Основные понятия и определения
Лабораторная работа №1.
Круговорот веществ. Круговорот азота в вечнозеленом лесу.
Задание
1. Ознакомиться со схемой круговорота кислорода, углерода и азота.
2. Рассчитать максимальное количество азота, накопленное каждой компонентой экосистемы пихтового леса. В какой из них он содержится в максимальном количестве? Полученные значения занести в таблицу 2.
3. Определить количество азота, проходящее через каждую компоненту экосистемы пихтового леса. Полученные значения занести в таблицу 2.
Теория
В природе существует два круговорота веществ: биологический, или малый, и геологический, или большой.
Биологический круговорот – это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными, грибами и микроорганизмами. Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — создания органических веществ и их разрушения. Начальный этап возникновения органических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, магния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I порядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включающую белки, жиры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разрушения микроорганизмами (редуцентами) органических веществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следующий виток биологического круговорота.
|
|
|
Таким образом, в биологическом круговороте принимают участие следующие организмы: автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических; гетеротрофы – организмы, которые не способны синтезировать органические вещества
из неорганических путем фотосинтеза или хемосинтеза.
продуценты- автотрофные организмы, способные производить сложные органические вещества из простых неорганических соединений путем фото- или хемосинтеза (например, зеленые растения).
консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые автотрофами (например, животные).
редуценты – гетеротрофные организмы, потребляющие питательные вещества и энергию, разлагая и перерабатывая останки мертвых организмов, образуя в результате минеральные соли, диоксид углерода, воду, которые вновь используются зелеными растениями (например, бактерии, грибы).
|
|
|
Геологический круговорот – осуществляется как циркуляция веществ между Мировым океаном и сушей. Вода океанов с имеющимися в ней твердыми включениями испаряется и воздушными течениями разносится на большие расстояния. Выпадая в виде осадков, она способствует процессам разрушения и выветривания горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов. Растворенные в ней химические вещества и взвешенные частицы
выносятся в реки, моря, океаны. Здесь они оседают на дно, накапливаются в виде осадочных пород.
Оба круговорота – геологический и биологический – взаимосвязаны и представляют собой единый процесс.
В биологическом круговороте участвуют почти все химические элементы неживой природы. Особенно важное значение имеют круговороты кислорода, углерода и азота.
Круговорот кислорода. Сложный и постоянный процесс, который поддерживает и сохраняет возможность жизнедеятельности животных, растений и человека.
На рисунке представлена схема круговорота кислорода. Как можно видеть, кислород участвует во многих процессах. Рассмотрим схему подробнее.
|
|
|
Изначально кислород содержится в атмосфере, который под воздействием определенных факторов образует озоновый слой. В свою очередь под действием солнечной радиации озон подвергается распаду и образованию молекул кислорода. При взаимодействии кислорода с
 |
Рисунок 1 – Круговорот кислорода
водородом в верхних слоях атмосферы образуется вода, или осадки. Кислород активно участвует в процессе дыхания живых организмов, растений, грибов. Растения в процессе фотосинтеза преобразуют углекислый газ в кислород, который вновь возвращается в атмосферу. Под воздействием кислорода осуществляются процессы окисления (например: коррозия металлов). При извержении вулканов в атмосферу попадает большое количество угарного и углекислого газов. Под действием кислорода угарный газ преобразуется в углекислый (СО+О2 = 2СО2). В различных водоемах присутствуют фитопланктоны (водоросли), которые в свою очередь также потребляют кислород для дыхания, способны образовывать его в процессе фотосинтеза и накапливать его в тканях.
Круговорот углерода. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере, служит «сырьем» для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании растений, животных и редуцентов, а также по мере разложения мертвого вещества в почве выделяется СО2, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу.
|
|
|
 |
Рисунок 2 – Круговорот углерода
Большая часть углерода, вовлеченного в круговорот, содержится в океанах. От углерода, содержащегося в океанах в виде карбонатов, главным образом зависит количество двуокиси углерода в атмосфере. Океан поглощает избыток двуокиси углерода из воздуха, в результате чего образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует обратный процесс, в ходе которого двуокись углерода выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию СО2 в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера. Считается, что этот механизм обеспечивал относительное постоянство содержания двуокиси углерода в атмосфере, пока не вмешался фактор индустриализации.
В далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит (мертвые растительные и животные остатки) под действием высокой температуры и давления превращался в нефть, природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества и, сжигая его, завершаем круговорот углерода. При сжигании топлива углерод выделяется в виде СО2, концентрации которого в воздухе резко возрастает: его поступление существенно превышает поглощающие возможности растений, что чревато серьезными климатическими последствиями.
Круговорот азота. Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК. Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат-ионов (NO3) и ионов аммония (NH4+). Газообразный азот (N2), составляющий 78% объема земной атмосферы, ни растениями, ни людьми, ни большинством других организмов не может быть использован непосредственно. Газообразный азот может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, усваиваемые корнями растений в процессе круговорота азота.
Преобразование атмосферного газообразного азота в усваиваемые растениями химические формы называется фиксацией азота. Осуществляется она, в основном, либо сине-зелеными водорослями и определенными видами бактерий в почве в воде, либо бактериями из ряда Rhizobium, обитающими в небольших клубеньках на корнях люцерны, клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Определенный вклад в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых газообразные азот и кислород в атмосфере превращаются в оксид и диоксид азота. Эти газы взаимодействуют с водяным паром и преобразуются в нитрат-ионы, которые попадают на земную поверхность в форме азотной кислоты, растворенной в атмосферных осадках и в форме частиц нитратных солей.
Денитрификация – сумма микробиологических процессов преобразования нитратов до нитритов, и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота.
Ретенция – накопление азота компонентами экосистемы.
Массоперенос – процесс переноса массы вещества между компонентами экосистемы.
 |
Рисунок 3 – Круговорот азота
Величина ретенции (накопления) азота компонентами экосистемы определяется по формуле:
Р = М*(N/100), (1)
где Р – накопление азота, кг/га;
М – биомасса компонентов экосистемы, кг/га;
N – содержание азота в компоненте экосистемы, %.
Массоперенос азота между компонентами экосистемы определяется по формуле:
F = L*(N/100), (2)
где F – массоперенос азота, кг/га;
L – величина переносимых биомасс (массоперенос), кг/га; N – содержание азота в компоненте экосистемы, %.
Расчет
Исходные данные для расчетов приведены в таблице 1. Результаты расчетов заносятся в таблицу 2.
Таблица 1 – Максимальная величина биомассы, массопереноса и содержания азота в компонентах экосистемы зрелого пихтового леса
| № п/п | Компонента экосистемы | Биомасса, кг/га | Массоперен ос азота, кг/га | Содержани е азота, % |
| 1 | Надземные части | 260000 | 3200 | 0,16 |
| 2 | Корни | 49000 | 0 | 0,08 |
| 3 | Микориза | 25000 | 14600 | 0,62 |
| 4 | Лесная подстилка | 19000 | 3000 | 0,47 |
| 5 | Грибы | 23000 | 9200 | 0,80 |
| 6 | Органические вещества | 450000 | *н.о. | 1,70 |
*- не определяется.
Таблица 2 – Максимальная величина массопереноса и ретенции азота между компонентами экосистемы зрелого пихтового леса
| № п/п | Компонента экосистемы | Ретенция азота, кг/га | Массоперенос азота, кг/га |
| 1 | Надземные части | ||
| 2 | Корни | ||
| 3 | Микориза | ||
| 4 | Лесная подстилка | ||
| 5 | Грибы | ||
| 6 | Органические вещества | *н.о. |
*- не определяется.
Основные понятия и определения
Биологический круговорот, геологический круговорот, автотрофы, гетеротрофы, продуценты, консументы, редуценты, денитрификация, ретенция, массоперенос.
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 946; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!