Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Топ:
Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь...
Особенности труда и отдыха в условиях низких температур: К работам при низких температурах на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие...
Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение...
Интересное:
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Распространение рака на другие отдаленные от желудка органы: Характерных симптомов рака желудка не существует. Выраженные симптомы появляются, когда опухоль...
Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов...
Дисциплины:
2017-12-10 | 303 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
(на примере лосей и волков)
Лоси | Волки | |
Общая продуктивность в год | 123 321 825 ккал | 600439 ккал |
Годовое дыхание | 910349091 ккал | 12786382 ккал |
Выделение энергии на трофическом уровне | 1033670916 ккал | 13 386821 ккал |
Экологическая эффективность волков = 13386821 1033670916 х 100= 1,3 % |
Таким образом, видно, как распределение энергии, численности видов и биомассы внутри экосистемы имеет одинаковую закономерность, которая демонстрирует зависимость жизни, располагающейся на высоких трофических уровнях от жизни низких трофических уровней. В то же время, необходимо помнить, что распределение биомассы и энергии внутри экосистемы происходит таким образом, что в природе нет отходов. Животные и растения одного трофического уровня утилизируются обитателями следующего трофического уровня, обеспечивая постоянный круговорот веществ и энергии в природе.
Любая природная экосистема утилизирует все, вовлекая экскременты
и отбросы в общий обменный круговорот веществ. На современном уровне эволюции человеческого общества возник и нарастает объем веществ, отходов человеческой деятельности, которые природа утилизировать не успевает в приемлемые сроки и в приемлемых ситуациях. В первую очередь это относится к искусственно создаваемым человеком веществам, которые никогда не возникают в естественных условиях. Человеческая деятельность вовлекает также в общий круговорот энергии новые источники, тысячелетиями остававшиеся скрытыми под поверхностью Земли.
В результате замкнутость естественных циклов все больше нарушается, но даже специальные заводы по уничтожению мусора,
"непредусмотренного" природой, но реально создаваемого человеком во все более широких масштабах, не могут замкнуть нарушенный круговорот.
|
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ.
Даже имея достаточно энергии, организмы не могут функционировать и размножаться, если они не обеспечены элементами питания и веществами, необходимыми для роста и развития. Все необходимые для жизни химические элементы и соединения образуют еще одну (наряду с энергией) важную часть абиотической среды.
Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называются биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.
Как известно, организмы состоят из тех же химических элементов, что и воздух, вода, минералы горных пород и почв. Из 110 существующих в природе элементов в организмах обнаружено около 90.
Наиболее важны среди них - углерод, водород, кислород, азот. Фундаментальные биологические процессы роста и размножения продуцентов представляют собой на химическом уровне поглощение из окружающей среды углерода, водорода, кислорода и других элементов в виде простых неорганических соединений и построение из этих атомов сложных систем органических молекул. Консументы осуществляют аналогичные химические преобразования, но начиная с более сложных веществ, получаемых с пищей.
Разложение и горение - это процессы обратные росту, ведущие к разрушению сложных органических молекул и построению из них атомов простых неорганических веществ – СО2, Н2О, NH3 и т.д. Это же происходит и в самих растениях, которые при дыхании окисляют вещества до СО2 и Н2О. Гораздо энергичнее минерализируют органические вещества животные и еще более энергично - микроорганизмы. Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют один биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам принципов: превращения вещества, энергии, накопления энергии.
|
Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота
атомов, очень различна. Приведем следующие примеры: недолгое время живут растения - эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. За это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти в почве быстро разлагается до исходных продуктов - СО2, Н2О и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до СО2 только после смерти деревьев, то есть через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет. В естественных экосистемах продуценты, консументы, детритофаги и редуценты четко взаимодействуют друг с другом, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, - это как раз то, что нужно консументам для питания и дыхания. Выделяемые консументами углекислый газ и минеральные вещества мочи – как раз те биогены, которые необходимы растениям - продуцентам.
Таким образом, видно, как основной принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов - подчиняется закону сохранения массы, поскольку атомы не исчезают, не возникают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных соединениях, и запас их никогда не истощится. Именно это и происходит в естественных экосистемах.
Ниже рассмотрим основные процессы круговорота веществ в природе.
Цикл 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 (или углекислый газ, 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 углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ, для животных и не зеленых растений.
|
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 - деструкторами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания.
При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом — через образование сапрофагами (животными и микроорганизмами) 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 СаСОз 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.
Вмешательство человека в круговорот углерода в природе происходит двумя способами:
|
1. Уничтожение лесов и другой растительности уменьшает общее количество поглощенного СО.
2. Сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива, образующееся при этом большое количество углекислого газа попадает в атмосферу.
Рис. 2-1. Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот веществ (закрашенные стрелки) и однонаправленный поток энергии (не закрашенные стрелки) в процессе фотосинтеза и аэробного дыхания. Этот круговорот вещества в экосистемах и в экосфере является также важным элементом кислородного и водородного циклов.
Цикл 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 оксиды азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.
Более важной формой усвоения азота является деятельность азот фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро
минерализуется. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг
азота на 1 га (для сравнения — путем фиксации азота разрядами молний —4—10 кг/га).
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 (например, клевера или люцерны) на 1 га накапливается за год 150—400 кг азота.
Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и с другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии (способные, также, к фотосинтезу). Во всех этих случаях
азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой азотного питания животных.
Экскременты 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 NH3, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом, цикл азота может быть продолжен.
Рис.2-2. Упрощенная диаграмма круговорота азота
|
В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий - денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N2. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50—60 кг азота.
Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется
выделением молекулярного N2 в составе вулканических газов рис.3-2.
Человек вмешивается в круговорот азота в результате следующих действий:
1 Сжигание древесины или ископаемого топлива приводит к массивному выбросу оксида азота, который затем трансформируется в диоксид азота и при взаимодействии с водяными парами образует азотную кислоту, поступающую в почву и в открытые водоемы.
2. Разложение удобрений и органических отходов является источником выделения в атмосферу закиси азота.
3. Сброс в водные экосистемы большого количества органических соединений и образование в них избыточного количества нитрат ионов и ионов аммония.
Круговорот воды.
Вода — необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влаги; конденсация ее вызывает осадки, с которыми, в конце концов, вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земного шара.
В пределах отдельных экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот, и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспоирируется в атмосферу.
Эвапотранспирация — это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.
Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.
Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.
В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около
1 % воды, выпадающей с осадками.
Цикл фосфора.
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 - деструкторы минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот.
В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут, составляя в настоящее время около 2 млн. т/год.
Рис. 2-3. Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.
|
|
Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...
Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...
Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...
Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!