Биологический и геологический круговороты веществ

Солнечная энергия вызывает также  планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический, сезонный характер. Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный, круговорот вещества, перераспределяющий энергию, поступающую от Солнца. Он осуществляется через систему более мелких, локальных, круговоротов. К этим циклам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ.

Любой малый биологический круговорот вещества характеризуется многократным включением атомов в тела живых организмов и выходом их в непосредственно окружающую среду, откуда они вновь могут быть использованы организмами. Скорости этих включений и время удержания атомов в составе биомассы для каждой конкретной экосистемы различны.

Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки  лет, а в водных экосистемах — несколько дней или недель.

Биологический круговорот суши и биологический  круговорот гидросферы объединяют круговороты  отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно большую роль циркуляция атмосферы и воды играет в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы. Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы в глубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории метаморфизированные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот [13, c. 80].

Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго.

Однако стабильность биосферы имеет  определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на поверхности Земли космической энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения.

Однако в настоящее время  на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия на поверхностные  оболочки планеты почти не уступающая суммарному действию живых организмов. Эта сила – человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.п.).

Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества. Эти изменения на данном этапе еще не являются непоправимыми. Поэтому одна из основных задач современной экологии — это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования. Основные законы функционирования биосферы уже вырисовываются, но предстоит еще многое сделать объединенными усилиями экологов всех стран мира.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И  МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Методика  учёта динамики фитомассы 

Для характеристики динамики органического вещества необходимо получить следующие данные.

Биологический запас (или, для краткости, фитомасса) – общее количество живого, органического вещества растений, накопленное к данному моменту ждзадземной и подземной сфере сообщества, с разделением на многолетние надземные части (стволы, ветви, многолетние одревесневшие побеги полукустарничков, долголетняя хвоя и листья), однолетние надземные части (однолетние листья или хвоя, цветки, плоды, однолетние ассимилирующие побеги и т. п.) и подземные части (корни, корневища, клубни, луковицы) [8, c. 12].

Мертвое растительное органическое вещество – сумма органического вещества, заключенного в сухостойных особях (погибшие, но еще не упавшие деревья, кустарники и т. д.), в отмерших органах (сухие, но не отпавшие ветви на деревьях и кустах, ветошь у травянистых растений), а также накопившегося в лесной подстилке, в торфяном горизонте почв, в степной подстилке и т. п.

Опад – количество органического вещества, заключенное во всех ежегодно отмирающих частях растений надземной и подземной сфер сообщества, а также в особях или отдельных частях их, отмерших в процессе старения или естественного изреживания (по таким же структурным частям).

Истинный прирост – количество органического вещества, остающееся в сообществе в результате годичного прироста, за вычетом опада (по структурным частям). Это имеет место в сообществах, не достигших динамического равновесия со средой, после чего количества нарастающего и отмирающего органического вещества уравновешиваются. Наоборот, в сообществах, достигших критического возраста, например в лесах, может происходить снижение величины прироста многолетних органов сравнительно с количеством отмирающих, и тогда величина истинного прироста получит отрицательный знак.

Создание и отмирание органической массы в различных растительных формациях представляет процесс, протекающий  в различные сезоны вегетационного периода с неодинаковой интенсивностью. Кроме того, на интенсивность этих процессов оказывают влияние погодные условия различных лет. Сказанное определяет необходимость динамического подхода к определению массы органического вещества и его качественного состава. создаваемого растительными сообществами, а затем поступающего на почву и в почву по мере отмирания частей растений, как отдельных членов исследуемого растительного сообщества, так и их совокупности.

Ход процессов синтеза и отмирания  органического вещества зависит  от особенностей строения растительных сообществ. Поэтому требуется применение различных вариантов методик для изучения этого процесса. На последующих страницах будут описаны методы учета органической

В соответствии с изложенными принципами для учета фнтомассы и динамики органического вещества в лесных биоценозах следует в каждом изучаемом типе леса закладывать ряд постоянных опытных площадок. Пробные площади должны быть заложены в условиях одного типа. Насаждения должны быть одновозрастными или хотя бы условно одновозрастными, где возраст древостоя колеблется в пределах одного класса возраста [8, c. 13].

Учет фитомассы древостоя. Выбор модельных деревьев для учета фитомассы надо производить, строго следуя требованиям лесотаксационных. На каждой пробной площади производят перечет и нумерацию всех растущих. При помощи мерной вилки измеряют диаметр с точностью до 1 см на высоте груди (1 м 30 см от уровня почвы) в двух направлениях. Затем, пользуясь соответствующими справочниками, вычисляют общую площадь сечения и средний диаметр отдельно для деревьев господствующего и подчиненных ярусов каждой породы. Данные о суммарной площади сечения используют для вычисления полноты насаждения. Одновременно производят замеры высот деревьев с помощью высотомера. Берется по 2-3 модельных дерева для господствующего и подчиненного ярусов каждой породы. Модельные деревья спиливают у самого основания, измеряют их длину, определяют по годичным кольцам возраст. Со ствола обрубают все ветви, разделяя на живые и отмершие и складывают их на брезент. Крону при этом желательно разделить на три равные части и ветви каждой трети сложить отдельно и возможно быстрее взвесить вместе с листьями (хвоей). Из каждой трети кроны отбирается по нескольку (3-5) средних по размерам веток для последующего отделения листьев или хвои и других учетов [8, c. 20].

Отобранные уже ранее средние ветви из каждой трети кроны немедленно взвешивают. После этого с них обрывают листья (хвою), взвешивают снова и по разности веса облиственных (охвоенных) и голых ветвей определяют вес листьев (хвои). Этот способ предпочтительнее, чем непосредственное взвешивание листьев (хвои), которые за время работы по обрыванию теряют много влаги. Далее с разобранных таким образом по возрастам ветвей обрывают всю хвою и взвешивают в сыром и абсолютно сухом виде.

Учет фитомассы травяно-кустарничкового  и мохово-лишайникового покрова. На каждой исследуемой пробной площади (или вне ее в аналогичных условиях) закладывают по 10 учетных площадок 1 м² каждая. На выбранные площадки накладывают шаблон с внутренним сечением в 1 м² и затем срезают весь растительный покров вровень с поверхностью почвы. Срезанные растения разбираются по видам, а также разделяются на листья и многолетние стебли. Отделяются сухие растения, отдельно определяется прирост текущего года у вечнозеленых кустарничков и мхов. Затем определяется граница живых и отмерших мхов, для чего побуревшая их часть берется послойно с мощностью слоя 1 см. В лаборатории на основании степени разложения мха определяется принадлежность взятых слоев к живым или отмершим мхам. Все пробы взвешиваются и высушиваются.

Для определения органической массы  плодов и семян в травино-кустарничковом покрове следует раздельно учитывать  вегетативные и генеративные особи  каждого вида. Учет корневых масс травянистых  растений производится методом монолитов с отмывкой на ситах с ячейками 0.25 мм; повторность трехкратная. При этом древесные корни и корни кустарников отбрасываются. Луковицы, клубни и корневища следует учитывать особо (не соединять их с корнями). Также отдельно надо делать их химический анализ. Прирост трав в надземной части принимается равным запасу фитомассы трав, а прирост их корней — равным 30% от запаса корней [8, c. 25].

Количественный учет органической массы сельскохозяйственных культур и круговорот зольных элементов и азота в системе почва-растение- почва имеет большое значение для изучения процессов почвообразования и плодородия почвы, а также для решения многих задач в практике сельского хозяйства, в частности вопросов удобрения сельскохозяйственных культур, их размещения и чередования в севооборотах.

Для определения массы органического  вещества сельскохозяйственных культур  обычно применяются методики, которые  используются при изучении фитомассы  растений в естественных ассоциациях. Сельскохозяйственные культуры в отличие от растений в естественных ассоциациях размещаются на площади в строго определенном порядке, и, кроме того, значительная часть их надземной массы вместе с урожаем отчуждается с места произрастания, не принимая непосредственного участия в круговороте элементов. С другой стороны, во время вспашки часть наземной массы растений, которая остается на поверхности после уборки урожая,  попадает в почву [8. c. 27].

Таким образом, при изучении биологического круговорота элементов в посевах  сельскохозяйственных культур необходимо учитывать характер размещения растений на поверхности и раздельно определять: 1) надземную массу растений, которая отчуждается с урожаем; 2) надземную часть растений, остающуюся на поверхности после уборки урожая; 3) массу корней растений. Количественный учет органической массы надземной части растений проводится во время созревания и уборки культуры

Фптомасса посева сельскохозяйственных культур состоит из органической массы (надземной и подземной) собственно сельскохозяйственных растений и сорных растений. Учет тех и других производится на специальных площадках путем срезания растении под корень. В дальнейшем производится разбор растений по видам п по структурным элементам. Метод учета корней изложен ниже.

В деляночных опытах в зависимости от размера делянок отчуждаемая часть урожая определяется или методом сплошного учета, или на пробных площадках, как в хозяйственном посеве. В урожае раздельно учитываются зерно, клубни, корнеплоды, початки кукурузы и корзинки подсолнуха, солома, сено, используемые на силос части ботвы, листьев и т. д.

Часть надземной массы растений, которая остается на поверхности  почвы после уборки урожая (стерня, крупные стебли, листья, недозрелые плоды, семена, а также сорные растения и пр.), определяется на тех же пробных площадках.

Для изучения биологического круговорота  азота и зольных элементов  особенно большое значение имеет  точный учет массы корней сельскохозяйственных культур. В практике определения  количества корней используются, например, образцы размером 25x25 см. Учитывая вышеуказанные особенности сельскохозяйственных культур, рекомендуется отмывать их корни из ненарушенных, монолитных образцов прямоугольной формы, размеры которых соответствуют или кратны ширине междурядий в посеве. Чтобы избежать разрыва корней в процессе отмывки, последняя производится после предварительного размокания почвы в воде [8, c. 31].

Органическая масса прироста посева сельскохозяйственных культур состоит  из следующих слагаемых: а) собственно сельскохозяйственные растения в  период уборки урожая; б) сорняки в этот же период; в) сельскохозяйственные растения, удаленные при прореживании и других агро-техничесних обработках за период вегетации; г) сорные растения, удаленные во время прополок за период вегетации; д) опавшие органы растений (листья, неоплодотворенные завязи, недоразвившиеся плоды и пр.); е) отмершие, но сохранившиеся на растениях органы.

2.2. Методика  построения баланса биологического  круговорота