Тема 3. Структура и функционирование экосистем (биогеохимические циклы, антропогенное влияние на круговорот элементов)

Цель занятия: закрепить знания студентов об экосистеме, ее структуре и функционировании: биогеохимические циклы, круговорот элементов, антропогенное влияние на круговорот элементов

Экосистема – это совокупность биотических компонентов, которые взаимодействуют друг с другом и факторами окружающей среды. Природные экосистемы могут неопределенно долго поддерживать свое стабильное существование. При этом ресурсы не истощаются, окружающая природная среда не загрязняется.

Получение ресурсов и освобождение от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов. В экосистемах атомы никуда не исчезают и не превращаются друг в друга. Запас атомов никогда не истощится. Движение элементов на Земле проходит в рамках биогеохимических циклов (БГХЦ). Термин введен Вернадским, им установлено, биогеохимический цикл состоит из двух незамкнутых циклов: биологического и геологического.

95-98% элементов вращается в биологическом цикле и ежегодно до 2-5% элементов переходит в геологический цикл. В результате в атмосфере, гидросфере и земной коре формируются скопления различных веществ. Планетарные и региональные БГХЦ составляют биогеохимический фон, который не одинаков в различных районах Земли. В результате в основном в литосфере возникают избыток или дефицит элементов. Так формируются биогеохимические провинции. В ходе биогеохимических циклов осуществляется круговорот веществ в биосфере.

Круговорот углерода (С).

Углерод – строительный материал для углеводов, белков, нуклеиновых кислот. Большинство наземных растений получают углерод путем поглощения СО₂, из атмосферы. Фитопланктон – микроскопические растения водных экосистем, получают углерод из СО₂, растворенного в воде. Растения – продуценты осуществляют фотосинтез по схеме: СО₂ + вода + солнечная энергия = глюкоза + О₂ (побочный продукт). В клетках растений и животных происходит процесс клеточного дыхания по схеме: глюкоза + О₂ = СО₂ + вода + энергия. Эта связь фотосинтеза и аэробного дыхания заставляет углерод циркулировать внутри экосистемы. Эта циркуляция – важная часть круговорота углерода.

Рис. 7.Цикл углерода .

Некоторая часть атмосферного углерода связывается в форме ископаемого топлива (формируется в геологической части БГХЦ) – уголь, нефть, газ. Здесь связанный углерод остается до тех пор, пока в результате сжигания минерального топлива он нет вернется в виде СО₂. Горные породы литосферы в ходе геологических процессов расплавляются, стог приводит к выбросу СО₂ в атмосферу.

В водных экосистемах углерод и О₂ могут соединяться с кальцием. Образуются нерастворимые карбонаты, входящие в состав раковин моллюсков. После смерти животные раковины погружаются в слой донных отложений. Возврат углерода из осадков происходит в результате медленного растворения осадков, затем СО₂ поступает в воду.

В итоге в атмосфере содержится 10¹² т. углерода, в океане – 10¹⁴ т, углеродные ископаемые литосферы – 10¹⁵ т углерода.

Животные содержат 0,0015г/см² углерода, растения - 0,1г/см². Растения продуцируют в год 2,0 10¹¹т углерода в виде органической биомассы, возвращается в атмосферу 1,5*10¹¹. Таким образом, органический углерод является резервом углерода на Земле.

Углерод атмосферы и литосферы многократно прошел через живые организмы. Растения суши усваивают углерод атмосферы за 4 года, для гумусной оболочки этот срок составляет 400 лет.