Поток энергии и круговорот веществ в природе

Министерство  образования Российской Федерации

ВЛАДИМИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экологии 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по  дисциплине «Экология»

на  тему:

«Поток  энергии и круговорот веществ в природе»

         
 

                             Выполнил:   

студент гр. ЗЭВМ-107 

Бочаров А.В.   

Приняла:   

                                                                       Мищенко Т. В.   
 

ВЛАДИМИР 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ……………………………………………………….….………….. 3

1. Поток энергии в биосфере …………………………………..……………. 5

2. Биогеохимические круговороты …………………………….….………... 7

     2.1 Круговорот воды ………………………………………….….…… 9

     2.2 Круговорот кислорода …………………………………….……... 11

     2.3 Круговорот углерода  ………………………….………………… 12

     2.4 Круговорот азота ………………………………………….……… 14

     2.5 Круговорот фосфора ……………………….…………….……….. 17

     2.6 Круговорот серы ……………………………………….…………. 18

3.Факторы, влияющие на круговорот веществ в природе ………………... 19

4. Влияние человека на круговороты веществ в природе ………………… 23

Заключение ………………………………………………….……………….. 26

Список используемых источников литературы……………….…………… 27 
 
 
 
 
 

     Введение

Главная функция биосферы заключается в  обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в  циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Экосистемы - это сообщества организмов, связанные с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество обретает с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может  осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Такой термин был предложен  в 1935 году английским экологом А.Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей среды. А.Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.

     Большинство веществ земной коры проходит через  живые организмы и вовлечено  в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. 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 биогенный круговорот веществ в природе, то есть циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.

     Целью данного реферата является изучение циркуляции потока энергии и веществ  в природе, и раскрытие выбранной  темы.

     Тема  моего реферата очень велика. О  ней можно говорить долго. Но я  затрону только те вопросы, которые  считаю наиболее важными и близкими к выбранной теме. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. ПОТОК энергии в биосфере

     Поток солнечной энергии, воспринимаясь  молекулами живых клеток, преобразуется  в энергию химических связей. В  процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО₂ и Н₂О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

     Образованные  в процессе фотосинтеза органические вещества могут служить источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растения к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы и продуцирования органического вещества. Однако содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения, поэтому биосфере необходим приток энергии извне.

     В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить  в круговорот, энергия может быть использована только один раз.

     Односторонний приток энергии как универсальное  явление природы происходит в  результате действия законов термодинамики, относящимся к основам физики. Первый закон утверждает, что энергия может переходить из одной формы (например, энергия света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает.

     Второй  закон термодинамики гласит, что  не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В таких превращениях определенное количество энергии рассеивается в недоступную тепловую энергию, и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.

     Существование всех экосистем зависит от постоянного  притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

     Солнце  – практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако далеко не вся энергия солнечного излучения  может усваиваться и использоваться организмами. Лишь около половины обычного солнечного потока, падающего на зеленые растения (то есть на продуценты), поглощается фотосинтетическими элементами и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде биохимической энергии (энергии пищи).

     Таким образом, большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла на испарение. В целом поддержание жизни требует постоянного притока энергии. И где бы ни находились живые растения и животные, мы всегда найдем здесь источник их энергии. 

2. Биогеохимические круговороты

     Химические  элементы, входящие в состав живого, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям: из внешней среды  в организмы и опять во внешнюю  среду. Для биогенной миграции свойственно  накопление химических элементов в  организмах (аккумуляция) и их высвобождение в результате минерализации отмершей биомассы (детрита). Такие пути циркуляции химических веществ (в большей или меньшей степени замкнутые), протекающие с использованием солнечной энергии через растительные и животные организмы, называют биогеохимическими круговоротами (био относится к живым организмам, а гео – к почве, воздуху, воде на земной поверхности).

     Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере  или океанах (N₂, О₂, СО₂,Н₂О) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (Р, Са, Fе).

     Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь), или питательными веществами. Среди биогенных элементов  различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.

     Первые  охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

     Вторые  включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в очень малых количествах, их недостаток может сильно ограничить продуктивность, так же как и нехватка биогенных элементов.

       Циркуляция биогенных элементов  сопровождается обычно их химическими  превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.

     Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО₂, является одним из исходных компонентов для фотосинтеза, а затем вместе с органическим веществом потребляется консументами. При дыхании растений и животных, а также за счет редуцентов углерод в виде СО₂ возвращается в атмосферу.

     В отличие от азота и углерода резервуар  фосфора находится в горных породах, подвергающихся эрозии и высвобождающих в экосистемы фосфаты. Большая их часть попадает в море и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами (образование гуано). Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.

     В отличие от энергии биогенные  элементы могут использоваться неоднократно: круговорот их характерная черта. Другое отличие от энергии состоит в  том, что запасы биогенных элементов  непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы.

     Рассмотрим  подробнее биогеохимические круговороты  некоторых веществ. 

1. Круговорот  воды

 

     Вода  находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

     В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

     Наиболее  замедленной частью круговорота  воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.