Файл: Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 21. 03. 02 Землеустройство и кадастры.pdf

9 обусловливают разрушение, растворение, передвижение продуктов выветривания в виде растворов и взвесей на большие расстояния. Под действием воды нивелировался рельеф, накапливались осадочные породы, обеспечивался мировой сток в океан. В большом геологическом круговороте веществ значительную роль играли тектонические движения земной коры, а также вулканизм и интрузии, поставляющие свежий материал. Большой
(геологический) круговорот веществ продолжается и в современный период.
Свозникновением жизни проявился новый тип миграции химических элементов – биогенный, получивший название малого (биологического) круговорота или биогеохимического круговорота веществ (химических элементов). Это совокупность процессов образования, отмирания и разложения живого вещества, обусловливающих круговорот химических элементов в системе среда – живое вещество – среда.
В.И. Вернадский, В.Р. Вильямс, В.М. Гольдшмидт разработали основные положения о круговороте веществ в природе. Они считали, что геологический и биологический круговороты веществ протекают одновременно, в тесной взаимосвязи. В зависимости от активности живых организмов, воздействия физической среды химические элементы совершают непрерывный круговорот. В процессе биологического круговорота, развивающегося на фоне большого геологического, почвы обогащаются органическим веществом, азотом, элементами зольного питания. Если при большом геологическом круговороте элементы выносятся из верхних слоев литосферы и почв, то при малом биологическом круговороте основные элементы питания растений удерживаются в верхних горизонтах.
Химические элементы циркулируют в биосфере из окружающей неорганической среды в организмы и из организмов во внешнюю среду, т.е. переходят из неорганической формы в органическую и наоборот с использованием солнечной энергии. Относительно замкнутые круговые движения химических элементов между организмами и окружающей средой в экосистемах называются биогеохимическими
(биологическими) круговоротами или биогеохимическими циклами. Биогеохимический круговорот веществ во времени представляет собой полный (замкнутый) цикл. Его продолжительность может составлять часы и сутки (для индивидов микроорганизмов), годы (для индивидов травянистых растений, животных), сотни лет (для растительных ассоциаций, сообществ и др.). Скорость биологического круговорота соответствует периоду прохождения химического элемента от начала поглощения его организмами до возвращения в среду обитания. Емкость биологического круговорота выражается количеством химических элементов, находящихся в составе биомассы (кг/га).
Полный биохимический цикл включает прижизненные и посмертные типы обмена веществ. Прижизненные типы обмена веществ живых организмов с окружающей средой направлены на синтез органических соединений, формирование живых организмов. Характер обмена веществ определяется составом химических элементов, входящих в организмы. Одни

10 из них поступают с пищей, по цепям почва – растения, растения – животные, водные растворы – растения и пр., другие – в процессе дыхания.
Прижизненные типы обмена веществ включают не только поглощение
(потребление) химических элементов из окружающей неорганической среды, но и частичный возврат их в среду обитания.
Посмертные (после отмирания организмов) типы обмена веществ включают разложение органических соединений, их минерализацию, освобождение минеральных (зольных) элементов, синтез новых органо- минеральных соединений. При этом образуются также простые соли, оксиды, гидроксиды и более сложные минеральные вещества.
Углерод жизненно важный элемент. Он служит основным сырьем для фотосинтеза растений. Углерод находился до формирования биосферы в ви- де графита и алмаза в расплавах магмы, незначительная часть – в виде лету- чих углеводородов, карбида и диоксида углерода. В атмосфере содержался в основном СО
2
(до 91 % без учета водяных паров).
Теперь в биосфере углерод распространен в виде следуюших соедине- ний: в атмосфере — в виде диоксида углерода (СО
2
); в литосфере – в форме графита, алмаза; в живомвеществе – в составе органических соединений.
Общий запас углерода на Земле составляет 26 10 15
т. Вода морей и озер со- держит 0,14% общего количества углерода в виде диоксида углерода, карбо- натов и бикарбонатов.
Круговорот углерода совершается по большому (геологическому) и ма- лому (биотическому) циклам. Большой круговорот углерода осуществляется медленно (сотни тысяч или миллионы лет). Так, до развития биосферы в ре- зультате выветривания горных пород гидрокарбонат кальция выносился по- верхностными речными водами в океан, где образовывались отложения, или пласты, карбонатов кальция, которые исключаются из круговорота на целые геологические эпохи. Он возвращался на сушу в результате геотектониче- ских изменений, процессов поднятия морского дна и опускания материков. С возникновением жизни в воде в биогеохимический цикл углерод вовлекается фитопланктоном, затем передается по пищевым цепям, возвращаясь вводу с дыханием организмов в виде СО
2
. В континентальных водах диоксид углеро- да взаимодействует с поверхностными горными породами, такими, как из- вестняки, с образованием гидрокарбоната кальция – Са(НСО
3
),. выносимого речными водами в Мировой океан. Морские беспозвоночные используют гидрокарбонат кальция для построения раковин. На дне океанов в течение сотен тысяч лет образовались мощные толщи различных карбонатов из рако- вин беспозвоночных. В наземных экосистемах значительная часть углерода накапливается в мертвой органике, в гумусе, торфе. Круговорот углерода также блокируется в залежах каменного угля, нефти ив других углеводород- ных соединениях, находящихся в ископаемом состоянии. Углерод возвраща- ется в круговорот в виде СО, в результате хозяйственной деятельности чело- века (например, при сжигании топлива).
Биотический круговорот углерода является составной частью большого цикла и обусловлен жизнедеятельностью живых организмов. Этот кругово-

11 рот называют быстрым, так как он определяется временем жизни организ- мов. Углерод атмосферы включается в биотический круговорот в виде диок- сида углерода, который используется в процессе фотосинтеза, превращаясь в сахара, белки, жиры и другие органические вещества. В течение года таким образом аккумулируется примерно 2 10 10 т углерода. Затем углерод в составе органических соединений поступает в пищевые цепи. В атмосферу он воз- вращается в виде того же диоксида углерода при дыхании растений и живот- ных, при разложении мертвой органики деструкторами (редуцентами). Сле- довательно, в биогеохимический ворот углерода входят процессы фотосинте- за растений, создания органического вещества и возврата его в атмосферу в виде СО
2
(рис.1). Полный цикл биотического круговорота углерода равен 8 годам.
Азот, из которого на 79% состоит воздух, играет важнейшую роль в жизни живых организмов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, необходим для повышения плодородия почв. Азот находится в атмосфере в неактивной молекулярной форме (N
2
). Однако все живые организмы зависят от связанного, т.е. фиксированного, азота, а вернее, включенного в химиче- ские соединения (например, нитраты, аммонийный и амидный азот). Связан- ный азот в экосистемы поступает следующими путями: 1) в виде оксидов азота и аммиака, синтезированных в атмосфере за счет энергии электриче- ских разрядов (молния), при которых протекают реакции взаимодействия между кислородом, азотом и водородом; поступает в почвы с дождевой во- дой – до 10 кг/га в год; 2) в результате биологической фиксации свободного азота (до 70 кг/га в год) микроорганизмами, водорослями и лишайниками.
Азотфиксаторы вступают в симбиоз с некоторыми высшими растениями, наиболее широко – с бобовыми, образуя на их корнях клубеньки; 3) в резуль- тате производства и применения минеральных удобрений (аммиак, аммиач- ная селитра, карбамид и др.).
Фиксированный минеральный азот усваивается из почвы растениями, а затем в виде органических соединений поступает в пищевые цепи. После от- мирания растений и животных их ткани разлагаются и минерализуются при участии микроорганизмов; т.е. происходят процессы аммонификации и нит- рификации с последовательным образованием солей аммония, нитритов и нитратов. Часть образовавшихся нитритов и нитратов поступает в растения или закрепляется в гумусе. Остальной азот вымывается, так как соли азотной кислоты и аммония легкорастворимы, попадают в гидросферу и остаются в донных отложениях. Если бы в биосфере не протекал процесс денитрифика- ции (восстановления) связанного азота до оксида азота и свободного азота, вновь поступающих его в атмосферу, то запасы атмосферного азота значи- тельно уменьшились бы. Процесс денитрификации выполняют в анаэробных условиях бактерии-денитрификаторы, которые используют нитритный ион как акцептор электронов (рис. 2).
Годовой приход азота в результате биологической фиксации составляет
54·10 6
т, а за счет индустриальной фиксации — 30·10 6
т. Общий приход его равен 91,8·10 6
т, а расход – 83,2·10 6
т (главным образом вследствие денитри-

12 фикации). Потери азота с глубоководными отложениями компенсируются поступлением с вулканическими газами в количестве до 3 млн т в год.
В природных водах концентрация нитратов часто превышает предельно допустимые нормы в десятки раз, достигая в отдельных случаях токсических величин (более 1000 мг/л). Считают, что баланс азота в биосфере нарушен, избыток его вызывает загрязнение окружающей среды, отравления, тяжелые заболевания человека.
Фосфор – один из важнейших биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани, дентина, участвует в переносе энергии. Незначительна также миграционная способность фосфо- ра. Его круговорот, как и круговорот других биогенных элементов, соверша- ется по большому и малому циклам; связан с жизнедеятельностью организ- мов, антропогенными факторами. Круговорот фосфора относится к осадоч- ному циклу, ибо его резервный фонд находится в литосфере, где он пред- ставлен изверженными горными породами (апатитом, фторапатитом) или осадочными отложениями (фосфоритом, вивианитом вавеллитом). Общие запасы фосфора на Земле составляют 26 млрд т, а расход – 2 млн т в год.
Крупные месторождения существуют на Кольском полуострове, в районе хребта Каратау на юге Казахстана, а также в США, Марокко, Алжире, Туни- се.
Кислород – составная часть всех живых и растительных организмов, а также минеральных соединений. В живом веществе на долю кислорода при- ходится 65…70%, в литосфере – 49%.Тело человека почти на 65% состоит из этого элемента. Кислород – сильный окислитель, активно вступающий в хи- мические реакции с образованием оксидов, гидроксидов, кислот и других ки- слородсодержащих соединений. Он поглощается организмами в газообраз- ном состоянии, в виде Н
2
О, СО
2
, оксидов и других образований.
Кислород молекулярный появился в атмосфере благодаря зеленым рас- тениям, выделяющим его в процессе фотосинтеза. Все остальные существа – потребители кислорода. При дыхании растения потребляют кислород. По- требление и выделение растениями кислорода обеспечивает круговорот этого элемента и поддерживает концентрацию его в атмосфере на уровне 21% (см. рис.1). При этом выделившийся при фотосинтезе кислород проходит в итоге через живое вещество биосферы примерно за 2000 лет, т.е. такова скорость его круговорота в атмосфере. Небольшая часть уходит из обращения, участ- вуя в создании различных осадочных пород, расходуется на окисление орга- нических соединений с выделением энергии и образованием конечных про- дуктов окисления – СО
2
и Н
2
О.
Циклы кислорода в большом геологическом и малом биологическом круговоротах между всеми компонентами биосферы выражаются следую- щим образом: почва живое вещество; живое вещество атмосфера;
СО
2
О
2
СО
2
О
2
СО
2
;О
2
СО
2
;О
2
СО
2
О
2

13 атмосфера гидросфера; почва атмосфера.
Вода – наиболее распространенное вещество, важнейшая составная часть живых организмов. Она совершает непрерывный круговорот между гидросферой, литосферой и атмосферой под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Переходя из газообразного состояния в жидкое, она поступает из атмосферы на сушу в реки и водоемы. Сток рек и подземных вод, океани- ческие течения, перемещение облаков над материками, передвижение воды из почв от корней к листьям – различные звенья круговорота воды в биосфе- ре. Различают большой (мировой) и малый (в пределах экосистем) кругово- роты. Большой круговорот воды включает следующие процессы. Водяные пары, испарившиеся с поверхности океанов, морей, внутренних водоемов под воздействием солнечной энергии, при соответствующих условиях кон- денсируются, образуя облака, охлаждение которых вызывает осадки в виде дождя, снега и града. Осадки поглощаются почвами, породами и пополняют подземные воды илиже стекают по поверхности, поступая в реки. В итоге вода возвращается в моря, океаны, и все повторяется. Этот круговорот хоро- шо замкнут.
Круговорот воды в экосистемах состоит из четырех фаз: перехвата, эва- потранспирации, инфильтрации и стока. Поступая в виде осадков, вода час- тично перехватывается листьями, ветвями, стволами деревьев, испаряется с их поверхности в атмосферу, не достигнув почвы, т.е. теряется для экосисте- мы. Часть воды просачивается (инфильтруется) до уровня грунтовых вод или теряется для экосистемы с поверхностным стоком. Вода возвращается в ат- мосферу вследствие эвапотранспирации, или суммарного испарения, т.е. фи- зического с поверхности почвы и физиологического (биологического) в про- цессе транспирации растений. Суммарное испарение в Европе составляет в среднем 3…7 тыс. т/га за год. Ежегодно экосистема использует из всей транспирируемой воды примерно 1% ее на формирование биомассы.
Антропогенные воздействия – вырубка лесов, распашка лугов, осушение пойменных болот, внесение удобрений и пестицидов, строительство дорог, городов и заводов – увеличивают поверхностный сток, приводят к загрязне- нию водоемов, грунтовых вод, рек промышленными, бытовыми и сельскохо- зяйственными стоками, а следовательно, к сокращению запасов пресных вод.
Учет круговорота воды весьма важен в хозяйственной деятельности челове- ка.
Контрольные вопросы и задания:
1. Кто ввел термины «биосфера» и «ноосфера»? 2. Что такое биосфера и ноосфера? 3. Перечислите основные компоненты вещества биосферы. 4. На- зовите пределы биосферы. 5. Что такое экосистема и биогеоценоз? 6. В чем проявляется многообразие экосистем? 7. Что такое агроэкосистема? 8. Какие геохимические процессы протекали до появления жизни на Земле? 9. В чем состоит сущность большого (геологического) круговорота веществ? 10. Ка- кие особенности приобрела миграция химических элементов с возникнове-