Биогеохимические циклы в биосфере

19

Федеральное агентство по образованию РФ

Новосибирский Государственный Университет Экономики и Управления

Кафедра территориальной организации производительных сил и экономики природопользования

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ

Биогеохимические циклы в биосфере

                                                                                                 Выполнил:

      Студент гр. 9201:

                                                                                                    Кочура Д.Д

                                                                                                    Проверил:

                                                                                                   Рублёв М.Г.                                                

Новосибирск, 2010

Оглавление

Введение:

Основная Часть:

Решение экологических задач:

Заключение:

Список использованной литературы:

Введение:

Круговорот воды, а также круговорот биогенных элемен­тов, обусловленный синтезом и распадом органических ве­ществ в биосфере называют круговоротом веществ. Это мно­гократное участие веществ в процессах, протекающих в атмо­сфере, гидросфере и литосфере. Деятельность живых организ­мов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает кругово­рот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмо­сферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является целиком замкнутым. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов состав­ляет 90-98 %. Такая неполная замкнутость биогеохимических циклов в масштабах геологического времени приводит к диф­ференциации элементов и накоплению их в различных при­родных сферах Земли.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подверга­ются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно го­ворить только о ее направленном потоке. Передаваясь по тро­фическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в резуль­тате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обнов­ляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за 1 день. Полная смена вод в гид­росфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмо­сфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осад­ков и кору выветривания, протекают крайне медленно и ис­числяются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в край­не короткие сроки, искусственно интенсифицируют эти про­цессы, что чревато тяжелыми последствиями.)

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к обра­зованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систе­му, которая связывает и перераспределяет солнечную энер­гию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же фун­кции выполняет и Мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и не­живой природой обеспечивается механизм фиксации, накоп­ления и перераспределения космической энергии, поступаю­щей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей ис­тории человек стал звеном этого круговорота веществ и пото­ка энергии вместе с животным населением. Однако в настоя­щее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элемен­тов в биосфере. Например, в результате производства удобре­ний азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превы­шающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

■                регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процес­сы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

■                направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

■                постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообраз­ном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы.

Цель выполнения работы: систематизация и углубление знаний в области общей экологии и их применение при решении прикладных экологических задач.

Курсовая работа включает в себя следующие задачи:

- повышение уровня теоретической подготовки, более полное усвоение изучаемого материала и применение экологических знаний на практике;

- детальное изучение биогеохимических циклов;

-  рассмотрение циклов на конкретных примерах;

- решения экологических задач;

- формирование умения самостоятельно работать с литературой, понимать и правильно формулировать основные закономерности функционирования экосистем.  

Основная Часть:

В данном разделе будут рассмотрены круговорот основных веществ, а также биогеохимические циклы:

Часть 1:

Круговорот воды. Под влиянием энергии Солнца и жизне­деятельности биоценозов в биосфере поддерживается опреде­ленный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот ба­ланс, хорошо известен - это круговорот воды. Мировой баланс воды - величина довольно стабильная. Для существо­вания жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важной частью в этом балансе являются пресные воды, кото­рые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах.

Интересно, что объем первоначальных запасов воды на Земле практически не изменился. Сколько бы раз вода ни употреблялась человеком для своих нужд, общее количество ее на Земле не уменьшается. Благодаря «водяному колесу приро­ды» - круговороту - водные молекулы постоянно циркулиру­ют между океаном, атмосферой и земной поверхностью. В ре­зультате этого гидросфера стала планетарной транспортной системой, а также планетарным аккумулятором органического, неорганического вещества и различных химических элементов.

До появления биосферы круговорот воды в природе осу­ществлялся только за счет испарения поверхностных вод водо­емов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: ма­лый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над оке­аном, и большой когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхност­ного и речного стоков. За счет притока солнечной энергии во­да испаряется с поверхности морей и океанов, а также суши. Атмосферные осадки, выпавшие на суше, частью просачивают­ся в почву и образуют подземный сток, частью стекают по зем­ной поверхности, образуя ручьи и реки, а в остальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологического испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов она снова достигает океана, завершая большой круговорот воды на земном шаре.

В среднем в год с поверхности всех водоемов испаряется порядка 519 тыс. км3 воды в год. Более 90 % ее возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет ко­личества испаренной с его поверхности воды, поэтому в Гиб­ралтаре течение направлено всегда из Атлантики.

Современный круговорот воды происходит с участием био­сферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверх­ности водоемов, почвой, растениями, животными, конденси­руется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и снова возвращается в Мировой океан уже как продукт жизнедея­тельности, часть воды используется машинами, механизмами и промышленностью и возвращается в биосферу в виде пара и отработанной технической воды (рис. 2.2).

Сравнение схем двух круговоротов воды показывает, на­сколько усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация, т.е. дыхание растений, вносит очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы по­верхности леса испаряется значительно больше воды, чем с та­кой же поверхности моря. Подсчитано, что с 1 га березового леса ежедневно испаряется 47 тыс. л воды, а с 1 га елового леса - око­ло 43 тыс. л. Исследования ученых показали, что сток небольших лесных районов на 50-95 % больше, чем сток открытых безлес­ных районов. Именно поэтому запрещается вырубать леса в так называемой водоохранной зоне - вдоль малых и крупных рек.

Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимических процессах. Промывая толщи горных пород,

она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные соли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией воды в биосфере растворенные в ней элементы так­же участвуют в круговороте. Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Минерализация может сос­тавлять от миллиграммов до почти 600 г/дм3. Пресными называ­ют воды с минерализацией до 1 г/дм3.

Важнейшую роль в биосфере играют биогеохимические круго­вороты таких элементов, как углерод, кислород, азот, фосфор, сера.

Резюме: В данной части рассмотрен круговорот воды до появления биосферы и после появления биосферы, да к тому же под влиянием человека. При сравнение двух этих круговоротов можно увидеть насколько усложнился современный круговорот.

Часть 2:

Круговорот углерода. Углерод по распространению на Земле занимает-16-е место среди всех элементов. В наиболее общем виде круговорот углерода можно представить как про­цесс освобождения и связывания диоксида углерода (С02), включая его растворение в воде океанов (рис. 2.3).

В.И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преоб­ладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры». С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. В атмосфере его содержится 0,046 % в форме угле­кислого газа и 0,00012 % в форме метана; в земной коре - 0,35 % и в живом веществе - около 18 %. Он вовлекается в цепь не­прерывных реакций и биогеохимических круговоротов, сое­диняясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных фак­торов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тон­ком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассах. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах главным образом в форме карбонатов (СаСОэ) и гид­рокарбонатов (Са(НС03))2, представляющих собой раствори­мые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Зем­ли. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В несвязанном состоянии углерод встречается в виде алма­зов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Брази­лии) и графита (наибольшие месторождения в Германии, Шри-Ланке и России). Каменный уголь содержит до 90 % уг­лерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например в кальцит и доломит, а также в состав всех биологических ве­ществ.

Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составля­ет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содер­жание С02 в атмосфере нестабильно (менее 1 %), и подверже­но сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным воздействием. Если 100 лет назад содержание углекислого газа составляло при­мерно 270 частей на 1 млн, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на 1 млн.

Также постепенно растет (на 1-2 % ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в про­цессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неук­лонный рост концентрации оксидов азота и серы.

                   Рис. 2.3. Круговорот углерода в биосфере

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (ре­ки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Миро­вой океан содержит более 98 % общего запаса углерода атмо­сферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговоро­та углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапро- пелей, гумуса и других органических осадков. В разных цик­лах биологического круговорота участвует около 98-99 % ас­симилированного углерода.

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода они являются мощным механизмом, улавливающим его из атмо­сферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соединения. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растениями и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соеди­нений превращается в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т уг­лерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным ути­лизатором углерода являются морские организмы, которые используют его для образования своих скелетов. В дальней­шем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известня­ков. Между углекислым газом атмосферы и водой океана су­ществует подвижное равновесие. Организмы поглощают угле­кислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образу­ются пласты известняков.

Проследим «путешествие» атома углерода, одного из мириад себе подоб­ных, в биосфере. Произошло извержение вулкана. Наконец-то для нашего ато­ма закончилось время заточения глубоко в недрах Земли, и он вырывается на свободу в атмосферу. В виде молекулы углекислого газа, связанный с атомами киелорода, он беззаботно «плавает» в атмосфере в течение нескольких лет. И вот однажды растение или дерево бесцеремонно захватывают его, вовлека­ют в процесс фотосинтеза и превращают в более восстановленную химичес­кую форму. Если же наш атом будет проплывать над океаном, то, скорее всего, попав в толщу воды, он превратится в ион бикарбоната и будет блуждать ты­сячи лет между атмосферой, почвами и океаном. В конце концов свобода обер­нется для него захоронением в океанических отложениях, где наш углерод, ли­шенный движения, просуществует в течение 100 млн лет или более.

Подсчитано, что среднестатистический атом углерода за всю историю Земли (4-4,5 млрд лет) мог совершить до 20 таких путешествий между оса­дочными породами и атмосферой.

Наличие углерода непосредственно связано с наличием кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величи­ной порядка 2Ю15-2Ю16 т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого эле­мента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Зем­ли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного угле­рода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кисло­рода. От его содержания зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание С02 в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбо­ната, который будет растворен при восстановлении равнове­сия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ и других сис­темах, использующих воду. В природных условиях результа­том этой реакции является образование полостей в земной ко­ре, сталактитов и сталагмитов.

Резюме: С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на земле. Встречается в связном и несвязном состоянии. Цикл биологического круговорота углерода не замкнут, он может выходить на время из него на продолжительное время в виде органических осадков.

Часть 3:

Круговорот кислорода является очень сложным циклом. В него вовлечено большое количество представителей органи­ческого и неорганического мира, а также водород и вода, рас­творяющая кислород (рис. 2.4). Кислород постоянно цирку­лирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхнос­ти и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенны­ми частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассе­яние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров, в большинстве наших водоемов эта вели­чина сейчас ниже нормы.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82 % по массе, в литос­фере - 47 %, в атмосфере - 23,15 %. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладают силикаты, кварц, оксиды железа, карбонаты и

Рис. 2.4. Круговорот кислорода в биосфере

сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70 % кислорода. Он входит в состав большинства органических сое­динений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав скелета.

В процессе сгорания ископаемого топлива образуется до­вольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растением и разлагается в процессе фотосинте­за на атомарный водород и атомарный кислород. Высвободив­шийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества. Круг замыкается.

Итак, единственным производителем животворного кис­лорода является зеленое вещество растений. Растения - естес­твенные накопители космической солнечной энергии. Потре­бители же его - человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе ды­хания. Причем если на заре человечества кислород в основном употреблялся при дыхании, то в наше время научно-техниче- ских революций огромная масса кислорода идет на обеспече­ние промышленного производства, хозяйственной деятель­ности человека и средств коммуникаций. В огромных коли­чествах кислород расходуется при сжигании топлива в двига­телях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйствен­ных машин, топках электростанций и т.д.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой или между гидросферой и двумя этими средами. Круговорот кислорода в некотором отношении напоминает обратный круговорот углекислого газа.

Одной из самых негативных сторон существования совре­менной цивилизации является то, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленые площади Земли сокращаются. Нещадно вырубаются тропические леса, которые являются основным поставщиком кислорода - «лег­кими» нашей планеты. В целом с лица Земли ежегодно исчеза­ют лесные территории плошадыо в три Бельгии. И мы получа­ем все меньше кислорода. Леса тропиков вырубаются сейчас со скоростью 23 га/мин, или более 1/3 га/с! А между тем каждый гектар тропического леса продуцирует 28 т кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит 180 л кислорода, а взрос­лый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не де­лает, и до 700-900 л, когда работает. Но это выглядит сущим пус­тяком на фоне других цифр. Так, легковой автомобиль, за 1 тыс. км пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы челове­ку на год, а современный реактивный самолет за время перелета из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода!

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявле­ниях значительным образом влияет на современный кругово­рот кислорода. Общее количество свободного кислорода в ат­мосфере оценивается цифрой 1,8*1015 т. Это именно то коли­чество, которое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли проду­цируется 1,55*109 т кислорода. Расходуется 2,16*1010 т. Из при­веденных цифр видно, что расход кислорода превышает его об­разование больше чем на порядок. Есть над чем задуматься.

В верхних слоях атмосферы при действии ультрафиолетовой радиации на кислород образуется озон — О3:

hv  О2  2О; О + О  О3;                             Н = +141,9 кДж/моль.

Здесь hv — квант света с длиной волны не более 225 нм.

На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии — около 8,61015 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10-6 об. %; максимальная концентрация О3 —до 410-6 об. % достигается на высотах 20—25 км (ТА. Акимова, В.В. Хаскин (1998).

Озон служит своеобразным УФ-фильтром: задерживает значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей. Вероятно, образование озонового слоя было одним из условий выхода жизни из океана и заселения суши.

Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т. п. Эта масса составляет 5901014 т пpoтив391014 т киcлopoдa, который циркулирует в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.

Резюме: Кислород самый распространенный элемент на Земле. Единственными кто образует животворный кислород – это растения, которые продуцируют его  фотосинтезом. Кислород используется в огромных количествах. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как возникает большое количество эпициклов.

Часть 4:

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элемен­тов занимает азот - важный строительный материал для бел­ков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распрос­транен в биосфере крайне неравномерно. В больших количес­твах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азот­ной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания расте­ний. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых расте­ний и разложению органических веществ. В то же самое вре­мя миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (от греч. - «безжизненный»). Почему же так получает­ся? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, т.е. в бездействии. Элементом жизни он становит­ся только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.

Исключением является техногенное поступление азота в ат­мосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышлен­ных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) происходит выброс в атмосферу оксидов азота (N20, N02), которые являются загрязнителями окружающей среды.

Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно боль­шое количество азота, большинство организмов не может асси­милировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состо­янии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в гео­химических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация (рис. 2.5).

                                                      рис. 2.5

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего, это поступление его вместе с дождевыми вода­ми из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических изверже­ниях и значительное количество - в результате выбросов про­мышленных предприятий. Но основным источником азота яв­ляется биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфик- саторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.