Лабораторная работа №14 Письменно выполните задания к лабораторной работе

Круговороты веществ и биогенных элементов в биосфере и агроландшафтах

Цель работы: Ознакомиться с принципом биосферного круговорота веществ. Рассмотреть модели. Рассмотреть этапы эволюции биосферы

Глобальный круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Сущность его состоит в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращение органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. На уровне биосферы действует биогеохимический круговорот веществ, представляющий собой обмен макро- имикроэлементов и простых неорганических соединений с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы (рисунок 14). Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть циклов в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм. Такие элементы называются биофильными.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1)резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Итак, единственный процесс, не тратящий, а наоборот, связывающий солнечную энергию и даже аккумулирующий ее – это создание органического вещества в процессе фотосинтеза.

                         Круговорот углерода – это один из важнейших круговоротов, определяющий энергетику биосферы. С ним непосредственно связан круговорот кислорода в биосфере, а также циклы азота, фосфора и серы.  Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Содержание углерода в земной коре невелико (0,1-0,02 %), но его соединения являются основой всех форм жизни. Углерод существует в природе во многих формах, начиная с нахождения в виде чистого углерода (графит, уголь и др.), вплоть до высокомолекулярных органических соединений. Он образует молекулярный остов любого органического вещества, т.е. является одним из основных биогенных элементов.

Основная масса углерода находится в земной коре в связанном состоянии. Важнейшие минералы углерода – карбонаты. Количество углерода в них оценивается в 9,6х10¹⁵ т.  Атмосфера и вода океанов представляют собой резервуары активного неорганического фонда углерода, который содержится там в виде диоксида (СО₂) в свободном (2,1·10¹² т) и растворенном (1,3·10¹⁴т) видах. Между атмосферой и океаном постоянно происходит обмен  двуокисью углерода. Повышение концентрации и парциального давления СО₂ в атмосфере и региональное или сезонное охлаждение вод сопровождаются соответствующим увеличением СО2 в воде и образованием растворов бикарбонатов металлов. В последующем бикарбонаты могут, выпадая в осадок, связывать часть СО₂ в карбонатах. Другая часть СО₂ при этом вновь выделяется в атмосферу. Уменьшение концентрации диоксида углерода в атмосфере или повышение температуры вызывает дегазацию вод океана. При этом в осадок выпадает эквивалентная часть углекислого кальция. Таким образом, образуются карбонатные породы, и углерод уходит из круговорота в длительный геологический цикл.  Такое естественное блокирование круговорота какого-либо вещества называют стагнацией. Общее количество накопленных в осадках карбонатов кальция и магния углерода оценивается миллионами тонн. В целом Мировой океан действует как насос, поглощая СО₂ в высоких широтах и выделяя его в тропиках. Другим механизмом поглощения диоксида углерода из атмосферы и гидросферы с включением углерода в состав органических веществ является фотосинтез. Этот процесс начался значительно позднее геохимического связывания углерода в виде карбонатов, но протекал очень интенсивно. Образующиеся при фотосинтезе и дальнейшем биосинтезе органические вещества не только составляют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных  и не зеленых растений. В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические соединения, выделяя СО₂, который может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. После гибели организмов их ткани подвергаются биологическому разложению под воздействием редуцентов, в результате чего СО₂ также поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого «почвенного дыхания». Таким образом, возвращение СО₂ в активный неорганический фонд происходит за счет процессов дыхания, разложения и гниения, окисления гумуса, торфа, лесных подстилок, лесных и степных пожаров.. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики разделены в пространстве и во времени, проходят множество промежуточных этапов и обусловлены деятельностью колоссального числа различных экосистем, их равенство в экосфере в целом поддерживается с исключительно высокой точностью.

Минерализация погибших организмов возвращает биогенные катионы в почву, создается впечатление, что цикл способен продолжаться беспрерывно. Однако почва выщелачивается дождями, дождевые воды переносят катионы в систему подземного стока, а также и в поверхностный сток: в реки, моря, иногда в значительных количествах. Выщелачивание - автокаталитический процесс вымывания биогенных катионов, чем больше оно прогрессирует, тем больше деградируют почвенные коллоиды. Положение становится особенно тяжелым в тропических местностях: ливневые дожди, низкая абсорбционная способность почвенного комплекса (малое количество гумуса), истощение почв монокультурами сахарного тростника, кофе, какао, кукурузы, арахиса.В умеренных широтах последствия выщелачивания не так резки, но все-таки в результате вырубок (сплошных под корень), при корчевке пней и снятия дерна разрушается гумус – ресурс питательных веществ. Следовательно, нарушается круговорот, его полнота: переход к пустоши или лугу, со скудной растительностью и меньшим запасом биомассы.Истощение почвы возможно не только вследствие снятия растительного покрова, но и через сельскохозяйственные культуры. Такие культуры, как свекла, картофель, масличные культуры, уносят ежегодно от 300 до 700 кг минеральных веществ на 1 га.

Задания к лабораторной работе

Задание 1.Рассмотрите схему круговорота углерода (рис. 1). Назовите процессы, осуществляемые живыми организмами в ходе осуществления круговорота.

Рисунок 1 – Схема круговорота углерода

Задание 2. На рисунке 2 рассмотрите упрощенную схему круговорота фосфора. Обратите внимание, что в процессе превращений отсутствует газовая фаза. Почему в наземных экосистемах отмечается дефицит фосфора?

Рисунок 2 – Упрощенная схема круговорота фосфора

Задание 3. На рисунке 3 рассмотрите схему круговорота азота. Пользуясь глоссарием, запишите в тетрадь определения указанных на рисунке процессов.

Рисунок 3 – Схема круговорота азота

Задание 4. На основании данных таблицы обоснуйте нормы внесения минеральных удобрений в почву для компенсации потерь после выращивания разных культур.

Таблица  – Ежегодный вынос из почвы веществ (кг/га) при средних урожаях

Задание 5. Ознакомьтесь с данными таблицы. Рассчитайте потери каждого из элементов, если проведена рубка 100 га лесного массива, в состав которого входили 30% лиственных деревьев, 10% приходилось на ель, а остальное – на сосну.

Таблица  – Вынос веществ(кг/га) при вырубке лесов 100-летнего возраста

Контрольные вопросы

1.           В чем смысл биогенного круговорота?

2.           Почему биогенный круговорот в биосфере называют «моделью безотходного производства»?

3.            Каким образом можно компенсировать вынос из почвы биогенных катионов?