Круговорот веществ
в природе
Главная
функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов,
который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой
и живыми организмами.
Устойчивость
биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и энергии. В природе при
помощи солнечной энергии происходят геологический (большой) и биологический
(малый) круговороты веществ.
Большой круговорот веществ происходит при взаимодействии солнечной энергии
с глубинной
энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между
биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, образованные за
счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь
погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и
образуют магму. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия
процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные
породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это
означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит
что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.
Наиболее
легко проследить геологический круговорот веществ на примере воды.
Круговорот воды. С водной поверхности Земли воды
испаряется гораздо больше, чем с суши. Осадков же выпадает больше над сушей,
чем над водным пространством. Вода, попадая на землю, растворяет часть
минеральных солей, выносит их в реки, озера и далее — снова в океан, уравнивая
количество испаренной влаги и выпавших осадков.
В круговороте воды на Земле ежегодно
участвует более 500 тыс. куб. км.
Благодаря круговороту воды
происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в
моря и океаны. Круговорот воды формирует природные условия на планете.
Цикл воды в биосфере до развития
цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды сколько
расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не
снижался уровень воды в озерах.
С развитием цивилизации этот цикл стал
нарушаться, в результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось
испарение с суши. Реки южных районов обмелели, загрязнение океана и появление
на его поверхности нефтяной плёнки уменьшило количество воды, испаряемой
океаном. Всё это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся
засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя
катастрофическая засуха в зоне Сахеля.
Кроме
того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с
суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек
России.
Прежде
неисчерпаемый ресурс — пресная чистая вода — становится исчерпаемым. Сегодня
воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во
многих районах мира.
Весь
запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.
Круговорот
азота в биосфере ( Делвич, 1972)
Круговорот
азота. Азот —
один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Атмосфера в
основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но этот газ инертный.
Растения поглощать свободный азот из атмосферы не могут.
Атмосферный
азот усваивают азотфиксирующие бактерии и водоросли. Соединения азота из почвы
поступают в растения и используются для построения белков. Эти растительные
белки используют животные. После отмирания живых организмов гнилостные
бактерии разлагают органические остатки до аммиака.
Хемосинтезирующие
бактерии превращают
аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту.
Некоторое
количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактериий, поступает
обратно в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на
длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется
поступлением азота в воздух с вулканическими газами.
Человек
нарушает равновесность цикла азота. При распашке земель резко (примерно в
5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив,
активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов.
В итоге уменьшается содержание азота в его основном хранилище - почве. Это
ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.
Круговорот
фосфора в бисфере ( Дювиньо, Танг, 1968)
Фосфор
содержится в горных породах. В круговорот включается при естественном
разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения
поглощают фосфор из почвы, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают
его в своих тканях.
После
смерти растений и животных микроорганизмы возвращают фосфор в почву. Однако не
весь возвращенный в почву фосфор растения усваивают вновь. Часть его вымывается
из почвы и по ручьям и рекам поступает в моря и океаны. Из этих хранилищ фосфор
почти не возвращается, лишь некоторую его часть выносят на сушу птицы,
питающиеся рыбами. На птичьих базарах накапливается ценное фосфорное удобрение
— гуано (птичий помет). Некоторое количество фосфора возвращается на сушу при
рыбном промысле. Вместе с выловом рыбы на сушу возвращается примерно 60 000 т
элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1—2 млн. т фосфорсодержащих
пород.
В
отличие от циклов воды, углерода и кислорода цикл фосфора открытый. С суши
фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются.
Таким
образом, если ресурсы азота неисчерпаемы, запасы фосфора постоянно сокращаются.
Возникает проблема дефицита фосфора и в результате снижение урожайности
сельскохозяйственных культур и продуктивности естественных экосистем. Решение
проблемы — в устранении условий, ускоряющих вымывание фосфора. Главное — это
экономное расходование фосфорных удобрении и внесение удобрений такими
способами, которые уменьшают их вымывание из почвы.
Круговорот серы в биосфере (
Рамад, 1981)
Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой
жизненно важный элемент.
В
наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде
сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов. После
гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами
до Н2Ѕ, другая часть окисляется до сульфатов и включается в
круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там
окисляется и возвращается в почву с осадками.
Сжигание
человеком топлива приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа ЅО2,
который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Цикл
кислорода. Кислород
выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все
живые организмы при дыхании. До появления цивилизации этот цикл также был
равновесным.
Сегодня
кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в
топках тепловых: электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т. д. Это
дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его цикла.
Пока
биосфера справляется с вмешательством человека в цикл кислорода, его потери
компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и
сжигании всё большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет
уменьшаться.
Основная
доля кислорода вырабатывается растениями суши - почти 3/4, остальная часть –
фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота кислорода
– около 2 тыс. лет.
Круговорот
углерода в биосфере ( Дювиньо, Танг, 1968)
Круговорот
углерода. Углерод
входит в состав всех живых организмов. В процессе фотосинтеза зеленые
растения используют углерод из атмосферы для синтеза органических соединений,
а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и
растения, а конечный продукт дыхания — С02 — выделяется в атмосферу.
Главным
резервуаром углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента,
что составляет 2/3 его запаса на Земле.
Человек
извлекает из подземных кладовых нефть, уголь, сланцы, газ. При сжигании топлива
повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение
незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать
леса и фитопланктон океана. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, а
океан — загрязняться, то может произойти значительное увеличение концентрации
диоксида углерода в атмосфере.
Кроме
того, этот газ поглощается водой океана. Растворяясь в водах
Мирового океана С02 с помощью живых организмов либо химических
реакций соединяется с кальцием и образует мощные толщи карбонатных пород.
и образующиеся соединения захораниваются на его дне. Здесь его накапливается в
4 раза больше, чем заложено в продуктах фотосинтеза.
Скорость
круговорота СО2 , т.е. время, за которое весь углекислый
газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
Контрольные вопросы
1.
В чём заключается главная функция биосферы.
2.
Какие круговороты происходят в природе?
3.
Какое значение имеет большой геологический круговорот веществ?
4.
Что является источником энергии и жизни на Земле?
5.
Что понимают под круговоротом веществ?
6.
Какие круговороты веществ выделяют?
7.
Опишите основные черты каждого из круговоротов веществ.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.