Потоки геохимической энергии

Круговорот веществ – это обмен химическими элементами между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят в середине экосистемы. Осуществление круговорота веществ и освобождение запасенной в органическом веществе энергии – важная часть функции пищевых цепей в экосистеме.

Если пищевую цепь дополнить редуцентами, которые превращают органическое вещество в минеральное, усвоенное продуцентами в процессе образования органического вещества, то получим замкнутую цепь. По таким замкнутым цепям в природе происходит направленное цикличное движение химических веществ или круговорот веществ. Подобные круговороты в природе называются биогеохимическими круговоротами или биогеохимическими циклами.

I. Круговорот углерода (рис. 3.9-3.10).

Источником углерода в экосистеме является СО₂ атмосферы. Растения поглощают СО₂ и синтезируют углеводы, жиры, белки и другие органические соединения, которые используются в пищевых цепях.

Рисунок 3.9 – Круговорот углерода в биосфере

Рисунок 3.10 – Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества и однонаправленный поток энергии в процессах
фотосинтеза и аэробного дыхания.

Вмешательство человека в круговорот углерода происходит в основном двумя способами:

1. Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО₂.

2. Сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

II. Круговорот азота (рис. 3.11).

Источником азота в экосистеме является почва. Азот поступает в корневую систему растений в виде водных растворов нитритов (NO₂^-), нитратов (NO₃^-) и аммонийных соединений (NН₄⁺). Без азотистых соединений нет роста растений, которые используются травоядными животными и далее по пищевым цепях.

Рисунок 3.11 – Упрощенная диаграмма круговорота азота

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

- Сжигание древесины или ископаемого топлива.

- Производство азотных удобрений и их широкое применение.

Попадание в водные экосистемы загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

III. Круговорот фосфора (рис. 3.12.)

Рисунок 3.12 – Упрощенная диаграмма круговорота фосфора

Источником фосфора в экосистеме является почва. В почву фосфор попадает в результате эрозий, выщелачивания и выветривания минеральных пород, речного стока, а также разложения органических остатков. Фосфор поступает в корневую систему растений в виде водных растворов. Растения потребляются травоядными животными и далее по пищевым цепях.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

- Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и моющих средств.

- Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных коммунально-бытовых стоков.

IV. Круговорот серы (рис. 3.13).

Источником серы в экосистеме является почва. В почву сера попадает в результате эрозий, выщелачивания и выветривания минеральных пород, речного стока, а также разложения органических остатков. Сера поступает в корневую систему растений в виде водных растворов. Растения потребляются травоядными животными и далее по пищевым цепях.

Рисунок 3.13 – Упрощенная диаграмма круговорота серы

Вмешательство человека в круговорот серы сводится в основном к сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии. Это дает примерно две трети всех антропогенных выбросов серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время переработки нефти, выплавки металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

V. Круговорот воды (рис. 3.14).

Источником воды в экосистеме является почва. В почву вода попадает в результате атмосферных осадков, речного стока, а также разложения органических остатков. Вода поступает в корневую систему растений в виде водных растворов. Растения потребляются травоядными животными и далее по пищевым цепях. При недостатке воды в организме, многие животные употребляют её помимо пищи (пьют), хотя некоторые обходятся только пищей (грызуны, змеи, насекомые и т.д.).

а)

б)

а – в экосистеме; б – в природе

Рисунок 3.14 – Круговорот воды

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой воды в подземные водоносные горизонты.

2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к увеличению испарения, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.