3.1. Общая характеристика циклов экосистем
В биосфере выделяют два взаимосвязанных цикла веществ:
геологический;
биогеохимический.
Геологический цикл – это круговорот веществ, в котором биота не участвует. Источником поступления вещества в биосферу являются вулканизм и разрушение горных пород. Вынос материи обратно в литосферу обусловлен процессами метаморфизма и осадконакопления.
Биогеохимический цикл определяет сток биогенов в литосферу и поступление необходимых биоте минеральных веществ из литосферы.
В любом биогеохимическом цикле можно выделить обмен веществом внутри экосистемы (внутренний цикл) и между экосистемой и внешней средой (внешний цикл). Внутренний цикл связан с синтезом и разложением органического вещества. Внешний – обусловлен стоком (захоронением) остатков организмов в осадочных отложениях и поступлением вещества в экосистему в результате геологических процессов (рис. 11). Исходя из этого, баланс цикла можно записать так
Δ = (Синтез + Поступление) – (Разложение + Сток).
Соответственно, выделяют резервуары или фонды:
резервный, который находится за пределами экосистемы и характеризуется относительно медленным обменом веществом между экосистемой и внешней средой;
обменный, который расположен в экосистеме и отличается быстрым обменом веществом между организмами и их непосредственным окружением.
Рис. 9. Потоки биогенов в экосистеме
Устойчивость циклов в высокой степени зависит от присутствия газообразной составляющей в цепочке превращений вещества. В этом случае газ поступает в атмосферу и стока вещества в водоемы и далее в донные отложения не происходит или он замедлен. Круговорот оказывается более устойчивым. Таковы циклы углерода, азота и кислорода. Если газовая составляющая отсутствует, циркуляция затруднена. Вещество вымывается из экосистемы, и его возврат малоэффективен. Так происходит при циркуляции фосфора.
Антропогенное влияние нарушает природные циклы. Появляются редкие в природе или новые химические соединения (например, диоксины). Природные биогеохимические циклы многих элементов (азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов и др.) нарушаются и это отражается на экосистемах.
Сопряжение биогеохимического цикла углерода с циклами других биогенов
Ключевым этапом для понимания взаимосвязи основных биогенов является ассимиляция СО2 , которая происходит в молярном отношении СО2:Сорг:О2 = 1:1:1 по реакции СО2 + Н2О = [СН2О] + О2. Ассимиляция уравновешивается дыханием, осуществляющим обратную реакцию. С углеродом связаны циклы азота и фосфора в отношении, определяемом их включением в биомассу. Для микробов отношение C:N:P = = 106:16:1. Взаимодействие биогеохимических циклов показано на схеме (рис. 13).
Рис. 10. Сопряжение биогеохимических циклов с циклом Сорг [7]
Цифры означают молярное соотношение. Блоки соответствуют возникающим резервуарам
3.2. Цикл углерода
Круговорот углерода в литосфере, гидросфере и атмосфере обусловлен как геологическими процессами, в которых биота не участвует, так и деятельность самой биоты. О масштабах этих процессов можно судить по запасам органического углерода (Сорг) и карбонатов (Скарб) в осадочной оболочке, Мировом океане и атмосфере (табл. 4).
Таблица 4. Объемы резервуаров доступных биоте [7] |
||||
Название |
Форма нахождения |
Масса в т |
Фонд |
|
СО2 |
|
|||
Мировой океан |
СО2 |
1,3∙1014 |
|
Обменный |
Атмосфера |
СО2 |
2,4∙1012 |
|
Обменный |
Осадочная оболочка |
Скарб + Сорг |
|
5∙1017 |
Резервный |
Почвы |
Сорг |
|
2∙1012 |
Резервный |
Обменный фонд, из которого растения и водоросли получают углекислый газ и который определяет устойчивость биосферы, расположен в атмосфере и Мировом океане. Его запасы невелики – около 1,3∙1014 т СО2. Суммарные запасы углерода в горных породах более чем в 1000 раз превышают запасы обменного фонда, но они недоступны биоте, так как для фотосинтеза необходим углекислый газ.
Время пребывания углекислого газа в системе: атмосфера – биосфера – океан – земная кора, составляет около 105 лет и определяется временем пребывания СО2 в океанах. С геологической точки зрения это исключительно короткий период.