WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 23 |

1.3. Факторы, воздействующие на биосферу 1.3.1. Факторы, воздействующие на живые организмы Экологические факторы – это условия среды, оказывающие существенные влияние на живые организмы. Их три группы: биотические, связанные с влиянием живых веществ; абиотические – факторы неживой среды; антропогенные, связанные с деятельностью человека.

Биотические факторы. Они определяются формой взаимосвязей и взаимоотношений живых организмов, прямым воздействием одних из них на другие. Жизнедеятельность одного вида организмов может осуществляться без или с угнетением или подавлением других видов. Эти взаимоотношения – нейтрализм, конкуренция, паразитизм, хищничество, симбиоз и т.п. – складываются при совместном обитании, питании, размножении. Поэтому их делят на три группы: топические, трофические, генеративные.

Топические (греч. topikos – местность) отношения – это взаимоотношения организмов при совместном проживании.

Трофические (греч. troph – питание) отношения, связанные с питанием. По способу питания живые организмы делятся на авто- и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (продуценты) способны сами создавать себе пищу, синтезируя органические соединения из неорганических веществ.

Гетеротрофные организмы используют для питания живые растения и их плоды (консументы) или мертвые растительные или животные остатки (редуценты).

Генеративные отношения – это те, которые складываются на основе размножения.

Абиотические факторы. К ним относят климатические, эдафические (почвенные), химические факторы.

Климатические факторы – это температура, влажность, ветер, свет. Лучистая энергия Солнца – основной источник жизни на Земле. Она обеспечивает нужный температурный режим и фотосинтез зеленых растений, т.е. весь объем растительной биомассы.

Климат зависит от широты расположения местности на земном шаре, наклона ее поверхности и рельефа, высоты над уровнем моря, близости больших водоемов, времени суток, года и т. п.

Эдафический фактор – это совокупность физико-химических свойств почв: их структура, химический состав. Эти свойства определяют жизнедеятельность организмов в почве.

Химический фактор: состав воздуха, состав воды, кислотность и состав почвенных растворов. Вода – это важнейший фактор, это среда, где возникла жизнь. Все живое содержит воду.

Антропогенные факторы обусловлены деятельностью человека. Они более разнообразны, чем природные катаклизмы и часто более губительны для биосферы (см. главу 2).

1.3.2. Факторы, воздействующие на природную среду Природная среда – это среда обитания живых организмов.

На совокупность ее физических, химических и биологических жизненно важных условий вредное воздействие могут оказывать природные и антропогенные факторы.

Природные бедствия, нарушающие жизнь в экосистемах, – это лесные и степные пожары, ураганы, наводнения, землетрясения, вулканическая деятельность, падение крупных астероидов.

Антропогенные факторы. Рост численности людей, их бытовая и производственная деятельность особенно за последнее столетие существенно влияют на биогеохимическое равновесие в био сфере, на воспроизводство ее ресурсов. В дальнейшем этим факторам будет уделено наибольшее внимание.

1.4. Круговорот вещества и энергии в биосфере 1.4.1. Круговорот биогенного вещества и энергии в биосфере Виды круговорота: биохимический, энергетический, вещественный.

Биогеохимические циклы – это круговые движения химических элементов между организмами и природной средой. Общая схема круговорота биогенного вещества: а) фотосинтез органических веществ; б) их использование живыми организмами, в) редукция (возвращение) органических веществ в неорганические.

В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тканей растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества: соединения углерода, азота, фосфора, кальция, натрия, калия и других элементов.

Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые минеральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка – травоядных животных. Последние, вместе с рядом неорганических веществ – источник жизни консументов 2 порядка – хищников. После гибели живых организмов их органические вещества попадают обратно в природную среду. Здесь они претерпевают различные превращения, перемещения и в итоге с помощью редуцентов минерализируются. Биогеохимические циклы носят круговой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент – это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе.

Потоки энергии в экологических системах. Источником энергии для биосферы является Солнце. Ее количество, поглощаемое поверхностью Земли, уравновешивается энергией теплового излучения, что сохраняет тепловой баланс Земли почти на постоянном уровне.

В пределах биосферы, отдельной экосистемы из энергии солнца С примерно в 13 МДж/м2, падающей в среднем за день в зоне умеренного климата на поверхность Земли и на растения С1, лишь небольшая часть ее поглощается и превращается в продукцию фотосинтеза (рис. 1.1). Этот поглощаемый поток энергии соответствует первичной валовой продуктивности Пв, которая представляет суммарную продукцию фотосинтеза, включая вещество, расходуемое на дыхание Д: Пв = Пч + Д. Чистая первичная продуктивность Пч – это видимый продукт фотосинтеза, вещество, которое можно, например, взвесить при уборке урожая: Пч = Пв – Д.

Продуценты Травоядные Хищники Д Д ДА1 П1 К2 А2 ПС1 К Пв Пч C Н Т Н Н Т Биогенное вещество Т Биоредуценты С С1 Пч П1 П13000 6000 50 4 0, Энергия, кДж Рис. 1.1. Схема преобразования потока энергии в простой пищевой цепи: С и С1 – солнечная энергия, падающая на поверхность Земли и на растения; Т – энергия, рассеиваемая в виде тепла; Пв, П1, П2 – энергия, затрачиваемая растениями, травоядными, хищниками; Д, Д1, Д2 – энергия, рассеиваемая ими при дыхании; К1 и К2 – энергия корма, потребляемого травоядными животными и хищниками; А1 и А2 – энергия, усваиваемая травоядными животными и хищниками при потреблении корма; Н – энергия биомассы, неиспользованной животными Как видно из схемы, большая часть солнечной энергии С, падающей на поверхность Земли и на растения С1, рассеивается в виде тепла Т. Лишь часть ее поглощают растения и аккумулируют частично в виде чистой продукции фотосинтеза Пч, а частично тратят на дыхание Д, включая потери тепла. В сумме они составляют энергию, затраченную на получение первичной валовой продукции: Пв = Пч + Д.

Часть чистой продукции продуцентов Пч служит кормом Ктравоядным животным, обеспечивая их вещественные и энергетические потребности. Остальная неиспользованная часть Н отмирает и поступает в почву в пищу биоредуцентам. Из корма К1 животные ассимилируют лишь количество вещества А1, из которого часть идет на создание биомассы П1 (вторичная продуктивность травоядных), а часть – на дыхание Д1, включая потери тепла.

Хищники не истребляют всех травоядных животных. Из общей биомассы травоядных П1 они используют на корм долю К2, которая частично ими усваивается (А2), частично идет в отходы Н.

Часть усвоенного вещества А2 представляет собой биомассу П2, часть затрачивается на дыхательную энергию Д 2: А2 = П2 + Д 2.

Энергия биогенного вещества расходуется на получение биомассы редуцентов и их дыхание, включая потери на тепло.

Биомасса редуцентов, как и продуцентов и консументов, в конечном итоге минерализуется и выделяющееся при этом тепло рассеивается.

Из приведенной шкалы энергии (рис. 1.1) следует, что из солнечной энергии С1 6000 кДж (для умеренного климата) в энергию пищи превращается лишь около 1%, 50 кДж. Это приблизительное значение эффективности фотосинтеза.

Вторичная продукция уровней потребления П1 и П2 составляет 5–10% предыдущей, т.е. на последующий уровень передается около 5–10% энергии. Это примерное значение эффективности потока энергии Э в природе по цепям питания. Так, Э2 = (А2 /А1)100%. Оно означает, что биомасса хищников будет меньше биомассы травоядных в 10–20 раз, а растений – в 100–раз. Эта эффективность определяет численность животных в природе.

Экологические пирамиды. Экологическую эффективность продуктивности уровней потребления в экосистеме выразим в виде экологических пирамид, т.е. в виде фигур, расположенных одна над другой, размеры которых иллюстрируют численность особей, продуктивность и энергетические затраты каждого уровня (рис. 1.2).

Мальчик 1 50 кг кДж Телята 5 600 кг 5000 кДж Люцерна 20 млн. растений 8200 кг 60000 кДж А – численность Б – биомасса В – затраты энергии Рис. 1.2. Экологические пирамиды цепи: люцерна–телята–мальчик 1.4.2. Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода, воды Круговорот углерода. Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой органике углерода: в океане – 3000 млрд т, в почве – 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения – 450, поверхностные слои моря – 500, фито-, зоопланктон и рыбы – 10– 20. В атмосфере воздуха в виде СО2 – около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO2 + 6H2O + h C6H12O6 + 6O2. (1.1) Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид – при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество – ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с по верхностными морскими водами составляет: растворение в воде – 100 млрд т, выделение из воды – 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма.

Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет – средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время – миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота. Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами – 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами – 30, бобовыми – 14, синезелеными водорослями – 10; синтез азотных удобрений человеком – 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2) Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация – это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

C6H12O6 + 8HNO2 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3) Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 – 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка – производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора. Значение фосфора для биосферы.

Фосфор – составная часть важнейших для организмов органиче ских соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты – ионов Н2РО4–, НРО42–. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много – около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов:

апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования – ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20–60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 23 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.