Лекции по экологии

Биогеохимический цикл азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим

подробнее. Азот в свободном виде (в виде N2) недоступен растениям. Для

своего роста растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой

кислот, хуже – аммиачные соединения.

На границе воздушной атмосферы и грунта содержится от 0,02 до 0,056

кг/м3 азота (летом и осенью больше, чем зимой и весной, из-за грозовых

разрядов). За год на 1 га в разных частях земли выпадает 2,6-14,3 кг азота.

Больше всего азота вблизи больших химических предприятий, связанных с

продуктами азота, поэтому в почву в радиусе нескольких километров азотных

удобрений не следует вносить.

Как же азот из воздуха попадает в почву в связанном виде? Это

возможно благодаря азотофиксирующим бактериям, живущим в грунтах, а также

сине-зеленым водорослям в водоемах. Поэтому их значение необычайно велико.

Примерами таких бактерий являются аэробные азотобактерии (действуют в

присутствии кислорода воздуха), анаэробные клостридиумы Пастера (действуют

без доступа О2), клубеньковые бактерии, живущие и функционирующие в корнях-

клубнях, в основном бобовых растений. Процесс фиксации таков:

N2 + 3Н2 ( 2NН3 + 615,63 кДж.

(или 2N)

За год эти бактерии могут запасать для растений до 20 –30 кг азота.

Затем начинают выполнять свои функции нитрифицирующие бактерии (упрощенно -

нитритные и нитратные), окисляющие аммиак (соответственно, до азотистой и

азотной кислот):

2NН3 + 3О2 ( 2НNО2 + 2Н2О + 148 ккал;

2НNО2 + О2 ( 2НNО3 + 48 ккал.

Эти кислоты в процессе обменных реакций в грунтовых растворах образуют

соли (нитриты и нитраты), которыми питаются растения:

К2СО3 + 2НNО3 ( 2КNО3 + СО2( + Н2О.

(или СаСО3)

Растения используют нитраты для синтеза белковых соединений, которые

идут для питания другим живым организмам (например, животным),

синтезирующим свои аминокислоты и т.д. Продукты выделения (экскреция) –

мочевина и другие, трупы растений и животных подвергаются деструкции и

минерализуются сначала до аммиака и аммиачных соединений (аммонификация)

под действием бактерий, грибов, дождевых червей и др., и далее до солей

азотных кислот, а последние денитрифицирующими бактериями до N2, уходящего

в атмосферу (реакция 1). Частью в атмосферу азот удаляется и в виде NН3.

Затем начинается новый цикл.

5С6Н12О6 + 24КNО3 ( 30СО2( + 18Н2О + 24КОН + 12N2 + 9388,3 (1)

кДж/моль.

Часть аммиака после аммонификации в почве нитрифицируется бактериями

до солей (нитритов и нитратов) и остается в почве для питания растений.

Итак, существуют азотофиксирующие бактерии (азот переводят в NН3),

нитрифицирующие (аммиак - в основном, в соли НNО3), а денитрифицирующие

разлагают нитратные соли, превращая их в NН3 и даже до N2. Поэтому первые и

вторые бактерии обогащают грунт доступными для растений формами азота, а

третьи – обедняют грунт азотом.

Более полная схема кругооборота азота представлена на рис.2.12.

[pic]

Рис. 2.12. Схема биотического кругооборота азота по Р.Риклефсу (1979 г.)

В геологический кругооборот постоянно поступает часть азота в виде

различных соединений, частью используемых в сельском хозяйстве в качестве

азотных удобрений. Азотсодержащие вещества частью поступают и в реки,

благодаря стоку которых выносятся в моря. Часть азота попадает в реки и

далее в моря за счет осадков, например, кислотных дождей (содержащих НNО3),

из-за выбросов оксидов азота (а также образования оксида азота в атмосфере

при грозах). Наибольшее содержание соединений азота в районах впадения рек

в моря, наименьшее – в центральных частях океанов. Азотсодержащие

соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и

поступают в кругооборот океана, часть постепенно оседает на дно, потому,

вынесение азота с суши не увеличивает его концентрацию в морской воде.

Неуправляемая же деятельность людей может привести к сильному загрязнению

окружающей среды, что нарушит природный баланс. Тревожные изменения в

биосфере уже и сейчас столь заметны. Это цветение рек, чрезмерное

размножение сине-зеленых водорослей, ускоряющееся заболачивание природных

водоемов, ухудшение качества воды и т.д.

2.6.5. Кругооборот фосфора

Кругооборот фосфора достаточно сложен. Рассмотрим его в упрощенном

виде. Фосфор один из наиболее важных биогенных элементов, так как входит в

состав нуклеиновых кислот, костной ткани, клеточных мембран, систем

переноса энергии (АТФ) и др. Кругооборот фосфора также совершается по

большому и малому циклам, но всецело связан с жизнедеятельностью

организмов. Фосфор – подвижный элемент, поэтому его кругооборот зависит от

множества факторов окружающей среды, а в наше время особенно - от

антропогенных. Так, фосфор активно поступает в водные источники в виде

моющих средств (детергентов), фосфорных и комбинированных удобрений с

полей, отходов промышленности (особенно продуктов переработки

фосфорсодержащих минералов – апатитов и фосфоритов) и др. Это приводит к

нарушению равновесия в биогенном кругообороте фосфора, представленного на

рис. 2.13.

Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от

кислотности почвенного раствора. Так, в воде (в среде близкой к

нейтральной) фосфаты натрия, калия, кальция и других металлов

слаборастворимы, в щелочной среде (при рН ( 7) – практически нерастворимы,

а с повышением кислотности постепенно превращаются (рис.2.14) в хорошо

растворимые - фосфорную кислоту Н3РО4 и NаН2РО4, относительно растворимую

соль Са(Н2РО4)2, которые хорошо усваиваются растениями.

[pic]

Рис. 2.13. Схема биотического кругооборота фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)

По распространенности в биосфере фосфор не рекордсмен, но многие

организмы выработали различные приспособления для улавливания и накопления

этого элемента в концентрациях, значительно превышающих его содержание в

окружающей среде (особенно в воде).

Увеличение кислотности с уменьшением рН среды (

Ионная форма: РО43- ( НРО42- ( Н2РО4- (

Н3РО4

( ( ( (

соль: Na3РО4 Na2НРО4 NaН2РО4 очень

растворимость: слегка (средняя) средняя хорошо хорошо

растворимость растворимость растворима растворима

соль: Ca3(РО4)2 CaНРО4 Ca(Н2РО4)2

растворимость: нерастворима нерастворима малорастворима

Рис. 2.14. Растворимость фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)

Так, вдоль юго-восточного побережья Америки обитают моллюски

(небольшая колония) – биомассой 12 кг на 1 м2. Эти моллюски относятся к

типу фильтрантов. Они фильтруют воду, извлекая из нее мелкие организмы и

детрит, богатый фосфором и другими элементами в мелководной зоне прилива.

Расчет показал, что кругооборот частиц, содержащих фосфор, в этой зоне

происходит всего за 2,6 суток. За это время моллюски извлекали фосфор в

количествах, соответствующих его среднему содержанию во всех взвешенных

частицах. Этот моллюск, являясь второстепенным компонентом прибрежного

сообщества (малая пищевая ценность для других живых существ), оказывает

громадное значение на кругооборот и удержание ценного фосфора.

Фосфор накапливается в виде соединений на дне океана на небольших

глубинах, откуда из-за геологических изменений оказывается в литосфере, а

со временем и в верхних слоях литосферы (например, в виде апатитов и

фосфоритов). Существуют апатиты и вулканического происхождения.

Часть отложений соединений фосфора остается в осадке в неглубоких

водах и включается в повторный кругооборот, посредством диатомей (вид

водорослей), которые накапливают фосфор. Отмирая, они являются источниками

фосфора.

Кругооборот воды в биосфере будет рассмотрен в разделе "Атмосфера".

3.2. ЛИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и

часть верхней мантии (толщина литосферы 50-100 км, хотя некоторые авторы

говорят и мощности свыше 100 км).

Земная кора имеет также слоистое строение:

1) верхний слой с низкими параметрами температуры и давления - кора

выветривания (осадочный слой, содержащий осадочные породы - например,

песок, глину, известковые образования и др.) мощностью на суше 0,5-0,8

км, включает и дно гидросферы (например, ил толщиной 1-1,5 км). Самый

тонкий (в среднем 1-1,5 м) поверхностный слой и важнейший в

биосфере - почва.

2) гранитовый слой (более плотный), который на дне океана сильно

истончается и даже может отсутствовать;

3) базальтовый слой (еще с большей плотностью).

Химический состав земной коры определяется содержанием в ней, прежде

всего, 8 наиболее распространенных элементов (в массовых %, по Вернадскому

и Ферсману): кислород (О)- 49,5, кремний (Si) - около 26, алюминий (Al) -

7,4, железо (Fe) - 4, кальций (Са) - 3, натрий (Na) - 2,6, калий (К) - 2,4,

магний (Mg) - 1,9. Важнейшим составляющим литосферы и гидросферы является

почва.

3.2.1. Почва

3.2.1.1. Общая характеристика почв

Почва - самый верхний тончайший слой суши, образовавшийся под влиянием

живых организмов, климатических процессов (выветривания - воздействия ветра

и осадков, колебания температур и др.), сейсмических и механических

процессов из материнских (земных) горных пород.

Плодородная почва - важнейший для человека ресурс, так как это залог

производства почти всех продуктов питания. 95 % продовольствия человек

получает от земель и только 5 % из океана. Обилие земельных и водных

ресурсов - главное условие процветания цивилизации.

Толщина почвенного покрова невелика (например, толщина наиболее

плодородных почвенных образований - черноземов на равнинах в среднем 1-1,5

м), хотя с увеличением высоты (по отношению к уровню моря) почвенный покров

истончается, а порой и отсутствует, и тем самым материнская порода выходит

на земную поверхность. Современный состав почвенного покрова Земли: 28 %

приходится на леса, 17 % - луга, 10 % - пашни, 45 % - остальную сушу.

Структура почвы - это совокупность агрегатов (комочков почвы), обладающих

различной величиной, формой и определенными физико-химическими свойствами.

Так, высокоплодородные тучные глинистые черноземы имеют хорошо выраженную

водопрочную комковато-зернистую структуру. Упрощенная схема строения почвы

может быть выражена следующим образом (рис. 3.1.):

_____________________________________________

самый тонкий слой - подстилка

---------------------------------------------------------------------

слой перегноя

______________________________________________

слой вымывания

______________________________________________

слой накопления минеральных солей

______________________________________________

подпочва

______________________________________________

Рис. 3.1. Упрощенная схема строения почвы

Собственно к почве обычно относят средние три слоя. Чем больше слоев

(более мощный горизонт), тем выше обычно плодородие почвы. Почва (по

Вернадскому) - это биокосное вещество. Главные компоненты почвы:

1) минеральные частицы (песок, глина и др.), состоящие, главным образом, из

8 вышеприведенных наиболее распространенных в земной коре химических

элементов);

2) детрит - отмершее органическое вещество (остатки от растений, животных и

микроорганизмов);

3) множество живых организмов (от растений и животных до детритофагов и

редуцентов). Это насекомые, грибы, бактерии, дождевые и другие виды

червей, простейшие и др.

Роль большинства этих живых организмов состоит в переводе детрита в

гумус (органические вещества во многом определяющие плодородие почвы). Так,

в тучных черноземах имеется гумусовый горизонт толщиной 60-70 см, а

содержание гумуса может достигать 15 %. Плотность такой почвы, благодаря

органическому гумусу, составляет 1,1-1,2 г/см3, в отличие от песчаных почв

плотностью свыше 2 г/см3 при малом содержании гумуса. Средний же состав

почвы: 93 % минеральных и 7 % органических веществ. Площадь черноземов на

нашей планете сейчас составляет примерно 600 млн га. Большая часть их

представлена на равнинах. Ведущим специалистом в мире в области

почвоведения был русский профессор В.В. Докучаев. Он же подробно изучил

черноземы России. Лучшими по показателям были признаны тучные карловские

черноземы - Полтавской губернии и воронежские. В качестве идеального

образца и сейчас во Франции в метрологическом музее пребывает образец

чернозема именно Воронежской губернии. Основные типы почв на территории

России это: черноземы, подзолистые, дерново-подзолистые, подзолисто-

болотные, серые лесостепные, пойменные, солончаки и др.

3.2.1.2. Свойства почвы как среды обитания

Свойства различных типов почв определяют эдафогенные факторы, которые

ниже и рассматриваются.

3.2.1.2.1. Минеральные элементы питания и способность

почвы их удерживать

Для питания растений необходимы такие минеральные, питательные

компоненты (иными словами биогены), как нитраты (NO3-), фосфаты (PO43-),

калий (K+) и кальций (Ca2+). За исключением соединений азота, которые

образуются из атмосферного N2 в процессе круговорота, все биогены

изначально входят в химический состав горных пород наряду с

“непитательными” элементами, такими как кремний и алюминий. Однако эти

биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре пород. Чтобы

ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор,

порода должна быть разрушена.

Порода, которую называют материнской, разрушается в процессе

естественного выветривания.

Выветривание включает процессы:

1) воздействие ветра и воды

2) замерзание и оттаивание;

3) нагревание и охлаждение;

4) абразивное действие песчаных частиц;

5) биологические факторы (растения в мелких трещинах и др.);

6) химическое воздействие.

Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступными для

питания растениям, но могут также вымываться просачивающейся сквозь почву

водой. Последний процесс называется выщелачиванием.

Выщелачивание почв - вымывание из почвы или отдельного ее горизонта

растворимых веществ под влиянием нисходящего или бокового тока почвенного

раствора. Эти вещества могут выноситься за пределы почвы или накапливаться

в одном из ее горизонтов (расположенный параллельно поверхности

относительно однородный слой почвы, обособившийся в процессе

почвообразования).

Выщелачивание не только снижает плодородие почв, но и способствует

загрязнению среды. Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов,

чтобы они не выщелачивались и могли поглощаться корнями, называют

ионообменной емкостью почвы.

Будучи исходным источником биогенов, выветривание все же слишком

медленный процесс, чтобы обеспечить нормальное развитие растений. В

естественных системах основной источник биогенов - разлагающиеся детрит и

метаболические отходы животных, то есть кругооборот биогенов. Если

ионообменная емкость утрачена, то биогены выщелачиваются и плодородие

падает.

В агроэкосистемах происходит неизбежное удаление биогенов с собранным

урожаем, так как они входят в состав растительного материала. Поэтому их

запас постоянно пополняют, внося удобрения:

1) неорганические (химические) смесь минеральных биогенов (нитраты,

фосфаты, калийные удобрения и др.);

2) органические (растительные остатки и отходы, например, навоз).

Даже при внесении удобрений ионообменная емкость почвы сохраняет свое

жизненно важное значение.

Выщелачивание удобрений наносит экономический ущерб и загрязнение

водоемов, а порой приводит к эвтрофикации водоемов, сопровождающейся

массовым размножением сине-зеленых водорослей, уменьшением концентрации

свободного кислорода в воде и массовой гибелью многих обитателей водоемов,

а особенно рыб, изменением видового состава бактерий и т.д.

3.2.1.2.2. Вода и водоудерживающая способность почвы

В листьях растений существуют тонкие поры, через которые происходит

поглощение углекислого газа (CO2) и выделение кислорода (O2) в процессе

фотосинтеза. Однако они же пропускают пары воды из клеток растения с

поверхности листьев в атмосферу. Это явление транспирации, на которую

расходуется 99 % всей поглощаемой растениями воды, на фотосинтез же

расходуется менее 1 % . Недостаток воды определенно сказывается на росте и

развитии растений. Очевидно, что если вода стекает с поверхности, а не

впитывается, пользы от этого не будет. Поэтому важна инфильтрация

(способность воды просачиваться в глубь почвы и далее). Причем вода,

просачивающаяся в нижние слои (ниже 1 – 1,5 м), для многих растений

становится недоступной. Для растений важна вода, удерживаемая слоем почвы.

Величина этого запаса воды называется водоудерживающей способностью почвы.

Даже при редких осадках почвы с хорошей водоудерживающей способностью могут

запасти достаточно влаги для поддержания жизни растений.

Кроме этого, запас воды в почве сокращается не только в результате его

использования растениями, но и за счет испарения с поверхности почвы. Чтобы

его уменьшить, создают растительный покров.

Таким образом, идеальной может считаться такая почва, которая имеет

следующие характеристики:

1) инфильтрация - хорошая;

2) водоудерживающая способность - высокая;

3) испарение с поверхности - низкое.

Этим условиям соответствуют, например, черноземы.

3.2.1.2.3. Кислород и аэрация почвы

Чтобы расти и поглощать биогенные элементы, корням необходима энергия,

генерируемая при окислении глюкозы в процессе клеточного дыхания. При этом

потребляется кислород и в качестве отхода образуется СО2.

У корней должна быть возможность поглощать О2 из окружающей почвы и

удалять в нее СО2. Безусловно, обеспечение диффузии (пассивного движения)

кислорода из атмосферы в почву и обратное перемещение СО2 - важнейшая черта

почвенной среды. Этот показатель характеризует аэрация.

Аэрация - естественное или искусственное поступление воздуха в какую-

либо среду (воду, почву и т.д.). Она может производиться при помощи

технических средств или путем ликвидации преграды (льда, масляной пленки и

др.), препятствующей естественному доступу воздуха к поверхности воды,

почвы.

Аэрацию почвы обычно затрудняют 2 обстоятельства:

1) уплотнение почвы;

2) насыщение её водой.

3.2.1.2.4. Водородный показатель (рН) и кислотность почвы

Кислотность почвы важнейший показатель. Например, фосфаты легче

усваиваются растениями в кислых почвах.

Число рН - реальная концентрация ионов водорода [H+], выраженная в

единицах водородного показателя:

[pic]

При равной концентрации ионов Н+ и ОН- - среда нейтральная, а рН = 7.

Если [H+] больше концентрации гидроксильных ионов [ОH-], то среда кислая, а

рН меньше 7. При [ОH-] > [H+] - cреда щелочная, а рН больше 7.

Например, рН = 1 и рН = 14 соответствуют: [H+] = 10-1 моль/л и [H+] =

10-14 моль/л.

3.2.1.2.5. Механический состав почвы и размеры минеральных частиц

Структура и механический состав почвы определяются относительным

содержанием в ней песка (размеры его частиц: 0,05(2 мм) и глины

(размером < 0,002 мм). Имеется 11 структурных классов почв. Идеальная почва

Страницы: 1, 2, 3