Головна
ГоловнаЕкологіяЗагальна екологія → 
« Попередня Наступна »
Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова. ЕКОЛОГІЯ / підручник для старших класів школи, М.: Стійкий світ, 2001 - перейти до змісту підручника

§ 44. ОСНОВНІ біосферного кругообігу речовин

У біосфері постійно протікають кругообіг речовин. Розглянемо основні кругообіги, які визначають життя екосистем.

Кругообіг води (рис. 68). Тканини живих організмів на 70% складаються з води, і тому В.І. Вернадський визначав життя як живу воду.

Основна маса води зосереджена в океанах. Парка з його поверхні вода дає цілющу вологу природним і штучним екосистемам суші. Чим ближче район до океану, тим більше там випадає опадів. Суша постійно повертає воду океану: частина води випаровується, особливо лісами, частина збирається ріками, у які надходять дощові і снігові води. Обмін вологою між океаном і сушею вимагає дуже великої кількості енергії: на це витрачається до 1/3 надходить на Землю сонячної енергії.

Кругообіг води в біосфері до розвитку цивілізації був рівноважним, океан одержував від рік стільки води, скільки витрачав її при випаровуванні. Якщо не мінявся клімат, то чи не міліли річки і не знижувався рівень води в озерах. З розвитком цивілізації цей круговорот став порушуватися. Зокрема, зменшується випаровування води лісами, зважаючи на скорочення їх площі і, навпаки, збільшується випаровування з поверхні грунту при зрошенні сільськогосподарських угідь. Річки південних районів обміліли, випаровування води з поверхні океану зменшується внаслідок появи на значній частині його поверхні плівки нафти. Все це погіршує водопостачання біосфери. Більш частими стають посухи, виникають вогнища екологічних нещасть, наприклад, багаторічна катастрофічна посуха в Африці в зоні Сахеля.

Крім того, і сама прісна вода, яка повертається в океан і інші водойми з суші, часто забруднена. Практично непридатною для пиття стала вода багатьох річок Росії.

Частка прісної води, доступної живим організмам, досить мала, тому її потрібно витрачати економно та не забруднювати. Цей перш невичерпний ресурс стає вичерпним. Сьогодні води, придатної для пиття, промислового виробництва та зрошення, не вистачає в багатьох районах світу.

Кругообіг вуглецю (рис. 69). Вуглець - основа органічних сполук. В атмосфері постійно відбувається обмін діоксиду вуглецю: рослини поглинають його при фотосинтезі, і всі організми виділяють в атмосферу в результаті дихання. До 50% (за деякими даними - до 90%) вуглецю у формі діоксиду вуглецю повертають в атмосферу мікроорганізми грунту. Крім того, вуглець надходить в атмосферу з детриту - гумусу, торфу, сапропелю. Це відбувається в тих випадках, коли розчиняються грунту, осушуються болота і створюються умови для діяльності аеробних мікроорганізмів, що руйнують органічні речовини.

Людина включає в круговорот вуглецю органічні речовини з підземних комор детриту - нафти, вугілля, сланців, газу. При спалюванні цього палива підвищується вміст діоксиду вуглецю в атмосфері. Поки це підвищення незначно, так як додатковий діоксид вуглецю встигають використовувати ліси і фітопланктон океану. Крім того, цей газ поглинається і самою водою океану, і які утворюються сполуки відкладаються на його дні. Якщо площа лісів буде і далі скорочуватися, океан - забруднюватися, а кількість антропогенних викидів діоксиду вуглецю - зростати, то може відбутися значне збільшення його концентрації в атмосфері.

Учасником круговороту вуглецю є і метан - органічна речовина, яка виділяється в атмосферу бактеріями-редуцентами. До початку цивілізації круговорот метану був рівноважним і його надходило в атмосферу стільки ж, скільки руйнувалося. З розвитком цивілізації кількість надходить в атмосферу метану стало більше, ніж його відтік. Основні джерела метану - рисові поля і худобу. Метан виділяється також зі звалищ і з вугільних шахт.

У кругообігу вуглецю беруть участь і геохімічні процеси, при яких відбувається обмін атмосферного вуглецю та вуглецю, що міститься в гірських породах (у вапняках містяться карбонати, в сланцях - кероген і т.д.). Діоксид вуглецю витрачається на вивітрювання карбонатів і на складні хімічні реакції перетворення силікатів в карбонати і виділяється при відкладенні карбонатів в океані і розкладанні карбонатів у глибинних горизонтах земної кори. Однак даних про швидкість цих процесів немає.

Кругообіг кисню (рис. 70). Кисень - найпоширеніший елемент у біосфері. Він становить 21% атмосфери, входить до складу води, живих організмів і багатьох мінералів. Важливу роль відіграє озон.

Кисень виділяють зелені рослини в результаті фотосинтезу, а поглинають його всі живі організми при диханні, він витрачається при спалюванні палива в господарстві людини. Крім того, деяка кількість кисню утворюється у верхніх шарах атмосфери при дисоціації води і руйнуванні озону під дією ультрафіолетового випромінювання, і частина кисню витрачається на окислювальні процеси в земній корі, при вулканічних виверженнях і ін

Кругообіг кисню дуже складний, так як кисень вступає в різноманітні реакції і входить до складу дуже великого числа органічних і неорганічних сполук, і уповільнений. Для повного оновлення всього кисню атмосфери потрібно близько 2 тис. років (для порівняння: щорічно оновлюється близько 1/3 діоксиду вуглецю атмосфери).

До появи цивілізації цей круговорот також був рівноважним. Сьогодні кисень використовується при спалюванні пального в двигунах автомобілів, в топках теплових електростанцій, у двигунах літаків та ракет і т.д. Це додаткове витрачання кисню може порушити рівновагу його кругообігу. Поки біосфера справляється з втручанням людини в круговорот кисню: його втрати компенсуються зеленими рослинами. При подальшому зменшенні площі лісів і спалюванні все більшої кількості палива вміст кисню в атмосфері почне зменшуватися.

Кругообіг азоту (рис. 71). Азот - один з найважливіших для життєдіяльності організмів елементів. Він необхідний для синтезу білка. Атмосфера в основному складається з азоту (його частка становить 78%), але це інертний газ і тому недоступний більшості організмів.

Зв'язування азоту в доступні рослинам форми відбувається при грозових розрядах. Цей процес здійснюють і мікроорганізми-азотфіксатори (в наземних екосистемах - бактерії і ціанобактерії, у водних - ціанобактерії). Крім того, азот зв'язується в доступні рослинам з'єднання при виробництві азотних добрив.

Однак пересичення біосфери пов'язаним азотом не відбувається. Його з'єднання руйнуються до оксидів азоту і відновлюються до молекулярного азоту мікроорганізмами-денітрифікатор, і азот повертається в атмосферу. Азот грунту споживають рослини. У складі рослинних білків його використовують тварини. Повернення азоту здійснюється в результаті вимивання його з грунту і виділення в атмосферу у формі чистого азоту та його оксидів. Бактерії розкладають білки до мінеральних форм азоту. Потрапляє у водойми азот також проходить по харчових ланцюгах «рослина - тварина - мікроорганізми» і повертається в атмосферу.

Людина порушує рівновагу кругообігу азоту. При розорювання земель різко (приблизно в 5 разів) знижується активність фіксації азоту мікроорганізмами і, навпаки, активізується діяльність руйнують азотні сполуки мікроорганізмів-денітріфікаторов. У підсумку зменшується вміст зв'язаного азоту в його основному сховище - грунті. Це веде до зниження родючості грунтів і продуктивності сільськогосподарських екосистем.

Людина впливає на кругообіг азоту при виробництві та внесення мінеральних добрив, крім того, значна кількість азоту в формі оксидів азоту надходить в атмосферу в результаті її забруднення промисловістю і транспортом і випадає у вигляді кислотних дощів.

Відновлення природного кругообігу азоту можливо за рахунок зменшення виробництва азотних добрив, різкого скорочення промислових викидів оксидів азоту в атмосферу і розширення площі посівів бобових, які симбиотически пов'язані з бактеріями-азотфиксаторами.

Кругообіг фосфору (рис. 72). На відміну від кругообігів вуглецю та азоту, які є закритими, круговорот фосфору - відкритий, оскільки фосфор не утворює летючих сполук, які могли б повертатися в атмосферу.

Фосфор міститься лише в гірських породах, звідки потрапляє в екосистеми або при природному руйнуванні порід, або при внесенні на поля фосфорних добрив, вироблених з деяких гірських порід. Рослини поглинають фосфор, а тварини, що харчуються цими рослинами, накопичують його у своїх тканинах. Після розкладання мертвих тіл тварин і рослин редуцентамі не весь фосфор залучається в круговорот, частина його вимивається з грунту у водойми (ріки, озера, моря). Там фосфор осідає на дно і або зовсім не повертається на сушу, або в невеликих кількостях повертається з виловленої людиною рибою або з екскрементами птахів, що харчуються рибою. Скупчення екскрементів морських птахів служили в недалекому минулому джерелом найціннішого органічного добрива - гуано, проте в даний час ресурси гуано практично вичерпані.

Відтік фосфору з суші в океан особливо посилюється під впливом на екосистеми людини - в першу чергу внаслідок зростання поверхневого стоку води при знищенні лісів, розорювання грунтів та внесення фосфорних добрив.

Оскільки запаси фосфору на суші обмежені, а його повернення з океану проблематичний, в майбутньому в землеробстві можливий недолік фосфору, що викличе зниження врожаїв (у першу чергу зернових). Тому необхідна економія ресурсів фосфору.

Контрольні питання

1. Яка частка прісної води в світовому запасі, яка її частина доступна організмам?

2. Як людина впливає на кругообіг води?

3.

Яку роль у круговороті вуглецю грає метан?

4. Чому круговорот кисню є найскладнішим?

5. Що потрібно зробити для нормалізації кругообігу азоту?

6. Чим відрізняється круговорот фосфору, від кругообігів вуглецю або азоту?

Довідковий матеріал

Жива речовина складається з безлічі хімічних елементів, але переважають всього три - кисень (70%), вуглець (18%) і водень (10%) і велика частина кисню і водню входить до складу води, 1, 5% падає на частку азоту, натрію, магнію, кремнію, фосфору, сірки, калію, заліза, хлору. На всі інші елементи таблиці Менделєєва - 0,5%.

Потреба у воді в організмів дуже велика. Наприклад, для утворення 1 кг біомаси дерева в різних районах витрачається від 200 до 500 л води. Щоб виростити 1 т пшениці, потрібно 1500 т води, а 1 т рису - 7000 т води.

Різні фракції води гідросфери беруть участь у кругообігу води по-різному і з різною швидкістю. Так, для повного оновлення води у складі льодовиків необхідно 8 тис. років, підземних вод - 5 тис. років, океану - 3 тис. років, грунту - 1 рік. Пари атмосфери і річкові води повністю оновлюються за 10-12 діб.

1 м2 лісу виробляє на рік від 1 до 3 м3 кисню. При зниженні вмісту кисню в атмосфері до 16% у людини погіршується самопочуття (особливо страждає серце), до 7% - людина втрачає свідомість, а якщо цей показник опускається до 3% - настає смерть.

Запаси вуглецю в атмосфері, у складі живих організмів суші і освітленого шару океану приблизно рівні. За різними даними вони складають по 600-750 Гт (1 Гт = 1015 г). Над кожним квадратним метром суші знаходиться 1 кг вуглецю, і під кожним квадратним метром океану при глибині 4 км - 100 кг неорганічного вуглецю. Приблизно третина цієї кількості (близько 200 Гт) циркулює, тобто щорічно засвоюється організмами в процесі фотосинтезу і повертається назад в атмосферу, причому, внесок океану і суші також приблизно подібний.

Кількість діоксиду вуглецю в атмосфері над зоною тайги приблизно в 3 рази вище, ніж над тропічним лісом, так як у тропіках активніше йде процес фотосинтезу. Причому, якщо в тропіках протягом року вміст в атмосфері діоксиду вуглецю більш-менш стабільно, то в тайзі в зимовий час його незрівнянно більше, ніж влітку, коли дерева активно фотосинтезируют.

Головними джерелами метану є болота - 21%, рисові поля - 20%, худобу - 15%, горіння біомаси - 10%, природний газ - 8%, вугільні шахти - 7%, звалища - 7 %.

У світі 1,5 млрд. голів великої рогатої худоби, кожна корова виробляє 250 л метану на добу (цього метану вистачить, щоб закип'ятити 20 л води).

В даний час внаслідок зменшення частки природних екосистем біологічна азотфіксація стала менше промислової фіксації азоту (відповідно 90-130 і 140 Гт), причому до 2020 очікується збільшення промислової азотфиксации на 60%. До половини азоту, внесеного на поля, вимивається в грунтові води, озера, річки і викликає евтрофікацію водойм.

У США з атмосферними опадами випадає 20-50 кг / га на рік азоту, а в окремих районах емісія досягає 115 кг / га. Екологічно безпечної вважається величина емісії азоту 10-30 кг / га на рік. При більш високих навантаженнях відбуваються значні зміни в екосистемах: грунту подкисляемой, відбувається вилуговування поживних елементів у глибокі горизонти, можливо всихання деревостанів та масовий розвиток заносних видів-нітрофілов.

Високий вміст азоту в рослинах, які виросли на забруднених азотом грунтах, підвищує їх поедаемость, що може призвести до випадання з рослинних угруповань навіть домінантних видів. Так, в деяких пустках Західної Європи після того, як в вересі підвищився вміст азоту, масово поширився вересовий жук (його кількість сягала 2000 примірників на 1 м2). Жук практично повністю виїв цей чагарник з спільнот. Аналогічні зміни відзначені і в складі забруднюються промисловим азотом спільнот в Каліфорнії.

 Щорічно в океани вимивається 14 млн. т фосфору, а з рибопродуктами і в результаті діяльності приморських птахів повертається всього 0,1 млн. т. Приблизно половину кількості змивається в океани фосфору людина вносить на поля з фосфорними добривами. 

 Живі організми здатні накопичувати багато елементів і складні речовини і підвищувати їх концентрацію в тисячі разів. Щорічно організми поглинають з навколишнього середовища і концентрують у своєму тілі 2 млрд. т фосфору, 100 млн. т заліза, по 10 млн. т нікелю, по 100 тис. т кобальту і хрому. 

 « Попередня  Наступна »
 = Перейти до змісту підручника =
 Інформація, релевантна "§ 44. ОСНОВНІ біосферного кругообігу речовин"
  1.  7.5. Ноосфера
      основні причини порушення біосферного кругообігу води? 6. Що потрібно зробити, щоб нормалізувати біосферний кругообіг азоту? 7. Чим відрізняється круговорот фосфору від кругообігів азоту і вуглецю? 8. У чому небезпека руйнування озонового шару? Як можна уникнути цього? 9. Які фактори викликають кислотні дощі, як ці дощі впливають на різні екосистеми?
  2.  ВИСНОВОК
      основна маса живої речовини сконцентрована в шарі 50-100 м. У біосфері розрізняють три частини - атмосферу, гідросферу і літосферу. Життя - це потужна геологічна сила, яка перетворила Землю - створила вапняки і наповнила атмосферу киснем. Живі організми є активними учасниками основних біосферних кругообігів речовин - вуглецю, води, кисню, азоту, фосфору і
  3.  Круговорот газоподібних і осадових ЦИКЛОВ
      основних типи: кругообіг газоподібних речовин і осадові цикли. Кругообіг газоподібних речовин - полягає у переміщенні поживних речовин з атмосфери та гідросфери в живі організми і назад; вони швидкоплинні і тривають від кількох годин до декількох днів. Осадові цикли включають рух поживних речовин між земною корою (грунт, гірські породи), гідросферою і живими
  4.  Круговорот біогенних елементів та їх модифікацій.
      основні - С, N, O, H, і не основні - Ca, Mg, Na, Cl, K. Інші елементи називаються мікробіогенние. Це Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B та ін Відсутність або недолік мікробіогенних елементів веде до захворювань організмів. Більшість елементів на Землі знаходяться в такому стані, що вони не можуть використовуватися живими організмами прямо, але в процесі кругообігу відбувається
  5.  ВИСНОВОК
      основні продуценти - водорості живуть недовго, і за літо змінюється кілька поколінь. Біологічна продуктивність екосистеми залежить від поєднання факторів середовища. Чим воно сприятливішими, тим продуктивність вище. У визначенні продуктивності особливу роль грають лімітуючі фактори: тепло - в тундрі, багатство грунту елементами мінерального живлення - в тайзі, кількість вологи - в
  6.  7.3. Кругообіг речовин в біосфері
      біосферних процесів, оскільки вуглець становить основу органічних речовин. У кругообігу бере участь приблизно 1/3 загальної кількості вуглецю біосфери. Цей вуглець у формі діоксиду вуглецю щорічно засвоюється організмами в процесі фотосинтезу і повертається назад в атмосферу, причому, внесок океану і суші приблизно подібний. До 50% (за деякими даними - до 90%) вуглецю у формі
  7.  БІОСФЕРА
      основна маса живої речовини сконцентрована в приповерхневому шарі товщиною всього кілька десятків метрів: це висота лісового пологу і глибина проникнення основної маси коренів. У цих же межах сконцентровані наземні та грунтові тварини і мікроорганізми. В океані найбільш обжиті рослинами і тваринами освітлювані сонцем і прогріваються приповерхні 10-20 м товщі води. У цьому
  8.  6.3. Кругообіг речовин і потік енергії в екосистемі
      кругообіг речовин. На рис. 6 показана схема кругообігу речовин і потоку енергії в фотоавтотрофної наземної екосистемі. Зелені рослини поглинають вуглекислий газ з атмосфери і елементи мінерального живлення з грунту і продукують органічна речовина, яка далі по харчових ланцюгах передається консументам і повертається редуцентамі в атмосферу і грунт. Харчова ланцюг - це
  9.  2.4.2. Розрахунок плати за викиди забруднюючих речовин в атмосферу від стаціонарних джерел
      речовин в розмірах, що не перевищують встановлені природопользователю гранично допустимі нормативи викидів визначається шляхом множення відповідних ставок плати на величину забруднення і підсумовування отриманих творів за видами забруднюючих речовин. f П => С. -М Г руб] при М <М. н.атм / j нл.атм. VrJ Ч ^ г ^. Атм-нл, нл.атм i = lf \ атм-н.г.атм V У, (2.25) де i-
  10.  Кругообігу ВОДИ, вуглецю, азоту, фосфору і сірки.
      основна маса даних елементів міститься в резервному фонді земної кори, в недоступному фонді. Це типові осадові біогеохімічні цикли. Такі цикли дуже залежні від зовнішніх впливів і легко порушуються, оскільки частина речовини виводиться з кругообігу. Повернення речовин в круговорот можливий тільки в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною біофільние
  11.  6.7. Екологічна рівновага
      основні варіанти ставлення людини до екологічній безпеці: збереження екологічної рівноваги за рахунок мінімізації втручання в екосистеми (особливо охоронювані природні території); підтримання екологічної рівноваги при раціональному природокористуванні в природних екосистемах, коли вплив людини не досягає рівня, що руйнує ці екосистеми;
  12.  Збудження
      речовин. Тут ми повинні керуватися одними фізіологічними міркуваннями. § 215. Не можна, мабуть, сумніватися в тому, що з точки зору абсолютної етики прийом яких би то не було збуджуючих речовин предосудителен; принаймні, це слід сказати про щоденному їх споживанні. § 216. Прийняття збуджуючих законно тільки при хворобливому стані і старості, і то тільки в
  13.  1.2. Структура сучасної екології
      біосферна екологія, екологічна економіка, екологічне право; Б) медична екологія, міська екологія, екологічна економіка; В) сільськогосподарська екологія, промислова екологія, медична екологія; Г) екологічна економіка, екологічне право, екологічна освіта. 2. Яка екологічна наука виділена за методом дослідження? А)
  14.  Біотичних ПРОЦЕСИ В БИОСФЕРЕ.
      основні концепції взаємодії біоти і навколишнього її середовища. 1. Традиційна. Навколишнє середовище придатна для життя в силу унікальних умов на поверхні Землі, а природна біота пристосовується до будь навколишнього її середовищі завдяки головному властивості життя - здатності до еволюції і безперервної адаптації до мінливих умов середовища. При цьому будь-які види організмів, здатні
  15.  § 45. Лісові екосистеми
      основними порушеннями принципів раціонального використання лісових екосистем і способами їх виправлення і
  16.  5. Об'єкти винаходу
      речовина, штам мікроорганізму, культури клітин рослин і тварин, а також застосування відомого раніше пристрою, способу, речовини, штаму за новим призначенням (п. 2 ст. 4 Патентного
  17.  ВИСНОВОК
      основному природними факторами, називаються природними (ліс, озеро, степ, океан, тундра). У антропогенних екосистемах головну роль в управлінні їх складом і функцією грає людина. Їх приклади: сільськогосподарські землі, території міст і т.д. Повністю природних екосистем сьогодні вже немає, так як вплив людини простягається не тільки на степи і луки, де він пасе худобу, але
  18.  6.2. Грунт
      основному за рахунок різних черв'яків, комах, кліщів і нижчих тварин з числа детритофагов. Різні грунти мають різну будову вертикального профілю, що відображає закономірності розподілу органічної речовини, солей, закисних сполук заліза (на перезволожених грунтах) і ін Найважливішою ознакою грунту є структура її верхнього насиченого гумусом горизонту (вона може