8.4. Біологічний кругообіг речовин

Під біологічним кругообігом речовин розуміють надходжен­ня речовин і хімічних елементів з ґрунту й атмосфери до живих організмів, утворення в цих тілах нових складних сполук та їх по­вернення з організмів або продуктів їх розкладу до ґрунту й атмо­сфери (рис. 22). Біологічний кругообіг речовин — складний процес взаємозв'язку і взаємодії живих організмів як між собою, так і з навколишнім середовищем. Він складається з циклів різної трива­лості, які по-різному впливають на ландшафт. Розрізняють сезонні, річні, багаторічні і вікові цикли біологічного кругообігу. Найкраще виражені річні цикли кругообігу, які складаються зі споживання елементів живлення окремими організмами або їх формаціями, а також поступового повернення новостворених органічних речовин до навколишнього середовища.

N, Р, К, Са, Fe, A1, Si, Мл, Со, Мо. В, Си. Zn, J.

Рис. 22. біологічний кругообіг речовини

Найголовнішим джерелом енергії біологічного кругообігу є со­нячна енергія. Завдяки сонячному випромінюванню в біосфері здійснюється один з найграндіозніших процесів — фотосинтез. Ро слини поглинають енергію сонячного світла, за її допомогою засвою ють в своїх листях вуглекислоту і воду, розкладаючі їх на прості хімічні елементи. При цьому вуглець і водень рослини використову ють на побудову своїх органічних тіл, а кисень, головним чином, виділяється ними в атмосферу. За участю кисню відбувається один л найважливіших життєвих процесів — дихання. Не менше значення має й інший процес, в якому бере участь кисень, — тління і гниття рослин, розклад мертвих тварин. При цьому складні органічні спо луки перетворюються в більш прості (вуглекислий газ, воду, азоч та ін.). Так завершується біологічний кругообіг речовин. Елементи, які вивільнилися в процесі кругообігу речовин, служать вихідним матеріалом для наступного циклу кругообігу.

Загальна кількість органічної речовини в екосистемах визначаєть ся, головним чином, природними особливостями території. Макси мум нагромадження біомаси спостерігається в лісових біоценозах(табл. 9). У вологих тропічних лісах ця величина досягає 5000 ц/га і більше. Значно менша біомаса широколистяних і особливо хвойних лісів бореального поясу (1000—3300 ц/га). Ще меншу біомасу ма­ють трав'яні угруповання. Так, лучні степи дають у середньому 250 ц/га, а сухі степи — лише 100 ц/га.

Таблиця 9. Показники біологічної продуктивності основних типів рос­линності (за Л-Є. Родіним, Н.І. Базилевич, 1965 р.)

Типи рослинності	Загальна кількість біомаси, ц/га	Річний приріст. Ц/га	Опад, Ц/га	Лісова підстилка або трав'яні рештки минулих років, ц/га	Відношення підстилки до опаду зеленої частини
Арктичні тундри	50	10	10	35	14
Чагарникові тундри	280	25	24	835	92
Ялинники північної тайги	1000	45	35	300	17
Ялинники середньої тайги	2600	70	50	450	15
Ялинники південної тайги	3300	85	55	350	10
Діброви	4000	90	65	150	4
Степи лучні	250	137	137	120	1,5
Степи сухі	100	42	42	15	1
Пустельні	43	12	12
Субтропічні листяні ліси	4100	245	210	100	0,7
Савани	666	120	115	13	0,2
Вологі тропічні ліси	5000	325	250	20	0,1

Привертає до себе увагу відсутність прямої залежності між біо­масою (загальною кількістю живої органічної речовини в наземній та підземній сферах рослинних угруповань) і спадом, тобто кількістю щорічно відмираючої органічної речовини на одиницю площі. Так, в лучних степах щорічний опад у два-три рази перевищує кількість опаду широколистяних лісів, хоча біомаса перших у 16 разів менша за біомасу цих лісів.

Але не вся відмираюча органічна речовина зазнає перетворення, частина його нагромаджується на поверхні ґрунту у вигляді підстилки або трав'яної повсті. Найбільше нагромадження надземної органіч­ної речовини спостерігається в чагарникових тундрах. Накопичен­ня тут підстилки свідчить про низький рівень процесів розкладу органічної речовини, тобто про послаблення вивільнення енергії. У степах, саванах І вологих тропічних лісах, навпаки, весь опад дуже швидко мінералізується. Таким чином, за відношенням маси підстил­ки до кількості опаду зеленої частини можна робити висновок про інтенсивність розкладу органічної речовини.

Разом з кругообігом органічної речовини в процесі життєдіяль­ності рослинних організмів відбувається кругообіг хімічних елементів, вибірково захоплених рослинами з атмосфери, гідросфери і літосфе­ри. Накопичення і динаміка азоту і зольних елементів у біологічно­му кругообігу визначається продуктивністю рослинних угруповань, процентним вмістом і хімічним складом золи рослин, які склада­ють біоценоз.

Найбільша кількість азоту і зольних елементів міститься в ро­слинності вологих тропічних лісів (більше 10 000 кг/га), значним є вміст хімічних елементів у широколистяних лісах помірного поясу (5800 кг/га). У біомасі трав'янистої рослинності, порівняно з дерев­ною, вміст азоту і зольних елементів знижується, але не пропорційно зміні кількості біомаси, оскільки, накопичуючи меншу біомасу, тра­в'яниста рослинність має більш високу зольність, ніж лісова ро­слинність. Тому в степовій зоні в ґрунт щорічно надходить у 5 разів більше хімічних елементів, ніж у ялинниках південної тайги, і в 2,5 раза більше, ніж у дібровах.

Узагальнюючи найважливіші риси біологічного кругообігу, не­обхідно зазначити, що в географічному аспекті від тундри до тайги, широколистяних лісів і степів відбувається збільшення величини річного приросту рослин, а також активізується інтенсивність біо­логічного кругообігу від азотного через азотно-кальцієвий до азот­но-кремнієвого. У пустелях річна продукція органічної речовини різко знижується. В її біологічному циклі разом з азотом істотну роль відіграють галогени — хлор і натрій.

У поясі вологих субтропіків і тропіків річний приріст, ємність біологічного кругообігу зростає до максимальних величин. Біологіч­ний кругообіг характеризується високою інтенсивністю, переважан­ням азотно-кремнієвого типу хімізму з участю алюмінію, заліза, мар­ганцю. Кремнієві типи хімізму особливо поширені в екваторіально­му поясі. Вони характерні для тропічних лісів, саван, рідколісь, трав'янисте-дерев'янистих формацій тугайного типу; в помірному поясі — властиві внутріконтинентальним степовим областям.

Отже, відповідно до зростанням впливу сонячної енергії на по­верхню Землі від північних широт до південних відбувається збільшення біологічної продуктивності, інтенсивності і різноманіт­ності типів хімізму біологічного кругообігу елементів.

8.5 Грунти та їх роль у біосфері.

Ґрунтом називають тонкий поверхневий пухкий шар земної кори, що утворився внаслідок тривалої взаємодії рослинності, тваринного світу, мікроорганізмів, гірських порід, сонячного тепла і води. За­сновником наукового ґрунтознавства є видатний російський учений В.В. Докучаев (1846—1903 pp.). який вперше дав визначення термі­на "ґрунт", охарактеризував його основні ознаки і властивості, роз­крив суть процесу ґрунтоутворення, сформулював закони широтної та вертикальної зональності ґрунтового покриву.

На думку відомого російського вченого а області ґрунтознавства В.А. Ковди (1989 p.), ґрунтовий покрив є своєрідним "екраном жит­тя" на нашій планеті, подібним до озонового "екрану*'. Озоновий шар захищає життя на Землі від космічних променів. Ґрунти ж за­безпечують саме існування автотрофної рослинності і разом з нею підтримують умови для функціонування біосфери, численного світу гетеротрофних організмів різного рівня розвитку.

Багато вчених вважає, що ґрунтовий покрив і гумусова оболонка суші, мілководь і шельфу є загальнопланетарним утвором — педо-сферою, подібною до літосфери, гідросфери і атмосфери, з якими жи­ва речовина утворює біосферу планети. Педосфера є загально земною природною системою, що має здатність до саморозвитку, самоуправ­ління і створення умов для відновлення живої речовини. Враховую­чи це, розглянемо деякі особливості будови ґрунтів та їх значення в біосфері.

Добре розвинений або зрілий ґрунт має характерний профіль. У його будові простежується від верху до низу три-чотири основних горизонти, які позначаються індексами (буквами). Ці горизонти відрізняються за кольором, вологістю, структурою, щільністю, скла­дом і товщиною. Горизонт Н -- гумусовий -- є верхнім шаром ґрунту. Він містить найбільше органічних речовин і продуктів їх розкладу, які і надають йому чорного або темно-сірого забарвлення. Середній горизонт у чорноземних, каштанових, бурих, лучних і дер­нових ґрунтах позначають HP, він називається перехідним. Гори­зонт Р є безструктурною і позбавленою будь-якого вмісту гумусу ґрун-тоутворюючою, або материнською, породою. Це, як правило, вивітре­на осадова гірська порода, з якої відбувалося формування мінераль­ної товщі ґрунту.

Якщо ґрунти розвиваються під хвойним лісом і в умовах пере­важання кількості опадів над величиною випаровування, в їх профілі можуть сформуватися елювіальний та ілювіальний горизонти. Вони позначаються індексами відповідно Е та /. Елювіальний горизонт морфологічно добре виражений через своє білясте або світле забарв- лення, утворюється він в процесі Інтенсивного руйнування мінераль­ної частини ґрунту і вимивання продуктів руйнування в шари, що залягають нижче. Інколи опідзолення може розвиватися в нижній частині горизонту Н, де утворюється таким чином гумусово-елюві­альний горизонт НЕ або Не (ознаки опідзолення ще менше вира­жені). Ілювіальний горизонт формується під елювіальним або гуму­совим горизонтом і дуже добре виявляється внаслідок своєї підви­щеної щільності і бурого забарвлення. Цей колір йому надають ок­сиди заліза, алюмінію і марганцю, які вмиваються в нього з шарів, що залягають вище. Горизонти елювіальний (його ще називають горизонтом вимивання) та ілювіальний (або горизонт вмивання) особливо притаманні підзолистим, дерново-підзолистим і ясно-сірим лісовим ґрунтам.

Головні фактори, які впливають на формування ґрунтів, — це клімат, рослинність і ґрунтові організми, рельєф, материнські породи і час. Внаслідок їх сукупної дії сформувалися різні типи ґрунтів на поверхні землі (рис. 23).

Рис. 23. Співвідношення площ основних типів грунтів світу

Ґрунтовий покрив знаходиться на межі взаємодії літосфери, ат мосфери, гідросфери і біосфери. Одночасно він є компонентом біи сфери. Це зумовлює його специфічну роль у цій складній системі геосфер, його глобальні функції. В.А. Ковда і Б.Г. Розанов (1988 p.) виділяють п'ять глобальних функцій ґрунту.

1. Ґрунт забезпечує існування життя на Землі. Майже всі живі організми суші одержують елементи мінерального живлення з ґрун­ ту. Ґрунт є основою для закріплення вищих рослин, його населяють мікроорганізми, нижчі рослини, тваринні організми. Отже, ґрунт од­ ночасно е наслідком і умовою існування життя. У цьому полягає діалектична єдність біосферних процесів.

2. Ґрунт е сферою постійної взаємодії великого геологічного і малого біологічного кругообігу речовини на Землі. У ґрунті відбува­ ються процеси вивітрювання мінералів і гірських порід. Продукти вивітрювання частково виносяться атмосферними опадами в гідро­ графічну сітку, а звідси — до Світового океану, де вони утворюють осадові породи, які внаслідок тектонічних рухів можуть знову опи­ нитись на поверхні Землі і зазнати вивітрювання. За такою схемою відбувається великий геологічний кругообіг речовин.

Одночасно водорозчинні елементи засвоюються з ґрунту росли­нами і через ланцюг трофічних ланок знову повертається в ґрунт. Так здійснюється малий біологічний кругообіг речовин.

3. Ґрунт здійснює регулювання біосферних процесів на Землі. Завдяки динамічному відтворенню родючості в ґрунті і на його по­ верхні підтримується висока насиченість живими організмами.

4. Ґрунт здійснює акумуляцію активної органічної речовини і хімічної енергії. Основною формою органічної частини ґрунту і носієм енергії є гумус. Акумульовані в ґрунті органічна маса і енер­ гія економко витрачаються для підтримання життя і кругообігу ре­ човин у природі.

5. Ґрунт регулює хімічний склад атмосфери і гідросфери. Фізичні, хімічні і біологічні процеси, які відбуваються в ґрунті (дихання живих організмів, "дихання ґрунту", міграція хімічних елементів), підтри­ мують певний склад приземного шару атмосферного повітря та визна­ чають хімічний склад континентальних вод.

Ґрунтовий покрив відіграє функцію біологічного поглинача, руйнів­ника і нейтралізатора різних забруднювачів, які потрапляють у зем­лю або осідають на ній. Завдяки фільтруючій ролі ґрунтів і осадових гірських порід відбувається захист ґрунтових і підземних вод від за­бруднення побутовими відходами і токсичними хімічними речовина­ми. Але очищувальні й обеззаражувальні функції земель небезмежні, внаслідок тривалого і сильного забруднення вони припиняють вико­нувати роль природного фільтра в біосфері, продуктивність ґрунтів знижується, а інколи вони внаслідок такого антропогенного впливу стають непридатними для сільськогосподарського використання.

Таким чином, ґрунти є незамінним посередником між неживою і живою природою і дуже важливою ланкою в різноманітних круго-обІгах, які наскрізь пронизують географічну оболонку. Якщо ця ланка буде зруйнована або знищена (наприклад, ерозією ґрунтів або різни­ми антропогенними впливами), то природне функціонування біосфе­ри необоротно порушиться. Тому нині, коли землі повсюдно інтен­сивно використовуються для цілей землеробства та інших госпо­дарських потреб, особливо актуальною є охорона ґрунтів — важли­вої загальнопланетарної умови існування і відновлення живої речо­вини і життя на Землі.