Вопрос 31. Цикл углерода. Антропогенные составляющие цикла углерода.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Углерод, основная масса которого аккумулирована в карбонатных отложениях дна океанов (1,3·1016 т), в кристаллических породах (1,0·1016 т), в угле и нефти (3,4·1015 т), принимает участие в большом геологическом круговороте. Углерод является одним из наиболее важных биогенных элементов, его часто называют основой жизни в биосфере за его способность образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие органических веществ. Относительно небольшие количества углерода содержатся в растительных тканях (5·1011) и в тканях животных (5·109 т). Этот углерод в процессе малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом. Углерод, содержащийся в атмосфере в виде углекислого газа (23,5·1011 т), служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом поступает к другим живым организмам. При дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики в почве выделяется углекислый газ, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу. Весь углекислый газ атмосферы оборачивается в процессе фотосинтеза за 300 лет. Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйственных растений и разведением домашних животных. Последние по своей биомассе существенно превышают биомассу диких животных и растений.

Челове добывая ископаемое топливо и включая его в производственный цикл, нарушил эту консервацию. Сжигание ископаемого топлива приводит к ежегодному поступлению в атмосферу около 6 Ггт углерода. Сжигание лесов приводит к дополнительному поступлению в атмосферу около 2 Ггт углерода в год. Таким образом, антропогенная деятельность нарушает природный углеродный цикл. Современная концентрация двуокиси углерода в 353 ррт означает содержание 750 Ггт углерода в атмосфере. Поступление углерода в атмосферу за последние 100 лет составило около 175 Ггт, в основном это результат антропогенной деятельности. Но на этом влияние человечества на углеродный цикл не исчерпывается. Запасы ископаемого топлива содержат от 5000 до 10000 Ггт углерода. В разведанных месторождениях нефти и каменного угля содержится около 4000 Ггт углерода. Сжигание этих запасов нефти и угля может привести к увеличению содержания углерода в атмосфере до 2 000 Ггт, что в 3 раза больше, чем в настоящее время. Насколько при этом возрастет температура на Земле, сказать довольно трудно. Но следует упомянуть, что в период от 140 до 66 млн лет назад содержание СО2 в атмосфере было в 4-8 раз больше современного, температура в этот период превышала современную на 10-15 градусов.

Видовая структура биоценозов

Видовая структура — это количество видов, образующих биоценоз, и соотношение их численностей. Точные сведения о числе видов, входящих в тот или иной биоценоз, получить чрезвычайно трудно из-за микроорганизмов, практически не поддающихся учету. Видовой состав и насыщенность биоценоза зависят от условий среды. На Земле существуют как резко обедненные сообщества полярных пустынь, так и богатейшие сообщества тропических лесов, коралловых рифов и т. п. Самыми богатыми по видовому разнообразию являются биоценозы влажных тропических лесов, в которых одних растений фитоценоза насчитываются

сотни видов. Виды, преобладающие по численности, массе и развитию, называют доминантными. Однако среди них выделяют эдификаторы— виды, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени формируют среду обитания, предопределяя

существование других организмов. Именно они порождают спектр разнообразия в биоценозе. Так, в еловом лесу доминирует ель, в смешанном — ель, береза и осина, в степи —

ковыль и типчак. При этом ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает сильными эдификаторными свойствами, выражающимися в способности затенять почву, создавать кислую

среду своими корнями и образовывать специфические подзолистые почвы. Вследствие этого под пологом ели могут жить только тенелюбивые растения. Одновременно с этим в нижнем ярусе елового леса доминантой может быть, например, черника, но эдификатором она не является.

Пространственная структура биоценозов

Популяции различных видов биоценоза, подчиняясь соответствующим природным закономерностям, располагаются в пределах пространственных границ биотопа как по площади,

так и по высоте. Пространственная структура наземного биоценоза определяется закономерностью распределения надземных и подземных органов растительности по ярусам. Ярусное строение растительности (фитоценоза) позволяет максимально использовать лучистую энергию Солнца и зависит от теневыносливости растений. Ярусность хорошо выражена в лесах умеренного пояса. Так, например, в широколиственном лесу выделяются 5—6 ярусов: деревья первой, второй величины, подлесок, кустарник, высокие травы, низкие (приземные) травы. Существуют межъярусные растения — лишайники на стволах и ветках, лианы и др. Ярусность существует и в травянистых сообществах лугов, степей, саванн. Ярусное строение подземных органов определяется разной глубиной проникновения корневых систем. В каждом ярусе

растительности преимущественно обитают свои животные из состава биоценоза. Также существует разделение птиц на экологические группы по месту их питания (воздух, листва,

ствол, земля). Несмотря на то что каждый вид стремится обзавестись собственной нишей, некоторая межвидовая конкуренция между ними за доступные ресурсы неизбежна.

Ярусное строение наземных биоценозов тесно связано с их функциональной активностью. Так, пастбищные пищевые цепи преобладают в надземной части биоценозов, а детритные —

в подземной. В водных экосистемах крупномасштабная вертикальная структура задается в первую очередь абиотическими условиями. Определяющими факторами являются градиенты освещенности, температуры, концентрации биогенов и т. п. На значительных глубинах усиливается влияние гидростатического давления. В донных биоценозах важны состав грунтов, гидродинамика придонных течений. Особенности вертикальной структуры выражаются в видовом составе, смене доминирующих видов, показателях биомассы и продуктивности. Фотосинтезирующие водоросли преобладают в верхних, хорошо освещенных горизонтах, что формирует вертикальные потоки вещества и энергии в направлении глубоководных биоценозов,

жизнь которых основывается на привнесенной органике. Пространственная структура биоценозов по горизонтали проявляется в их мозаичности и реализуется в виде неравномерного распределения популяций по площади из-за неоднородности почвенно-грунтовых условий, микроклимата, рельефа и т. п. Основой горизонтальной структуры могут служить особи одного вида, обладающего средообразующими свойствами, например, сосна со всеми связанными с ней микроорганизмами, грибами, лишайниками, насекомыми, птицами.

Морфологическая структура.

Любые сообщества, независимо от местоположения или состава присутствующих в нем видов, обладают некоторыми признаками, которые существенно облегчают их анализ и сопоставление друг с другом. К таким признакам относят соотношение организмов с определенными типами внешнего строения и пространственную организацию сообщества.

Как вам уже известно из Часть I. Введение. Общие сведения, определенные типы внешнего строения организмов, возникшие как приспособления к условиям местообитаний, называются жизненными формами.

Жизненные формы у растений и животных очень разнообразны. Так, наиболее распространенные жизненные формы растений деревья, кустарники, травы.