Круговороты веществ Круговороты веществ в биосфере 1

Круговороты веществ

Круговороты веществ в биосфере 1. Все процессы на Земле обеспечиваются энергией Солнца. 2. Планета получает от Солнца 4 - 5 х1013 ккал в секунду 3. Только 0. 1 -0. 2 % солнечной энергии поглощается растениями. 4. Однако эта энергия «запускает» процессы биосинтеза и трансформируется в энергию химических связей синтезируемых органических веществ. 5. Биогенные элементы, в отличие от энергии, удерживаются в экосистеме, 6. где они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые организмы, так и физическая среда. 7. Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но 8. все круговороты приводятся в движение энергией солнца, и участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и наоборот.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, круговорот веществ в системе: геохимический поток суши - гидрографическая сеть - океан - воздушные массы - аэрозоли - геохимический поток суши. малый, биологический, развивающийся на основе большого и состоящий в поступлении химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

1. Биогеохимические цикл – круговорот химических элементов: из неорганической природы через растительные и животные организмы обратно в неорганическую, различные стадии которого проходят внутри экосистемы. 2. Совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. 3. Из более, чем 90 химических элементов в природе 30 -40 требуется организмам, следовательно, участвуют в биогеохимических циклах.

АТМОСФЕРА Биогенные элементы и вода Схема биологического круговорота

Миграция химических элементов 1. Цикл состоит из звеньев и на Земле организована переходов между звеньями. в циклы, называемые круговоротами. 2. Звено – любое природное тело: водоем, почва, атмосфера, растения, животные и пр. 3. Переход – это процесс, в результате которого элементы переходят от одного звена к др. , например: растворение, осаждение, дыхание, поедание животными и. пр. 4. В звеньях и переходах элемент может быть представлен 1 или несколькими формами. 5. В цикле элемент последовательно проходит все звенья и возвращается в исходное состояние – цикл замкнулся.

Биогеохимические циклы можно разделить на три типа: 1. Круговорот элементов преимущественно в газообразной фазе (углерод, азот, кислород); атмосфера служит главным резервуаром элемента. 2. Круговорот элементов преимущественно в осадочной фазе (фосфор, сера и др. ); осадочные, элементы в твердом состоянии входят в состав осадочных пород. 3. Круговорот воды.

Круговорот кислорода 1. В атмосфере содержание кислорода составляет 20, 95% 2. Свободный кислород — необходимое условие существования преобладающего большинства живых организмов — сам является продуктом жизни. 3. Не только весь атмосферный кислород, но и значительная часть «ископаемого» кислорода осадочных пород имеет фотосинтетическое происхождение. Процесс фотосинтеза описывается формулой: 6 СО 2 + 6 Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2

(1733 -1804 ) Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха http: //festival. 1 september. ru/…

Круговорот кислорода 1. 2. 3. 4. 5. 6. В основном круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Кислород выделяется в процессе фотосинтеза. Фотосинтез и дыхание очень точно уравновешивали друга. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде солей и окислов (карбонаты, сульфаты, окислы железа и т. д. ). Атмосферный кислород и кислород, содержащийся в поверхностных минералах имеет биогенное происхождение. Существует и абиотический путь образования О 2: диссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации.

Круговорот кислорода Создается много эпициклов, происходящих между лито- и атмосферой, гидро- лито- и атмосферой.

Круговорот углерода

Круговорот углерода в биосфере • Состоит из 2 -х • Геологический различных циклов: круговорот бывает 2 наземного и х типов: углеводный морского, связанных (глюкозный) и через границу между карбонатный. океаном и • Карбонатный тип атмосферой. круговорота может • Круговорот, идущий идти абиогенным и в океане, в основном биогенным путями. автономен.

Степень разомкнутости круговорота составлял 0, 01%, а соответственно и степень замкнутости – 99, 99%. CO 2 Concentration

Роль лесов в круговороте углерода Биосферные функции леса

Круговорот углерода. Роль лесов в круговороте углерода • Лес. Структура и состояние лесного фонда России. • Потоки углерода в лесных экосистемах. • Биосферные функции природных экосистем. • Эмиссия двуокиси углерода в атмосферу как часть глобального круговорота углерода.

• Лес (forest) – класс земельного покрoва, площадью > 0. 5 га, имеет сомкнутость древесного яруса >10% и деревья, способные достичь минимальной высоты 5 м • Обезлесивание (deforestation) – перевод леса в нелесное землепользование • Лесовосстановление (reforestation) – создание лесных насаждений на землях, где раньше рос лес • Лесоразведение (afforestation) – создание лесных насаждений на нелесных землях Биосферные функции леса

Global forests and woodlands (FRA 2005) 30% покрова Земли занимают леса 0, 62 гачел Биосферные функции леса 23 лесов мира – Россия, Канада, США, Бразилия

Net changes in forest area in 1990 -2005 (FAO 2005) 2000 -2005 Ten countries with largest annual net loss Brazil -3 103 Indonesia -1 871 Sudan -589 Myanmar -466 Zambia -445 Tanzania -412 Nigeria -410 Zimbabwe -313 Venezuela -288 Total -8 216 Net annual change in forest area (x 1000 ha) Global 1990 -2000 -8 868 (-0. 22%) Global 2000 -2005 -7 317 (-0. 18%) Including Africa -4 040 (-0. 62%) Asia +1 003 (+0. 18%) South America -4 251 (-0. 50%) Биосферные функции леса Five countries with largest annual gain China 4 058 Spain 296 Viet Nam 241 United States 159 Italy 106

Корабль "Васа" : экипаж 145 матросов, 300 солдат. Строительство начато в 1625 г. Спущен на воду - 1627 Длина между перпендикулярами - 69 м Ширина по мидельшпангоуту - 11, 7 м Высота от киля до клотика грот-мачты - 52, 5 м 10 августа 1628 г. затонул при первом же выходе из гавани Биосферные функции леса http: //helg-tankoman. livejournal. com/72818. html

Vasa - шведский боевой корабль, спущенный на воду летом 1628 года. В 1961 году корабль был поднят. . Было срублено более 1000 дубов Биосферные функции леса

Cтруктура и состояние земельного фонда России (по состоянию на 1. 04 г. ) Общий земельный фонд РФ = 1709, 8 млн. га 36, 1 млн. га – 393, 2 млн. га – 1104, 0 млн. га – земли лесного Урбанизированные, земли промышленные фонда сх территории назначения Биосферные функции леса

Структура земель лесного фонда по угодьям, Земельный фонд РФ, 2011 г. Прочие земли (овраги, пески, участки с тундровой растительностью и другие земли) (171 542, 9 тыс. га) 15, 3% Сельскохозяйствен ные угодья (4 445, 8 тыс. га) 0, 4 % Болота (110 853, 6 тыс. га) Другие (земли в стадии мелиорации, лесные насаждения, не входящие в лесной фонд, застройки, под дорогами, нарушенные) (2 201, 2 тыс. га) 0, 2 % 9, 9% Под водой (18 704, 3 тыс. га) 1, 7% ЗЕМЕЛЬНЫЙ ФОНД РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Биосферные функции леса НА 1 ЯНВАРЯ 2012 ГОДА (Росреестр, М. , 2012) Лесные площади (813 156, 7 тыс. га) 72, 5%

Лесной Фонд РФ (на 01. 2003) Лесные земли (75%), общая площадь – 821, 76 млн га В том числе покрытые лесом – 717, 66 млн га Нелесные земли (25%) Лесистость страны 45% Почти 95% лесов произрастают в бореальном поясе и имеют низкую продуктивность Лф разделен на 3 группы: леса 1 гр. , 2 гр. , 3 гр. Состав лесов: около 300 видов деревьев, кустарников, лиан 1 -е место по площади и запасу занимают лиственницы 2 - место – сосна обыкновенная Доля хв. лесов – 72% Ср. возраст – 120 лет Биосферные функции леса

Общая характеристика лесов в Красноярском крае (на 01. 2013) Площадь лесов 164, 0 млн. га Располагаются на землях лесного фонда, землях обороны и безопасности, землях ООПТ, землях населенных пунктов и др. категорий Площадь земель лесного фонда 158, 7 млн. га, В том числе общая покрытая лесом площадь – 105, 1 млн. га Лесные земли Нелесные земли предназначены для ведения лесного хозяйства (просеки, дороги и т. п. ) Гл. лесообразующие породы –Лц Хвойные насаждения – 76% (43, 7 млн. га), Б. (15, 4 млн. га), С (13, 5 лесопокрытой площади млн. га), кедр (9, 7 млн. га) Возрастная структура – Общий запас древесины – 11, 5 млрд м 3 преобладают спелые и перестойные , из них -9, 7 млрд м 3 – хвойных пород насаждения Леса лесного фонда по назначению По материалам Государственного подразделяются на защитные доклада О состоянии и охране (32, 7%), эксплуатационные (39, 0) и окружающей среды в Красноярском крае Биосферные функции леса резервные (28, 3%) за 2012 год

Общая характеристика лесов в Красноярском крае (на 01. 2014) Площадь лесов 164, 0 млн. га Располагаются на землях лесного фонда, землях обороны и безопасности, землях ООПТ, землях населенных пунктов и др. категорий Площадь земель лесного фонда 158, 7 млн. га, В том числе покрытых лесной растительностью – 110, 9 млн. га Лесные земли - 120, 9 млн. не покрытых лесной растительностью га предназначены для ведения лесного хозяйства (необлесившиеся лесосеки, гари, редины, прогалины, пустыри и т. п. )- 10, 0 млн. га Гл. лесообразующие породы –Лц (43, 7 млн. га), Б. (15, 4 млн. га), С (13, 5 млн. га), кедр (9, 7 млн. га) Хвойные насаждения – 76% лесопокрытой площади Возрастная структура – преобладают спелые и перестойные насаждения Общий запас древесины – 11, 7 млрд м 3 , из них 9, 8 млрд м 3 – хвойных пород Леса лесного фонда по назначению подразделяются на защитные (32, 7%), По материалам Государственного доклада О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае за 2013 год Биосферные функции леса

Потоки углерода в лесных экосистемах • • Продуцирование Отмирание орг. в-ва, т. е. переход углерода в детрит Депонирование фитомассы Деструкция детрита Депонирование детрита Гумификация Торфообразование Биосферные функции леса

Тропические дождевые леса • • Высокое биоразнообразие Вегетация круглый год Высокая продуктивность Интенсивный биологический круговорот веществ • Депонирование углерода и основных элементов питания преимущественно в фитомассе Бассейны Амазонки и Ориноко в Ю. Америке; бассейны Конго, Нигера и Замбези в Ц. Африке; Биосферные функции леса области Индо-Малайская и Борнео-Новая Гвинея (Одум, 1986).

Полувечнозеленые сезонные тропические леса Обширные площади в Индии и Ю. -В. Азии, встречаются в З. Африке, Ю. и Ц. Америке, Северной Австралии (Уиттекер, 1980) 1. Условие временного, иногда длительного недостатка влаги 2. Изреженные древостои 3. Засухоустойчивые виды деревьев и кустарников 4. Депонирование углерода преимущественно в фитомассе Биосферные функции леса

Тропические степи и саванны – мир травы между лесом и пустыней 1. Господство травянистой растительности 2. Редкие деревья или группы деревьев 3. Очень высокая продуктивность 4. Почти идеальный круговорот биогенных элементов 5. Высокая скорость обмена углерода 6. Неплодородные почвы Центральная и Восточная Африка, Южная Америка и Биосферные функции леса Австралия (Одум, 1986)

Степи в Евразии, прерии в Сев. Америке От самых сухих (менее 100 мм осадков в год) В Монголии, Туве, Ю-В Алтае, до 800 мм осадков в год в предгорьях Алтая, в Венгрии. В Сев. Америке прерии более увлажнены – от 400 до 1000 мм в год Внутренние части Евразийского (степи) и Североамериканского континентов (прерии), юг Ю. Америки (аргентинские пампасы), Австралия (1200 -1400 мм/год (Одум, 1986) • Отсутствие деревьев и кустарников, • Доминируют многолетние, долгоживущие злаки родов Stipa, Festuca, Andropogon и пр. • Корневая система очень хорошо развита. Суммарная поверхность мелких корней и корневых волосков достигает 230 км 2 на 1 км 2 площади степи.

Степи в Евразии, прерии в Сев. Америке - -ландшафты, которые, занимая всего 8% суши, на 80 % обеспечивают человечество зерновыми злаками, мясом и др. продуктами животноводства. Но они на 90% превращены в агроландшафт http: //clubs. ya. ru/4611686018427423091/replies. xml? item_no=63662

1. Высокая скорость продуцирования (и незначительная фитомасса) 2. Очень высокая скорость биологического круговорота (пастбищный путь) 3. Консументы-фитофаги отчуждают до 30% живой фитомассы 4. Много организмов-сапрофагов, редуцентов http: //scientificrussia. ru/tag/cuscuta_pentagona

Биомы северных хвойных лесов 1. Образованы небольшим числом видов деревьев и кустарников 2. Слабое развитие нижних ярусов растительности (за исключением напочвенного покрова) 3. Невысокая активность организмовдеструкторов 4. Преобладание в видовом составе грибов, сочетающихся с субстратами, которым свойственна кислая реакция и бедность доступными формами азота 5. Мощные лесные подстилки 6. Преобладание количества годичного опада растительных остатков над годичной нормой их разложения 7. Частые повторения пожаров Северные части Евразии и Северной Америки (Одум, 1986) Биосферные функции леса

Лесные экосистемы относят к фитомассодепонирующим Луговые и степные – к гумусодепонирующим Болотные и тундровые – к детритнодепонирующим Пресноводные и Морские – к седиментодепонирующим Бореальные леса депонируют углерод в фитомассе, гумусе, торфе, детрите. Эти леса в сочетании с болотами лесной зоны являются главным хранителем углерода на планете Биосферные функции леса

Для лесов РФ запас углерода в фитомассе составляет 38, 6 Гт Депонирование – 262 Мт в год

Эмиссия углерода: • Дыхание • Разложение органики в аэробных условиях • Разложение органики в анаэробных условиях в виде или, торфа, аллювия и др. с выделением метана • Сжигание гор. ископаемых • Пожары Биосферные функции леса

Насекомые (площадь очагов составляет ок. 3 млн. га в год). В 2012 г 236 га – площадь очагов листогрызущих вредителей. Пожары (ок. 30000 пожаров возникает ежегодно - 1, 5 – 2 млн га). Биосферные функции леса Рубка

К концу 2013 (2012 г. ) насаждения в Красноярском крае, поврежденные насекомыми составили 148, 6 тыс. га (168, 4 тыс. га). Биосферные функции леса

В 2012 г. на территории Красноярского края зарегистрировано 2409 лесных пожаров на общей площади 420, 3 тыс. га, в том числе верховыми – 29, 5 тыс. га В 2013 г. на территории Красноярского края зарегистрировано 902 лесных пожара на общей площади 53, 9 тыс. га, в том числе верховыми – 31, 4 тыс. га • Биосферные функции леса

Лесные пожары определяют два процесса: быстрое горение ( «пожарная эмиссия» ) деструкция и гниение погибших ( «послепожарная эмиссия» ) Несколько лет – десятки лет От нескольких часов до нескольких недель Количество СО 2 и сажи определяется массой сгорающих материалов, химическим составом, масштабом пожара, природно-климатическими условиями Деструкция Лесовосстановление гарей Собственно пожарная эмиссия от 14 до 40 Мт в год Биологическая деструкция послепож. отпада 10 -27 Мт/год

Вырубка – наиболее очевидное проявление активности человека в лесах http: //a 210883 s. ya. ru/replies. xml? item_no=1077

Эмиссия двуокиси углерода из биоты и почвенного покрова при вырубке леса: 1. При заготовке древесины. (Оценка потерь углерода очень затруднена). 2. Под распашку (потери углерода всех компонентов лесной биоты, 48% почвенного углерода при возделывании почв с ежегодным сбором урожая) Биосферные функции леса

3. Расширение площади пастбищ (при трансформации лесной экосистемы в травяную теряется углерод фитомассы древесного и кустарникового яруса. • Запас углерода в надземной и подземной фитомассе трав, иногда в почве может повышаться, если пастбищная нагрузка умеренная. • Но 28% почвенного углерода теряется ежегодно со сбором урожая.

• 4. Освобождение территории для строительства городов, поселков и т. п. приводит к потерям углерода как биоты, так и почвы. В целом общие потери углерода из биоты и почв с 1860 по 1980 гг. лежат в пределах 135 - 228· 10 15 г За счет сжигания топлива - 160 · 10 15 г. • (Титлянова А. А. )

Природный капитал РФ – способность земель взращивать леса. Ежегодный ср. прирост древесины в лесах – 1, 4 м 3/га покрытых лесом земель, в Европейско. Уральской части – 2, 05 м 3/га. Ж. Недвижимость и инвестиции - № 2, 2005 aharon 53

Круговорот воды Основные процессы, обеспечивающие круговорот воды – испарение, инфильтрация, сток

1. Вода поступает в атмосферу в процессе испарения с суши и с водной поверхности под действием солнечной энергии (70 % поверхности Земли занимают океаны и моря). 2. Влажный воздух, поднимаясь вверх, где меньше давление, расширяется и охлаждается. Происходит конденсация водяного пара в атмосфере , образуются облака и выпадают осадки (в виде дождя, снега или росы). 3. Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, над сушей – 2/9.

4. Вода, выпавшая на суше, расходуется на инфильтрацию (просачивание). В процессе фильтрации через почву вода обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные воды. Ш Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, Ш или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Ш Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т. д. , формируя поверхностный сток.

5. Испарение – процесс, противоположный инфильтрации Кроме испарения с поверхности почвы, вода испаряется с поверхности растений – происходит транспирация. Эвапотранспирация – сочетание испарения и транспирации. Количество воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Например, 1 га леса испаряет от 20 до 50 т воды в день. На сухой почве (в Швеции) 1 га елового леса испаряет 2100 т/год, на влажной – 4000 т/год (Ф. Рамад, 1981, С. 70). При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется , из него образуется только вода, т. о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель.

6. Сток воды (по поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан) восполняет потери воды от испарения. ь При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почв.

22 марта – Международный день воды v Для того, чтобы 1 куриное яйцо оказалось на тарелке для завтрака, требуется 450 л воды. v Для того, чтобы получить 1, 3 л фруктового сока, требуется 120 л воды (Химия и общество, 1995, 560 с. ) Зачем и почему нужно экономить воду http: //www. diets. ru/post/458870/

Оценка запасов водных ресурсов в биосфере: • • 1386 млн. км 3 – общие запасы воды; 1338 млн. км 3 – Мировой океан (96, 5%); 35 млн. км 3 -запасы пресной воды суши; Из них – 70% - ледники, снега Арктики, Антарктики, Гренландии; • Более 10, 5 млн. км 3 - подземные воды; • 95000 км 3 – реки, озера (0, 007%) • (по данным Международного гидрологического десятилетия// Курьер, март 1978, С. 5 -9)

Возобновляемые ресурсы пресной воды: • Питание вод суши идет за счет влаги, приносимой с поверхности океана (опреснитель) – 119000 км 3, • Из них примерно 45000 км 3 выносятся в океан реками и • примерно 2000 км 3 – ледниковый сток Арктики и Антарктиды. • Речной сток (45000 км 3), ежегодно формируемый за счет выпадения осадков на суше, составляет возобновляемые водные ресурсы. В чем сущность водной проблемы?

Диаграмма распределения и использования мировых запасов воды (Медоуз и др. , 1994 г. )