Управление «снизу вверх». Питательные вещества — элементы, необходимые для развития, поддержания и воспроизводства организмов. Круговорот питательных веществ — преобразование, перемещение и повторное использование питательных веществ в экосистеме. 1) питательные вещества имеют физиологическое значение и их мало в экосистемах, 2) контролируют питательные вещества NPP, 3) создание, перемещение и преобразование загрязнителей связаны с круговоротами питательных веществ, и 4) циклы питательных веществ участвуют в глобальных биогеохимических процессах, которые влияют на климат Земли и химия атмосферы.Важными циклами питательных веществ являются: углеродный цикл; азотный цикл; фосфорный цикл; гидрологический цикл; серный цикл. Доступность азота и фосфора контролирует многие аспекты глобальной биогеохимии — часто ограничивая темпы первичной продукции на суше и в море. C, N, P и S (+ другие) являются важными компонентами жизни — ферментами, ДНК, АТФ, клеточными мембранами, структурными соединениями… Таким образом, циклы питательных веществ связаны с потоком энергии через экосистемы (контроль на NPP). Изменения в доступности, например, азота и фосфора в течение геологического времени контролировали размер и активность биосферы.Общие положения о циклах: Резервуары хранения, перенос, преобразование: Абиотические резервуары — атмосфера, вода (гидросфера), горные породы и осадки (литосфера). Биотические резервуары — водные и наземные экосистемы. Организмы получают много питательных веществ (например, фосфор) в результате выветривания горных пород (литосферы). Углерод и азот поступают в основном из атмосферы. Sulfer происходит как из атмосферы, так и из литосферы. Гидрологический цикл задействован во многих процессах. Пример с азотным циклом:

В совокупности эти микробные реакции управляют глобальным циклом азота.Резервы для хранения: глобальный цикл азота характеризуется относительно небольшим биогеохимическим циклом с быстрым оборотом (50 лет), который связан с гигантским глобальным пулом газа N2 в атмосфере, который имеет очень низкую скорость оборота. Большой запас (пул) азота в атмосфере связан с циклом азота процессами фиксации азота (от экосистемы к атм.) И денитрификации (от экосистемы к атм.), Контролируемыми микробами в водных и наземных экосистемах. Биологическая фиксация N2 — N2 фиксируется и превращается в Nh4 цианобактериями в почве и водной среде., 2) бактерии, связанные с корнями бобовых растений, 3) некоторые грибы, связанные с корнями древесных растений, таких как ольха (Alnus). Абиотическая фиксация N2 — молния N2 к NO3-. Это около 15% азота, который требуется растениям на суше каждый год. Однако большинство организмов получает азот из почвенного раствора или через рот. Превращения: возможно большое количество биохимических превращений N. Валентность -3 (в Nh4) и +5 (в NO3-). Различные микробы извлекают выгоду из потенциала химических превращений азота и используют энергию, выделяемую этими превращениями, для поддержания своих жизненных процессов.Эти микробные реакции управляют глобальным циклом азота. Аммонификация (минерализация) — вид преобразования. Азот в разлагающемся растительном и животном материале претерпевает процесс, называемый аммонификацией (минерализацией), с образованием Nh5 +. Скорость разложения органических материалов зависит от температуры, влажности и химического состава подстилки. Рисунок 16.7 из учебника. C: N, Лигнин: N Рисунок 16.8 из учебника. Более высокое разложение там, где AET выше. Кh5 +. окисляется до NO3- хемоавтотрофными бактериями (Nitrosomonas, Nitrobacter) посредством процесса, называемого нитрификацией. Денитрификация: другие микробы возвращают N2 в атмосферу посредством процесса, называемого денитрификацией. Денитрификация происходит, когда NO3- превращается в N2O или N2 бактериями Pseudomonas в анаэробных условиях. NO3- используется этими бактериями в качестве конечного акцептора электронов в энергетическом метаболизме

(а не O2 в аэробных условиях). Денитрификация возвращает N2 в атмосферу. Влияние человека на круговорот питательных веществ на Земле огромно! Углеродный цикл:

Вырубка лесов, сжигание ископаемого топлива, переработка цемента CO2 является «парниковым» газом Азотный цикл: Естественная фиксация азота: Общее количество абиотически фиксированного N2, выпадающего на сушу, составляет около 10 Тг / год (Tg = 1012 г N) Всего биологически фиксированный N2 на суше составляет около 100 Тг / год Антропогенная фиксация азота: Производство удобрений с помощью процесса Хабера (аналогично фиксации молнии — высокая температура и давление) добавляет 80 Тг / год.! Сжигание ископаемого топлива, содержащего азот, добавляет 25 тг / год !!! Большая часть оседает влажными отложениями на суше. Бобовые культуры, фиксирующие азот, добавляют на этих землях 30 Тг / год к фоновой фиксации азота.

В целом — люди увеличили более чем вдвое скорость, с которой N входит в биогеохимический цикл !!! Последствия измененной биогеохимии азота Куда идет этот азот ??? Фиксированный азот переносится в реки и ручьи или улетучивается в виде аммония и переносится в другие экосистемы в виде влажных и сухих отложений.Это загрязнение! Во многих промышленно развитых регионах наблюдается резкое увеличение выпадений азота, но осаждения увеличиваются во всем мире. Вымирание лесов во многих регионах европейских промышленно развитых регионов можно объяснить увеличением отложения нитратов (кислотные дожди).

На уровне населения и сообщества: эксперименты по удобрению показывают снижение разнообразия до преобладания нескольких видов растений, требовательных к азоту (сорняков). Травы, требовательные к азоту, в Европе увеличились за это столетие только из-за их осаждения (а не удобрений). Разнообразие в более крупных масштабах может сокращаться, а также мы теряем ограниченные азотом экосистемы, в которых обитают уникальные виды. Можно ожидать, что увеличение азота в тканях также изменит отношения между потребителями, деструкторами и симбионтами. Вероятно, также увеличилась денитрификация.

Одним из продуктов денитрификации является N2O (закись азота), который является парниковым газом и является причиной разрушения озона в стратосфере. Следы газа N2O увеличиваются в атмосфере и могут быть связаны с антропогенными изменениями глобального цикла азота. Разрушение озона в стратосфере усугубляется N2O. Фактически, реакция с O3 в стратосфере — единственный известный процесс, который избавляет от N2O.NO2 — еще один побочный продукт микробного воздействия, но он очень реактивный и будет катализировать ОБРАЗОВАНИЕ озона в тропосфере. NO2 + O2 NO + O3 Смог в Фениксе !!! Таким образом — более высокая антропогенная фиксация азота (тофу) >> больший поток N2O >> парниковое потепление

Для дальнейшего чтения: Vitousek, P. 1994. Помимо глобального потепления: экология и глобальные изменения, экология 75: 18611876

Арктика — Арктика — это экосистема: экосистема земли или экосистемы: материальный поток: круговорот углерода и питательных веществ

The Terrestial Экосистема или экосистема Материальный поток: круговорот углерода и питательных веществ Пищевая или трофическая сеть указывает способы, которыми материя передается через экосистему. Это выглядит эффективным, но с точки зрения производительности очень неэффективно. Результат перехода от растения к травоядному животному от плотоядного к плотоядному при падении производства более 95% — на каждом этапе! Например, годового урожая растений над землей редко превышает 10-20% съедено травоядными животными. Переваривается только половина из них. Большая часть переваренного растительного материала затем используется для поддержания активности, особенно у теплокровных животных, и только небольшая часть преобразуется в новое производство.Шаги хищника могут быть немного эффективнее потому что пища лучше усваивается. Беспозвоночные конвертируют высшее доля переваренной пищи в новые ткани, потому что они не приходится поддерживать температуру своего тела. Хотя есть некоторые вариации, сохраняется общая картина — каждый трофический уровень поддерживает только малая биомасса на следующем уровне пищевой цепи. Следовательно, чтобы найти достаточно пищи, травоядные имеют большие ареалы, хищники даже больше. Они также употребляют самые разные продукты — они, как правило, универсалы, а не специалисты. Они также хорошо адаптированы чтобы сохранить как можно больше энергии за счет гибернации и изоляции, особенно из-за низкого уровня растениеводства в Арктике. Возможно, что арктические пищевые сети из-за их различных приспособлений к особым климатическим условиям и скудным запасам пищи, столь же эффективны, как и более южные экосистемы. Итак, большая часть первичной или растительной продукции кажется потраченным впустую. Нет! Растения переносят значительную часть их производства под землей в органы хранения в конце вегетационного периода. Это часть стратегии сохранения что позволяет им быстро расти весной. Фактическая масса растений в виде корней, корневищ, побегов и т. д. под землей намного больше чем над землей — общая черта Севера.Этот подземный растительная масса используется некоторыми крупными травоядными животными, которые ее выкапывают, и также почвенными животными, такими как нематоды, тли и другие насекомые. Таким образом, пищевая цепочка продолжается в почве с важным дополнением: мертвого растительного материала и фекалий в качестве альтернативных источников пищи. В в той или иной форме большая часть продукции растений попадает в почва. Там он поддерживает гораздо большее видовое разнообразие микроорганизмов. и беспозвоночные, и продукция гораздо более крупная, чем над землей. Мертвые растения — ключ к экосистеме разработка. Он содержит большое количество небольших количеств питательных веществ, особенно азот, который растения успели усвоить. В виде он разлагается бактериями и грибками и проходит через почву пищевая сеть, питательные вещества в растительных остатках переносятся из организм в организм, постепенно высвобождается и реабсорбируется растением корни.В то же время углерод в растительных остатках также рециркулируется через организмы, постепенно высвобождается через дыхание и возвращение в атмосферу. Процесс разложения в Арктике идет очень медленно, отчасти из-за низких температур охлаждающий эффект вечной мерзлоты. Оба недостатка влаги в хорошо дренированных почвах и избытке воды, где дренаж затруднен снизить скорость распада.Большая часть опада, падающего с растений, теряет только около 5-10% его веса в первый год. Ставка снижается после этого, когда остается более прочный материал, он переходит в более холодные слои почвы. Органическое вещество почвы из поколения в поколение поступлений растений постепенно накапливается, образуя более зрелые почвы. В болотах недостаток кислорода и очень низкие температуры из-за заболачивания, вызывают большие скопления в виде торфа. Круговорот углерода и питательных веществ через экосистему следует многими путями и процессами (**). Это не закрытая система. И C, и питательные вещества попадают из атмосферы. и распространяются внутри системы. Некоторые из C и питательных веществ вымывается из системы в ручьи и реки. Большая часть C в итоге вернулся в атмосферу.Это хрупкое равновесие между вводом и возвратом, что является предметом пристального внимания в вопрос о роли этих северных регионов в изменении климата. Хотя растениеводство на Севере низкая, скорость разложения очень низкая. В результате за счет постепенного накопления в северных почвах содержится почти 25% почвы C в мире, главным образом в болотах, болотах и ​​мускусе.В виде северные почвы относительно молодые — всего около 10 000 лет старые — они постепенно накапливают C в растительном покрове и почве органическая материя. Хотя большая часть C была возвращена в атмосферу через дыхание растений, животных и микроорганизмов, экосистемы были «чистыми поглотителями» C. Таким образом, они помогли противодействовать увеличению содержания углерода в атмосфере, которое вызывает изменение климата. По иронии судьбы, нынешний и предсказанный, потепление климата может увеличить скорость разложения и высвободить больше углерода, хранящегося в почве. Баланс между поглощаются посредством фотосинтеза и высвобождаются при разложении будет колебаться. Экосистемы тундры, вероятно, станут «чистыми источниками» а не «чистый сток» C в будущем.Уже есть доказательства что это изменение происходит на Аляске.

Круговорот питательных веществ в водных экосистемах

Исследователи и партнеры USGS измеряют потенциал удержания питательных веществ в водных экосистемах, чтобы попытаться уменьшить количество питательных веществ в этих системах и снизить вероятность вредоносного цветения водорослей и зон гипоксии. Азот и фосфор могут быть удалены или преобразованы под действием микробов и захоронены в отложениях.В настоящее время UMESC проводит исследования по количественной оценке удаления и трансформации азота и фосфора в русле и пойменных отложениях реки Верхняя Миссисипи и ее притоков, в притоках и устьях Великих озер, а также в прибрежной среде Великих озер.

________________________________________________________________________

Ученые USGS измеряют отложения песка в результате летнего паводка в верховьях реки Миссисипи возле Ла-Кросс, штат Висконсин

Удержание питательных веществ в пойме реки Верхний Миссисипи

Главный следователь — Линн Барч, Ребекка Крейлинг

Реки обладают естественной способностью улучшать качество воды, когда они связаны со своими естественными поймами и не перегружены наносами и стоками биогенных веществ. В тех случаях, когда реки были отключены от своих исторических поймен и преобразованы в каналы для устранения затонов, увеличение стока и нагрузки питательными веществами способствовало возникновению местных и нижележащих проблем чрезмерного обогащения биогенными веществами. Например, высокое содержание питательных веществ в верховьях реки Миссисипи каждое лето способствует образованию большой гипоксической зоны в Мексиканском заливе. Если позволить рекам затопить их исторические поймы, это может снизить нагрузку биогенных веществ за счет улавливания наносов и питательных веществ в пойме.Понимание того, как воссоединение рек с их поймами влияет на круговорот питательных веществ, важно для менеджеров, пытающихся улучшить качество воды.

________________________________________________________________________

Ученый USGS измеряет pH донных отложений в образце, взятом из притока реки Моми в Огайо

Круговорот питательных веществ в сельскохозяйственных водосборах Великих озер

Главный следователь — Ребекка Крейлинг, Линн Барч

Питательные вещества, потерянные из сельскохозяйственных угодий в водоразделах Великих озер, вызывают вредоносное цветение водорослей и гипоксию в некоторых районах Великих озер. В этих водоразделах прилагаются значительные усилия для уменьшения количества биогенных веществ, попадающих в ручьи и реки; тем не менее, необходима дополнительная работа для дальнейшего снижения нагрузки по биогенным веществам, чтобы соответствовать международным стандартам качества воды. Было проведено ограниченное исследование, чтобы понять, как питательные вещества трансформируются, обрабатываются и потенциально удаляются в речных системах. Эта информация важна для менеджеров, поскольку сохранение питательных веществ в этих речных системах может снизить количество питательных веществ, попадающих в Великие озера.

Мероприятия по мониторингу питательных веществ

.