Биолошки циклус на хемиски елементи во обичните тропски заедници
Биоклиматските услови на тропските области се многу разновидни. Идејата за тропските предели како континуирана лента од џунгла е целосно невистинита. Промената на односот на врнежите и испарувањето, времетраењето на сушните и дождливите сезони создаваат широк спектар на екосистеми со различни степени на атмосферска влага - од екстремно суви или пустински предели до постојано влажни тропски шуми. Во присуство на сезона во која испарувањето ги надминува врнежите, има ретки светло обоени високи тревни шуми кои ги фрлаат лисјата за време на долгата сушна сезона. Во посуви услови, типични се ретки групи дрвја прошарани со отворени простори покриени со тревни вегетација. Како што се зголемува сушноста, дрвјата се заменуваат со грмушки од трнливи грмушки, а бујната покривка од високи треви се заменува со кратка тревна вегетација со низок степен на покриеност на почвата.
Односите на областите со различни степени на атмосферска влага на континентите не се исти. Сувите области го заземаат огромното мнозинство на Австралија, значителен дел од Индија, но се поретки во Јужна Америка. Во екваторијалниот појас на Африка, ограничен на 6 ° С. w. и 6° југ. w., областите со различни степени на атмосферска влага се распоредени на следниов начин:
Од горенаведените податоци произлегува дека влажните шуми зафаќаат само околу "/5 од екваторијалниот појас на Африка, а најголемиот дел е окупиран од комбинација на светли шуми и високи тревни савани. Остатокот од територијата е покриен со повеќе или помалку сушни предели, до речиси напуштени, каде врнежите се помали од 200 mm врнежи годишно. Според Б.Г. , зоната на саваната - 14.259 илјади km 2 (9,56 %), областите на тропските пустини - 4506 илјади km 2, или 3,02%.
Биолошки циклус на елементи во тропските шуми. Трајно влажните тропски шуми се најмоќната растителна формација. Изобилството на топлина и влага ја одредува најголемата биомаса меѓу биоценозите на копното во светот - во просек 50.000 t/km 2 сува материја, а во некои случаи и до 170.000 t/km 2. Факторот што го ограничува растот на биомасата е светлосната енергија потребна за фотосинтеза. За да се максимизира неговата употреба, под покривката на дрвјата високи 30-40 m, има уште неколку слоеви дрвја прилагодени на дифузна светлина. Значаен дел од лисјата што умираат и паѓаат на високи дрвја се пресретнати од бројни епифити. Поради оваа причина, хемиските елементи содржани во листовите се враќаат во биолошкиот циклус без да стигнат до почвата. Во тропските дождовни шуми, сезоната на растење продолжува во текот на целата година. Годишното производство во просек изнесува 2500 t/km 2.
Биогеохемиската специфичност на тропските дождовни шуми лежи во фактот дека речиси целата количина на хемиски елементи неопходни за да се нахрани огромна маса вегетација е содржана во самите растенија. Биогеохемискиот циклус на пренос на маса е многу затворен. Ако исечете тропска дождовна шума, тогаш заедно со смртта на дрвјата, целиот систем на биолошка циркулација создаден со милениуми ќе биде нарушен, а неплодните површини ќе останат под исчистената шума.
Биогеохемиската ситуација во лесните листопадни тропски шуми и саваните е блиска до онаа во листопадните шуми со умерена клима, но периодите на потиснување на биогеохемиските процеси не се предизвикани од намалување на температурата, туку од недостаток на дожд и сезонски недостаток на влага. Биомасата на сувите савани е околу 200-600 t/km2. Количината на отпадоци (помалку од 150-200 t/km 2) одговара на условите на тропските пустини. Биомасата на листопадни тропски шуми со различен степен на влага и високи савани од паркови со трева зазема средна позиција помеѓу трајно влажните шуми и сувите савани.
Според достапните податоци од L.E.Rodina и N.I.Bazilevich (1965), дистрибуцијата и динамиката на масите во вегетацијата на трајно влажна тропска шума се карактеризираат со следните показатели (t/km 2):
Треба да се напомене дека концентрацијата на хемиски елементи во дрвото на стеблата и гранките на тропските дрвја е, по правило, помала отколку во лисјата, кои го формираат најголемиот дел од легло. Концентрацијата на азот во дрвото ретко достигнува 0,5% од масата на сува материја, а во лисјата - околу 2%. Во лисјата, концентрацијата на калциум, калиум, магнезиум, натриум, силициум и фосфор обично е неколку пати поголема отколку во дрвото. Содржината на елементи во лисјата на дрвјата и во тревната вегетација, изобилно застапена во лесни листопадни шуми, малку варира. Концентрацијата на повеќето елементи во трагови во лисјата и тревите на дрвјата е исто така повисока отколку во дрвото, иако бариумот и особено стронциумот се повисоки во дрвото.
Врз основа на достапните податоци, ја земаме просечната вредност на збирот на елементи од пепел во биомасата на трајно влажна тропска шума да биде еднаква на 800 t/km 2 ; масата на овие елементи вклучени во биолошкиот циклус е еднаква на 150 t/km 2 годишно. За светли шуми, просечните вредности се 200 и 50 t/km 2 годишно, соодветно. Врз основа на овие бројки, беа утврдени приближните вредности на масите на елементи во трагови годишно вклучени во биолошкиот циклус.
Концентрација на елементи од пепел во екваторијалната вегетација на Источна Африка, % сува маса (според V.V. Dobrovolsky 1975)
| Примерок бр. | Елементи | „Чиста пепел“ | Нечистотија | |||||||||
| Си | А1 | Fe | Мн | Ти | Са | Мг | На | Р | С | минерални честички | ||
| 52 | 2,27 | 0,41 | 0,40 | 0,008 | 0,006 | 0,24 | 0,12 | 0,03 | 0,06 | 0,01 | 7,29 | 3,21 |
| 76 | 0,05 | 0,01 | 0,02 | 0,001 | 0,001 | 0,29 | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,79 | 0,40 |
| 42 | 1,06 | 1,87 | 1,48 | 0,05 | 0,07 | 0,45 | 0,27 | 0,22 | 0,06 | 0,04 | 9,07 | 11,33 |
| 210 | 0,69 | 0,01 | 0,08 | 0,02 | 0,001 | 0,08 | 0,08 | 0,05 | 0,08 | 0,06 | 6,32 | 0,68 |
Примероци: 52 - ретка тревна покривка на савана со кратка трева со доминација на претставници од родовите Sporobolus, Cynodon, KyUinga, Северозападна Танзанија.
76 - Стебло Подокарпус, дождовна шума на јужната падина на Килиманџаро, Танзанија.
42 - шумски под на дождовната шума на јужната падина на Килиманџаро, Танзанија.
210 - стебла на папирус (Cyperus papyrus), поплавина на Белиот Нил во близина на изворот на езерото Алберт, Уганда.
Маси на елементи во трагови вклучени во биолошкиот циклус во тропските шуми
Нивоата на концентрација на елементи во трагови во подлогата што формира почва на различни региони на тропско земјиште не се исти. Ова се рефлектира во содржината на елементите во растенијата. На пример, во Источна Африка, во житни треви собрани во областа на кристалните карпи на прекамбрискиот подрум, концентрацијата на бакар е 71 * 10 -4%, а во слични треви во областа на вулкански лави - 120 * 10 -4%. Концентрацијата на цинк соодветно се менува од 120 на 450 10-4%), TiOz - од 200 до 1800 10-4%.
Табелата ја споредува содржината на елементи во трагови во пепелта од тревата и гранките на дрвјата (багрем) од саваните во Источна Африка. Може да се види дека тешките метали се акумулираат посилно во тревите, а бариумот и стронциумот се акумулираат во дрвјата. Треба да се напомене дека концентрацијата на второто се зголемува со зголемување на сушноста. Во сушните региони на јужна Танзанија, откривме дека концентрациите на стронциум во пепелта на гранките на баобаб се околу 4500 μg/g, а во еден случај во гранките на багремот 3 пати повисоки.
Интензитетот на биолошката апсорпција и концентрацијата на елементи во трагови во пепелта од тревите и дрвјата на саваните на Источна Африка (според V.V. Dobrovolsky, 1973)
| Елементи | Концентрација, μg/g | Биолошки коефициент | ||
| " | Апсорпција на KB | |||
| билки, | гранки од багрем, | билки | гранки од багрем | |
| 6 примероци | 9 примероци | |||
| Ти | 1140 | 230 | 0,1 | 0,03 |
| Мн | 1880 | 943 | 1,9 | 0,9 |
| В | 59 | 45 | 0,3 | 0,2 |
| СГ | 28 | 12 | 0,2 | 0,08 |
| № | 39 | 144 | 0,6 | 2,0 |
| Ко | 20 | 12 | 0,6 | 0,4 |
| Си | " 85 | 39 | 1,5 | 0,7 |
| Pb | 34 | 21 | 1.5 | 0,9 |
| Zn | 118 | 79 | 1,2 | 0,8 |
| Мо | 57 | 6 | 7,1 | 0,8 |
| Nb | 59 | 18 | 0,9 | 0,3 |
| Зр | 165 | 92 | 0,5 | 0,3 |
| Га | 36 | 4 | 1,6 | 0,2 |
| Ср | 450 | 3340 | 3,5 | 25,7 |
| Ба | 440 | 630 | 3,0 | 4,3 |
Надземниот дел од саванските треви има висока содржина на пепел - од 6 до 10%, делумно поради мешањето на мали честички минерална прашина, откриени под микроскоп, а понекогаш и со голо око. Количината на минерална прашина е 2-3% од масата на апсолутно сува материја на воздушните делови на билките. Очигледно, мешавината на минерална прашина влијае на зголемената концентрација на галиум, кој слабо се апсорбира од растенијата, но е содржан во високо дисперзиран глинест материјал, енергетски транспортиран од ветрот. Но, дури и по исклучувањето на нерастворливата силикатна прашина, количеството на елементи од пепел во саванските житарки е 2 пати поголемо отколку во житарките на високопланинските ливади.
Циклусот на супстанции во природата е збир на повторувачки процеси на трансформација или движење на супстанции, кој има повеќе или помалку изразена циклична природа.
Да почнеме со циклусот на вода. Ова е сложен геофизички процес, чии главни врски се: испарување на водата, пренос на нејзината пареа со воздушни струи, формирање на облаци и врнежи, површински и подземен проток на вода во океанот.
Биолошкиот (или биотски) циклус е вграден во овој геолошки воден циклус. Растенијата ја апсорбираат водата од почвата и потоа ја испаруваат (види Транспирација). Дел од водата што ја апсорбираат растенијата се користи за изградба на органски материи, кои кога се оксидираат, повторно формираат вода (види Биолошка оксидација). Секој жив организам апсорбира и ослободува вода, користејќи ја енергијата добиена од зелените растенија од сончевата светлина (види Фотосинтеза). Така, енергијата на Сонцето емитирана во форма на светлина е таа што го „врти тркалото“ на водниот циклус, а не само водата, туку и сите други супстанции.
Размислете за циклусот на азот. Земјиниот азот се наоѓа главно во нејзината атмосфера. Некои микроорганизми, и слободните (на пример, цијанобактерии, Азотобактерии) и симбиотски (на пример, бактерии од јазли од мешунките), се способни да апсорбираат азот од воздухот и да го фиксираат во своето тело во форма на органски соединенија што содржат азот. претворање на молекуларниот азот во амонијак, кој добро се апсорбира од растенијата. Од растенијата, азотот во составот на органските соединенија влегува во организмите на животните и другите хетеротрофи.
На последните алки на синџирите на исхрана, органските материи кои влегуваат во почвата за време на распаѓањето на трупови и со излачувањето на организмите служат како храна за бактериите и габите. Одредени групи почвени микроорганизми (деструктори) ги разложуваат органските материи во неоргански материи, кои можат да се апсорбираат од зелените растенија. Така, органските азотни соединенија се претвораат во амонијак во почвата, кој повторно може да се апсорбира од растенијата. Хемосинтетичките бактерии на почвата (види Хемосинтеза) го оксидираат амонијакот до нитрити и нитрати, кои влегуваат во растенијата со вода и таму се редуцираат до амонијак. Во почвата има и микроорганизми кои го претвораат амонијакот во молекуларен азот, кој влегува во атмосферата.
На места каде што има малку врнежи, нитратите формирани од гуано - изметот на колонијалните птици кои се хранат со риби кои живеат во океанот - се акумулираат во форма на наслаги од шалитра (на пример, во Чиле). Луѓето повторно го враќаат во циклусот на азот, користејќи шалитра за оплодување на полињата.
Човекот се повеќе се меша во циклусот на супстанции. На пример, се синтетизираат стотици милиони тони азотни ѓубрива, но во однос на интензитетот, индустриската фиксација на атмосферскиот азот е инфериорна во однос на биолошката и е поврзана со труење на животната средина: вишокот на азотни ѓубрива се измива со врнежи од полињата во реките. Вака завршуваат во вода за човечка исхрана. Се покажа дека нитратите не се безопасни за луѓето - нивниот вишок придонесува за формирање на малигни тумори. Покрај тоа, синтезата на азотни ѓубрива бара големи количини на енергија. Затоа, научниците интензивно го проучуваат механизмот на биолошка фиксација на атмосферскиот азот со цел да развијат поефикасни начини за обезбедување на растенијата со азот (види Фиксација на азот).
Изворот на фосфор во биосферата е главно апатит, кој се наоѓа во многу карпи. Организмите го извлекуваат од почви и водени раствори, вклучувајќи го во бројни органски соединенија што содржат фосфор. Со смртта на организмите, тој се враќа во почвата и тињата на морињата, каде што може да се концентрира во форма на седименти (гуано, наслаги од рибини коски итн.). Бидејќи повеќето почви содржат недоволно количество фосфор, примената на фосфорните ѓубрива е исклучително важна за добивање високи приноси.
Можете исто така да го опишете циклусот на многу други елементи. Секој од нив има свои карактеристики, но важно е да се нагласи дека енергијата за секој циклус на крајот доаѓа од Сонцето.
Циклусот на супстанции е сложен, а елементот „тече“ од соединение до соединение не по еден канал, туку по неколку, кои се разгрануваат и повторно се спојуваат, а циклусите на различни елементи се меѓусебно поврзани.
Биолошкиот циклус е само дел од геолошкиот, но неговата брзина е стотици илјади и милиони пати поголема, бидејќи сите биолошки трансформации се катализирани од ензими кои се стотици илјади и милиони пати поактивни од неорганските катализатори.
Друга карактеристика на биолошкиот циклус е многу силната концентрација на биолошки важни хемиски елементи, како што е фосфорот, а понекогаш дури и ретки земјени елементи (на пример, итриум во конска опашка).
Биолошкиот циклус е цикличен бидејќи синџирите на исхрана се затворени. Ова обезбеди долгорочно постоење на живот на Земјата, бидејќи во спротивно најбогатите резерви на која било супстанција брзо ќе бидат исцрпени.
Поради активната човечка интервенција во процесите што се случуваат во природата, се појави проблемот со нејзината заштита (види Зачувување на природата).
Голем број на супстанции се губат како резултат на геолошки и космички процеси и го напуштаат циклусот. Така, водородот, формиран за време на распаѓањето на водата, испарува од Земјата во вселената. Биогените карбонати се таложат на дното на океанот, отстранувајќи го јаглеродот од циклусот. А јаглеродот и голем број други елементи доаѓаат на Земјата од вселената со сончевиот ветер и метеоритите. Кога еруптираат вулканите, јаглерод диоксид, вода и други соединенија се ослободуваат од утробата на земјата до површината. Така, циркулацијата на супстанции на Земјата е поврзана со глобалните геолошки, биолошки и астрономски процеси, како и со свесните активности на човештвото.
Циклусите на пренос на маса со различна должина во просторот и нееднакво времетраење во времето формираат динамичен систем на биосферата. Вернадски веруваше дека историјата на повеќето хемиски елементи, кои формираат повеќе од 99% од масата на биосферата, може да се разбере само земајќи ги предвид кружните миграции (циклуси). Во исто време, тој нагласи дека „овие циклуси се реверзибилни само во главниот дел од атомите, додека некои елементи неизбежно и постојано го напуштаат циклусот. Овој излез е природен, односно кружниот процес не е целосно реверзибилен“. Нецелосната реверзибилност и нерамнотежата на миграциските циклуси овозможуваат одредени концентрации на миграциониот елемент, на кој организмите можат да се прилагодат, но во исто време, обезбедуваат отстранување на вишокот количини на елементот од даден циклус.
Односно, интегритетот на биосферата како систем се должи на континуираната размена на материја помеѓу нејзините компоненти, во која процесите поврзани со синтезата и разградувањето на органската материја играат клучна улога. Тие се реализираат и во текот на метаболизмот помеѓу живите организми и околината, и во процесите на минерализација на органската материја по смртта на организмот како целина или смртта на неговите поединечни органи. Дополнително, процесите на размена на материја од небиогени по природа меѓу различни компоненти на географската обвивка, исто така, придонесуваат за циклусот на материјата во биосферата.
Абиогените и биолошките циклуси се тесно испреплетени, формирајќи планетарен геохемиски циклус и систем на локални циклуси на материјата. Така, во текот на милијарди години од биолошката историја на нашата планета, се развил голем биогеохемиски циклус и диференцијација на хемиските елементи во природата, што е основа за нормално функционирање на биосферата. Односно, во услови на развиена биосфера, циклусот на супстанции е насочен со комбинирано дејство на биолошки, геолошки и геохемиски фактори. Врската меѓу нив може да биде различна, но акцијата мора да биде заедничка! Токму во таа смисла се користат термините биогеохемиска циркулација на супстанции и биогеохемиски циклуси.
Биолошкиот циклус не е целосно компензиран затворен циклус.
Биолошкото, биохемиското и геохемиското значење на процесите што се изведуваат во биолошкиот циклус на супстанции прв го покажа В.В.Докучаев. Понатаму беше откриено во делата на В. И. Вернадски, Б. Б. Полинов, Д. Н. Прјанишников, В. Н. Сукачев, Л.Е. Родин, Н.И.
Пред да започнеме да ги проучуваме природните биолошки циклуси на хемиските елементи, неопходно е да се запознаеме со најчесто користените термини.
Биомаса – масата на жива материја акумулирана во даден временски момент.
Фитомаса (или растителна биомаса0 - масата на живи и мртви организми на растителните заедници кои ја задржале својата анатомска структура во даден момент во која било специфична област или на планетата како целина.
Структура на фитомаса - односот на подземните и надземните делови од растенијата, како и едногодишните и повеќегодишните, фотосинтетичките и нефотосинтетичките делови од растенијата.
Партали – мртви делови од растенија кои задржале механичка врска со растението.
Распаѓање - количината на органска материја на растенијата кои изумреле во надземни и подземни делови по единица површина по единица време.
Ѓубре – маса на повеќегодишни наслаги на растителни остатоци со различен степен на минерализација.
Раст – масата на организам или заедница на организми акумулирана по единица површина по единица време.
Вистинска добивка – односот на количината на растење со количината на ѓубре по единица време по единица површина.
Примарно производство – масата на жива материја создадена од автотрофи (зелени растенија) по единица површина по единица време.
Секундарни производи – масата на органска материја создадена од хетеротрофи по единица површина по единица време.
Исто така, неопходно е да се направи разлика помеѓу капацитетот и брзината на биолошкиот циклус.
Капацитет на биолошкиот циклус – бројот на хемиски елементи содржани во масата на зрела биоценоза (фитоценоза).
Интензитетот на биолошкиот циклус – количината на хемиски елементи содржани во растот на биомасата по единица површина по единица време.
Стапка на биолошки промет - временскиот период во кој елементот патува од неговата апсорпција од живата материја до неговото ослободување од живата материја.
Според L. E. Rodin и N. I. Bazilevich (1965), целосниот циклус на биолошкиот циклус на елементите на копно се состои од следните компоненти:
1. Апсорпција на јаглерод од страна на растенијата од атмосферата, и азот, елементи од пепел и вода од почвата, нивно фиксирање во телата на растителните организми, влегување во почвата со мртви растенија или нивни делови, распаѓање на отпадот и ослободување на елементите содржани во нив.
2. Јадење делови од растенија од страна на животните кои се хранат со нив, трансформирање во телата на животните во нови органски соединенија и фиксирање на некои од нив во животински организми, нивно последователно влегување во почвата со измет од животни или со нивните трупови, разградување на двете и ослободување на оние содржани во нив елементи.
3. Размена на гасови помеѓу растенијата и атмосферата (вклучувајќи го воздухот од почвата).
4. Доживотни секрети на некои елементи од надземните растителни органи и нивните коренови системи директно во почвата.
Структурата на биосферата во нејзината најопшта форма претставува два најголеми природни комплекси од прв ранг - континентален и океански. Во модерната ера, земјата како целина е елувијален систем, океанот акумулативен систем. Историјата на „геохемискиот однос“ меѓу океанот и копното се рефлектира во хемискиот состав на почвите и океанските води. Елементите кои се основа на животот - Si, Al, Fe, Mn, C, P, N, Ca, K - се акумулираат во почвата, а H, O, Na, Cl, S, Mg - ја формираат хемиската основа на океанот.
Растенијата, животните и почвената покривка на земјината површина во светот формираат сложен систем. Со врзување и прераспределување на сончевата енергија, атмосферскиот јаглерод, влагата, кислородот, водородот, азот, фосфорот, сулфурот, калциумот и другите биофилни елементи, овој систем постојано формира нова биомаса и генерира слободен кислород.
Во океанот постои втор систем (водни растенија и животни) кој ги извршува истите функции на планетата за врзување на сончевата енергија, јаглерод, азот, фосфор и други биофили преку формирање на фитобиомаса и ослободување на кислород во атмосферата.
Веќе знаете дека постојат три форми на акумулација и прераспределба на космичката енергија (првенствено енергијата на Сонцето) во биосферата.
Суштината на првиот од нив е ова. Дека живите организми, и преку синџирите на исхрана и поврзаните животни и бактерии, ги градат своите ткива користејќи многу хемиски елементи и нивни соединенија. Меѓу најважните од нив се макроелементите - H, O, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn, како и микроелементите I, Co, Cu, Zn, Mo итн. Во овој случај , селективен избор на светлосни изотопи се јавува јаглерод, водород, кислород, азот и сулфур од потешките.
Во текот на целиот свој живот, па дури и по смртта, живите организми на земјата, водата и воздухот се во состојба на континуирана размена со околината. Во овој случај, вкупната маса и волумен на производите на интравиталниот метаболизам на организмите и животната средина (метаболити) се неколку пати повисоки од биомасата на живата материја.
Елементите на биогеохемискиот циклус се следните компоненти:
1. Континуирани или редовно повторувачки процеси на енергетски прилив, формирање и синтеза на нови соединенија.
2. Постојани или периодични процеси на пренос или прераспределба на енергија и процеси на отстранување и насочено движење на синтетизираните соединенија под влијание на физички, хемиски и биолошки агенси.
3. Насочени ритмички процеси на секвенцијална трансформација: разградување, уништување на претходно синтетизирани соединенија под влијание на биогени и абиогени влијанија од околината.
4. Постојано или периодично формирање на наједноставните минерални или органоминерални компоненти во гасовита, течна или цврста состојба, кои играат улога на почетни компоненти за нови, редовни циклуси на супстанции.
Биолошките се предизвикани од виталната активност на организмите (исхрана, врски со храна, репродукција, раст, движење на метаболички производи, смрт, распаѓање, минерализација)
Задолжителни параметри земени предвид при проучување на биогеохемиските циклуси се следните главни индикатори:
1. Вкупна биомаса и нејзиното вистинско зголемување (фито-, зоо-, микробна маса посебно).
2. Органско легло (количество, состав)
3. Органска материја на почвата (хумус, нераспаднати органски остатоци).
4. Елементарен материјален состав на почви, води, воздух, врнежи, одделни фракции на биомаса.
5. Надземни и подземни резерви на биогена енергија.
6. Животни метаболити
7. Број на видови живи организми, нивниот број, состав
8. Очекуван животен век на организмите од секој вид, животна динамика на популации на живи организми и почви.
9. Еколошка и метеоролошка средина: позадина и проценка на човековата интервенција.
10. Карактеристики на различни пејзажи и нивни елементи.
11. Количеството на загадувачи, нивните хемиски, физички, биолошки својства.
Индивидуалното значење на одреден хемиски елемент се проценува со коефициентот на биолошка апсорпција, кој се одредува со односот на содржината на елементот во растителната пепел (по тежина) со содржината на истиот елемент во почвата (или во земјината кора).
Во 1966 година, В.А. Овој коефициент го карактеризира просечното времетраење на целокупниот циклус на синтеза-минерализација на биомасата во дадена област (или на копно воопшто). Пресметките покажаа дека уделот на земјиштето генерално овој циклус се вклопува во периодот од 300-400 до 1000 години. Според тоа, со оваа просечна брзина се јавува ослободување на минерални соединенија врзани во биомаса, формирање и минерализација на хумус во почвата.
За општа проценка на биогеохемиското значење на минералните компоненти на живата материја на биосферата, В.А. , со годишниот хемиски истек на реките. Се покажа дека овие вредности се споредливи. Тоа значи дека поголемиот дел од супстанциите растворени во речните води поминале низ биолошкиот циклус на системот растително-почва, пред тој да се приклучи на геохемиската миграција со водата во правец на океанските или внатрешните вдлабнатини.
Се покажа дека индексите на биогеохемискиот циклус варираат многу во различни климатски услови, под покривката на различни растителни заедници, под различни услови на природна дренажа, затоа Н.И. Базилевич и Л.Е. на зачувано ѓубре во услови на дадена биогеоценоза, еднаков на односот на масата на ѓубрето со масата на годишното легло. Според овие истражувачи, индексите на распаѓање на фитомасите се најголеми во тундрата и мочуриштата на северот, а најниски (околу 1) во степите и полупустините.
Б. Пресметката на индексите за миграција на водата покажа дека најподвижни мигранти во биосферата се хлор, сулфур, бор, бром, јод, калциум, натриум, магнезиум, флуор, стронциум, цинк, ураниум и молибден. Најмалку мобилни се силициум, алуминиум, железо, калиум, фосфор, бариум, манган, рубидиум, бакар, никел, кобалт, арсен, литиум.
Ненарушените биогеохемиски циклуси се речиси кружни, т.е. речиси резервиран карактер. Степенот на репродукција (повторување) на циклуси во природата е многу висок (според В.А. Ковда - 90-98%). Така, се одржува одредена константност на составот, количината и концентрацијата на компонентите вклучени во циклусот. Но, нецелосното затворање на биогеохемиските циклуси, како што ќе видиме подоцна, има многу важно геохемиско значење и придонесува за еволуцијата на биосферата. Ова е причината зошто постои биогена акумулација на кислород во атмосферата, биогена и хемогена акумулација на јаглеродни соединенија во земјината кора (нафта, јаглен, варовници)
Да ги разгледаме подетално главните параметри на биогеохемискиот циклус на копното.
Општиот биогеохемиски циклус на елементи вклучува биогеохемиски циклуси на поединечни хемиски елементи. Најважната улога во функционирањето на биосферата како целина и поединечните геосистеми од пониско ниво на класификација имаат циклусите на неколку хемиски елементи кои се најпотребни за живите организми поради нивната улога во составот на живата материја и физиолошките процеси. .
Циклусот на супстанции во биосферата е цикличен, постојано повторувачки процес на заедничка, меѓусебно поврзана трансформација и движење на супстанции. Присуството на циклус на супстанции е неопходен услов за постоење на биосферата. Откако ќе се користат од некои организми, супстанциите мора да се претворат во форма достапна за други организми. Ваквата транзиција на супстанции од една врска до друга бара енергетско трошење, затоа е можно само со учество на сончевата енергија. Со користењето на сончевата енергија, на планетата се случуваат два меѓусебно поврзани циклуси на супстанции: големи - геолошки и мали - биолошки (биотски).
Геолошки циклус на супстанции- процес на миграција на супстанции, извршен под влијание на абиотски фактори: атмосферски влијанија, ерозија, движење на водата итн. Живите организми не учествуваат во него.
Со појавата на жива материја на планетата, биолошки (биотски) циклус. Во него учествуваат сите живи организми кои апсорбираат некои материи од околината, а други ослободуваат. На пример, во процесот на живот, растенијата консумираат јаглерод диоксид, вода и минерали од околината и ослободуваат кислород. Животните користат кислород ослободен од растенијата за дишење. Тие јадат растенија и, како резултат на варењето, асимилираат органски супстанции формирани за време на фотосинтезата. Тие ослободуваат јаглерод диоксид и несварени остатоци од храна. Откако растенијата и животните умираат, тие формираат маса на мртва органска материја (детритус). Детритус е достапен за распаѓање (минерализација) со микроскопски габи и бактерии. Како резултат на нивната витална активност, дополнителни количини на јаглерод диоксид влегуваат во биосферата. И органските материи се претвораат во оригиналните неоргански компоненти - биогени. Добиените минерални соединенија, кои влегуваат во водните тела и почвата, повторно стануваат достапни за растенијата за фиксација преку фотосинтеза. Овој процес се повторува бескрајно и има затворен карактер (циркулација). На пример, целиот атмосферски кислород поминува по оваа патека за околу 2 илјади години, а на јаглерод диоксидот му требаат околу 300 години за да го направи тоа.
Енергијата содржана во органската материја се намалува додека се движи низ синџирите на исхрана. Поголемиот дел од него се расфрла во околината во форма на топлина или се троши за одржување на виталните процеси на организмите. На пример, на дишењето на животните и растенијата, транспортот на супстанции во растенијата, како и на процесите на биосинтеза на живите организми. Покрај тоа, биогените формирани како резултат на активноста на разградувачите не содржат енергија достапна за организмите. Во овој случај, можеме да зборуваме само за протокот на енергија во биосферата, но не и за циклусот. Затоа, услов за одржливо постоење на биосферата е постојана циркулација на супстанции и проток на енергија во биогеоценозите.
Геолошките и биолошките циклуси заедно го формираат општиот биогеохемиски циклус на супстанции, кој се заснова на циклусите на азот, вода, јаглерод и кислород.
Циклус на азот
Азотот е еден од најчестите елементи во биосферата. Најголемиот дел од азот од биосферата се наоѓа во атмосферата во гасовита форма. Како што знаете од курсот по хемија, хемиските врски помеѓу атомите во молекуларниот азот (N 2) се многу силни. Затоа, повеќето живи организми не се во можност директно да го користат. Оттука, важна фаза во циклусот на азот е неговото фиксирање и претворање во форма достапна за организмите. Постојат три начини на фиксација на азот.
Атмосферска фиксација. Под влијание на атмосферски електрични празнења (молња), азотот може да реагира со кислород и да формира азот оксид (NO) и диоксид (NO 2). Азотниот оксид (NO) многу брзо се оксидира со кислород и се претвора во азот диоксид. Азотниот диоксид се раствора во водена пареа и навлегува во почвата во форма на азотни (HNO 2) и азотни (HNO 3) киселини со врнежи. Во почвата, како резултат на дисоцијација на овие киселини, се формираат нитрити (NO 2 –) и нитратни јони (NO 3 –). Нитритните и нитратните јони веќе можат да се апсорбираат од растенијата и да бидат вклучени во биолошкиот циклус. Атмосферската фиксација на азот изнесува околу 10 милиони тони азот годишно, што е околу 3% од годишната фиксација на азот во биосферата.
Биолошка фиксација. Се изведува од бактерии кои го фиксираат азот, кои го претвораат азот во форми достапни за растенијата. Благодарение на микроорганизмите, околу половина од целиот азот е врзан. Најпознати бактерии се оние кои го фиксираат азот во јазлите на мешунките растенија. Тие ги снабдуваат растенијата со азот во форма на амонијак (NH 3). Амонијак е многу растворлив во вода за да формира амониум јон (NH 4 +), кој се апсорбира од растенијата. Затоа, мешунките се најдобри претходници на култивираните растенија во плодоредот. По смртта на животните и растенијата и распаѓањето на нивните остатоци, почвата се збогатува со органски и минерални азотни соединенија. Следно, гнилостните (амонифицирачки) бактерии ги разградуваат супстанциите што содржат азот (протеини, уреа, нуклеински киселини) на растенијата и животните во амонијак. Овој процес се нарекува амонификација. Поголемиот дел од амонијакот последователно се оксидира со нитрификација на бактериите до нитрити и нитрати, кои повторно се користат од растенијата. Азотот се враќа во атмосферата преку денитрификација, која ја врши група на бактерии кои го денитрифицираат. Како резултат на тоа, азотните соединенија се сведуваат на молекуларен азот. Дел од азотот во нитратни и амониумски форми влегува во водните екосистеми со површинско истекување. Овде азотот се апсорбира од водните организми или влегува во органските седименти на дното.
Индустриска фиксација. Голема количина на азот се фиксира годишно индустриски за време на производството на минерални азотни ѓубрива. Азотот од таквите ѓубрива растенијата го апсорбираат во амониум и нитратни форми. Обемот на азотни ѓубрива произведени во Белорусија во моментов е околу 900 илјади тони годишно. Најголем производител е OJSC GrodnoAzot. Ова претпријатие произведува уреа, амониум нитрат, амониум сулфат и други азотни ѓубрива.
Приближно 1/10 од вештачки нанесениот азот се користи од растенијата. Остатокот оди во водни екосистеми со површинско истекување и подземни води. Ова доведува до акумулација на големи количини на азотни соединенија во водата, достапни за апсорпција од фитопланктонот. Како резултат на тоа, можна е брза пролиферација на алги (еутрофикација) и, како резултат на тоа, смрт во водните екосистеми.
Циклусот на водата
Водата е главната компонента на биосферата. Тоа е медиум за растворање на речиси сите елементи во текот на циклусот. Поголемиот дел од водата во биосферата е претставена со течна вода и вода од вечниот мраз (повеќе од 99% од сите резерви на вода во биосферата). Мал дел од водата е во гасовита состојба - ова е атмосферска водена пареа. Циклусот на водата во биосферата се заснова на фактот дека нејзиното испарување од површината на Земјата се компензира со врнежи. Кога водата стигнува до површината на земјата во форма на врнежи, тоа придонесува за уништување на карпите. Ова ги прави минералите што ги прават достапни за живите организми. Токму испарувањето на водата од површината на планетата го одредува нејзиниот геолошки циклус. Таа троши околу половина од падот на сончевата енергија. Испарувањето на водата од површината на морињата и океаните се случува со поголема брзина од нејзиното враќање со врнежи. Оваа разлика се компензира со површинско и длабоко истекување поради фактот што врнежите преовладуваат над испарувањето на континентите.
Зголемувањето на интензитетот на испарувањето на водата на копно во голема мера се должи на виталната активност на растенијата. Растенијата извлекуваат вода од почвата и активно ја пренесуваат во атмосферата. Дел од водата во растителните клетки се разградува за време на фотосинтезата. Во овој случај, водородот е фиксиран во форма на органски соединенија, а кислородот се ослободува во атмосферата.
Животните користат вода за да одржуваат осмотска и солена рамнотежа во телото и ја ослободуваат во надворешната средина заедно со метаболичките производи.
Циклус на јаглерод
Јаглеродот како хемиски елемент е присутен во атмосферата како јаглерод диоксид. Ова го одредува задолжителното учество на живите организми во циклусот на овој елемент на планетата Земја. Главниот пат по кој јаглеродот преминува од неоргански соединенија во органска материја, каде што е суштински хемиски елемент, е процесот на фотосинтеза. Дел од јаглеродот се ослободува во атмосферата како јаглерод диоксид за време на дишењето на живите организми и за време на распаѓањето на мртвите органски материи од бактериите. Јаглеродот што го апсорбираат растенијата го консумираат животните. Покрај тоа, коралните полипи и мекотели користат јаглеродни соединенија за да градат скелетни структури и школки. Откако ќе умрат и ќе се населат, на дното се формираат наслаги од варовник. Така, јаглеродот може да се исклучи од циклусот. Отстранувањето на јаглеродот од циклусот за подолг временски период се постигнува преку формирање на минерали: јаглен, нафта, тресет.
Во текот на целото постоење на нашата планета, јаглеродот отстранет од циклусот се компензира со јаглерод диоксид кој влегува во атмосферата за време на вулкански ерупции и други природни процеси. Во моментов, значително антропогено влијание е додадено на природните процеси на надополнување на јаглеродот во атмосферата. На пример, при согорување на јаглеводородни горива. Ова го нарушува јаглеродниот циклус на Земјата, кој е регулиран со векови.
Зголемувањето на концентрацијата на јаглерод диоксид во текот на еден век од само 0,01% доведе до забележлива манифестација на ефектот на стаклена градина. Просечната годишна температура на планетата се зголеми за 0,5 °C, а нивото на Светскиот океан се зголеми за речиси 15 cm Според научниците, доколку просечната годишна температура се зголеми за уште 3-4 °C, вечниот мраз ќе почне да се топи. Во исто време, нивото на Светскиот океан ќе се зголеми за 50-60 см, што ќе доведе до поплавување на значителен дел од копното. Ова се смета за глобална еколошка катастрофа, бидејќи околу 40% од населението на Земјата живее на овие територии.
Кислороден циклус
Во функционирањето на биосферата, кислородот игра исклучително важна улога во метаболичките процеси и дишењето на живите организми. Намалувањето на количината на кислород во атмосферата како резултат на процесите на дишење, согорување на горивото и распаѓање се компензира со кислородот што го ослободуваат растенијата за време на фотосинтезата.
Кислородот се формирал во примарната атмосфера на Земјата додека се ладел. Поради неговата висока реактивност, тој преминал од гасовита состојба во составот на различни неоргански соединенија (карбонати, сулфати, железни оксиди и др.). Денешната атмосфера на планетата која содржи кислород е формирана исклучиво поради фотосинтезата спроведена од живите организми. Содржината на кислород во атмосферата веќе долго време се зголемува до сегашните нивоа. Одржувањето на неговата количина на константно ниво во моментов е можно само благодарение на фотосинтетичките организми.
За жал, во последниве децении, човековата активност, што доведе до уништување на шумите и ерозија на почвата, го намали интензитетот на фотосинтезата. И ова, пак, го нарушува природниот тек на кислородниот циклус на големи површини на Земјата.
Мал дел од атмосферскиот кислород е вклучен во формирањето и уништувањето на озонскиот екран под влијание на ултравиолетовото зрачење од Сонцето.
Основата на биогениот циклус на супстанции е сончевата енергија. Главен услов за одржливо постоење на биосферата е постојаната циркулација на супстанции и протокот на енергија во биогеоценозите. Живите организми играат голема улога во циклусите на азот, јаглерод и кислород. Основата на глобалниот воден циклус во биосферата е обезбедена со физички процеси.
Циклуси на супстанции
Малите миграциски текови на хемиски елементи и помеѓу меѓусебно поврзани организми и помеѓу организмите и нивната околина се развиваат во поголеми циклуси - жици. Циклусите се тие што го поддржуваат траењето и постојаноста на постоењето на животот, бидејќи без нив, дури и на скалата на целата Земја, резервите на потребните елементи многу брзо би биле исцрпени.
Биолошки циклус (биотик)- феноменот на континуирана, циклична, природна, но нерамномерна временски и просторна прераспределба на материјата, енергијата 1 и информациите во еколошките системи на различни хиерархиски нивоа на организација - од биогеоценоза до биосферата. Циркулацијата на супстанции на скалата на целата биосфера се нарекува голем круг, а во специфична биогеоценоза - мал круг на биотска размена. Дел од биолошкиот циклус, кој се состои од циклуси на јаглерод, вода, азот, фосфор, сулфур и други хранливи материи, се нарекува биогеохемиски циклус.
Одредена количина на супстанција може привремено да го напушти биолошкиот циклус (се населува на дното на океаните, морињата, паѓа во длабочините на земјината кора итн.). Меѓутоа, како резултат на тектонски и геолошки процеси (вулканска активност, подем и паѓање на земјината кора, промени во границите меѓу копното и водата итн.), седиментните карпи повторно се вклучени во циклус наречен геолошки циклус или циркулација.
Циклусите на супстанции од производители до потрошувачи на различни нивоа, потоа до разградувачи и од нив повторно до производители не се целосно затворени. Ако екосистемите беа целосно затворени, тогаш немаше да има промени во животната средина, немаше да има почва, варовник и други карпи од биогено потекло. Така, биотскиот циклус може конвенционално да се прикаже како отворен прстен. Загубата на материја поради отворениот циклус е минимална во биосферата (најголемиот екосистем на планетата). Информациите во екосистемите се губат со смртта на видовите и неповратните генетски преуредувања.
Така, секој екосистем го одржува своето постоење поради циклусот на хранливи материи и постојаниот прилив на сончева енергија. Енергетскиот циклус во екосистемите е практично отсутен, бидејќи таа (енергијата) се враќа од разградувачите на потрошувачите во мали количини. Се верува дека коефициентот на енергетскиот циклус не надминува 0,24%. Енергијата може да се акумулира, складира (т.е. да се претвори во поефикасни форми) и да се пренесе од еден дел на системот во друг, но не може да се врати во употреба, како вода и минерали. Откако еднаш премина од постројките производители преку потрошувачите до разградувачите, енергијата се носи во близина на Земјата и во вселената. Кога се движите низ екосистемот, протокот на енергија главно влијае на неговата биоценоза, па затоа беше детално дискутирано претходно.