Круговорот веществ в природе, сравнительно периодические, взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы обращения и перемещения веществ в природе. В современной научной литературе термин «круговорот веществ» нередко замещают терминами «биогеохимический цикл» или «биогеохимический круговорот веществ». Биогеохимический круговорот (цикл) веществ - обмен веществом и энергией между разнообразными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Основы представлений о биогеохимической цикличности заложены В. И. Вернадским в его учении о биосфере и в трудах по биогеохимии. В земледелии круговорот важных элементов питания растений (кальций, фосфор, калий и др.) изучены Д. Н. Прянишниковым и его учениками. Движущей силой биогеохимических циклов служат потоки энергии Солнца и деятельность живых организмов, приводящие к перемещению больших масс химических элементов, концентрации и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. По закону биогенной миграции атомов В. И. Вернадского, миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом реализовывается или при непосредственном участии живых организмов, или же она свершается в среде, геохимические особенности коей определены деятельностью живых организмов. Т. к. биогеохимические циклы незамкнуты, часть вещества всегда выходит из нынешнего биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч лет). За всю историю формирования биосферы (3,5-3,8 млрд лет) в итоге неполной (95-98%) обратимости биогеохимических циклов образовались кислород и азот в атмосфере, месторождения углей, легковоспламеняющихся сланцев, известняков (цикл углерода), диатомитов, трепелов, опок (цикл соединений кремния), фосфоритов (цикл фосфора), бокситов и др. полезных ископаемых в земной коре (см. Биогенное вещество). В условиях полной замкнутости круговорота веществ в природе не происходило бы эволюции. Обновление всего живого вещества биосферы Земли реализовывается в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется приблизительно за 14 лет. В океане циркуляция вещества свершается во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 сут, а фитомасса океана каждые сутки. С биогеохимическими циклами углерода, кислорода, водорода, натрия, фосфора, серы, кальция, магния, калия и др. биогенных элементов связано развитие биологической массы растений и гумусового горизонта почвы.
Круговорот воды - беспрерывный процесс циркуляции воды на Земле, происходящий под воздействием солнечной радиации и силы тяжести. Около 1/3 всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на совершение круговорота воды. Круговорот воды в биосфере протекает следующим образом: выпадение атмосферных осадков - 496 тыс. км3 в год, неглубокий и почвенный сток в водоемы 151 тыс. в год; испарение и транспирация - 425 и 71 тыс., перенос водяного пара - 40 тыс. км3 в год, конденсация и повторное выпадение осадков. Для полного обновления воды в составе глетчеров потребно 8 тыс. лет, подземельных вод - 5 тыс., океана - 3 тыс. лет, почвы - 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 сут. Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70-75 % состоят из воды. Огромное количество воды испаряется растениями, особенно деревьями. С единицы поверхности леса испаряется внушительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. С 1 га березового леса вседневно испаряется 47 тыс. л воды, а с 1 га елового леса около 43 тыс. л. Напр. , с каждого гектара посадок ели Дугласа вседневно может испаряться до 48 т воды. Растения испаряют около 1/3 всей воды, выпадающей с осадками. Наземная растительность в процессе фотосинтеза расщепляет чрезвычайно немного воды по сопоставлению с всеобщим количеством, проходящим через растение. Количество проходящей через растения воды внушительно больше потребляемой растениями, что объясняется транспирацией. Поступившая через корни растений вода несет в себе растворенные минеральные вещества, кои соучаствуют в биосинтезе, а оставшаяся влага испаряется с поверхности листьев. Вмешательство человека нарушает цикл круговорота воды. В частности, уменьшается испарение воды лесами из-за сокращения их площади. Рубка тропических и небольших лесов, произрастающих в наиболее влажных районах Земли, может создать серьезные несоблюдения водного баланса материков. Увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие явления на значительной части его поверхности пленки нефти. На круговорот воды влияет потепление климата, вызываемое тепличным эффектом. При нарастании этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота воды, небезопасные для биосферы.
Круговорот кислорода - циклический процесс образования кислорода и расходования его в ходе дыхания организмов, сжигания топлива и др. химических преобразований. Кислород является продуктом фотосинтеза растений, кроме того, некоторое его количество образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения. Часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др. На поверхности земной коры также свершается непрерывное связывание вольного кислорода атмосферы при окислении разнообразных минеральных, органических остатков и т. д. В атмосфере содержится приблизительно 1,2x1015 т кислорода и около 0,6x1013 т растворено в гидросфере. 7 % кислорода на планете находится в вольном состоянии, остальная часть содержится в литосфере в составе разнообразных окислов, сульфатов, карбонатов и др. солей, а также в гидросфере в составе воды. Основным источником поступления кислорода в окружающую среду объявляются процессы фотосинтеза. Зеленые растения биосферы ежегодно выделяют в атмосферу около 4,67x1017 г кислорода. Из этого количества 11,3 % производят наземные растения и 88,7 % - водные. В связи с тем, что океан является главнейшим поставщиком кислорода в атмосферу, охрана морских экологических систем играет особую роль в деле сохранения обыкновенных условий формирования биосферы. В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в больших градах с немалым количеством транспорта и индустриальных предприятий появляются местные несоблюдения. Деятельность человека приводит к убавлению количества кислорода в атмосфере. Ежегодно человеком в процессе сжигания топлива из атмосферы извлекается около 9x1015 г кислорода, что составляет 2 % его количества, вырабатываемого за данный период растениями биосферы. Рубки леса также вносят заметный вклад в убавление поступления кислорода в атмосферу. Обезлесение земель в итоге урбанизации и индустриализации ведет к убыстрению процессов окисления почв и верхнего слоя исконных пород. Огромное формирование получают процессы окисления произведенных человеком металлов и др. индустриальных продуктов.
Круговорот углерода - циркуляция углерода в биосфере, один из самых важнейших биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ. В круговороте углерода особенно велика роль диоксида углерода (углекислого газа). Биологический цикл углерода в окружающей среде, кой В. И. Вернадский называл жизненным, реализовывается при непосредственном участии живых организмов: зеленые растения в процессе фотосинтеза аккумулируют углерод из воздуха, превращая углекислый газ в многосложные углеводороды. Данный восстановительный процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. В итоге дыхания живых организмов свершается оборотный процесс - окисление фиксированного в живом веществе углерода в углекислый газ (С02), который вновь поступает в атмосферу, и данный процесс идет с выделением энергии. Приблизительно 2/3 объема углерода атмосферы, ежегодно усваиваемого организмами в процессе фотосинтеза, возвращается обратно в атмосферу редуцентами. На суше значительная доля углерода в форме углекислого газа возвращается в атмосферу микроорганизмами почвы. В большинстве случаев существует баланс между поступлением углерода в подсистему редуцентов и его выделением в виде С02. В тропическом лесу подстилка разлагается быстро и практически полностью, до её последних продуктов - воды и двуокиси углерода. В бореальных лесах гниение протекает замедленно, и огромное количество органических соединений накапливается при неполном гниении органического вещества. Часть образуемого в процессе фотосинтеза органического вещества в конкретных условиях, после погибели растений и живых организмов, преобразуется в ископаемые, обогащенные углеродом, твердые и разжиженные органические продукты. Ориентировочно 99 % углерода находится в осадочных породах и менее 1 % в биосфере. По данным ФАО ООН, за 2000 г. (ECE/TIM/SP/17) запасы углерода в атмосфере составляют 750 Пг (Пг = Ю15г), в составе растительности суши - 610 Пг, в почве - 1580 Пг, в неглубоких слоях океанов 1500 Пг и в глубинных слоях океанов - 38 000 Пг. Таким образом, объем углерода, содержащегося в растительности суши, сравним с объемом углерода во всей атмосфере и составляет ориентировочно 40 % количества углерода, имеющегося в неглубоких слоях океанов. В почвах накоплено в 2 раза больше углерода, чем в атмосфере. Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайги приблизительно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, т. к. в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза. В тропиках в течение года содержание в атмосфере диоксида углерода более или менее устойчиво. В тайге в зимнее время его концентрация больше, чем летом, когда энергично протекает фотосинтез. Скорость круговорота углерода в гидросфере существенно выше, чем в атмосфере. Время пребывания углерода в наземной растительности составляет от 10 до 100 лет, а в морской фитомассе - поменьше месяца. Это объясняется, в основном, тем, что фитопланктон состоит, гл. обр., из одноклеточных организмов, время жизни которых внушительно поменьше, чем у наземной древесной растительности. Древесина более устойчива к гниению, чем листья. В одном и том же лесу разнообразные виды растений и их разнообразные фракции (листья, ветви, сучья, стволы) разлагаются с разнообразной скоростью. Скорость гниения зависит также от климатических условий. Напр., период полураспада подстилки в северных хвойных лесах составляет 10 лет и более, в южных сосновых - от одного года до нескольких лет, в тропических дождевых лесах - менее года. Объемы годичного поглощения и эмиссии углерода, согласно оценкам ФАО, представлены в табл. Баланс углерода негативный (-3,2 Пг /год). Это тот объем углерода, кой ежегодно накапливается в атмосфере. Следовательно, средняя концентрация диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает приблизительно на 0,5 %. Это обусловлено, в основном, сжиганием ископаемого топлива, разрушением пахотных почв и сведением лесов. В итоге сжигания ископаемого топлива каждый год в атмосферу выбрасывается Зх109 т углерода. В тропических лесах заключено около 72 % мировых запасов органического углерода, кой содержится в древесине и гумусе почв. Сейчас тропические леса вырубают со скоростью 15,4 млн га в год. Кроме того, гниение древесины после рубки леса приводит к добавочному поступлению диоксида углерода в атмосферу. В итоге деятельности почвенных редуцентов выделяется также метан. При проведении рубок выделение метана из лесной почвы возрастает вследствие её переувлажнения и заболачивания. Метан и диоксид углерода объявляются главнейшими виновниками тепличного эффекта, следствие коего - постепенное глобальное потепление климата. Лесам принадлежит важнейшая роль в поглощении углекислого газа и в поддержании относительной устойчивости газового состава атмосферы. Леса Рф-ии, площадь которых составляет более 1/5 площади лесов мира, объявляются большим резервуаром углерода в виде биомассы живых растений, растительных остатков разной степени гниения, гумуса и торфов. Всеобщий запас углерода, внимательный в органическом веществе лесных экосистем Рф-ии, составляет около 233 млрд т, в т. ч. 34 млрд т - в фитомассе, 17 млрд т в отмершей растительной органической массе (мортмассе) и 182 млрд т - в гумусе почв. Особенно немалые запасы углерода сосредоточены в мортмассе и органическом веществе почв бореальных лесов, размещённых в северных регионах Рф-ии, где скорость биологического круговорота замедлена. В лесах Рф-ии отмечается тенденция к увеличению чистой первичной продукции, коя достигает в настоящее время 600 млн т С/год.
Круговорот азота включает следующие процессы: фиксация азота; аммонизация; нитрификация; денитрификация. Круговорот азота иллюстрирует ключевую роль микроорганизмов в круговороте веществ. Фиксация азота свершается в итоге деятельности азотфиксирующих бактерий (биологическая азотфиксация), при грозовых разрядах и в итоге антропогенной деятельности, напр. при производстве азотных удобрений. Фиксировать атмосферный азот способны следующие широко общераспространенные в природе микроорганизмы: свободноживущие бактерии Azotobacter и Clostridium, пурпурные бактерии и др. представители фотосинтезирующих бактерий, цианобактерии, симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений - Rhizobium, актиномицеты в корневых клубеньках отдельных древесных растений, напр. ольхи, облепихи, араукарии, гинго и др. Цианобактерии могут фиксировать азот как независимо, так и в симбиозах с грибами (в составе отдельных лишайников) или мхами, папоротниками и даже семенными растениями. Биологическая азотфиксация свершается эффективнее, когда в среде немного соединений азота. Посему внесение азотных удобрений под бобовые растения делает невозможной фиксацию ими азота. В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде аммиака (NH3) или иона аммония (NH4). Образование аммония свершается в итоге аммонификации - гниения микроорганизмами азотсодержащих соединений - белков, нуклеиновых кислот, мочевины и др. Аммиак легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается действию нитрифицирующих бактерий при нитрификации. В итоге этого процесса корни растений получают нитриты (N02) и нитраты (NO3). Часть азота потом из растений переходит в ткани животных. Денитрификация - гниение азотсодержащих соединений редуцентами (как правило, микроорганизмами) до молекулярного азота. Азот снова поступает в атмосферу. В настоящее время, вследствие убавления количества естественных экосистем, доля биофиксации азота стала поменьше, чем доля промышленной фиксации. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает загрязнение биогенными элементами (эвтрофикацию) водоемов. Существенное количество азота в форме окислов азота поступает в атмосферу в итоге техногенного загрязнения. Выбросы окислов азота индустриальными предприятиями и сверхзвуковыми авиалайнерами могут стать первопричиной разрушения озонового экрана, предохраняющего все живое от гибельного влияния ультрафиолетовой радиации. В отличие от круговорота азота, кой является закрытым, круговорот фосфора разомкнут, т. к. фосфор не образует летучих соединений, кои могли бы возвращаться в атмосферу. Основные запасы фосфора находятся в горных породах земной коры, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом окоёме наземных и подводных почв. Из всеобщего количества фосфора, содержащегося в почве, растениям доступно 10-20%, малодоступно 50-60%. Из горных пород фосфор выщелачивается в почву и усваивается растениями, а потом по пищевым цепям переходит в состав тканей животных. После гниения неживых тел растений и животных редуцентами в круговорот вовлекается не весь фосфор. Часть его вымывается из почвы в водоемы, где он оседает на дно и либо совсем не возвращается на высушиваю, либо возвращается в небольших количествах - с выловленной рыбой или экскрементами пташек, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских пташек служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, всё же в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны. Несоблюдения биогеохимических циклов азота и фосфора представляют угроза для человека и окружающей среды. Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие увеличения неглубокого стока воды при изничтожении лесов, распашке почв, внесении фосфорных удобрений. Неправильное применение и хранение фосфорных удобрений приводит к увеличению содержания фосфатов в почвах, их вымыванию, загрязнению и эвтрофикации водоемов, дальнейшему сбережению фосфора в продуктах питания. Для возрождения и поддержания сбалансированного биохимического цикла фосфора потребно проводить систему агромелиоративных деяний и внедрять малоотходные технологии индустриального производства.
|
