"Экология (базовый уровень)", Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Суматохин С.В.
Биосферные круговороты — это непрерывное перемещение и превращение веществ между живыми организмами, почвой, водой, воздухом и горными породами. Благодаря им химические элементы многократно используются в экосистемах и биосфера сохраняет относительную устойчивость. Быстрые биологические процессы сочетаются с медленными геологическими этапами. Круговороты воды, углерода, азота, фосфора и серы связаны между собой, поэтому деятельность человека в одном из них может изменить состояние всей экосистемы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биосферный круговорот веществ — непрерывное перемещение и превращение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Он показывает, почему почва, вода и воздух связаны с жизнью организмов. Понимание круговорота помогает объяснить устойчивость биосферы и последствия вмешательства человека.
Биологический круговорот — включение веществ в состав организмов, передача по цепям питания и возвращение в среду после отмирания и разложения. Его обеспечивают продуценты, консументы и редуценты. Это понятие нужно, чтобы проследить быстрый обмен веществ внутри экосистемы.
Круговорот углерода — обмен углеродом между атмосферой, организмами, почвой, океаном и горными породами. Главный вход углерода в живое вещество происходит при фотосинтезе. По этому круговороту можно понять связь растительности, дыхания, климата и сжигания топлива.
Круговорот азота — превращение соединений азота микроорганизмами и их переход между атмосферой, почвой и живыми организмами. Азот необходим для белков и нуклеиновых кислот, но большинство организмов не усваивает его непосредственно из воздуха. Поэтому особенно важна работа почвенных бактерий.
Круговороты объединяют живую и неживую природу, потому что организм получает химические элементы не изолированно, а из воды, воздуха и почвы. После использования эти элементы возвращаются в окружающую среду и снова становятся доступными другим организмам. Поэтому биосфера относительно замкнута по веществам, хотя отдельные запасы могут надолго выходить из быстрого обмена.
Сначала вещества поступают в организмы из окружающей среды: растения поглощают воду, углекислый газ и минеральные соли, а животные получают элементы с пищей. Далее они перемещаются по пищевым цепям от продуцентов к консументам. Дыхание возвращает часть углерода в атмосферу, выделения — растворённые соединения в почву и воду, а разложение освобождает элементы из мёртвых остатков.
Быстрые этапы связаны с жизнью организмов: фотосинтез, питание, дыхание и разложение могут происходить за часы, дни или годы. Медленные геологические этапы включают выветривание пород, перенос осадков, их уплотнение и поднятие земной коры. Они продолжаются тысячи и миллионы лет, поэтому запас вещества в породах не успевает быстро восстановиться.
Круговорот воды начинается с испарения с поверхности водоёмов, почвы и растений. Воздушные массы переносят влагу, затем она выпадает дождём или снегом; вода просачивается в почву, стекает в реки и возвращается в океан. Организмы поглощают воду для обмена веществ, а транспирация растений и дыхание возвращают её в атмосферу.
Организмы ускоряют круговороты углерода, азота, фосфора и серы, потому что включают эти элементы в ткани и изменяют их химические формы. Человек нарушает равновесие вырубкой лесов, добычей руд, сжиганием топлива и внесением удобрений. В результате меняются состав атмосферы, плодородие почв, прозрачность водоёмов и продуктивность экосистем.
| Круговорот | Основные резервуары вещества | Главные процессы | Роль живых организмов | Основные последствия нарушения |
|---|---|---|---|---|
| Воды | Океан, ледники, подземные воды, атмосфера, почва | Испарение, перенос, осадки, сток, просачивание | Поглощение, транспирация, дыхание | Засухи, наводнения, истощение запасов пресной воды |
| Углерода | Атмосфера, биомасса, почва, океан, горные породы | Фотосинтез, дыхание, разложение, растворение, горение | Связывание и передача углерода по пищевым цепям | Изменение климата, разрушение лесов, закисление океана |
| Азота | Атмосфера, почва, вода, живое вещество | Фиксация, аммонификация, нитрификация, денитрификация | Бактериальные превращения и усвоение растениями | Эвтрофикация, загрязнение нитратами, снижение плодородия |
| Фосфора | Горные породы, почва, донные отложения, организмы | Выветривание, поглощение, питание, разложение, осаждение | Включение в ДНК, АТФ, кости и оболочки клеток | Цветение воды, истощение почв, накопление фосфатов |
| Серы | Породы, океан, почва, атмосфера, организмы | Выветривание, окисление, восстановление, разложение | Участие бактерий и включение серы в белки | Кислотные дожди, закисление почв и водоёмов |
Читая таблицу, сначала найдите резервуары: они показывают, где хранится вещество. Затем сопоставьте процессы с ролью организмов и проследите, какое нарушение возникает при изменении потоков. Так можно сравнивать круговороты, не смешивая их основные этапы.
Условие. Нужно расположить фотосинтез, дыхание, разложение органических остатков и сжигание топлива. Для решения определим, откуда углерод поступает в живое вещество и какими путями он возвращается в атмосферу. Один из перечисленных процессов относится к деятельности человека.
Ответ. В упрощённой последовательности: фотосинтез → дыхание → разложение органических остатков → сжигание топлива. В природе дыхание, разложение и горение могут идти одновременно, поэтому это не единственная временная линия. Главное — восстановить переход углерода из атмосферы в организмы и обратно.
Условие. Объясним, почему избыток азотных удобрений может вызвать эвтрофикацию, то есть чрезмерное обогащение водоёма питательными веществами. Нитраты легко смываются с полей дождевой и талой водой. Нужно связать поступление азота с изменением кислородного режима.
Ответ. Избыток удобрений нарушает круговорот азота и запускает цепь «нитраты — рост водорослей — разложение — дефицит кислорода». Поэтому удобрения опасны не только на поле, но и для расположенных ниже по течению водоёмов. Ограничить риск помогают точное дозирование и защитные полосы растительности.
Условие. Сравним последствия вырубки лесов и добычи фосфоритов для круговоротов углерода и фосфора. В первом случае меняется крупный живой резервуар углерода, во втором изымается фосфорсодержащая порода. Нужно определить различия в потоках и масштабе последствий.
Ответ. Вырубка лесов главным образом нарушает круговорот углерода и водный режим, а добыча фосфоритов — медленный геологический этап круговорота фосфора. Оба воздействия могут загрязнять воды и менять экосистемы, но механизмы различны. Сравнивать их следует по изменённому резервуару, процессу и цепи последствий.
Считать круговорот полностью замкнутым. Ошибка возникает из-за представления, будто всё вещество быстро возвращается на прежнее место. Проверяйте себя вопросом: не накапливается ли элемент в породах, океане или осадках?
Приписывать растениям все превращения. Так думают, потому что растения заметны и занимают положение продуцентов. Уточняйте роль микроорганизмов: именно они выполняют многие превращения азота и серы.
Путать вещество и энергию. Вещество циркулирует между компонентами экосистемы, а энергия проходит в одном направлении и рассеивается в виде тепла. Для проверки спросите себя, возвращается ли рассматриваемый ресурс или только преобразуется его форма.
Считать влияние человека только локальным. Удобрения, вырубка лесов и сжигание топлива меняют глобальные потоки, даже если источник находится на небольшой территории. Проверяйте масштаб воздействия и возможные переносы водой или атмосферой.
До изучения темы нужны знания об уровнях организации живой природы, пищевых цепях, фотосинтезе, дыхании, разложении и ролях продуцентов, консументов и редуцентов. География помогает понять, как круговороты определяют климат, природные зоны, почвообразование и распределение ресурсов. Дальше эти знания пригодятся при изучении устойчивости экосистем, изменения климата, глобальных экологических проблем и рационального природопользования.
Почему вещества в биосфере не заканчиваются?
Вещества постоянно переходят из неживой природы в организмы, а затем возвращаются в почву, воду и атмосферу. Полностью замкнутым обмен не является: часть элементов надолго накапливается в породах, океане и осадках.
Чем биологический круговорот отличается от геологического?
Биологический круговорот связан с жизнедеятельностью организмов, питанием, дыханием и разложением, поэтому обычно протекает быстро. Геологический круговорот включает выветривание, осадконакопление и поднятие пород и может длиться тысячи или миллионы лет.
Почему растения называют важнейшим звеном круговорота углерода?
При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и превращают углерод в органические вещества. Затем углерод передаётся животным по цепям питания и возвращается в среду при дыхании и разложении.
Как микроорганизмы участвуют в круговороте азота?
Одни бактерии связывают атмосферный азот, другие превращают аммиак в нитриты и нитраты, а третьи возвращают азот в атмосферу. Эти превращения делают азот доступным растениям и поддерживают плодородие почвы.
Почему нарушение одного круговорота влияет на состояние всей экосистемы?
Круговороты связаны: вода переносит растворённые вещества, а организмы одновременно участвуют в обмене углерода, азота, фосфора и серы. Поэтому изменение одного потока может вызвать нехватку элементов, загрязнение воды или нарушение пищевых цепей.
§ 31. Основные биосферные круговороты веществ
