Схема биогеохимической цикличности в биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема биогеохимической цикличности в биосфере (по А.Г. Назарову)

Справа на схеме -- разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Биогеохимические циклы - биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий цикличный характер.

Живое вещество по массе составляет 0,01--0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах.

Биосфера -- оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (15-20 км), верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана. (Энциклопедия Кольера)

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд. т. сухого органического вещества. За то же время на планете фотосинтезируется 115 т. сухого органического вещества и 1230 т. кислорода. Для этого требуется, чтобы 1700 т. диоксида углерода прореагировало с 680 т. воды. В процесс вовлекаются также азот, фосфор, калий, кальций, сера, железо.

Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.

Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду.

В каждом цикле различают два фонда:

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

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

Для биосферы в целом все биогеохимические циклы делят на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и осадочный круговорот с резервным фондом в земле.

В природе, элементы никогда не бывают распределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду в одной и той же химической форме. Наличие больших резервных фондов (в виде атмосферы или океана) в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов. Считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы, так как их способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее, саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном резервном фонде -- в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.

Все БЦ в природе взаимосвязаны, а некоторые из них (циклы С, О, Н, N, S, Р, Са, К. Si) являются ключевыми для понимания эволюции и современного состояния биосферы.

Изучение глобального цикла углерода в биосфере имеет важное значение, т.к. углерод, с одной стороны, составляет живое и мертвое вещество биосферы и, следовательно, является индикатором экологических процессов, с другой стороны, углерод находится в атмосфере в виде двуокиси углерода, и тем самым, определяет парниковый эффект и климат планеты. На втором по важности месте стоит цикл азота.

Система биохимических циклов Земли

биогеохимический биосфера углеродный

Основной цикл - это цикл углерода. Двуокись углерода, СО2, например, распределена между атмосферой и океаном. Кислород - преимущественно газообразный в атмосфере, хотя входит в состав многих веществ. Сера распределена между океаном и земными породами.

Углеродный цикл очень простой. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуется углеводы (глюкозы, например) и кислород. Потом происходит деструкция - обратная реакция, разрушение органических веществ, когда в результате окисления питательных веществ в организме образуется вода и двуокись углерода. Причем при фотосинтезе энергия света затрачивается на образования углеводов, а при деструкции эта энергия выделяется и организм использует ее для своих нужд. Это и есть цикл углерода. Углерод все время изымается, с частью живых организмов уходит в осадочные породы, при этом кислород остается в избытке. Если его не убирать, то его станет очень много, может остановиться углеродный цикл. Что происходит с этим избыточным кислородом? Он идет на окисление серы и железа, то есть с углеродным циклом сопряжен цикл железа и серы. Таким же образом сопряжены циклы других веществ. Для каждого из этих процессов, существует группа микроорганизмов, бактерий, которые занимаются поддержанием этого круговорота, и за счет этого получают энергию. Разнообразие метаболизма бактерий таково, что они способны катализировать прохождение всех биогеохимических циклов на Земле.

Движущими силами БЦ служат потоки энергии Солнца (более широко -- космоса) и деятельность живого вещества. Нормальные (ненарушенные) БЦ в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95--98%. Неполная обратимость (незамкнутость) -- одно из важнейших свойств БЦ, имеющее планетарное значение. За всю историю развития биосферы (3,5--3.8 млрд. лет) доля вещества, выходящая из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тыс. лет) в геологический цикл (длительностью в млн. лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, различных химических элементов и соединений в земной коре. Особенно показателен биогеохимический цикл углерода. Ежегодно из биосферного БЦ наземных экосистем выходит в геологический цикл около 130 т углерода, что составляет всего 10 -- 18% от запасов углерода, находящихся в обращении в современной биосфере. В течение фанерозоя (около 600 млн. лет) за счёт неполной обратимости цикла углерода в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефти). Сложившаяся в ходе развития биосферы направленность планетарных и региональных БЦ привела к созданию устойчивого биогеохимического фона, характерного для той или иной местности. Этот фон различается для определённых регионов биосферы, в пределах которых по недостатку или избытку определённых химических элементов выделяются естественные геохимические аномалии. С вариациями исторически сложившегося общего геохимического фона территории и естественными биогеохимическими аномалиями, отражающими реально существующую неоднородность химического состава биосферы, связаны многие эндемичные (?) болезни животных и человека.

Антропогенное вмешательство в биосферные процессы порой так ускоряет движение многих веществ, что их круговороты становятся значительно менее совершенными или процесс теряет цикличность. Складываются различные противоестественные ситуации, например, в одних местах возникает недостаток каких-либо веществ, а в других -- их избыток. В частности, добыча и переработка фосфатных пород ведется столь несовершенно, что вблизи шахт, карьеров и заводов создается сильное локальное загрязнение. Кроме того, в сельском хозяйстве используется все больше и больше фосфорных удобрений, а неизбежное попадание фосфатов в водоемы, за которым следует их эвтрофикация, никак не контролируется. Возникает новый тип техногенных геохимических аномалий. Для ряда элементов и соединений БЦ становятся природно-антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия). Некоторые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и др. продукты хим. синтеза -- ксенобиотики) вообще не включаются в природные и природно-антропогенные циклы и не перерабатываются в биосфере.

Процесс управления экосистемами подразумевает в себе вмешательство человека в естественную среду оных, пользование природными ресурсами, что в большинстве случаев ведет к преобразованиям и изменениям, как правило, негативным. Изменяется вещественный состав экосистемы, снижается видовое разнообразие, ее структуры.

Видовая, трофическая и пространственная структуры создают устойчивость

природных экосистем, сопротивляемость внезапным и кратковременным

воздействиям. Продолжающиеся «постоянно беспокоящие» воздействия опасны тем, что реакции экосистем на них еще недостаточно исследованы.

К примеру, при сенокошении, казалось бы, безобидном процессе, направленном на улучшение состояния степных заповедников угнетаются или даже полностью исчезают популяции насекомых, разоряются гнезда и норы, подвергается гибели часть животных, снижается продуктивность фитомассы.

Из всех вмешательств человека в естественные экосистемы ни одно не растет такими быстрыми темпами, как загрязнение окружающей среды. Особую опасность представляет загрязнение, способное изменить структуру и функции экосистем, что подтверждают их реакции на кислые осадки. Поэтому человек должен найти способ поддерживать устойчивость, сопротивляемость и упругость экосистем и выработать оптимальные технологии использования их ресурсов.

На функционирование экосистемы могут в разной степени влиять временные, непредвиденные или искусственно созданные факторы, что должно адекватно учитываться при управлении.

Одной из первоочередных задач управления экосистем является сохранение структуры и функций экосистемы. Функционирование и устойчивость экосистемы зависят от состояния динамических взаимосвязей внутри отдельных биологических видов, между видами, а также между видами и их неживым окружением. Кроме того, имеют значение физические и химические взаимодействия в окружающей экосистему среде. Сохранение этих взаимосвязей и процессов имеет большое значение для долговременного сохранения биологического разнообразия.

Для решения проблем управления экосистемами необходим обширный, так называемый экосистемный подход, представляющий собой стратегию комплексного управления земельными, водными и живыми ресурсами, обеспечивающий их сохранение и устойчивое использование на справедливой основе. Применение экосистемного подхода поможет в обеспечении сбалансированного решения всех трех задач управления: сохранения, устойчивого использования и справедливого и равного распределения всех выгод от использования генетических ресурсов.

Основу экосистемного подхода составляют применение соответствующей научной методологии, охватывающее все уровни биологической организации, включая основные структуры, процессы, функции и взаимосвязи между организмами и окружающей их средой.

Экосистемный подход требует гибкого адаптивного управления, учитывающего как комплексную и динамическую природу экосистем, так и отсутствие полного понимания механизмов их функционирования. Процессы в экосистемах зачастую носят нелинейный характер, а их результаты нередко бывают отсроченными, в результате чего отсутствие строгих закономерностей может создавать определенную неясность или приводить к неожиданным результатам. Управление должно быть достаточно гибким, чтобы вовремя реагировать на возникающие затруднения и использовать в своей тактике элементы "обучения в процессе работы" или обратной связи с научно-исследовательскими работниками.

При управлении экосистемами необходимо учитывать влияние деятельности (действительное или возможное) на смежные или любые другие экосистемы. Различные вмешательства управленческого характера в экосистему зачастую могут оказывать неизвестное или непредсказуемое воздействие на другие экосистемы. Поэтому возможные последствия должны внимательно оцениваться и анализироваться.

Учитывая изменчивость временных характеристик и возможность отсроченных последствий, свойственных экосистемным процессам, цели управления экосистемой должны быть долговременны. Процессы в экосистеме характеризуются изменчивостью временных параметров и возможностью отсроченных последствий.

При управлении экосистемами необходимо учитывать неизбежность изменений. Экосистемы постоянно изменяются, и в том числе состав видов и изобилие популяций. Поэтому при управлении нужно приспосабливаться к этим переменам. Помимо этой свойственной экосистемам динамике перемен, они подвержены влиянию целого ряда неустановленных или непредвиденных факторов как антропогенной или биологической природы, так и факторов окружающей среды. Традиционные нарушающие режимы могут иметь важное значение для структуры и функционирования экосистем, и, вероятно, их необходимо поддерживать или восстанавливать.

Управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход. При этом их влияние на управление системой может резко усилиться. В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции. Информация, в экологических системах может пониматься как энергетически слабый сигнал, управляющий системой. Например, он может восприниматься ее организмами в форме закодированного сообщения о возможности многократно более мощных влияний со стороны других организмов, либо факторов среды, вызывающих их ответную реакцию. Так, слабые и совершенно нечувствительные для человека подземные толчки - предвестники более мощного разрушительного землетрясения, воспринимаются многими животными, своевременно покидающими свои норки.

В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Простейшим примером такого контура служит модель "хищник-жертва" (волки - северные олени). Увеличение численности оленей вследствие благоприятных условий, прежде всего кормовых, приведет к увеличению численности волков. Вследствие этого поголовье оленей станет меньше, что ведет к уменьшению популяции хищника. Таким образом, численности "хищника" и "жертвы" взаимозависимы и образуют контур обратной связи: В этом контуре есть положительная обратная связь и отрицательная обратная связь. В целом контур обратной связи имеет отрицательный знак и средние численности оленей и волков будут постоянными. Это определяет гомеостаз системы "хищник-жертва".

Гомеостазом называется способность организмов или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды.

В естественных экосистемах обеспечивается состояние динамического постоянства баланса: (pастения « фитофаги « хищники « паpазиты). Тем не менее, колебания численности могут быть значительны. Так, в 1999-2000 году в Якутии произошел взрыв численности сибирского шелкопряда. В лесу на лиственницах насчитывалось по 1000-1500 гусениц. Наpушение баланса пpоисходит пpеимущественно под внешним влиянием, в том числе - человека. Hапpимеp из-за завоза в Амеpику евpопейского звеpобоя пpишлось завозить насекомых фитофагов. Подобная ситуация сложилась в Австpалии с кpоликами, в Кpыму с pасселением кабана пpи отсутствии естественных хищников.

Воздействие на цепи питания с целью их оптимизации и получения большей или лучшей по качеству продукции не всегда бывают удачны. Так широко известен из литературы пример с завозом коров в Австралию. До этого природными пастбищами пользовались преимущественно кенгуру, экскременты которых успешно осваивались и перерабатывались австралийским навозным жуком. Коровьи экскременты австралийским жуком не осваивались, в результате чего началась постепенная деградация пастбищ. Для прекращения этого процесса пришлось завезти в Австралию европейского навозного жука.

"Экосистема" означает динамический комплекс сообществ растений, животных и микроорганизмов, а также их неживой окружающей среды, взаимодействующих как единое функциональное целое".

Экосистемы являются экологическими единицами биосферы, имеют видовую, пространственную, трофическую структуры, что определяет обмен веществ как между организмами, так и между живыми и абиотическими ее компонентами.

В каждой экосистеме формируется свой особый видовой состав растений и животных. В каждой из экосистем обязательные экологические категории - продуценты, консументы, редуценты -- никогда не представлены одним видом. Это своеобразная гарантия: если что-то случается с одним видом, его долю работы принимают на себя другие, и биогеоценоз продолжает функционировать. Эта сложная взаимосвязь обеспечивает устойчивость жизненных процессов в экосистеме.

Экосистема ни всегда однообразна по своему составу. В разное время года ее населяют разные жизненные формы: отмирают одни, появляются другие, или исчезают одни, но остаются другие. Эти перемены циклически повторяются каждый год. Кроме сезонных изменений, в экосистемах происходят и многолетние изменения.

Несмотря на то, что экосистема - это устойчивая, саморегулирующаяся система, ей свойственно развитие.

Под развитием любой системы понимают необратимое качественное изменение, которое обычно сопровождается количественными переменами.

В процессе развития экосистемы простые сообщества в ней замещаются более сложными, с богатым видовым составом, со сложной пространственной и трофической структурами. То есть в основе развития экосистемы лежит смена сообществ (растительных, животных, грибных, микробиологических), входящих в состав биоценоза данной экосистемы.

Развитие и смену сообществ можно наблюдать на кротовинах, которые зарастают, сменяя ряд последовательных этапов, несколько лет. Обнажения почвы, образовавшиеся в результате падения старых деревьев, восстанавливаются более длительно - десятки лет. Крупные вырубки леса или участки после пожарищ требуют для восстановления 100-200 лет.

Смена природных сообществ может проходить под влиянием биотических, абиотических факторов и человека.

Смена сообществ под влиянием жизнедеятельности организмов длится сотни тысячи лет. Главную роль в этих процессах играют растения. Примером смены сообщества под влиянием жизнедеятельности организмов может служить процесс зарастания водоемов. Большинство озер постепенно мелеет и уменьшается в размерах. На дне водоема со временем накапливаются остатки водных и прибрежных растений и животных, частички почвы, смываемые со склонов. Постепенно на дне образуется толстый слой ила. По мере того, как озеро мелеет, его берега зарастают камышом и тростником, затем осоками. Органические остатки накапливаются еще быстрее, образуют торфянистые отложения. Многие растения и животные замещаются видами, чьи представители более приспособлены для жизни в новых условиях. Со временем на месте озера образуется иное сообщество - болото. Но на этом смена сообществ не прекращается. На болоте могут появляться неприхотливые к почве кустарники и деревья, а в конечном итоге болото может смениться лесом.

Таким образом, смена сообществ происходит потому, что в результате изменения видового состава сообществ растений, животных, грибов, микроорганизмов постепенно изменяется среда обитания и создаются условия, благоприятные для обитания других видов.

Замечено, что процесс смены сообществ имеет тенденцию завершаться стадией зрелого сообщества: с богатым видовым составом, разветвленными пищевыми сетями, способностью к саморегуляции. В итоге формируется устойчивая экосистема - находящаяся в относительном равновесии со средой.

Смена экосистем под влиянием абиотических факторов. На развитие экосистем большое влияние оказывают резкие изменения климата, колебания солнечной активности, горообразовательные процессы, извержения вулканов. Эти факторы называют абиотическими - факторами неживой природы. Они нарушают стабильность среды обитания живых организмов.

В истории развития жизни на Земле климат менялся неоднократно. В теплые периоды, когда выпадало большое количество осадков, в экосистемах преобладали виды с повышенными требованиями к теплу и влаге. На планете распространялись влажные тропические леса. Значительное поднятие суши в результате тектонических процессов приводило к развитию засушливого климата. В результате на большой части Земли происходила смена экосистем: леса сменялись саваннами, степями, возникали пустыни. Новые экосистемы характеризовались иным комплексом видов, обладали иной видовой, пространственной, трофической структурой.

Смена сообществ, вызванная деятельностью человека, происходит быстро, в течение нескольких лет. Быстрое развитие экосистем часто сопровождается сокращением их видового разнообразия, замедлением процессов саморегуляции и устойчивости. В результате в таких экосистемах формируются сообщества упрощенного типа, с бедной видовой структурой. Например, разнотравные степи человек превращает в пашни, пойменные луга оказываются залитыми водохранилищами. Так, распашка целинных земель во второй половине ХХ века привела к уничтожению естественных степных экосистем в Казахстане и на юге России. В результате исчезли многие виды насекомых, млекопитающих, различные виды трав.

Большую нагрузку испытывают пригородные леса из-за массового посещения их людьми. Вследствие вытаптывания травостоя наземные органы растений травмируются, почва уплотняется, повреждается подрост. В результате лес изреживается, осветляется. Тенелюбивые и теневыносливые травы сменяются на светолюбивые, характерные для луговых экосистем.

Перевыпас скота изменяет луговые и степные экосистемы: широко распространяются те травы, которые не поедаются животными (полынь, чертополох), снижается обилие кормовых злаков. Многие растения не успевают зацвести и дать семена.

Водоемы также испытывают на себе антропогенное воздействие. Если в них попадают сточные воды, удобрения с полей, бытовые отходы, то кислород, растворенный в воде, тратится на их окисление. В результате снижается видовое разнообразие, различные водные растения (сальвиния плавающая, горец земноводный) заменяются ряской, водоросли - синезелеными, возникает "цветение воды". Ценные промысловые рыбы сменяются малоценными, исчезают моллюски, многие виды насекомых. Богатая водная экосистема превращается в экосистему загнивающего водоема.

Известно немало случаев, когда человек нарушал видовую структуру экосистемы в результате внесения в него новых видов. Так, в начале XIX в. в Австралию из Америки был завезен кактус опунция для создания колючих изгородей на пастбищах. Он размножился настолько, что стал формировать облик многих сообществ, вытесняя привычные виды растений, привел к смене целого ряда экосистем. К середине ХХ в. Австралия могла превратиться в континент из сплошных колючих зарослей, однако этого не случилось благодаря завезенной на материк бабочке кактусовой огневке, гусеницы которой поедают опунцию. После того, как численность кактуса удалось отрегулировать с помощью гусениц, нарушенные экосистемы постепенно восстановились.

Если воздействие человека, вызвавшее смену сообществ, прекращается, то, как правило, начинается естественный процесс самовосстановления экосистемы. Ведущую роль в нём продолжают играть растения. Так, на пастбищах после прекращения выпаса появляются высокорослые травы, в лесу - типичные лесные растения, озеро очищается от засилья одноклеточных водорослей и синезеленых, в нем вновь появляются рыбы, моллюски, ракообразные.

Размещено на Allbest.ru