Малий біологічний кругообіг речовин. Міграційні потоки елементів
Малий біологічний кругообіг речовин
Для грунтоутворення особливе значення має малий біологічний кругообіг речовин. Він забезпечує цикли біогеохімії. При цьому зольні елементи поглинаються рослинами з грунту. В подальшому вони беруть участь у біохімічних процесах рослин, повертаються знову в грунт після їх відмирання. Частина забирається тваринними організмами і повертається після їх відмирання. Цикли вуглецю, азоту більш складні. Вони зачіпають також атмосферу. Частина елементів звільняється, після відмирання повертається у великий геологічний кругообіг через атмосферу і гідросферу.
Антропогенна діяльність змінює хід біологічного кругообігу речовин за рахунок:
- зниження природної біоти і заміни її на культуру сільськогосподарських полів;
- відокремлення і потреби споживання біологічної продукції;
- внесення добрив;
- зміни грунтових режимів.
Інтенсивність біологічного кругообігу речовин (елементів) або швидкість його – це час (вегетаційний період, декілька місяців, діб, хвилин), упродовж якого елемент поглинається живим організмом, трансформується і повертається в середовище.
Повернення буває прижиттєве і посмертне. Час (інтенсивність) залежить від виду організму та запасу елемента у середовищі.
У формуванні малого біологічного кругообігу речовин велику роль відіграють живі організми. В першу чергу – мікробні популяції, оскільки біомаса мікробів практично така ж, як і біомаса рослин. Але головне не в кількості маси, а в тій роботі, яку мікроорганізми проводять з мінералізації речовин, особливо у процесах перетворення азоту, заліза, сірки, марганцю. Відмираючи, вони звільняють 6-7% від своєї біомаси різних зольних елементів.
Безхребетні організми переробляють органічні рештки у грунтах і трансформують хімічні елементи у водоймищах. Надземні біогеоценози (лісовий, трав'яний) – найважливіший фактор формування біологічного кругообігу речовин. Щорічно на суші в процесі фотосинтезу зеленими рослинами залучається 35 млрд. т CO2 з атмосфери; 10 млрд. т повертається в атмосферу в результаті дихання; 25 млрд. т після відмирання рослин надходить у грунт і використовується для утворення гумусу та його акумуляції.
Об'єм, або ємність біологічного кругообігу речовин (елемента) – це маса елемента, яка поглинається організмом з навколишнього середовища одиницею площі за певний час.
Біологічний кругообіг речовин складається з циклів окремих елементів.
Цикли азоту
75% азоту зосереджено в атмосфері в молекулярній формі (N2). Живі організми (рослини) поглинають азот у вигляді NH4+, NO3-, з участю якого утворюють білки. Після відмирання рослин іде трансформація азотовмісних сполук через амоніфікацію, нітрифікацію, денітрифікацію. Нітрати захоплюються рослинами, частина їх іде на утворення гумусу. Решта азоту вимивається з грунту. У гумусі азот складає 3-5-10%. Втрата з грунту азоту веде до забруднення водоймищ.
Цикли вуглецю
CO2 в атмосфері міститься до 0,03%. Найбільше вуглецю в живій речовині – 18%. Він є основою життя. Розраховано, що рослинний покрив суші засвоює весь вуглець атмосфери за 3-4 роки. Для гумусосфери цикл вуглецю складає 300-400 років. У процесі дихання рослин частина вуглецю повертається в атмосферу. Після відмирання рослин частина вуглецю закріплюється в гумусі, в осадових породах (карбонати), частина повертається до атмосфери. Викиди вуглецю при спалюванні нафти, газу, вугілля, складають від 6 до 10% об'єму біогеохімічного циклу.
Вирубка лісів, руйнування лісових підстилок, осушення торф'яників, посилене розорювання земель, зменшення планктону у водоймищах у зв'язку з їх забрудненням скоротили об'єми фотосинтезу на планеті. Це зумовило посилення надходження CO2 в атмосферу. Виробництво будівельних матеріалів також підсилює концентрацію CO, в атмосфері (одержання цементу). Існують суттєві відмінності між біологічними кругообігами в природних і антропогенних екосистемах. Установлено, що за останні сто років чорноземи втратили одну третину своїх гумусових запасів. Головні причини цього: інтенсивні прийоми землеробства (меліорація, хімізація, механізація), ерозія грунтів.
У природних екосистемах гуміфікується незначна частка залученого до фотосинтезу вуглецю атмосфери. Значна частина його повертається в атмосферу при диханні організмів і при мінералізації мертвої органічної речовини.
Живі організми утворюють інтенсивні потоки хімічних елементів. Вони проводять велику геохімічну роботу, беруть участь у процесах вивітрювання і грунтоутворення. Грунти є компонентами біосфери й об'єктами дії живої речовини. В ньому зосереджена зоо-фауна, мікроорганізми, корені рослин. У гумусному горизонті жива речовина складає 40% маси грунту. Жива речовина у грунтах виконує такі функції:
- газообмінну: метаболізм, дихання і обмін CO2, NH3, H2O;
- окиснення: процес вивітрювання суттєво змінює сполуки таких елементів як Mn, C, N, S, P;
- відновлення: денітрифікація, десульфофікація;
- концентрації і акумуляції хімічних елементів із розсіяного стану: карбонати, фосфати;
- синтезу і мінералізації гумусу, гумінових і фульвокислот грунту, грунтового покриву.
Міграційні потоки елементів
Поведінка будь-якого елемента в конкретних екосистемах біосфери та їх грунтах визначається комплексом міграційних параметрів:
- хімічними властивостями елемента і його сполук;
- роллю у технобіогеохімічних процесах (біофільністю, технофільністю, геохімічною активністю, міграційною здатністю у розчинах);
- співвідношенням між його біологічним, геологічним і техногенними циклами.
У цілому баланс елемента в екосистемі може бути як позитивним, так і негативним. Утворюються зони концентрації тих чи інших елементів і зони збіднення, що відображається на хімізмі грунтів і грунтового покриву загалом.
Під міграцією речовин на земній поверхні розуміють усі форми їх переміщення, розподілу і накопичення. Міграція речовин відбувається в міграційних потоках. Міграційні потоки проходять під впливом:
- сили тяжіння – гравітаційний потік;
- руху повітряних мас – еоловий потік;
- руху води – водний потік;
- потреб в елементах живлення організмами і повернення їх в середовище – біологічний циклічний потік;
- переміщення організмів по території – біогенний потік;
- переміщення великих мас речовин людиною в їх господарській діяльності – антропогенний, або техногенний потік.
У природі перевагу має водний потік. Залежить він від ступеня дисперсності речовин, розчинності. Б.Б.Полинов встановив 5 груп міграції речовин при елювіальному вивітрюванні і грунтоутворенні з відносним значенням їх щодо геохімічної рухливості (n):
- що енергійно виносяться (Cl, Br, I, S) – 10n
- що легко виносяться (Ca, Na, K, Mg) – n
- рухливі (SiO2, P, Mn) – 0,1n
- слабко рухливі (Fe, Al, Ti) – 0,01n
- інертні (SiO2 кварцу) – 0n
В.А.Ковда виділив групи речовин за їх педохімічною рухливістю і розробив педогеохімічну класифікацію грунтових вод (табл. 12). Крім водного потоку, важливе значення у міграції речовин у природі має атмосферний перенос речовин вітром і техногенний кругообіг речовин (дерево, вугілля, нафта, зерно).
Група рухливості | Ступінь рухливості | Хімічні сполуки | Відносна рухливість |
---|---|---|---|
1 | Дуже висока | Нітрати, хлориди, йодиди, броміди, сульфати, карбонати, силікати, борати, фосфати лугів і частково лужноземельних металів | 100 |
II | Висока | Гіпс, карбонати кальцію та магнію, гумати й алюмінати лугів, залізні і алюмінієві галуни | 10-50 |
Ш | Помірна | Гідрокарбонати, фульвати та фосфати марганцю і заліза, гідрозолі кремнезему та заліза | 0,5-0,1 |
IV | Низька | Гідрооксиди алюмінію, заліза, марганцю, гумати важких металів | 0,1-0,01 |
V | Дуже мала | Кварц, глинисті мінерали, сульфіди | < 0,001 |