4.1 Структура и основные типы биогеохимических циклов

В экосистеме происходит постоянный круговорот элементов питания с участием биотического и абиотического компонентов. Движущей силов круговоротов служит солнечная энергия, которую используют непосредственно фотосинтезирующие организмы и затем передаю ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, который носит название биогеохимического цикла.

Биогеохимические циклы – циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы, и из организмов во внешнюю среду. Такое перемещение элементов и неорганических соединений, необходимых для жизни, можно назвать круговоротом элементов питания.

При изучении круговорота удобно выделять две части, или два фактора:

• резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

• подвижный, или обменный, фонд, для которого характерен быстрый обмен между органической и неорганической средой.

Для биосферы в целом можно выделить два основных типа биогеохимических циклов:

• круговорот газообразных веществ, с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

• осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Такое разделение биогеохимических циклов основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, из-за наличия крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют нарушения. Так, накопленный в каком-либо месте избыток СО₂обычно быстро рассеивается воздушными потоками, а увеличение его концентрации в атмосфере способствует большему потреблению растениями и превращению в карбонаты в море. В целом круговороты газообразных веществ в глобальном масштабе можно считать хорошо забуференными, так как их способность к саморегуляции и поддержанию определенных концентраций различных веществ достаточно велика.

Следует отметить, что, хотя атмосфера и имеет большой резервный фонд и высокую способность к саморегуляции, все же они не беспредельны.

Осадочный цикл, в котором принимаю участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее, чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.

Рис. 2.3. Биогеохимический круговорот (заштрихованное кольцо) на фоне упрощенной схемы потока энергии (по Ю. Одуму, 1975): P_g– валовая продукция;P_n– чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в самой системе или же экспортирована;Р– вторичная продукция;R– дыхание

Схему биогеохимического цикла можно представить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии, который приводит в движение круговорот веществ (рис. 2.3). В природе практически не наблюдается случаев, когда элементы равномерно распределены по всей экосистеме, к тому же они не всегда находятся в одной и той же форме. При изучении биогеохимических циклов изучают так называемый резервный фонд, то есть ту часть круговорота, которую условно можно считать отделенной физически или химически от организмов. Однако следует иметь в виду, что между доступными и недоступными фондами существует динамическое равновесие.