У глобальному масштабі біохімічні кругообіги води та Вуглекислий газмають, з погляду, найважливіше значення для людства. Для біохімічних кругообігів характерна наявність у атмосфері невеликих, але рухливих фондів.

Атмосферний фонд СО 2 у кругообігу, порівняно із запасами вуглецю в океанах, викопному паливі та інших резервуарах земної коривідносно невеликий.

З настанням науково-технічного прогресу збалансовані насамперед потоки вуглецю між атмосферою, материками та океанами починають надходити в атмосферу в кількості, яка не повністю може зв'язатися рослинами.

Існують різні оцінки впливу діяльності чоловічка на збагачення атмосфери CO 2 проте всі автори сходяться на думці, що основними накопичувачами вуглецю є ліси, тому що в біомасі лісів міститься в 1,5 рази, а в гумусі, що міститься у ґрунті, – у 4 рази більше СО 2 ніж у атмосфері.

Для більшості рослин характерно збільшення інтенсивності фотосинтезу при підвищеному вмісті діоксиду вуглецю в повітрі.

Фотосинтезуючий зелений поясЗемлі та карбонатна система моря підтримують постійний рівень СО 2 в атмосфері. Однак стрімке збільшення споживання горючих копалин, а також зменшення поглинальної здатності "зеленого пояса" призводять до того, що вміст CO 2 в атмосфері поступово зростає. Припускають, що якщо рівень СО 2 в атмосфері буде перевищено вдвічі (до початку активного впливу людини на навколишнє середовище вона становила 0,29%), то не виключено підвищення глобальної температури на 1,5 - 4,5 ° С. Це може призвести до танення льодовиків і як наслідок - Підвищення рівня Світового океану, а також до несприятливих наслідків у сільському господарстві.

Крім СО 2 в атмосфері в невеликих кількостях присутні оксид вуглецю СО - 0,1 частини мільйон і метан СН 4 - 1,6 частини на мільйон. Ці вуглецеві сполуки активно включені в кругообіг і тому мають невеликий час перебування в атмосфері: - близько 0,1 року, СН 4 - 3,6 року, а СО 2 - 4 роки. Оксид вуглецю та метан утворюються при неповному або аеробному розкладанні органічної речовини та в атмосфері окислюються до СО 2 .

Накопичення СО у глобальному масштабі не є реальним, але в містах, де повітря застоюється, має місце підвищення концентрації цієї сполуки, що негативно впливає на здоров'я людей.

Метан утворюється при розкладанні органічної речовини в болотистих місцевостях та мілководних морях. На думку вчених, метан виконує корисну функцію- він підтримує стабільність озонового шару, який оберігає все живе Землі від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.

Фонд води в атмосфері, як показано на малюнку 11, невеликий, і швидкість її обороту вище, а час перебування менше CO 2 . Як і на кругообіг CO 2 , діяльність людини впливає на кругообіг води.

З енергетичної точки зору можна виділити дві частини круговороту СО 2: "верхню", що наводиться в рух Сонцем, і "нижню", в якій виділяється енергія. Як зазначалося, близько 30 % всієї енергії Сонця, що надходить на поверхню Землі, витрачається на рух круговороту води.

В екологічному плані особливу увагу слід звернути на два аспекти кругообігу води. По-перше, море за рахунок випаровування втрачає більше води, ніж одержує з опадами, тобто значна частина опадів, що підтримують екосистеми суші, у тому числі й агроекосистеми, складається з води, що випарувалася з поверхні моря. По-друге, внаслідок діяльності людини зростає поверхневий стік та скорочується поповнення фонду. ґрунтових вод. Вже зараз є території, на яких використовуються ґрунтові води, що накопичилися у попередньому столітті. Отже, у разі вода - невідновний ресурс. Після виснаження ґрунтових вод її доставлятимуть з інших територій, що вимагатиме вкладення додаткової кількості енергії.

Роль води в процесах, що відбуваються в біосфері, величезна. Без води неможливий обмін речовин у живих організмах. З появою життя Землі кругообіг води став щодо складним, оскільки до простого явища фізіологічного випаровування додався більш складний процес біологічного випаровування (транспірація), що з життєдіяльністю рослин і тварин.

Коротко кругообіг води в природі можна описати наступним чином. Вода надходить на поверхню Землі у вигляді опадів, які утворюються головним чином з водяної пари, що потрапляє в атмосферу в результаті фізичного випаровування та випаровування води рослинами. Одна частина цієї води випаровується прямо з поверхні водних об'єктів або опосередковано, за допомогою рослин і тварин, а інша живить підземні води (рисунок 1.13).

Характер випаровування залежить від багатьох факторів. Так, з одиниці площі лісової місцевості випаровується значно більше води, ніж із поверхні водного об'єкта. Зі зменшенням рослинного покриву зменшується і транспірація, а отже, і кількість опадів.

Потік води в гідрологічному циклі визначається випаровуванням, а чи не опадами. Здатність атмосфери утримувати водяну пару обмежена. Збільшення швидкості випаровування веде до збільшення опадів. Вода, що міститься у повітрі у вигляді пари у будь-який момент, відповідає в середньому шару товщиною 2,5 см, рівномірно розподіленому по поверхні Землі. Кількість опадів, що випадають на рік, становить у середньому 65 см. Отже, водяні пари атмосферного фронту щорічно здійснюють кругообіг приблизно 25 разів (раз на два тижні).

Вміст води в водних об'єктахі ґрунті в сотні разів більше, ніж в атмосфері, проте він протікає через два перші фонди з однаковою швидкістю. Середній час перенесення води в її рідкій фазі на поверхні Землі близько 3650 років, у 10000 разів більше, ніж час її перенесення в атмосфері. Людина в процесі господарської діяльності сильно впливає на основу гідрологічного циклу - випаровування води.

Забруднення водних об'єктів і насамперед морів та океанів нафтопродуктами різко погіршує процес фізичного випаровування, а зменшення площі лісів – транспірацію. Це не може не вплинути на характер кругообігу води в природі.

Малюнок 1.13- Кругообіг води

Глобальні кругообіги життєво важливих біогенних елементів розпадаються в біосфері на безліч дрібних кругообігів, приурочених до локальних місць проживання різних біологічних співтовариств. Вони можуть бути більш менш складними і в різній мірі чутливими до різного роду зовнішнім впливу. Але природа розпорядилася так, що у природних умовах ці біохімічні круговороти є «зразковими безвідходними технологіями». Циклічність охоплює 98-99% біогенних елементів і лише 1-2% йде навіть у відходи, а геологічний запас (рисунок 1.14).

1.8 Основи стійкості біосфери

Стійкість екосистем та їх сукупності біосфери залежить від багатьох факторів (рисунок 1.15), суть найбільш важливих їх у наступному:

Малюнок 1.15- Фактори стійкості біосфери

1. Біосфера використовує зовнішні джерелаенергії: сонячну енергію та енергію розігріву земних надр для упорядкування її організації, ефективного використання вільної енергії, не викликаючи забруднення довкілля. Постійне використання певної кількості енергії та її розсіювання у вигляді тепла створило еволюційно сформований тепловий баланс у біосфері.

Для біоценозів характерним є закон (принцип) «енергетичної провідності»: наскрізний потік енергії, проходячи через трофічні рівні біоценозу, постійно гаситься.

У 1942 р. Р. Ліндеман сформулював закон піраміди енергії або закон (правило) 10%, згідно з яким з одного трофічного рівня екологічної пірамідипереходить на інший більш високий її рівень («по сходах» продуцент – консумент – редуцент) в середньому близько 10% енергії, що надійшла на попередній рівень екологічної піраміди.

2. Біосфера використовує речовини (переважно легкі біогенні елементи) переважно у формі кругообігів. Біогеохімічні цикли елементів відпрацьовані еволюційно і призводять до накопичення відходів.

3. У біосфері існує величезне різноманіття видів та біологічних угруповань. Конкурентні та хижацькі відносини між видами сприяють встановленню між ними рівноваги. При цьому практично відсутні домінуючі види із надмірною чисельністю, що забезпечує захист біосфери від сильної небезпеки з боку внутрішніх факторів.

Видове розмаїття - це фактор підвищення стійкості екосистем до впливу зовнішніх факторів. Генофонд дикої природи- безцінний дар, можливості якого поки що використані лише малою мірою.

4. Майже всі закономірності, характерні для живої речовини, мають адаптивне значення. Біосистеми змушені пристосовуватися до умов життя, що безперервно змінюються. У вічно змінюваному середовищі життя кожен вид організму адаптований по-своєму. Це виражається правилом екологічної індивідуальності: двох ідентичних видів немає.

Екологічна специфічність видів підкреслюється так званої аксіомою адаптованості: кожен вид адаптований до строго певної специфічної йому сукупності умов існування - екологічної ніші.

5. Саморегуляція чи підтримання чисельності популяції залежить від сукупності абіотичних і біотичних чинників. Кожна популяція взаємодіє з природою як цілісна система.

Правило популяційного максимуму: чисельність природних популяцій обмежена виснаженням харчових ресурсів та умов розмноження, недостатністю цих ресурсів та дуже коротким періодом прискорення зростання популяції.

Будь-яка популяція має строго певну генетичну, фенотичну, статево-вікову та іншу структуру. Вона може складатися з меншого числа індивідів, ніж це необхідно задля її стійкості до чинників довкілля.

Принцип мінімального розміру немає константа будь-яких видів, він суворо специфічний кожної популяції. Вихід межі мінімуму загрожує населенню смертю: вона не зможе самовідновитися.

Руйнування кожного з наведених факторів може призвести до зниження стійкості як окремих екосистем, так і біосфери в цілому.

Подібна інформація.

Тема № 5. Глобальні кругообіги основних біогенних речовин

Запитання:

Глобальний та місцевий кругообіг води.

Кругообіг вуглецю. Зміна балансу вуглекислого газу в часі: багаторічні тренди та сезонні коливання.

Кругообіг кисню.

Кругообіг азоту. Роль мікроорганізмів у підтримці круговороту азоту: амоніфікуючі бактерії, нітрифікуючі бактерії.

Кругообіг фосфору, його мала замкнутість. Фосфор як лімітуючий фактор.

Кругообіг сірки. Роль мікроорганізмів у підтримці кругообігу сірки. Забруднення водойм сірководнем.

Ціль:формування уявлень про транскордонне перенесення основних біогенних речовин (вода, вуглець, кисень, азот, сірка, фосфор).

1. Глобальний та місцевий кругообіг води

Сонячна енергія на Землі викликає два кругообігу речовин: великий, або геологічний, що найбільш яскраво виявляється в кругообігу води і циркуляції атмосфери, і малий, біологічний (біотичний), що розвивається на основі великого і перебуває в безперервному, циклічному, але нерівномірному в часі та просторі, і супроводжується більш менш значними втратами закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації.

Найзначніший за масами і за витратами енергії кругообіг на Землі – це планетарний гідрологічний цикл – кругообіг води.

У рідкому, твердому і пароподібному станах вода є у всіх трьох основних складових частинах біосфери: атмосфері, гідросфері, літосфері. Усі води об'єднуються загальним поняттям"гідросфери". Складові частини гідросфери пов'язані між собою постійним обміном та взаємодією. Вода, безперервно переходячи з одного стану в інший, робить малий і великий кругообіг. Випаровування води з поверхні океану, конденсація водяної пари в атмосфері та випадання опадів на поверхню океану утворює малий кругообіг. Коли водяна пара переноситься повітряними течіями на сушу, кругообіг стає значно складнішим. При цьому частина опадів випаровується і надходить назад в атмосферу, інша - живить річки та водоймища, але в результаті знову повертається в океан річковим та підземним стоками, завершуючи тим самим великий кругообіг.

Під біотичним (біологічним) кругообігом розуміється циркуляція речовин між ґрунтом, рослинами, тваринами та мікроорганізмами. За визначенням Н. П. Ремезова, Л. Є. Батьківщина та М. І. Базилевич, біотичний (біологічний) кругообіг – це надходження хімічних елементів з ґрунту, води та атмосфери в живі організми, перетворення в них елементів, що надходять, у нові складні сполуки та повернення їх назад у процесі життєдіяльності зі щорічним опадом частини органічної речовини або з повністю відмерлими організмами, що входять до складу екосистеми.

2. Кругообіг вуглецю. Зміна балансу вуглекислого газу в часі: багаторічні тренди та сезонні коливання

Міграція СО 2 у біосфері протікає двома шляхами.

Перший шлях полягає в поглинанні його в процесі фотосинтезу з утворенням глюкози та інших органічних речовин, з яких збудовано всі рослинні тканини. Надалі вони переносяться по харчових ланцюгах і утворюють тканини решти всіх живих істот екосистеми. Слід зауважити, що ймовірність окремо взятого вуглецю «побувати» протягом одного циклу у складі багатьох організмів мала, тому що при кожному переході з одного трофічного рівня на інший велика можливість, що його органічна молекула, що містить, буде розщеплена в процесі клітинного дихання для отримання енергії. Атоми вуглецю при цьому знову надходять у довкілля у складі вуглекислого газу, таким чином, завершивши один цикл і приготувавшись розпочати наступний. У межах суші, де є рослинність, вуглекислий газ атмосфери у процесі фотосинтезу поглинається у денний час. У нічний час частина його виділяється рослинами у зовнішнє середовище. З загибеллю рослин та тварин лежить на поверхні відбувається окислення органічних речовин із заснуванням СО 2 .

Атоми вуглецю повертаються в атмосферу та при спалюванні органічної речовини. Важлива і цікава особливість кругообігу вуглецю полягає в тому, що в далекі геологічні епохи, сотні мільйонів років тому, значна частина органічної речовини, створеної в процесах фотосинтезу, не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася в літосфері у вигляді викопного палива: нафти, вугілля, горючих сланців, торфу та інших. Це викопне паливо видобувається у величезних кількостях задля забезпечення енергетичних потреб нашого індустріального суспільства. Спалюючи його, ми у певному сенсі завершуємо кругообіг вуглецю.

По другому шляху міграція вуглецю здійснюється створенням карбонатної системи в різних водоймах, де 2 переходить в Н 2 3 , HCO 3 , CO 2 . За допомогою розчиненого у воді кальцію (або магнію) відбувається осадження карбонатів (СаСО 3) біогенним та абіогенним шляхами. Утворюються потужні товщі вапняків. За А. Б. Роновим, відношення похованого вуглецю в продуктах фотосинтезу до вуглецю в карбонатних породах становить 1:4. Існує поряд великим кругообігом вуглецю і ряд малих його кругообігів на поверхні суші та в океані.

Визначення
Кругообіги СО2 і води в глобальному масштабі є, ймовірно, найважливішими для людства біогеохімічними круговоротами. Для обох характерні невеликі, але рухливі фонди в атмосфері, високочутливі до порушень, які викликаються діяльністю людини і які можуть впливати на погоду та клімат. Зараз у всьому світі створено мережу вимірювальних станцій виявлення суттєвих змін у кругообігах СО2 і Н2О, яких у буквальному значенні слова залежить майбутнє людини Землі.
Пояснення
У кругообігу СО2 (рис. 4.9,.4) атмосферний фонд дуже невеликий порівняно із запасами вуглецю в океанах, у викопному паливі та інших резервуарах земної кори. Вважають, що до індустріальної ери потоки вуглецю між атмосферою, материками і океанами були збалансовані (суцільні лінії на рис. 4.9, А). Але за останні сто років вміст СО2 постійно зростає внаслідок нових антропогенних надходжень (штрихові лінії на рис. 4.9, А). Основним джерелом цих надходжень вважається спалювання горючих копалин, проте свій внесок роблять також розвиток сільського господарства та зведення лісів.
Може здатися дивним, що сільське господарствов кінцевому підсумку призводить до втрати СО2 з ґрунту (тобто вносить в атмосферу більше, ніж забирає звідти), але справа в тому, що фіксація СО2 сільськогосподарськими культурами (багато з яких активні лише частина року) не компенсує кількості СО2, що вивільняються з ґрунту, особливо в результаті частої оранки. Зведення лісу, зрозуміло, може звільнити вуглець, накопичений у деревині, якщо вона негайно спалюється. Знищення лісу, особливо при подальшому використанні цих земель для сільського господарства або будівництва міст, призводить до окислення гумусу в ґрунті.
Про «проблему С02» та вплив різних видівдіяльності на збагачення атмосфери цим поєднанням існує Замовлення № 1383

Мал. 4.9. А. Кругообіг двоокису вуглецю. Числа позначають вміст CO2 (у мільярдах тонн) в основних частинах біосфери та потоках між HIiMiT (при стрілках). (Дані зі звіту Ради з якості середовища США за 1981 р.) Б. Кругообіг води. Зміст H2O в основних частинах біосфери та в потоках між ними (при стрілках) зазначено в геограмах (1020) (Дані з Hutchinson, 1957.)

безліч різних точок зору. Згідно з однією крайньою точкою зору (Woodwell et a!, 1978), руйнування біотичних резервуарів дає стільки ж, скільки спалювання горючих копалин. Згідно з протилежною точкою зору (Broecker et al., 1979), перше зі згаданих джерел відіграє дуже незначну роль. Болін (Bolin, 1977) займає проміжну позицію. Всі,

однак, згодні в те, що ліси - важливі накопичувачі вуглецю, тому що в біомасі лісовий міститься в 1,5 рази, а в лісовому гумусі - в I рази більше вуглецю, ніж в атмосфері.
Швидке окислення гумусу і вивільнення газоподібної СО2, у нормі утримуваної грунтом, проявляється у інших, тонших і лише недавно виявлених ефектах. Серед них - вплив СОг на кругообіг інших елементів живлення. Наприклад, Нельсон (Nelson, 19()7), досліджуючи раковини двостулкових молюсків, показав, що в результаті зведення лісів та оранки земель зменшилася кількість деяких мікроелементів у ґрунтових водах. Він виявив, що раковини двостулкових молюсків з індіанських кухонних куп віком 1000-2000 дит містять на 50-100% більше марганцю і барію, ніж раковини сучасних молюсків. Методом виключення Нельсон дійшов висновку, що швидкість вимивання марганцю і барію з порід, що підстилають, зменшилася через зменшення потоку насиченої СО2 кислої води, що циркулює глибоко в грунті. Іншими словами, вода в даний час має тенденцію швидко стікати по поверхні ґрунту, а не фільтрується через гумусові шари. Еколог скаже, що сучасна зміна людиною ландшафту помітно вплинула на потік речовин із резервного фонду в обмінний. Якщо ми розуміємо те, що відбувається, і знаємо, як виправити становище, то такі зміни не обов'язково повинні бути руйнівними. Агрономи дійшли висновку, що в багатьох районах для підтримки врожайності зараз необхідно додавати до добрив слідові кількості деяких мінеральних елементів (мікроелементів), оскільки агроекосистеми не так добре, як природні, утримують ці елементи в обігу.
Згадаймо, як утворилася сучасна земна атмосфераз її низьким вмістом СО2 та дуже високим вмістом Ог. Еволюція атмосфери коротко розглянута у гол. 2, розд. 4, у зв'язку з гіпотезою Геї (див. також рис. 8.11). Коли понад 2 млрд. років тому на Землі з'явилося життя, атмосфера, подібно до сучасної атмосфери Юпітера, складалася з вулканічних газів (як сказав би геолог, атмосфера утворилася завдяки «дегазації земної кори»), В ній було багато СО2 і мало кисню (а бути може, його не було зовсім), і перші організми були анаеробними. Внаслідок того, що продукція (P) в середньому злегка перевершувала дихання (/?), за геологічне час в атмосфері накопичився кисень і зменшився вміст СО2. Нагромадженню кисню, як вважають, сприяли також геологічні та суто хімічні процеси, наприклад вивільнення О2 з оксидів заліза або утворення відновлених сполук азоту та розщеплення води ультрафіолетовим випромінюванням з виділенням кисню (Cloud, 1980). І низький вміст СО2 і високі концентрації О2 зараз служать лімітуючими факторами для фотосинтезу;
для більшості рослин характерно збільшення інтенсивності фотосинтезу, якщо в експерименті збільшується вміст СО2 або знижується вміст ПРО2. Таким чином, зелені рослини виявляються дуже чутливими регуляторами вмісту цих газів.
Фотосинтезуючий «зелений пояс» Землі та карбонатна система моря підтримують постійний рівень вмісту СО2 в атмосфері. Ho стрімко зростаюче споживання горючих копалин (уявіть, яка величезна кількість СО2 виділилося б, якщо була спалена хоча б половина величезного фонду горючих копалин, зазначеного на рис. 4.9, А) разом зі зменшенням поглинальної здатності «зеленого пояса» починає перевершувати можливості природного контролю, Отже зміст СО2 в атмосфері зараз поступово зростає. Згадайте, що найбільшим змінам піддаються потоки речовин на вході та на виході невеликих обмінних фондів. Вважають, що на початку промислової революції (приблизно 1800) в атмосфері Землі містилося близько 290 частин СО2 на мільйон (0,29%). У 1958 р., коли було вперше проведено точні виміри, зміст СО2 становило 315, а 1980 р. воно зросло до 335 частин мільйон. Якщо концентрація СО2 вдвічі перевищить доіндустріальний рівень, що може статися до середини майбутнього століття, ймовірно потепління клімату Землі; температура в середньому підвищиться на 1,5-4,5 °С, і це поряд із підйомом рівня моря (внаслідок танення полярних шапок) та зміною розподілу опадів може занапастити сільське господарство. Як було показано нещодавно (Gornitzetal., 1982; Etkins, Epstein, 1982), середній рівень моря вже почав підніматися, в цьому столітті він піднявся приблизно на 12 см. Ці загрози (зміна клімату та затоплення прибережних районів) повинні враховуватися при плануванні національної та міжнародної енергетичної політики Огляди «проблеми СО2» можна знайти в роботі Беса та ін. (Baes et al., 1977) та у звітах комісій Ради з якості довкілля (Coimsil on Environmental Quality, 1981) та Академії наук США (National Academy of Sciences, 1979) .
У наступному столітті встановиться нова, але ненадійна рівновага між збільшенням вмісту СО2 (що сприяє розігріву Землі) та посиленням забруднення атмосфери пилом та іншими частинками, що відображають випромінювання і цим охолоджують Землю. Будь-яка значна результуюча зміна теплового бюджету Землі вплине на клімат. можливих наслідківзміни клімату Землі дає Брайсон (Bryson,
1974)].
Крім СО2 в атмосфері присутні в невеликих кількостях ще дві вуглецеві сполуки: окис вуглецю (CO) - приблизно 0,1 частини на мільйон і метан (СН4) - близько 1,6 частини на

мільйон. Як і СОг, ці сполуки знаходяться в швидкому кругообігу і тому мають невеликий час перебування - близько 1 року для CO, 3,6 для СН4 і 4 для СО2. CO, і CH4 утворюються при неповному або анаеробному розкладанні органічної речовини; в атмосфері обидва окислюються до СО2. Стільки ж CO, скільки потрапляє в атмосферу в результаті природного розкладання, вноситься до неї зараз при неповному згораннігорючих копалин, особливо з вихлопними газами. Накопичення окису вуглецю - цієї смертельної отрути для людини - у глобальному масштабі не є загрозою, але в містах, де повітря застоюється, підвищення концентрації цього газу в атмосфері починає ставати загрозливим. Концентрації до 100 частин на мільйон не такі рідкісні в районах з сильним автомобільним рухом (курець, що споживає в день пачку цигарок, отримує до 400 частин на мільйон, що зменшує вміст сксигемоглобіну в його крові на 3%, а це може призвести до анемії та інших пов'язаним із нестачею кисню захворюванням серцево-судинної системи).
Метан, як вважають, має корисну функцію: він підтримує стабільність озонового шару у верхній атмосфері, що блокує смертельно небезпечне ультрафіолетове випромінюванняСонця (див. с. 113). Виробництво метану - одна з важливих функцій водно-болотистих угідь та мілководних морів світу. Хороший оглядкругообіг вуглецю в цілому дає Гаррелс, Маккензі і Хант (Garrels, Mackenzie, Hunt, 1975; гл. 6).
- Як показано на схемі гідрологічного циклу (рис. 4.9Т/?) Т^ фонд води в атмосфері невеликий, швидкість її обороту Bbinie1 а час!хр^ывания менше, ніж у UO2. На кругообігу води, як і на кругообігу СО2, починають позначатися глобальні наслідки діяльності людини. Хоча зараз ведеться облік опадів та річкового стоку в усьому світі, нам необхідно якнайшвидше налагодити повніший контроль усіх основних шляхів руху води в кругообігу.
На рис. 4.10 кругообіг води показаний з енергетичної точки зору, виділена «верхня» його частина, що приводиться в рух Сонцем, і «нижня», в якій виділяється енергія, яка може бути використана екосистемами та гідроелектростанціями. Як було показано у табл. 3.3, близько третини всієї, що надходить на Землю сонячної енергіївитрачається на рух руху круговороту води. Це ще один приклад безоплатної послуги, яку надає нам енергія Сонця. Дуже часто ми недооцінюємо послуги, за які не доводиться платити. Але якщо людина порушить цю систему, то платити їй за це доведеться дорого!
Особливу увагу слід звернути на два аспекти кругообігу води: "
Море втрачає через випаровування більше води, ніж отримує з опадами; на суші ситуація протилежна. Іншими словами, значна частина опадів, що підтримують екосистеми суші, у тому числі більшість агроекосистем, що виробляють їжу для людини, складається з води, випарованої з моря. У багатьох райо-

Мал. 4.10. Енергетика гідрологічного циклу, представленого у вигляді двох шляхів: верхній приводиться в рух сонячною енергією, а нижній віддає енергію озерам, річкам, заболоченим землям і виконує роботу, яка безпосередньо корисна для людини (наприклад, на ГЕС). Поверхневий стік поповнює резервуари ґрунтових вод і сам поповнюється від них, хоча в багатьох сухих областях ці резервуари зараз швидше викачуються людиною, ніж поповнюються.

нах, наприклад, у долині Міссісіпі, 90% опадів, як вважають* приноситься з моря (Benton et al., 1950). За наявними оцінками, в прісних озерах і річках міститься 0,25 геограма води (I геограм - IO20 г, або IO14 т), а річний стік становить 0,2 геограма, отже час обороту дорівнює приблизно I року. Різниця між кількістю опадів протягом року (1,0 геограм) і стоком (0,2 геограма) становить 0,8; це і є величина річного надходження води в підґрунтові водоносні горизонти. Як уже зазначалося, внаслідок діяльності людини (покриття земної поверхні непроникними для води

матеріалами, створення водосховищ на річках, будівництва зрошувальних систем, ущільнення орних земель, зведення лісів і т. д.) стік збільшується і дуже поповнення важливого фондуґрунтових вод скорочується. У США близько половини питної води, Більшість води для зрошення й у багатьох частинах країни більшість води для промисловості береться з грунтових вод. У посушливих районах, наприклад на заході Великих рівнин, підземні водоносні горизонти наповнені в основному «фоссильною» водою, яка накопичилася там у попередні, більш прості геологічні періоди і тепер не поповнюється. Тому вода тут - невідновлюваний ресурс, подібно до нафти. Це добре видно на прикладі району вирощування зернових, що рясно зрошується, в західній частині Небраски, Оклахоми, Техасу і Канзасу, де водоносні пласти формації Огаллала - основного джерела води будуть вичерпані через 30-40 років. Після цього доведеться використовувати тутешні угіддя як пасовища або вирощувати на них посухостійкі культури, якщо тільки не почнуть подавати сюди воду з великих річок долини Міссісіпі - дуже дорогий і енергоємний проект, за який доведеться розплачуватися всім платникам податків країни. У 1982 р. неможливо було передбачити, яке рішення буде ухвалено, але ясно одне, що політичні розбіжності будуть гострими; багато хто постраждає від економічних крахів, неминучих, коли невідновлюваний ресурс експлуатується без думки про майбутнє.
На рис. 4.11 представлена ​​графічна модель «нижньої» частини! Кругообіг води, що показує, як біотичні співтовариства пристосовуються до змінних умов у так званому континуумі річок (градієнті від малих до великих річок; див. Vannote et al., 1980). У верхів'ях річки невеликі і часто повністю затінені, тому водне співтовариство отримує мало світла. Консументи в основному залежать від листового та іншого органічного детриту, що приноситься з водозбірного басейну. У детриті переважають великі органічні частинки, наприклад, фрагменти листя, а фауна представлена ​​в основному водними комахами та іншими первинними консументами, яких екологи, що вивчають річкові екосистеми, відносять до механічних руйнівників. Екосистема верховин гетеротрофна; відношення P/R набагато менше одиниці.
У середній течії річки ширші, не затінені і менше залежать органічної речовини, що надходить з водозбірних басейнів, оскільки автотрофні водорості та водні макрофіти забезпечують первинну продукцію. Тут переважає тонко подрібнена органічна речовина, а серед фауни - фільтратори з відповідними пристроями для збирання їжі (уловлювачами та фільтрами). Метаболізм спільноти автотрофний, відношення P/R дорівнює I або вище (рис. 4.11). У середній течії річки зазвичай відзначається максимум видової різноманітності та величини добових коливань температури. У нижній течії великої річки протягом уповільнено, вода зазвичай каламутна, внаслідок чого знижена глибина проникнення світла і ослаблений водний фото-

Мал. 4.11. Річковий континуум. Зміна у метаболізмі спільноти, у різноманітності розмірів частинок органічної речовини від струмків у верхів'ях до великих річок. (Vannote et а!., 1980.)

синтез. Тут річка знову стає гетеротрофною, і на більшості трофічних рівнів видова різноманітністьзнижується»
У річках, як і скрізь у біосфері, організми не обмежуються одним пасивним пристосуванням до градієнта змін фізичних факторівсередовища. Діючи спільно, річкові тварини, наприклад, повертають у кругообіг елементи живлення та скорочують їх винесення в океан. Водні комахи, риби та інші організми збирають зважені та розчинені речовини, утримують їх, пропускають через харчовий ланцюг, а більш рухливі види в ході свого життєвого циклуЛімнологи назвали цей процес «рухом речовин по спіралі» (Elwood, Nelson, 1975).
Відмінні огляди кругообігу води дають Хатчінсон (Hutchinson, 1957) в гол. 4 «Трактату з лімнології» та Гаррелс, Маккензі та Хант (Garrels, Mackenzie, Hunt, 1975, гл. 5) у книзі «Хімічні круговороти та глобальне зовнішнє середовище».

Як відомо, все структурні компонентибіосфери тісно взаємопов'язані між собою складними біогеохімічними цикламиміграції речовин та енергії. Процеси взаємообміну та взаємодії протікають на різних рівнях: між геосферами (атмо, гідро, літосферою), між природними зонами, окремими ландшафтами, їх морфологічними частинами тощо. буд. Проте всюди панує єдиний генеральний процес обміну речовиною і енергією, процес, що породжує явища різного масштабу - від атомарного до планетарного. Багато елементів, пройшовши ланцюг біологічних і хімічних перетворень, повертаються до складу тих самих хімічних сполук, у яких перебували у початковий момент. При цьому головною рушійною силою у функціонуванні як глобального, так і малих (а також локальних) кругообігів є живі організми.
Роль біогеохімічних кругообігів у розвитку біосфери винятково велика, оскільки вони забезпечують багаторазовість одних і тих же органічних формпри обмеженому обсязі вихідної речовини, що бере участь у кругообігах. Людству залишається лише дивуватися з того, як мудро влаштована природа, яка сама ж підказує «недолугому Homo sapiens*, як слід організувати так зване безвідходне виробництво. Зауважимо однак, що в природі немає повністю замкнутих кругообігів: будь-який з них одночасно зімкнуть і розімкнуть. Елементарний приклад часткового круговороту є водою, яка, випарувавшись із поверхні океану, частково знову потрапляє туди.
Між окремими малими кругообігами існують складні взаємозв'язки, що зрештою призводить до постійного перерозподілу речовини та енергії між ними, до усунення свого роду асиметричних явищ у розвитку кругообігів. Так, у літосфері в надлишку опинилися у зв'язаному стані кисень і кремній, в атмосфері у вільному стані – азот та кисень, у біосфері – водень, кисень та вуглець. Не можна не відзначити також, що основна маса вуглецю сконцентрувалася в осадових породахлітосфери, де карбонати акумулювали основну масу вуглекислого газу, що надійшов в атмосферу з вулканічними виверженнями.
Не можна забувати і про те, що між космосом і Землею існує найтісніший зв'язок, який з певною часткою умовності слід розглядати в рамках глобального круговороту (оскільки, як зазначалося, він не є замкнутим). З космосу на нашу планету потрапляє промениста енергія (сонячні та космічні промені), корпускули Сонця та інших зірок, метеоритний пил і т. д. Особливо важлива роль сонячної енергії. У свою чергу Земля віддає назад частину енергії, розсіює в космос водень і т.д.
Багато вчених, починаючи з В. І. Вернадського, розглядаючи глобальний біогеохімічний кругообігелементів у природі як із найважливіших чинників підтримки динамічних рівноваг у природі, розрізняли у його еволюції дві стадії: давню і сучасну. Є підстави вважати, що на давній стадії кругообіг був іншим, проте через відсутність багатьох невідомих (назв елементів, їх маси, енергії тощо) змоделювати круговороти минулих геологічних епох («колишні біосфери») практично неможливо.
До цього слід додати, що основну частину живої речовини складають С, Про, Н, N, головними джерелами живлення рослин є СОг, ШО та інші мінеральні речовини. З урахуванням значущості для біосфери вуглецю, кисню, водню, азоту, а також специфічної ролі фосфору, коротко розглянемо їх глобальні колообіги, які отримали назву «приватних» або «малих». (Існують ще локальні кругообіги, що асоціюються з окремими ландшафтами.)