Учение о биогеохимических циклах разработал – Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биогеохимические циклы. — КиберПедия

Биогеохимический цикл — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Биогеохимический цикл (круговорот веществ) — система незамкнутых и необратимых круговоротов веществ в биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частях Земли. Этот повторяющийся процесс взаимосвязанного преобразования и перемещения веществ в природе имеет циклический характер и происходит при обязательном участии живых организмов и часто нарушается человеческой деятельностью. Является основным свойством, характерной чертой биосферы.

Принцип круговорота веществ в природе сформулирован в середине XIX века Ю. Либихом и Ж. Б. Буссенго[1]. Термин «биогеохимический цикл» был введён в 1910 годах В. И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии.

Движущими силами биогеохимических циклов служит энергия Солнца и деятельность «живого вещества» (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Используя неорганические вещества, автотрофы (зелёные растения) за счёт энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамкнутость) является одним из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющая планетарное значение. Процессы превращения вещества имеют определённое поступательное движение, поскольку не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Круговорот воды

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на значительные расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и проникает вместе с растворёнными в нём химическими соединениями

ru.wikipedia.org

2.4. Биогеохимические циклы

В экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ: питательные вещества из абиотической переходят в биотический компонент под действием энергии солнца, затем возвращаются в виде отходов жизнедеятельности или мертвых организмов. Такой круговорот называют биогеохимическим циклом.

Движущей силой этих круговоротов служит в конечном счете энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему. Необходимо еще отметить, что климатические факторы абиотического компонента, такие, как температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются поступлением солнечной энергии.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот.

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30 % падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, — один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят перераспределение и очистка планетарного запаса воды.

В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше — примерно 3,8 геограмма в год (1 геограмм равен 1020 г, или 10 т), чем возвращается с осадками — около 3,4 геограмма в год. На суше, наоборот, осадков выпадает больше — примерно 1,0 геограмм, а суммарно испаряется около 0,6 геограмма ежегодно. Поэтому значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах содержится 0,25 геограмма воды, а годовой сток составляет 0,2 геограмма. Часть пресной воды, возвращающейся в виде осадков, замерзает в ледниках. Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0 геограмм), и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8 геограмма, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них.

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью организмов, — транспирсщия. Соотношение количества воды, выделившейся в результате транспирации и испарения, меняется в зависимости от местных условий. В тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, более чем в два раза превышает испарение с той же площади растениями саванны, расположенной на той же широте и высоте. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.

Общие запасы воды на Земле оцениваются приблизительно в 1386 млн км3. Соленая вода составляет около 97,5 % от объема водной массы, на мировой океан приходится 96,5 %. Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35 — 37 млн км

3, или 2,5 — 2,7 % от общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68 — 70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.

Энергетика гидрологического цикла представлена в виде двух энергетических путей. Движение вверх (испарение) осуществляется за счет солнечной энергии, часть которой вода поглощает. При выпадении осадков она отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС.

Около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды.

Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается.Во многих сухих областях резервуары подземных вод выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. Рост объема поверхностного стока, в свою очередь, увеличивает риск наводнений и усиливает эрозию почв.

Малый круговорот.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот, В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильяме писал: «Из большого, абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одном направлении в малом, биологическом, круговороте.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.

Иными словами, все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы.

Биогеохимические циклы — это более или менее замкнутые пути движения химических элементов в живых организмах («био»), в твердых породах, воздухе и воде («гео»). В круговороте элементов различают две части: резервный фонд — большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный фонд — меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Резервный фонд называют «недоступным», а обменный — «доступным»

Из более чем ста химических элементов, встречающихся в природе, 30 — 40 являются биогенными, т. е. необходимы организмам. Некоторые из них (углерод, водород, кислород, азот, фосфор) нужны организмам в больших количествах — макроэлементы, другие — в малых или даже ничтожных – микроэлементы.

Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на два типа: с резервным фондом химического элемента в атмосфере и гидросфере и с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов. Рассмотрим некоторые из них.

Циклы газообразных веществ.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода — примеры наиболее важных газообразных циклов биогенных веществ. Углерод поступает в биологический круговорот в виде СО2, который усваивается растениями, а азот — в виде газообразного азота N2, который используется азотфиксирующими организмами. Доступные запасы этих газов содержатся в атмосфере.

Биогеохимический цикл углерода.

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере по уточненным данным (Г.В. Войткевич, 1986) находится 2450*109 т углерода. Ежегодная нетто-биопродукция экосферы по С составляет ~ 60 Гт. Такое же количество освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления углерода в биосфере 60 лет (для биомассы 10 лет). В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперстных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО-3, СО2-3 и СО2.

С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений.

Из атмосферы углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО2 и Н2О. В итоге углерод в составе СО2 возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО2 и Н2О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО3 или СО32-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Часть атмосферного углерода непосредственно поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. СО2, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.

В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях.

Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х109 т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

  • сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем, уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.

  • сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает так называемый «парниковый эффект».

Биогеохимический цикл азота.

Главным постановщиком азота в биосферу являются недра Земли, основным накопителем – атмосфера, точнее – тропосфера. Наряду с N2 в атмосферу систематически поступают другие газообразные соединения азота: NН3, N2О, NО, NО2. Наряду с оксидами азота в атмосфере присутствует восстановленное соединение азота – аммиак. В кислородсодержащей атмосфере он реагирует с оксидами серы и образует кислый сульфат аммония NH4HSO4. Это соединение, так же как нитраты и нитриты, легко вымываются атмосферными осадками.

Основная часть этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме N2 , недоступна для главных продуцентов — зеленых растений суши. Но химическая неактивность молекулярного азота не означает его геохимической стабильности. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Этот процесс получил название Фиксации азота. Промышленная фиксация азота идет в присутствии катализаторов при t~500°С и давлении ~300 атм.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NН2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации расщепляется молекула N2 и атомы аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион NH4+, могут поглощаться корнями растений и как уже отмечено, входить в состав аминокислот. Фиксацию азота осуществляют отдельные специализированные бактерии семейства Azotobacteracea и в определенных условиях синезеленые водоросли. Наиболее продуктивны азотофиксирующие клубеньковые бактерии, образующие симбиозы с бобовыми растениями. Массам азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями до начала хозяйственной деятельности человека, оценивается разными авторами от 30-40 до 200*106 т/год. В настоящее время к этому добавляется искусственная биологическая фиксация, получаемая при помощи бобовых сельскохозяйственных растений (около 20*109 т/год), а также промышленная фиксация азота из воздуха превысила 60-90*106 т/год.

Цикл – фиксация молекулярного азота – аммонификация мертвого органического вещества – нитрификация – денитрификация имеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как этот цикл обеспечивает основной поток азота из его главного резерва – атмосферы.

Часть азота выводится из биологического круговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе. Этот своеобразный запас азота в лесных подстилках, торфе и почвенном гумусе постоянно поддерживается в педосфере и свидетельствует о некоторой заторможенности биологического круговорота.

Промышленная фиксация атмосферного азота – наиболее сильное вмешательство человечества в систему природных глобальных циклов массообмена химических элементов в биосфере. Кроме того, значительное количество азота (около 40*106 т/год) в форме оксидов поступает в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, образующимися при сжигании минерального топлива, а также в гидросферу с бытовыми и промышленными стоками.

Схема биогеохимического цикла азота представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Схема биогеохимического цикла азота

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

  • при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO2),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO3). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков.

  • использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа» закиси азота (N2O)

  • увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей. Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей, при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб.

Биогеохимический цикл кислорода

Как Вы помните, кислород – самый распространенный элемент не только земной коры (его кларк 47), но и гидросферы (85,7%), а также живого вещества (70%). Существенную роль этот элемент играет и в составе атмосферы (более 20%). Благодаря исключительно высокой химической активности, кислород играет особо важную роль в биосфере. Он определяет окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия растворов и расплавов. Для него характерна как ионная, так и неионная форма миграции в растворах.

Эволюция геохимических процессов на Земле сопровождается неуклонным увеличением содержания кислорода. В настоящее время количество кислорода в атмосфере составляет 1,2х1015 тонн. Масштабы продуцирования кислорода зелеными растениями таковы, что это количество могло быть удвоено за 4000 лет. Но этого не происходит, так как в течение года разлагается примерно такое же количество органического вещества, которое образуется в результате фотосинтеза. При этом поглощается почти весь выделившийся кислород. Но благодаря незамкнутости биогеохимического круговорота в связи с тем, что часть органического вещества сохраняется и свободный кислород постепенно накапливается в атмосфере.

Главная «фабрика» по производству кислорода на нашей планете – зеленые растения, хотя в земной коре также протекают разнообразные химические реакциив результате которых выделяется свободный кислород.

Еще один миграционный цикл свободного кислорода связан с массобменом в системе природные воды – тропосфера. В воде океана находится от 3х109 до 10х109 м3 растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт поглощает кислород, а, поступая с океаническими течениями в тропики – выделяет его в атмосферу. Поглощение и выделение кислорода происходит и при смене сезонов года, сопровождающихся изменением температуры воды.

Кислород расходуется в громадном количестве окислительных реакций, большинство из которых имеет биохимическую природу. В этих реакциях высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, илах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород для окисления органических соединений. Запасы кислорода на нашей планете огромны. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них живым веществом.

Таким образом, общая схема круговорота кислорода в биосфере складывается из двух ветвей:

Согласно расчетам Дж. Уолкера (1980) выделение кислорода растительностью мировой суши составляет 150х1015 тонн в год; выделение фотосинтезирующими организмами океана – 120х1015 тонн в год; поглощение в процессах аэробного дыхания – 210х1015 тонн в год; биологическая нитрификация и другие процессы разложения органического вещества – 70х1015 тонн в год.

В биогеохимическом круговороте можно выделить потоки кислорода между отдельными компонентами биосферы (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Схема биогеохимического цикла кислорода

В современных условиях установившиеся в биосфере потоки кислорода нарушаются техногенными миграциями. Многие химические соединения, сбрасываемые промышленными предприятиями в природные воды, связывают растворенный в воде кислород. В атмосферу выбрасывается все большее количество углекислого газа и различных аэрозолей. Загрязнение почв и, особенно, вырубка лесов, а также опустынивание земель на огромных территориях уменьшают производство кислорода растениями суши. Огромное количество атмосферного кислорода расходуется при сжигании топлива. В некоторых промышленно развитых странах кислорода сжигают больше, чем образуется его за счет фотосинтеза.

Биогеохимический цикл фосфора.

Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с литосферой, а не с атмосферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии почв, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. Твердые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождем. Осадочные циклы имеют общую направленность «вниз».

Живым сообществам доступны в основном те химические элементы, которые входят в состав пород, расположенных на поверхности Земли. Важным для биосферы элементом, недостаток которого на поверхности ограничивает рост растений, является фосфор.

Человек так изменяет движение многих веществ, участвующих в осадочных циклах, что круговороты их теряют цикличность. В результате в одних местах возникает недостаток, а в других — избыток некоторых веществ. Механизмы, обеспечивающие возвращение химических элементов в круговорот, основаны главным образом на биологических процессах минерализации органических веществ.

Из осадочных циклов наибольшее значение в биосфере имеет круговорот фосфора

Круговорот фосфора в природе сильно отличается от биогеохимических циклов углерода, кислорода, азота и серы, так как газовая форма соединений фосфора (например РН3) практически не участвует в биогеохимическом цикле фосфора. То есть фосфор к накоплению в атмосфере вообще не способен. Поэтому роль «резервуара» фосфора, из которого этот элемент извлекается и используется в биологическом круговороте играет литосфера.

Фосфор в литосфере содержится в форме фосфатных соединений (солей фосфорной кислоты). Основная доля среди них приходится на фосфат кальция – апатит. Это полигенный минерал, образующийся в различных природных процессах – как в глубинных, так и в гипергенных (в том числе и биогенных). Фосфатные соединения способны растворяться в воде, и фосфор в составе иона РО43- может мигрировать в водных растворах. Из них фосфор и усваивается растениями.

Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для фосфора, так же, как и для азота 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985). Для растений наиболее доступным является фосфор неспецифических органических соединений и гумуса и именно он играет главную роль в малом (локальном) биологическом цикле фосфора.

Животные являются еще большими концентраторами фосфора, чем растения. Многие из них накапливают фосфор в составе тканей мозга, скелета, панцирей.. Есть несколько способов усвоения фосфора организмами-консументами. Во-первых, прямое усвоение из растений в процессе питания. Во-вторых, водные организмы-фильтраторы извлекают фосфор из органических взвесей. В-третьих, органические соединения фосфора усваиваются организмами-илоедами при переработке ими биогенных илов.

Возврат фосфора в окружающую среду происходит при разложении органического вещества. Но возврат этот оказывается далеко не полным. В целом для соединений фосфора характерна тенденция выноса в форме водных растворов и взвесей в конечные водоёмы стока, в наибольшей мере – в Мировой Океан, где он и накапливается в составе осадочных отложений различного генезиса. Вновь вернуться в экзогенный круговорот эта часть фосфора может только в результате тектонических процессов, растягивающихся на сотни миллионов лет. В естественных условиях сохранение баланса обеспечивается сравнительно слабой подвижностью соединений фосфора, в результате которой фосфор, извлечённый растениями из почвы, большей частью возвращается в неё в результате разложения органического вещества. В почвах и породах фосфор достаточно легко фиксируется. Фиксаторами фосфора являются гидроксиды железа, марганца, алюминия, глинистые минералы (особенно, минералы группы каолинита). Однако, фиксированный фосфор может быть на 40-50% десорбирован и использован растениями. Этот процесс зависит от рН и Eh условий среды. Повышенная кислотность, образование угольной кислоты, способствуют десорбции фосфора, усилению миграции фосфорных соединений.

В восстановительной среде образуются соединения фосфора с двухвалентным железом, что тоже способствует выносу фосфора из почвы.

Миграция фосфора возможна и за счет водной и ветровой эрозии. Поэтому биогеохимический цикл фосфора значительно менее замкнут и менее обратим, чем циклы углерода и азота, а загрязнение фосфором окружающей среды особенно опасно (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема биогеохимического цикла фосфора

Основными особенностями круговорота фосфора, таким образом, являются:

  • отсутствие атмосферного переноса;

  • наличие единственного источника – литосферы;

  • тенденция к накоплению в конечных водоёмах стока.

При интенсивной сельскохозяйственной эксплуатации земель потери фосфора в ландшафте становятся практически необратимыми. Компенсация возможна только за счёт применения фосфорных удобрений. Известно, что фосфорные удобрения являются важным и необходимым звеном в получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Однако, все известные запасы месторождений фосфатов ограничены и по предсказаниям ученых могут истощиться уже в ближайшие 75-100 лет. В то же время, вредные соединения фосфатов в последнее время становятся одним из важнейших факторов загрязнения речных и озерных вод.

Таким образом, в последе время общая картина распределения им миграции фосфора в биосфере резко нарушена человеком. Вот слагаемые этого явления: во-первых, мобилизация фосфора из агроруд и шлаков, производство и применение фосфорных удобрений, во-вторых производство фосфорсодержащих препаратов и их использование в быту; в-третьих – производство фосфорсодержащих ресурсов продовольствия и кормов, вывоз и потребление их в зонах концентрации населения; в-четвертых – развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей, что влечет за собой перераспределение фосфора из океана на сушу. В итоге наблюдается процесс фосфатизации суши, но процесс этот проявляется крайне неравномерно. Увеличивается содержание фосфора в окружающей среде больших городов. Напротив, страны, активно экспортирующие органические продукты и не применяющие фосфорных удобрений, теряют запасы фосфора в своих почвах.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

  • добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;

  • увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков. Избыток этих элементов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.

Биогеохимический цикл серы

Сера также является одним из элементов, играющих чрезвычайно важную роль в круговороте веществ биосферы. Она относится к числу химических элементов, наиболее необходимых для живых организмов. В частности, она является компонентом аминокислот. Она предопределяет важные биохимические процессы живой клетки, является незаменимым компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, в значительных количествах присутствуют в подземных водах, что играет решающую роль в процессах засоления почв.

Содержание серы в земной коре составляет 4,7х10-2%, в почве – 8,5х10-2%, в океане – 8,8х10-2% (Виноградов, 1962). Однако, в засоленных почвах содержание серы может достигать значений, измеряемых целыми процентами. Таким образом, основным резервуаром, из которого она черпается живыми организмами, является литосфера. Это обусловлено тем, что устойчивое существование сернистых соединений в условиях современной атмосферы Земли, содержащей свободный кислород и пары Н2О, невозможно. Сероводород (H2S) в кислородной среде окисляется, а кислородные соединения серы, реагируя с Н2О, образуют серную кислоту H2SO4, которая выпадает на поверхность Земли в составе кислотных дождей. Поэтому оксиды серы SOх, хотя и могут усваиваться растениями непосредственно из атмосферы, существенной роли в круговороте серы этот процесс не играет.

Сера имеет несколько изотопов, из которых в природных соединениях наиболее распространены S32 (>95%) и S34 (4,18%). В результате биологических и биогеохимических процессов происходит изменение в соотношении этих изотопов в сторону увеличения содержаний более легкого изотопа в верхних гумусовых горизонтах почв.

Изотопный состав серы подземных, почвенно-грунтовых вод и водорастворимых сульфатов из горизонта С сульфатно-содовых солончаков является сходным.

В составе земной коры соединения серы существуют, в основном, в двух минеральных формах: сульфидной (соли сероводородной кислоты) и сульфатной (соли серной кислоты). Редко встречается самородная сера, которая неустойчива и склонна, в зависимости, от значений окислительно-восстановительного потенциала среды, формировать или кислородные, или водородные соединения.

Первичной, глубинной по происхождению, минеральной формой нахождения серы в земной коре, является сульфидная. Сульфидные соединения в условиях биосферы практически нерастворимы, и потому сульфидная сера растениями не усваивается. Но, в то же время, сульфиды в кислородной среде неустойчивы. Поэтому сульфиды на земной поверхности, как правило, окисляются, и в результате этого сера входит в состав сульфатных соединений. Сульфатные соли обладают достаточно хорошей растворимостью, и сера в географической оболочке активно мигрирует в водных растворах в составе сульфат-иона SO42-.

Именно в этой, сульфатной форме сера, в составе водных растворов, эффективно усваивается растениями, а далее – животными организмами. Усвоению способствует то, что сульфатные соединения серы способны накапливаться в почвах, участвуя в процессах обменной сорбции и входя при этом в состав почвенного поглощающего комплекса (ППК).

Разложение органического вещества в кислородной среде приводит к возвращению серы в почву и природные воды. Сульфатная сера мигрирует в водных растворах, и может снова использоваться растениями. Если же разложение идёт в бескислородной среде, ведущую роль играет деятельность серобактерий, которые восстанавливают SO42- до H2S. Сероводород выделяется в атмосферу, где окисляется и возвращается в другие компоненты биосферы в сульфатной форме. Часть серы в восстановительной обстановке может связываться в сульфидных соединениях, которые, при возобновлении доступа кислорода, снова окисляются и переходят в сульфатную форму.

Биогеохимический цикл серы состоит из 4 стадий (рис. 2.6 ):

  1. усвоение соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот.

  2. Превращение органической серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт – сероводород.

  3. Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетрасоединений.

  4. Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе десульфофикации до сероводорода. Таким образом, важнейшим звеном всего биогеохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода.

Рис. 2.6. Схема биогеохимического цикла серы

Изъятие серы из биосферного круговорота происходит в результате накопления сульфатных отложений (в основном гипсовых), слои и линзы которых становятся компонентами литосферы. Компенсируются потери во-первых, в процессах вулканизма (поступление H2S и SOx в атмосферу, а оттуда, с атмосферными осадками – на поверхность Земли). А во-вторых, в результате деятельности термальных вод, с которыми в верхние горизонты земной коры и на дно Мирового океана поступают сульфидные соединения.

Таким образом, к характерным особенностям круговорота серы можно отнести второстепенную роль процессов атмосферной миграции, а также многообразие форм нахождения, обусловленное переходом её из сульфидных форм в сульфатные и обратно, в зависимости от изменения окислительно-восстановительных условий.

Промышленные процессы выносят в атмосферу большое количество серы. В отдельных случаях значительная концентрация соединений серы в воздухе служит причиной нарушений в окружающей среде, в том числе, кислотных дождей. Присутствие в воздухе двуокиси серы негативно влияет как на высшие растения, так и на лишайники, причем эпифитные лишайники могут служить индикаторами повышенных содержаний серы в воздухе. Лишайники поглощают влагу из атмосферы всем слоевищем, поэтому концентрация серы в них быстро достигает предельно допустимого уровня, что ведет к гибели организмов.

Поступление серы в общий круговорот по данным Дж. П. Френда (1976) следующее:

При дегазации земной коры – 12х1012 г/год; при выветривании осадочных пород – 42х1012 г/год,; антропогенные поступления в виде сернистого газа – 65х1012 г/год, что в сумме составляет 119х1012 г/год. Значительные количества серы ежегодно консервируются в виде сульфидов и сульфатов – 100х1012 г/год и , таким образом., временно выводятся из общего биогеохимического круговорота.

Таким образом, антропогенное поступление серы в биосферу существенно изменяет круговорот этого элемента, а приход серы в биосферу превышает ее расход, в результате чего, должно происходить постепенное ее накопление.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Какой русский ученый внес наибольший вклад в изучение биосферы?

  2. Как называется совокупность живых организмов по Вернадскому?

  3. Что такое ноосфера?

  4. Каким образом атмосферный азот становится частью живой материи?

  5. Как по Вернадскому называется материя, образованная без участия живых организмов?

  6. Чем различаются большой и малый круговороты вещест?

  7. Какова основная особенность круговорота воды?

  8. Как влияет человек на круговорот воды?

  9. В чем различие газообразных и осадочных биогеохимических циклов?

  10. Как влияет человек на круговорот углерода?

  11. Как влияет человек на круговорот азота?

  12. Как влияет человек на круговорот фосфора?

studfiles.net

Биогеохимические циклы — «Энциклопедия»

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ (биогеохимический круговорот веществ), обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Впервые понятие о «биогеохимическом цикле» было введено в начале 20 века В.И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности. Биогеохимические циклы в общепланетарном понимании рассматриваются как постоянное перемещение химических элементов под воздействием солнечной энергии с участием живых организмов. При этом различные химические элементы постоянно переходят из одних соединений в другие, происходит обмен веществом и энергией между живым и неживым. В биогеохимическом цикле исключительная роль принадлежит фотосинтезу, благодаря которому солнечная энергия аккумулируется в виде энергии химических связей органических соединений и служит движущей силой всех биогеохимических процессов. В биогеохимические круговороты вовлекаются прежде всего необходимые для жизнедеятельности организмов биогенные элементы, в том числе С, Н, N, О, Са, Р, S, Fe, Zn, Mn, Cu. Таким образом, благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим взаимосвязанным круговоротам элементов создаётся устойчивая организованность биосферы.

Реклама

Первоначально на планете сложились абиогенные циклы, включающие весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов. Определяющую роль играли главным образом водная и воздушная миграции и аккумуляция веществ. Однако по мере совершенствования различных форм жизни круговорот веществ в природе стал направляться совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Организмы, находясь в состоянии постоянного обмена с окружающей их средой, воспринимают и отдают разнообразные минеральные и органические соединения в виде газов, растворов, твёрдых тел. Экосистемы суши и Мирового океана связаны между собой через гидрологический сток и воздушную миграцию путём образования, переноса и выпадения атмосферных осадков, аэросуспензий и аэрозолей, а также путём обмена суши и водной среды массами живого и мёртвого вещества.

В разных компонентах биосферы в соответствии с местными климатическими и геологическими особенностями общепланетарный круговорот проходит по-разному, с неодинаковыми интенсивностью, направленностью, скоростью, качественным разнообразием вовлечённых в круговорот веществ. Т. е. в разных участках биосферы создаются свои устойчивые биогеохимические циклы, которые характеризуют столь же устойчивый биогеохимический фон местности. Выделяют также отдельные ветви круговорота, различающиеся по скорости обменных процессов. Самый быстрый обмен элементами происходит среди микроорганизмов (от нескольких минут до суток), в системе почва—растение он длится от недель до десятков и даже сотен лет, а в экосистемах и ландшафтах — десятки, сотни и даже тысячи лет. Общепланетарный цикл вещества, охватывающий все природные тела биосферы (включая глубокие горизонты донных отложений и земную кору), протекает медленно и исчисляется, по-видимому, сотнями тысяч и миллионами лет.

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы не являются замкнутыми; степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%. Этим поддерживается относительное постоянство и «равновесие» состава, количества и концентрации компонентов, вовлечённых в круговорот, гармония в отношениях организмов и окружающей среды. Однако в масштабах геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к миграции и дифференциации элементов, их концентрированию или рассеянию. Часть элементов изымается из биогеохимического цикла, оставаясь в так называемом запасном фонде. Углерод, например, способен задерживаться в древостое лесов несколько сотен лет, в гумусе почв — тысячи лет, в залежах торфа десятки тысяч лет, в каменном угле — миллионы лет. За всю историю биосферы (3,5-3,8 миллиард лет) следствием этих процессов стало биогенное накопление в атмосфере О2 и N2, появление озонового экрана; произошло биогенное концентрирование углерода (600 миллион лет назад сформировались запасы ископаемого топлива — горючие сланцы, нефть, уголь, битумы, а также известняков, доломитов), кремнезёма (диатомиты, трепелы), фосфора, железа, меди и других соединений. Биогеохимические процессы концентрирования и рассеяния элементов контрастно выявили химическую неоднородность биосферы, мозаичность её геохимического облика.

В масштабах биосферы количество перемещаемых элементов в процессе жизнедеятельности живых организмов огромно. Так, высшие наземные растения в ходе фотосинтеза ежегодно усваивают 60-70 миллиард тонн углерода и диоксида углерода, что эквивалентно 8-10% общего его количества в атмосфере Земли. Примерно столько же СО2 выделяется в процессе дыхания почвенными микроорганизмами. Полная оборачиваемость СО2 атмосферы Земли происходит каждые восемь лет.

Круговороты многих элементов (в том числе Са, Mg, Al, Mn, Fe, Zn, Cu, Р, S, F, Br, I) относятся к осадочному типу, т. е. в обменных процессах участвует очень малое их количество, а основная часть в виде плохо растворимых солей выводится из циклов. Это приводит к неравномерному распределению элементов в земной коре и образованию так называемых биогеохимических провинций с природной повышенной или пониженной концентрацией того или иного элемента относительно «нормального» геохимического фона. Недостаток или избыток в почвах таких элементов, как F, Br, В, Cu, Со и некоторых других служит причиной возникновения эндемических заболеваний человека и животных.

Существенная особенность биогеохимического цикла — концентрирование биотой в средах её обитания тех или иных биогенных элементов в количествах, во много раз превышающих их содержание во внешней среде. Это относится, прежде всего, к почве, которая является вместилищем всех необходимых для растений элементов. Благодаря корневой системе растений, глубоко проникающей по почвенному профилю, многие химические элементы из материнских пород поступают в верхние горизонты почвы и накапливаются в ней. По В. И. Вернадскому, почва в биогеохимическом цикле является областью наивысшей геохимической энергии живого вещества, важнейшая (по своим геохимическим последствиям) «лаборатория» идущих в ней химических и биохимических процессов.

В современной биосфере биогеохимические циклы подвергаются сильным воздействиям со стороны хозяйственной деятельности человека, причём масштабы антропогенного влияния сравнимы с природными биогеохимическими процессами. На поверхность из недр Земли ежегодно извлекается более 160 миллиардов тонн различных горных пород; за год сжигается столько горючих ископаемых, сколько создавала их природа в течение миллионов лет; в процессе промышленного производства, при работе тепловых электростанций и транспорта в атмосферу выбрасываются огромные количества небезопасных для живых организмов и часто токсичных газов (смотри Загрязнение окружающей среды). Нарушен ранее существовавший баланс между усвоением СО2 в ходе фотосинтеза и его поступлением в атмосферу. Ежегодная фотосинтетическая продукция составляет (1,2—1,9)·1011 т, а расходуется на различные виды антропогенной деятельности (сжигание топлива, металлургия, химическая промышленность и др.) (8—9) ·109 т, т. е. ежегодно дополнительно расходуется около 5% количества О2, вырабатываемого в природе. Ежегодный прирост в атмосфере содержания СО2 составляет 3 миллиард тонн (в пересчёте на углерод), в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и бесконтрольной вырубки лесов. Это влечёт за собой нарастание парникового эффекта. Круговорот азота всегда осуществлялся благодаря постоянно протекающим процессам азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификации (смотри Азот биогенный). Современная промышленность по производству удобрений фиксирует азот атмосферы и возвращает его в почвы в размерах, превышающих биологическую фиксацию. Происходит постоянное увеличение содержания нитратов в водоёмах и оксидов азота в атмосфере, что сопровождается соответственно эвтрофикацией водоёмов и подкислением атмосферных осадков; накопление гемиоксида азота (N2О) в атмосфере способствует созданию парникового эффекта и разрушению озонового слоя. Формируются техногенные (антропогенные) геохимические аномалии в зонах, прилегающих к крупным промышленным предприятиям; происходит накопление в почвах и живых организмах тяжёлых металлов (в районах действия некоторых вредных производств и вдоль автострад). Нередко в крупных индустриальных центрах локальные аномалии переходят в региональные и общепланетарные (повышение содержания СО2 в атмосфере). Меры борьбы с нарушением биогеохимического цикла связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов промышленного и сельскохозяйственного производства, с поисками путей оптимизации основных характеристик биогеохимических циклов и возможностью разумного управления ими. Смотри также статью Биосфера и литературу при ней.

Лит.: Биогеохимические циклы в биосфере. М., 1976; Круговорот углерода на территории России. М., 1999.

В. Н. Кудеяров.

knowledge.su

Теория биогеохимических циклов в.и вернадского

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ (биогеохимический круговорот веществ), обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Впервые понятие о «биогеохимическом цикле» было введено в начале 20 века В.И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности. Биогеохимические циклы в общепланетарном понимании рассматриваются как постоянное перемещение химических элементов под воздействием солнечной энергии с участием живых организмов.

При этом различные химические элементы постоянно переходят из одних соединений в другие, происходит обмен веществом и энергией между живым и неживым. В биогеохимическом цикле исключительная роль принадлежит фотосинтезу, благодаря которому солнечная энергия аккумулируется в виде энергии химических связей органических соединений и служит движущей силой всех биогеохимических процессов. В биогеохимические круговороты вовлекаются прежде всего необходимые для жизнедеятельности организмов биогенные элементы, в том числе С, Н, N, О, Са, Р, S, Fe, Zn, Mn, Cu.

Таким образом, благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим взаимосвязанным круговоротам элементов создаётся устойчивая организованность биосферы.

Реклама

Первоначально на планете сложились абиогенные циклы, включающие весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов.

Определяющую роль играли главным образом водная и воздушная миграции и аккумуляция веществ. Однако по мере совершенствования различных форм жизни круговорот веществ в природе стал направляться совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Организмы, находясь в состоянии постоянного обмена с окружающей их средой, воспринимают и отдают разнообразные минеральные и органические соединения в виде газов, растворов, твёрдых тел.

Экосистемы суши и Мирового океана связаны между собой через гидрологический сток и воздушную миграцию путём образования, переноса и выпадения атмосферных осадков, аэросуспензий и аэрозолей, а также путём обмена суши и водной среды массами живого и мёртвого вещества.

В разных компонентах биосферы в соответствии с местными климатическими и геологическими особенностями общепланетарный круговорот проходит по-разному, с неодинаковыми интенсивностью, направленностью, скоростью, качественным разнообразием вовлечённых в круговорот веществ.

Т. е. в разных участках биосферы создаются свои устойчивые биогеохимические циклы, которые характеризуют столь же устойчивый биогеохимический фон местности. Выделяют также отдельные ветви круговорота, различающиеся по скорости обменных процессов.

Самый быстрый обмен элементами происходит среди микроорганизмов (от нескольких минут до суток), в системе почва—растение он длится от недель до десятков и даже сотен лет, а в экосистемах и ландшафтах — десятки, сотни и даже тысячи лет. Общепланетарный цикл вещества, охватывающий все природные тела биосферы (включая глубокие горизонты донных отложений и земную кору), протекает медленно и исчисляется, по-видимому, сотнями тысяч и миллионами лет.

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы не являются замкнутыми; степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%.

Этим поддерживается относительное постоянство и «равновесие» состава, количества и концентрации компонентов, вовлечённых в круговорот, гармония в отношениях организмов и окружающей среды. Однако в масштабах геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к миграции и дифференциации элементов, их концентрированию или рассеянию. Часть элементов изымается из биогеохимического цикла, оставаясь в так называемом запасном фонде.

Углерод, например, способен задерживаться в древостое лесов несколько сотен лет, в гумусе почв — тысячи лет, в залежах торфа десятки тысяч лет, в каменном угле — миллионы лет. За всю историю биосферы (3,5-3,8 миллиард лет) следствием этих процессов стало биогенное накопление в атмосфере О2 и N2, появление озонового экрана; произошло биогенное концентрирование углерода (600 миллион лет назад сформировались запасы ископаемого топлива — горючие сланцы, нефть, уголь, битумы, а также известняков, доломитов), кремнезёма (диатомиты, трепелы), фосфора, железа, меди и других соединений.

Биогеохимические процессы концентрирования и рассеяния элементов контрастно выявили химическую неоднородность биосферы, мозаичность её геохимического облика.

В масштабах биосферы количество перемещаемых элементов в процессе жизнедеятельности живых организмов огромно.

Так, высшие наземные растения в ходе фотосинтеза ежегодно усваивают 60-70 миллиард тонн углерода и диоксида углерода, что эквивалентно 8-10% общего его количества в атмосфере Земли. Примерно столько же СО2 выделяется в процессе дыхания почвенными микроорганизмами. Полная оборачиваемость СО2 атмосферы Земли происходит каждые восемь лет.

Круговороты многих элементов (в том числе Са, Mg, Al, Mn, Fe, Zn, Cu, Р, S, F, Br, I) относятся к осадочному типу, т.

е. в обменных процессах участвует очень малое их количество, а основная часть в виде плохо растворимых солей выводится из циклов. Это приводит к неравномерному распределению элементов в земной коре и образованию так называемых биогеохимических провинций с природной повышенной или пониженной концентрацией того или иного элемента относительно «нормального» геохимического фона. Недостаток или избыток в почвах таких элементов, как F, Br, В, Cu, Со и некоторых других служит причиной возникновения эндемических заболеваний человека и животных.

Существенная особенность биогеохимического цикла — концентрирование биотой в средах её обитания тех или иных биогенных элементов в количествах, во много раз превышающих их содержание во внешней среде.

Это относится, прежде всего, к почве, которая является вместилищем всех необходимых для растений элементов. Благодаря корневой системе растений, глубоко проникающей по почвенному профилю, многие химические элементы из материнских пород поступают в верхние горизонты почвы и накапливаются в ней. По В. И.

Вернадскому, почва в биогеохимическом цикле является областью наивысшей геохимической энергии живого вещества, важнейшая (по своим геохимическим последствиям) «лаборатория» идущих в ней химических и биохимических процессов.

В современной биосфере биогеохимические циклы подвергаются сильным воздействиям со стороны хозяйственной деятельности человека, причём масштабы антропогенного влияния сравнимы с природными биогеохимическими процессами.

На поверхность из недр Земли ежегодно извлекается более 160 миллиардов тонн различных горных пород; за год сжигается столько горючих ископаемых, сколько создавала их природа в течение миллионов лет; в процессе промышленного производства, при работе тепловых электростанций и транспорта в атмосферу выбрасываются огромные количества небезопасных для живых организмов и часто токсичных газов (смотри Загрязнение окружающей среды).

Нарушен ранее существовавший баланс между усвоением СО2 в ходе фотосинтеза и его поступлением в атмосферу. Ежегодная фотосинтетическая продукция составляет (1,2—1,9)·1011 т, а расходуется на различные виды антропогенной деятельности (сжигание топлива, металлургия, химическая промышленность и др.) (8—9) ·109 т, т. е. ежегодно дополнительно расходуется около 5% количества О2, вырабатываемого в природе.

Ежегодный прирост в атмосфере содержания СО2 составляет 3 миллиард тонн (в пересчёте на углерод), в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и бесконтрольной вырубки лесов. Это влечёт за собой нарастание парникового эффекта.

Круговорот азота всегда осуществлялся благодаря постоянно протекающим процессам азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификации (смотри Азот биогенный).

Современная промышленность по производству удобрений фиксирует азот атмосферы и возвращает его в почвы в размерах, превышающих биологическую фиксацию. Происходит постоянное увеличение содержания нитратов в водоёмах и оксидов азота в атмосфере, что сопровождается соответственно эвтрофикацией водоёмов и подкислением атмосферных осадков; накопление гемиоксида азота (N2О) в атмосфере способствует созданию парникового эффекта и разрушению озонового слоя.

Формируются техногенные (антропогенные) геохимические аномалии в зонах, прилегающих к крупным промышленным предприятиям; происходит накопление в почвах и живых организмах тяжёлых металлов (в районах действия некоторых вредных производств и вдоль автострад).

Нередко в крупных индустриальных центрах локальные аномалии переходят в региональные и общепланетарные (повышение содержания СО2 в атмосфере). Меры борьбы с нарушением биогеохимического цикла связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов промышленного и сельскохозяйственного производства, с поисками путей оптимизации основных характеристик биогеохимических циклов и возможностью разумного управления ими.

Смотри также статью Биосфера и литературу при ней.

Лит.: Биогеохимические циклы в биосфере.

М., 1976; Круговорот углерода на территории России. М., 1999.

В. Н. Кудеяров.

Академик Владимир Иванович Вернадский — великий русский ученый, естествоиспытатель и мыслитель, создатель новых научных дисциплин, учения о биосфере, учения о переходе биосферы в ноосферу.

По мнению В.И. Вернадского, основные предпосылки создания ноосферы сводятся к следующему.

1) Человечество стало единым целым.

Мировая история охватила как единое целое весь земной шар, совершенно покончила с уединенными, мало зависимыми друг от друга культурными историческими областями прошлого. Сейчас «нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если б это было ему нужно».

2) Преобразование средств связи и обмена.

Ноосфера — это единое организованное целое, все части которого на самых различных уровнях гармонично связаны и действуют согласованно друг с другом. Необходимым условием этого является быстрая, надежная, преодолевающая самые большие расстояния связь между этими частями, постоянно идущий материальный обмен между ними, всесторонний обмен информацией.

3) Открытие новых источников энергии. Создание ноосферы предполагает столь коренное преобразование человеком окружающей его природы, что ему никак не обойтись без колоссальных количеств энергии.

4) Подъем благосостояния трудящихся.

Ноосфера создается разумом и трудом народных масс.

5) Равенство всех людей. Охватывая всю планету как целое, ноосфера по самому своему существу не может быть привилегией какой-либо одной нации или расы.

Она дело рук и разума всех народов без исключения.

6) Исключение войн из жизни общества. В наше время война, угрожая самому существованию человечества, встала как самое большое препятствие на пути к ноосфере.

Отсюда следует, сто без устранения этой преграды достижение ноосферы практически невозможно и, напротив, уничтожение угрозы войны будет означать, что человечество сделало крупный шаг к созданию ноосферы.

Ноосфера, по мнению Вернадского, — это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая на научных основаниях.

Ноосфера является результатом действия слившихся в единый поток двух величайших революционных процессов современности: в области научной мысли, с одной стороны, и социальных отношений — с другой.

Поэтому создание ноосферы возможно лишь как следствие прочного союза тех сил, которые являются основой этих процессов, т.е.

союза науки и трудящихся масс.

По мысли В.И. Вернадского, ноосфера — это гармоническое соединение природы и общества, это торжество разума и гуманизма, это слитые воедино наука, общественное развитие и государственная политика на благо человека, это — мир без оружия, войн и экологических проблем, это — мечта, цель, стоящая перед людьми доброй воли, это — вера в великую миссию науки и человечества, вооруженного наукой.

Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарного явления В.И.

Вернадский пришел к следующим выводам:

1. Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

2. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

3. Это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс.

4. А так как среда жизни есть организованная оболочка планеты — биосфера, то вхождение в ходе ее геологически длительного существования нового фактора ее изменения — научной работы человечества — есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние — в ноосферу.

В переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше.

Здесь вскрывается перед нами «закон природы». Новые науки — геохимия и биохимия — дают возможность выразить некоторые важные черты процесса математически.

В связи с развитием производственных сил возникают новые по качеству круговороты вещества в биосфере по пути превращения ее в ноосферу. Основные их признаки заключаются в следующем.

1) Возрастание механически извлекаемого материала земной коры — рост разработки месторождений полезных ископаемых.

2) Происходит массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох.

3) Процессы в антропогенной биосфере приводят к рассеиванию энергии, а не к ее накоплению, что было характерно для биосферы до появления человека.

4) В биосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в ней отсутствовавшие, в том числе чистые металлы.

5) Появляются, хотя и в ничтожно малых количествах трансурановые химические элементы (плутоний и др.) в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики.

Совершается освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер.

6) Ноосфера выходит за пределы Земли в связи с прогрессом научно-технической революции.

В связи с потребительским отношением к природным ресурсам и накоплением отходов производства антропогенная нагрузка на биосферу быстро возрастает и приближает биосферу к критическому состоянию. Естественно, что возникает проблема ограничения антропогенных воздействий, которая в наши дни становится чрезвычайно актуальной.

Это осознается научной общественностью и многими политическими деятелями.

В связи с возрастанием антропогенной нагрузки на биосферу возникают многочисленные проблемы, которые предстоит решить в ближайшем будущем во избежание роковых последствий.

Это чрезвычайно важная задача, решение которой потребует больших усилий со стороны человеческого разума, привлечения ученых в области естественных и гуманитарных наук.

Концепция ноосферы отражает новый, объективно происходящий в мире, стихийный процесс перехода биосферы в новое эволюционное состояние — ноосферу под влиянием социальной научной мысли и труда человечества. Этот процесс, относящийся к началу эпохи НТР, предопределен возникновением и резким ускорением научно-технического прогресса в ХХ веке на большей части Земли.

Главным социальным двигателем перехода биосферы в ноосферу в современный период, согласно предвидениям В.И.

Вернадского, служит резко возросшая творческая активность народных масс, стремление их к получению максимального научного знания, участия в общественной жизни и управления государством.

Концепция ноосферы в качестве основополагающего условия ее создания и проявления выдвигает отсутствие разрушительных войн между народами.

Биогеохимические циклы

Круговороты химических элементов в биосфере, трассирующихся из внешней среды в живые организмы и растения и обратно во внешнюю среду, называются биогеохимическими циклами. «Био» указывает на отношение к жизни, живым организмам, а «гео» — к земной коре, к земному шару, воздуху и воде.

Термин биогеохимия был впервые предложен В.И.Вернадским и окончательно закреплен в науке после публикации Дж.Хатчинсона в 40-х годах (1943-1950 гг.). Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и костными составляющими биосферы. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений называют круговоротом элементов питания, который в биосфере можно подразделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и осадочный цикл — в земной коре.

В биогеохимических циклах участвуют различные элементы, среди которых такие, как углерод, водород, кислород и азот, потребляются организмами в больших количествах.

Человек уникален не только тем, что из более чем 90 элементов, известных в природе, его организм нуждается в 40 различных элементах, но и тем, что в своей жизнедеятельности он так или иначе использует почти все другие элементы природы.

Более того, человек включает в циклический процесс все больше и больше искусственных элементов, создаваемых им, нисколько не проявляя заботы об экологических последствиях такого «содействия» природе. Возникает дисбаланс веществ (в частности, локальные избытки или дефицит), круговорот начинает деформироваться, терять цикличность (иначе говоря, процессы становятся несовершенными), нарушается процесс возвращения в круговорот.

Известно, что там, где по тем или иным причинам круговорот жизненно важных элементов снижается или уменьшается, наступает биологическая катастрофа, в результате которой гибнут огромные количества рыбы, водоплавающих птиц и других животных. Одной из известных биологических катастроф является Эль-Ниньо, происходящая в зоне Перу в Южной Америке. Из-за «водяного парникового эффекта», когда по не известным еще причинам проникающие с севера теплые течения покрывают глубинные холодные воды, обогащенные биогенными веществами, существенное уменьшение фитопланктона приводит к голоду, гибнут десятки миллионов тонн рыб, птицы, гнездящиеся на побережье, покидают зону катастрофы.

Одним из главных направлений усилия по охране природы общества должно стать сохранение цикличности процессов и восстановление равновесия фондов химических элементов в круговоротах.

Биологические катастрофы во многом связаны с движением и круговоротом воды, с их непрерывной изменчивостью. В своей природоохранной деятельности мы должны постигнуть методы восстановления и поддержания круговорота воды, углерода, кислорода и других элементов, а также мониторинга — контроля динамики элементов питания в этих средах — это одна из важных ступеней нерешенных проблем в экологии.

Круговорот кислорода

Биогеохимический цикл кислорода является глобальным процессом, охватывающим планетарные системы: атмосферу, гидросферу и литосферу. В атмосфере кислород находится в виде атомарного кислорода «О», молекул «О2» и озона «О3». Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, писал В.

И. Вернадский, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил». Круговорот кислорода (рис.2.2) — пример очень сложного цикла газообразных веществ, так как, совершая свой путь между атмосферой и живыми организмами, кислород обретает много химических форм.

Так, в процессе фотосинтеза кислород выделяется зелеными растениями, тогда как при потреблении кислорода животными, при дыхании происходит противоположное обращение. В ряде окислительных процессов в природе, например, в верхних слоях атмосферы, образуется кислород (правда, в меньших количествах) под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца в процессе диссоциации молекул воды и озона.

Рис.2.2.

Круговорот кислорода в биосфере

(по П. Клауду, А. Джибору 1972)

^ 2.3.2. Круговорот воды

Круговорот воды в природе занимает особое положение в науках о Земле как процесс, непосредственно связанный с существованием жизни на планете.

Такое важное явление, как круговорот воды, вызвала появившаяся на Земле жидкая вода, справедливо оцененная в далекой древности как одно из начал всего существующего в мире. Каков же этот процесс, ставший активным фактором формирования условий жизни и климата на нашей планете?

Рис.2.3. Круговорот осадков в гидросфере

Огромная масса воды на Земле представляет собой гигантское хранилище тепла, постоянно поступающего в атмосферу.

Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с колоссальной поверхности планеты, а захватываемые и переносимые мощными воздушными потоками пары воды затем конденсируются и возвращаются на землю в виде осадков (рис.2.3). Такой круговорот осадков имеет важное значение в механизме циркуляции атмосферы, а следовательно, и в формировании климата и условий погоды на Земле.

Солнечная энергия, получаемая океаном, способствует активному испарению воды, которая затем перераспределяется в системе «атмосфера — гидросфера».

Водяной пар, непрерывно поступающий в атмосферу, создает наряду с углекислым газом так называемый «парниковый эффект», который состоит в том, что некоторые газы, в основном углекислый (значительно в меньшей степени метан, закись азота и другие газы), и пары воды, находясь в атмосфере, затрудняют отдачу тепла с поверхности Земли в окружающую среду и действуют как стекло или пленка в теплице.

Роль водяного пара в парниковом эффекте значительна, ибо эти пары перехватывают и поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли, создавая как бы мощное покрывало планеты. Таким образом, связь гидросферы с атмосферой оказывает существенное влияние на изменение климата планеты, и в этих процессах важны тепловые свойства воды (определяющим здесь является аномальная удельная теплоемкость воды).

Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, на континентах нет резких перепадов температур зимой и летом. Вместе с тем, колебания теплозапасов в мировом океане, изменения интенсивных океанских течений и массы морских льдов неизбежно ведут к глобальным изменениям погоды.

В этой связи изучение взаимодействия океана и атмосферы является одной из важнейших задач современной метеорологии и смежных с ней наук.

Круговорот воды, несмотря на постоянную зависимость от климатических условий, сам в значительной мере воздействует на формирование климатических условий на Земле.

Вода на планете находится в непрерывном движении и изменении своего состояния, постоянно происходит водообмен между различными составными частями гидросферы.

Благодаря мировому круговороту, происходит неуклонное обновление запасов воды с различной скоростью. Так, воды мирового океана обновляются за 2 млн. лет, почвенная влага примерно за 1 год, вода в реках за 12 суток (т.е. 30 раз в год), а пары в атмосфере за 9 суток (т.е. 40 раз в год).

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу состоит из несметного количества частных круговоротов и «фильтросистем», включая и биосферный фильтр.

Пройдя циклы круговоротов и систем фильтров, вода в конечном счете снова оказывается в главном своем хранилище — Мировом океане. Огромную роль в процессе возобновления запасов воды играет сформировавшаяся в результате эволюции система очистки (природные фильтры), через которые воды гидросферы постоянно пропускаются с различной скоростью. Примером таких очистных природных массивов могут служить: земная кора, через которую проходит значительная часть воды гидросферы, обновляясь и снова включаясь в природные воды; атмосфера, в которую вода поступает в парообразном состоянии и в новом качестве возвращается обратно в гидросферу в виде осадков; наконец, биосфера, пропускающая огромное количество воды через систему всех живых организмов Земли.

Биосфера нашей планеты включает в себя биосферу суши и океана, основную массу которых составляют фотосинтезирующие организмы.

Водные растения непрерывно очищают воду, проходящую через их поверхность, а на суше растения транспирируют воду, т.е., получая ее из почвы, отдают в атмосферу в виде пара при испарении с крон (рис.2.4).

Системой транспирации на суше являются леса, поверхность листвы которых специалисты оценивают следующим образом: на каждый квадратный метр поверхности почвы лес создает 5,7 м листовой поверхности, зрелый еловый лес — 11 м, влажные тропические леса 22 м, саксауловый лес пустыни — 0,1 м, мхи и лишайники тундры — 2 м (при оценке следует также учесть, что почвенная влага от осадков проходит в основном через микроорганизмы и грибы, которые также очищают воду и значительно влияют на повышение интенсивности биосферной очистки).

В океанской воде заросли водорослей всех видов и одноклеточные водоросли создают суммарную площадь поверхности очистки, равную 100 м2 в слое толщиной 100 м, по современным оценкам морские организмы (с учетом мельчайших планктонных организмов) пропускают через себя в течение одного года объем воды, равный двум Мировым океанам.

Рис.2.4.

Схема круговорота воды

Круговорот воды, пронизывающий глобальный комплекс «суша — Мировой океан — атмосфера», представляет собой чрезвычайно сложную систему, в которую входят отдельные (составные) круговороты с природными очистными системами (см.рис.2.4).

Непрерывный круговорот воды в природе весьма важен как процесс, обеспечивающий сушу пресной водой, от которой зависит жизнь и хозяйственная деятельность человека.

Пресными считают воды с минерализацией до 1 г/л, солоноватыми – до 1-3 г/л, солеными – до 3-36 г/л, рассолами — с минерализацией более 35 г/л.

Основные запасы пресной воды сосредоточены в гигантских кладовых планеты: ледниках и различных снежно-ледниковых массивах, а также под землей — около 99,2% запасов пресной воды на Земле. В качестве главного источника пресной воды на протяжении длительного исторического периода человек использует речные воды, скорость возобновления которых около 12 дней.

Следующий крупный источник пресной воды — это подземные воды, использование которых по объему составляет не более 20% от количества воды, получаемой из рек, по причине, связанной с тем, что извлечение подземных вод сложнее и дороже, чем забор поверхностной речной воды.

Почти не используются пресные воды болот. Специалисты считают неверным представление о болотах как о «гнилой» воде, эта вода стерильна из-за довольно высокого содержания фенолов.

Благодаря этому качеству в прошлом болотную воду брали в виде запаса питьевой воды на корабли.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2015-03-23; просмотров: 1265;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

ekoshka.ru

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ — это… Что такое БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ?

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между разл. компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятель ностью организмов и носящий циклич. характер. Термин «Б. п.» введён в 10-х гг. 20 в. В. И. Вернадским, разработавшим теоретич. основы биогеохимич. цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии. Все Б. ц. в природе взаимосвязаны, составляют динамич. основу существования жизни, а нек-рые из них (циклы С, О, Н, N, S, Р, Са, К. Si и др. т. н. биогенных элементов) являются ключевыми для понимания эволюции и совр. состояния биосферы. Движущими силами Б. ц. служат потоки энергии Солнца (более широко — космоса) и деятельность живого вещества (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химич. элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Благодаря фотосинтезу и непрерывно дейстнующим циклич. круговоротам биогенных элементов создаётся устойчивая организованность биосферы Земли, осуществляется её нормальное функционирование. Нормальные (ненарушенные) Б. ц. в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамкнутость) — одно из важнейших свойств Б. ц., имеющее планетарное значение. За всю историю развития биосферы (3,5—3.8 млрд. лет) доля вещества, выходящая из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до неск. тыс. лет) в геол. цикл (длительностью в млн. лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, разл. химич. элементов и соединений в земной коре. Особенно показателен Б. ц. углерода. Ежегодно и:) биосферного Б. ц. наземных экосистем выходит («сбрасывается») в геол. цикл ок. 130 т углерода, что составляет всего 10 — 18% от запасов углерода, находящихся в обращении в совр. биосфере. В течение фанерозоя (ок. 600 млн. лет) за счёт неполной обратимости цикла углерода в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефтей и др.), оцениваемые в 1016 —1017 т. Сложившаяся в ходе развития биосферы направленность планетарных и региональных Б. ц. привела к созданию устойчивого биогеохимич. (т. н. нормального) фона, характерного для той или иной местности. Этот фон различается для определённых регионов биосферы, в пределах к-рых по недостатку или избытку определённых химич. элементов выделяются естественные геохимич. аномалии — биогеохимич. провинции. С вариациями исторически сложившегося общего геохимич. фона территории и естественными биогеохимич. аномалиями, отражающими реально существующую неоднородность химич. состава биосферы, связаны мн. эндемичные болезни животных и человека. Глобальный характер хоз. деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимич. цикличности природных процессов биосферы. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий сопоставимы с кол-вом веществ, вовлечённых в нормальные Б. ц. Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают нормальное её функционирование и выпадают частично или полностью из системы устойчивых Б. ц. Возникает новый тип техногенных геохимич. аномалий, наз. «неоаномалиями» или «антропоаномалиями». Они форми руются на нормальном биогеохимич. фоне в чрезвычайно короткие сроки и охватывают не только живое вещество, но и биокосные тела биосферы (атмосферу, почвы, природные воды), лроникают в глубокие горизонты земной коры. Происходит нарушение отлаженных во времени природных Б. ц. биосферы. Для ряда элементов и соединений Б. ц. становятся природно-антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия и др.). Нек,-рые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и др. продукты хим. синтеза — г. н. ксенобиотики) не включаются в природные и природно-антропогенные циклы и не перерабатываются в биосфере. Меры борьбы с нарушением Б. ц. связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов пром. и с.-х. произ-ва, с поисками путей оптимизации осн. характеристик Б. ц. и возможностью разумного управления ими. См. также ст. Биосфера

Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме — разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным (по А. Г. Назарову).

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

.

dic.academic.ru

Биогеохимический цикл — WiKi

Биогеохимический цикл (круговорот веществ) — система незамкнутых и необратимых круговоротов веществ в биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частях Земли. Этот повторяющийся процесс взаимосвязанного преобразования и перемещения веществ в природе имеет циклический характер и происходит при обязательном участии живых организмов и часто нарушается человеческой деятельностью. Является основным свойством, характерной чертой биосферы.

Принцип круговорота веществ в природе сформулирован в середине XIX века Ю. Либихом и Ж. Б. Буссенго[1]. Термин «биогеохимический цикл» был введён в 1910 годах В. И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии.

Движущими силами биогеохимических циклов служит энергия Солнца и деятельность «живого вещества» (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Используя неорганические вещества, автотрофы (зелёные растения) за счёт энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамкнутость) является одним из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющая планетарное значение. Процессы превращения вещества имеют определённое поступательное движение, поскольку не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Круговорот воды

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на значительные расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и проникает вместе с растворёнными в нём химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря.

Наибольшее значение в биогенном цикле имеют такие циклы:

ru-wiki.org

Биогеохимические циклы. Структура биогеохимических циклов

Понятие о биогеохимических циклах

Необходимое для существования жизни на Земле вещество, как правило, может использоваться неоднократно. Именно этот процесс среди биологических наук и принято называть круговоротом веществ или биогеохимическими циклами.

Основным поставщиком энергии на нашу планету является Солнце, а механизмы которые обеспечивают вовлечение веществ в круговорот, преимущественно основаны на биологических процессах.

Структура биогеохимических циклов

В круговороте веществ принято выделять два фонда:

  • резервный — представляющий собой большую массу медленно движущихся веществ, преимущественно в небиологической сфере;
  • обменный — меньший по размеру, но более активный, характерной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Замечание 1

Как правило, резервный фонд хранится в относительно рассеянном и подвижном виде, доступ к которому имеет большинство живых организмов, независимо от их местоположения.

Для обеспечения круговорота веществ, как известно, лучше всего подходит атмосфера и гидросфера, которые выполняют роль так называемых буферных зон, соединяющих друг с другом различные формы жизни. Следует отметить, что почва является менее подвижной зоной. Именно буферные зоны источниками питательных веществ для организмов, которые пополняют их своими продуктами жизнедеятельности.

Как правило, то, что является «отходами» для одной формы жизни, может послужить пищей для другой формы жизни. В наибольшей степени с резервным фондом связаны растения, получающие всё, что им необходимо из воздуха, воды и почвы. Меньше всего данная связь представлена у животных, которые, как правило, не способны к синтезу органики из рассеянных компонентов резервного фонда, и существование которых преимущественно протекает за счёт обменного фонда, который в большей своей массе сосредоточен в живом веществе.

Основные типы биогеохимический циклов

В экологии биогеохимические циклы принято разделять на два типа:

  • круговорот газообразных веществ, резервный фонд которых сосредоточен в атмосфере или гидросфере;
  • осадочный цикл, резервный фонд которого сосредоточен в земной коре.

Круговороты газообразных веществ являются более совершенными. Причиной тому является наличие большого обменного фонда и, как следствие, способности к быстрой саморегуляции.

Что касается круговорота осадочного цикла, то он является менее совершенным, но более инертным, в связи с тем, что основная масса вещества сосредоточена в резервном фонде земной коры в недоступном живым организмам виде. Отличительной особенностью осадочных круговоротов является то, что они легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.

Вернуться в круговорот эта часть материала может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом, однако извлечь необходимые для живых организмов вещества из литосферы гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Замечание 2

Как правило, часть вещества в процессе круговорота выходит из него в захоронения в виде угля, нефти, торфа, осадочных пород и т.д. Однако в результате протекания тектонических и геологических процессов, а также вследствие антропогенной деятельности большинство веществ вновь вовлекается в круговорот.

Для обеспечения процесса синтеза вещества клеток живым организмам необходимо примерно 40 элементов, из которых самыми важными являются углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера.

spravochnick.ru