Биогеохимические циклы в биосфере

19

Федеральное агентство по образованию РФ

Новосибирский Государственный Университет Экономики и Управления

Кафедра территориальной организации производительных сил и экономики природопользования

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ

Биогеохимические циклы в биосфере

                                                                                                 Выполнил:

      Студент гр. 9201:

                                                                                                    Кочура Д.Д

                                                                                                    Проверил:

                                                                                                   Рублёв М.Г.                                                

Новосибирск, 2010

Оглавление

Введение:

Основная Часть:

Решение экологических задач:

Заключение:

Список использованной литературы:

Введение:

Круговорот воды, а также круговорот биогенных элемен­тов, обусловленный синтезом и распадом органических ве­ществ в биосфере называют круговоротом веществ. Это мно­гократное участие веществ в процессах, протекающих в атмо­сфере, гидросфере и литосфере. Деятельность живых организ­мов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает кругово­рот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмо­сферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является целиком замкнутым. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов состав­ляет 90-98 %. Такая неполная замкнутость биогеохимических циклов в масштабах геологического времени приводит к диф­ференциации элементов и накоплению их в различных при­родных сферах Земли.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подверга­ются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно го­ворить только о ее направленном потоке. Передаваясь по тро­фическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в резуль­тате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обнов­ляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за 1 день. Полная смена вод в гид­росфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмо­сфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осад­ков и кору выветривания, протекают крайне медленно и ис­числяются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в край­не короткие сроки, искусственно интенсифицируют эти про­цессы, что чревато тяжелыми последствиями.)

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к обра­зованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систе­му, которая связывает и перераспределяет солнечную энер­гию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же фун­кции выполняет и Мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и не­живой природой обеспечивается механизм фиксации, накоп­ления и перераспределения космической энергии, поступаю­щей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей ис­тории человек стал звеном этого круговорота веществ и пото­ка энергии вместе с животным населением. Однако в настоя­щее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элемен­тов в биосфере. Например, в результате производства удобре­ний азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превы­шающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

■                регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процес­сы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

■                направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

■                постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообраз­ном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы.

Цель выполнения работы: систематизация и углубление знаний в области общей экологии и их применение при решении прикладных экологических задач.

Курсовая работа включает в себя следующие задачи:

- повышение уровня теоретической подготовки, более полное усвоение изучаемого материала и применение экологических знаний на практике;

- детальное изучение биогеохимических циклов;

-  рассмотрение циклов на конкретных примерах;

- решения экологических задач;

- формирование умения самостоятельно работать с литературой, понимать и правильно формулировать основные закономерности функционирования экосистем.  

Основная Часть:

В данном разделе будут рассмотрены круговорот основных веществ, а также биогеохимические циклы:

Часть 1:

Круговорот воды. Под влиянием энергии Солнца и жизне­деятельности биоценозов в биосфере поддерживается опреде­ленный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот ба­ланс, хорошо известен - это круговорот воды. Мировой баланс воды - величина довольно стабильная. Для существо­вания жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важной частью в этом балансе являются пресные воды, кото­рые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах.

Интересно, что объем первоначальных запасов воды на Земле практически не изменился. Сколько бы раз вода ни употреблялась человеком для своих нужд, общее количество ее на Земле не уменьшается. Благодаря «водяному колесу приро­ды» - круговороту - водные молекулы постоянно циркулиру­ют между океаном, атмосферой и земной поверхностью. В ре­зультате этого гидросфера стала планетарной транспортной системой, а также планетарным аккумулятором органического, неорганического вещества и различных химических элементов.

До появления биосферы круговорот воды в природе осу­ществлялся только за счет испарения поверхностных вод водо­емов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: ма­лый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над оке­аном, и большой когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхност­ного и речного стоков. За счет притока солнечной энергии во­да испаряется с поверхности морей и океанов, а также суши. Атмосферные осадки, выпавшие на суше, частью просачивают­ся в почву и образуют подземный сток, частью стекают по зем­ной поверхности, образуя ручьи и реки, а в остальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологического испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов она снова достигает океана, завершая большой круговорот воды на земном шаре.

В среднем в год с поверхности всех водоемов испаряется порядка 519 тыс. км3 воды в год. Более 90 % ее возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет ко­личества испаренной с его поверхности воды, поэтому в Гиб­ралтаре течение направлено всегда из Атлантики.

Современный круговорот воды происходит с участием био­сферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверх­ности водоемов, почвой, растениями, животными, конденси­руется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и снова возвращается в Мировой океан уже как продукт жизнедея­тельности, часть воды используется машинами, механизмами и промышленностью и возвращается в биосферу в виде пара и отработанной технической воды (рис. 2.2).

Сравнение схем двух круговоротов воды показывает, на­сколько усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация, т.е. дыхание растений, вносит очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы по­верхности леса испаряется значительно больше воды, чем с та­кой же поверхности моря. Подсчитано, что с 1 га березового леса ежедневно испаряется 47 тыс. л воды, а с 1 га елового леса - око­ло 43 тыс. л. Исследования ученых показали, что сток небольших лесных районов на 50-95 % больше, чем сток открытых безлес­ных районов. Именно поэтому запрещается вырубать леса в так называемой водоохранной зоне - вдоль малых и крупных рек.

Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимических процессах. Промывая толщи горных пород,

она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные соли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией воды в биосфере растворенные в ней элементы так­же участвуют в круговороте. Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Минерализация может сос­тавлять от миллиграммов до почти 600 г/дм3. Пресными называ­ют воды с минерализацией до 1 г/дм3.

Важнейшую роль в биосфере играют биогеохимические круго­вороты таких элементов, как углерод, кислород, азот, фосфор, сера.

Резюме: В данной части рассмотрен круговорот воды до появления биосферы и после появления биосферы, да к тому же под влиянием человека. При сравнение двух этих круговоротов можно увидеть насколько усложнился современный круговорот.

Часть 2:

Круговорот углерода. Углерод по распространению на Земле занимает-16-е место среди всех элементов. В наиболее общем виде круговорот углерода можно представить как про­цесс освобождения и связывания диоксида углерода (С02), включая его растворение в воде океанов (рис. 2.3).

В.И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преоб­ладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры». С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. В атмосфере его содержится 0,046 % в форме угле­кислого газа и 0,00012 % в форме метана; в земной коре - 0,35 % и в живом веществе - около 18 %. Он вовлекается в цепь не­прерывных реакций и биогеохимических круговоротов, сое­диняясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных фак­торов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тон­ком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассах. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах главным образом в форме карбонатов (СаСОэ) и гид­рокарбонатов (Са(НС03))2, представляющих собой раствори­мые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Зем­ли. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В несвязанном состоянии углерод встречается в виде алма­зов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Брази­лии) и графита (наибольшие месторождения в Германии, Шри-Ланке и России). Каменный уголь содержит до 90 % уг­лерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например в кальцит и доломит, а также в состав всех биологических ве­ществ.

Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составля­ет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содер­жание С02 в атмосфере нестабильно (менее 1 %), и подверже­но сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным воздействием. Если 100 лет назад содержание углекислого газа составляло при­мерно 270 частей на 1 млн, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на 1 млн.