Круговорот веществ. Понятие о биохимических циклах элементов

В природе относительно повторяющиеся, взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе. В современной научной литературе термин «круговорот веществ» часто заменяют терминами «биогеохимический цикл» или «биогеохимический круговорот веществ». Биогеохимический круговорот (цикл) веществ - обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер.

Основы представлений о биогеохимической цикличности заложены В. П. Вернадским в его учении о биосфере и в трудах по биогеохимии. В земледелии круговороты важнейших элементов питания растений (кальций, фосфор, калий и др.) изучены Д. Н. Прянишниковым и его последователями.

Движущей силой биогеохимических циклов служат потоки энергии Солнца и деятельность живых организмов, приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрации и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. По закону биогенной миграции атомов В. П. Вернадского, миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живых организмов, или же она происходит в среде, геохимические особенности которой обусловлены деятельностью живых организмов.

Так как биогеохимические циклы незамкнуты, часть вещества всегда выходит из современного биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч лет). За всю историю развития биосферы (3,5-3,8 млрд лет) в результате неполной (95-98 %) обратимости биогеохимических циклов образовались кислород и азот в атмосфере, месторождения углей, горючих сланцев, известняков (цикл углерода), диатомитов, трепелов, опок (цикл соединений кремния), фосфоритов (цикл фосфора), бокситов и др. полезных ископаемых в земной коре (см. Биогенное вещество). В условиях полной замкнутости круговорота веществ в природе не происходило бы эволюции.

Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 сут, а фитомасса океана - каждые сутки. С биогеохимическими циклами углерода, кислорода, водорода, натрия, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других биогенных элементов связано формирование биологической массы растений и гумусового горизонта почвы.

Круговорот воды - непрерывный процесс циркуляции воды на Земле, происходящий под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Около 1/3 всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на совершение круговорота воды.

Круговорот воды в биосфере протекает следующим образом: выпадение атмосферных осадков - 496 тыс. км3 в год, поверхностный и почвенный сток в водоемы -151 тыс. в год; испарение и транспирация - 425 и 71 тыс., перенос водяного пара - 40 тыс. км3 в год, конденсация и повторное выпадение осадков. Для полного обновления воды в составе ледников необходимо 8 тыс. лет, подземных вод - 5 тыс., океана - 3 тыс. лет, почвы - 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10—12 сут. Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70-75 % состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями, особенно деревьями. С единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. С 1 га березового леса ежедневно испаряется 47 тыс. л воды, а с 1 га елового леса -около 43 тыс. л. Напр., с каждого гектара посадок ели Дугласа ежедневно может испаряться до 48 т воды. Растения испаряют около 1/3 всей воды, выпадающей с осадками.

Наземная растительность в процессе фотосинтеза расщепляет чрезвычайно мало воды по сравнению с общим количеством, проходящим через растение. Количество проходящей через растения воды значительно больше потребляемой растениями, что объясняется транспирацией. Поступившая через корни растений вода несет в себе растворенные минеральные вещества, которые участвуют в биосинтезе, а оставшаяся влага испаряется с поверхности листьев.

Вмешательство человека нарушает цикл круговорота воды. В частности, уменьшается испарение воды лесами из-за сокращения их площади. Рубка тропических и умеренных лесов, произрастающих в наиболее влажных районах Земли, может создать серьезные нарушения водного баланса континентов. Увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. На круговорот воды влияет потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота воды, опасные для биосферы