Биологический и геологический круговороты веществ
РЕФЕРАТ
Курсовая работа состоит из 38 листов. Работа включает в себя введение, три главы, заключение библиографический список и 4 приложения. В тексте работы использованы 2 рисунка и 6 таблиц.
Ключевые слова: КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ, БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ, ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ, КРУГОВОРОТ АЗОТА, КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА, КРУГОВОРОТ ФОСФОРА, КРУГОВОРОТ СЕРЫ, КРУГОВОРОТ ВОДЫ, СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ, ИЗМЕРЕНИЕ ФИТОМАССЫ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ БАЛАНС.
Актуальность: Для более глубокого понимания законов, управляющих процессами в биосфере, необходимо знать не только количественные и качественные показатели, характеризующие процессы создания живого вещества, но и пути его трансформации, превращения вещества и энергии в экосистемах, процессы обмена, как между компонентами, так и экосистемами в целом. Изучение этапов биологического и геологического круговорота позволяет ответить на эти вопросы.
Цель исследования: изучение этапов биологического и экологического круговорота.
Задачи исследования:
1. Произвести обзор литературы по теме исследования;
2. Рассмотреть методику
3. Проанализировать ососбенности
биологического круговорота
Методы исследования: работа с литературой, анализ и синтез, индукция и дедукция, эксперимент, биологические и статистические методы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................
1.1 Понятие о биогеохимических
циклах........................
1.2. Геологический (большой)
и биологический (малый) круговороты веществ.......................
1.2.1. Круговорот углерода......................
1.2.2. Круговорот азота.........................
1.2.3. Круговорот воды..........................
1.2.4. Круговорот фосфора.......................
1.2.5. Круговорот серы..........................
1.3. Стабильность биосферы.........
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................
2.1. Методика учёта динамики фитомассы.....................
2.2. Методика построения баланса биологического круговорота................26
2.3. Количественная оценка
биохимических циклов........................
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ВВЕДЕНИЕ
Учение о биологическом
В последние годы концепция биологического круговорота как сложного полициклического процесса приобрела особую значимость. Это объясняется тем, что многие проблемы охраны окружающей среды, рационального использования агросистем, так или иначе, оказываются связанными с необходимостью изучения циклов важнейших биофильных элементов. Таким образом, динамика органического вещества наземных растительных сообществ, биологический круговорот зольных элементов и азота и поток энергии - важнейшие вопросы проблемы взаимоотношений между растительностью и почвой. Создание живого вещества (биологическая продуктивность) - важнейшая функция биосферы и составляющих ее экосистем. Количество органического вещества, создаваемое продуцентами на единицу площади за единицу времени является фундаментальной характеристикой экосистемы. Для более глубокого понимания законов, управляющих процессами в биосфере, необходимо знать не только количественные и качественные показатели, характеризующие процессы создания живого вещества, но и пути его трансформации, превращения вещества и энергии в экосистемах, процессы обмена, как между компонентами, так и экосистемами в целом.
Понять законы, управляющие биосферой, возможно лишь с помощью количественной и качественной оценки массы органического вещества, синтезируемого в биосфере. Без представления о величине биомассы и круговороте веществ в экосистеме невозможна классификация биогеоценотического покрова. Эти показатели помогают решить проблему устойчивости природных, природно-антропогенных и антропогенных экосистем и их адаптации к условиям существования.
Интенсивное антропогенное использование
естественных экосистем, многообразие
необратимых губительных
Необходимость представления о величине биомассы продукции, круговорота веществ в экосистемах для познания процессов, проходящих в биосфере и научного обоснования охраны и рационального использования ее ресурсов является, таким образом, общепринятым положением.
Цель исследования: изучение этапов биологического и экологического круговорота.
Задачи исследования:
1. Произвести обзор литературы по теме исследования;
2. Рассмотреть методику
3. Проанализировать ососбенности
биологического круговорота
Методы исследования: работа с литературой, анализ и синтез, индукция и дедукция, эксперимент, биологические и статистические методы.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Понятие о биогеохимических циклах
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации [15, c. 112].
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.
Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом [15, c. 112].
Существование подобных круговоротов
создает возможность для
1.2. Геологический (большой) и биологический (малый) круговороты веществ
Геологический кругооборот (большой) веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения – движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Рисунок 1. – Геологический (большой) круговорот веществ [14, c. 78].
Малый кругооборот (биологический), являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза. Он состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, CO2 и другие вещества из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов (растений и некоторых бактерий), расходуются на построение тел и жизненные (обменные) процессы продуцентов и консументов. Затем в основном за счет редуцентов органические вещества разлагаются и частью минерализуются, вновь становятся доступными растениям и снова ими вовлекаются в поток вещества (кругооборот).
Рисунок 2. – Биологический (малый) круговорот веществ [14, c. 80].
Скорость перемещения веществ при биологическом кругообороте значительно выше, чем при геологическом. Кругооборот (перемещение) химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии с протеканием биохимических превращений (реакций) носит название биогеохимического цикла. Годичные биогеохимические циклы приводят в движение примерно 480 млрд т веществ, в основном биофильных элементов – углерода, азота, водорода, кислорода и др.
В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:
1. Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);
2. круговороты осадочного типа
с резервным фондом в земной
коре (круговороты фосфора, кальция,
Круговороты газового типа совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом, а значит способы к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коре в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.
Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года [14, c. 83].
Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, - важнейшие продукты питания и дыхания консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентами. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных принципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.
1.2.1. Круговорот углерода
Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, - диоксид углерода (СО2). В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО2 и Н2О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углероды в более сложные, а также в протеиды, липиды. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и незеленных растений (Приложение А).
В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО2, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.
Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания [5, c. 84].
При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапрофагами гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти.
В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками. А также биогенным путем – действием лишайников, корней растений.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд тонн этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит в возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.
Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
1.2.2. Круговорот азота
Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксида азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота [5, c. 87].
Более важной формой усвоения азота является деятельность азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализируются. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га. (Приложение В, рисунок 6).
Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.
Существуют азотфиксирующие
Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом цикл азота может быть продолжен.
В то же время происходит постоянное
возвращение азота в атмосферу
действием бактерий-
Азот может выключаться из круговорота
путем аккумуляции в
1.2.3. Круговорот воды
Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее [5, c. 89].
В этом случае часть осадков испаряется
и поступает обратно в
Наиболее замедленной частью круговорота
воды является деятельность полярных
ледников, что отражают медленное
движение и скорейшее таяние ледниковых
масс. Наибольшей активностью обмена
после атмосферной влаги отлича
1.2.4. Круговорот фосфора
Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе фосфор в больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в куговорот (Приложение Б).
В океане часть фосфатов с отмершими
органическими остатками
1.2.5. Круговорот серы
Основной резерв фонд серы находится в отложении и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечение серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмами. Одни из них восстановители, другие – окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.
По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков [5, c. 91].
В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до HS, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками (Приложение Г, рисунок 7).
Сжигание человеком ископаемого топлива, а также выбросы химической промышленности, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Биогеохимические циклы в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.
1.4. Стабильность биосферы
Напряженность жизни в биосфере выражается в росте и размножении организмов, которое происходит по закону геометрической прогрессии (при сравнении двух поколений число потомков превышает число предков).
Смена поколений за единицу времени дает представление о скорости размножения. Наиболее высокая скорость размножения характерна для бактерий: в сутки у них сменяется до 60-65 поколений, т.е. каждое поколение образуется по истечение 20-24 мин. Медленнее всего размножаются крупные многоклеточные животные и растения. Зная скорость размножения организмов и их размеры, можно вычислить время заселения организмами всей поверхности Земли при отсутствии преград для их размножения. К таким преградам следует отнести следующие: неприемлемые термодинамические условия, недостаток источников питания, изменения внешней среды в результате деятельности самих организмов, борьба за существование как один из факторов эволюционного процесса [13, c. 79].
Без учета преград для размножения
время заселения Земли
В настоящее время описано около 2 млн видов организмов, из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных – 1,5 млн видов. Полагают, что их в 5-10 раз больше, чем описано. Органический мир суши более разнообразен, чем органический мир водной среды. Масса живого вещества поверхности континентов в 800 раз превосходит биомассу Мирового океана. На поверхности континентов растения по массе резко преобладают над животными.
В Мировом океане наблюдается обратное соотношение. Свыше 90 % биомассы морей приходится на долю животных.
Каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10-30 млн лет). Отсюда следует, что из сотен миллионов видов, живших на Земле, 95% уже исчезли.
Биосфера представляет собой сложную систему, все части которой взаимодействуют друг с другом, в результате возникает круговорот веществ. Эта система открытая и может существовать только в условиях притока энергии от Солнца. Биосфера является саморегулирующейся системой, способной компенсировать малые возмущения. Здесь выполняется принцип Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, в ней возникает движение, при котором эффект этого воздействия ослабляется. Для устойчивости биосферы необходимо разнообразие ее частей. Некоторые крупные возмущения биосфера гасить не в силах, например, при:
- распаде экосистем, который приводит к опустыниванию;
- появлении неустойчивых систем типа агроценозов (сельского хозяйства) и городских комплексов, которые не могут существовать самостоятельно и поддерживаются деятельностью людей;
- росте концентрации двуокиси углерода СО2 в атмосфере.
Наряду с биологическим
В пределах ландшафтов круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов и растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене океаны-материки. Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речным и подземным стоком вновь возвращается в океан. Круговорот воды – главный агент механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые со провождаются превращением химической энергии. Перемещение воды осуществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.

- Биологический (медицинский) и психологический критерий вменяемости
- Биологическое значение митоза и мейоза
- Биологическое и социальное в природе человека
- Биологическое и социальное в человеке. Их проявление, роль и значение в развитии и поведении человека
- Биологическое и социальное развитие человека
- Биологическое обоснование искусственного воспроизводства атлантического лосося в Ленинградской области
- Биологическое оружие как фактор геополитики
- Биологические особенности свиней
- Биологические особенности стрептококков, как возбудителей гнойно-воспалительных заболеваний человека
- Биологические особенности щуки в связи с ее искусственным разведением
- Биологические предпосылки и социальные условия развития личности
- Биологические ресурсы Тюменской области
- Биологические теории
- Биологические факторы формирования личности