Совместное действие температуры и влажности. Экологические системы, биоценоз, биоциклы

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

РЕФЕРАТ

Автор: студент гр. ВД-99 ______________ /Лещинский А.И./

^{(подпись)(Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА: _____________

Дата: ___________________

ПРОВЕРИЛ(а) ____________ ______________ / /

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2003год

Оглавление.

1. Совместное действие температуры и влажности.................................................................. 3

2. Экологические системы, биоценоз, биоциклы...................................................................... 5

2.1. СИНЭКОЛОГИЯ............................................................................................................... 5

2.2. БИОЦЕНОЗ........................................................................................................................ 5

2.3. БИОГЕОЦЕНОЗЫ КАК ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ 7

2.3.1. Биогеоценоз................................................................................................................. 7

2.3.2. Экосистема................................................................................................................... 7

2.4. БИОЦИКЛЫ....................................................................................................................... 9

4. Большие биохимические циклы. Круговорот кислорода................................................... 10

4.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ............................................................................................ 10

4.1.1. Круговорот воды....................................................................................................... 11

4.1.2. Круговорот кальция.................................................................................................. 12

4.1.3. Углерод....................................................................................................................... 13

4.1.4. Круговорот азота....................................................................................................... 14

4.1.5. Круговорот кислорода.............................................................................................. 15

5. Природные ресурсы и их классификации. Факторы определяющие масштабы их потребления. 18

Список использованной литературы........................................................................................ 23

Рассмотрение отдельных факторов среды — это не конечная цель экологического исследования, а способ подойти к сложным экологи­ческим проблемам, дать сравнительную оценку важности различных факторов, действующих совместно в реальных экосистемах.

Температура и влажность являются ведущими климатическими факторами и тесно взаимосвязаны между собой (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Влияние температуры на относительную влажность воздуха (по Б.Небелу, 1993)

При неизменном количестве воды в воздухе относительная влажность увеличивается, когда температура падает. Если воздух охлаждается до температуры ниже точки водонасыщения (100%), происходит конденсация и выпадают осадки. При нагревании его относительная влажность падает. Сочетание температуры и влаж­ности часто играет решающую роль в распределении раститель­ности и животных. Взаимодействие температуры и влажности за­висит не только от относительной, но и от абсолютной их величи­ны. Например, температура оказывает более выраженное влияние на организмы в условиях влажности, близкой к критической, т.е. если влажность очень велика или очень мала. Влажность также играет более критическую роль при температуре, близкой к пре­дельным значениям. Отсюда одни и те же виды организмов в раз­личных географических зонах предпочитают разные местооби­тания. Так, по правилу предварения, установленному В. В. Але­хиным (1951) для растительности, широко распространенные виды на юге произрастают на северных склонах, а на севере встречаются только на южных (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема правила предварения (по В. В. Алехину, 1951):

1 — северный вид, обитающий на плакоре, на юге переходящий на склоны северной экспозиции и в балки;

2 — южный вид, на севере встречающийся на наиболее прогреваемых склонах южной экспозиции

Для животных выявлены принципы смены местообитание (Г. Я. Бей-Биенко, 1961) и принцип смены ярусов (М. С. Гиляров, 1970), согласно которым мезофильные виды в центре ареала, на севере его вы­бирают более сухие, а на юге — более влажные места или переходят от наземного образа жизни к подземному, как многие насекомые-фитофаги. Чем слабее проявляется влияние климата в тех конкретных местообита­ниях, которые выбирает вид, тем больше их способность обитать в разных климатических условиях. Вид выбирает сочетание факторов, наиболее соотгветсгвующих его экологической валентности, путем смены местообитания, и таким образом преодолевает климатические рубежи. t Взаимосвязь температуры и влажности хорошо отражают кли-мадиаграммы, составленные по способу Вальтера-Госсена, на вторых в определенных масштабах сопоставлен годовой ход температуры воздуха с ходом выпадения осадков (рис. 1.3 ). . Климадиаграммы можно построить для отдельных лет, а рас­положив последовательно и непрерывно одна за другой, полу­чить климатограмму. На климатограммах легко прослеживается экстремально сухие или экстремально холодные годы.

Рис. 1.3. Климадиаграмма по Вальтеру-Госсену для Одессы (по Г. Вальтеру, 1968)

I— высота над уровнем моря, б — число лет наблюдений за температу­рой (первая цифра) и осадками (вторая цифра), в — средняя годовая температура, г — средняя годовая сумма осадков в мм, д—средний суточный минимум самого холодного месяца, е -•- абсо­лютный минимум, ж — средний суточный максимум самого теплого ыесяца, з — абсолютный максимум, и — кривая средних месячных тем­ператур, к — кривая средних месячных сумм осадков (соотношение Ю°=20 мм), л — то же (соотношение 10°=30 мм), м — засушливый пери­од, н — полузасушливый период, о — влажное время года, п — месяцы со средним суточным минимумом температуры ниже 0°С, р — месяцы it абсолютным минимумом температуры ниже 0°С, с — безморозный (период. По оси абсцисс — месяцы.

2.1. СИНЭКОЛОГИЯ

Синэкология — часть экологии, изучающая экологические систе­мы. Общепринятого понятия системы до сих пор не существует. Под системой обычно понимают целостное образование, состоя­щее из взаимосвязанных компонентов (элементов). Любая система состоит из частей (подсистем) и является составным компонентом системного образования более высокого иерархического уровня (надсистемы). Например, биогеоценоз как система состоит из под­систем — биоценоза, популяций растений и животных — и входит в состав биосферы — глобальной системы высокого иерархического уровня. Системы обладают эмерджентными (новыми) свойствами. Каждая система качественно отличается от слагающих ее подсистем и от надсистемы, в которую она входит. Для иллюстрации принци­па эмерджентности Ю. Одум приводит два примера. Молекула воды как система состоит из непохожих на нее подсистем — атомов водорода и кислорода. Коралловый риф как система резко отлича­ется от составляющих его подсистем: водорослей и кишечнополост­ных животных.

2.2. БИОЦЕНОЗ

БИОЦЕНОЗ (от био... и греч. koinos — общий), совокупность растений, живот­ных, микроорганизмов, населяющих участок суши пли водоёма и характери­зующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами среды.

Термин «Биоценоз» был предложен нем. био­логом К. Мёбиусом (1877). Биоценоз.— комплекс организмов биогеоценоза, формирующий­ся в результате борьбы за существование, естественного отбора и других факто­ров эволюции. По участию в биогенном круговороте веществ в биоценозе. различают три группы организмов.

1. Продуценты (производители) — автотрофные орга­низмы, создающие оргапнч. вещества из неорганических; осн. продуценты во всех Б.— зелёные растения (см. Фотосинтез). Деятельность продуцентов определяет исходное накопление оргаиич. веществ в Б. (см. Биомасса, Биологическая продук­тивность).

2. Коисументы (потребите­ли)— гетеротрофные организмы, питаю­щиеся за счёт автотрофных.

· Консументы 1-го порядка — растительноядные живот­ные, а также паразитич. бактерии, грибы и др. бесхлорофнльные растения, раз­вивающиеся за счёт живых растеши"!.

· Консументы 2-го порядка — хищники и паразиты растительноядных организмов.

· Бывают консументы 3-го и 4-го порядков (сверхпаразнты, суперпаразиты и т. п.), но всего в цепях питания по более 5 зве­ньев.

На каждом последующем трофпч. уровне кол-во биомассы резко снижается. Деятельность консумептов способствует превращениям и перемещениям органич. веществ в Б., частичной их минерализа­ции, а также рассеянию энергии, накоп­ленной продуцентами,

3. Редуценты (восстановители) — животные, питающие­ся разлагающимися остатками организ­мов {сапрофаги), и особенно непаразити­рующие гетеротрофные микроорганиз­мы — способствуют минерализации орга­нич. веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние.

Взаимосвязи организмов в Б. многооб­разны. Кроме трофнч. связей, определяю-

щих цепи питания (иногда очень своеоб­разные —- см. Паразитизм, Симбиоз), существуют связи, основанные на том, что одни организмы становятся субстра­том для других (топические связи), соз­дают необходимый микроклимат и т. п. Часто можно проследить в Б. группы ви­дов, связанные с определённым видом и целиком зависящие от последнего (кон-сорции).

Для биоценоза характерно разделение на более мелкие подчинённые единицы — мероценозы, т. е. закономерно слагающие­ся комплексы, зависящие от биоценоза в целом (напр., комплекс обитателей гниющих дубовых пней в дубраве). Если энергетическим источником биоценоза служат не автотрофы, а животные (напр., летучие мыши в биоценозе пещер), то такие биоценозы зависят от притока энергии извне и являются неполно­ценными, представляя в сущности мероценозы. В биоценозе можно выделить и др. подчинённые группировки организмов, например, синузии. Для биоценоза также характерно разделение на группировки организмов по вертикали (ярусы биоценоза). В годовом цикле в биоценозе изменяются численность, стадии развития и активность отдельных видов, создаются закономерные сезонны е аспекты биоценоза.

Биоценоз — диалектически развивающееся единство, меняющееся в результате дея­тельности входящих в него компонен­тов, вследствие чего происходят законо­мерные изменение и смена биоценоза (сукцессии), которые могут приводить к восстановлению резко нарушенных биоценоза (напр., леса после пожара и т. п.). Различают насы­щенные и ненасыщенные биоценозы В насыщенном биоценозе все экологические ниши заняты и вселение нового вида невозможно без уничтожения или последующего вытес­нения к.-л. компонента биоценоза. Ненасыщенные биоценоза характеризуются возможностью все­ления в них новых видов без уничтоже­ния других компонентов. Можно различать первичные биоценозы, сложившиеся без воздействия человека (целинная степь, девственный лес), и вторичные, изменённые деятельностью человека (леса, выросшие на месте сведённых, на­селение водохранилищ). Особую катего­рию представляют агробиоценозы, где комплексы основных компонентов биоценоза созна­тельно регулируются человеком. Между первичными биоценозом и агробиоценозамн имеет­ся вся гамма переходов. Изучение биоценоза важно для рационального освоения зе­мель и водных пространств, т. к. толь­ко правильное понимание регулятивных процессов в биоценозе позволяет человеку изы­мать часть продукции биоценоза без его наруше­ния и уничтожения.

2.3. БИОГЕОЦЕНОЗЫ КАК ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ

2.3.1. Биогеоценоз

Термин «биогеоценоз» (био — жизнь, гео — земля, ценоз — со­общество) был предложен В. Н. Сукачевым в 1940 г. Им обознача­ют наземные и водные природные комплексы — леса и степи, озе­ра и реки и т. д. Наряду с термином «биогеоценоз» существует тер­мин «экологическая система» (экосистема), предложенный А. Тенсли в 1935 г. Термины «биогеоценоз» и «экосистема» отра­жают близкие понятия. Некоторые авторы их отождествляют, что, однако, неправильно.

2.3.2. Экосистема

Термин «экосистема» (от греч. oikos — жи­лище, местопребывание и система) истолковывают неоднозначно. Так, Л. О. Карпачевский (1983) этим термином обозначал разнообраз­ные природные объекты, представляющие собой те или иные фор­мы взаимосвязи живого организма со средой своего обитания. Эко­логическими он называет такие биологические системы, как, напри­мер, дерево с растущими на нем лишайниками, клещ, впившийся в кожу животного, и другие подобные сожительства организмов. Микроб или паразит (микроорганизм) во взаимосвязи с растением или животным (макроорганизмом) — это экосистема биогенная, т. е. порожденная живыми организмами. Наряду с этим существуют биокосные системы, в которых средой обитания для организмов служит неживой субстрат органического или неорганического про­исхождения. Примеры таких экологических систем: личинки жука-могильщика на теле умершего животного, микроорганизмы в капле воды и т. д.

Простые экологические системы объединяются в более слож­ные. Так, система бактерии — личинки овода — может входить в систему более высокого уровня — надсистему личинки овода —-корова, а корова, в свою очередь, — составной компонент систем­ного образования еще более высокого ранга —луга (пастбища). Биокосные системы могут быть самыми разнообразными. Они от­личаются по составу биоты, величине (объему) и т.д. Биокосные системы — лесной колок, озеро, тайга (таежный ландшафт), море. Биосфера, представляющая собой совокупность всех организмов, населяющих нашу планету, со средой своего обитания, — это тоже биокосная система.

Большинство современных авторов под экологической систе­мой понимают сообщество взаимосвязанных организмов разных видов (биоценоз) со средой своего обитания (неживой, косной при­родой). Организмы и окружающая их среда объединены в одно фун­кциональное целое из-за взаимозависимости и причинно-след­ственных связей между живой и неживой природой. Размер эколо­гической системы трудно определить в физических мерах измене­ния (длины, площади, объема). Экосистему можно оценить лишь мерой, учитывающей процессы саморегуляции и самовосстановле­ния составляющих ее средообразующих компонентов.

В современном понимании биогеоценоз (Б ГЦ) — эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально взаи­мосвязанных живых организмов и окружающей их косной среды (рис. 2.1.). БГЦ характеризуется определенным энергетическим со­стоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией (Реймерс). Биогеоценоз — это элементарная биохорологическая единица биосферы — глобальной экологической системы. Сово­купности однотипных БГЦ образуют ландшафты (регионы био­сферы). Так, таежные БГЦ формируют таежный ландшафт, степ­ные БГЦ — степной ландшафт и т. д.

Рис.2.1. Функциональная структура биогеоценоза

Биогеоценоз состоит из четырех категорий взаимодействую­щих слагаемых: продуцентов, консументов, редуцентов и неживых тел.

Компоненты неживой (косной) природы — атмосфера, вода, материнская порода.

В идеальном случае экосистема со сбалансиро­ванной жизнедеятельностью автотрофных организмов и гетеротрофных орга­низмов могут приближаться к замкнутой системе, обменивающейся с окружающей средой только энергией. Однако в естественных условиях длительное существова­ние экосистем возможно только при притоке из окружающей среды не только энергии, но и большего или меньшего кол-ва ве­щества. Все реальные экосистемы, в совокупности слагающие биосферу Земли, принадле­жат к открытым системам, обмениваю­щимся с окружающей их средой вещест­вом и энергией.

Термин «экосистема» приложим как к природ­ным, так и к искусственным экосистемам, таким, например. как сельскохозяйственные. угодья, сады, парки.

В процессе всестороннего изучения природных комплексов взаимодействую­щих между собой растений, животных и микроорганизмов учёные давали этим надорганпзменным единицам разные на­звания. Б. ч. из предложенных терминов не получили распространения, некоторые используются лишь в определённых случаях (напр., термином «биом» в США обозначают такие макроэкосистемы, как зона хвойных лесов, степная зона и др.). Термин «экосистема», вытеснивший многие другие тер­мины сходного содержания, предложил в 1935 англ, ботаник А. Тенсли. В 1944 В. Н. Сукачёв стал пользоваться приме­нительно к наземным живым системам термином биогеоценоз, не считая, однако, его тождественным экосистеме. Действительно, даже аквариум или пчелиный улей не­сомненно представляют собой Э., но не могут быть названы биогеоценозами. Кро­ме того, общая особенность биогеоцено­за — меньшая суммарная биомасса жи­вотных по сравнению с биомассой расте­ний, в то время как в водной Э. господствует обратное их соотношение.

Экосистемы характеризуются видовым составом, численностью особей отдельных видов, их биомассой, распределением и сезон­ной динамикой. Начиная с 40—50-х гг. 20 в. развернулись исследования, позво­ляющие количественно характеризовать функциональные особенности экосистем, прежде всего цепи питания, через которые осуще­ствляется биологическая трансформация ве­щества и энергии. Количеств, выражение интенсивности и эффективности этих процессов с помощью современных методов, в ча­стности математического моделирования экологических систем,— необходимая ос­нова решения актуальных вопросов ра­ционального использования биологических ре­сурсов природы и сохранения среды оби­тания человека.

2.4. БИОЦИКЛЫ

БИОЦИКЛЫ, или жизненные области, три самых крупных подраз­деления биосферы: суша, море и внутр. водоёмы. Каждый биоцикл подразделяется на биохоры, включающие значит, число биотопов. Напр., биотопы песчаных, глинистых и каменистых пустынь объе­диняются в биохор пустынь, который имеете с биохорами лесов, степей и др. составляет биоциклы суши.

4.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ на земле, повторяющиеся процессы превра­щения и перемещения вещества в приро­де, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют опре­делённое поступательное движение, т. к. при т. н. циклических превращениях в приро­де не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изме­нения в количестве и составе образующих­ся веществ. Понятие К. в. нередко трак­товалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне оши­бочно.

Ок. 5 млрд. лет назад произошла диф­ференциация вещества Земли, разделе­ние его на ряд концентрич. оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое вре­мя развивались в направлении дальней­шего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами в внутри каж­дой отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее су­щественную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в резуль­тате процессов выплавления легкоплавко­го вещества Земли и дегазации.

Поскольку можно судить на основании сохранившихся геологических свидетельств, эта стадия обмена была ещё очень об­ширной в архейскую эру (см. Докемб­рий). В то время имели место интенсив­ные колебательные движения в земной коре, обширные горообразовательные процессы, создавшие повсеместно склад­чатость, а также энергичная вулканическая деятельность, результатом которой яви­лись мощные слои базальтов. Широко развиты были интрузии и процессы гра­нитизации. Все эти процессы осуществля­лись в более грандиозных масштабах, чем и последующие геологии, периоды. В ар­хейскую эру на поверхность Земли вы­носились вещества в значительно боль­ших количествах и, возможно, из более глу­боких областей планеты. В дальнейшем обмен веществом между глубокими обла­стями и поверхностью Земли сократил­ся. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры — плат­формы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинкли­нали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области су­жались.

В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направле­нию достаточно определённо может на­блюдаться в пределах 10—20 км от поверхности Земли и местами — в .50— (if) к.м. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в наст, время уже не играет существенной роли в общем К. в. на Зем­ле. Непосредственно непрерывный К. в. наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в био­сфере. Со времени появления биосферы (ок. 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ на Земле изменился. К физико-химич. превраще­ниям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологической силой стала ныне деятельность человека. См. Зем­ля (раздел Человек и Земля).

Т. о., круговорот веществ на Земле в процессе разви­тия нашей планеты изменялся и в современный период с геологической точки зрения наиболее интенсивен па поверхности Земли. В ин­тенсивный обмен захватывается в лито­сфере, атмосфере, гидросфере и биосфе­ре единовременно лишь небольшая часть вещества этих оболочек. Наблюдаемый круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и переме­щения вещества. Отд. циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к пер­воначальному состоянию никогда не про­исходит. Вместе с тем благодаря этим повторяющимся процессам на поверх­ности Земли обеспечивается известная стабильность её рельефа. Яркой иллюст­рацией этого может служить круго­ворот воды в природе (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема круговорота воды. Содер­жание воды дано в кг 1см1 в год на поверхности Земли. Испарение и выпа­дение осадков дано в г/см* в год на поверх­ность океана или континента соответ­ственно.

4.1.1. Круго­ворот воды

С поверхности океана испаряется еже­годно огромное кол-во воды, но при этом нарушается её изотопный состав: она ста­новится беднее тяжёлым водородом по сравнению с океаиической водой (в результа­те фракционирования изотопов водорода при испарении). Между поверхностным слоем воды океана и массой воды более глубоких его зон существует свой регу­лярный, установившийся обмен. Между парами воды и водой атмосферы и водоё­мов устанавливаются локальные времен­ные равновесия. Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмо­сферы и вулканические газы, а затем вода обрушивается на сушу. Часть воды при этом входит в химические соединения, другая в виде кристаллогидратной, сорбирован­ной и мн. др. форм связывается рыхлыми осадками земной коры, погребается вме­сте с ними и надолго оставляет основной цикл. Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влия­нием давления и высокой температуры (напр., интрузий) теряют воду, котораярая подни­мается по порам пород и появляется в виде горячих источников пли пластовых вод на поверхности Земли, или, наконец, выбрасывается с парами при вулканич. деятельности вместе с нек-рым количе­ством ювеннльных вод и газов. Другая же, основная масса воды, извлекая раст­воримые соединения из пород литосферы, разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса соле­вой состав океана в геологич. времени из­меняется. Химич. элементы, образующие легкорастворимые соединения, накапли­ваются в морской воде. Труднорастворимые соединения химических элементов быстро до­стигают дна океана.

4.1.2. Круговорот кальция

Другой пример — круговорот кальция. Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли кальция (двууглекис­лые и др.) реками сносятся в море. Еже­годно в море сбрасывается с континента ок. 5*10⁸м кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потреб­ляется низшими организмами — фораминиферами, кораллами и др. — на пост­ройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода — известняк. При регрессии мо­ря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разруше­ния. Но состав вновь образующегося из­вестняка несколько иной. Так, оказа­лось, что палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровож­даются доломитом, известняки же более молодые — беднее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии лавы известняки частично мо­гут быть ею ассимилированы, т. е. войти в большой круговорот веществ.

Т. о., отдельные циклические процессы, сла­гающие общий круговорот веществ на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся про­цессах превращения рассеивается и от­влекается в частные круговороты пли за­хватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Продолжительность того пли иного цик­ла можно условно оценить по тому вре­мени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обер­нуться один раз на Земле в том или ином процессе (см. табл. 4.1).

Табл. 4.1. — Время, достаточное для полного оборота вещества

В круговороте участвуют химические элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изме­нения вещества могут носить преим. ха­рактер механического перемещения, физико-химич. превращения, ещё более сложного биологического преобразования или носить смешанный характер. Круговорот веществ, как и отдельные цикличные процессы на Земле, поддержи­ваются притекающей к ним энергией. Её основными источниками являются солнечная радиация, энергия положения (гравитаци­онная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее исключит, значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая при химических и других реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; напр., для ежегодного испаре­ния масс воды с поверхности океана рас­ходуется около 10,5*10²³ дж (2,5*10²³ кал), или 10% от всей получаемой Землёй энергии Солнца.

Классификация круговорота веществ на Земле ещё не разработана. Можно говорить, например, о круговоротах отдельных хнмических элемен­тов или о биологическом круговороте веществ в биосфере; можно выделить круговорот газов атмо­сферы или воды, твёрдых веществ в лито­сфере и, наконец, круговорот веществ в пределах 2—3 смежных геосфер. Изучением круговорота веществ занимались многие русские учёные. В. И. Вер­надский выделил геохимическую группу т, н. циклических химических элементов; к ним относят практически все широко распро­странённые и многие редкие хнмические элементы, например углерод, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, хлор, медь, железо, йод. В. Р. Вильяме и мн. др. рассматривали биологические циклы азота, углекислоты, фос­фора и др. в связи с изучением плодоро­дия почв. Из циклич. хнмич. элементов особенно важную роль в биогенном цик­ле (см. Биогеохимия) играют углерод, азот, фосфор, сера.

4.1.3. Углерод.

Углерод — основной биогенный эле­мент; он играет важнейшую роль в обра­зовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, ассимилируется и превра­щается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные, организмы, особенно низшие микроорга­низмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год ок. 1,5*10¹¹ т углерода в виде органической массы, что соот­ветствует 5,8б*10²⁰ дж (1,4-10²⁰ кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются б. или м. сложные пищевые цепи). В конечном счёте органическое вещество в результате ды­хания организмов, разложения их тру­пов, процессов брожения, гниения и горе­ния превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают на­чало мн. др. каустобиолитам — камен­ным углям, нефти, горючим газам (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема круговорота углерода. Содержание углерода дано в г/см² поверхности Земли. Обмен углеро­да дан в f (l*10^-6г) на 1 см² по­верхности Земли в год.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (напр., гнилостные), а также мн. грибы (напр., плесневые).

В активном круговороте углерода уча­ствует очень небольшая часть всей его мас­сы (табл. 4.2).

Табл. 2.— Содержание углерода

на поверхности 3 е м л и и в земной коре (16 км мощности).

Огромное кол-во угольной к-ты законсервировано в виде ископае­мых известняков и др. пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.

Многие водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои ске­леты, а затем из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извле­чено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней нахо­дится в данный момент. Атмосфера по­полняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических вещества, карбонатов и др., а также, всё в большей мере, в результате индустриальной дея­тельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого га­за и паров воды. Некоторая часть углекис­лого газа и воды, извергаемых вулка­нами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода про­исходит неоднократное фракционирова­ние его по изотопному составу (12С — 13С), особенно в магматогенном процессе (образование СО₂, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органические вещества (угля, нефти, тканей организ­мов и др.).

4.1.4. Круговорот азота

Источником азота на Земле был вулканогенный NH₃, окисленный О₂ (про­цесс окисления азота сопровождается на­рушением его изотопного состава—UN — 15N). Основная масса азота на поверх­ности Земли находится в виде газа (N2) в атмосфере. Известны два пути его во­влечения в биогенный круговорот (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Схема круговорота азота.

1) процессы электрического (в тихом раз­ряде) и фотохимического окисления азота воздуха, дающие разные окислы азота (NO₂, NO₃ и др.), которые растворяются в дождевой воде и вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2) биологич. фиксация N₂ клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксаторами и др. микроорганизмами. Первый путь даёт около 30 мг NО₃ на 1 м² поверхности Земли в год, второй—около 100 мг NO₃ на 1 м² в год. Значение азота в обмене ве­ществ организмов общеизвестно. Он вхо­дит в состав белков и их разнообразных производных. Остатки организмов на поверхности Земли или погребённые в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот под­вергается различным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий образуется элемен­тарный азот, возвращающийся непосред­ственно в атмосферу. Так, например, наблю­даются подземные газовые струи, состоя­щие почти из чистого N₂. Биогенный ха­рактер этих струй доказывается отсутст­вием в их составе аргона (⁴⁰Ar), обычного в атмосфере. При разложении белков образуются также аммиак и его произ­водные, попадающие затем в воздух и в воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и др. азотсодержащих органич. Соединений при участии Nitrosomonas и нитробактерий – образуются различные окислы азота.

4.1.5. Круговорот кислорода.

В круговороте кислорода отчетливо выражены активная геохимическая деятельность живого вещества, его первостепенная роль в этом процессе. Биологический цикл кислорода является планетарным процессом, который связывает атмосферу и гидросферу с земной корой. Ключевые звенья этого круговорота: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление его для осуществления дыхательных функций всеми живыми организмами, для реакций окисления органических остатков и неорганических веществ (например: сжигания топлива) и другие химические преобразования, ведущие к образованию таких окисленных соединений как диоксид углерода и вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.

Если исходить из массы кислорода, синтезируемого протяжении года (с учетом потраченных на процесс дыхания 15%), то можно считать, что ежегодно зеленая растительность нашей планет продуцирует примерно 300-109 т кислорода. Около 75% этого количества выделяется растительнос­тью суши и немногим более 25 % — фотосинтезирующими организмами Ми­рового океана (В. В. Добровольский, 1980).

Расчет полного прохождения через всю систему круговорота всего атмос­ферного кислорода можно представить так. Масса атмосферы равна 5,2-1015т, на долю кислорода приходится 23,3 % этого количества. Следовательно, в га­зовой оболочке Земли содержится око­ло 1,2-1015т кислорода. В процессе фо­тосинтеза растения ежегодно выделяют примерно 300 млрд т этого газа. Таким образом, за 4 тыс. лет фотосинтетичес­кие организмы могли бы «выработать» существующее количество кислорода (К. М. Сытникидр., 1987).

В растворенном состоянии свобод­ный кислород содержится и в природ­ных водах. По данным А. П. Виногра­дова, суммарный объем вод Мирового океана равен 137-1019л. В 1 л воды ра­створено от 2 до 8 см3 кислорода. Не­трудно подсчитать, что в водах Миро­вого океана находится (2,7...10,9)11012т растворенного кислорода.

Нельзя, разумеется, упускать из виду, что часть органического вещества захороняется, вследствие чего из годич­ного круговорота выводится связанный кислород.

А. М. Алпатьев (1983) дает следую­щую количественную оценку годичного круговорота кислорода на суше и в оке­ане (млрд т):

Поступление в процессе фотосинтеза на суше 160

Поступление в процессе фотосинтеза в океане 80

Биохимические потребления в океане 78

Связывается в древесных насаждениях 27

Расход на биологическое окисление 82

» » гетеротрофное дыхание на суше 20

» » технологические процессы 20

» » процессы выветривания 6

» » усиление окислительных процессов на 7

обрабатываемых землях

Захоронение с органическим веществом 1,5

Следует также учитывать использо­вание кислорода для процесса горения и других видов антропогенной деятель­ности. Предполагается, что в обозримой перспективе ежегодное суммарное по­требление кислорода достигнет 210...230 млрд т. Между тем ежегодное продуцирование этого газа всей фитосферой составляет 240 млрд.т.

Рис. 4.4. Упрошенная схема некоторых путей круговорота кислорода на Земле (Клауд, Джибор, 1972)

ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ, естест­венные ресурсы, часть всей совокупности природных условий су­ществования человечества и важнейшие компоненты окружающей его естеств. среды, используемые в процессе обще­ственного производства для целей удов­летворения материальных и культурных потребностей общества.

В свете научно-технической революции во­просы, связанные с природными ресурсами, выдвинулись в число самых насущных вопросов совре­менности. В связи с бурным развитием производительных сил, ведущим к погло­щению огромных количеств природного сырья, проблемы обеспеченнос