Slajd 1

PODSTAWY
FUNKCJONOWANIA
ŚRODOWISKA - CYKLE
BIOGEOCHEMICZNE
Podstawą funkcjonowania ekosystemu
jest przepływ energii i obiegi materii.
Obieg materii dotyczy naturalnego krążenia
pierwiastków chemicznych, przemieszczających
się ze środowiska abiotycznego do organizmów
żywych i z organizmów do środowiska.
Biogeochemiczne cykle, drogi
obiegu składników pokarmowych,
węgla i wody (cykl hydrologiczny) w
biosferze, od środowiska do
organizmów i z powrotem do
środowiska.
Do najważniejszych cykli
biogeochemicznych należą obiegi
węgla, azotu, wody, tlenu, fosforu,
siarki itd.
Na obieg azotu (cykl azotu), siarki i węgla (a
także innych pierwiastków) coraz większy wpływ
ma działalność przemysłowa człowieka,
prowadząca do zaburzenia ich obiegu w
biosferze (antropopresja).
Każdy z pierwiastków chemicznych wchodzi w reakcje
chemiczne, lecz całkowita jego ilość na Ziemi pozostaje stała.
Ziemia jako system przyrody
1. Ziemia stanowi system złożony z części składowych;
2. Poszczególne elementy systemu oddziałują na siebie;
3. Zjawiska w obrębie systemu zachodzą w różnych skalach
czasowych i przestrzennych;
4. Powiązania pomiędzy poszczególnymi elementami
systemu mogą być badane w oparciu o przepływ energii,
cykl hydrologiczny i cykle biogeochemiczne;
5. Energia, woda i substancje chemiczne gromadzone są w
systemie w różnych miejscach i pod różnymi postaciami, a
także są przenoszone i przekształcane w wyniku
różnorodnych zjawisk i procesów.
Antropopresja, oddziaływanie człowieka na środowisko przyrodnicze i występujące w
nim biocenozy (zbiór populacji roślinnych (fitocenoza), zwierzęcych (zoocenoza) i
drobnoustrojów glebowych żyjących w określonej przestrzeni czyli środowisku fizycznym
(siedlisku, biotopie), tworzący układ samoregulujący się (homeostaza) i będący w stanie
dynamicznej równowagi).
Obecna antropopresja ma znaczenie zdecydowanie negatywne. Oddziaływanie na glebę
to przede wszystkim zmniejszanie jej powierzchni przez trwałą zabudowę mieszkalną,
przemysłową, drogową itp. W wyniku działalności górniczej gleby ulegają przesuszeniu,
zabagnieniu, zasoleniu i skażeniu. Do antropopresji w rolnictwie należą: stosowanie
nadmiernych ilości agrochemikaliów, wielkogabarytowego ciężkiego sprzętu, nadmiernie
ugniatającego glebę, niewłaściwe zabiegi agrotechniczne, wypalanie ściernisk, uprawy
wzdłuż spadku stoku oraz niewłaściwe zmianowanie roślin w ramach kompleksów
glebowo-uprawowych.
Ponadto glebom zagraża atmosfera, w którą wprowadzane są duże ilości zanieczyszczeń
pochodzących ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego oraz ze spalin
motoryzacyjnych. Bardzo duże jest również oddziaływanie na wody powierzchniowe,
czego dowodzi katastrofalny stan czystości rzek, jezior, a nawet mórz. Dla roślin
szkodliwe są: nadmierna wycinka drzew, nie zrównoważona odpowiednimi zalesieniami,
zbieranie grzybów i jagód, pożary i nieracjonalny wypas. Antropopresja to także
zanieczyszczanie rzek, zakładanie składowisk odpadów oraz nieodpowiedzialnie
organizowana turystyka i rekreacja.
OBIEG WĘGLA
Ze względu na swoje właściwości, węgiel jest podstawowym pierwiastkiem
budulcowym wszystkich związków organicznych. W nich też gromadzi się
energia promieniowania słonecznego wiązana w procesie fotosyntezy.
Stąd też obieg węgla jest nierozerwalnie związany z procesami przepływu
energii. Choć największym rezerwuarem węgla jest skorupa ziemska (skały,
złoża paliw kopalnych), obieg tego pierwiastka jest typowym przykładem
cyklu gazowego. Wynika to z ogromnej dynamiki gazowych związków
węgla. Pierwiastek ten występuje w atmosferze głównie jako CO2, a
dodatkowo w postaci CO i CH4. Czas wymiany węgla atmosferycznego
wynosi 3–4 lata, co wiąże się głównie z asymilacją CO2 przez rośliny i
uwalnianiem związków węgla podczas oddychania organizmów wszystkich
poziomów troficznych: producentów, konsumentów i destruentów.
Procesy metaboliczne są tym samym podstawową siłą napędową krążenia
węgla w biosferze.
Obieg azotu
Głównym i niemal jedynym zbiornikiem azotu jest atmosfera, gdzie pierwiastek
ten występuje przede wszystkim w formie cząsteczkowej (N2) niedostępnej dla
większości organizmów. Oprócz N2 atmosfera zawiera niewielką ilość tlenków
azotu (NO2, NO i N2O) oraz amoniaku (NH3). Dodatkowo, niewielka ilość N2 jest
wiązana podczas wyładowań atmosferycznych, zwiększając aktywną pulę azotu o
3–10 mln t/rok. Nieznaczny udział w dostarczaniu reaktywnych form azotu
(głównie amoniaku) do atmosfery mają także aerozole morskie.
Ekosystemy są zasilane w azot na drodze depozycji gazów i aerozoli z atmosfery
oraz przez biologiczne wiązanie atmosferycznego N2. Zdolność tę posiadają tylko
nieliczne organizmy, głównie wolnożyjące i symbiotyczne bakterie oraz sinice.
Większość roślin pobiera azot w postaci jonów NH4+ lub NO3– uwalnianych podczas
rozkładu martwej materii organicznej.
Ruchliwe jony azotanowe są częściowo zmywane lub wymywane z gleb i
zasilają ekosystemy wodne. Odpływ rzeczny azotu z lądów do mórz wraz
z opadami stanowi ważne źródło zasilania oceanów. Większość azotu
oceanicznego krąży w zamkniętym cyklu biotycznym z pominięciem fazy
gazowej. Niewielka część tego pierwiastka ucieka do osadów dennych,
gdzie w warunkach beztlenowych zachodzi denitryfikacja. Powrót azotu z
ekosystemów do atmosfery odbywa się przede wszystkim poprzez
denitryfikację, a w mniejszym stopniu poprzez ulatnianie się amoniaku.
Udział człowieka w obiegu azotu polega na przemysłowym wiązaniu
atmosferycznego N2 do amoniaku, co umożliwia produkcję azotowych
nawozów mineralnych. Wiązaniu N2 sprzyja też uprawa roślin
motylkowych i ryżu. Ilościowy sumaryczny udział człowieka w wiązaniu
azotu jest porównywalny z działaniem procesów naturalnych.
Działalność człowieka przyczynia się także do uwalniania różnych form
azotu do atmosfery. W wyniku stosowania nawozów azotowych, hodowli
zwierząt i spalania biomasy tempo emisji podtlenku azotu (N2O) wzrosło
prawie dwukrotnie, amoniaku — trzykrotnie, a tlenku i dwutlenku azotu blisko siedmiokrotnie.
Obieg siarki
Największym rezerwuarem siarki na Ziemi są osady denne, skały
oraz oceany, gdzie pierwiastek ten występuje w soli morskiej w
postaci siarczanów. Atmosferyczna pula siarki jest najmniejsza,
jednak bardzo aktywna. Głównym źródłem naturalnych emisji
siarki do atmosfery są oceany, produkujące rocznie ponad 140
mln t siarki w postaci aerozoli morskich, które przemieszczają się z
prądami powietrza nad powierzchnię lądów. Ponadto z wód
oceanicznych emitowane są gazy biogeniczne, głównie siarczek
dwumetylu, powstający w wyniku dekompozycji planktonu oraz
siarkowodór, pochodzący z beztlenowego rozkładu materii
organicznej w strefie przydennej i z wybuchów wulkanicznych.
Gazy biogeniczne mogą być emitowane także z lądów, głównie z
obszarów podmokłych, jednak sumaryczna emisja naturalna jest
ok. 10-krotnie niższa niż z powierzchni mórz i oceanów.
Większość gazowych związków siarki przebywa w atmosferze
bardzo krótko (ok. kilku dni). Ulegają one szybkiemu utlenieniu,
w wyniku którego powstają tlenki siarki, a po reakcji z wodą —
siarczany. Związki te są deponowane w ekosystemach za
pośrednictwem opadów atmosferycznych.
Rośliny pobierają przede wszystkim siarkę siarczanową
powstającą w wyniku rozkładu materii organicznej oraz
wietrzenia podłoża mineralnego. Obumarłe szczątki organizmów
oraz produkty wietrzenia skał i erozji (głownie siarczany)
odprowadzane są do mórz i oceanów za pośrednictwem rzek.
Globalny cykl siarki został współcześnie zdominowany przez
działalność człowieka, polegającą przede wszystkim na spalaniu
paliw kopalnych oraz wydobyciu i przetwórstwie złóż siarki.
Ocenia się, że człowiek wprowadza do obiegu ok. 100 mln t
S/rok, głównie w postaci SO2, który w naturalnym obiegu
odgrywa znikomą rolę.
Obieg fosforu
Zasoby nieorganicznego fosforu w skorupie ziemskiej obejmują głównie
apatyty oraz fosforany wapnia, glinu i żelaza. Pula fosforu krążąca w
atmosferze jest minimalna — stanowi ją zawartość wywiewanego pyłu
glebowego, który po krótkim pobycie trafia z powrotem na
powierzchnię Ziemi.
Większość roślin lądowych pobiera fosfor dzięki symbiozie korzeni z
grzybami mikoryzowymi. Dostępność tego pierwiastka w środowisku
jest bardzo ograniczona, stąd jego obieg w materii organicznej jest
bardzo „szczelny” i przewyższa znacznie dopływy i straty z
ekosystemów.
Rzeki transportują rocznie 21–22 mln t fosforu do oceanów. Większość
tej puli zostaje niemal od razu związana w osadach. Pozostała trafia do
obiegu w ekosystemach morskich, gdzie związki fosforu są nieustannie
wymieniane pomiędzy głównymi zbiornikami tego pierwiastka, którymi
są: wody powierzchniowe, głębokie i organizmy morskie. Dzięki
procesowi sedymentacji niewielka część krążącego fosforu trafia do
osadów dennych.
OBIEG OŁOWIU
Wszystkie metale, w tym również ołów, cechują się sedymentacyjnym
typem obiegu. Ołów uznawany jest za pierwiastek niepotrzebny
organizmom, a jednocześnie wysoce toksyczny. Ołów występuje przede
wszystkim w kwaśnych skałach magmowych i utworach ilastych. Towarzyszy
też często złożom polimetalicznym, m.in. siarczkom metali. Naturalnym
źródłem emisji ołowiu są wulkany, ponadto jest produktem rozpadu
promieniotwórczego radonu. Obieg ołowiu (podobnie jak kadmu i rtęci) jest
całkowicie zdominowany przez działalność ludzką. Źródłem emisji
antropogenicznych jest głównie spalanie benzyn ołowiowych oraz
hutnictwo metali. Sumaryczna emisja ze źródeł antropogenicznych wynosi
w skali roku ok. 460 tys. t Pb i jest kilkadziesiąt razy wyższa od naturalnej.
Ok. 70% tej ilości osiada w postaci pyłu w ekosystemach lądowych. Ze
względu na minimalną ruchliwość, ołów może gromadzić się w wierzchnich
warstwach gleb, gdzie czas jego przebywania sięga 5–10 tys. lat. Pierwiastek
ten wykazuje skłonność silnego wiązania się z materią organiczną.