Основы Экологии

 

• Поры почвы, не занятые водой, заполняет почвенный воздух. Насыщенность воздухом (аэрация) играет важную роль в почвенных процессах. С увеличением размера частиц грунта объем пор возрастает.

            По сравнению с составом атмосферного воздуха из-за дыхания организмов с глубиной уменьшается содержание кислорода (до 10%) и увеличивается концентрация диоксида углерода (достигая 19%). В течение года и суток состав почвенного воздуха сильно меняется. Тем не менее почвенный воздух постоянно обновляется и пополняется за счет атмосферного.

Заболачивание почвы обусловливает вытеснение воздуха водой, и условия становятся анаэробными. Так как микроорганизмы и корни растений продолжают выделять С0₂, образующий с водой Н₂С0₃ (угольную кислоту), то замедляется обновление гумуса и накапливаются гуминовые кислоты. Все это повышает кислотность почвы, которая, наряду с истощением запасов кислорода, неблагоприятно отражается на почвенных микроорганизмах. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.

 

• В Совокупности экологические факторы среды воздействуют на организм одновременно и совместно. Совокупное воздействие факторов (констелляция) в той или иной мере взаимоизменяет характер воздействия каждого отдельного фактора.

            В комплексном действии экологических  факторов среды значение отдельных  экологических факторов неравноценно. Среди них выделяют ведущие  (главные) и второстепенные факторы.

            Ведущими являются те факторы, которые необходимы для жизнедеятельности, второстепенными - существующие или фоновые факторы. Обычно у разных организмов различные ведущие факторы, даже если организмы живут в одном месте.

            Наблюдают смену ведущих факторов  при переходе организма в другой  период своей жизни или   недостаток одного фактора частично  компенсируется усилением другого.

Пример:

В период цветения ведущим фактором для растения может быть свет, а в период формирования семян - влага и питательные вещества.

В Арктике  продолжительный световой день компенсирует недостаток тепла.

 

 

• 34.  Биогеохимический круговорот азота.

 

• Ввиду того, что растения и животные могут использовать только те биогенные элементы, которые находятся на поверхности Земли или вблизи нее, для сохранения жизни необходимо, чтобы материалы, ассимилированные какими-либо организмами, в конечном счете, становились доступными другим организмам.

            Единственный механизм, способный  обеспечить подобную преемственность  - это механизм циркуляции элементов  протоплазмы из внешней среды  в организмы и опять во внешнюю  среду. То есть биогенные элементы  в отличие от энергии должны  удерживаться в экосистеме, где  они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые  организмы, так и физическая  среда.

            Известно, что из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе 30¸40 требуются живым организмам; некоторые элементы, такие, как углерод, водород, кислород и азот необходимы организмам в больших количествах, другие - в малых или даже в ничтожных количествах.

            Какова бы ни была потребность  в них, жизненно важные для  организмов элементы участвуют  в круговоротах. Эти в большей  или меньшей степени замкнутые  пути получили название биогеохимических  циклов. Название четко отражает  суть того, что обмен веществ  осуществляется между живыми  и неживыми компонентами биосферы.

            В природе элементы никогда,  или почти никогда не распределены  равномерно по всей экосистеме  и не находятся всюду в одной  и той же химической форме.

            Азот встречается, главным образом,  в газообразной форме (N₂) в атмосфере, однако растения ассимилируют азот в основном из нитратов (NO^3-), содержащихся в почве или в воде. Несмотря на свое обилие, атмосферный азот играет незначительную роль в круговороте питательных веществ.

            В каждом круговороте удобно  различать две части, или два  "фонда":

• 1)Резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент, то есть та часть круговорота, которая физически или химически отделена от организмов;
• 2) Подвижный (или обменный фонд) - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Иногда резервный фонд называют "недоступным" фондом, а  активный, циркулирующий фонд - доступным  или обменным.

            Экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные материалы и в которых эти материалы могут оставаться на протяжении различных периодов времени.

            В круговоротах минеральных веществ в экосистеме в большинстве случаев участвуют три активных блока: живые организмы, мертвый органический детрит и доступные неорганические вещества.

            Ассимиляция и создание продукции сопровождаются переходом минеральных веществ из неорганического блока в органический. Главным компонентом этого этапа является первичная продукция, создаваемая растениями; однако животным необходимы, кроме того, многие другие важные элементы.

            Большая часть азота, включившегося в процессе ассимиляции в живую биомассу, после гибели организмов, а также в результате экскреции переносится в детритный блок. Некоторые биогенные элементы, содержащиеся в детрите, могут быть возвращены в блок биомассы детритоядными организмами, но все они в конечном счете в результате вымывания и разложения вновь попадают в фонд доступных неорганических веществ.

            Процессы ассимиляции и распада, благодаря которым происходят круговороты биогенных элементов в биосфере, тесно связаны с поглощением и высвобождением энергии организмами.

Когда в организме происходит метаболизм органических соединений, содержащих азот, фосфор и серу, эти  элементы нередко удерживаются в  нем, поскольку они необходимы для  синтеза структурных белков, ферментов  и других органических молекул, образующих структурные и функциональные компоненты живых тканей. Поэтому прохождение  азота, фосфора и серы через каждый трофический уровень несколько  замедленно по сравнению со средним  временем переноса энергии.

            При оценке влияния деятельности человека на биогеохимические циклы важны сравнительные объемы резервных фондов. Как правило, изменениям подвержены, в первую очередь, наиболее малообъемные и малоподвижные фонды.

            Некоторые круговороты, например, те, в которых участвуют углерод, азот или кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Но способность к саморегуляции даже при таком большом резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

            Человек уникален не только тем, что в своей деятельности он использует почти все имеющиеся в природе элементы, а также ряд новых, искусственно им созданных. Он так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность и складывается противоестественная ситуация: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ.

 

 

• Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое.

Получение ресурсов и переработка  отходов происходят в процессе круговорота  всех элементов.

            К числу наиболее важных и  распространенных биогенных элементов  относятся кислород, углерод, азот  и фосфор.

            Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере, одно из самых распространенных веществ в узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента.

            Главным источником молекулярного азота является атмосфера, откуда в почву, а потом в растительные организмы азот попадает лишь в результате превращения в усвояемое соединение - нитраты.

            Рассмотрим сначала процесс разложения  органических веществ в почве.  Различные микроорганизмы извлекают  азот из разлагающихся материалов  и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена  веществ. При этом оставшийся  азот высвобождается в виде  аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺).

            Затем, другие микроорганизмы  связывают этот азот, переводя  его обычно в форму нитратов.  Поступая в растения (в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова.

            Во время этого цикла возможны  как потери азота - когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), - так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

            Содержание азота распределяется так: в атмосфере, в океанах, незначительная его часть включается в состав живых организмов, в ткани растений и животных, а все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

            Биосфера, в общем, состоит из  двух сообщающихся резервуаров  с азотом - большого (атмосфера и океаны) и маленького (содержится в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, через который, в нормальных условиях азот из окружающей среды попадает в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

            Главный поставщик связанного  азота в природе – организмы-азотофиксаторы: бактерии (отдельные виды), сине-зеленые водоросли и грибы. Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: поле сначала засеивают бобовыми культурами, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые используют этот азот для себя.

            Некоторое количество азота переводится  в связанное состояние в результате  естественных природных процессов  (во время грозы). Электрический  разряд от вспышки молнии нагревает  атмосферу вокруг себя, и в  процессе реакции горения, азот  соединяется с кислородом до  образования различных оксидов  азота. 

            В ходе человеческой деятельности  тоже происходит связывание азота  и перенос его в биосферу: засевание  полей бобовыми культурами, при  сгорании ископаемого топлива  в электрогенераторах и в двигателях  внутреннего сгорания происходит  разогрев воздуха. 

            Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений.

           Основная масса азота почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота находится в прямой зависимости от содержания в почве органического вещества, и прежде всего гумуса.

            Накопление азота в почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало. Азот доступен растениям главным образом в форме ионов аммония и нитрат - ионов, которые образуются при разложении азотсодержащих органических веществ. Ион NH₄⁺ легко поглощается почвой с частичным переходом в необменное (фиксированное) состояние. Ион не поглощается почвой, а находится преимущественно в почвенном растворе и легко используется растениями.

 Немалая доля азота, попадая в океан, используется водными фотосинтезирующими организмами, попадает в цепи питания животных, возвращается на сушу с продуктами морского промысла, птицами.

            Если суммировав весь вклад  человека в круговорот азота,  то примерно столько же азота  связывается в природе естественным  образом. Таким образом, за  сравнительно короткий период  времени человек стал оказывать  существенное влияние на круговорот  азота в природе. 

            Каждая экосистема способна усвоить  определенное количество азота,  его присутствие  благоприятно для растений, но переизбыток неприятен для рек и озер.

При насыщении экосистемы азотом, он начнет вымываться в реки, что приведет к эвтрофикации (загрязнение водоемов водорослями).

            Эвтрофикация одна из, самых неприятных экологических проблем, связанных с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

 

 

• В глобальном биогеохимическом цикле азота ведущая роль принадлежит  массообмену между педосферой и атмосферой, поскольку протекающие в почвенном покрове процессы обеспечивают образование основных количеств доступных для растений форм азота.