Біологічний (малий) кругообіг - циркуляція речовин між рослинами, тваринним світом, мікроорганізмами та ґрунтом. Основа його - фотосинтез, тобто перетворення зеленими рослинами та особливими мікроорганізмами променистої енергії Сонця на енергію хімічних зв'язків органічних речовин. Фотосинтез зумовив появу Землі кисню з допомогою зелених організмів, озонового шару та умов біологічної еволюції.[ ...]
Малий біологічний кругообіг речовин має особливо велике значення в ґрунтоутворенні, оскільки саме взаємодія біологічного і геологічного кругообігу лежить в основі ґрунтоутворювального процесу.
Кругообіг азоту в даний час піддається сильному впливу з боку людини. З одного боку, масове виробництво азотних добрив та їх використання призводять до надмірного накопичення нітратів. Азот, що надходить на поля у вигляді добрив, втрачається через відчуження врожаю, вилуговування та денітрифікацію. З іншого боку, при зниженні швидкості перетворення аміаку на нітрати амонійні добрива накопичуються у ґрунті. Можливе придушення діяльності мікроорганізмів внаслідок забруднення ґрунту відходами промисловості. Проте ці процеси носять досить локальний характер. Набагато більше значення має надходження оксидів азоту в атмосферу при спалюванні палива на теплоелектростанціях та на транспорті. Азот, "фіксований" у промислових викидах, токсичний, на відміну від азоту біологічної фіксації. При природних процесах оксиди азоту з'являються в атмосфері в малих кількостях як проміжні продукти, але в містах і промислових районах їх концентрації стають небезпечними. Вони дратують органи дихання. а під впливом ультрафіолетового випромінювання виникають реакції між оксидами азоту і вуглеводнями з утворенням високотоксичних і канцерогенних сполук.
Кругообіги як форма переміщення речовини притаманні і біострому, але тут вони набувають своїх особливостей. Горизонтальний кругообіг представлений тріадою: народження - розмноження - загибель (розкладання); вертикальний – процесом фотосинтезу. І той і інший у формулюванні А. І. Перельмана (1975) знаходять єдність у малому біологічному кругообігу: «... хімічні елементи в ландшафті здійснюють кругообіги, в ході яких багаторазово вступають у живі організми («організуються») і виходять з них ( «мінералізуються»)»2. [...]
Кругообіг біологічний (біотичний) - явище безперервного, циклічного, закономірного, але нерівномірного у часі та просторі перерозподілу речовини, енергії1 та інформації в межах екологічних систем різного ієрархічного рівня організації - від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин у масштабах усієї біосфери називають великим колом (рис. 6.2), а в межах конкретного біогеоценозу - малим колом біотичного обміну.
Будь-який біологічний кругообіг характеризується багаторазовим включенням атомів хімічних елементів у тіла живих організмів і виходом їх у навколишнє середовище, звідки вони знову захоплюються рослинами та залучаються до кругообігу. Малий біологічний кругообіг характеризується ємністю - кількістю хімічних елементів, що знаходяться одночасно у складі живої речовини в даній екосистемі, і швидкістю - кількістю живої речовини, що утворюється та розкладається в одиницю часу.
В основі малого біологічного круговороту речовин лежать процеси синтезу та руйнування органічних сполук за участю живої речовини. На відміну від великого малий кругообіг характеризується незначною кількістю енергії.
Навпаки, біологічний кругообіг речовини проходить у межах населеної біосфери і втілює в собі унікальні властивості живої речовини планети. Будучи частиною великого, малий кругообіг здійснюється на рівні біогеоценозу, він полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла та життєві процеси як їх самих, так і організмів – консументів. Продукти розкладання органічної речовини ґрунтовою мікрофлорою та мезофауною (бактерії, гриби, молюски, черв'яки, комахи, найпростіші та ін.) знову розкладаються до мінеральних компонентів, знову-таки доступних рослинам і тому знову залучаються ними в потік речовини.
Описаний кругообіг речовин на Землі, що підтримується сонячною енергією, - кругова циркуляція речовин між рослинами, мікроорганізмами, тваринами та іншими живими організмами - називається біологічним кругообігом речовин, або малим кругообігом. Час повного обміну речовини за малим кругообігом залежить від маси цієї речовини та інтенсивності процесів її просування за циклом і оцінюється в кілька сотень років.
Існують великий і малий - (біологічний) круговороти речовини в природі, кругообіг води.
Незважаючи на відносно малу товщину шару водяної пари в атмосфері (0,03 м), саме атмосферна волога відіграє основну роль у циркуляції води та її біогеохімічному кругообігу. Загалом для всієї земної кулі існує одне джерело припливу води – атмосферні опади – та одне джерело витрати – випаровування, що становить 1030 мм на рік. У життєдіяльності рослин величезна роль води належить здійсненню процесів фотосинтезу (найважливіша ланка біологічного круговороту) та транспірації. Сумарне випаровування, або маса води, деревної або трав'янистої рослинністю, що випаровується, поверхнею грунту, відіграє важливу роль у кругообігу води на континентах. Ґрунтові води, проникаючи крізь тканини рослин у процесі транспірації, привносять мінеральні солі, необхідних життєдіяльності самих растений.[ ...]
На основі великого геологічного круговороту виник кругообіг органічних речовин - малий, в основі якого лежать процеси синтезу та руйнування органічних сполук. Ці два процеси забезпечують життя Землі. Енергія біологічного круговороту складає всього 1% уловленої Землею сонячної енергії, але саме вона здійснює величезну роботу з творення живої речовини.
Сонячна енергія забезпечує на Землі два круговороти речовин: геологічний, або великий, і малий, біологічний (біотичний).
Дестабілізація процесу нітрифікації порушує надходження в біологічний кругообіг нітратів, кількість яких визначає реакцію у відповідь на зміну довкілля у комплексу денітрифікаторів. Ферментні системи денітрифікаторів зменшують швидкість повного відновлення, слабше залучаючи закис азоту до кінцевого етапу, здійснення якого потребує значних енергетичних витрат. В результаті цього вміст закису азоту в надґрунтовій атмосфері еродованих екосистем досягало 79 - 83% (Косінова та ін, 1993). Відчуження частини органічних речовин із чорноземів під впливом ерозії відбивається на поповненні азотного фонду в ході фото- та гетеротрофної фіксації азоту: аеробної та анаеробної. На перших етапах ерозії швидкими темпами йде придушення саме анаеробної азотфіксації через параметри лабільної частини органічної речовини (Хазієв, Багаутдінов, 1987). Активність ферментів інвертази та каталази у сильнозмитих чорноземах порівняно з незмитими зменшилася більш ніж на 50%. У сірих лісових ґрунтах у міру збільшення їхньої змитості найбільш різко знижується інвертазна активність. Якщо в слабозмитих грунтах відзначається поступове згасання активності з глибиною, то в сильнозмитих вже в підорному шарі інвертазна активність дуже мала або не виявляється. Останнє пов'язане з виходом на денну поверхню ілювіальних горизонтів із вкрай низькою активністю ферменту. За активністю фосфатази та, особливо, каталази чітко вираженої залежності від ступеня змитості ґрунтів не спостерігалося (Лічко, 1998).
Геохімія ландшафту розкриває прихований, найбільш глибинний бік малого географічного круговороту речовини та енергії. Поняття малого географічного круговороту ще недостатньо розроблено у фізичній географії. У загальному вигляді його можна представити у вигляді багатострунного не цілком замкнутого кругового потоку, що складається з тепла, що надходить і випромінюється, біологічного кругообігу хімічних елементів, малого круговороту води (опади - випаровування, наземний і підземний стік і приплив), еолової міграції - привносячи мінеральної речовини.
Ослаблення дернового процесу ґрунтоутворення обумовлено низькою інтенсивністю біологічного круговороту, малою продуктивністю рослинності. Щорічний опад при загальній біомасі біля Ют/га вбирається у 0,4-0,5т/га. Переважна більшість опада представлена кореневими залишками. До біологічного кругообігу залучається близько 70 кг/га азоту та 300 кг/га зольних елементів.
Вологі тропічні ліси - це досить древні кліматичні екосистеми, в яких кругообіг поживних речовин доведений до досконалості - вони мало губляться і негайно надходять у біологічний кругообіг, що здійснюється мутуалістичними організмами і неглибокими, переважно повітряними, з потужною мікоризою, кореня. Саме завдяки цьому на мізерних ґрунтах так пишно ростуть ліси.
Формування хімічного складу грунту здійснюється під впливом великого геологічного та малого біологічного круговороту речовин у природі. Найбільш легко з ґрунту виносяться такі елементи, як хлор, бром, йод, сірка, кальцій, магній, натрій.
Через високу активність біогеохімічних процесів і колосальних обсягів і масштабів обороту речовин біологічно значущі хімічні елементи перебувають у постійному циклічному русі. За деякими підрахунками, якщо прийняти, що біосфера існує щонайменше 3,5-4 млрд. років, вся вода Світового океану пройшла через біогеохімічний цикл щонайменше 300 раз, а вільний кисень атмосфери - щонайменше 1 млн. раз. Кругообіг вуглецю відбувається за 8 років, азоту за 110 років, кисню за 2500 років. Основна маса вуглецю, зосереджена в карбонатних відкладеннях дна океану (1,3 х 1016 т), інших кристалічних гірських породах (1 х 1016 т), кам'яному куті та нафті (0,34 х 1016 т), бере участь у великому кругообігу. Вуглець, що міститься в рослинних (5 х 10м т) і тваринних тканинах (5 х 109 т), бере участь у малому кругообігу (біогеохімічному циклі).
Однак на суші, на додаток до осадів, що приносять з океану, відбувається випаровування і опади по замкнутому на суші кругообігу води. Якби не існувало біоти континентів, то ці додаткові опади суші були б набагато менше опадів, що прийшли з ОК6Е. Тільки утворення рослинного покриву та ґрунту призводить до великої величини випаровування з поверхні суші. При утворенні рослинного покриву відбувається накопичення води у ґрунті, рослинах та континентальній частині атмосфери, що призводить до збільшення замкнутого круговороту на суші. В даний час опади на суші в середньому втричі перевищують річковий стік. Отже, лише одна третина опадів приноситься з океану і понад дві третини забезпечуються замкнутим кругообігом води на суші. Таким чином, вода на суші стає біологічно накопичуваною, головна частина водного режиму суші формується біотою і може регулюватися біологічно.
Виявити деякі головні особливості прояви першої та другої сил зручно, виходячи з уявлення про дію на Землі кругообігів речовини: великого - геологічного (геокруговорот) і малого - біологічного (біокруго злодій від).
Рослинні угруповання південної тайги більш стійкі до хімічного забруднення порівняно з спільнотами північної тайги. Мала стійкість північнотаїжних ценозів обумовлена їх незначною видовою різноманітністю та більш простою будовою, наявністю чутливих до хімічного забруднення видів (мохи та лишайники), малою продуктивністю та ємністю біологічного круговороту, меншою здатністю до відновлення.
Однак будь-яка екосистема, незалежно від розміру, включає живу частину (біоценоз) та її фізичне, тобто неживе, оточення. При цьому малі екосистеми входять до складу все більших, аж до глобальної екосистеми Земля. Аналогічно загальний біологічний кругообіг речовини на планеті також складається з взаємодії безлічі дрібніших, приватних кругообігів.
Ґрунт є невід'ємним компонентом наземних біогеоценозів. Вона здійснює сполучення (взаємодія) великого геологічного та малого біологічного кругообігу речовин. Грунт - унікальне гГо складності речовинного складу природне освіту. Речовина грунту представлена чотирма фізичними фазами: твердою (мінеральні та органічні частинки), рідкою (ґрунтовий розчин), газоподібною (ґрунтове повітря) та живою (організми). Для грунтів характерна складна просторова організація та диференціація ознак, властивостей та процесів.
Згідно з першим слідством, ми можемо розраховувати лише на маловідходне виробництво. Тому першим етапом розвитку технологій має бути їх мала ресурсомісткість (як на вході, так і на виході - економність та незначні викиди), другим етапом буде створення циклічності виробництв (відходи одних можуть бути сировиною для інших) та третім - організація розумного поховання неминучих залишків та нейтралізація непереборних енергетичних відходів. Уявлення, ніби біосфера працює за принципом безвідходності, помилково, тому що в ній завжди накопичуються речовини, що вибувають з біологічного круговороту, формують осадові породи.
Сутність ґрунтоутворення за В. Р. Вільямсом визначається як діалектична взаємодія процесів синтезу та розкладання органічної речовини, що протікає в системі малого біологічного круговороту речовин.
На різних етапах розвитку біосфери процеси у ній були однаковими, незважаючи на те, що йшли за аналогічними схемами. Наявність яскраво вираженого кругообігу речовин, згідно із законом глобального замикання біогеохімічного круговороту, є обов'язковою властивістю біосфери будь-якого етапу її розвитку. Ймовірно, це незаперечний закон її існування. Слід особливо звернути увагу до збільшення частки біологічного, а чи не геохімічного, компонента у замиканні біогеохімічного круговороту речовин. Якщо на перших етапах еволюції переважав загальнобіосферний цикл - велике біосферне коло обміну (спочатку тільки в межах водного середовища, а потім розділене на два підцикли - суші та океану), то надалі він став дробитися. Замість щодо гомогенної біоти з'явилися і дедалі глибше диференціювалися екосистеми різного рівня ієрархії та географічної дислокації. Набули важливого значення малі, біогеоценотичні, обмінні кола. Виник так званий «обмін обмінів» - струнка система біогеохімічних кругообігів з високим значенням біотичної складової.
У середніх широтах надходження енергії від Сонця дорівнює 48-61 тис. ГДЖ/га на рік. При внесенні додаткової енергії більше 15 ГДЖ/га на рік виникають несприятливі для середовища процеси - ерозія та дефляція ґрунтів, замулення та забруднення малих річок, етрофікація водойм, порушення біологічного круговороту в екосистемах.
Для східно-сибірської області характерні суворі малосніжні зими і випадання переважно літніх опадів, промивають грунтову товщу. В результаті в східно-сибірських чорноземах має місце періодичний промивний режим. Біологічний кругообіг пригнічений низькими температурами. Внаслідок цього вміст гумусу в забайкальських чорноземах невеликий (4-9%) і потужність гумусового горизонту мала. Зміст карбонатів дуже незначний або їх зовсім немає. Тому чорноземи східно-сибірської фуппи називають малокарбонатні і безкарбонатні (наприклад, чорноземи вилужені малокарбонатні або безкарбонатні, чорноземи звичайні малокарбонатні).
Більшість другорядних елементів у концентраціях, звичайних багатьом природних екосистем, майже впливають на організми, можливо, оскільки організми до них адаптувалися. Таким чином, міграції цих елементів мало цікавили нас, якби в довкілля не надто часто потрапляли побічні продукти гірничодобувної промисловості, різних виробництв, хімічної промисловості та сучасного сільського господарства, продукти, що містять високі концентрації важких металів, отруйні органічні сполуки та інші потенційно небезпечні речовини . Навіть дуже рідкісний елемент, якщо він вноситься в середу у формі високотоксичної сполуки металу або радіоактивного ізотопу, може набути важливого біологічного значення, тому що навіть невелика (з геохімічної точки зору) кількість такої речовини здатна мати виражений біологічний ефект.
Хімічна природа вітамінів та інших стимулюючих зростання органічних сполук, а також потреба в них людини та свійських тварин відомі давно; проте дослідження цих речовин лише на рівні екосистеми лише почалося. Вміст органічних поживних речовин у воді або ґрунті так мало, що їх слід було б назвати «поживними мікро-мікроелементами» на відміну від «поживних макроелементів», таких, як азот, та «поживних мікроелементів», таких, як «слідові» метали (див. . Нерідко єдиним способом виміряти їх вміст є біологічна проба: використовуються спеціальні штами мікроорганізмів, інтенсивність зростання яких пропорційна концентрації органічних поживних речовин. Як підкреслювалося в попередньому розділі, про роль тієї чи іншої речовини та швидкість її потоку не завжди можна судити з його концентрації. Зараз стає зрозумілим, що органічні поживні речовини відіграють важливу роль у метаболізмі співтовариства і що вони можуть бути лімітуючим фактором. Ця найцікавіша галузь досліджень найближчим часом, безперечно, приверне до себе увагу вчених. Нижче описаний кругообіг вітаміну В12 (кобаламіну), взятий з роботи Провасолі (1963), показує, як мало ми знаємо про кругообіг органічних поживних речовин.
В.Р.Вільямс (1863-1939) розробив вчення про фактори землеробства. Згідно з першим законом землеробства, жоден із факторів життя рослин не може бути замінений іншим. І, крім того, всі фактори життя рослин, безумовно, є рівнозначними (другий закон). Виділимо його важливу ідею про те, що ґрунт – це результат взаємодії малого – біологічного та великого – геологічного круговороту речовини.
Свої положення в галузі генетичного ґрунтознавства та вивчення родючості ґрунтів В. Р. Вільямс тісно пов'язував із практичними питаннями сільського господарства та поклав їх в основу травопольної системи землеробства. Найбільш важливі та оригінальні погляди були висловлені В. Р. Вільямсом про роль живих організмів у ґрунтоутворенні, про сутність ґрунтоутворювального процесу та природу окремих конкретних процесів, про малий біологічний кругообіг речовин, про родючість ґрунтів, ґрунтовий гумус та структуру ґрунтів.
Ці підходи співвідносяться по суті як стратегія та тактика, як вибір довготривалої поведінки та заходи першочергових рішень. Вони не можуть бути роз'єднані: забруднення навколишнього середовища людини завдає шкоди іншим організмам і живій природі в цілому, а деградація природних систем послаблює їх здатність до природного очищення середовища. Але завжди слід розуміти, що зберегти якість навколишнього середовища неможливо без участі природних екологічних механізмів. Навіть якщо ми освоїмо мало забруднюючі технології, ми нічого не досягнемо, якщо одночасно не перестанемо заважати природі регулювати склад середовища, очищувати його і робити придатним для життя. Найчистіші технології та найдосконаліші середоохоронні пристрої не врятують нас, якщо триватиме вирубка лісів, зменшуватиметься різноманітність біологічних видів, порушуватиметься кругообіг речовин у природі. Слід підкреслити, що з екологічного погляду концепція «охорони» хибна від початку, оскільки діяльність слід будувати в такий спосіб, ніж допускати, запобігати всіх ефектів і результати, яких потім довелося б «охороняти».[ ...]
Близько 99 % усієї речовини в біосфері трансформовано живими організмами, причому сумарна біомаса живої речовини Землі оцінюється лише у 2,4 1012 т сухої речовини, що становить 10“9 частину маси Землі. Щорічне відтворення біомаси становить близько 170 млрд. т сухої речовини. Повна біомаса рослинних організмів у 2500 разів більша, ніж у тварин, але видова різноманітність зоосфери у 6 разів багатша, ніж фітосфери. Якщо викласти всі живі організми в один шар, то на поверхні Землі утворився б біологічний покрив завтовшки всього 5 мм. Незважаючи на малі розміри біоти, саме вона визначає локальні умови на поверхні земної кори. Її існування відповідальне за появу в атмосфері вільного кисню, формування грунтів та кругообігу елементів у природі.
Гриби ми вже описували вище, і власне грибом ми називаємо його плодове тіло, проте це лише частина величезного організму. Це велика мережа мікроскопічних волокон (рифів), яка називається міцелієм (грибницею) і пронизує детрит, в основному деревину, листяний опад і т.п. поступово грибниця повністю розкладає валежну деревину. Цікаво, як пише Б. Небел (1993), що можна знаходити гриби на неорганічному грунті, оскільки їх міцелій здатний витягувати з її товщі навіть дуже малі за концентрацією органічні речовини. Подібним чином функціонують і бактерії, але вже на мікроскопічному рівні. Дуже важливою підтримки стійкості біологічного круговороту є здатність грибів і деяких бактерій утворювати величезні кількості спор (репродуктивних клітин). Це мікроскопічні частинки переносяться повітряними потоками в атмосфері на значні відстані, що дозволяє їм поширюватися повсюдно і давати життєздатне потомство будь-якому просторі за наявності оптимальних умов життєдіяльності.
Великий кругообіг речовин у природіобумовлений взаємодією сонячної енергії з глибинною енергією Землі та здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі.
Осадові гірські породи, утворені за рахунок вивітрювання магматичних порід, у рухомих зонах земної кори знову занурюються в зону високих температур та тисків. Там вони переплавляються та утворюють магму – джерело нових магматичних порід. Після підняття цих порід на земну поверхню та дії процесів вивітрювання знову відбувається трансформація їх у нові осадові породи. Новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове, що з часом призводить до дуже значних змін.
Рухаючою силою великого (геологічного) круговоротує екзогенні та ендогеннігеологічні процеси
Ендогенні процеси(Процеси внутрішньої динаміки) відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів, кристалізації гірських порід та ін (наприклад, тектонічні рухи, землетруси, магматизм, метаморфізм).
Екзогенні процеси(Процеси зовнішньої динаміки) протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. Приклади: вивітрювання гірських порід та мінералів, видалення продуктів руйнування з одних ділянок земної кори та перенесення їх на нові ділянки, відкладення та накопичення продуктів руйнування з утворенням осадових порід. До Екз.пр. віднос. геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, а також живих організмів та людини.
Найбільші форми рельєфу (материки та океанічні западини) і великі форми (гори та рівнини) утворилися за рахунок ендогенних процесів, а середні та дрібні форми рельєфу (річкові долини, пагорби, яри, бархани та ін.), накладені на більші форми – за рахунок екзогенних процесів. Таким чином, ендогенні та екзогенні процеси – протилежні. Перші ведуть до утворення великих форм рельєфу, другі їх згладжування.
Приклади геологічного круговороту.Магматичні гірські породи внаслідок вивітрювання перетворюються на осадові. У рухомих зонах земної кори вони поринають у глиб Землі. Там під впливом високих температур і тисків переплавляються і утворюють магму, яка, піднімаючись на поверхню і застигаючи, утворює магматичні породи.
Прикладом великого круговороту може бути і кругообіг води між сушею і океаном через атмосферу (рис. 2.1).
Мал. 2.1. Загальноприйнята схема гідрологічного (кліматичного)
кругообіг води в природі
Волога, що випарувалася з поверхні Світового океану (на що витрачається майже половина сонячної енергії, що надходить до поверхні Землі), переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку. Кругообіг води відбувається і за більш простою схемою: випаровування вологи з поверхні океану – конденсація водяної пари – випадання опадів на цю ж водну поверхню океану.
Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.
Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.
Сторінка 1
Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у природі) - кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.
Геологічний кругообіг - кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.
Межі геологічного круговороту значно ширші меж біосфери, його амплітуда захоплює верстви земної кори далеко поза біосфери. І, найголовніше, - у процесах зазначеного круговороту живі організми відіграють другорядну роль.
Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.
Найважливішу роль великому циклі геологічного круговороту грають малі цикли речовини, як біосферні, і техносферні, потрапивши у які речовина надовго вимикається з великого геохімічного потоку, трансформуючись у нескінченних циклах синтезу і розкладання.
Найважливішу роль великому циклі геологічного круговороту грають малі цикли речовини, як біосферні, і техносферні, потрапивши у які, речовина надовго вимикається з великого геохімічного потоку, трансформуючись у нескінченних циклах синтезу і розкладання.
Цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругообігу.
Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругообігу. Життя Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються що у малому (біогенному) кругообігу щодо невеликими кількостями вуглецю, що у рослинних (5 10й т) і тварин (5 109 т) тканинах. Однак у час людина інтенсивно замикає він кругообіг речовин, зокрема вуглецю. Так, наприклад, підраховано, що сумарна біомаса всіх свійських тварин уже перевищує біомасу всіх диких наземних тварин. Площі рослин, що культивуються, наближаються до площ природних біогеоценозів, і багато культурних екосистем за своєю продуктивністю, безперервно підвищуваною людиною, значно перевершують природні.
Найбільш масштабним у часі та у просторі є так званий геологічний кругообіг речовин.
Розрізняють 2 типи круговороту речовин у природі: великий або геологічний кругообіг речовин між сушею та океаном; малий чи біологічний - між грунтом та рослинами.
Вода, що видобувається рослиною з ґрунту, в пароподібному стані потрапляє в атмосферу, потім, охолоджуючись, конденсується і знову у вигляді опадів повертається в ґрунт або океан. Геологічний кругообіг води забезпечує механічний перерозподіл, осадження, накопичення твердих опадів на суші та на дні водойм, а також у процесі механічного руйнування грунтів та гірських порід. Однак хімічна функція води здійснюється за участю живих організмів або продуктів їхньої життєдіяльності. Природні води, як і ґрунти, - складна біокісна речовина.
Геохімічна діяльність людини стає порівнянною за масштабами з біологічними та геологічними процесами. У геологічному кругообігу різко зростає ланка денудації.
Чинником, який накладає основний відбиток на загальний характер та біологічний. Разом з тим геологічний кругообіг води безперервно прагне вимити всі ці елементи з товщ рушника суші в басейн океану. Тому збереження елементів їжі рослин у межах суші вимагає звернення їх у абсолютно нерозчинну у воді форму. Цій вимогі відповідає живе органіч.
До виникнення біосфери на Землі були три круговороти речовин: мінеральний кругообіг - переміщення магматичних продуктів з глибин на поверхню та назад; газовий кругообіг - циркуляція повітряних мас, що періодично розігріваються Сонцем,кругообіг води - випаровування води та перенесення її повітряними масами, випадання опадів (дощ, сніг).Ці три кругообігу об'єднують єдиним терміном - геологічний (абіотичний) кругообіг. З появою життя до газового, мінерального та водного кругообігу додався біотичний (біогенний) кругообіг - кругообіг хімічних елементів, що здійснюється життєдіяльністю організмів.Разом з геологічним утворився єдиний біогеохімічний кругообіг речовин Землі.
Геологічний кругообіг.
Близько половини поверхні Землі сонячної енергії витрачається на випаровування води, вивітрювання гірських порід, розчинення мінералів, переміщення повітряних мас і разом з ними парів води, пилу, твердих частинок вивітрювання.
Рух води та вітру призводить до ерозії ґрунтів, переміщення, перерозподілу та накопичення механічних та хімічних опадів у гідросфері та літосфері. Цей кругообіг відбувається і в даний час.
Великий інтерес представляє кругообіг води.З гідросфери за рік випаровується приблизно 3,8 10 14 т води, а повертається з опадами у водну оболонку Землі лише 3,4 10 14 т води. Частина, що бракує, випадає на сушу. Усього опадів на сушу випадає близько 11014 т, а випаровується приблизно 0,6 1014 т води. Надлишки води, що утворюються в літосфері, стікають в озера та річки, а потім у Світовий океан (рис. 2.4). Поверхневий стік дорівнює приблизно 0,2 10 14 т, 0,2 10 14 т води, що залишилися, надходять у підґрунтові водоносні горизонти, звідки вода надходить у річки, озера і океан, а також поповнює резервуари ґрунтових вод.
біотичний кругообіг. В його основі лежать процеси синтезу органічних речовин з подальшим руйнуванням їх на вихідні мінерали. Процеси синтезу та руйнування органічних речовин є фундаментом існування живої речовини та основною особливістю функціонування біосфери.
Життєдіяльність будь-якого організму неможлива без обміну речовин із довкіллям. У процесі обміну організм споживає і засвоює необхідні речовини і виділяє відходи життєдіяльності, розміри нашої планети не нескінченні, і зрештою вся корисна речовина була б перероблена на марні покидьки. Однак у процесі еволюції було знайдено чудовий вихід: окрім організмів, які вміють будувати живу речовину з неживої, з'явилися й інші організми, що розкладають цю складну органічну речовину на вихідні мінерали, готові до нового використання. «Єдиний спосіб надати обмеженій кількості якості нескінченної, - писав В.Р. Вільямс, - це змусити його обертатися замкненою кривою».
Механізм взаємодії живої та неживої природи складається з залучення неживої матерії у сферу життя. Після ряду перетворень неживої матерії в живих організмах відбувається повернення її до попереднього вихідного стану. Такий кругообіг можливий через те, що живі організми містять ті ж хімічні елементи, що й нежива природа.
Як же відбувається такий кругообіг? В. І. Вернадський обґрунтував, що головним перетворювачем енергії, що надходить із космосу (в основному сонячної), є зелена речовина рослин. Тільки вони здатні синтезувати первинні органічні сполуки під впливом сонячної енергії. Вчений підрахував, що загальна площа поверхні зеленої речовини рослин, що поглинає енергію, залежно від пори року становить від 0,86 до 4,2% площі поверхні Сонця. Водночас площа поверхні Землі
Тварини, їжею яких є рослини чи інші тварини, синтезують у своєму організмі нові органічні сполуки.
Останки тварин і рослин служать їжею для черв'яків, грибків і мікроорганізмів, які зрештою перетворюють їх на вихідні мінерали, виділяючи при цьому вуглекислий газ. Ці мінерали знову служать початковою сировиною до створення первинних органічних сполук рослинами. Так коло замикається і починається новий рух атомів.
Водночас кругообіг речовин не є абсолютно замкнутим. Частина атомів виходить із круговороту, закріплюється та організується новими формами живих організмів та продуктів їх життєдіяльності. Проникаючи в літосферу, гідросферу та тропосферу, живі організми виробляли та виробляють величезну геохімічну роботу з переміщення та перерозподілу наявних речовин та створення нових. У цьому вся суть поступального розвитку біосфери, оскільки у своїй розширюється сфера біогеохімічних циклів і зміцнюється біосфера. Як зазначав В. І. Вернадський, у біосфері спостерігається постійний біогенний рух атомів у вигляді «вихорів».
На відміну від геологічного біотичний кругообіг характеризується незначним споживанням енергії. Як зазначалося, створення первинного органічного речовини витрачається близько 1% сонячної енергії, досягає поверхні Землі. Цієї енергії достатньо для функціонування найскладніших біогеохімічних процесів на планеті.
Сторінка 1
Великий геологічний кругообіг залучає осадові породи вглиб земної кори, надовго виключаючи елементи, що містяться в них, з системи біологічного круговороту. У ході геологічної історії перетворені осадові породи, знову опинившись на поверхні Землі, поступово руйнуються діяльністю живих організмів, води та повітря і знову включаються до біосферного кругообігу.
Великий геологічний кругообіг відбувається протягом сотень тисяч чи мільйонів років. Він полягає в наступному: гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання і змиваються потоками води в Світовий океан. Тут вони відкладаються на дні, утворюючи осадові породи, і лише частково повертаються на сушу з організмами, витягнутими з води людиною чи іншими тваринами.
В основі великого геологічного кругообігу лежить процес перенесення мінеральних сполук з одного місця до іншого в масштабі планети без участі живої речовини.
Крім малого круговороту існує великий, геологічний кругообіг. Частина речовин потрапляє в глибинні шари Землі (через донні відкладення морів чи іншим шляхом), де відбуваються повільні перетворення з утворенням різних сполук, мінеральних та органічних. Процеси геологічного круговороту підтримуються переважно внутрішньої енергією Землі, її активного ядра. Ця ж енергія сприяє виходу речовин до Землі. Тим самим великий кругообіг речовин замикається. Він займає мільйони років.
Щодо швидкості і інтенсивності великого геологічного круговороту речовин в даний час не можна привести хоч би будь-які точні дані, існують лише наближені оцінки, і то лише для екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії до земної кори.
Цей вуглець бере участь у великому геологічному кругообігу. Цей вуглець у процесі малого біотичного круговороту підтримує газовий баланс біосфери та життя в цілому.
| Твердий стік деяких річок світу. |
Внесок біосферних та техносферних компонентів у великий геологічний кругообіг речовин Землі дуже суттєвий: відзначається постійно прогресуючий ріст техносферних компонентів за рахунок розширення сфери виробничої діяльності людини.
Оскільки на земній поверхні основний технобйо-геохімічний потік спрямований в рамках великого геологічного кругообігу речовин для 70 % суші в океан і для 30 % - у замкнуті безстічні депресії, але завжди від вищих позначок до нижчих, в результаті дії гравітаційних сил відповідно йде і диференціація речовини земної кори від високих позначок до низьких, від суші до океану. Зворотні потоки (атмосферне перенесення, діяльність людини, тектонічні рухи, вулканізм, міграція організмів) якоюсь мірою ускладнюють цей загальний низхідний рух речовини, створюючи локальні міграційні цикли, але не змінюють його в цілому.
Кругообіг води між сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.
За його формулюванням, біологічний кругообіг речовин розвивається на частині траєкторії великого, геологічного круговороту речовин у природі.
Перенесення речовини поверхневими і підземними водами - це головний за обсягом фактор диференціації суші земної кулі в геохімічному відношенні, але не єдиний, а якщо говорити про великий геологічний кругообіг речовин на земній поверхні в цілому, то в ньому дуже істотну роль відіграють і потоки, зокрема океанічний та атмосферний переноси.
Щодо швидкості й інтенсивності великого геологічного круговороту речовин нині не можна навести хоч би там не було точні дані, існують лише наближені оцінки, і те лише екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії до земної кори. Екзогенна компонента великого геологічного круговороту речовин - це процес денудації земної поверхні, що постійно йде.