Страница 78 из 84
Особенно богата гумусом степная почва. В степи обитает множество копытных, змей, грызунов, лис, ящериц. Их экскременты хорошо удобряют почву, микроорганизмы эффективно переводят их в гумус. Азотные удобрения снижают содержание гумуса, поскольку в условиях избытка азота активизируются микроорганизмы, разрушающие гумус. Черноземы русских степей содержали до 12—16 % гумуса, превосходя плодородием почвы Бразилии, Венесуэлы и США. Поэтому-то немецкие оккупанты и вывозили эшелонами русский и украинский чернозем.
В гумусе содержится основной энергетический запас почвы. Растительность чернозема использует лишь 10 % энергии, запасенной в гумусе.
Почва может отдавать гумус на питание растений, а может накапливать его в нижних горизонтах, расходуя свою энергию экономно. Способность мышц человека к напряжению зависит от наличия в них кальция, почва тоже «напрягается» или «расслабляется» в зависимости от присутствия этого элемента в верхних горизонтах. При его наличии частички гумуса делаются нерастворимыми и не вымываются в нижний горизонт. Почвенные микроорганизмы постепенно «распечатывают» гранулы гумуса; составляющие его минеральные соединения (в основном — соли азота и фосфора) расходуются на питание, и растительность бурно развивается. При отсутствии кальция частички гумуса растворяются и уносятся водой в нижний запасающий горизонт, а растения развиваются слабее. Почва с недостатком кальция не может быть плодородной, в нее вносят дополнительно кальцийсодержащие соединения.
Под Псковом расположены рядом два лесных участка с резко различающейся растительностью. На одном — дубрава и клеверный луг, на другом — еловый лес и скудная осока. Влияющий на плодородие почвы состав подпочвенных пород на границе участков резко меняется. Поэтому на одном участке — богатая кальцием известковая почва, на другом — бедные кальцием суглинки. Количество растительности и ее развитие зависит и от содержания в почве других химических элементов.
Взаимосвязью растительности и состава пород давно научились пользоваться геологи. На месторождениях угля и нефти растения обычно очень крупные. Там, где недра содержат железо, свинец, медь или радиоактивные руды, растительность всегда угнетенная. При избытке алюминия листья закручиваются, а медь делает розовые и желтые лепестки роз голубыми или даже черными. Розовые цветки иван-чая делаются на урановых рудах белыми или пурпурными. На месторождениях платины чернеет сосновая хвоя.
Среди всех биокосных систем биосферы почва имеет самую высокую концентрацию живых организмов. Экологи предполагают, что специфический запах земли обусловлен продуктами метаболизма микроорганизмов. В 1 см3 лесной почвы — 10 млн бактерий, 200 тыс. водорослей, 20 тыс. простейших, общая длина грибницы — до 2 км, в 1 г чернозема — до 10 млрд бактерий. Все эти мелкие существа — основные труженики почвы, чутко реагирующие на присутствие посторонних химических веществ, поэтому так важно защищать природные биоценозы от загрязнения.
1. Назовите пять основных функций живого вещества.
2. Какова роль организмов в образовании осадочных пород?
3. Как формируется гумус, какова его функция?
4. Существует ли взаимосвязь между биоценозами и породами литосферы? Приведите примеры.
§ 73. Круговорот химических элементов в биосфере
Каждое животное или растение является звеном в цепях питания своей экосистемы, обменивается веществами с неживой природой, а следовательно — включено в круговорот веществ биосферы. Химические элементы в составе различных соединений циркулируют между живыми организмами, атмосферой и почвой, гидросферой и литосферой. Начавшись в одних экосистемах, круговорот заканчивается в других. Вся биомасса планеты участвует в круговороте веществ, это придает биосфере целостность и устойчивость. Живые организмы существенно влияют на перемещение и превращение многих соединений. В биологическом круговороте задействованы прежде всего элементы, входящие в состав органических веществ: С, N, S, Р,
О, Н, а также ряд металлов (Fe, Ca, Mg и др.).
Циркуляция соединений осуществляется в основном за счет энергии Солнца. Зеленые растения, аккумулируя его энергию и потребляя из почвы минеральные соединения, синтезируют органические вещества, распространяющиеся в биосфере по цепям питания. Редуценты разрушают органические соединения растительного и животного происхождения до минеральных веществ, замыкая биологический цикл.
В верхних слоях океана и на поверхности суши преобладает образование органического вещества, а в почве и глубинах моря — его минерализация. Миграция птиц, рыб, насекомых способствует и переносу вещества. Существенно на круговорот элементов влияет деятельность человека.
Круговорот воды
Круговорот воды. Нагреваемые солнцем воды планеты испаряются. Выпадающая живительным дождем влага возвращается обратно в океан в качестве речных вод или очищенных фильтрацией грунтовых вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые организмы активно участвуют в круговороте воды, являющейся необходимым компонентом процессов метаболизма. На суше большая часть воды испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя эрозии почвы. Поэтому при вырубке лесов поверхностный сток увеличивается сразу в несколько раз и вызывает интенсивный размыв почвенного покрова. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых вод повышается, а весенние наводнения редко бывают разрушительными.
Тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя воду. Испарение воды растениями называют транспирацией (<лат. trans через + spiro дышу). Вырубка тропических лесов вызывает в близлежащих районах засухи. Хищническое уничтожение лесов способно превратить в пустыни целые страны, как это и происходит в современной Африке. Круговорот воды, регулируемый растительностью, — важнейшее условие поддержания жизни на Земле.
Круговорот углерода. В процессе фотосинтеза растения поглощают углерод в составе углекислого газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода (более 50% углерода биосферы заключено в целлюлозе растений), распространяющегося в экосистемах по цепям питания. В процессе дыхания организмы выделяют углекислый газ. Органические остатки в море и на суше минерализуются редуцентами. Один из продуктов минерализации — углекислый газ — возвращается в атмосферу, замыкая цикл.
В течение 6—8 лет живые организмы пропускают через себя весь углерод атмосферы. Ежегодно в процесс фотосинтеза вовлекается до 50 млрд т углерода. Часть его накапливается в почве и на дне океанов — в известковых скелетах водорослей, моллюсков и коралловых рифов. Существенный запас углерода содержится в составе осадочных пород. На основе ископаемых растений и планктонных организмов сформированы месторождения каменного угля, органогенного известняка и торфа, природного газа и, как предполагается, нефти. Природное топливо при сгорании пополняет количество атмосферного углерода. Ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд т и может нарушить устойчивость биосферы. Если темп прироста сохранится, то интенсивное таяние полярных льдов, вызванное парниковым эффектом углекислого газа (с. 233), приведет к затоплению обширных прибрежных территорий по всему миру.
Денитрификация Редуценты Нитрификация
Органические соединения азота (аммиак, нитриты,
Круговорот азота нитраты, аммоний)
Круговорот азота. Азот, как и углерод, входит в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот), поэтому круговороты этих элементов тесно связаны. Главный источник азота — воздух атмосферы; усваивать азот из атмосферы способны только азотфиксирующие бактерии, например клубеньковые (100—300 кг/га азота в год) или цианобактерии (15—30 кг/га). Фиксированный бактериями азот поступает в почву и воду в виде аммиака и ионов аммония. Нитрифицирующие бактерии преобразуют аммиак в нитриты и нитраты. Растения поглощают соединения азота из почвы и синтезируют органические вещества, распространяющиеся по цепям питания вплоть до редуцентов, разлагающих белки с выделением аммиака. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до свободных молекул N2, возвращающихся в атмосферу. Аналогичная циркуляция азота происходит между бентосом и планктоном.