<<
>>

Элементы и особенности биогеохимического круговорота веществ в природе

  Элементами круговорота веществ в природе являются: регулярно»повторяющиеся или непрерывно текущие процессы притока энергии, а также образование и синтез новых соединений; постоянные или периодические процессы переноса и перераспределения энергии и процессы выноса и направленного перемещания синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов;

направленные ритмические или периодические процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды; постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органо-минеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые играют роль исходных компонентов для новых, очередных синтетических циклов круговорота веществ.

В природе протекают как биологические циклы веществ, так и абиогенные циклы веществ.

Биологические циклы обусловлены во всех звеньях, отмеченных выше, жизнедеятельностью организмов в самом широком смысле (питание, пищевые связи, размножение, рост, передвижение, выделение метаболитов, смерть, разложение, минерализация).

Абиогенные циклы сложились на планете намного раньше биогенных циклов. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов.

В геологических, гидрологических, геохимических, атмосферных круговоротах веществ в добиогенный период истории планеты определяющая роль принадлежит чисто физическим и химическим (геохимическим и геофизическим) факторам и более всего водной и воздушной миграции и аккумуляции.

В условиях развитой биосферы на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет круговорот веществ в природе направляется уже в разном соотношении, но обязательно совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Именно в этом смысле употребляются термины *биогеохимический круговорот*, *биогеохймические циклы*, *биогеохи- мическая миграция и дифференциация* элементов, соединений, вещества.

В ходе истории современной цивилизации и особенно в минувшие 50-100 лет многосторонняя хозяйственная деятельность человека, ее прямое и косвенное влияние и последствия подняли роль антропогенного фактора на уровень,сравнимый с природными биогеохимическими факторами круговорота веществ в биосфере. Во многих звеньях и частях природных круговоротов веществ хозяйственная деятельность человека приобрела роль главной силы, направляющей круговорот веществ в природе (локально, регионально, глобально). Отсюда возникает необходимость говорить об антропогенных факторах нарушения и изменения нормальных биогеохимических циклов (см.табл.1).

Нормальные ненарушенные биогеохимические циклы носят "почти круговой*, *почти замкнутый* характер. Степень повторяющегося воспроизводства циклов в природе очень велика и вероятно достигает 90-95-98%. Этим поддерживается известное постоянство и *равновесие* состава, количества и концентрации компонентов, вовлеченных в круговорот, а также генетическая и физиологическая приспособленность и *гармоничность* организмов и окружающей биосферы. Однако в аспекте геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к миграции и дифференциации элементов и соединений в пространстве и различных средах и компонентах биосферы, к концентрированию или к рассеянию тех или иных элементов. Таково, например, биогенное накопление азота и кислорода в атмосфере, биогенное и хемогенное накопление соединений углерода в земной коре (нефть, уголь, известняки) и постепенное уменьшение содержания СОд в воздухе; накопление водорода и кислорода в виде масс воды в океане, вынос легкорастворимых солей из коры выветривания суши в океан и пустыни, концентрирование соединений железа, меди, никеля в одни^ частях планеты и их рассеивание в других и т.д.

Хозяйственная деятельность человека часто коренным образом меняет направленность природных биогеохимических циклов. Современная промыт лен- ность удобрений фиксирует азот атмосферы и возвращает его в почвы в раз- мерах, превышающих биологическую фиксацию.

Железо, марганец, медь мобилизуются из рудных месторождений, поступая в циклы биосферы. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Параметры биогеохимического круговорота на суше

Важнейшими характеристиками состояния биосферы являются величина биомассы, количество углерода и связанной энергии в биомассе на поверхности и в почве, годичный прирост и количество минеральных веществ, вовлеченных в состав биомассы (табл. 2).

Таблица 2

Характеристика биомассы планеты

Живое вещество суши, т Биомасса лесов, т

Минеральные вещества и азот в био

ю12-13

1011-12

io10

массе суши, т

Энергия, связанная в биомассе

ю1а-20

суши, ккал

Энергия, связанная в корнях и

ю19-20

гумусе почв, ккал Энергия, связанная в растворенном органическом веществе океана, ккал Годичный прирост, %

ю19

тайга

4-7

леса лиственные

10-15

трава

30-50

Все эти величины подсчитаны различными учеными весьма приближенно и на малодостоверных исходных данных; они могут быть ошибочными на 0,5- 1,0 порядок.

Предстоит большая сложная работа по оценке размеров биомассы и ее состава и особенно для ответа на вопрос: уменьшается или увеличивается биомасса и в каких частях планеты в наше столетие?

Жизнедеятельность растений, животных, микроорганизмов сопровождается непрерывными прижизненным и посмертным обменом веществ между организмами и средой, а также перераспределением и рассеиванием энергии, связанной фотосинтетически. Это и составляет основное содержание круговорота веществ в биосфере.

Для оценки значения или характера биогеохимического круговорота веществ в биосфере экологами, почвоведами и биогеохимиками были предложены и используются следующие понятия и показатели. Содержание зольных веществ, углерода и азота в биомассе (наземной, подземной, фито-, зоо-, микробной), выраженное в процентах на сырую или воздушносухую навеску или в г на 1 м^, или, наконец, в кг (т) на 1 га поверхности (на площадь экосистемы, региона, континента, всей суши). Работами в основном советских ученых доказано, что главными составными элементами живого вещества по весу являются кислород (65-70%) и водород (10%). Остальные 20-25% представлены: углеродом, азотом, кальцием

(от 1 до 10%); серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%); железом, натрием, хлором, алюминием, магнием (от 0,01 до 0,1%).

В орбиту биогеохимического круговорота вписан и человек, как потребитель растительной и животной пищи, воды, воздуха и как организм, продуцирующий метаболиты, поступающие в окружающую среду и в сложившиеся звенья пищевых целей.

Химический состав фитомассы и количество химических элементов, вовлекаемых различными растениями в биогеохимический круговорот, сильно варьирует. Об этом можно судить по данным многих публикаций (см.список литературы).

Особенно различен состав фитомассы хвойных и лиственных лесов, травянистой растительности и состав галофитных растений (табл.З).

Уничтожение лесов и замена их покровом трав, распашка прерий, саванн, пампасов, степей, орошение пустынь и возделывание на их месте культурных растений с отчуждением урожая и продуктов животноводства является важнейшим и наиболее массовым нарушением нормального биогеохимического круговорота веществ в биосфере.

С урожаями уносится с полей ежегодно до 400-600 кг/га зольных веществ и азота. Но удобрения в свою очередь включают в биологический круговорот до 100-300 кг/га азота, фосфора, калия. Наиболее разрушительна для биологического круговорота элементов вырубка лесов в тропиках с последующей кратковременной эксплуатацией почв под пропашные культуры.

Индивидуальная значимость того или иного химического элемента в составе золы растений, оценивается после работ Б.Б. Польшова (1934) и А.И. Перельмана (1972) коэффициентом биологического поглощения. Этот коэффициент представляет отношение весового содержания данного элемента в золе растений к содержанию его в земной коре или данной почве. Именно по этому показателю выявилось высокое поглощение растениями таких элементов как фосфор, сера, кальций, калий, бром, йод, бор, стронций, цинк.

В сравнении со средним составом земной коры биомасса растений особенно обогащена углеродом, водородом, азотом и кислородом, а биомасса жи-

Таблица 3

Минеральный состав различных групп растений суши*

alt="" />

Годичный оборот ми- Преобладающие неральных элементов компоненты в (вовлекается и воз- минеральном совращается ), кг/га ставе

Подробно рассмотрено в книге: В.А. Ковда 'Основы 1973.

вотных, кроме того, фосфором и серой (на десятки процентов, в несколько раз, на целые порядки С, Н, N, О). В расчетах на безводную массу (т.е. без Н и О) наиболее представленными в составе живого вещества и наиболее вовлеченными в круговорот химическими элементами будут: углерод, азот, кальций, калий, кремний , фосфор, сера, а из микроэлементов: стронций, бор, цинк, молибден, медь, никель. Эти элементы вместе с водородом и кислородом являются главными участниками биогеохимического круговорота веществ в биосфере (биофильными элементами). Однако если считать и следовые элементы, то оказывается, что в составе живого вещества в каких-то определенных пропорциях вовлечены все элементы таблицы Менделеева. Легкие изотопы углерода (С12), серы (SO32), кислорода (О16) относительно больше представлены в живом и биогенном веществе по сравнению с минеральными системами. Отношение учтенной фитобиомассы к годичному фотосинтетическому приросту фитомассы (индекс, предложенный В.А. Ковда в 1966 г) характера- ризует среднюю продолжительность общего цикла синтеза минерализации биомассы в данной местности или на суше в целом. Эта величина дает представление об общей длительности круговорота углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот.

Оказалось, что для суши в целом этот цикл укладывается в период 300- 400 и не более 1000 лет. Соответственно с этой средней скоростью идет освобождение минеральных соединений, связанных в биомассе, а также образование и минерализация гумусовых веществ в почвах. Для общей оценки биогеохимического значения масс минеральных элементов живого вещества биосферы В.А. Ковда предложил (1944, 1956, 1973) сопоставлять запас минеральных веществ биомассы, количество минеральных веществ, ежегодно вовлекаемых в оборот с приростом и опадом, с годовым химическим стоком рек. Оказалось, что порядки этих величин для планеты близки (10®“^ т зольных веществ и 10^ т годовой химический сток).

Большая часть веществ, растворенных в речных водах, прошла через биологический круговорот системы растения-почвы до того, как она влилась в геохимическую миграцию с водой в направлении к океану или внутриматери- ковым впадинам. Дальнейшее развитие идеи сопоставления" биологического и геологического круговорота нашло отражение в публикуемой книге (материалы Т.И. Евдокимовой и др. авторов). Было предложено ввести индекс отношения суммы или количества одного какого-либо элемента в годовом приросте биомассы к количеству этих же элементов, выносимых водами рек данного же бассейна или части бассейна. Это дало возможность отчетливо уловить, какие же элементы наиболее интенсивно удерживаются в живом веществе и почвах (азот, фосфор, кальций, калий) и какие подвергаются интенсивному выщелачиванию

и выносу в реки и моря (хлор, магний, сера). Оказалось, что в разных климатических условиях и под покровом различных растений, а также при раз^- личных условиях естественного дренажа местности индексы биогеохимического круговорота варьируют весьма сильно. Этим же путем можно оценить последствия вмешательства человека в биосферу (удобрения, выпады аэрозолей, загрязнители почв и воды). Но для этого необходимо прежде всего знать индексы этих отношений до нарушения человеком. Отношение массы подстилки к массе годичного опада (коэффициент, введенный Н.Н. Базилевич и Л.Е. Родин, 1964) характеризует интенсивность разложения опада и длите; ьность сохранения подстилки (степного войлока)

в условиях данного биогеоценоза (экосистемы, биома). Этот показатель объективно оценивает начальную скорость деструкции и минерализации свежеот- мершей фитомассы опада. Чем медленнее этот процесс, тем мощнее горизонт подстилки и тем больше ее вес. По данным Н.Н. Базилевич и Л.Е. Родина, индекс интенсивности разложения фитомассы наибольший в тундрах и болотах севера и наименьший (близкий к 1) - в степях и полупустынях. Достоверных данных, рисующих соотношение и последовательность выноса химических элементов из опада и подстилки, крайне мало. Наконец, важнейшим биогеохимическим показателем является индекс водной миграции или отношение количества элемента в минеральном остатке выпаренной речной или грунтовой воды к содержанию этого же элемента в земной коре или водоносной породе. Этот индекс, предложенный Б.Б. Полы- новым (1936), обнаружил, что наиболее подвижными мигрантами в биосфере являются хлор, сера, бор, бром, йод, кальций, натрий, магний, фтор, стронций, цинк, уран, молибден.

Наоборот, кремний, калий, фосфор, барий, марганец, рубидий, медь, никель, кобальт, мышьяк, литий и особенно алюминий и железо являются относительно 'пассивными мигрантами'.

Многое, однако, нарушается в этих правилах изменениями в окислительно-восстановительных условиях, в реакции среды образованием комплексных соединений и др.

<< | >>
Источник: Ковда.В.А. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В БИОСФЕРЕ. 1976

Еще по теме Элементы и особенности биогеохимического круговорота веществ в природе:

  1. VI.L Основные особенности гидросферы [1]
  2. 3.1. БИОГЕОЦЕНОЗЫ КАК ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ
  3. Единый глобальный биогеохимический круговорот элементов. 
  4. Роль почв в развитии живой природы. 
  5. 1.1. Концепция экосистемы
  6. ИТОГИ VII ПЛЕНУМА НАУЧНОГО КОМИТЕТА МЕЖДУНАРОДНОГО СОВЕТА НАУЧНЫХ СОЮЗОВ ПО ПРОБЛЕМАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (СКОПЕ) А. Г. Назаров
  7. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ В. А. К о в д а
  8. Элементы и особенности биогеохимического круговорота веществ в природе
  9. Регионально-бассейновые биогеохимические циклы
  10. Некоторые изменения в биогеохимических круговоротах
  11. Нарушения в балансе и круговороте углерода и кислорода в биосфере