Материал для урока на тему Геологический (большой) круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидро­сферой и живыми организмами.

Устойчивость биосферы поддерживается благодаря кру­говороту веществ и энергии. В природе при помощи солнечной энергии происходят гео­логический (большой) и биологический (малый) круго­вороты веществ.

Большой круговорот веществ происходит при взаимодействии солнечной энергии с глу­бинной энергией Земли и осуществляет перераспределение ве­щества между биосферой и более глубокими горизонтами Зем­ли.

Осадочные горные породы, образованные за счет вывет­ривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и дав­лений. Там они переплавляются и образуют магму. После поднятия этих по­род на земную поверхность и действия процессов выветри­вания вновь происходит трансформация их в новые осадоч­ные породы. Символом круговорота веществ явля­ется спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то но­вое, что со временем приводит к весьма значительным из­менениям.

Наиболее легко проследить геологический круговорот веществ на примере воды.

Круговорот воды. С водной поверх­ности Земли воды испаряется гораздо больше, чем с суши. Осадков же выпадает больше над сушей, чем над водным пространством. Вода, попадая на землю, растворяет часть минеральных солей, выносит их в реки, озера и далее - снова в океан, уравнивая количество испаренной влаги и выпавших осадков.

В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. куб. км.

Благодаря круговороту воды происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны. Круговорот воды формирует природные условия на планете.

Цикл воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах.

С развитием цивилизации этот цикл стал нарушаться, в результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось испарение с суши. Реки южных районов обмелели, загрязнение океана и появление на его поверхности нефтяной плёнки уменьшило количество воды, испаряемой океаном. Всё это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Прежде неисчерпаемый ресурс - пресная чистая вода - становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Круговорот азота в биосфере ( Делвич, 1972)

Круговорот азота. Азот - один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но этот газ инертный. Растения поглощать свободный азот из атмосферы не могут.

Атмосферный азот усваивают азотфиксирующие бакте­рии и водоросли. Соединения азота из почвы по­ступают в растения и используются для построения белков. Эти растительные белки используют животные. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака.

Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту.

Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактериий, поступает обратно в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта по­теря компенсируется поступлением азота в воздух с вулка­ническими газами.

Человек нарушает равновесность цикла азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание азота в его основном хранилище - почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Круговорот фосфора в бисфере ( Дювиньо, Танг, 1968)

Фосфор содержится в горных породах. В круговорот включается при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают фосфор из почвы, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях.

После смерти растений и животных микроорганизмы возвращают фосфор в почву. Однако не весь возвращенный в почву фосфор растения усваивают вновь. Часть его вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает в моря и океаны. Из этих хранилищ фосфор почти не возвращается, лишь некоторую его часть выносят на сушу птицы, питающиеся рыбами. На птичьих базарах накапливается ценное фосфорное удобрение - гуано (птичий помет). Некоторое количество фосфора возвращается на сушу при рыбном промысле. Вместе с выловом рыбы на сушу возвращается примерно 60 000 т элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1-2 млн. т фосфорсодержащих пород.

В отличие от циклов воды, углерода и кислорода цикл фосфора открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются.

Таким образом, если ресурсы азота неисчерпаемы, запасы фосфора постоянно сокращаются. Возникает проблема дефицита фосфора и в результате снижение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности естественных экосистем. Решение проблемы - в устранении условий, ускоряющих вымывание фосфора. Главное - это экономное расходование фосфорных удобрении и внесение удобрений такими способами, которые уменьшают их вымывание из почвы.

Круговорот серы в биосфере ( Рамад, 1981)

Сера входит в состав ряда аминокис­лот и также представляет собой жизненно важный элемент.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до Н₂Ѕ, другая часть окисляется до сульфатов и включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком топлива приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа ЅО₂, который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Цикл кислорода. Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании. До появления цивилизации этот цикл также был равновесным.

Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых: электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т. д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его цикла.

Пока биосфера справляется с вмешательством человека в цикл кислорода, его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании всё большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Основная доля кислорода вырабатывается растениями суши - почти 3/4, остальная часть - фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота кислорода - около 2 тыс. лет.

Круговорот углерода в биосфере ( Дювиньо, Танг, 1968)

Круговорот углерода. Углерод входит в состав всех живых организмов. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод из атмосферы для синтеза орга­нических соединений, а освободившийся кислород поступа­ет в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - С0₂ - выделяется в атмо­сферу.

Главным резервуаром углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса на Земле.

Человек извлекает из подземных кладовых нефть, уголь, сланцы, газ. При сжигании топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, а океан - загрязняться, то может произойти значительное увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Кроме того, этот газ поглощается водой океана. Растворяясь в водах Мирового океана С0₂ с помощью живых организмов либо химических реакций соединяется с кальцием и образует мощные толщи карбонатных пород. и образующиеся соединения захораниваются на его дне. Здесь его накапливается в 4 раза больше, чем заложено в продуктах фотосинтеза.

Скорость круговорота СО2 , т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается главная функция биосферы.

2. Какие круговороты происходят в природе?

3. Какое значение имеет большой геологический круговорот веществ?

4. Что является источником энергии и жизни на Земле?

5. Что понимают под круговоротом веществ?

6. Какие круговороты веществ выделяют?

7. Опишите основные черты каждого из круговоротов веществ.