Текстовые фрагменты публикации
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
Л.В. Тринеева
УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
ОСНОВНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
Учебное пособие
Воронеж 2013
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
Л.В. Тринеева
УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
ОСНОВНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
Учебное пособие
Воронеж 2013
УДК 550.4
Т67
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 4 от 22 марта 2013 г.)
Рецензенты: директор ФГУП «НИИЛГиС» канд. биол. наук,
доц. О.М. Корчагин;
канд. с-х. наук, доц. Э.В. Харьковская
Тринеева, Л. В.
Т67
Учение о биосфере. Основные биогеохимические циклы [Текст] :
учебное пособие / Л. В. Тринеева ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ
ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2013. – 47 с.
ISBN 978-5-7994-0560-1 (в обл.)
В учебном пособии излагаются основные закономерности биогеохимических
превращений основных биогенных элементов.
Учебное
пособие
предназначено
для
студентов
лесного
факультета
по
направлению
подготовки
022000
–
Экология
и
природопользование,
профиль
Природопользование.
УДК 550.4
Тринеева, Л.В., 2013
ISBN 978-5-7994-0560-1
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная
лесотехническая академия», 2013
Введение
Возникновение на Земле живой материи обусловило возможность
беспрерывной циркуляции в биосфере химических элементов, перехода их из
внешней среды в организмы и обратно. Эта циркуляция химических
элементов
и
получила
название
биогеохимических
круговоротов.
Биогеохимический круговорот представляет собой часть биотического
круговорота,
включающую
обменные
циклы
химических
элементов
абиотического происхождения, без которых не может существовать живое
вещество (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и многие другие).
Биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или
гидросфере (циклы углерода, кислорода, азота, серы); 2) осадочный цикл с
резервным фондом в земной коре (циклы кальция, фосфора, кремния).
С ростом масштабов использования природных ресурсов, обусловленных
промышленной революцией, антропогенное влияние на биосферу и ее
компоненты объективно увеличилось. Закономерный и многосторонний
процесс роста производительных сил расширил спектр воздействия человека
на природу (в том числе и негативного). Вернадский отмечал, что
производственная деятельность человека приобретает масштабы, сравнимые
с геологическими преобразованиями. Так, к сведению лесов, распашке
целинных земель, эрозии и засолению почв, снижению биоразнообразия
добавились новые постоянно действующие механические и физико-
химические
факторы,
усугубляющие
экологический
риск.
Человек эксплуатирует уже более 55 % суши, использует около 13 % речных
вод,
скорость
сведения
лесов
достигает
18
млн
га
в
год.
Биогеохимические циклы биогенных элементов, участвующих в природных
круговоротах, отработаны эволюционно и не приводят к накоплению
отходов. Человек же использует вещество планеты крайне неэффективно;
при этом образуется огромное количество отходов, многие из которых
переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной
среде, в активную, токсичную форму. В результате биосфера «обогащается»
несвойственными
ей
соединениями,
т.е.
нарушается
естественное
соотношение химических элементов и веществ.
Биогеохимические циклы элементов, поступивших в биосферу
в результате дегазации
Миграция и распределение масс химических элементов, образующих
газы, отражает связь биосферы с глубинными слоями планеты. Эти элементы
непрерывно, на протяжении всей геологической истории выделялись из
вещества Земли в виде газов и образовали газовую оболочку. Их непрерывное
поступление балансировалось столь же непрерывным удалением из
атмосферы в гидросферу или осадочную оболочку. В то же время эти
элементы имеют определяющее значение для живых организмов океана и
суши, из них состоят их ткани. Само существование жизни было бы
невозможно без постоянного поступления в окружающую среду газов. Жизнь
и процессы, протекающие в недрах Земли, тесно связаны. Живое вещество,
благодаря своему свойству – стремление к возможно наиболее полному
использованию энергии для биологических процессов, – играет ведущую
роль в циклической миграции элементов, поступающих в биосферу в
результате дегазации. Благодаря этому свойству и быстрой изменчивости
организмов, живое вещество обусловило определенную эволюцию циклов
массообмена
дегазированных
химических
элементов
на
протяжении
геологической истории Земли.
Биогеохимический цикл углерода
Распределение
масс
этого
элемента
следующее:
наименьшее
количество углерода находится в атмосфере – 668*109 т углерода, несколько
большее количество углерода в живом веществе – 863* 109 т, еще больше – в
неживом органическом веществе педосферы –
1600*109
т углерода.
Наибольшая масса углерода содержится в океане в составе гидрокарбонатов
– 196000*109 т. Главным резервуаром углерода является осадочная толща
земной коры. Концентрированные скопления органического углерода в виде
залежей нефти и каменных углей имеют подчиненное значение. В
месторождениях нефти (по Ханту, 1965) находится 0,2*1012 т углерода.
Закономерности распределения углерода в земной коре показывают,
что существует две формы нахождения углерода: карбонатные соединения и
органические соединения, и те и другие имеют биогенное происхождение.
Связующим звеном между карбонатами и органическими соединениями
служит углекислота, которая является исходным материалом для синтеза
зеленых растений и для образования карбонатов организмами.
Карбонатообразование и фотосинтез имеют общую направленность на
удаление из атмосферы углекислого газа. Возможно, эти процессы являются
частью глобального механизма поддержания невысокой концентрации
углекислоты в атмосфере, что имеет важное значение в связи с развитием
«парникового эффекта».
Современный биогеохимический цикл углерода состоит из двух
крупных циклов более низкого ранга. Первый из них обусловлен
связыванием углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и
новым образованием углекислоты в процессе трансформации первичного
органического
вещества
организмами-гетеротрофами
и
почвенными
микроорганизмами. Если бы этот цикл был полностью замкнутым, то
количество поглощенного при фотосинтезе углекислого газа должно
полностью возвращаться в атмосферу, а этого в действительности не
происходит.
Продуктивность растительности Мировой суши в настоящее время
составляет до 60*109 Сорг, продукцию фотосинтеза в океане определяют от
40 до 60*109 т Сорг.
Только на суше в гумусе почвы накоплено углерода в 2 раза больше,
чем его содержится в атмосфере. В состав стабильных, долгоживущих
гумусовых соединений уходит до 30
% массы углерода ежегодно
отмирающих органов растений.
Трансформация органического вещества в океане существенно
отличается от того, как протекают эти процессы на суше. Преобладающую
часть
фотосинтезируемого
органического
вещества
обеспечивает
фитопланктон. Его сухая масса на три порядка меньше массы растительности
Мировой суши, но
годовая продукция имеет близкие значения. Это
объясняется значительно более быстрыми жизненными циклами главных
фотосинтетиков океана (фитопланктона) по сравнению с наземными
растениями.
Полная
замена
массы
растительности
Мировой
суши
происходит в течение 15 лет, в океане оборот массы фитопланктона
происходит за период до двух суток, а обновление всей биомассы океана –
примерно за 1 месяц. В силу того, что синтезированное планктоном
органическое вещество почти полностью захватывается и разлагается
последующими трофическими циклами, в осадок уходит не более 0,1*10 9 т
год. Таким образом, на протяжении года живое вещество суши и океана
поглощает около 440*109 т углекислоты или 120*109 т Сорг, большая часть
которого возвращается в океан и атмосферу.
Второй
крупный
биогеохимический
цикл
углерода
связан
с
взаимодействием углекислого газа атмосферы с природными водами. Между
газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное
равновесие. Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, от
количества растворенных солей. Увеличение растворимости происходит по
мере роста парциального давления; в пресной воде газы растворяются
больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности земли
неизмеримо меньше, чем соленой. Поэтому в глобальном балансе
углекислоты пресные воды играют более скромную роль, чем соленые.
Растворимость углекислого газа уменьшается с возрастанием температуры.
Среднее содержание углекислоты в морской воде – 0,75 мл/л. Но в воде
углекислый газ вступает в химическое взаимодействие с водой с
образованием угольной кислоты, которая диссоциирует ступенчато, образуя
карбонат-гидрокарбонатную систему. Масса гидрокарбонат иона в Мировом
океане – 196*1012т, в пересчете на углекислоту – 14*1012т, что в 60 раз
превышает массу углекислого газа, находящегося в атмосфере. Таким
образом, океан является основным резервуаром углекислого газа на Земле.
Благодаря процессу растворения-выделения углекислого газа с
поверхности океана, в карбонат-гидрокарбонатной системе происходит
массообмен углекислого газа между атмосферой и океаном по следующей
схеме: углекислый газ активно растворяется в холодной воде приполярных
районов океана. При охлаждении возрастает и плотность воды. Массы
холодной воды опускаются на глубину и в виде мощных холодных течений
перемещаются к экватору. Они постепенно нагреваются, уменьшают
плотность, поднимаются наверх и освобождаются от избытка углекислоты.
Океан действует как грандиозный насос, забирая углекислый газ из
атмосферы в холодных областях и отдавая ее в тропических областях. На
массообмен углекислого газа между поверхностным слоем океана и
тропосферой влияет планктон, освещенность, сезонно-термические условия.
Процесс связывания углерода в составе карбонатов так же, как
связывание
его
в
составе
органического
вещества,
обусловлен
жизнедеятельностью организмов, но осуществляется иным биохимическим
механизмом. Образование карбонатов в значительной мере обусловлено
поступлением ионов с речным стоком. Вынос ионов кальция в осадок 1,33 *
109 т/год карбоната кальция.
Образование карбонатов не ограничивается океаном. Масса карбонатов
ежегодно образуется в почвах аридных ландшафтов.
Таким образом, глобальная динамика масс углерода в биосфере
определяется двумя крупными циклами массообмена. Первый из них
обеспечивается ассимиляцией углекислого газа и разложением воды в
процессе фотосинтеза органического вещества и его последующего
разложения с образованием углекислого газа. Второй цикл обусловлен
процессом поглощения – выделения углекислого газа природными водами при
химическом воздействии углекислоты и воды с образованием карбонат –
гидрокарбонатной системы. Оба цикла неразрывно связаны деятельностью
живого вещества. Живое вещество биосферы, глобальный круговорот воды
и карбонат –
гидрокарбонатная система регулируют
циклический
массообмен углерода между атмосферой, сушей и океаном.
Характерной чертой двух главных циклов массообмена является их
незамкнутость и выведение из циклов некоторого количества углерода в
форме неживого органического вещества и карбонатов. Непрерывный вывод
углерода глобального цикла и захоронения его в осадках морей имеет
кардинальное значение для развития биосферы.
Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода
образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процессе
производства энергии. Другой поток представляет собой различные виды
деструкции органического вещества биоты и почв, которые возникают при
антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти антропогенные потоки
относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В сбалансированном
цикле углерода антропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному
усилению
парникового
эффекта
с
соответствующими
серьезными
последствиями для биосферы.
Вопросы и задания
1. К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот
углерода?
2. Как происходит трансформация углерода в атмосфере Земли?
3. Каковы пути превращения углерода в Мировом океане?
4. Рассмотрите схемы 1-3 (см. прил.) и выявите особенности
массообмена углерода. Назовите процессы преобразования веществ и
условия их протекания.
Биогеохимический цикл кислорода
Кислород – наиболее распространенный химический элемент на Земле
и в биосфере. Основная масса кислорода на земном шаре (93 %) находится в
связном состоянии:
Резервуар
Масса, 1* 109т О
Литосфера 13,4*1018
Гидросфера 1,3 *1018
Осадочная оболочка
40*1015
Биосфера
3,9*1018
7 % кислорода на планете находится в свободном состоянии в виде газа
О2:
Атмосфера
1, 185*10 15
Гидросфера
0,6*1013
Для биосферы исключительно важное значение имеет свободный
кислород, аккумулированный в атмосфере и растворенный в гидросфере.
Кислород служит одним из основных условий существования жизни и
определяет самые важные реакции в биосфере. Образование свободного
кислорода связано со световой энергией Солнца и поэтому может
осуществляться только на поверхности Земли либо абиогенно путем
фотолиза паров воды, либо путем фотосинтеза.
Процесс продуцирования и выделения кислорода в виде газа во время
фотосинтеза противоположен процессу его потребления гетеротрофами при
дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул,
взаимодействием кислорода с водородом, отщепляемым от субстрата, и
образованием воды.
Круговорот свободного кислорода в природе называется процесс
образования кислорода в результате фотосинтеза и потребление его в ходе
дыхания, а также реакций окисления.
В некотором роде круговорот кислорода напоминает круговорот
углекислоты: движение одного происходит в направлении, противоположном
движению другого.
При реакции фотосинтеза для выделения определенного объема
кислорода требуется поглощение такого же объема углекислого газа.
Основная масса углекислого газа образуется в результате процессов
микробиологического разложения органического вещества. Значительная
часть углекислоты возвращается, чтобы снова быть вовлеченной в
биокруговорот.
Следовательно,
поступление
кислорода
в
атмосферу
определяется
соотношением
синтезируемого
и
разлагающегося
органического вещества.
Если
процессы
разложения
разрушают
такое
же
количество
органического
вещества,
которое
образуется
растительностью,
то
содержание кислорода не может увеличиваться, так как сколько выделится
его при фотосинтезе, столько же поглотится при разложении. Непременно
условие возрастания содержания кислорода в атмосфере – преобладание
массы продукции фотосинтеза над массой разлагаемого органического
вещества. Это условие легче обеспечивается на суше благодаря обилию
элементов минерального питания растений. Иное положение в океане, где из-
за дефицита элементов питания продукты отмирания фотосинтезирующих
организмов не извлекаются из сферы биокруговорота, вновь и вновь
захватываясь разными группами консументов.
Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного
кислорода требуется 2,5 тыс. лет главным образом за счет кислорода,
образующегося при фотосинтезе наземных растений. Выделение кислорода
растительностью суши можно оценить 220*109 т/год О2. После вырубки леса
и уничтожения растительности площадь лесов сократилась на 25 %, и
выделение кислорода составляет около 165*109 т/год. Фотосинтез в океане
поставляет в среднем 130*109 О2 в год. Суммарное выделение кислорода
фотосинтетиками суши и океана составляет около 300*109 т/год. Основные
черты глобального цикла кислорода, по расчетам Дж. Уолкера (1980),
описываются
следующими
процессами:
выделение
кислорода
растительностью Мировой суши – 150*1015т/год, фотосинтезирующими
организмами океана – 120*1015 т/год, поглощение кислорода в результате
аэробного дыхания – 210*1015 т/год, биологическая нитрификация и другие
процессы – 70*1015 т/год.
Биогеохимический цикл кислорода является планетарным процессом,
связывающим атмосферу, гидросферу и литосферу.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
