Круговорот углерода

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% повесу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 1015 m, что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода. Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха. Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды.Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое местосреди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме доксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы. Углерод имеет исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде органической массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям – каменным углям, нефти. В процессах распада органических веществ, их минерализации, огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые). В активном круговороте углекислый газ (живое вещество участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.

43.Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор — необходимый компонент нуклеиновых кислот, белков, АТФ и ряда других жизненно важных органических веществ. Кроме того, фосфат входит в состав зубной эмали и фосфолипидов мембран.

В отличие от азота резервным фондом этого элемента служат горные породы, главным образом — апатиты, встречающиеся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв, водных растворов.

По структуре круговорот фосфора проще, чем круговорот азота. Он циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Горные породы подвергаются воздействию выветривания, в результате чего фосфор высвобождается и становится доступным для растений.

Форма, в которой элемент поглощается растениями: фосфат РО4 и ортофосфат Н2РО4-.

Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению растениями и другими автотрофами.

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоёмов. Во всех водных экосистемах фосфор встречается в четырёх формах, соответственно нерастворимых или растворимых:

Если проследить все превращения фосфора в масштабе биосферы, то заметим, что его круговорот не замыкается.

Действительно, если в наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание

Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливно — отливных и неритических зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил Ковда (1968 г.), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно отметить, что он полностью не замкнут. Действительно, происходит частичное поступление фосфора из океана на сушу, которое осуществляется главным образом птицами, питающимися рыбой. Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Вылавливая морских животных, человек тоже участвует в этом процессе. Однако количество фосфора, ежегодно поступающее на сушу благодаря рыболовству, довольно незначительно, около 60 000 т (Hutchinson, 1957 г.), и явно уступает выносу фосфора в гидросферу при выщелачивании растворимых фосфатных удобрений, вносимых в агроэкосистемы, который достигает многих миллионов тонн в год.

Таким образом, в естественных условиях механизм возвращения фосфора из океанов на сушу совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор — основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Важность фосфора как элемента, обеспечивающего продуктивность биосферы, со временем будет возрастать, так как уже сейчас он причисляется к редким макроэлементам. Поэтому возврат фосфора в круговорот имеет важное значение для человечества.

44.Функции живого вещества в биосфере.

Живое вещество в биосфере выполняет такие планетарные функции:

1. Энергетическая функция живого вещества заключается в трансформации более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, от Солнца. Преимущественно эта энергия идет на химические и физические процессы в гидросфере, литосфере и атмосфере. На Земле существует только один процесс, когда энергия Солнца связывается и запасается (иногда на довольно продолжительное время) в виде энергии органических соединений. Это фотосинтез. Сжигая уголь, мы используем солнечную энергию, которую запасли растения сотни миллионов лет назад. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, которые образовались в палеозое, мезозое и кайнозое.

2. Редуцентная функция заключается в том, что за счет жизнедеятельности огромного количества гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит работа по разложению органических остатков. Органические соединения разлагаются до углекислого газа, аммиака, воды, а в анаэробных условиях — еще и к водорода и углеводов. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Так осуществляется круговорот веществ в природе. Кроме того, в почве часть веществ ароматической природы, которые высвобождаются, под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, опять сконденсируется с образованием сложного комплекса соединений — почвенного гумуса. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой плодородия почвы.

3. Газовая функция живого вещества связана с тем, что многие газов планеты имеют органическое происхождение, то есть являются продуктами жизнедеятельности живых существ. Так, кислород в атмосфере, на долю которого приходится 21%, выделяется в результате фотосинтеза зелеными растениями. Накопление кислорода в атмосфере началось еще с докембрия. До наступления палеозоя содержание его, по некоторым данным, не превышает 10% современного. Весь имеющийся свободный кислород в атмосфере оценивается в 1,6 • 1016 г, зеленые растения могут воспроизвести его за 10 000 лет (Н. М. Чернова, А. М. Билова, 1986). В верхних слоях тропосферы под действием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана также является следствием деятельности живого вещества, которое, по выражению В. И. Вернадского, «словно сама создает себе сферу жизни».

Углекислый газ является также продуктом дыхания всех живых существ планеты. Современная атмосфера содержит 0,3% СО2. Содержание СО2 в атмосфере раннего периода развития жизни был значительно выше. В течение фанерозоя он менялся в достаточно широком диапазоне. В девоне в начале карбона, а также в Перми он превышал современный уровень в 6-10 раз, а начиная с середины мела неуклонно снижается.

Азот может поступать в атмосферу за счет процесса денитрификации (восстановление окислов азота до свободного азота). Этот процесс происходит под действием микроорганизмов в почвах за анаэробных условий.

К газам органического происхождения принадлежит также сероводород, метан и множество других летучих соединений, созданных живым веществом. В течение одного дня 1 га ялинцевого леса может выделить в атмосферу до 30 кг летучих веществ — фитонцидов.

4. Окислительно-восстановительная функция заключается в том, что за счет жизнедеятельности микроорганизмов в биосфере осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). К таким микроорганизмов относятся денитрифицирующие и сульфатредукуючи бактерии, которые восстанавливают из окисленных форм азот до металлов и серу из сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, которые окисляют сероводород и серу, нитро — и нитрофикуючи микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующих эти металлы в своих клетках.

Геологические последствия деятельности этих организмов оказываются в образовании осадочных месторождений серы, образовании в анаэробных условиях залежей сульфидов, металлов, а в аэробных условиях — в возникновении железных и железомарганцевых руд.

5. Концентрационная функция заключается в том, что многочисленные организмы наделены способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на кое слишком ничтожен содержание их в окружающей среде. Организмы могут концентрировать в себе кальций, кремний, натрий, аммоний, йод и т.д. Отмирая, они образуют сочетание этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и др. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.

В целом биосфера похожа на большой, гигантский организм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз и существуют различные связи: энергетические, химические, трофические, информационные.

45.Лесные экосистемы и их рациональное использование.

Лесные экосистемы занимают почти 40% территории планеты. На их долю приходится 44% территории России, 14,1% — Украины, 33,9% — Белоруссии. Много лесов в странах Балтии. Значительные массивы лесов расположены в горах Кавказа, на Памире и Тянь-Шане.

Все эти леса растут в условиях умеренного климата. Кроме того, лесами покрыты значительные площади в тропическом поясе, где деревья остаются зелеными в течение всего года или сбрасывают листья на непродолжительное время в период летней засухи.
В лесных экосистемах основную биомассу продуцируют деревья. Это сложный тип экосистем, в составе которых есть не только деревья, но и кустарники, травы, мхи, лишайники. Разнообразно и животное население лесов.

Различают следующие основные типы лесов умеренных широт:

Хвойные леса — еловые, сосновые, пихтовые, кедровые, лиственничные. Эти леса занимают северную часть лесной зоны России, называемую тайгой, и верхнюю часть лесного пояса гор — Кавказа, Карпат, Памира и Тянь-Шаня. Они дают наиболее ценную древесину, и потому именно в тайге ведут основные лесозаготовки, часто истощающие леса.

Широколиственные и смешанные леса.
Основные породы этих лесов — дуб, липа, вяз. Они размещаются к югу от тайги. На севере ареала к широколиственным породам примешиваются ель, пихта, сосна. Смешанные леса характерны для Украины, Белоруссии, стран Балтии и России.

Мелколиственные леса. Древостой в этих экосистемах состоит из разных видов березы, ольхи, осины. Чаще всего мелколиственные леса вторичны, т.е. растут на месте выруб­ленных широколиственных или хвойных лесов. Однако в Западной Сибири есть и первичные березовые леса.

Пойменные леса. Эти лесные экосистемы формируются в частях речных долин, заливаемых в весеннее время паводко­выми водами. В составе пойменных лесов — различные виды ив, тополей, ольха черная. На высоких заливаемых, на короткое время участках пойм в зоне тайги формируются еловые и лиственничные леса, в зоне широколиственных лесов — липняки.

Уникальны пойменные леса среднеазиатских рек — Амударьи, Сырдарьи и др. Эти леса называют тугайными и основными лесообразователями в них являются особые виды туранговых тополей, устойчивых к жаркому климату. Вместе с тополями вдоль русла встречаются виды ив. Во многих речных поймах леса уничтожены.

Значение лесов. Лесные экосистемы очень важны для жизни биосферы: они обогащают атмосферу кислородом и поддерживают уровень содержания в ней диоксида углерода. Леса играют большую роль в круговороте воды: покрытая подстилкой поверхность лесных почв впитывает дождевые осадки и снеговые воды, пополняя запасы подземных вод. Лесные почвы фильтруют воды, стекающие с полей и промышленных площадок, и очищают их от многих вредных примесей. Лесные экосистемы испаряют в атмосферу влагу и благотворно влияют на климат, повышая влажность воздуха.

По способу хозяйственного использования различают три группы лесов.

Леса первой группы располагаются вдоль рек и по побережьям озер, а также вдоль крупных шоссейных Дорог, в зеленых зонах городов, в заповедниках. Их вырубать нельзя.

Леса второй группы называют защитно-эксплуатационными. В таких лесах проводят рубки, но так, чтобы древостой полностью не уничтожался, и шел процесс его самовосстановления.

Леса третьей группы — эксплуатационные. В таких лесах древостой можно вырубать почти полностью, оставляют лишь отдельные деревья как источники семян для восстановления леса естественным путем или проводится посадка деревьев.

Леса — важный объект хозяйственной деятельности чело­века. Различают главное и побочное лесопользование. При главном лесопользовании в лесах заготовляется древесина. При побочном — грибы и ягоды, лекарственные растения. К побочному лесопользованию относится и охота на лосей, кабанов, зайцев, куниц, колонков, глухарей, рябчиков и других промысловых животных.

Леса играют рекреационную роль — это место отдыха городского и сельского населения. Обогащенный кислородом и насыщенный целительными выделениями растений (фитонцидами) лес — источник здоровья.

При рациональном использовании лесных экосистем в них поддерживается экологическое равновесие — естественным путем возобновляются популяции деревьев, промысловых животных, лекарственных трав, грибов. В итоге — сохраняется и биосферная роль лесов.
Однако принципы рационального использования лесов соблюдаются, к сожалению,не всегда.

Дата добавления: 2015-04-24