Меню

Биогеохимический цикл углерода в условиях современной земли вывод

Экология СПРАВОЧНИК

Информация

Биогеохимические углерода

Биогеохимический круговорот (биогеохимические циклы) — часть биологического круговорота, составленная обменными циклами воды, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других биогенных элементов.[ . ]

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.[ . ]

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.[ . ]

Биогеохимический цикл серы характеризуется обширным резервным фондом в земной коре, и меньшим — в атмосфере (рис. 10.6). В результате слаженного взаимодействия обменного и резервного фондов сера не является лимитирующим фактором. И, наконец, углерод участвует в цикле с небольшим, но весьма подвижным фондом в атмосфере (рис. 10.7). Благодаря буферной системе карбонатного цикла круговорот приобретает устойчивость, но он все-таки уязвим из-за небольшого объема резервного фонда (0,029% С02).[ . ]

Биогеохимический цикл углерода.

КРУГОВОРОТ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ — это перемещения и превращения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие в большей или меньшей степени замкнутые пути были названы В.И.Вернадским “биогеохимическими циклами». Эти циклы можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Во всех биогеохимических циклах активную роль играет живое вещество. По этому поводу В.И.Вернадский (1965, с. 127) писал: “Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени ”. К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов. Ниже рассмотрим в качестве примера основные черты круговорота типичных биофильных элементов (углерода, кислорода и фосфора), играющих существенную роль в жизни биосферы.[ . ]

Круговорот углерода. Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ живых организмов (рис. 12.21).[ . ]

Нормальные биогеохимические циклы не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98 %. Неполная обратимость (незамкну-тость) — одно из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющая планетарное значение. Именно это обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, различных химических элементов и соединений в земной коре. Например, за счет неполной обратимости цикла углерода в течение последних 600 млн. лет накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефти и т.д.), оцениваемые в 1016—1017 т.[ . ]

Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы.[ . ]

Упрощенная схема биогеохимического цикла углерода Цифрами указано количество углерода в миллиардах тонн, цифры у стрелок — годовой перенос углерода в соответствующих направлениях.[ . ]

Из-за высочайшей активности биогеохимических процессов и колоссальных объемов и масштабов оборота веществ биологически значимые химические элементы находятся в постеянном циклическом движении. По некоторым подсчетам, если принять, что биосфера существует не менее чем 3,5—4 млрд. лет, то вся вода Мирового океана прошла через биогеохимический цикл не менее 300 раз, а свободный кислород атмосферы — не менее 1 млн. раз. Круговорот углерода происходит за 8 лет, азота за 110 лет, кислорода за 2500 лет. Основная масса углерода, сосредоточенная в карбонатных отложениях дна океана (1,3 х 1016 т), других кристаллических горных породах (1 х 1016 т), каменном угле и нефти (0,34 х 1016 т), участвует в большом круговороте. Углерод, содержащийся в растительных (5 х 10м т) и животных тканях (5 х 109 т), участвует в малом круговороте (биогеохимическом цикле).[ . ]

Важно отметить, что вещества циркулируют в системе в отличие от энергии. Азот, фосфор, углерод, вода и другие вещества, входящие в состав живого, циркулируют через систему сложным и изменчивым образом. Напротив, энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы. Так, есть, например, цикл азота (это означает, что азот может много раз циркулировать в системе живых и неживых тел), но нет цикла энергии. Жизнь поддерживается постоянным притоком солнечной энергии извне. Если можно измерить поток энергии, то в конце концов можно определить и продуктивность. Как мы увидим, на практике измерить поток энергии не так просто.[ . ]

Читайте также:  Не накормит земля накормит вода

Известно, что для существования жизни на Земле весьма важны биогеохимические циклы органических элементов (биотические циклы). Некоторые из этих элементов нужны живым организмам в макроколичествах (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций), другие — в микроколичествах (сера, бор, цинк, марганец и др.).[ . ]

Часть биологического круговорота, состоящая из круговоротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных веществ, называют биогеохимическим круговоротом.[ . ]

Совокупности популяций различных видов в экосистемах создают устойчивые биогеохимические циклы, благодаря которым поддерживается постоянство современных сред жизни — почвенной, наземной и водной. Экосистемы способны к саморегуляции, восстановлению равновесия численности популяций многих видов, взаимодействующих между собой в биоценозах. Особое значение для гомеостаза экосистем имеют трофические отношения между видами. В природе закономерно сочетаются численности видов, представляющих основные экологические группы организмов: продуцентов (растений), консументов (животных) и редуцентов (бактерий и грибов). Чем более разнообразными видами представлена каждая группа, тем устойчивее экосистема в целом, благодаря взаимозаменяемости видов. В биогеоценозах многообразие биологических видов поддерживает устойчивые круговороты биогенов, химических элементов, входящих в состав живых организмов (кислорода, углерода, водорода, азота, фосфора, кальция, серы и др.), благодаря которым осуществляется усвоение и трансформация солнечной энергии в биосфере, получение ресурсов и переработка отходов.[ . ]

Но результаты человеческой деятельности все чаще и чаще приводят к нарушению биогеохимических циклов биофильных элементов (углерода, кислорода и др.). Эти нарушения сопровождаются выпадением из циклов отдельных их звеньев, ускорением деструктивных (лат. ёе гисНо — нару-шениё или разрушение нормальной структуры чего-либо) ветвей, перераспределением вредных веществ в биосфере вследствие рассеивания запасов отдельных элементов от угрожающего уровня к более низкому, но на большие территории и, напротив, концентрацией ряда вредных элементов в локальных местах биосферы.[ . ]

Биохимическая активность морских микроорганизмов в значительной мере контролирует биогеохимический цикл углерода в Мировом океане. Так, например, деструкция органического вещества в Мировом океане, осуществляемая главным образом за счет катаболиче-ской активности аэробных гетеротрофов в верхнем 100-метровом слое, в среднем равна примерно 30• 109 т С/год.[ . ]

Вторая функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва — это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов.[ . ]

Важнейшими биогенными элементами являются — кислород (составляет около 70 % массы организмов), углерод (18 %), водород (10 %), азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий. Это так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов. Некоторые биогенные элементы имеют важное значение только для определенных групп живых существ (например, бор для растений, ванадий для асци-дий и т.п.). В. И. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в живых организмах и играющие определенную физиологическую роль, включены в постоянный круговорот веществ или биогеохимические циклы.[ . ]

Так же как изменение климата тесно взаимосвязано с антропогенными воздействиями на глобальный биогеохимический цикл углерода, так кислотные осадки и асидификация — это проявление антропогенных изменений глобальных биогеохимических циклов азота и серы.[ . ]

Известно, что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 необходимы живым организмам. Некоторые элементы, такие как углерод, водород и азот, требуются в больших количествах, другие в малых или даже минимальных количествах. Какова бы ни была потребность в них, все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах. Виогеохимический круговорот имеет вид кольца, направленного от автотрофов к гетеротрофам и от них снова к автотрофам (рис. 10.1).[ . ]

В абиотический период истории Земли это были геохимические циклы вещества; с появлением биосферы 2,5—3 млрд. лет назад они превратились в биогеохимические, а с появлением техносферы — в технобиогеохимические. Если еще совсем недавно вопрос ставился о биогеохимических циклах в природе и их нарушении человеком [83], то сейчас приходится ставить вопрос для существенной части земной поверхности и для большого числа ее компонентов, а именно, о технобиогеохимических циклах как современной норме природы, поскольку речь идет уже не об отдельных нарушениях природных циклов человеком, а об их полном преобразовании (например, цикл углерода, цикл воды). Представление В.И. Вернадского о биогеохимических циклах как основе организованности биосферы в настоящее время углублено и расширено до представления о технобиогеохимических циклах как основе организованности экосферы и антропосферы в целом. Если иметь в виду то, что энершя мировой индустрии сейчас имеет тенденцию удвоения через каждый 15 лет [159], а в Российской Федерации, через 7 — 8 лет, то можно себе представить стремительный рост техногенной составляющей во всех глобальных циклах. Это же обстоятельство необходимо учитывать и при анализе количественных оценок всех технобиогеохимических потоков в экосфере, интенсивность и скорость которых ежегодно возрастает, что требует постоянного корректирования оценок этих явлений.[ . ]

Читайте также:  Чем удобрять землю под редиску

Сокращение лесов тропического и экваториального пояса, деградация почв, другие антропогенные трансформации ландшафтов приводят в основном к высвобождению углерода, которое сопровождается его окислением, то есть образованием СО2. В целом эмиссия в атмосферу за счет преобразования тропических ландшафтов составляет 1,6±1,0 млрд. т углерода. С другой стороны, в умеренных и высоких широтах Северного полушария отмечается, в целом, преобладание восстановления лесов над их исчезновением. Для построения органического вещества лесов в процессе фотосинтеза углекислый газ забирается из атмосферы. Это количество, в пересчете на углерод, равно 0,5±0,5 млрд. т. Пределы точности, равные самой величине, указывают нам также на все еще весьма низкий уровень понимания антропогенной роли в некоторых звеньях глобального биогеохимического цикла углерода.[ . ]

Обобщения особенностей биогенной миграции атомов нам не известны. Пока идет сбор фактических данных. Они показывают, что хотя степень замкнутости глобальных биогеохимических круговоротов довольно высока (для различных элементов и веществ она неодинакова), тем не менее она не абсолютна. И этот факт для того, чтобы не возникало недоразумений, нуждается в формулировке в виде правила незамкнутости биотических круговоротов. Доказательства этой закономерности очень многочисленны. Это и образование биогенных геологических пород, и реальное антропогенное выпадение ряда элементов, например, из почвы (предполагается, что ежегодно глобально из почвы теряется в среднем 4,6 млрд. т углерода, содержание которого в почвах мира снизилось с 2014 млрд. т в доисторический период до 1477 млрд. т на конец 70-х гг , нашего века. И, наконец, та логическая посылка, что в условиях полной замкнутости биотических круговоротов не происходило бы эволюции (наивысшая степень замкнутости биогеоценотического «малого» круга наблюдается в тропических экосистемах — наиболее древних и консервативных).[ . ]

Первичная продуктивность растительности (продуцентов) экосистемы определяет суммарную энергию биохимических процессов в экосистеме и, следовательно, интенсивность биогеохимических циклов как углерода, так и остальных биогенных элементов. Биогеохимиче-ский цикл углерода, определяющего элемента живых систем, изучен лучше, чем циклы других элементов, которые вовлечены в биогенный круговорот относительно небольшой частью своего присутствия в земной коре или атмосфере. Тем не менее биогеохимические циклы азота и кислорода изучены сравнительно полно, по крайней мере, в части, касающейся их обмена в экосистемах и атмосфере.[ . ]

Все это становится вполне объяснимым, если принять во внимание высочайшую химическую активность живого вещества. Это, кстати, отмечалось еще В.И. Вернадским в его работах по биогеохимическим •процессам. Все реакции, которые протекают в живых организмах, по своей скорости несоизмеримы с реакциями, осуществляющимися в других геосферах. Эта скорость в несколько тысяч раз больше за счет участия мощных биологических катализаторов —ферментов. Эти соединения существенным образом изменяют температурные и другие условия реакций. Распространенная «нормальная» для многих живых организмов температура тела 37° С позволяет протекать в них реакциям окисления жиров и углеводов. В то же время в условиях абиотической среды аналогичные реакции происходят при температуре 400—500° С. Микроорганизмы синтезируют аммиак при нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С, в то время как промышленный синтез аммиака из молекулярного азота происходит при температуре 500° С и давлении более 350 ГПа. На ферментативных реакциях в живых организмах базируется глобальный биологический круговорот, о масштабах которого можно судить по темпам оборота кислорода и диоксида углерода в процессе фотосинтеза (табл. 10).[ . ]

Океаны играют важную климатообразующую роль, перераспределяя солнечную энергию за счет испарения воды и перемещения нагретой воды с океаническими течениями. Они участвуют в других глобальных биогеохимических круговоротах в природе и являются гигантскими «резервуарами» диоксида углерода. Океан — яркий пример биогеоценоза.[ . ]

Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого (“геологического”) цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших для состояния экосферы, -углерода, азота, фосфора и серы.[ . ]

В наземных и почвенных экосистемах грибы вместе с бактериями являются редуцентами, питаясь мертвым органическим веществом и разлагая его. Метаболическая активность грибов очень высока, они способны к быстрому разрушению горных пород и высвобождению из них химических элементов, которые при этом включаются в биогеохимические циклы углерода, азота и других компонентов почвы и воздуха.[ . ]

Читайте также:  Зыбкая земля что это

В наземных и почвенных экосистемах грибы вместе с бактериями играют роль редуцентов, притаясь мертвым органическим веществом и разлагая его. Метаболическая активность грибов очень высока, они способны к быстрому разрушению горных пород и высвобождению из них химических элементов, которые при этом включаются в биогеохимические циклы углерода, азота и других компонентов почвы и воздуха. Многие грибы являются паразитами растений и животных. Некоторые виды вызывают быструю порчу деревянных, кожаных изделий и многих других органических материалов, а также пищевых продуктов. Грибы образуют биологически активные вещества, используемые в медицине и биотехнологии (например, антибиотики). Одноклеточные грибы — дрожжи — используются с древних времен и до наших дней в хлебопечении, виноделии, пивоварении, в микробиологической промышленности.[ . ]

Глобальный» подход превращается постепенно в большое самостоятельное научное направление. Оно охватывает не только проблемы, относящиеся к естественным наукам (проблемы климата, глобальная циркуляция океана, биогеохимические циклы, как, например, цикл углерода и т. д.). Сегодня глобальными проблемами начали заниматься и представители общественных наук, и, прежде всего, экономисты, обеспокоенные возможным исчерпанием природных ресурсов. С каждым десятилетием становится все более очевидной необходимость планируемого развития, которое должно опираться на глубокие знания взаимодействий человеческой деятельности и изменения природных факторов.[ . ]

Появление автотрофов-продуцентов означало эволюционное ослабление роли геохимической энергии и усиление значения солнечной составляющей глобального энергобаланса биосферы. Автотрофная эволюция углублялась по мере возникновения многоклеточных организмов. Они обеспечивали более высокую стабильность экосистем. Очевидно, в то же время степень замыкания биогеохимических круговоротов, а скорее их форма, начала резко меняться. Редукция за счет анаэробов-гетеротрофов уже не обеспечивала полного баланса. Происходило интенсивное накопление биогенных веществ, которые были депонированы в виде существующих ныне горючих ископаемых. В них был связан излишний углерод атмосферы, а энергетическая система биосферы стала приближаться к современным параметрам. Биогенная миграция атомов стала доминировать.[ . ]

Преимущества, которыми обладает метод радиоактивных меток, до некоторой степени искупают связанную с ним опасность заражения окружающей среды. Обзор применения радиоактивных меток в экологии дан Одумом и Голли (1963). Многочисленные примеры можно найти в трудах двух международных симпозиумов (Шульц и Клемент, 1963; Нельсон и Эванс, 1969). Метки, очевидно, очень полезны для составления схем биогеохимических циклов и для измерения скоростей потоков в стационарных системах; соответствующие примеры приводились в гл. 4. Полезны также метки для картирования перемещений организмов на популяционном уровне и для составления схем сетей питания.[ . ]

Наряду с синтезом органического вещества в природе, происходит и его разложение, или деструкция, то есть распад органических структур на составные части, включая питательные (биогенные) вещества, с выделением энергии. И в этом процессе биота играет определяющую роль. На глобальном уровне, вследствие главным образом деятельности биоты, устанавливается с очень высокой степенью точности баланс между продукцией и деструкцией органического вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость цикла углерода, этого важнейшего биогеохимического цикла.[ . ]

Трудно представить себе, чтобы в это время не существовало в водных бассейнах и океанах мощной жизни: микроскопических животных и растительных организмов, не обладающих скелетными частями, следовательно, для нас исчезающих. На это указывают с несомненностью мощные отложения осадочных морских пород, богатые графитом, биогенное происхождение которого не может возбуждать сомнений по его свойствам и условиям нахождения. Отмечу пока только, что биогенное происхождение природных соединений кальция, кремния, углерода, водорода, кислорода, азота, железа, марганца уже здесь проявляется очень резко. Их биогеохимические функции (§ 176) в строении биосферы уже существовали.[ . ]

Большинство элементов, составляющих основные и осадочные породы земной коры, подвержены перемещениям в ходе геохимических циклов, характеризущизсс временами порядка миллионов и десятков миллионов лет. Выветривание горных пород, растворение и осаждение в новых соединениях, перемещение вместе с породами, гае-реоеаждение и другие физико-химические процессы, возникающие вследствие тектонических процессов в земной коре, создают, в частности, месторождения различных рудных и нерудных ископаемых. Несравненно интенсивнее изменяются, перемещаются ж накапливаются биогенные элементы, биогеохимические циклы которых осуществляются при участии живого вещества. Все разнообразие и суммарная интенсивность биохимических реакций прямо или опосредованно осуществляются за счет энергии солнечного света. Таким образом, биогеохи-мические циклы всех биогенных элементов энергетически связаны с циклом углерода, в котором возникает при фотосинтезе в растениях и в сложных трофических сетях экосистем распадается органическое вещество. Поэтому одна из наиболее важных характеристик экосистем — их продуктивность по так называемой первичной продукции углерода, связываемого растениями на площади, занимаемой экосистемой.[ . ]

Источник