Общая экология Тема 9 Биогеохимические процессы в экосистемах и биосфере (круговороты веществ и потоки энергии)
Вопросы к семинару № 9 «Биогеохимические процессы в экосистемах и биосфере » 1. Круговороты (циклы) веществ и химических элементов. Роль живых организмов и человека в глобальных и локальных биогеохимических процессах. Балансовый подход к количественной оценке круговоротов (запасы веществ и их трансформация (потоки), блок-диаграммы). 2. Круговорот углерода в экосистемах и биосфере. Основные резервуары и потоки углерода. Углеродный баланс и его антропогенные изменения. 3. Количественная оценка и моделирование динамики органического вещества в биокосных системах. Напряженность (интенсивность) круговорота органических веществ; опадноподстилочный коэффициент (k). 4. Темпы деструкции органического вещества в разных типах экосистем; определяющие факторы. Роль кинетики трансформации органического вещества в динамике БГЦ. 5. Круговорот воды, роль живых организмов в его становлении и поддержании. 6. Кислородный баланс на планете, его антропогенное нарушение. 7. Круговороты основных биофильных элементов (азота, фосфора, серы, биогенных катионов). Сукцессионные изменения биокруговоротов. 8. Биогеохимические циклы технофильных элементов, загрязнение, техногенные миграции. 9. Глобальные потоки энергии, их соотношение; антропогенные изменения энергетики планеты и проблемы устойчивости.
Замкнутость по веществу и максимальная утилизация энергии. Открытые системы
Концепция биогеохимических циклов веществ и элементов (БК и ГК по Вильямсу) Основные биогеохимические циклы: круговорот углерода, воды, азота, фосфора, серы, биофильных элементов (катионов)
Глобальный круговорот углерода (Смагин, 99, 2005) Потоки, резервуары в млрд т
Антропогенная расбалансировка глобального круговорота углерода, рост СО 2 в атмосфере Техногенный выброс в 4, 8 Рг по сравнению с брутто-фотосинтезом (106+53=159 Рг) малая величина. Однако брутто-фотосинтез компенсируется деструкцией органического вещества и дыханием организмов (47+55+7+25+25 =159 Рг). На этом фоне необратимые процессы малой интенсивности (сжигание топлива, биогенная эмиссия, вызванная сведением лесов, нерациональным землепользованием, опустыниванием, пожарами (4, 8+1, 5+1, 9=8, 2 Рг)) могут приводить к существенному росту концентрации СО 2 в атмосфере и, соответственно, парниковому эффекту. Их компенсация карбонатнокальциевым буфером океана (максимальный результирующий поток до 3, 3 Рг. С/год) и процессами фоссилизации (2 3 Рг/год) неполная. В результате нескомпенсированный годовой выброс СО 2 составляет 1, 9 2, 9 Рг, что весьма близко к реальным величинам прироста концентрации СО 2 в атмосфере (1, 2 ррm или 2, 5 Рг/год).
За год в широколиственном лесу 24 т/га гросс продукции сухого органического вещества. Половина – уходит на дыхание, вторая половина (12 т/га) – вторичная продуктивность (потребление консументами и редуцентами )
Моделирование трансформации органического углерода почв, количественная оценка напряженности ( интенсивности) круговорота углерода Подстилочно-опадный коэффициент или константа деструкции органического углерода детрита
Темпы деструкции детрита в различных биокосных системах (Смагин и др. 2001) k>1 деструкция органического углерода; k<1 –аккумуляция углерода
k>1 деструкция органического углерода; k<1 –аккумуляция углерода
k>1 деструкция органического углерода; k<1 –аккумуляция углерода
Экспериментальная оценка кинетических констант деструкции растительного опада (Смагин и др. , 2001)
Стационарные исследования и моделирование трансформации ОВ в лесных и болотных биокосных системах (Смагин, 2004) Механизм сукцессионных смен – акселерация скоростей (кинетики) синтеза и деструкции ОВ
Круговорот воды на планете Схема гидрологического цикла оперирует геограммами (1 геограмм=1020 г=1014 т). Фонд воды в атмосфере невелик (1, 3 гг), основной резервуар – литосфера (250000 гг= 25 млрд км 3) и мировой океан (13800 гг=1, 3 млрд км 3). Сравнивая объем воды в отдельных резервуарах с притоком (оттоком) в соседних звеньях круговорота можно оценить интенсивность водообмена (характерное время полного обновления резервуара). В полярных ледниках – 8000 лет, подземных слоях – 5000 лет, в океане – 30000 лет, в реках – 11 -12 дней. В среднем в гидросфере оборот осуществляется за 2800 лет (сравнить с биомассой – 8 лет). Однако роль живых организмов в этом процессе также как и в углеродном цикле исключительно велика. Так при среднем эвапотранспирационном коэффициенте в 500 ед. Н 2 О на 1 ед. массы синтезируемой продукции и ежегодном глобальном нетто-приросте 1, 7 -3, 7 1011 т получается, что продуценты проводят через свои организмы порядка 1, 3 1014 т воды в год, что фактически совпадает с ее общим содержанием в атмосфере. Среднегодовой баланс: Осадки (1020 мм= испарение суши (140 мм)+ испарение океана (880 мм). Основные проблемы – мало пресной воды (2% объема гидросферы, а в реках всего 0, 3% или 1200 км 3) и нечем становится разводить стоки хотя бы до ПДК, нехватка чистой воды. Мировая промышленность ежегодно потребляет 1300 км 3.
Круговорот кислорода Процесс начинающийся при фотосинтезе растений выделением кислорода в среду экосистем, далее – поступления к аэробным организмам в том числе растениям (дыхание). Часть тратится на окисление мортмассы микроорганизмами, другая часть переходит во внешнюю среду (атмосферу, гидросферу). Оценка общей продукции кислорода фотосинтезирующими организмами 130 -470 млрд тгод при запасах в атмосфере 1, 2 106 млрд. т. Прямое антропогенное потребление, включая сгорание топлива не превышает 10 -16% от фотосинтетической продукции, однако на фоне замкнутости природного круговорота кислорода, расходующегося в процессах биогенного окисления (дыхания) такое потребление совместно с антропогенным прессом на естественные экосистемы приводит к дисбалансу кислорода в 30 млрд. т. /год (Смагин, 2005). Локальный и сезонный дефицит (города, транспорт, промышленность, подземные, подводные объекты, пожары, сведение и застой лесов и тд)
Круговорот биофильных элементов (азот) Круговорот азота. Процесс начинающийся с поступления в экосистему азотистых соединений с осадками (грозовые разряды окисление молекулярного азота до оксидов , азотной кислоты и нитратов) и, главное –ферментативной фиксации молекулярного азота микроорганизмами почвы (азотфиксации). Симбиотичесая азотфиксация в бобовых (клубеньковые бактерии), несимбиотическая – азотфиксирующими почвенными бактериями и цианобактериями в водной среде. При азотфиксации образуется аммиак, входящий в БК посредством синтеза белков и других азотистых соединений. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в процессе микробной аммонификации (образование аммиака и ионов аммония) и нитрификации образования нитритов и нитратов). Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Животные получают азот по пищевым цепям от растений. Возвращение азота в атмосферу происходит посредством бактерий денитрификаторов, осуществляющих в анаэробной среде восстановление нитратов до свободного азота через серию газообразных оксидов, ваключая закись азота N 2 O – важнейший парниковый газ. Использование минеральных удобрений в больших количествах привело к нарушениям азотного цикла, выносу нитратов млн. т. и газообразных продуктов, и загрязненеию атмосферы и водоемов (эвтрофикации),
Круговорот биофильных элементов (фосфор) Круговорот фосфора. В круговороте фосфора в отличие от углерода, воды, азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе редок и содержится в основном в резервуаре литосферы в качестве минералов (фосфат-анионов). При разрушении горных пород и выщелачивании фосфаты поглощаются растениями и переходят в органические соединения фосфора. Через минерализацию отмерших организмов и микробную фосфат-редукцию цикл замыкается с образованием фосфатов. Часть фосфатов, попадая в водные экосистемы депонируется в донных отложениях (осадочных породах) и выводится из БК. Обилие фосфатов в водоеме как и нитратов приводит к эвтрофикации. В современном мире возникают мощные техногенные потоки биофильных элементов при добыче, применении, продаже (экспорте-импорте) минеральных удобрений, отчуждении сельхозпродукции и ее перераспределении и тд. Так с межгосударственными перевозками зерна в мире ежегодно перносится 1700 тыс т калия, 170 тыс т. фосфора, 2400 тыс т. азота, что сопоставимо с ионным стоком биофилов в мировой океан 18000 тыс. т. (по Розанову, 84).
Круговорот биофильных элементов (сера) Круговорот серы включает газообразные формы, которые в традиционной трактовке представлены биогенным сероводородом (Н 2 S) и диоксидом серы (SO 2) антропогенного происхождения, загрязняющим атмосферу. Почвенному покрову может принадлежать значительная роль в очищении атмосферы, так как потенциальное поглощение SO 2 составляет до 80% от глобального антропогенного выброса (60 -65 Тг/год) Смагин, 2005. Что касается других соединений серы, то существует гипотеза о важной роли органических серных газов (диметилсульфид (CH 3 SCH 3), карбоксилсульфид (COS), сероуглерод (CS 2), фтористая сера (SF 6)) в природном круговороте этого элемента. Значительные количества серы находятся в виде самородной серы, сульфидов, сульфатов в литосфере (минералы) и гидросфере (растворы). Помимо транспорта в газовой фазе, в природе существуют мощные потоки серы в составе растворов природных вод при речном и подземном стоке в океаны, океанических течениях и тд. На их пути часто возникают геохимические барьеры, приводящие к осаждению и иммобилизации соединений серы. Растения в основном поглощают серу в виде сульфатов из почвенных растворов и водоемов, включая ее в органические соединения и дальнейшие трофические цепи. Антропогенная разбалансировка способствует уменьшению резервного фонда в литосфере и окислению серы до сульфатов (выплавка руд, производство H 2 SO 4
Закономерности круговорота биофильных элементов Типы круговорота по азоту и зольным элементам (Родин, Базилевич): Азотный бореальный, Азотный пустынный, Азотный субтропический, Кальциевый суббореальный, Кальциевый субтропический, Кремниевый степной, Кремниевый пустынный, Кремниевый тропический,
Особенность большинства наземных экосистем – замкнутость круговорота химических элементов в их границах. Поэтому в тропических лесах на беднейших минералами и биофильными элементами выветренных почвах существуют самые продуктивные в мире экосистемы. Кризис элементов в почвах и ландшафтах – сугубо антропогенное явление.
Стационарные исследования биогенной организации долинных сосновых БГЦ на почвах легкого гранулометрического состава (Смагин, 2004)
ЭТО ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОРГАНИЗАЦИ В ПРИРОДЕ. А ЧТО ПРИВНЕС ЧЕЛОВЕК?
Круговороты технофильных элементов, техногенное загрязнение окружающей среды Развивающаяся техногенная деятельность (горнодобывающая, химическая промышленность, транспорт, атомная энергетика и ВПК, сельское хозяйство и тд) не только приводит к разбалансировке сложившихся биогеохимических круговоротов, но и вводит в них новые, так называемые технофильные элементы, которые ранее вообще не участвовали в биогеохимических процессах или присутствовали в малых количествах, не влияя на живые организмы. Среди таких элементов – радиоактивные (стронций-90, цезий – 137, «подменяющие» кальций и калий в пищевых цепях и накапливающийся в организмах и биосистемах, ртуть и другие тяжелые металлы (кадмий, цинк, свинец, медь…), добываемые из литосферы для промышленных нужд и в составе каустобиолитов и выбрасываемые в атмосферу, гидросферу, пищевые цепи. В результате очень редкие в природе микроэлементы и изотопы, обладающие токсичными и мутагенными эффектами стали присутствовать в БК наряду с привычными биофильными элементами, вызывая тяжелые болезни и гибель живых организмов и в первую очередь самого человека Так например, глобальный поток ртути в атмосферу возрос на 60%, а в речные воды – в 3 -4 раза (см круговорот). При этом в крупных городах, промышленных объектах, связанных с разработкой и использованием ртутьсодержащих соединений подобные локальные потоки и резервуары увеличились на порядки (в 10 -100 и более раз!!!).
Круговороты технофильных элементов, техногенное загрязнение окружающей среды Возросло количество и разнообразие радиоактивных элементов (радионуклидов), среди которых по генезису можно выделить: естественные радиоактивные элементы, продукты деления урана или плутония, неразделившееся ядерное топливо, продукты нейтронной активации. При делении урана и плутония образуются более 200 радионуклидов с периодом полураспада от долей секунды до десятков лет. Многие стабильные изотопы успевают рассеяться по всему земному шару за время своего существования. К «глобальным» радионуклидам можно отнести 85 Kr, 3 H, 14 C, 129 I. . На схемах приведены круговороты трития, изотопов углерода и йода, показывающие достаточно высокие константы обмена, а соответственно и транспорта этих элементов между основными блоками-резервуарами. Так константа обмена между резервуарами южного и северного полушария достигает 0, 5 год-1. Используя экспоненциальную модель, нетрудно показать, что половина радионуклидов перейдет из одного резервуара в другой всего за время T=LN(0, 5)/0, 5=1, 4 года!!!
Наиболее важные антропогенные и технофильные загрязнители окружающей среды:
Глобальные потоки энергии и их соотношение
Глобальные потоки энергии и их соотношение Для природных систем допустимо привнесение возмущений на уровне 1% от общего потока энергии, проходящей через систему (порог выхода из стационарного состояния) 10% - энергетический порог саморазрушения системы. По данным отдельных экологов (Реймерс, Горшков) человечество берет на себя уже не менее 10 -20% энергетической продукции всей биосферы. На границе 19 -20 вв человечество перешагнуло 0, 5% барьер от общей энергетики биосферы и с этого момента прекратилось ее устойчивое функционирование (компенсационные механизмы по правилу Ле Шателье-Брауна). Система начала работать вразнос (саморазрушаться. ).
Скачать презентацию Общая экология Тема 9 Биогеохимические процессы в экосистемах
тема-9 (круговороты).ppt