Биогеохимические циклы

Химический смысл существования планеты Земля и живущих на ней организмов заключается в постоянной миграции элементов — это основной механизм, в результате которого химические элементы включаются в два круговорота:

1 Большой геологический круговорот — обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубиной энергией Земли. В нем осуществляется перераспределение веществ и энергии между поверхностными и внутренними слоями Земли, между мантией, корой и ядром.

2 Малый биотический круговорот — совершается в пределах биосферы и определяется процессами обмена химических элементов между живыми организмами и неорганической средой — циркуляция веществ между почвами, растениями, животными и микроорганизмами.

Оба круговорота взаимозависимы, что создает возможность для саморегуляции и поддержания гомеостаза биосферы. Устойчивость биосферы отражается в постоянстве процентного содержания отдельных химических элементов.

В биогеохимическом круговороте различают 2 части:

1) Резервный фонд — вся масса движущихся элементов, не связанных непосредственно и в данный момент времени с живыми организмами.

® Подвижный фонд — гораздо меньший по объему, но весьма активный и связанный с быстрым обменом химическими элементами между живыми организмами и их абиотическим окружением.

В биотическом (биогеохимическом) круговороте наиболее активное участие принимают 3 компонента биосферы: живое вещество, биогенное и биокосное вещество.

В биосфере в целом можно выделить:

а) Круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и Мировом океане (пример – цикл углерода).

б) Осадочный цикл с резервным фондом в земной коре, откуда живые организмы могут извлекать некоторую часть необходимых неорганических компонентов.

Для изучения биогеохимических циклов, как в естественных, так и нарушенных экосистемах, учитываются следующие показатели:

а) Суммарная биомасса всех растений;

б) Органические остатки в виде опада и подстилки;

в) Органическое вещество почв в виде гумуса и неразложившихся остатков;

г) Элементарный состав почв, вод, воздуха, атмосферных осадков, живых организмов и их отмирающей массы;

д) Продукты жизнедеятельности организмов;

е) Численность и биомасса видов и популяций;

ж) Метеорологическая и экологическая обстановка, в том числе естественный фон и степень антропогенного вмешательства;

з) Происхождение, состав и свойства загрязнителей в различных средах и экосистемах.

Как биотические, так и биогеохимические циклы состоят из трех групп процессов:

а) Поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы;

б) Превращения поступающих элементов в процессах обмена веществ

в) Возвращение обратно в почву, воды и воздух отмирающих и разлагающихся веществ.

На основании экспериментальных данных можно составить баланс тех или иных химических элементов, составляющих цикл и включающий пути поступления элементов и потребления элементов. На данных балансах базируется количественная оценка биогеохимических циклов. Другим определяющим фактором биогеохимических циклов является представление о типах миграций химических элементов, затрагивающих и большой геологический и малый биотический круговороты. Таких типов 5:

а) Механический тип — перенос отдельных элементов в составе горных пород, минералов или органических остатков без их химического изменения. Сюда относятся: вынос пород по склонам, перенос их водными потоками, снос под действием силы тяжести в виде селей, оползней и др. В физике подобные явления объединяются под названием «гравитационный перенос».

б) Водный тип — миграция химических элементов в растворенной форме — в виде ионных растворов или коллоидов. Такой тип наиболее распространен в природе. Вода рек, озер, морей и океанов, подземные, почвенно-грунтовые и атмосферные воды всегда содержат химические элементы в растворенном и очень подвижном состоянии.

в) Воздушный тип — перенос газов, вулканического пепла, пыли, аэрозолей и отдельных химических элементов с влагой и ветровыми потоками.

г) Биогенный тип — свойственен живым организмам, химические элементы образуют структуру живых организмов и передаются по пищевым цепям.

д) Техногенный тип — перемещение химических элементов в любой форме в результате деятельности человека (перекачка воды, добыча и транспортировка полезных ископаемых, эксплуатация биологических ресурсов).