Кругообіг речовин в біосфері

Біосфера Землі характеризується певним чином склалися кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин - багаторазове участь речовин в процесах, які протікають в атмосфері, гідросфері і літосфері, в тому числі в тих шарах, які входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовина здійснюється при безперервному надходженні зовнішньої енергії Сонця і внутрішньої енергії Землі.

Залежно від рушійної сили, всередині кругообігу речовин можна виділити геологічний (великий круговорот), біологічний (біогеохімічний, малий кругообіг) і антропогенний кругообіг.

Геологічний кругообіг (великий круговорот речовин в біосфері)

Цей круговорот здійснює перерозподіл речовини між біосферою і більш глибокими горизонтами Землі. Рушійною силою цього процесу є екзогенні та ендогенні геологічні процеси. Ендогенні процеси відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, яка виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів і ін. До ендогенних процесів відносять, наприклад, тектонічні рухи, землетрусу. Ці процеси ведуть до утворення великих форм рельєфу (материки, океанічні западини, гори і рівнини). Екзогенні процеси протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. До них відносяться геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, живих організмів і людини. Ці процеси ведуть до згладжування великих форм рельєфу (річкові долини, пагорби, яри і ін.).

Триває геологічний круговорот мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські нашарування і лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці нашарування повертаються на сушу і процес починається знову. Символом цього кругообігу речовин є спіраль, а не коло, тому що новий цикл кругообігу не повторює в точності старий, а вносить щось нове.

На превеликий круговороту відноситься круговорот води (гідрологічний цикл) між сушею і океаном через атмосферу (рис. 3.2).

Кругообіг води в цілому відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами і поглинання її в біогеохімічному циклі, весь запас води на Землі розпадається і відновлюється на 2 млн. Років.

Мал. 3. 2. Кругообіг води в біосфері.

У гідрологічним циклі всі частини гідросфери пов'язані між собою. У ньому щорічно бере участь більше 500 тис. Км3 води. Рушійною силою цього процесу є сонячна енергія. Молекули води під дією сонячної енергії нагріваються і піднімаються у вигляді газу в атмосферу (щодоби випаровується - 875 км3 прісної води). У міру підняття вони поступово охолоджуються, конденсуються і утворюють хмари. Після достатнього охолодження хмари звільняють воду у вигляді різних опадів, що падають назад в океан. Вода, що потрапила на землю, може слідувати двома різними шляхами: або вбиратися в грунт (інфільтрація), або стікати по ній (поверхневий стік). По поверхні вода стікає в струмки і ріки, що прямують до океану або інші місця, де відбувається випаровування. Вбратися в грунт вода, може утримуватися в її верхніх шарах (горизонтах) і повертатися в атмосферу шляхом транспірації. Така вода називається капілярної. Вода, яка захоплюється силою тяжіння і просочується вниз по порах і тріщинах називається гравітаційної. Просочується гравітаційна вода до непроникного шару гірської породи або щільної глини, заповнюючи всі порожнини. Такі запаси називаються грунтовими водами, а їх верхня межа - рівнем грунтових вод. Підземні шари породи, за якими повільно течуть грунтові води називаються водоносними горизонтами. Під дією сили тяжіння грунтові води рухаються по водоносному шарі до тих пір, поки не знайдуть «вихід» (наприклад, утворюючи природні джерела, які живлять озера, річки, ставки, тобто стають частиною поверхневих вод). Таким чином, кругообіг води включає три основні «петлі»: поверхневого стоку, випаровування-транспірації, грунтових вод. У кругообігу води на Землі щорічно бере участь більше 500 тис. Км3 води і він відіграє основну роль у формуванні природних умов.

Біологічний (біогеохімічний) круговорот

(Малий кругообіг речовин в біосфері)

Рушійною силою біологічного кругообігу речовин є діяльність живих організмів. Він є частиною великого і відбувається в межах біосфери на рівні екосистем. Складається малий кругообіг в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин (автотрофи), витрачаються на побудову тіл і життєві процеси, як рослин, так і інших організмів (як правило, тварин - гетеротрофів), які поїдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розкладаються до мінеральних компонентів. Ці неорганічні речовини можуть бути знову використані для синтезу автотрофами органічних речовин.

В біогеохімічних круговоротах розрізняють резервний фонд (речовини, які не пов'язані з живими організмами) і обмінний фонд (речовини, які пов'язані прямим обміном між організмами і їх безпосереднім оточенням).

Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги ділять на два типи:

Кругообіг газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері і гідросфері (кругообіг вуглецю, кисню, азоту).

Кругообіг осадового типу з резервним фондом в земній корі (кругообіг фосфору, кальцію, заліза та ін.).

Кругообіг газового типу, володіючи великим обмінним фондом, є більш досконалими. І, крім того, вони здатні до швидкої саморегуляції. Кругообіг осадового типу менш досконалі, вони більш інертні, так як основна маса речовини міститься в резервному фонді земної кори в недоступному »живим організмам вигляді. Такі кругообіг легко порушуються від різного роду впливів, і частина обмінюваного матеріалу виходить з кругообігу. Повернутися знову в круговорот вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живим речовиною.

Інтенсивність біологічного кругообігу визначається температурою навколишнього середовища і кількістю води. Наприклад, біологічний круговорот інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж в тундрі.

Кругообіг основних біогенних речовин і елементів

кругообіг вуглецю

Вся земне життя заснована на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована на основі вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують з однієї частини біосфери в іншу (рис. 3. 3.).

Мал. 3. 3. Кругообіг вуглецю.

Основні запаси вуглецю на Землі перебувають у вигляді міститься в атмосфері і розчиненого в Світовому океані діоксиду вуглецю (CO2). Рослини поглинають молекули вуглекислого газу, в процесі фотосинтезу. В результаті атом вуглецю перетворюється в різноманітні органічні сполуки і таким чином включається в структуру рослин. Далі можливо кілька варіантів:

· Вуглець залишається в рослинах ® молекули рослин йдуть в їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук) ® вуглець повертається в атмосферу в якості CO2;

· Рослини з'їдаються травоїдними тваринами ® вуглець повертається в атмосферу в процесі дихання тварин і при їх розкладанні після смерті; або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними і тоді вуглець знову ж повернеться в атмосферу тими ж шляхами;

· Рослини після загибелі перетворюються в викопне паливо (наприклад, в вугілля) ® вуглець повертається в атмосферу після використання палива, вулканічних вивержень і ін. Геотермальних процесів.

У разі розчинення вихідної молекули CO2 в морській воді також можливо кілька варіантів: вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном і атмосферою відбувається постійно); вуглець може увійти в тканини морських рослин або тварин, тоді він буде поступово накопичуватися у вигляді відкладень на дні Світового океану і в кінці кінців перетвориться в вапняк або з відкладень знову перейде в морську воду.

Швидкість кругообігу CO2 становить близько 300 років.

Втручання людини в кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту CO2 в атмосфері і розвитку парникового ефекту. В даний час дослідження кругообігу вуглецю стало важливим завданням для вчених, що займаються вивченням атмосфери.

кругообіг кисню

Кисень є найбільш поширеним елементом на Землі (в морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15%, в земній корі 47,2%). З'єднання кисню незамінні для підтримки життя (грають найважливішу роль в процесах обміну речовин і диханні, входить до складу білків, жирів, вуглеводів, з яких «побудовані» організми). Головна маса кисню знаходиться в зв'язаному стані (кількість молекулярного кисню в атмосфері складає всього лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі).

Так як кисень міститься в багатьох хімічних сполуках, його кругообіг в біосфері дуже складний і головним чином відбувається між атмосферою та живими організмами. Концентрація кисню в атмосфері підтримується завдяки фотосинтезу, в результаті якого зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю і воду в вуглеводи і кисень. Основна маса кисню продукується рослинами суші - майже ¾, інша частина - фотосинтезуючими організмами Світового океану. Потужним джерелом кисню є і фотохімічні розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Крім того, кисень робить найважливіший кругообіг, входячи до складу води. Незначна кількість кисню утворюється з озону під впливом ультрафіолетової радіації.

Швидкість кругообігу кисню близько 2 тис. Років.

Вирубка лісів, ерозія ґрунтів, різні гірничі виробки на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу і знижують круговорот кисню на значних територіях. Крім того, на промислові і побутові потреби щорічно витрачається 25% кисню, що утворюється в результаті асиміляції.

кругообіг азоту

Биогеохимический круговорот азоту, так само як і попередні кругообіг, охоплює всі області біосфери (рис. 3.4).

Мал. 3. 4. Кругообіг азоту.

Азот входить до складу земної атмосфери в незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул (приблизно 78% всього обсягу атмосфери припадає на частку азоту). Крім того, азот входить до складу рослин і тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, поглинаючи нітрати з грунту. Нітрати утворюються там з атмосферного азоту і амонійних сполук, наявних у грунті. Процес перетворення атмосферного азоту в форму, засвоювану рослинами і тваринами, називається зв'язуванням азоту. При гнитті органічних речовин значна частина міститься в них азоту перетворюється в аміак, який під впливом що у грунті нитрифицирующих бактерій окислюється потім у азотну кислоту. Ця кислота, вступаючи в реакцію з перебувають у грунті карбонатами (наприклад, з карбонатом кальцію СаСОз), утворює нітрати. Деяка ж частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному вигляді в атмосферу. Крім того, вільний азот виділяється при горінні органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім цього, існують бактерії, які при недостатньому доступі повітря можуть відділяти кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність денитрифицирующих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати), переходить в недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, який входив до складу загиблих рослин, повертається назад в грунт (частина його поступово виділяється в вільному вигляді).

До процесів, що відшкодовують втрати азоту, відносяться, перш за все, відбуваються в атмосфері електричні розряди, при яких завжди утвориться деяка кількість оксидів азоту (останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в грунті в нітрати). Іншим джерелом поповнення азотних сполук грунту є життєдіяльність так званих азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних потовщень - клубеньков. Бульбочкові бактерії, засвоюючи атмосферне азот, переробляють його в азотні сполуки, а рослини, у свою чергу, перетворюють останні у білки й інші складні речовини. Таким чином, в природі відбувається безперервний кругообіг азоту.

У зв'язку з тим, що щорічно з урожаєм з полів збирають найбільш багаті білками частини рослин (наприклад, зерно), грунт «вимагає» вносити добрива, відшкодовують в ній важливіші елементи живлення рослин. В основному використовують нітрат кальцію (Ca (NO) 2), нітрат амонію (NH4NO3), нітрат натрію (NANO3), і нітрат калію (KNO3). Також, замість хімічних добрив, використовують самі рослини із сімейства бобових. Якщо кількість штучних азотних добрив, що вносяться в грунт, надмірно велике, то нітрати надходять і в організм людини, де вони можуть перетворюватися в нітрити, які мають великий токсичністю і здатні викликати онкологічні захворювання.

кругообіг фосфору

Основна маса фосфору міститься в гірських породах, що утворилися в минулі геологічні епохи. Вміст фосфору в земній корі становить від 8 - 10 до 20% (по вазі) і знаходиться він тут у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатіт і ін.), Які входять до складу природних фосфатів - апатитів і фосфоритів. У биогеохимический круговорот фосфор може потрапити в результаті вивітрювання гірських порід. Ерозійними процесами фосфор виноситься в море у вигляді мінералу апатиту. У перетвореннях фосфору більшу роль відіграють живі організми. Організми витягають фосфор з грунтів і водних розчинів. Далі фосфор передається по ланцюгах харчування. Із загибеллю організмів фосфор повертається в грунт і в мули морів, і концентрується у вигляді морських фосфатних відкладень, що в свою чергу створює умови для створення багатих фосфором порід (рис. 3. 5.).

Мал. 3.5. Кругообіг фосфору в біосфері (по П. Дювіньо, М. Тангу, 1973; із змінами).

При неправильному застосуванні фосфорних добрив, в результаті водної та вітрової ерозії (руйнування під дією води або вітру) велика кількість фосфору видаляється з грунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив і виснаження запасів фосфоровмісних руд.

З іншого боку, підвищений вміст фосфору на водних шляхах його перенесення викликає бурхливе збільшення біомаси водоростей, «цвітіння водойм» і їх евтрофікацію (збагачення поживні речовини).

Так як рослини забирають з грунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками грунту вкрай незначно, то внесення в грунт фосфорних добрив є одним з найважливіших заходів по підвищенню врожайності. Щорічно в світі видобувають приблизно 125 млн. Т. Фосфатної руди. Більша її частина витрачається на виробництво фосфатних добрив.

кругообіг сірки

Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладеннях, в грунті і атмосфері. Головна роль в залученні сірки в біогеохімічний круговорот належить мікроорганізмам. Одні з них відновники, інші - окислювачі (рис. 3. 6.).

Мал. 3. 6. Кругообіг сірки (по Ю. Одум, 1975).

У природі у великій кількості відомі різні сульфіди заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окислюється в біосфері до сульфатної сірки. Сульфати поглинаються рослинами. В живих організмах сірка входить до складу амінокислот і білків, а у рослин, крім того, до складу ефірних масел і т.д. Процеси руйнування залишків організмів у грунтах і в мулі морів супроводжуються складними перетвореннями сірки (мікроорганізми, створюють численні проміжні сполуки сірки). Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в грунті мікроорганізмами до H2S, інша частина окислюється до сульфатів і знову включається в кругообіг. Утворився сірководень в атмосфері окислюється і повертається в грунт з опадами. Крім того, сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сульфатна сірка створює гіпс. У свою чергу сульфіди і гіпс знову піддаються руйнуванню, і сірка відновляє свою міграцію.

Крім того, сірка у вигляді SO2, SO3, H2S і елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу.

Кругообіг сірки може бути порушений втручанням людини. Виною тому стає спалювання кам'яного вугілля та викиди хімічної промисловості, в результаті чого утворюється сірчистий газ, що порушує процеси фотосинтезу і приводить до загибелі рослинності.

Таким чином, біогеохімічні цикли забезпечують гомеостаз біосфери. При цьому вони в значній мірі схильні до впливу людини. І одним з найпотужніших антиекологічних дій людини пов'язано з порушенням і навіть руйнуванням природних кругообігів (вони стають ациклическими).

антропогенний кругообіг

Рушійною силою антропогенного кругообігу є діяльність людини. Даний кругообіг включає дві складові: біологічну, пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, і технічну, пов'язану з господарською діяльністю людей. Антропогенний кругообіг на відміну і геологічного і біологічного не є замкнутим. Ця незамкнутість стає причиною виснаження природних ресурсів і забруднення природного середовища.

Date: 2015-10-18; view: 1060; Порушення авторських прав