Виды круговоротов веществ и элементов на Земле

Круговорот веществ — это многократное участие веществ в процессах, происходящих на Земле.

Более точно следует говорить, что в круговороте участвуют не вещества, а химические элементы. После использования пищи одними организмами химические элементы переходят в соединения, усвояемые другими организмами. Энергия для осуществления этих процессов поступает от Солнца, а активную роль в них играют живые организмы. Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, и малый, биологический (биотический). Оба круговорота взаимно связаны и представляют единый процесс.

Большой геологический круговорот вещества включает в себя последовательные процессы выветривания массивно-кристаллических пород, образование толщи осадочных, погружение их на большие глубины, метаморфизацию и новое преобразование метаморфических пород в массивно-кристаллические. Длительность собственно геологической истории земного шара составляет около половины всего возраста нашей планеты.

Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом. Возраст биологического круговорота веществ составляет примерно 15 - 20 % времени общей истории существования земного шара.

В истории геологических и биологических круговоротов, формирующих земную кору и почвенный покров, необходимо различать этапы (Ковда В.А., 1973):

а) абиотический, охватывающий большую часть докембрия (6000 * 10⁶ - 500 * 10⁶ лет);

б) биотический, продолжительностью порядка 0,8 - 1,0 млрд. лет;

в) почвенный, продолжительностью порядка 300 - 400 млн. лет;

г) антропогенный, наименее продолжительный, порядка 1 млн. лет.

В понятие круговорота вещества на Земле в настоящее время вкладываются круговороты отдельных химических элементов и биологические круговороты веществ в биосфере. Химические элементы обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

В разные периоды жизни на Земле воздействие биоты на окружающую среду было различным по объему, структуре вещественных потоков, механизмам и эффективности. Именно процессы биотической регуляции, развивающиеся на Земле на протяжении примерно четырех миллиардов лет, явились мощнейшим фактором преобразования окружающей среды на Земле.

Благодаря непрерывному обмену веществом между биосферой и литосферой все элементы земной коры уже неоднократно входили в состав живого вещества.

Наиболее важным результатом существования жизненных циклов на нашей планете является регулярная продукция огромных запасов потенциальной энергии, связанной в растительном органическом веществе. Эта энергия в последующем расходуется бесконечной цепью ассоциирующих животных организмов, грибов, бактерий, биохимическими и химическими реакциями.

Продолжительность того или иного цикла оценивается по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе. Время достаточное для полного оборота некоторых веществ на Земле, приведено в табл. 1.

До вмешательства в биосферу промышленных или сельскохозяйственных технологий такой круговорот атомов осуществлялся гармонично, подчиняясь единым энергетическим законам, управляясь совместным действием биологических и геохимических факторов.

Процессы, возникающие под техногенным воздействием, отличаются от природных в качественном и количественном отношениях.

Таблица 1

Время полного оборота вещества на Земле

(Кормилицин В.И., Цицкишвили М.С., Яламов, 1997)

Наименование вещества	Время, годы
Углекислый газ атмосферы (через фотосинтез)
Кислород атмосферы (через фотосинтез)
Воды океана (путем испарения)	10⁶
Азот атмосферы (путем окисления электрическими разрядами, фотохимическим путем и биологической фиксацией)	10⁸
Вещество континентов (путем денудации *- выветривания	10⁸

* - денудация - совокупность процессов сноса и переноса продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности.

Качественные отличия заключаются в синтезе чуждых биосфере соединений или их концентрациях. По характеру и направленности антропогенных воздействий также могут не соответствовать природным условиям территории (например, возникновение местных техногенных землетрясений, вызванных добычей нефти, строительства искусственных водоемов, ведением крупных массовых взрывов в несейсмической зоне).

Количественные особенности заключаются в более значительных объемах, скорости и интенсивности поступления различных элементов. Естественный круговорот атомов в биосфере просто не успевает за техногенными выбросами.

Емкость и скорость биогеохимического круговорота атомов во многом определяется содержанием в ландшафте, гидро- и атмосфере дефицитных и избыточных элементов. Дефицитными называются элементы (O, N, P, Ca, Mg, Cu, Co, J, F, Mo, Zn, Mn и др), добавление подвижных форм которых в биосфере ускоряет биогеохимический круговорот, повышает его емкость. В большинстве случаев недостает именно подвижных форм, в то время как общее содержание элемента в биосфере может быть достаточно велико. Поэтому борьба с дефицитом элементов должна идти по двум направлениям: добавление извне в ландшафт недостающих элементов и повышением подвижности инертной части.

Избыточными называются элементы (CL, S, Na, Cu, Ni, Fe, F), удаление которых из биосферы ускоряет круговорот и повышает его емкость.

В каждом круговороте удобно различать две части, или два «фонда»:

1) резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

2) подвижный, или обменный фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Задание 1.

Рассчитать запасы основных элементов, входящих в состав земной коры и формирующих резервный фонд почвы, на основании данных по содержанию этих элементов по результатам валового анализа почв.

Рассчитать запасы подвижных элементов питания, составляющих обменный фонд почвы.

Определить степень мобилизации подвижных элементов, входящих в обменный фонд, в составе общих запасов в почве.

Исходные данные.

Таблица 4

Определить запасы основных биофильных элементов

дерново-подзолистых легкосуглинистых пахотных почвах слое 0 – 50 см, в т/га.

Глубина, см	d, г/см³	% на прокаленную навеску	мг на 100 г почвы
N	P₂O₅	K₂O	N_мин.	P₂O₅	K₂O
0 - 20	1,25	0,090	0,12	1,85	2,8	1,4	2,0
20 - 30	1,30	0,050	0,10	1,75	2,4	0,7	1,1
30 - 50	1,35	0,02	0,08	1,60	2,,2	1,1	1,3

Расчет запасов проводится по формуле:

Q = A×h×d,

где Q - запасы элемента, т/га,

h - мощность слоя, см,

d - плотность сложения слоя, г/см³.

Результаты расчетов представить в виде следующей таблицы:

Таблица 5

Запасы биофильных элементов в слое почвы 0 - 50 см

(т /га числитель, т/га - знаменатель)

Глубина, см	N	P₂O₅	K₂O	% от
N_вал	P₂O₅_вал	K₂O_вал
0 - 20	___	____	____
20 - 30	___	____	____
30 - 50	___	____	____
0 - 50	___	____	____

Сделать выводы о запасах валовых и подвижных форм основных биофильных элементов и их подвижности.

Задание 2.

Выявление эффективности разных видов живых организмов в круговороте веществ

На основе данных, полученных в полевых исследованиях, определить роль разных видов в круговороте веществ.

Таблица 6

Продукция малых сусликов и степных сурков

в Северном Прикаспии

Вид	Год	Корм	Вторичная продукция
Потреблено	Усвоено
Суслик малый


Сурок степной

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Рассчитайте отношение вторичной продукции к потребленному корму (в %).

Таблица 7

Эффективность образования продукции

разными видами животных

Вид	Год	Отношение вторичной продукции к потребленному корму, %	Отношение вторичной продукции к усвоенному корму, %
Суслик малый


Сурок степной