Биогеохимические циклы
Биогеохимические циклы — это закономерные круговороты химических элементов между живыми организмами, почвой, водой, атмосферой и горными породами. Благодаря этим процессам вещества не исчезают после использования, а переходят из одной формы в другую и снова становятся доступными для жизни.
Что такое биогеохимический цикл
В круговороте веществ участвуют две взаимосвязанные части природы: живая и неживая. Растения и другие производители поглощают вещества из почвы, воды или воздуха. Животные получают элементы с пищей. После отмирания организмов и выделения продуктов обмена вещества возвращаются в окружающую среду и вновь используются.
Биогеохимический цикл — это повторяющееся перемещение химического элемента между живыми организмами и компонентами неживой природы с изменением его химической формы.
Слово «биогеохимический» показывает участие трёх областей: био — живых организмов, гео — почвы, воды, воздуха и горных пород, химический — превращений веществ. Циклы бывают быстрыми, например газообмен при дыхании, и медленными, например образование и разрушение горных пород.
В замкнутой природной системе атомы химических элементов сохраняются: они не исчезают, а переходят между веществами, организмами и оболочками Земли. Изменяется форма вещества и место его нахождения.
В экосистеме циклы связаны с экосистемой: производители включают элементы в органические вещества, потребители передают их по цепям питания, а разрушители возвращают минеральные соединения в почву и воду. В отличие от веществ, энергия в экосистеме не совершает замкнутого цикла: она поступает от Солнца и рассеивается в виде тепла.
Основные процессы в циклах
Для большинства циклов важны несколько процессов.
- Поглощение — растение получает углекислый газ, воду и минеральные соли.
- Синтез — в клетках из простых веществ образуются органические соединения.
- Питание — элементы переходят от одного организма к другому.
- Дыхание и выделение — часть веществ возвращается в воздух, воду или почву.
- Разложение — бактерии и грибы расщепляют остатки организмов.
- Минерализация — органические соединения превращаются в минеральные соли, доступные растениям.
- Перенос — вода, ветер, животные и деятельность человека перемещают вещества между территориями.
Первичная продукция показывает, сколько органического вещества производители создают из неорганических веществ. Чем активнее фотосинтез и поступление минеральных элементов, тем больше вещества может быть включено в пищевые цепи.
Важную роль играет почва как экосистема. В ней обитают бактерии, грибы, черви и другие организмы-разрушители. Они измельчают остатки, разлагают сложные молекулы и участвуют в возвращении элементов растениям.
Циклы углерода, азота и воды
Круговорот углерода связан прежде всего с фотосинтезом, дыханием, разложением и горением. Растения поглощают углекислый газ \(CO_2\) и образуют органические вещества. При дыхании организмов, разложении остатков и сжигании топлива углерод снова поступает в атмосферу в составе \(CO_2\).
Круговорот азота особенно важен, потому что азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосферный азот \(N_2\) недоступен большинству растений. Азотфиксирующие бактерии превращают его в соединения, которые затем могут использовать растения. После разложения органики образуются аммонийные соединения, нитриты и нитраты. При денитрификации бактерии возвращают азот в атмосферу.
Круговорот воды включает испарение, образование облаков, выпадение осадков, поверхностный сток, просачивание в почву и поглощение корнями. Вода переносит растворённые соли, поэтому участвует не только в собственном цикле, но и в перемещении других элементов.
| Цикл | Главный резервуар | Роль организмов | Пример возвращения элемента |
|---|---|---|---|
| Углерода | Атмосфера, океан, горные породы | Фотосинтез, дыхание, питание | Дыхание и разложение |
| Азота | Атмосфера и почва | Фиксация азота, питание, разложение | Денитрификация |
| Воды | Океаны, ледники, подземные воды | Поглощение, транспирация | Испарение и осадки |
| Фосфора | Горные породы и почва | Поглощение растениями, питание | Разложение остатков |
Какой процесс непосредственно возвращает углекислый газ в атмосферу?
Влияние человека на циклы
Природные циклы обычно поддерживают относительное равновесие, но деятельность человека может резко изменить скорость отдельных процессов. Сжигание угля, нефти и газа увеличивает поступление \(CO_2\) в атмосферу. Вырубка лесов уменьшает поглощение углекислого газа растениями. Сельское хозяйство и производство удобрений изменяют круговорот азота и фосфора.
Избыток соединений азота и фосфора, попадающих в водоёмы, может вызвать эвтрофикацию — чрезмерный рост водорослей. После отмирания водорослей их разложение потребляет кислород, поэтому животные могут погибать от его недостатка. Эрозия почвы уносит верхний плодородный слой и содержащиеся в нём элементы.
Нельзя считать, что круговорот полностью замкнут и человек не может его изменить. В природе часть веществ временно накапливается в океанах, почве, организмах и горных породах, а хозяйственная деятельность меняет скорости поступления и удаления элементов.
Сначала найдите резервуары элемента, затем стрелками проследите его переходы. Отдельно отметьте организмы-производители, потребителей и разрушителей. После этого определите, где происходит поглощение, а где — возвращение элемента в неживую природу.
Разобранный пример: изменение запаса элемента
В почву ежегодно поступает 80 кг азота с растительными остатками. Растения поглощают 50 кг, а 20 кг вымывается водой. Остальное количество изменяет запас азота в почве. Определим, увеличился или уменьшился запас.
Составим баланс: изменение запаса равно поступлению минус все потери. Поглощение растениями и вымывание — это два направления удаления азота из почвы.
Ответ: запас азота в почве увеличился на 10 кг. Если бы расход оказался больше поступления, запас уменьшился бы. Такой способ называют составлением баланса вещества.
Здесь \(\Delta S\) — изменение запаса, \(P\) — поступление, \(R\) — общий расход, \(U\) — поглощение организмами, \(V\) — вымывание, \(G\) — газообразные потери. Все величины должны быть выражены в одинаковых единицах и за один и тот же промежуток времени.
Как решать задания по теме
- Определите, о каком элементе или веществе говорится в условии.
- Укажите процесс, который переводит вещество из одной среды в другую.
- Разделите организмы по роли: производители, потребители, разрушители.
- При расчётах составьте баланс: поступление минус расход.
- Проверьте единицы измерения и знак результата.
Производители включают минеральные вещества в органику, потребители передают элементы по цепям питания, разрушители возвращают их в неживую природу. Энергия движется через экосистему, а химические элементы совершают круговорот.
Быстрая проверка
Главное
- Биогеохимический цикл — повторяющееся перемещение химического элемента между живой и неживой природой.
- Производители поглощают неорганические вещества, потребители передают элементы по цепям питания, разрушители возвращают их в окружающую среду.
- Главные циклы — круговороты углерода, азота, воды и фосфора; они связаны между собой.
- Деятельность человека может нарушать баланс циклов: усиливать выбросы, вымывание и накопление веществ.
- Для расчёта изменения запаса используют баланс \(\Delta S=P-R\).