Лекции по экологии
[pic]
Рис. 2.9. Кругооборот серы (упрощенно)
Кругооборот серы можно представить схемой (рис. 2.10).
[pic]
Рис. 2.10. Кругооборот серы
2.6.4. Кругооборот азота
Азот составляет примерно 78 % воздуха атмосферы. Часть его содержится
в почве и в воде в виде неорганических соединений (в виде аммонийных солей,
а также нитритов и нитратов), а часть – в форме органических соединений,
входящих в состав растительных и животных белков, аминокислот. Существует
большой кругооборот азота, включающий сушу и атмосферу, частью которого
является малый кругооборот (биотический). Общая упрощенная схема
кругооборота азота представлена на рис. 2.11.
[pic]
Рис. 2.11. Кругооборот азота (упрощенно)
Биогеохимический цикл азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим
подробнее. Азот в свободном виде (в виде N2) недоступен растениям. Для
своего роста растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой
кислот, хуже – аммиачные соединения.
На границе воздушной атмосферы и грунта содержится от 0,02 до 0,056
кг/м3 азота (летом и осенью больше, чем зимой и весной, из-за грозовых
разрядов). За год на 1 га в разных частях земли выпадает 2,6-14,3 кг азота.
Больше всего азота вблизи больших химических предприятий, связанных с
продуктами азота, поэтому в почву в радиусе нескольких километров азотных
удобрений не следует вносить.
Как же азот из воздуха попадает в почву в связанном виде? Это
возможно благодаря азотофиксирующим бактериям, живущим в грунтах, а также
сине-зеленым водорослям в водоемах. Поэтому их значение необычайно велико.
Примерами таких бактерий являются аэробные азотобактерии (действуют в
присутствии кислорода воздуха), анаэробные клостридиумы Пастера (действуют
без доступа О2), клубеньковые бактерии, живущие и функционирующие в корнях-
клубнях, в основном бобовых растений. Процесс фиксации таков:
N2 + 3Н2 ( 2NН3 + 615,63 кДж.
(или 2N)
За год эти бактерии могут запасать для растений до 20 –30 кг азота.
Затем начинают выполнять свои функции нитрифицирующие бактерии (упрощенно -
нитритные и нитратные), окисляющие аммиак (соответственно, до азотистой и
азотной кислот):
2NН3 + 3О2 ( 2НNО2 + 2Н2О + 148 ккал;
2НNО2 + О2 ( 2НNО3 + 48 ккал.
Эти кислоты в процессе обменных реакций в грунтовых растворах образуют
соли (нитриты и нитраты), которыми питаются растения:
К2СО3 + 2НNО3 ( 2КNО3 + СО2( + Н2О.
(или СаСО3)
Растения используют нитраты для синтеза белковых соединений, которые
идут для питания другим живым организмам (например, животным),
синтезирующим свои аминокислоты и т.д. Продукты выделения (экскреция) –
мочевина и другие, трупы растений и животных подвергаются деструкции и
минерализуются сначала до аммиака и аммиачных соединений (аммонификация)
под действием бактерий, грибов, дождевых червей и др., и далее до солей
азотных кислот, а последние денитрифицирующими бактериями до N2, уходящего
в атмосферу (реакция 1). Частью в атмосферу азот удаляется и в виде NН3.
Затем начинается новый цикл.
5С6Н12О6 + 24КNО3 ( 30СО2( + 18Н2О + 24КОН + 12N2 + 9388,3 (1)
кДж/моль.
Часть аммиака после аммонификации в почве нитрифицируется бактериями
до солей (нитритов и нитратов) и остается в почве для питания растений.
Итак, существуют азотофиксирующие бактерии (азот переводят в NН3),
нитрифицирующие (аммиак - в основном, в соли НNО3), а денитрифицирующие
разлагают нитратные соли, превращая их в NН3 и даже до N2. Поэтому первые и
вторые бактерии обогащают грунт доступными для растений формами азота, а
третьи – обедняют грунт азотом.
Более полная схема кругооборота азота представлена на рис.2.12.
[pic]
Рис. 2.12. Схема биотического кругооборота азота по Р.Риклефсу (1979 г.)
В геологический кругооборот постоянно поступает часть азота в виде
различных соединений, частью используемых в сельском хозяйстве в качестве
азотных удобрений. Азотсодержащие вещества частью поступают и в реки,
благодаря стоку которых выносятся в моря. Часть азота попадает в реки и
далее в моря за счет осадков, например, кислотных дождей (содержащих НNО3),
из-за выбросов оксидов азота (а также образования оксида азота в атмосфере
при грозах). Наибольшее содержание соединений азота в районах впадения рек
в моря, наименьшее – в центральных частях океанов. Азотсодержащие
соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и
поступают в кругооборот океана, часть постепенно оседает на дно, потому,
вынесение азота с суши не увеличивает его концентрацию в морской воде.
Неуправляемая же деятельность людей может привести к сильному загрязнению
окружающей среды, что нарушит природный баланс. Тревожные изменения в
биосфере уже и сейчас столь заметны. Это цветение рек, чрезмерное
размножение сине-зеленых водорослей, ускоряющееся заболачивание природных
водоемов, ухудшение качества воды и т.д.
2.6.5. Кругооборот фосфора
Кругооборот фосфора достаточно сложен. Рассмотрим его в упрощенном
виде. Фосфор один из наиболее важных биогенных элементов, так как входит в
состав нуклеиновых кислот, костной ткани, клеточных мембран, систем
переноса энергии (АТФ) и др. Кругооборот фосфора также совершается по
большому и малому циклам, но всецело связан с жизнедеятельностью
организмов. Фосфор – подвижный элемент, поэтому его кругооборот зависит от
множества факторов окружающей среды, а в наше время особенно - от
антропогенных. Так, фосфор активно поступает в водные источники в виде
моющих средств (детергентов), фосфорных и комбинированных удобрений с
полей, отходов промышленности (особенно продуктов переработки
фосфорсодержащих минералов – апатитов и фосфоритов) и др. Это приводит к
нарушению равновесия в биогенном кругообороте фосфора, представленного на
рис. 2.13.
Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от
кислотности почвенного раствора. Так, в воде (в среде близкой к
нейтральной) фосфаты натрия, калия, кальция и других металлов
слаборастворимы, в щелочной среде (при рН ( 7) – практически нерастворимы,
а с повышением кислотности постепенно превращаются (рис.2.14) в хорошо
растворимые - фосфорную кислоту Н3РО4 и NаН2РО4, относительно растворимую
соль Са(Н2РО4)2, которые хорошо усваиваются растениями.
[pic]
Рис. 2.13. Схема биотического кругооборота фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)
По распространенности в биосфере фосфор не рекордсмен, но многие
организмы выработали различные приспособления для улавливания и накопления
этого элемента в концентрациях, значительно превышающих его содержание в
окружающей среде (особенно в воде).
Увеличение кислотности с уменьшением рН среды (
Ионная форма: РО43- ( НРО42- ( Н2РО4- (
Н3РО4
( ( ( (
соль: Na3РО4 Na2НРО4 NaН2РО4 очень
растворимость: слегка (средняя) средняя хорошо хорошо
растворимость растворимость растворима растворима
соль: Ca3(РО4)2 CaНРО4 Ca(Н2РО4)2
растворимость: нерастворима нерастворима малорастворима
Рис. 2.14. Растворимость фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)
Так, вдоль юго-восточного побережья Америки обитают моллюски
(небольшая колония) – биомассой 12 кг на 1 м2. Эти моллюски относятся к
типу фильтрантов. Они фильтруют воду, извлекая из нее мелкие организмы и
детрит, богатый фосфором и другими элементами в мелководной зоне прилива.
Расчет показал, что кругооборот частиц, содержащих фосфор, в этой зоне
происходит всего за 2,6 суток. За это время моллюски извлекали фосфор в
количествах, соответствующих его среднему содержанию во всех взвешенных
частицах. Этот моллюск, являясь второстепенным компонентом прибрежного
сообщества (малая пищевая ценность для других живых существ), оказывает
громадное значение на кругооборот и удержание ценного фосфора.
Фосфор накапливается в виде соединений на дне океана на небольших
глубинах, откуда из-за геологических изменений оказывается в литосфере, а
со временем и в верхних слоях литосферы (например, в виде апатитов и
фосфоритов). Существуют апатиты и вулканического происхождения.
Часть отложений соединений фосфора остается в осадке в неглубоких
водах и включается в повторный кругооборот, посредством диатомей (вид
водорослей), которые накапливают фосфор. Отмирая, они являются источниками
фосфора.
Кругооборот воды в биосфере будет рассмотрен в разделе "Атмосфера".
3.2. ЛИТОСФЕРА ЗЕМЛИ
Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и
часть верхней мантии (толщина литосферы 50-100 км, хотя некоторые авторы
говорят и мощности свыше 100 км).
Земная кора имеет также слоистое строение:
1) верхний слой с низкими параметрами температуры и давления - кора
выветривания (осадочный слой, содержащий осадочные породы - например,
песок, глину, известковые образования и др.) мощностью на суше 0,5-0,8
км, включает и дно гидросферы (например, ил толщиной 1-1,5 км). Самый
тонкий (в среднем 1-1,5 м) поверхностный слой и важнейший в
биосфере - почва.
2) гранитовый слой (более плотный), который на дне океана сильно
истончается и даже может отсутствовать;
3) базальтовый слой (еще с большей плотностью).
Химический состав земной коры определяется содержанием в ней, прежде
всего, 8 наиболее распространенных элементов (в массовых %, по Вернадскому
и Ферсману): кислород (О)- 49,5, кремний (Si) - около 26, алюминий (Al) -
7,4, железо (Fe) - 4, кальций (Са) - 3, натрий (Na) - 2,6, калий (К) - 2,4,
магний (Mg) - 1,9. Важнейшим составляющим литосферы и гидросферы является
почва.
3.2.1. Почва
3.2.1.1. Общая характеристика почв
Почва - самый верхний тончайший слой суши, образовавшийся под влиянием
живых организмов, климатических процессов (выветривания - воздействия ветра
и осадков, колебания температур и др.), сейсмических и механических
процессов из материнских (земных) горных пород.
Плодородная почва - важнейший для человека ресурс, так как это залог
производства почти всех продуктов питания. 95 % продовольствия человек
получает от земель и только 5 % из океана. Обилие земельных и водных
ресурсов - главное условие процветания цивилизации.
Толщина почвенного покрова невелика (например, толщина наиболее
плодородных почвенных образований - черноземов на равнинах в среднем 1-1,5
м), хотя с увеличением высоты (по отношению к уровню моря) почвенный покров
истончается, а порой и отсутствует, и тем самым материнская порода выходит
на земную поверхность. Современный состав почвенного покрова Земли: 28 %
приходится на леса, 17 % - луга, 10 % - пашни, 45 % - остальную сушу.
Структура почвы - это совокупность агрегатов (комочков почвы), обладающих
различной величиной, формой и определенными физико-химическими свойствами.
Так, высокоплодородные тучные глинистые черноземы имеют хорошо выраженную
водопрочную комковато-зернистую структуру. Упрощенная схема строения почвы
может быть выражена следующим образом (рис. 3.1.):
_____________________________________________
самый тонкий слой - подстилка
---------------------------------------------------------------------
слой перегноя
______________________________________________
слой вымывания
______________________________________________
слой накопления минеральных солей
______________________________________________
подпочва
______________________________________________
Рис. 3.1. Упрощенная схема строения почвы
Собственно к почве обычно относят средние три слоя. Чем больше слоев
(более мощный горизонт), тем выше обычно плодородие почвы. Почва (по
Вернадскому) - это биокосное вещество. Главные компоненты почвы:
1) минеральные частицы (песок, глина и др.), состоящие, главным образом, из
8 вышеприведенных наиболее распространенных в земной коре химических
элементов);
2) детрит - отмершее органическое вещество (остатки от растений, животных и
микроорганизмов);
3) множество живых организмов (от растений и животных до детритофагов и
редуцентов). Это насекомые, грибы, бактерии, дождевые и другие виды
червей, простейшие и др.
Роль большинства этих живых организмов состоит в переводе детрита в
гумус (органические вещества во многом определяющие плодородие почвы). Так,
в тучных черноземах имеется гумусовый горизонт толщиной 60-70 см, а
содержание гумуса может достигать 15 %. Плотность такой почвы, благодаря
органическому гумусу, составляет 1,1-1,2 г/см3, в отличие от песчаных почв
плотностью свыше 2 г/см3 при малом содержании гумуса. Средний же состав
почвы: 93 % минеральных и 7 % органических веществ. Площадь черноземов на
нашей планете сейчас составляет примерно 600 млн га. Большая часть их
представлена на равнинах. Ведущим специалистом в мире в области
почвоведения был русский профессор В.В. Докучаев. Он же подробно изучил
черноземы России. Лучшими по показателям были признаны тучные карловские
черноземы - Полтавской губернии и воронежские. В качестве идеального
образца и сейчас во Франции в метрологическом музее пребывает образец
чернозема именно Воронежской губернии. Основные типы почв на территории
России это: черноземы, подзолистые, дерново-подзолистые, подзолисто-
болотные, серые лесостепные, пойменные, солончаки и др.
3.2.1.2. Свойства почвы как среды обитания
Свойства различных типов почв определяют эдафогенные факторы, которые
ниже и рассматриваются.
3.2.1.2.1. Минеральные элементы питания и способность
почвы их удерживать
Для питания растений необходимы такие минеральные, питательные
компоненты (иными словами биогены), как нитраты (NO3-), фосфаты (PO43-),
калий (K+) и кальций (Ca2+). За исключением соединений азота, которые
образуются из атмосферного N2 в процессе круговорота, все биогены
изначально входят в химический состав горных пород наряду с
“непитательными” элементами, такими как кремний и алюминий. Однако эти
биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре пород. Чтобы
ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор,
порода должна быть разрушена.
Порода, которую называют материнской, разрушается в процессе
естественного выветривания.
Выветривание включает процессы:
1) воздействие ветра и воды
2) замерзание и оттаивание;
3) нагревание и охлаждение;
4) абразивное действие песчаных частиц;
5) биологические факторы (растения в мелких трещинах и др.);
6) химическое воздействие.
Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступными для
питания растениям, но могут также вымываться просачивающейся сквозь почву
водой. Последний процесс называется выщелачиванием.
Выщелачивание почв - вымывание из почвы или отдельного ее горизонта
растворимых веществ под влиянием нисходящего или бокового тока почвенного
раствора. Эти вещества могут выноситься за пределы почвы или накапливаться
в одном из ее горизонтов (расположенный параллельно поверхности
относительно однородный слой почвы, обособившийся в процессе
почвообразования).
Выщелачивание не только снижает плодородие почв, но и способствует
загрязнению среды. Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов,
чтобы они не выщелачивались и могли поглощаться корнями, называют
ионообменной емкостью почвы.
Будучи исходным источником биогенов, выветривание все же слишком
медленный процесс, чтобы обеспечить нормальное развитие растений. В
естественных системах основной источник биогенов - разлагающиеся детрит и
метаболические отходы животных, то есть кругооборот биогенов. Если
ионообменная емкость утрачена, то биогены выщелачиваются и плодородие
падает.
В агроэкосистемах происходит неизбежное удаление биогенов с собранным
урожаем, так как они входят в состав растительного материала. Поэтому их
запас постоянно пополняют, внося удобрения:
1) неорганические (химические) смесь минеральных биогенов (нитраты,
фосфаты, калийные удобрения и др.);
2) органические (растительные остатки и отходы, например, навоз).
Даже при внесении удобрений ионообменная емкость почвы сохраняет свое
жизненно важное значение.
Выщелачивание удобрений наносит экономический ущерб и загрязнение
водоемов, а порой приводит к эвтрофикации водоемов, сопровождающейся
массовым размножением сине-зеленых водорослей, уменьшением концентрации
свободного кислорода в воде и массовой гибелью многих обитателей водоемов,
а особенно рыб, изменением видового состава бактерий и т.д.
3.2.1.2.2. Вода и водоудерживающая способность почвы
В листьях растений существуют тонкие поры, через которые происходит
поглощение углекислого газа (CO2) и выделение кислорода (O2) в процессе
фотосинтеза. Однако они же пропускают пары воды из клеток растения с
поверхности листьев в атмосферу. Это явление транспирации, на которую
расходуется 99 % всей поглощаемой растениями воды, на фотосинтез же
расходуется менее 1 % . Недостаток воды определенно сказывается на росте и
развитии растений. Очевидно, что если вода стекает с поверхности, а не
впитывается, пользы от этого не будет. Поэтому важна инфильтрация
(способность воды просачиваться в глубь почвы и далее). Причем вода,
просачивающаяся в нижние слои (ниже 1 – 1,5 м), для многих растений
становится недоступной. Для растений важна вода, удерживаемая слоем почвы.
Величина этого запаса воды называется водоудерживающей способностью почвы.
Даже при редких осадках почвы с хорошей водоудерживающей способностью могут
запасти достаточно влаги для поддержания жизни растений.
Кроме этого, запас воды в почве сокращается не только в результате его
использования растениями, но и за счет испарения с поверхности почвы. Чтобы
его уменьшить, создают растительный покров.
Таким образом, идеальной может считаться такая почва, которая имеет
следующие характеристики:
1) инфильтрация - хорошая;
2) водоудерживающая способность - высокая;
3) испарение с поверхности - низкое.
Этим условиям соответствуют, например, черноземы.
3.2.1.2.3. Кислород и аэрация почвы
Чтобы расти и поглощать биогенные элементы, корням необходима энергия,
генерируемая при окислении глюкозы в процессе клеточного дыхания. При этом
Страницы: 1, 2, 3
|