4.2: Біогеохімічні цикли і потік енергії в земній системі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28820

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Прочитавши цей модуль, студенти повинні мати можливість

пояснити поняття біогеохімічного циклу, що включає терміни «басейн» і «флюс»
опишіть природні цикли вуглецю, води та азоту
назвіть деякі важливі способи людської діяльності порушує ці цикли

Вступ

Якщо люди хочуть жити стабільно, їм потрібно буде зрозуміти процеси, які контролюють доступність та стабільність екосистемних послуг, від яких залежить їх добробут. Головним серед цих процесів є біогеохімічні цикли, які описують, як хімічні елементи (наприклад, азот, вуглець) або молекули (наприклад, вода) перетворюються і зберігаються як фізичними, так і біологічними компонентами системи Землі. Зберігання відбувається в басейні, які є кількістю матеріалу, які мають певну загальну характеристику і мають відносно рівномірний характер, наприклад, басейн вуглецю, виявлений у вигляді вуглекислого газу (CO ₂) в атмосфері. Перетворення або потоки матеріалів з одного басейну в інший в циклі описуються як потоки, наприклад, рух води з грунту в атмосферу, що виникає в результаті випаровування, є потоком. Фізичними компонентами земної системи є такі неживі фактори, як гірські породи, мінерали, вода, клімат, повітря та енергія. Біологічні компоненти земної системи включають всі живі організми, наприклад рослини, тварини та мікроби. Як фізичні, так і біологічні компоненти земної системи змінювалися протягом геологічного часу. Деякі знакові зміни включають колонізацію землі рослинами (~ 400 мільйонів років тому), еволюцію ссавців (~200 мільйонів років тому), еволюцію сучасних людей (~200 тисяч років тому) та кінець останнього льодовикового періоду (~ 10 тисяч років тому). Земна система і її біогеохімічні цикли були відносно стабільними з кінця останнього льодовикового періоду до промислової революції вісімнадцятого і дев'ятнадцятого століть, ініціювала значний і постійний підйом людського населення і активності. Сьогодні антропогенна (людська) діяльність змінює всі основні екосистеми та біогеохімічні цикли, якими вони керують. Багато хімічних елементів і молекул мають вирішальне значення для життя на землі, але біогеохімічна циклічність вуглецю, води та азоту є найбільш критичними для добробуту людини та природного світу.

Природний вуглецевий цикл

Велика частина вуглецю на Землі зберігається в осадових породах і не відіграє значної ролі в вуглецевому циклі за часовими шкалами від десятиліть до століть. Атмосферний басейн CO ₂ менший [містить 800 ГТК (гігатонни вуглецю) = 800 000 000 000 тонн], але дуже важливий, оскільки це парниковий газ. Сонце випромінює короткохвильове випромінювання, яке проходить через атмосферу, поглинається Землею і повторно випромінюється у вигляді довгохвильового випромінювання. Парникові гази в атмосфері поглинають це довгохвильове випромінювання, змушуючи їх і атмосферу нагріватися. Утримання тепла в атмосфері збільшує і стабілізує середню температуру, роблячи Землю придатною для життя. Більше чверті атмосферного басейну СО ₂ поглинається щороку в процесі фотосинтезу комбінацією рослин на суші (120 гТК) і в морі (90 ГТК). Фотосинтез - це процес, в якому рослини використовують енергію сонячного світла для об'єднання CO ₂ з атмосфери з водою для отримання цукрів, і, в свою чергу, побудувати біомасу. Майже стільки ж вуглецю зберігається в наземній рослинній біомасі (550 ГТК), як і в атмосферному басейні СО ₂. На суші біомаса, яка була включена в ґрунт, утворює відносно великий басейн (2300 GTC). У морі фітопланктон, який виконує фотосинтез, занурюється після того, як вони гинуть, транспортуючи органічний вуглець до більш глибоких шарів, які потім або зберігаються в океанічних відкладах, або розкладаються на дуже великий розчинений неорганічний вуглецевий басейн (37 000 GtC). Рослини називають первинними виробниками, оскільки вони є основною точкою входу вуглецю в біосферу. Іншими словами, практично всі тварини і мікроби залежать або прямо, або опосередковано від рослин як джерела вуглецю для енергії і зростання. Всі організми, включаючи рослини, виділяють СО ₂ в атмосферу як побічний продукт вироблення енергії та синтезу біомаси через процес дихання. Природний вуглецевий цикл збалансований як на суші, так і на морі, при диханні рослин і мікробному диханні (значна його частина пов'язана з розкладанням або гниттям мертвих організмів), що виділяє таку ж кількість СО ₂, як видаляється з атмосфери за допомогою фотосинтезу.

Знімок екрана 2019-04-10 о 9.38.11 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Вуглецевий цикл. Це ілюструє цикл вуглецю на, вище і нижче поверхні Землі. *Джерело:* *Програма геномної науки Міністерства енергетики США*.

Взаємодія людини з вуглецевим циклом

Глобальний вуглецевий цикл суттєво сприяє забезпеченню екосистемних послуг, від яких залежить людина. Ми збираємо приблизно 25% всієї рослинної біомаси, яка щороку виробляється на поверхні землі, щоб постачати їжу, паливну деревину та клітковину з пасовищ, пасовищ та лісів. Крім того, глобальний вуглецевий цикл відіграє ключову роль у регулюванні екосистемних послуг, оскільки він значно впливає на клімат через вплив на атмосферні концентрації CO ₂. Атмосферна концентрація CO ₂ зросла з 280 частин на мільйон (ppm) до 390 ppm між початком промислової революції в кінці ХVІІІ ст. Це відбило новий потік у глобальному циклі вуглецю - антропогенний викид вуглецю - коли люди виділяють CO ₂ в атмосферу шляхом спалювання викопного палива та зміни землекористування. Спалювання викопного палива забирає вуглець із запасів вугілля, газу та нафти, де він інакше зберігатиметься на дуже тривалих масштабах часу, і вводить його в цикл активного вуглецю. Зміна землекористування вивільняє вуглець з ґрунту та басейнів біомаси рослин в атмосферу, особливо через процес вирубки лісів для видобутку деревини або перетворення землі в сільське господарство. У 2009 році додатковий потік вуглецю в атмосферу з антропогенних джерел оцінювався як 9 GTC - значне порушення природного вуглецевого циклу, який був в балансі протягом декількох тисяч років тому. Трохи більше половини цього антропогенного CO ₂ в даний час поглинається більшим фотосинтезом рослинами на суші та в морі (5 GtC). Однак це означає, що 4 GtC додаються до атмосферного басейну щороку, і, хоча загальні викиди збільшуються, частка, поглинута фотосинтезом та зберігається на суші та в океанах, зменшується (Le Quere et al., 2009). Підвищення концентрації CO ₂ в атмосфері в ХХ столітті спричинило підвищення температури і почало змінювати інші аспекти глобального середовища. Глобальні екологічні зміни вже спричинили відчутне зниження світового врожаю окремих культур. За прогнозами, масштаби та діапазон впливів глобальних екологічних змін природних та сільськогосподарських екосистем зростуть протягом двадцять першого століття, і це буде серйозним викликом для добробуту людини.

Природний водний цикл

Переважна більшість води на Землі солона (солона) і зберігається в океанах. Тим часом більша частина світової прісної води знаходиться у вигляді льоду, снігу та підземних вод. Це означає, що значна частка водного басейну значною мірою ізольована від кругообігу води. Основні довгострокові запаси прісної води включають крижані покриви в Антарктиді та Гренландії, а також басейни підземних вод, які були заповнені в більш вологі періоди минулої геологічної історії. Навпаки, вода, що зберігається в річках, озерах та поверхні океану, відносно швидко циклічна, коли вона випаровується в атмосферу, а потім падає назад на поверхню як опади. Атмосферний басейн води перевертається найшвидше, оскільки він невеликий порівняно з іншими басейнами (наприклад, < 15% басейну з прісноводним озером). Випаровування - це процес, за допомогою якого вода перетворюється з рідини в пару в результаті поглинання енергії (як правило, від сонячного випромінювання). Випаровування з рослинної землі називають випаровуванням, оскільки воно включає воду, що надходить рослинами, тобто воду, що забирається з ґрунту корінням, транспортується до листя і випаровується з поверхонь листя в атмосферу через устьинні пори. Опади - це перетворення атмосферної води з пари в рідкі (дощ) або тверді форми (сніг, град), які потім падають на поверхню Землі. Частина води з опадів переміщається по поверхні землі поверхневим стоком і потоком, а інша вода з опадів проникає в грунт і рухається нижче поверхні у міру скидання грунтових вод. Водяна пара в атмосфері зазвичай віддаляється від джерела випаровування вітром і рухом повітряних мас. Отже, більшість води, що падають у вигляді опадів, надходить з джерела випаровування, який знаходиться над вітром. Проте місцеві джерела випаровування можуть вносити аж 25-33% води в опадах.

Знімок екрана 2019-04-10 в 9.40.29 AM.png — \(\PageIndex{2}\)Малюнок Кругообіг води. Цей малюнок ілюструє кругообіг води на, вище і нижче поверхні Землі. *Джерело: Міністерство внутрішніх справ США та Геологічна служба США,* *Цикл води*.

Взаємодія людини з кругообігом води

Запас прісної води є однією з найважливіших екосистемних послуг, від яких залежить добробут людини. До 2000 року темпи видобутку нашої води з річок і водоносних горизонтів зросли майже до 4000 кубічних кілометрів на рік. Найбільше використання цієї води для зрошення в сільському господарстві, але значна кількість води також видобувається для державного та муніципального використання, а також для промислового застосування та виробництва електроенергії. Інші основні втручання людини у водний кругообіг включають зміни в земному покриві та розвиток інфраструктури річкових мереж. Оскільки ми маємо вирубки лісів для постачання деревини та розвитку сільського господарства, ми зменшили кількість рослинності, яка природним чином діє для затримки опадів у міру їх падіння та уповільнення швидкості проникнення в землю. Як наслідок, збільшився поверхневий стік. Це, в свою чергу, означає, що піки повені більші, а ерозія збільшується. Ерозія знижує якість ґрунту та відкладає осад у річкових каналах, де може блокувати судноплавство і завдати шкоди водним рослинам і тваринам. Там, де сільськогосподарські землі також осушуються, ці ефекти можуть бути збільшені. Урбанізація також прискорює потік потоку, запобігаючи фільтрації опадів в грунт і шунтуючи його в дренажні системи. До річкових мереж була додана додаткова фізична інфраструктура з метою зміни обсягу, часу та напрямку водних потоків для користі людини. Це досягається за допомогою водойм, водозливів та відвідних каналів. Наприклад, стільки води видаляється або перенаправляється з річки Колорадо на заході США, що, незважаючи на значні розміри, через деякі роки вона суха, перш ніж дістатися до моря в Мексиці. Ми також експлуатуємо водні шляхи шляхом їх використання для навігації, відпочинку, виробництва гідроелектроенергії та утилізації відходів. Ці заходи, особливо утилізація відходів, не обов'язково передбачають видалення води, але впливають на якість води та потік води, що має негативні наслідки для фізичних та біологічних властивостей водних екосистем.

Водний цикл є ключовим для екосистемної служби регулювання клімату, а також є важливою допоміжною послугою, яка впливає на функцію всіх екосистем. Розглянемо поширений вплив на різноманітні природні та людські системи, коли трапляються великі посухи або повені. Отже, порушення людського циклу природної води мають багато небажаних наслідків і кидають виклик сталому розвитку. Є дві основні проблеми. По-перше, необхідність збалансувати зростаючий попит людини з необхідністю зробити наше водокористування стійким шляхом скасування шкоди екосистемі від надлишкового видалення та забруднення води. Традиційно значний акцент робився на пошуку та доступі більшого постачання, але негативний вплив цього підходу на навколишнє середовище зараз оцінюється, і підвищення ефективності використання води зараз є головною метою. По-друге, існує потреба в безпечному водопостачанні в багатьох частинях світу, що залежить від зменшення забруднення води та поліпшення водоочисних споруд.

Природний цикл азоту

Переважна більшість азоту на Землі утримується в гірських породах і відіграє незначну роль в циклі азоту. Другий за величиною басейн азоту знаходиться в атмосфері. Більшість атмосферного азоту знаходиться у вигляді газу N ₂, і більшість організмів не мають доступу до нього. Це важливо, оскільки азот є важливим компонентом усіх клітин, наприклад, у протеїні, РНК та ДНК, а доступність азоту часто обмежує продуктивність сільськогосподарських культур та природну рослинність. Атмосферний азот доступний рослинам двома способами. Певні мікроби здатні до фіксації біологічного нітровання, внаслідок чого N ₂ перетворюється в амоній, форму азоту, до якого можуть отримати доступ рослини. Багато з цих мікробів сформували симбіотичні відносини з рослинами - вони живуть в рослинній тканині і використовують вуглець, що постачається рослиною, як джерело енергії, а натомість вони поділяють аміак, вироблений шляхом фіксації азоту. Відомі приклади рослин, які роблять це, - горох і квасоля. Деякі мікроби, що мешкають в грунті, також здатні до фіксації азоту, але багато зустрічаються в зоні, дуже близькій до коренів, де з рослини виділяються значні джерела вуглецю. Разом ці біологічні процеси фіксації азоту на суші, в поєднанні з іншими, які відбуваються в морі, генерують щорічний потік з атмосфери приблизно 200 млн тонн (мегатонни азоту або 200 000 000 тонн азоту). Блискавка змушує азот і кисень в атмосфері реагувати і виробляти оксиди азоту, які потрапляють або вимиваються з атмосфери дощем і в грунт, але потік ІС набагато менший (максимум 30 мТн на рік), ніж біологічна фіксація азоту.

Хоча надходження азоту з атмосфери в біосферу є важливими, більшість (90%) азоту, що використовується рослинами для росту щороку, надходить від амонізації органічного матеріалу. Органічний матеріал - це речовина, яка походить від колись живих організмів. Амоніфікація (або мінералізація) - це виділення аміаку розкладачами (бактеріями і грибами) при їх розщепленні складних сполук азоту в органічному матеріалі. Рослини здатні поглинати (засвоювати) цей аміак, а також нітрати, які стають доступними шляхом бактеріальної нітрифікації. Цикл включення азоту в тканини зростаючих рослин і виділення азоту бактеріями з розкладаються тканин рослин є домінуючою особливістю циклу азоту і відбувається дуже ефективно. Азот може бути втрачений з системи трьома основними способами. По-перше, денітрифікуючі бактерії перетворюють нітрати в закис азоту або гази N ₂, які виділяються назад в атмосферу. Денітрифікація відбувається, коли бактерії ростуть в умовах, виснажених киснем, і тому сприяє вологі та заболочені ґрунти. Показники денітрифікації майже відповідають біологічним показникам фіксації азоту, причому водно-болотні угіддя роблять найбільший внесок. По-друге, нітрати вимиваються з грунту в дренажних водах (вилуговування) і в річки і океан. По-третє, азот також циклічно повертається назад в атмосферу, коли органічний матеріал згорає.

Знімок екрана 2019-04-10 в 9.41.14 AM.png — Малюнок ілюструє цикл азоту на, вище і нижче поверхні Землі. *Джерело: Електронна* *книга з основ фізичної географії*.

Взаємодія людини з циклом азоту

Люди в першу чергу залежать від циклу азоту як допоміжного екосистемного сервісу для врожайності та лісів. Азотні добрива додають для посилення росту багатьох культур і насаджень. Посилене використання добрив у сільському господарстві було ключовою особливістю зеленої революції, яка підвищила світову врожайність сільськогосподарських культур у 1970-х роках. Промислове виробництво багатих азотом добрив значно збільшилося з плином часу і тепер відповідає більше половини надходжень на землю від біологічної азотфіксації (90 млн тонн щороку). Якщо включена азотфіксація від зернобобових культур (наприклад, квасолі, люцерни), то антропогенний потік азоту з атмосфери в землю перевищує природні потоки в землю. Як описано вище, більшість екосистем природним чином зберігають і переробляють майже весь свій азот. Відносно мало азоту, який отримується або втрачається потоками в атмосферу та кругообіг води, також майже збалансований. Коли люди роблять великі доповнення азоту до екосистем, часто призводить до витоку, з негативними екологічними наслідками. Коли кількість нітратів у ґрунті перевищує поглинання рослин, надлишок нітрату або вилуговується у дренажній воді до потоків, річок та океану, або денітрифікується бактеріями та втрачається в атмосферу. Одним з основних газів, що утворюються денітрифікуючими бактеріями (закис азоту), є важливим парниковим газом, який сприяє глобальному потеплінню, спричиненому людиною. Інші гази, що виділяються в атмосферу шляхом денітрифікуючих бактерій, а також аміак, що виділяється з худоби та мулу стічних вод, пізніше відкладаються з атмосфери на екосистеми. Додатковий азот від цього осадження разом з вимиванням азоту у водні шляхи викликає евтрофікацію. Евтрофікація відбувається, коли ріст рослин, а потім гниття прискорюється незвично високим запасом азоту, і це має ударні ефекти, включаючи наступне: деякі види рослин поза конкуруючими іншими видами, що призводить до втрати біорізноманіття та зміненої функції екосистеми; водорості цвітуть, які блокують світло і Тому вбивають водні рослини в річках, озерах та морях; виснаження запасів кисню у воді, спричинене швидким мікробним розкладанням наприкінці цвітіння водоростей, що вбиває багато водних організмів. Надлишок нітратів у водопостачанні також був пов'язаний з проблемами здоров'я людини. Зусилля щодо зменшення забруднення азотом зосереджені на підвищенні ефективності використання синтетичних добрив, зміні годівлі тварин для зменшення вмісту азоту в їх екскрементах та кращій переробці відходів тваринництва та мулу стічних вод для зменшення викиду аміаку. У той же час збільшення попиту на виробництво продуктів харчування з боку зростаючого населення світу з більшим апетитом до м'яса сприяє більшому загальному використанню добрив, тому немає гарантії, що кращі практики призведуть до зменшення загальної кількості забруднення азотом.

Переглянути питання

У річках по всьому світу зберігається приблизно 2000 кубічних кілометрів води. Використовуючи терміни кругообігу води, потоку та басейну, опишіть, за яких умов видалення 1000 кубічних кілометрів на рік з річок для використання людиною може бути стійким.
Щороку близько чверті вуглекислого газу, що міститься в атмосфері, перетворюється на рослинну речовину за допомогою фотосинтезу. Чи означає це, що за відсутності людської діяльності весь вуглекислий газ буде видалений з атмосфери приблизно через чотири роки? Поясніть свою відповідь.
Цикли води, вуглецю та азоту впливають на діяльність людини. Чи можете ви описати людську діяльність, яка впливає на всі три цикли? У вашому прикладі, який з циклів найбільш суттєво змінений?

Посилання

Ле Кер, К., Раупах, М.Р., Канаделл, Дж., Марланд, Г., Бопп, Л., Сіайс, П., та ін. (2009, грудень). Тенденції в джерелах і потоках вуглекислого газу. Природні науки про Землю, 2, 831-836. Код: 10.1038/ngeo689

Оцінка екосистеми тисячоліття (2005). Екосистеми та добробут людини: синтез. Вашингтон, округ Колумбія. Отримано з www.maweb.org/uk/reports.aspx

Глосарій

амоніфікація: Виділення аміаку розкладамипри їх розщепленні складних сполук азоту в органічному матеріалі.

антропогенні викиди CO ₂: Людський викид CO ₂ в атмосферу шляхом спалювання викопного палива та зміни землекористування.

засвоєння: Придбання та включення поживних речовин або ресурсів рослинами, наприклад азоту або вуглецю.

біогеохімічні цикли: Концепція, що описує, як хімічні елементи (наприклад, азот, вуглець) або молекули (наприклад, вода) перетворюються і зберігаються як фізичними, так і біологічними компонентами системи Землі.

біологічні компоненти земної системи: Всі живі організми, включаючи рослини, тварини і мікроби.

біологічна фіксація азоту: Де мікроби перетворюють газ N ₂ в атмосфері в амоній, який може поглинатися рослинами.

розкладачі: Бактерії і грибки, які розщеплюють гниючий органічний матеріал, виділяючи в процесі складові елементи.

денітрифікуючі бактерії: Мікроби, які перетворюють нітрати в закис азоту або гази N ₂, які виділяються назад в атмосферу.

евтрофікація: Прискорений ріст рослин і гниття, викликані забрудненням азотом.

випаровування: Процес, за допомогою якого вода перетворюється з рідини в пару, в результаті поглинання енергії (як правило, від сонячного випромінювання).

випаровування: Випаровування з рослинної землі, що включає воду, отриману рослинами, а також випаровування з відкритої води та ґрунтів.

флюси: Перетворення або потік матеріалів з одного басейну в інший в біогеохімічному циклі.

парникові гази: Гази в атмосфері Землі, які поглинають довгохвильове випромінювання і зберігають тепло.

скидання підземних вод: Потік води знизу в річки, озера або океан.

інфільтрації: Витік води з поверхні землі в ґрунти і гірські породи.

зміна землекористування: Людські зміни у використанні земель, наприклад, вирубка лісів або урбанізація.

вилуговування: Втрата нітратів з ґрунту в дренажних водах

нітрифікація: Перетворення аміаку в нітрати мікробами.

фотосинтез: Процес, в якому рослини використовують енергію сонячного світла для об'єднання CO ₂ з атмосфери з водою для отримання цукрів, і, в свою чергу, побудувати біомасу.

фізичні компоненти земної системи: Неживі фактори, такі як гірські породи, мінерали, вода, клімат, повітря та енергія.

басейни: Кількість матеріалу в біогеохімічних циклах, які мають певну загальну характеристику і мають відносно рівномірний характер.

опади: Перетворення атмосферної води з пари в рідкі (дощ) або тверді форми (сніг, град), які потім падають на поверхню Землі.

первинні виробники: Основна точка входу вуглецю в біосферу - майже у всіх суші та водних екосистемах рослини виконують цю роль завдяки фотосинтезу.

дихання: Метаболічний процес у всіх організмах, який генерує енергію та синтезує біомасу, виділяючи CO ₂ як побічний продукт.

потік потоку: Потік води в потоках.

поверхневий стік: Потік води над поверхнею суші.