7 Круговороты важнейших биогенных элементов в биосфере.

7.1 Цель: Изучить основные пути движения атомов углерода, кислорода, азота и фосфора в биосфере и современные нарушения биологических круговоротов.

7.2 Теоретическое введение

Единственный способ сделать биогенные элементы неисчерпаемыми – это вовлечь их в круговороты. На Земле выделяют большой (геологический) и малый (биологический) круговороты. Большой длится сотни тысяч и миллионы лет. Он состоит в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты выветривания сносятся водой в мировой океан и образуют осадочные породы, которые при поднятии морского дна когда-нибудь вновь оказываются на суше и все повторяется. Биологические круговороты важнейших биогенных элементов приведены на схемах 1-4. Биологические круговороты связаны с поглощением растениями (продуцентами) неорганических веществ из почвы и воздуха, образованием органических веществ, передачей их по цепям питания и разложением микроорганизмами (редуцентами) опять до неорганических веществ.

Одни круговороты (С, О и N) называют круговоротами газов, так как они содержат газовую фазу, а другие, не содержащие ее, (Р, S) - осадочными.

Человеческая деятельность вызывает антропогенные нарушения биологических круговоротов.

Нарушение круговорота углерода связано с увеличением концентрации СО₂ в атмосфере, ведущим к парниковому эффекту. Оно вызвано сжиганием большого количества горючего, дегумификацией почв (разложением гумуса), осушением болот и вырубкой лесов, поглощающих большую часть СО₂.

Глобального уменьшения количества О₂ в атмосфере за счет сжигания топлива и уничтожения лесов пока не отмечается. Важнейшее антропогенное нарушение круговорота кислорода – это разрушение озонового экрана Земли за счет выбросов ХФУ (хлорфторуглерода = фреона) из холодильных установок, аэрозольных баллончиков, пенопласта и т.д.

Антропогеные нарушения круговорота азота связаны с ослаблением биологической азотфиксации и загрязнением нитратами водных экосистем, являющимся, наряду с загрязнением фосфатами, причиной эвтрофикиции. Нарушение круговорота фосфора связано с оттоком фосфора в океан, откуда его пока не извлекают, и эвтрофикацией водных экосистем.

Схема 1 Важнейшие элементы круговорота кислорода

Схема 2 Круговорот углерода

Схема 3 Круговорот азота

Схема 4 Круговорот фосфора

3. Задание Решите предложенные задачи.

1. Рассчитайте современный баланс углерода на суше, если за год растения фиксируют в виде СО₂ 60 млрд т С, в процессе разложения органического вещества высвобождается 48 млрд т С, поступает в почву и «консервируется» в многолетних фитоценозах 10 млрд т, погребается в осадочной толще литосферы (включая реакции СО₂ с горными породами) 1 млрд т, поступает в результате сжигания топлива 4 млрд т С.

2. Процессы фотосинтеза и разложения в биосфере почти полностью уравновешены. Рассчитайте процент углерода, ежегодно «уходящего в геологию» (см задачу 1).

3. Определите процентное содержание углерода в разных частях биосферы, если атмосфера содержит 2,3*10¹²т, океан– 1,3*10¹⁴т, литосфера – 2*10¹⁷т, а живые организмы – 1,5*10¹²т.

4. Масса азота, связанного в биомассе суши составляет 14020 млн т. В течении года вся растительность суши вовлекает в круговорот 2562 млн. т азота, а фитопланктон океана – 2762 млн. т , несмотря на то, что его биомасса в тысячи раз меньше, чем биомасса наземной растительности. Чем это можно объяснить?

5. Какова доля промышленной фиксации азота в биосфере, если бактерии переводят в связанную форму 1 млрд. т азота в год, а мировой объем промышленной фиксации – 90 млн. т. Сопоставьте ее объем с азотфиксацией за счет грозовых разрядов и фотохимических процессов, если в умеренных широтах она не превышает 35 мг/м², при общей биосферной фиксации 700 мг/м^2..

6. Оцените баланс фосфора на суше, если ежегодная добыча фосфорсодержащих пород составляет 2 млн. т, вынос в мировой океан – 1,4*10⁷ т, а возврат с морепродуктами – всего 60 тыс. т. Учтите, что фосфор не относится к самым распространенным в биосфере элементам, и его доля в земной коре не превышает 1%.

Контрольные вопросы

1. Как попадают атомы углерода к водорослям? Как происходит круговорот углерода в водной среде? В чем его особенности?

2. Какие экосистемы Земли наиболее продуктивны? В каких районах земли идет наиболее интенсивное поглощение СО₂? Какие антропогенные нарушения здесь происходят? Каковы последствия этих нарушений?

3. Весь ли углерод после гибели животных быстро возвращается в воздух или воду? Какие части моллюсков «уходят в геологию» и что это значит?

4. Гумус представляет собой органическое вещество почвы. Из чего он образуется? Есть ли в нем углерод? Поглощают ли его растения? Каково его место в круговороте углерода? В наше время во многих местах происходит уменьшение количества гумуса в почве. Как это влияет на круговорот углерода?

5. Из чего образовались каменный уголь, нефть, природный газ? Содержат ли они углерод? Могут ли эти вещества вовлекаться в круговорот углерода? Каковы последствия широкого использования ископаемого топлива в течение последних столетий? Какой, по Вашему мнению, станет атмосфера Земли после сжигания всего ископаемого топлива?

6. Какие глобальные экологические проблемы связаны с круговоротами углерода, кислорода, азота, фосфора?

7. Почему фосфор является лимитирующим фактором во многих водных экосистемах? Каковы антропогенные пути поступления в них фосфора? Как это связано с эвтрофикацией?