Kitaran biologi unsur kimia dalam komuniti tropika biasa
Keadaan bioiklim kawasan tropika sangat pelbagai. Idea kawasan tropika sebagai jalur hutan berterusan adalah tidak benar sama sekali. Mengubah nisbah pemendakan dan sejatanspirasi, tempoh musim kering dan hujan mewujudkan pelbagai ekosistem dengan pelbagai darjah kelembapan atmosfera - daripada landskap yang sangat gersang atau padang pasir kepada hutan tropika yang sentiasa lembap. Apabila terdapat musim di mana penyejatan melebihi kerpasan, terdapat hutan rumput tinggi yang jarang berwarna terang yang menggugurkan daunnya semasa musim kemarau yang panjang. Dalam keadaan yang lebih kering, kumpulan pokok yang jarang berselang-seli dengan kawasan lapang yang ditutupi dengan tumbuh-tumbuhan herba adalah tipikal. Apabila kegersangan meningkat, pokok-pokok digantikan oleh belukar semak berduri, dan penutupan rimbun rumput tinggi digantikan oleh tumbuh-tumbuhan rumput pendek dengan tahap litupan tanah yang rendah.
Nisbah kawasan yang berbeza darjah kelembapan atmosfera di benua adalah tidak sama. Kawasan kering menduduki sebahagian besar Australia, sebahagian besar India, tetapi kurang biasa di Amerika Selatan. Di jalur khatulistiwa Afrika, terhad kepada 6° U. w. dan 6° S. w., kawasan dengan pelbagai darjah kelembapan atmosfera diagihkan seperti berikut:
Daripada data di atas, ia menunjukkan bahawa hutan lembap hanya menduduki kira-kira "/5 daripada jalur khatulistiwa Afrika, dan kebanyakannya diduduki oleh gabungan hutan ringan dan sabana rumput tinggi. Selebihnya wilayah diliputi oleh lebih kurang landskap gersang, sehingga hampir terbiar, di mana hujan kurang daripada 200 mm hujan setahun Menurut B.G Rozanov (1977), zon pengedaran semua jenis hutan tropika menduduki 20,448 ribu km 2, atau 13.33% daripada tanah dunia, zon savana - 14,259 ribu km 2 (9.56 %), kawasan padang pasir tropika - 4506 ribu km 2, atau 3.02%.
Kitaran biologi unsur dalam hutan tropika. Hutan tropika lembap kekal adalah pembentukan tumbuhan yang paling berkuasa. Kelimpahan haba dan lembapan menentukan biojisim terbesar di antara biocenoses tanah dunia - secara purata 50,000 t/km 2 bahan kering, dan dalam beberapa kes sehingga 170,000 t/km 2. Faktor yang mengehadkan pertumbuhan biojisim ialah tenaga cahaya yang diperlukan untuk fotosintesis. Untuk memaksimumkan penggunaannya, di bawah penutup pokok setinggi 30-40 m, terdapat beberapa lagi peringkat pokok yang disesuaikan dengan cahaya yang tersebar. Sebahagian besar daun yang mati dan gugur pada pokok tinggi dipintas oleh banyak epifit. Atas sebab ini, unsur kimia yang terkandung dalam daun ditangkap semula ke dalam kitaran biologi tanpa sampai ke tanah. Di hutan hujan tropika, musim tumbuh berterusan sepanjang tahun. Purata pengeluaran tahunan 2500 t/km 2.
Kekhususan biogeokimia hutan hujan tropika terletak pada fakta bahawa hampir keseluruhan jumlah unsur kimia yang diperlukan untuk memberi makan kepada sejumlah besar tumbuh-tumbuhan terkandung dalam tumbuhan itu sendiri. Kitaran pemindahan jisim biogeokimia sangat tertutup. Jika anda menebang hutan hujan tropika, maka bersama-sama dengan kematian pokok, keseluruhan sistem peredaran biologi yang dicipta selama beribu tahun akan terganggu dan tanah tandus akan kekal di bawah hutan yang telah dibersihkan.
Situasi biogeokimia di hutan tropika luruh dan savana yang cerah adalah hampir dengan keadaan di hutan luruh dalam iklim sederhana, tetapi tempoh penindasan proses biogeokimia bukan disebabkan oleh penurunan suhu, tetapi oleh kekurangan hujan dan kekurangan lembapan bermusim. Biojisim savana kering adalah kira-kira 200-600 t/km 2. Jumlah sampah (kurang daripada 150-200 t/km 2) sepadan dengan keadaan padang pasir tropika. Biojisim hutan tropika daun luruh dengan tahap kelembapan yang berbeza-beza dan sabana taman rumput tinggi menempati kedudukan pertengahan antara hutan basah kekal dan sabana kering.
Menurut data yang tersedia dari L.E.Rodina dan N.I.Bazilevich (1965), taburan dan dinamik jisim dalam tumbuh-tumbuhan hutan tropika lembap kekal dicirikan oleh penunjuk berikut (t/km 2):
Perlu diingatkan bahawa kepekatan unsur kimia dalam kayu batang dan dahan pokok tropika, sebagai peraturan, lebih rendah daripada daun, yang membentuk sebahagian besar sampah. Kepekatan nitrogen dalam kayu jarang mencapai 0.5% jisim bahan kering, dan dalam daun - kira-kira 2%. Dalam daun, kepekatan kalsium, kalium, magnesium, natrium, silikon, dan fosforus biasanya beberapa kali lebih tinggi daripada kayu. Kandungan unsur dalam daun pokok dan dalam tumbuh-tumbuhan herba, yang banyak diwakili dalam hutan luruh yang terang, berbeza sedikit. Kepekatan kebanyakan unsur surih dalam daun pokok dan rumput juga lebih tinggi daripada kayu, walaupun barium dan terutamanya strontium lebih tinggi dalam kayu.
Berdasarkan data yang ada, kami mengambil nilai purata jumlah unsur abu dalam biojisim hutan tropika lembap kekal bersamaan dengan 800 t/km 2 ; jisim unsur-unsur ini yang terlibat dalam kitaran biologi adalah sama dengan 150 t/km 2 setahun. Bagi hutan ringan, nilai purata ialah 200 dan 50 t/km 2 setahun, masing-masing. Berdasarkan angka ini, nilai anggaran jisim unsur surih setiap tahun yang terlibat dalam kitaran biologi telah ditentukan.
Kepekatan unsur abu dalam tumbuh-tumbuhan khatulistiwa Afrika Timur, % jisim kering (menurut V.V. Dobrovolsky 1975)
| Sampel No. | elemen | "Abu tulen" | kekotoran | |||||||||
| Si | A1 | Fe | Mn | Ti | Sa | Mg | Na | R | S | zarah mineral | ||
| 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 |
Sampel: 52 - penutup berumput jarang savana rumput pendek dengan dominasi wakil genera Sporobolus, Cynodon, KyUinga, Tanzania Barat Laut.
76 - Batang Podocarpus, hutan hujan di lereng selatan Kilimanjaro, Tanzania.
42 - lantai hutan hutan hujan di lereng selatan Kilimanjaro, Tanzania.
210 - batang papirus (Cyperus papyrus), dataran banjir Nil Putih berhampiran sumber Tasik Albert, Uganda.
Jisim unsur surih yang terlibat dalam kitaran biologi di hutan tropika
Tahap kepekatan unsur surih dalam substrat pembentuk tanah di kawasan tanah tropika yang berbeza adalah tidak sama. Ini tercermin dalam kandungan unsur dalam tumbuhan. Sebagai contoh, di Afrika Timur, dalam rumput bijirin yang dikumpulkan di kawasan batu kristal di bawah tanah Precambrian, kepekatan tembaga adalah 71 * 10 -4%, dan dalam rumput yang serupa di kawasan lava gunung berapi - 120 * 10 -4%. Kepekatan zink berubah dengan sewajarnya dari 120 hingga 450 10-4%), TiOz - dari 200 hingga 1800 10-4%.
Jadual membandingkan kandungan unsur surih dalam abu rumput dan dahan pokok (akasia) dari sabana Afrika Timur. Dapat dilihat bahawa logam berat terkumpul lebih kuat di dalam rumput, dan barium dan strontium terkumpul di dalam pokok. Perlu diingatkan bahawa kepekatan yang terakhir meningkat dengan peningkatan kegersangan. Di kawasan gersang di selatan Tanzania, kami mendapati kepekatan strontium dalam abu dahan baobab adalah kira-kira 4500 μg/g, dan dalam satu kes di cawangan akasia 3 kali lebih tinggi.
Keamatan penyerapan biologi dan kepekatan unsur surih dalam abu rumput dan pokok sabana Afrika Timur (menurut V.V. Dobrovolsky, 1973)
| elemen | Kepekatan, µg/g | Pekali biologi | ||
| " | penyerapan KB | |||
| herba, | dahan akasia, | herba | dahan akasia | |
| 6 sampel | 9 sampel | |||
| Ti | 1140 | 230 | 0,1 | 0,03 |
| Mn | 1880 | 943 | 1,9 | 0,9 |
| V | 59 | 45 | 0,3 | 0,2 |
| SG | 28 | 12 | 0,2 | 0,08 |
| № | 39 | 144 | 0,6 | 2,0 |
| Co | 20 | 12 | 0,6 | 0,4 |
| Si | " 85 | 39 | 1,5 | 0,7 |
| Pb | 34 | 21 | 1.5 | 0,9 |
| Zn | 118 | 79 | 1,2 | 0,8 |
| Mo | 57 | 6 | 7,1 | 0,8 |
| Nb | 59 | 18 | 0,9 | 0,3 |
| Zr | 165 | 92 | 0,5 | 0,3 |
| Ga | 36 | 4 | 1,6 | 0,2 |
| Sr | 450 | 3340 | 3,5 | 25,7 |
| Ba | 440 | 630 | 3,0 | 4,3 |
Bahagian atas tanah rumput savana mempunyai kandungan abu yang tinggi - dari 6 hingga 10%, sebahagiannya disebabkan oleh campuran zarah kecil habuk mineral, boleh dikesan di bawah mikroskop dan kadangkala dengan mata kasar. Jumlah habuk mineral adalah 2-3% daripada jisim bahan yang benar-benar kering bahagian udara herba. Nampaknya, campuran habuk mineral menjejaskan peningkatan kepekatan galium, yang kurang diserap oleh tumbuhan, tetapi terkandung dalam bahan tanah liat yang sangat tersebar, diangkut secara bertenaga oleh angin. Tetapi walaupun selepas mengecualikan habuk silikat yang tidak larut, jumlah unsur abu dalam bijirin savana adalah 2 kali lebih besar daripada bijirin padang rumput gunung tinggi.
Kitaran bahan dalam alam semula jadi adalah satu set proses pengulangan perubahan atau pergerakan bahan, yang mempunyai sifat kitaran yang lebih atau kurang jelas.
Mari kita mulakan dengan kitaran air. Ini adalah proses geofizik yang kompleks, pautan utamanya ialah: penyejatan air, pemindahan wapnya oleh arus udara, pembentukan awan dan pemendakan, aliran permukaan dan bawah tanah ke lautan.
Kitaran biologi (atau biotik) dibina ke dalam kitaran air geologi ini. Tumbuhan menyerap air dari tanah dan kemudian menyejatnya (lihat Transpirasi). Sebahagian daripada air yang diserap oleh tumbuhan digunakan untuk membina bahan organik, yang, apabila teroksida, sekali lagi membentuk air (lihat Pengoksidaan biologi). Mana-mana organisma hidup menyerap dan membebaskan air, menggunakan tenaga yang diperolehi oleh tumbuhan hijau daripada cahaya matahari (lihat Fotosintesis). Oleh itu, tenaga Matahari yang dipancarkan dalam bentuk cahaya yang "memusingkan roda" kitaran air, dan bukan sahaja air, tetapi juga semua bahan lain.
Pertimbangkan kitaran nitrogen. Nitrogen Bumi ditemui terutamanya di atmosferanya. Sesetengah mikroorganisma, kedua-duanya hidup bebas (contohnya, cyanobacteria, Azotobacter) dan simbiotik (contohnya, bakteria nodul kekacang), mampu menyerap nitrogen dari udara dan mengikatnya dalam badan mereka dalam bentuk sebatian organik yang mengandungi nitrogen, menukarkan nitrogen molekul kepada ammonia, yang diserap dengan baik oleh tumbuhan . Daripada tumbuhan, nitrogen dalam komposisi sebatian organik memasuki organisma haiwan dan heterotrof lain.
Pada pautan terakhir rantai makanan, bahan organik yang memasuki tanah semasa penguraian mayat dan dengan perkumuhan organisma berfungsi sebagai makanan untuk bakteria dan kulat. Kumpulan mikroorganisma tanah tertentu (pemusnah) menguraikan bahan organik kepada bahan bukan organik, yang boleh diserap oleh tumbuhan hijau. Oleh itu, sebatian nitrogen organik ditukar kepada ammonia di dalam tanah, yang boleh diserap semula oleh tumbuhan. Bakteria kemosintetik tanah (lihat Chemosynthesis) mengoksidakan ammonia kepada nitrit dan nitrat, yang memasuki tumbuhan dengan air dan dikurangkan di sana kepada ammonia. Terdapat juga mikroorganisma di dalam tanah yang menukar ammonia kepada nitrogen molekul, yang memasuki atmosfera.
Di tempat-tempat di mana terdapat sedikit hujan, nitrat terbentuk daripada guano - najis burung kolonial yang memakan ikan yang hidup di lautan - terkumpul dalam bentuk deposit garam (contohnya, di Chile). Orang ramai mengembalikannya ke kitaran nitrogen sekali lagi, menggunakan saltpeter untuk menyuburkan ladang.
Manusia semakin mengganggu kitaran bahan. Sebagai contoh, ratusan juta tan baja nitrogen disintesis, tetapi dari segi keamatan, penetapan industri nitrogen atmosfera adalah lebih rendah daripada biologi biologi dan dikaitkan dengan keracunan alam sekitar: baja nitrogen berlebihan dihanyutkan oleh pemendakan dari ladang ke dalam sungai. Ini adalah bagaimana mereka berakhir di dalam air untuk kegunaan manusia. Ternyata nitrat tidak berbahaya kepada manusia - kelebihannya menyumbang kepada pembentukan tumor malignan. Di samping itu, sintesis baja nitrogen memerlukan sejumlah besar tenaga. Oleh itu, saintis sedang mengkaji secara intensif mekanisme penetapan biologi nitrogen atmosfera untuk membangunkan cara yang lebih cekap untuk menyediakan tumbuhan dengan nitrogen (lihat penetapan Nitrogen).
Sumber fosforus dalam biosfera terutamanya apatit, terdapat dalam banyak batu. Organisma mengekstraknya daripada tanah dan larutan akueus, termasuk dalam banyak sebatian organik yang mengandungi fosforus. Dengan kematian organisma, ia kembali ke tanah dan kelodak laut, di mana ia boleh menumpukan dalam bentuk sedimen (guano, deposit tulang ikan, dll.). Oleh kerana kebanyakan tanah mengandungi jumlah fosforus yang tidak mencukupi, penggunaan baja fosforus adalah amat penting untuk mendapatkan hasil tanaman yang tinggi.
Anda juga boleh menerangkan kitaran banyak elemen lain. Setiap daripada mereka mempunyai ciri-ciri sendiri, tetapi adalah penting untuk menekankan bahawa tenaga untuk mana-mana kitaran akhirnya datang dari Matahari.
Kitaran bahan adalah kompleks, dan unsur "mengalir" dari sebatian ke sebatian bukan sepanjang satu saluran, tetapi sepanjang beberapa, yang bercabang dan bergabung semula, dan kitaran pelbagai unsur saling berkaitan.
Kitaran biologi hanyalah sebahagian daripada kitaran geologi, tetapi kelajuannya ratusan ribu dan berjuta-juta kali lebih besar, kerana semua transformasi biologi dimangkin oleh enzim yang beratus-ratus ribu dan berjuta-juta kali lebih aktif daripada pemangkin bukan organik.
Satu lagi ciri kitaran biologi ialah kepekatan yang sangat kuat unsur-unsur kimia biologi yang penting, seperti fosforus, dan kadang-kadang juga unsur nadir bumi (contohnya, yttrium dalam ekor kuda).
Kitaran biologi adalah kitaran kerana rantai makanan tertutup. Ini memastikan kewujudan jangka panjang kehidupan di Bumi, kerana jika tidak, rizab terkaya mana-mana bahan akan cepat habis.
Disebabkan oleh campur tangan manusia yang aktif dalam proses yang berlaku di alam semula jadi, masalah perlindungannya telah timbul (lihat Pemuliharaan alam semula jadi).
Sebilangan bahan hilang akibat proses geologi dan kosmik dan meninggalkan kitaran. Oleh itu, hidrogen, yang terbentuk semasa penguraian air, menyejat dari Bumi ke angkasa lepas. Karbonat biogenik dimendapkan di dasar laut, mengeluarkan karbon daripada kitaran. Dan karbon dan beberapa unsur lain datang ke Bumi dari angkasa lepas dengan angin suria dan meteorit. Apabila gunung berapi meletus, karbon dioksida, air dan sebatian lain dibebaskan dari perut bumi ke permukaan. Oleh itu, peredaran bahan di Bumi dikaitkan dengan proses geologi, biologi dan astronomi global, serta dengan aktiviti sedar manusia.
Kitaran pemindahan jisim yang berbeza-beza panjang dalam ruang dan tempoh masa yang tidak sama membentuk sistem dinamik biosfera. V.I. Vernadsky percaya bahawa sejarah kebanyakan unsur kimia, membentuk lebih daripada 99% jisim biosfera, hanya boleh difahami dengan mengambil kira migrasi bulat (kitaran). Pada masa yang sama, beliau menekankan bahawa "kitaran ini boleh diterbalikkan hanya di bahagian utama atom, manakala beberapa unsur tidak dapat dielakkan dan sentiasa meninggalkan kitaran ini adalah semula jadi, iaitu proses pekeliling tidak boleh diterbalikkan sepenuhnya." Keterbalikan yang tidak lengkap dan ketidakseimbangan kitaran penghijrahan membenarkan kepekatan tertentu unsur penghijrahan, yang mana organisma boleh menyesuaikan diri, tetapi pada masa yang sama, memastikan penyingkiran jumlah berlebihan unsur daripada kitaran tertentu.
Iaitu, integriti biosfera sebagai sistem adalah disebabkan oleh pertukaran berterusan bahan antara komponennya, di mana proses yang berkaitan dengan sintesis dan penguraian bahan organik memainkan peranan penting. Mereka direalisasikan dalam proses metabolisme antara organisma hidup dan alam sekitar, dan dalam proses mineralisasi bahan organik selepas kematian organisma secara keseluruhan atau kematian organ individunya. Di samping itu, proses pertukaran jirim bukan biogenik di antara pelbagai komponen sampul geografi juga menyumbang kepada kitaran jirim dalam biosfera.
Kitaran abiogenik dan biologi saling berkait rapat, membentuk kitaran geokimia planet dan sistem kitaran jirim tempatan. Oleh itu, sepanjang berbilion tahun sejarah biologi planet kita, kitaran biogeokimia yang hebat dan pembezaan unsur kimia dalam alam semula jadi telah berkembang, yang merupakan asas untuk fungsi normal biosfera. Iaitu, dalam keadaan biosfera yang maju, kitaran bahan diarahkan oleh tindakan gabungan faktor biologi, geologi dan geokimia. Hubungan antara mereka mungkin berbeza, tetapi tindakan itu mesti bersama! Dalam pengertian inilah istilah peredaran biogeokimia bahan dan kitaran biogeokimia digunakan.
Kitaran biologi bukanlah kitaran tertutup yang diberi pampasan sepenuhnya.
Kepentingan biologi, biokimia dan geokimia proses yang dijalankan dalam kitaran biologi bahan pertama kali ditunjukkan oleh V.V Dokuchaev. Ia selanjutnya didedahkan dalam karya V. I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda dan penyelidik lain .
Sebelum kita mula mengkaji kitaran biologi semula jadi unsur kimia, adalah perlu untuk membiasakan diri dengan istilah yang paling biasa digunakan.
Biojisim – jisim bahan hidup yang terkumpul pada satu masa tertentu.
Fitomas (atau biojisim tumbuhan0 - jisim organisma hidup dan mati komuniti tumbuhan yang telah mengekalkan struktur anatominya pada masa tertentu di mana-mana kawasan tertentu atau di planet ini secara keseluruhan.
Struktur fitomas - nisbah bahagian bawah tanah dan bahagian atas tanah tumbuhan, serta bahagian tahunan dan saka, fotosintesis dan bukan fotosintesis tumbuhan.
kain buruk – bahagian mati tumbuhan yang telah mengekalkan sambungan mekanikal dengan tumbuhan.
pereputan - jumlah bahan organik tumbuhan yang telah mati di bahagian atas tanah dan bawah tanah per unit luas per unit masa.
bersepah – jisim mendapan saka sisa tumbuhan yang berbeza-beza darjah mineralisasi.
Pertumbuhan – jisim organisma atau komuniti organisma terkumpul per unit luas per unit masa.
Keuntungan Benar – nisbah jumlah pertumbuhan kepada jumlah sampah seunit masa seunit luas.
Pengeluaran utama – jisim bahan hidup yang dicipta oleh autotrof (tumbuhan hijau) seunit luas seunit masa.
Produk sekunder – jisim bahan organik yang dicipta oleh heterotrof per unit luas per unit masa.
Ia juga perlu untuk membezakan antara kapasiti dan kelajuan kitaran biologi.
Kapasiti kitaran biologi – bilangan unsur kimia yang terkandung dalam jisim biocenosis matang (phytocenosis).
Keamatan kitaran biologi – jumlah unsur kimia yang terkandung dalam pertumbuhan biojisim seunit luas seunit masa.
Kadar pusing ganti biologi - tempoh masa di mana unsur bergerak dari penyerapannya oleh bahan hidup kepada pelepasannya daripada bahan hidup.
Menurut L. E. Rodin dan N. I. Bazilevich (1965), kitaran penuh kitaran biologi unsur di darat terdiri daripada komponen berikut:
1. Penyerapan karbon oleh tumbuhan dari atmosfera, dan nitrogen, unsur abu dan air dari tanah, penetapannya dalam badan organisma tumbuhan, kemasukan ke dalam tanah dengan tumbuhan mati atau bahagiannya, penguraian sampah dan pembebasan unsur terkandung di dalamnya.
2. Memakan bahagian tumbuhan oleh haiwan yang memakannya, mengubahnya dalam badan haiwan menjadi sebatian organik baru dan menetapkan sebahagian daripadanya dalam organisma haiwan, kemasukan seterusnya ke dalam tanah dengan najis haiwan atau dengan mayatnya, penguraian kedua-duanya dan pelepasan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya.
3. Pertukaran gas antara tumbuhan dan atmosfera (termasuk udara tanah).
4. Rembesan seumur hidup beberapa unsur oleh organ tumbuhan di atas tanah dan sistem akarnya terus ke dalam tanah.
Struktur biosfera dalam bentuk yang paling umum mewakili dua kompleks semula jadi terbesar peringkat pertama - benua dan lautan. Dalam era moden, tanah secara keseluruhan adalah sistem eluvial, lautan sistem akumulatif. Sejarah "hubungan geokimia" antara lautan dan daratan tercermin dalam komposisi kimia tanah dan perairan lautan. Unsur-unsur yang menjadi asas kehidupan - Si, Al, Fe, Mn, C, P, N, Ca, K - terkumpul di dalam tanah, dan H, O, Na, Cl, S, Mg - membentuk asas kimia bagi lautan.
Tumbuhan, haiwan dan litupan tanah di bumi membentuk sistem yang kompleks. Dengan mengikat dan mengagihkan semula tenaga suria, karbon atmosfera, lembapan, oksigen, hidrogen, nitrogen, fosforus, sulfur, kalsium dan unsur biofilik lain, sistem ini sentiasa membentuk biojisim baharu dan menjana oksigen bebas.
Di lautan, terdapat sistem kedua (tumbuhan dan haiwan akuatik) yang menjalankan fungsi yang sama di planet mengikat tenaga suria, karbon, nitrogen, fosforus dan biofil lain melalui pembentukan phytobiomas dan pembebasan oksigen ke atmosfera.
Anda sudah tahu bahawa terdapat tiga bentuk pengumpulan dan pengagihan semula tenaga kosmik (terutamanya tenaga Matahari) dalam biosfera.
Intipati yang pertama daripada mereka adalah ini. Bahawa organisma hidup, dan melalui rantai makanan dan haiwan serta bakteria yang berkaitan, membina tisu mereka menggunakan banyak unsur kimia dan sebatian mereka. Antara yang paling penting ialah makroelemen - H, O, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn, serta unsur mikro I, Co, Cu, Zn, Mo, dll. Dalam kes ini , pemilihan isotop cahaya terpilih berlaku karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen dan sulfur daripada yang lebih berat.
Sepanjang hayat mereka dan walaupun selepas kematian, organisma hidup tanah, air dan udara berada dalam keadaan pertukaran berterusan dengan alam sekitar. Dalam kes ini, jumlah jisim dan isipadu produk metabolisme intravital organisma dan persekitaran (metabolit) adalah beberapa kali lebih tinggi daripada biojisim bahan hidup.
Unsur-unsur kitaran biogeokimia ialah komponen berikut:
1. Proses kemasukan tenaga, pembentukan dan sintesis sebatian baru yang berterusan atau kerap berulang.
2. Proses pemindahan atau pengagihan semula tenaga yang berterusan atau berkala dan proses penyingkiran dan pergerakan arah sebatian tersintesis di bawah pengaruh agen fizikal, kimia dan biologi.
3. Mengarahkan proses berirama transformasi berjujukan: penguraian, pemusnahan sebatian yang disintesis sebelum ini di bawah pengaruh pengaruh persekitaran biogenik dan abiogenik.
4. Pembentukan berterusan atau berkala bagi komponen mineral atau organomineral yang paling ringkas dalam keadaan gas, cecair atau pepejal, yang memainkan peranan komponen awal untuk kitaran bahan baru yang tetap.
Biologi disebabkan oleh aktiviti penting organisma (pemakanan, sambungan makanan, pembiakan, pertumbuhan, pergerakan produk metabolik, kematian, penguraian, mineralisasi)
Parameter mandatori yang diambil kira semasa mengkaji kitaran biogeokimia adalah penunjuk utama berikut:
1. Jumlah biojisim dan peningkatan sebenar (phyto-, zoo-, jisim mikrob secara berasingan).
2. Sampah organik (kuantiti, komposisi)
3. Bahan organik tanah (humus, sisa organik yang tidak terurai).
4. Komposisi bahan asas tanah, air, udara, pemendakan, pecahan individu biojisim.
5. Rizab tenaga biogenik di atas tanah dan bawah tanah.
6. Metabolit seumur hidup
7. Bilangan spesies organisma hidup, bilangan mereka, komposisi
8. Jangka hayat organisma setiap spesies, dinamik hidup populasi organisma hidup dan tanah.
9. Persekitaran ekologi dan meteorologi: latar belakang dan penilaian campur tangan manusia.
10. Ciri-ciri pelbagai landskap dan unsur-unsurnya.
11. Jumlah bahan pencemar, sifat kimia, fizikal, biologinya.
Kepentingan individu unsur kimia tertentu dinilai oleh pekali penyerapan biologi, yang ditentukan oleh nisbah kandungan unsur dalam abu tumbuhan (mengikut berat) kepada kandungan unsur yang sama dalam tanah (atau dalam kerak bumi).
Pada tahun 1966, V. A. Kovda mencadangkan menggunakan nisbah phytobiomas yang direkodkan kepada peningkatan fotosintesis tahunan dalam phytomass untuk mencirikan tempoh purata kitaran karbon am. Pekali ini mencirikan purata tempoh kitaran keseluruhan sintesis-pemineralan biojisim di kawasan tertentu (atau di darat secara umum). Pengiraan telah menunjukkan bahawa bahagian tanah secara amnya kitaran ini sesuai dengan tempoh dari 300-400 hingga 1000 tahun. Sehubungan itu, pada kelajuan purata ini, pembebasan sebatian mineral yang terikat dalam biojisim berlaku, pembentukan dan mineralisasi humus di dalam tanah.
Untuk penilaian umum tentang kepentingan biogeokimia komponen mineral bahan hidup biosfera, V. A. Kovda mencadangkan untuk membandingkan rizab bahan mineral biojisim, serta jumlah bahan mineral setiap tahun yang terlibat dalam peredaran dengan pertumbuhan dan sampah. , dengan larian kimia tahunan sungai. Ternyata nilai-nilai ini boleh dibandingkan. Ini bermakna bahawa kebanyakan bahan yang terlarut dalam perairan sungai melalui kitaran biologi sistem tumbuhan-tanah, sebelum ia bergabung dengan migrasi geokimia dengan air ke arah lautan atau lekukan pedalaman.
Ternyata indeks kitaran biogeokimia sangat berbeza dalam keadaan iklim yang berbeza, di bawah perlindungan komuniti tumbuhan yang berbeza, di bawah keadaan saliran semula jadi yang berbeza, oleh itu N. I. Bazilevich dan L. E. Rodin mencadangkan pengiraan pekali tambahan yang mencirikan keamatan penguraian sampah dan tempoh pengawetan sampah dalam keadaan biogeocenosis tertentu, sama dengan nisbah jisim sampah kepada jisim sampah tahunan. Menurut penyelidik ini, indeks penguraian phytomass paling besar di tundra dan paya di utara, dan yang paling rendah (kira-kira 1) di padang rumput dan separa gurun.
B. B. Polynov mencadangkan pengiraan indeks migrasi air sama dengan nisbah jumlah unsur dalam sisa mineral sungai atau air bawah tanah yang tersejat kepada kandungan komponen kimia yang sama dalam batuan (atau kerak bumi). Pengiraan indeks migrasi air menunjukkan bahawa migran yang paling banyak bergerak dalam biosfera ialah klorin, sulfur, boron, bromin, iodin, kalsium, natrium, magnesium, fluorin, strontium, zink, uranium, dan molibdenum. Paling tidak mudah alih ialah silikon, aluminium, besi, kalium, fosforus, barium, mangan, rubidium, kuprum, nikel, kobalt, arsenik, litium.
Kitaran biogeokimia yang tidak terganggu hampir bulat, i.e. watak yang hampir terpelihara. Tahap pembiakan (pengulangan) kitaran dalam alam semula jadi sangat tinggi (menurut V.A. Kovda - 90-98%). Oleh itu, ketekalan tertentu komposisi, kuantiti dan kepekatan komponen yang terlibat dalam kitaran dikekalkan. Tetapi penutupan kitaran biogeokimia yang tidak lengkap, seperti yang akan kita lihat nanti, mempunyai kepentingan geokimia yang sangat penting dan menyumbang kepada evolusi biosfera. Inilah sebabnya mengapa terdapat pengumpulan biogenik oksigen di atmosfera, pengumpulan biogenik dan kemogenik sebatian karbon dalam kerak bumi (minyak, arang batu, batu kapur)
Mari kita lihat lebih dekat pada parameter utama kitaran biogeokimia di darat.
Kitaran biogeokimia am unsur termasuk kitaran biogeokimia unsur kimia individu. Peranan paling penting dalam fungsi biosfera secara keseluruhan dan geosistem individu pada tahap klasifikasi yang lebih rendah dimainkan oleh kitaran beberapa unsur kimia yang paling diperlukan untuk organisma hidup kerana peranannya dalam komposisi bahan hidup dan proses fisiologi. .
Kitaran bahan dalam biosfera ialah proses kitaran, berulang kali mengulang sendi, transformasi dan pergerakan bahan yang saling berkaitan. Kehadiran kitaran bahan adalah syarat yang diperlukan untuk kewujudan biosfera. Selepas digunakan oleh sesetengah organisma, bahan mesti ditukar kepada bentuk yang boleh diakses oleh organisma lain. Peralihan bahan sedemikian dari satu pautan ke pautan yang lain memerlukan perbelanjaan tenaga, oleh itu ia hanya mungkin dengan penyertaan tenaga suria. Dengan penggunaan tenaga suria, dua kitaran bahan yang saling berkaitan berlaku di planet ini: besar - geologi dan kecil - biologi (biotik).
Kitaran geologi bahan- proses penghijrahan bahan, dijalankan di bawah pengaruh faktor abiotik: luluhawa, hakisan, pergerakan air, dll. Organisma hidup tidak mengambil bahagian di dalamnya.
Dengan kemunculan bahan hidup di planet ini, kitaran biologi (biotik).. Semua organisma hidup mengambil bahagian di dalamnya, menyerap beberapa bahan dari persekitaran dan melepaskan yang lain. Sebagai contoh, dalam proses kehidupan, tumbuhan menggunakan karbon dioksida, air, dan mineral dari alam sekitar dan membebaskan oksigen. Haiwan menggunakan oksigen yang dikeluarkan oleh tumbuhan untuk pernafasan. Mereka makan tumbuhan dan, sebagai hasil daripada pencernaan, mengasimilasikan bahan organik yang terbentuk semasa fotosintesis. Mereka membebaskan karbon dioksida dan sisa makanan yang tidak tercerna. Selepas tumbuhan dan haiwan mati, mereka membentuk jisim bahan organik mati (detritus). Detritus tersedia untuk penguraian (pemineralan) oleh kulat dan bakteria mikroskopik. Hasil daripada aktiviti penting mereka, jumlah tambahan karbon dioksida memasuki biosfera. Dan bahan organik ditukar kepada komponen bukan organik asal - biogen. Sebatian mineral yang terhasil, memasuki badan air dan tanah, sekali lagi tersedia untuk tumbuhan untuk penetapan melalui fotosintesis. Proses ini berulang tanpa henti dan bersifat tertutup (peredaran). Sebagai contoh, semua oksigen atmosfera melalui laluan ini dalam kira-kira 2 ribu tahun, dan karbon dioksida mengambil masa kira-kira 300 tahun untuk melakukan ini.
Tenaga yang terkandung dalam bahan organik berkurangan apabila ia bergerak melalui rantai makanan. Kebanyakannya dilesapkan dalam persekitaran dalam bentuk haba atau dibelanjakan untuk mengekalkan proses penting organisma. Contohnya, mengenai pernafasan haiwan dan tumbuhan, pengangkutan bahan dalam tumbuhan, serta proses biosintesis organisma hidup. Selain itu, biogen yang terbentuk hasil daripada aktiviti pengurai tidak mengandungi tenaga yang tersedia untuk organisma. Dalam kes ini, kita hanya boleh bercakap tentang aliran tenaga dalam biosfera, tetapi bukan tentang kitaran. Oleh itu, syarat untuk kewujudan biosfera yang mampan ialah peredaran berterusan bahan dan aliran tenaga dalam biogeocenoses.
Kitaran geologi dan biologi bersama-sama membentuk kitaran biogeokimia umum bahan, yang berdasarkan kitaran nitrogen, air, karbon dan oksigen.
Kitaran nitrogen
Nitrogen adalah salah satu unsur yang paling biasa dalam biosfera. Sebahagian besar nitrogen biosfera terdapat di atmosfera dalam bentuk gas. Seperti yang anda ketahui daripada kursus kimia, ikatan kimia antara atom dalam nitrogen molekul (N 2) adalah sangat kuat. Oleh itu, kebanyakan organisma hidup tidak dapat menggunakannya secara langsung. Oleh itu, peringkat penting dalam kitaran nitrogen ialah penetapan dan penukarannya kepada bentuk yang boleh diakses oleh organisma. Terdapat tiga cara penetapan nitrogen.
Penetapan atmosfera. Di bawah pengaruh nyahcas elektrik atmosfera (kilat), nitrogen boleh bertindak balas dengan oksigen untuk membentuk nitrogen oksida (NO) dan dioksida (NO 2). Nitrik oksida (NO) sangat cepat dioksidakan oleh oksigen dan ditukar kepada nitrogen dioksida. Nitrogen dioksida larut dalam wap air dan memasuki tanah dalam bentuk asid nitrus (HNO 2) dan nitrik (HNO 3) dengan pemendakan. Di dalam tanah, hasil daripada penceraian asid ini, nitrit (NO 2 –) dan ion nitrat (NO 3 –) terbentuk. Ion nitrit dan nitrat sudah boleh diserap oleh tumbuhan dan dimasukkan ke dalam kitaran biologi. Penetapan nitrogen atmosfera menyumbang kira-kira 10 juta tan nitrogen setahun, iaitu kira-kira 3% daripada penetapan nitrogen tahunan dalam biosfera.
Penetapan biologi. Ia dijalankan oleh bakteria pengikat nitrogen, yang menukar nitrogen kepada bentuk yang boleh diakses oleh tumbuhan. Terima kasih kepada mikroorganisma, kira-kira separuh daripada semua nitrogen terikat. Bakteria yang paling terkenal ialah bakteria yang mengikat nitrogen dalam nodul tumbuhan kekacang. Mereka membekalkan nitrogen kepada tumbuhan dalam bentuk ammonia (NH 3). Ammonia sangat larut dalam air untuk membentuk ion ammonium (NH 4 +), yang diserap oleh tumbuhan. Oleh itu, kekacang adalah pendahulu terbaik tanaman yang ditanam dalam penggiliran tanaman. Selepas kematian haiwan dan tumbuhan dan penguraian sisa-sisa mereka, tanah diperkaya dengan sebatian nitrogen organik dan mineral. Seterusnya, bakteria putrefaktif (menguatkan) menguraikan bahan yang mengandungi nitrogen (protein, urea, asid nukleik) tumbuhan dan haiwan kepada ammonia. Proses ini dipanggil ammonifikasi. Kebanyakan ammonia kemudiannya dioksidakan oleh bakteria nitrifikasi kepada nitrit dan nitrat, yang sekali lagi digunakan oleh tumbuhan. Nitrogen dikembalikan ke atmosfera melalui denitrifikasi, yang dijalankan oleh sekumpulan bakteria denitrifikasi. Akibatnya, sebatian nitrogen dikurangkan kepada nitrogen molekul. Sebahagian daripada nitrogen dalam bentuk nitrat dan ammonium memasuki ekosistem akuatik dengan air larian permukaan. Di sini nitrogen diserap oleh organisma akuatik atau memasuki sedimen organik bawah.
Penetapan industri. Sebilangan besar nitrogen ditetapkan setiap tahun secara industri semasa pengeluaran baja nitrogen mineral. Nitrogen daripada baja tersebut diserap oleh tumbuhan dalam bentuk ammonium dan nitrat. Jumlah baja nitrogen yang dihasilkan di Belarus kini adalah kira-kira 900 ribu tan setahun. Pengeluar terbesar ialah OJSC GrodnoAzot. Perusahaan ini mengeluarkan urea, ammonium nitrat, ammonium sulfat dan baja nitrogen lain.
Kira-kira 1/10 nitrogen yang digunakan secara buatan digunakan oleh tumbuhan. Selebihnya masuk ke dalam ekosistem akuatik dengan air larian permukaan dan air bawah tanah. Ini membawa kepada pengumpulan sejumlah besar sebatian nitrogen di dalam air, tersedia untuk diserap oleh fitoplankton. Akibatnya, pembiakan pesat alga (eutrofikasi) dan, akibatnya, kematian dalam ekosistem akuatik adalah mungkin.
Kitaran air
Air adalah komponen utama biosfera. Ia adalah medium untuk pembubaran hampir semua unsur semasa kitaran. Kebanyakan air biosfera diwakili oleh air cair dan air daripada ais kekal (lebih daripada 99% daripada semua rizab air dalam biosfera). Sebahagian kecil air berada dalam keadaan gas - ini adalah wap air atmosfera. Kitaran air biosfera adalah berdasarkan fakta bahawa penyejatannya dari permukaan Bumi diimbangi oleh pemendakan. Apabila air mencapai permukaan tanah dalam bentuk kerpasan, ia menyumbang kepada kemusnahan batu. Ini menjadikan mineral konstituennya tersedia untuk organisma hidup. Ia adalah penyejatan air dari permukaan planet yang menentukan kitaran geologinya. Ia menggunakan kira-kira separuh daripada tenaga suria kejadian. Penyejatan air dari permukaan laut dan lautan berlaku pada kadar yang lebih cepat daripada kembalinya dengan kerpasan. Perbezaan ini diimbangi oleh air larian permukaan dan dalam disebabkan oleh fakta bahawa kerpasan mengatasi penyejatan di benua.
Peningkatan intensiti penyejatan air di darat sebahagian besarnya disebabkan oleh aktiviti penting tumbuhan. Tumbuhan mengeluarkan air dari tanah dan secara aktif memindahkannya ke atmosfera. Sebahagian daripada air dalam sel tumbuhan dipecahkan semasa fotosintesis. Dalam kes ini, hidrogen ditetapkan dalam bentuk sebatian organik, dan oksigen dilepaskan ke atmosfera.
Haiwan menggunakan air untuk mengekalkan keseimbangan osmosis dan garam dalam badan dan melepaskannya ke persekitaran luaran bersama dengan produk metabolik.
Kitaran karbon
Karbon sebagai unsur kimia terdapat di atmosfera sebagai karbon dioksida. Ini menentukan penyertaan mandatori organisma hidup dalam kitaran unsur ini di planet Bumi. Laluan utama karbon melalui sebatian tak organik ke dalam bahan organik, di mana ia merupakan unsur kimia penting, ialah proses fotosintesis. Sebahagian daripada karbon dibebaskan ke atmosfera sebagai karbon dioksida semasa respirasi organisma hidup dan semasa penguraian bahan organik mati oleh bakteria. Karbon yang diserap oleh tumbuhan dimakan oleh haiwan. Selain itu, polip dan moluska karang menggunakan sebatian karbon untuk membina struktur rangka dan cengkerang. Selepas mereka mati dan mendap, mendapan batu kapur terbentuk di bahagian bawah. Oleh itu, karbon boleh dikecualikan daripada kitaran. Penyingkiran karbon dari kitaran untuk jangka masa yang panjang dicapai melalui pembentukan mineral: arang batu, minyak, gambut.
Sepanjang kewujudan planet kita, karbon yang dikeluarkan daripada kitaran telah dikompensasikan oleh karbon dioksida yang memasuki atmosfera semasa letusan gunung berapi dan proses semula jadi yang lain. Pada masa ini, kesan antropogenik yang ketara telah ditambah kepada proses semula jadi penambahan karbon di atmosfera. Contohnya, apabila membakar bahan api hidrokarbon. Ini mengganggu kitaran karbon di Bumi, yang telah dikawal selia selama berabad-abad.
Peningkatan kepekatan karbon dioksida selama satu abad hanya 0.01% telah membawa kepada manifestasi ketara kesan rumah hijau. Purata suhu tahunan di planet ini meningkat sebanyak 0.5 °C, dan paras Lautan Dunia meningkat hampir 15 cm Menurut saintis, jika purata suhu tahunan meningkat sebanyak 3-4 °C lagi, ais kekal akan mula menjadi. cair. Pada masa yang sama, paras Lautan Dunia akan meningkat sebanyak 50-60 cm, yang akan membawa kepada banjir sebahagian besar tanah. Ini dianggap sebagai bencana alam sekitar global, kerana kira-kira 40% penduduk Bumi tinggal di wilayah ini.
Kitaran oksigen
Dalam fungsi biosfera, oksigen memainkan peranan yang sangat penting dalam proses metabolik dan pernafasan organisma hidup. Penurunan jumlah oksigen di atmosfera akibat daripada proses respirasi, pembakaran bahan api dan pereputan dikompensasikan oleh oksigen yang dikeluarkan oleh tumbuhan semasa fotosintesis.
Oksigen terbentuk dalam atmosfera utama Bumi semasa ia menjadi sejuk. Oleh kerana kereaktifannya yang tinggi, ia berpindah dari keadaan gas ke dalam komposisi pelbagai sebatian tak organik (karbonat, sulfat, oksida besi, dll.). Atmosfera planet yang mengandungi oksigen hari ini terbentuk secara eksklusif disebabkan oleh fotosintesis yang dijalankan oleh organisma hidup. Kandungan oksigen dalam atmosfera telah meningkat ke paras semasa untuk jangka masa yang lama. Mengekalkan kuantitinya pada tahap yang tetap pada masa ini hanya boleh dilakukan berkat organisma fotosintesis.
Malangnya, dalam beberapa dekad kebelakangan ini, aktiviti manusia, yang membawa kepada penebangan hutan dan hakisan tanah, telah mengurangkan keamatan fotosintesis. Dan ini, seterusnya, mengganggu perjalanan semula jadi kitaran oksigen di kawasan besar Bumi.
Sebahagian kecil oksigen atmosfera terlibat dalam pembentukan dan pemusnahan skrin ozon di bawah pengaruh sinaran ultraungu dari Matahari.
Asas kitaran biogenik bahan adalah tenaga suria. Syarat utama untuk kewujudan biosfera yang mampan ialah peredaran berterusan bahan dan aliran tenaga dalam biogeocenoses. Organisma hidup memainkan peranan utama dalam kitaran nitrogen, karbon dan oksigen. Asas kitaran air global dalam biosfera disediakan oleh proses fizikal.
Kitaran bahan
Aliran migrasi kecil unsur kimia antara organisma yang saling berkaitan dan antara organisma dan persekitarannya berkembang menjadi kitaran yang lebih besar - gyres. Kitaran inilah yang menyokong tempoh dan keteguhan kewujudan kehidupan, kerana tanpanya, walaupun pada skala seluruh Bumi, rizab unsur-unsur yang diperlukan akan segera habis.
Kitaran biologi (biotik)- fenomena pengagihan semula bahan, tenaga 1 dan maklumat yang berterusan, kitaran, semula jadi, tetapi tidak sekata dalam masa dan ruang dalam sistem ekologi pelbagai peringkat hierarki organisasi - daripada biogeocenosis ke biosfera. Peredaran bahan pada skala keseluruhan biosfera dipanggil bulatan besar, dan dalam biogeocenosis tertentu - bulatan kecil pertukaran biotik. Sebahagian daripada kitaran biologi, yang terdiri daripada kitaran karbon, air, nitrogen, fosforus, sulfur dan nutrien lain, dipanggil kitaran biogeokimia.
Sejumlah bahan tertentu boleh meninggalkan kitaran biologi buat sementara waktu (mendap di dasar lautan, laut, jatuh ke dalam kedalaman kerak bumi, dsb.). Walau bagaimanapun, akibat daripada proses tektonik dan geologi (aktiviti gunung berapi, naik turun kerak bumi, perubahan dalam sempadan antara tanah dan air, dsb.), batuan sedimen sekali lagi termasuk dalam kitaran yang dipanggil kitaran geologi atau peredaran.
Kitaran bahan daripada pengeluar kepada pengguna pelbagai peringkat, kemudian kepada pengurai, dan daripada mereka sekali lagi kepada pengeluar tidak ditutup sepenuhnya. Sekiranya ekosistem ditutup sepenuhnya, maka tidak akan ada perubahan dalam persekitaran hidup, tidak akan ada tanah, batu kapur dan batu lain yang berasal dari biogenik. Oleh itu, kitaran biotik boleh digambarkan secara konvensional sebagai cincin terbuka. Kehilangan jirim akibat kitaran terbuka adalah minimum dalam biosfera (ekosistem terbesar di planet ini). Maklumat dalam ekosistem hilang dengan kematian spesies dan penyusunan semula genetik yang tidak dapat dipulihkan.
Oleh itu, setiap ekosistem mengekalkan kewujudannya disebabkan oleh kitaran nutrien dan kemasukan tenaga suria yang berterusan. Kitaran tenaga dalam ekosistem boleh dikatakan tidak wujud, kerana ia (tenaga) kembali daripada pengurai kepada pengguna dalam kuantiti yang sedikit. Adalah dipercayai bahawa pekali kitaran tenaga tidak melebihi 0.24%. Tenaga boleh terkumpul, disimpan (iaitu, ditukar kepada bentuk yang lebih cekap) dan dipindahkan dari satu bahagian sistem ke bahagian lain, tetapi ia tidak boleh digunakan semula, seperti air dan mineral. Setelah berpindah dari loji pengeluar melalui pengguna kepada pengurai, tenaga dibawa ke dekat Bumi dan angkasa lepas. Apabila bergerak melalui ekosistem, aliran tenaga terutamanya mempengaruhi biocenosisnya, jadi ia telah dibincangkan secara terperinci sebelum ini.