Лекции по экологии

(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

должна содержать приблизительно равные количества глины и песка с частицами

промежуточных размеров. В этом случае образуется пористая, крупитчатая

структура, и почва называется суглинками (размер частиц ближе к размерам

частиц глины, чем песка). Если же преобладают песчаные частицы, то можно

говорить о супесях. По основным почвенным показателям суглинки значительно

превосходят глину и песок, что хорошо видно из табл. 3.1.

Таблица 3.1. Сравнительные показатели (характеристики) для различных типов

почв

| | |Водоуде|Ионно| | |

|Тип |Инфильтр|ржи- |- |Аэрац|Обрабатыва|

|почвы |ация |вающая |обмен|ия |емость |

| | |спо- |ная | | |

| | |собност|емкос| | |

| | |ь |ть | | |

|Песок |+++ |+ |+ |+++ |+++ |

|Глина |+ |++++ |++++ |- |- |

|Суглин|++ |++ |++ |++ |++ |

|ки | | | | | |

3.2.1.3. Почва и глобальные проблемы

3.2.1.3.1. Наиболее опасные воздействия человека на почву

Загрязнение химическим веществами.

1. Антропогенная эрозия.

2. Засоление (главным образом, за счет чрезмерного водного орошения).

3. Заболачивание.

4. Добыча полезных ископаемых (главным образом - горючих, а также

металлических руд).

5. Использование плодородной почвы под строительство.

3.2.1.3.2. Загрязнения почвы

Главными загрязнителями являются промышленные предприятия (черной и

цветной металлургии, энергетики, химической промышленности), вызывающие

загрязнение токсичными веществами, включая тяжелые металлы, а также

компоненты, способствующие выпадению кислотных дождей. Автотранспорт дает

загрязнение свинцом и утечками топлива, быт и строительство (бытовые

отходы, свалки), сельское хозяйство (загрязнение пестицидами, а иногда и

перенасыщение почвы удобрениями). Значительное загрязнение дают утечки

топлива (аварии нефтепроводов, а также при операциях транспортировки),

могильники с радиоактивными отходами и токсичными веществами и др.

источники.

3.2.1.3.3. Эрозия почвы и опустынивание земель

Эрозия почвы (от лат. erosio - разъедание) - это процесс разрушения

верхних наиболее плодородных слоев почвы и подстилающих пород под действием

воды, ветра, вследствие хозяйственной деятельности человеческого общества,

а также животных, что приводит и к нарушению структуры почвы, а главное - к

уменьшению плодородия почвы.

Археологи установили, что упадок многих ранее могущественных

цивилизаций был вызван не внешними врагами, а медленным экологическим

самоубийством - неспособностью сохранить земельные и водные ресурсы.

Например, Северная Африка, некогда снабжавшая зерном Римскую империю,

теперь по большей части представляет собой пустыню. Аналогично, ключевым

фактором упадка некогда процветающей в Центральной Америке культуры Майя,

вероятно, была потеря почвенного плодородия вследствие эрозии.

За последние 25 лет площади сельскохозяйственных угодий сократились на

33 млн га, несмотря на ежегодное вовлечение в сельскохозяйственный оборот

новых земель. Подсчитано, что земельные ресурсы на душу населения

уменьшаются на 2 % за год, плодородные земли (угодья) на 6-7 %. Русские

экологи А.В. Яблоков и С.А. Остроумов (данные 1985 г.) считают, что

ежегодно в мире площади пашен и пастбищ под влиянием деятельности человека

сокращаются на 5-8 млн га. Из них в результате эрозии теряется примерно 3

Страницы: 1, 2, 3