Шпаргалки по "Экологии"

30. Круговороты веществ, биосферный и биогеохимический круговорот

Круговорот веществ в биосфере, или откуда берется загрязнение подземных вод.

Чтобы биосфера не переставала существовать и чтобы не прекращалось ее развитие, на Земле постоянно должен осуществляться круговорот биологически важных веществ. Это значит, что после использования они должны снова переходить в форму, пригодную для усвоения другими организмами. Этот переход биологически важных элементов от звена к звену, который осуществляется в масштабах всей планеты при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце, называется геологическим, или большим, круговоротом.

После появления живого вещества на основе геологического круговорота образовался круговорот органического вещества, который называется биологическим, или малым, круговоротом. По мере развития живой материи из геологического круговорота изымалось все больше элементов, которые включались в непрекращающийся биологический круговорот, являющийся основой жизни.

Одни элементы необходимы организмам в большом количестве, другие - в меньшем, а некоторых элементов требуется очень мало. Поэтому элементы, которые включаются в биологический круговорот, подразделяются на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Однако живое вещество в биологическом круговороте превращается в неживое, а оно в свою очередь под влиянием редуцентов превращается в неорганическое вещество, которое дальше может либо снова включаться в биологический круговорот, либо выходить из него и включаться в геологический круговорот. В свою очередь элементы из геологического круговорота могут поглощаться организмами и вовлекаться в биологический круговорот. Поскольку биологический круговорот связан с геологическим, то логично рассматривать их как единое целое, как биогеохимический круговорот элементов. Анализ воды скважин.

При рассмотрении биогеохимического  круговорота любого вещества необходимо выделять две части запаса этого вещества:

1) обменный фонд - это часть элемента, которая находится в круговороте, он составляет незначительную часть общего объема элемента;

2) резервный фонд - это часть  элемента, которая не циркулирует и пока что не будет циркулировать, однако может быть при необходимости включена в круговорот. Резервные фонды отличаются по степени подвижности и легкости вовлечения в круговорот.

Различают газообразный резервный  фонд, который находится в атмосфере  и является наиболее подвижным и  доступным (N-азот, О-кислород, С-углерод), и осадочный резервный фонд, который находится в литосфере или гидросфере и труднее включается в обменный фонд по двум причинам:

1) он предварительно должен быть  переведен в водорастворимое состояние, чтобы живые организмы могли его ассимилировать;

2) он доступен не везде одинаково,  потому что может находиться  под землей на разной глубине.

Рассмотрим примеры биогеохимических круговоротов веществ с газообразным (N-азотом , С-углеродом) и осадочным (Р-фосфором, Н20-водой) фондами.

34 Биогеохимический круговорот азота.

Азот имеет газообразный резервный фонд, который находится в атмосфере. Между резервным и обменным фондами постоянно осуществляется обмен элементов и обеспечивается непрерывная связь.

Из резервного фонда азот включается в обменный фонд тремя путями:

1. Атмосферная фиксация. Под действием  атмосферных электрических разрядов часть азота взаимодействует с кислородом с образованием оксида и диоксида азота, которые растворяются в водяных парах и в виде азотистой и азотной кислот попадают в почву. В почве образуются нитраты, которые поглощаются растениями и включаются в биологический круговорот.

Биогеохимический круговорот азота (по В. Радкевичу, 1997)

2. Биологическая фиксация. В основном  азот из резервного фонда вовлекается в обменный фонд азотфиксирующими бактериями, которые переводят его в доступные для растений формы.

3. Промышленная фиксация. С наступлением  промышленной революции человек научился с помощью техники превращать газообразный азот в минеральные азотные удобрения, которые после внесения в почву усваиваются растениями в аммиачной и нитратной форме.

Пополнение резервного фонда из обменного фонда происходит путем денитрификации, которую осуществляют денитрифицирующие бактерии. Часть азота из обменного фонда смывается с поверхностным стоком, где он включается в глубоководные или мелководные отложения. Часть его через живые организмы возвращается в биологический круговорот, а часть переходит в глубоководные отложения - это полные и окончательные потери элемента.

После наступления техногенной  эры сельское хозяйство стало широко использовать технику для обработки почвы, а это привело к усилению поверхностного стока и увеличению выноса азота. За счет улучшения аэрации усилился процесс денитрификации. В то же время, за последние 100 лет биологическая фиксация снизилась в 20-30 раз. Все это привело к обеднению обменного фонда и для его пополнения человек вынужден вносить минеральные удобрения или на больших площадях выращивать азотфиксирующие бобовые растения. Однако примерно 1/10 часть искусственно внесенного азота используется растениями, а остальная часть с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в отложения. При этом имеет место эвтрофикация пресноводных экосистем, что ведет к их деградации. Таким образом, в результате антропогенного влияния происходит перекачивание азота из резервного фонда в обменный, а из него - в глубоководные отложения. То есть происходит постепенное выведение азота из круговорота.

33 Биогеохимический круговорот углерода.

Углерод имеет газообразный резервный  фонд. Сейчас в атмосфере содержание углекислого газа составляет 0,032%, а в начале века этот

показатель был равен 0,029%. За 100 лет изменение его составило всего 0,003%, однако это привело к заметному проявлению «парникового эффекта»: среднегодовая температура повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся на 15 см. Если среднегодовая температура повысится на 3 - 4 °с, произойдет таяние вечных льдов, и уровень Мирового океана поднимется на 50 - 60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. По подсчетам ученых, это может наступить менее чем через 100 лет, если сохранится нынешняя тенденция увеличения содержания углекислого газа в атмосфере. Потепление климата и возврат к третичному периоду были бы благоприятны для человека как биологического существа, но с точки зрения человека как социального существа - это катастрофа. После образования планеты уровень углекислого газа в атмосфере был высокий. После появления растений углекислый газ начал ассимилироваться, и когда суша стала заселяться высшими растениями, уровень углекислого газа начал снижаться и составил 0,1-0,4%. Эта эпоха характеризовалась теплым, влажным климатом и очень высокой продуктивностью растений, что привело к еще более значительному снижению уровня углекислого газа (0,010 - 0,015%) и наступлению ледникового периода. Сейчас наблюдается обратная тенденция. Причины повышения концентрации углекислого газа в атмосфере можно выяснить, рассмотрев особенности его биогеохимического круговорота.

Между атмосферой и Мировым океаном  постоянно происходит карбонатный обмен. Океан обладает буферной емкостью, поэтому может удерживать углекислый газ. Этот процесс сбалансирован. При вулканической деятельности процесс выделения и поглощения углекислого газа также сбалансирован. Между сушей и атмосферой наблюдается баланс углекислого газа. Те изменения содержания углекислого газа в атмосфере, которые имели место в истории планеты, можно объяснить разной буферной емкостью водной среды или продуктивностью растений, их ассимиляционной активностью.

33 Биогеохимический круговорот углерода (по Ю. Одуму, 1986)

В настоящее время к этим природным  процессам добавилось еще антропогенное влияние за счет промышленности, в результате деятельности которой ежегодно выделяется 6-8 млрд тонн углекислого газа, и сельского хозяйства, дающего ежегодно 2-3 млрд. тонн СО2. В связи с этим его содержание в атмосфере возрастает не линейно, а экспоненциально. Наибольший вклад в этот процесс вносят энергетика и транспорт. Процесс потепления климата протекал бы более ощутимо, если бы он не сдерживался пылевым загрязнением биосферы, в результате которого снижается прозрачность атмосферы, а значит, уменьшается количество поступающей на планету солнечной энергии. Таким образом, под действием человека ранее накопленный в виде полезных ископаемых углерод переводится в углекислый газ, который пополняет резервный фонд углерода в атмосфере.

35Биогеохимический круговорот фосфора.

Фосфор имеет осадочный резервный фонд, представленный фосфорсодержащими горными породами. В природных условиях пополнение обменного фонда за счет резервного происходит в результате выщелачивания горных пород, содержащих фосфор. Даже глубоко расположенные породы подвергаются выщелачиванию грунтовыми водами, которые либо поднимаются на поверхность и выносят фосфор в почву, либо попадают в море. Из обменного фонда фосфор выводится в нерастворимой форме в составе костей скелета отмирающих животных, которые пополняют резервный фонд, и в виде растворимых фосфатов в составе мягких тканей, которые затем снова вовлекаются в обменный фонд.

35Биогеохимический круговорот фосфора (по Ю. Одуму, 1986)

Раньше между этими процессами сохранялся баланс. В настоящее время  под влиянием хозяйственной деятельности человека резко увеличился поверхностный  сток, выносящий фосфор в подземные  воды. Здесь он включается в мелководные  отложения, откуда далее может как включаться в биологический круговорот, так и переходить в глубоководные отложения

и вообще выводиться из биогеохимического  круговорота. Это привело к обеднению обменного фонда. Чтобы исправить ситуацию, человек начал добывать фосфорсодержащие породы, получать из них фосфорные удобрения и вносить их в почву, что, как и в случае с азотом, привело к эвтрофикации поверхностного стока. Таким образом, человек осуществляет перекачивание фосфора из резервного фонда в обменный и в дальнейшем его выведение из круговорота.

32 Биогеохимический круговорот воды.

Некоторые элементы свою планетарную роль выполняют в виде соединений, так, например, водород в виде воды. Вода в биосфере играет очень важную роль - это основной компонент биосферы, она входит в состав живого вещества, участвует в процессе транспирации, является средой для растворения практически всех элементов при осуществлении их круговоротов. Вода имеет как газообразный резервный фонд (водяные пары в атмосфере), так и осадочный (жидкая вода и вечные льды).

32 Биогеохимический круговорот воды (по Ю. Одуму, 1986)

Запасы воды представлены в геограммах. В море воды испаряется больше, чем  выпадает с осадками. Этот недостаток компенсируется за счет поверхностного и глубинного стоков, благодаря тому, что на суше осадки превалируют над испарением- эти процессы сбалансированы. Поверхностный и подземный стоки по дороге выполняют большую работу по миграции элементов. Кроме того, подземный сток осуществляет выщелачивание элементов из осадочных резервных фондов и пополнение их обменных фондов. В связи с деятельностью человека поверхностный сток усилился, в результате усилилась миграция всех элементов, увеличился их смыв, что привело к эвтрофикации поверхностных водоемов и выведению элементов из обменного фонда. Подземный сток наоборот сократился, что привело к уменьшению количества грунтовых вод, в результате чего процесс выщелачивания ослабился, и снизилось пополнение обменного фонда целого ряда элементов. Таким образом, человек своей деятельностью нарушил баланс между поверхностным и подземным стоком, что отрицательно сказывается на биогеохимических круговоротах элементов и выражается в избыточном накоплении в поверхностных и грунтовых водах веществ и их концентраций не свойственных при нормальном функционировании биосферы.

31 Потоки вещества и  энергии в экосистемах. Экологические  пирамиды

Потоки вещества и энергии  в экосистеме

Биологическое вещество, производимое зелеными растениями, и запасенная в нем энергия — источник жизни  для всех слагающих сообщество видов. Передаваясь по цепям питания, и  вещество и энергия претерпевают ряд превращений. Часть вещества может использоваться как материал для строительства тел организмов, питающихся растениями (которые, в свою очередь, поставляют такой же «строительный  материал» хищникам). Вследствие отмирания  организмов все биологическое вещество в конечном счете достается микроорганизмам, участвующим в превращении сложных  органических соединений в простые, которые вновь используются растениями. 
Строго измерить циркулирующее в экосистеме вещество можно, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для цитоплазмы растительных и животных клеток. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе о биосфере. 
В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют в экосистеме и всегда могут вновь включаться в круговорот, энергия может быть использована только один раз. Солнце — практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако не вся энергия солнечного излучения может ус 
ваиваться и использоваться организмами. Лишь окол<..... 
ловины обычного светового потока, падающего на зеленые растения (т. е. на продуценты), поглощается фотосинтети ческими элементами, и лишь малая доля поглощенной :>пс¦> гии (от 1 до 5%) запасается в виде биохимической энергии -энергии, заключенной в тканях растения. Большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла. 
При перемещении энергии по пищевой цепи с одного уровня на другой скорость ее потока (т. е. количество энергии, перешедшей с одного трофического уровня на другой в единицу времени) резко снижается в силу ряда причин. Часть заключенной в пище энергии вообще не усваивается и выводится из организма с экскрементами, часть теряется в процессе биохимической трансформации пищи. Кроме того, далеко не все организмы данного трофического уровня будут съедены потенциальными хищниками и, следовательно, не вся энергия, запасенная в их тканях, перейдет на следующий трофический уровень. Наконец, много энергии, полученной с пищей, тратится на работу, которую выполняет животное, перемещаясь, охотясь, строя гнездо или производя иные действия, в результате чего выделяется тепло. 
Потери энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяют количество этих уровней и соотношение численности хищников и жертв. Подсчитано, что на любой трофический уровень поступает лишь около 10% (или чуть более) энергии предыдущего уровня. Поэтому общее число трофических уровней редко превышает три-четыре. 
Пирамиды численности и биомассы. Соотношение живого вещества на разных уровнях подчиняется в целом тому же правилу, что и соотношение поступающей энергии: чем выше уровень, тем ниже общая биомасса и численность составляющих ее организмов. Графически это можно изобразить в виде пирамиды (рис. 64). Такие пирамиды называют пирамидами численности и биомассы. 
Соотношение численности разных групп организмов дает представление об устойчивости сообщества, ведь биомасса и численность некоторых популяций являются одновременно и показателем величины жизненного пространства для организмов данного и других видов. Например, число деревьев в лесу определяет не только общий запас заключенной в них биомассы и энергии, но и микроклимат, а также количество убежищ для многих насекомых и птиц. 
Пирамиды численности отражают только плотность организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления организмов. Если скорость размножения популяции жертвы высока, то даже при низкой биомассе такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую биомассу, но низкую скорость размножения. 
По этой причине пирамиды численности могут быть перевернутыми, т. е. плотность организмов в данный конкретный момент времени на низком трофическом уровне может быть ниже, чем плотность организмов на высоком уровне. 
Например, на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых (перевернутая пирамида численности). Перевернутая пирамида биомассы свойственна водным экосистемам, где первичные продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся, а их потребители (зоопланк-тонные ракообразные) гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.