Екологія - Васюкова Г.Т. - 3.4.3. Біохімічні кругообіги речовини

Потік енергії на Земній Кулі має три джерела:

а) сонячна енергія;

б) енергія земних надр;

в) кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл

Найголовнішою частиною в системі керування біосферою є енергія Сонця. Всю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Особливістю поведінки енергії в біосфері є її одностороння спрямованість - концентрована енергія, пройшовши ряд перетворень, розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Продуценти перетворюють вільну променеву енергію Сонця (концентрована енергія) в хімічно зв'язану, яка потім переходить (по харчових ланцюгах) від одних біосферних структур до інших (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основні напрямки потоків енергії на Земній Кулі.

При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та розсіюється в навколишньому просторі. У більш детальному вигляді схема планетарного потоку енергії показана на рис.3.2.

Рис. 3.2. Планетний потік енергії

Доля річного притоку сонячної енергії така:

1) відбивається-30%;

2) прямо перетворюється в тепло - 40/о,

3) випар, опади-23%;

4) вітер, хвилі-0,2%;

5) фотосинтез-0,08%.

Таким чином, тільки невеличка частина сонячної енергії И %) витрачена на фотосинтез,але саме вона є джерелом усього життя на Землі. Проте, ті приблизно 70% енергії Сонця, що перетворюються в тепло, ідуть на випар, вітер, не губляться даремно, тому що ця енергія підтримує потрібну для життя температуру, пускає в хід системи погоди, забезпечує кругообіг води, без чого неможливе життя на Землі. Нормальне функціонування біосфери можливе лише за умов, коли нічим не стримується надходження та передача концентрованої енергії, та стік теплової енергії.

3.4.3. Біохімічні кругообіги речовини

З потоками енергії тісно пов'язані потоки речовини. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси і сонячна енергія, одержав назву великого (геологічного) кругообігу.

Схематично це можна уявити так. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальта) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під дією сонячної енергії і живої речовини вони вивітрюються, переносяться, перетворюються у різноманітні осадкові породи. Потім за рахунок тектонічних рухів знову потрапляють у зону великих тисків і температур Землі, де з них звільняється сонячна енергія, здійснюється метаморфізм і створення гранітних порід. Гранітні породи знову за рахунок тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином, великий кругообіг речовини можна розглядати як еволюцію земної кори від океанічного (базальтового) типу до материкового (гранітного). Потужність великого кругообігу приблизно 2 х 10¹⁶ т/рік.

Виникнення життя на Землі сприяло появі нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. На великий (геологічний) наклався малий (біогенний) кругообіг речовини. У малому кругообігу переміщуються в основному вуглець (2 х 10" т/рік) і фосфор ( 10⁸ т/рік). Обидва кругообіги протікають зараз одночасно і тісно пов'язані між собою.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біохімічні цикли — це циклічне переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію й ін. від даного компонента біосфери до інших так, що на визначених ділянках цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Переміщення речовини в біохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів.

Головними оціночними параметрами ефективності і напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад і активне функціонування живих організмів.

Хімічні елементи, що беруть участь у будівництві живої речовини і необхідні для його синтезу, одержали назву біогенних.

Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий: Fe -36%, 0₂- 25%, Si * 23%, Mg " 10%, S * 3%, Ni * 2%, інші - 15%.. Склад біомаси зовсім інший: О₂"70%, С" 15%, Н = 11%, інші = 4%.

Принцип циклічності в перетвореннях і переміщеннях речовини в біосфері є основоположним. Зберігання циклічності - умова існування біосфери.

Центральне місце в біосфері посідають біохімічні цикли: вуглецю, води, азоту, та фосфору. Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології.

Біохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (рис.3.3). Цей цикл ініціюється фото синтезом та диханням, обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40-50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється і торф. У цих двох формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.

Рис. 3..3. Біогеохімічний цикл вуглецю

Рис. 3.4. Біогеохімічний цикл води

Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всього 2% від загальної її кількості. Тіла всіх живих організмів досить сильно обводнені: у тварин на долю води припадає 70%, а у рослин - 90-95% від їхньої маси. Загальний кругообіг води ініціюється потоком сонячної радіації. Випаровування та трансляція переводять воду з рідкого стану в газоподібний, і вона надходить в атмосферу. Атмосферні опади забезпечують обводнення континентів (хоча частина опадів випадає безпосередньо над водоймами). Кількісні показники кругообігу води визначаються кліматом та й самі визначають клімат. Головним параметром оцінки інтенсивності кругообігу води служить евапотранспірація з її розділенням на випаровування та власну транспірацію. Безпосередньо на формування біомаси залучається всього десь 1% води від загальної її кількості, що є на планеті. На утворення 1 кг біомаси використовується 130-230 кг води, і тому кругообіг є досить активним. Вода морів та океанів, а також підземні води служать як депо води.

Моря втрачають від випаровування більше (1200 мм/рік), ніж отримують від опадів (1100 мм/рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710 мм, а випаровування - 470 мм. Зворотнє надходження води до океанів та морів йде через поверхневий та підземний стоки. Сільськогосподарське та промислове виробництво, не змінюючи загальної кількості води в її біохімічному циклі, суттєво перерозподіляє надходження води різним регіонам. Виявилося, що меліорацією охоплені величезні території. Відірваність меліоративних проектів від екологічних концесій призвела в кінцевому результаті до запустелювання, обмілення рік, висихання замкнених водойм, що розташовані в умовах континентального клімату. Яскравим прикладом є обводнення півдня Середньої Азії за рахунок забору води з Амудар'ї та Сирдар'ї, що завершилося трагедією Аралу. Суттєвий вплив на цикл води чинить промислове виробництво. Більшість його видів пов'язані з використанням великої кількості води, яка повертається в депо вже дуже забрудненою.

Рис. 3.5. Біогеохімічний цикл азоту

вміщують зв'язаний азот, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрофікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м² на рік до 1-20г/м²нарік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в рік.

В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв'язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміак, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив у біогеохімічний цикл азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4 х 10⁷ т азоту в рік (Garrels et al., 1973)

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак, в сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють ґрунтові води та водойми. Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.

Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер (рис.3.6.). Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні створюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуцента. Втрати фосфору з біохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біохімічного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні наслідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у результаті вітрової ерозії надходить до водойм, що призводять до авторіфікаії. Чудовою особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і робляться доступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.

Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом'якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури. Але всі ці якості біосфери не можуть протистояти нерозумним діям людини і різко падають при антропогенних впливах. Так, посухи порівняно безпечні для природних екосистем, але вони наносять відчутні збитки агроекосистемам. Зберегти ґрунтово - кліматичні умови великих регіонів планети та забезпечити їх стійкість можна тільки при наявності в цих регіонах досить великих за площами природних біомів.

Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт - це зовсім особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стіканню до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.

Рис.3.6. Біогеохімічний цикл фосфору

Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовини з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність спалювання палива призводить до надходження до атмосфери близько 20 млрд. тонн вуглекислого газу та 700 млн. тонн інших газів і твердих часток. Вирубка лісів призводить до винесення з екосистеми лісу тисячі тонн азоту, кремнію, фосфору.

Ці процеси ведуть до появи нового техногенного типу кругообіг; хімічних елементів. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Нормальне функціонування біосфери можливе, якщо антропогенна діяльність не перешкоджає здійсненню природних біогеохімічних циклів, руйнація яких може призвести до деградації біосфери.