<<
>>

Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата


Определения
Полезно рассмотреть предмет биогеохимии с точки зрения путей возврата веществ в круговорот, поскольку такая рециркуляция воды и элементов питания — жизненно важный процесс в экосистемах, приобретающий большое значение и для человека.
Можно выделить пять основных путей возврата в круговорот: I) через микробное разложение в детритный комплекс; 2) через экскременты животных; 3) прямая передача от растения к растению микро- организмами-симбионтами, описанная в предыдущем разделе; 4) физическими процессами, в том числе прямым действием солнечной энергии; и 5) за счет энергии топлива, например при промышленной фиксации азота. Для рециркуляции требуется, чтобы рассеивалась энергия от какого-то источника, такого, как органическое вещество (пути I, 2, 3), солнечный свет (путь 4) или топливо (путь 5). Можно сравнить размеры возврата веществ в круговорот в разных экосистемах, рассчитывая коэффициент рециркуляции — соотношение суммарных количеств веществ, циркулирующих между разными блоками системы и общим потоком вещества через всю систему.
Объяснения
Уместно будет подробно рассмотреть круговорот элементов пита- ния в биологически активной части экосистемы. Вспомним, что так же была построена гл. 3, посвященная энергетике систем: сначала» мы рассматривали общие вопросы энергетики среды, а затем — судьбу той небольшой доли энергии, которая участвует в пищевой цепи. Кроме того, в конце главы следует рассмотреть биологическую регенерацию веществ еще и потому, что, как уже подчеркивалось, возврат различных веществ в круговорот должен стать одной из главных задач, которые необходимо решать человечеству..
Рис. 4.15. Пять основных путей возврата веществ в круговорот (I—5).
Рис. 4.15. Пять основных путей возврата веществ в круговорот (I—5). А—животные; M — свободноживущие микроорганизмы; S — симбиотические микроорганизмы; D — детритоядные. Энергия для путей I—3 поступает из органического вещества, а для путей 4—5 — от Солнца или топлива. Дальнейшие объяснения см. в тексте.


Основные пути возврата веществ в круговорот показаны на рис. 4.15. Согласно классическим представлениям, основными агентами регенерации элементов питания считались бактерии и грибы; действительно, в почвах умеренной зоны, где процесс регенерации лучше всего изучен, преобладает путь I (рис. 4.15). Сложные взаимодействия между бактериями и мелкими детритоядными животными довольно подробно описаны в гл. 2. Там, где мелкие растения, например трава или фитопланктон, активно выедаются животными, важную роль может играть путь возврата через экскременты животных (путь 2 на рис. 4.15). Иоханнес (Johannes, 1964) полагает, что в толще морской воды азот и фосфор регенерируются в основном из экскрементов животных; особо важную роль здесь играют мельчайшие животные (микрозоопланктон), которых невозможно задержать даже планктонными сетями и которые поэтому оставались вне поля зрения первых исследователей морских
сообществ. Измерения скорости оборота показывают, что зоопланк- тонные организмы за свою жизнь выделяют в воду в несколько раз больше элементов питания в растворимой форме, чем высвобождается в результате микробного разложения их трупов после их гибели (Harris, 1959; Rigler, 1961; Pomeroy et al., 1963, и многие другие работы).
В состав этих выделений входят растворимые неорганические и органические соединения фосфора, азота и, кроме того, СО2, которые могут непосредственно усваиваться продуцентами без предварительного разложения бактериями. Можно предположить, что и другие жизненно важные элементы питания регенерируются таким же образом.
Непосредственный возврат симбиотическими организмами (о чем говорилось в предыдущем разделе) обозначен на рис. 4.15 как путь 3. Можно предположить, что этот путь особенно важен в системах с низким содержанием элементов питания, или олиготроф- ных. Вода, как мы видели (разд. 4), возвращается в круговорот в результате прямого воздействия солнечной энергии, а в результате процессов выветривания и эрозии, связанных с потоками воды вниз по течению, элементы осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы (путь 4 на рис. 4.15). Человек вмешивается в ход циклов, когда он затрачивает энергию топлива на опреснение морской воды, производство удобрений или на получение из отходов различных металлов.
Наконец, следует отметить, что элементы питания могут высвобождаться из остатков растений и животных и из фекальных комочков даже без участия микроорганизмов, что доказано помещением этих материалов в стерильные условия. Этот способ возврата в круговорот можно назвать автолизом (саморастворением). В водных или влажных местообитаниях, особенно если погибшие растения и животные или неживые частицы малы (т. е. велико отношение их поверхности к объему), еще до начала разложения микроорганизмами может высвободиться от 25 до 75% элементов питания [см. обзор литературы (Johannes, 1968)). Автолиз можно считать шестым важным путем возврата, не требующим затрат метаболической энергии. Как уже подчеркивалось в гл. 3, работа по возвращению веществ в круговорот, осуществляемая механическими или физическими процессами, может служить энергетической субсидией для всей системы. Разрабатывая систему очистки бытовых и промышленных сточных вод, человек очень часто находит выгодным затратить механическую энергию для распыления органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Крупные животные также, без сомнения, способствуют высвобождению элементов питания из отмерших стволов, листьев и других крупных кусков детрита, механически размельчая их.
Возврат в круговорот — это не «безвозмездная» услуга, на нее почти всегда затрачивается энергия. Если источниками энергии

для возвращения служат солнечный свет и органическое вещество, то людям не приходится непосредственно затрачивать дорогостоящие виды топлива. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. Промышленные материалы (например, металлы), используемые в производстве,— совсем другое дело. Повторное их использование требует немалых затрат топлива и денежных средств, но, когда запасы этих материалов становятся ограниченными, другого выхода нет.
Коэффициент рециркуляции. Миграцию веществ внутри экосистем можно оценить по величине циркулирующей между отдельными блоками экосистемы массы материала в сравнении с массой вещества на входе в экосистему. Джордан, Клайн и Сэссер (Jordan, Kline, Sasser, 1972), предположив, что в лесах основная рециркуляция идет через деревья, использовали поток веществ через древесину для оценки количества кальция и марганца, циркулирующих в лесных экосистемах. Ho, как указал Финн (Finn, 197(3, 1978), такая оценка в лучшем случае сильно занижена, поскольку в лесу имеется много других субстратов и процессов для рециркуляции, особенно для сложных круговоротов, например круговорота азота. Финн предложил считать повторно используемую часть вещества суммой количеств, проходящих в круговороте через каждый отсек системы, и выдвинул понятие о коэффициенте рециркуляции:
ь TST
Здесь Cl — коэффициент рециркуляции, TSTc — рециркулируемая' доля потока вещества через систему и TST — общий поток вещества через систему. Последняя величина определяется как сумма всех поступлений вещества минус изменение его запасов в системе, (если это изменение отрицательно), или же суммарный выход вещества плюс изменение его запасов (если оно положительно). Для расчета потоков и коэффициентов рециркуляции Финн применил матричный анализ, подобный тому, который использовал Хэннон (Hannon, 1973) для анализа входов—выходов.
На примере двух разных блоковых моделей Финн (Finn, 1978) рассчитал коэффициент рециркуляции кальция в водосборных бассейнах Хаббард-Брука (см. рис. 4.7); он оказался равным 0,76— 80. Это означает, что около 80% общего потока кальция через систему используется в ней многократно. Для калия и азота коэффициенты рециркуляции оказались даже выше. В этом водосборном бассейне элементы питания по величине своего Cl располагаются, по-видимому, следующим образом (от высокого к низкому): Kgt;Nagt;Ngt;Cagt;Pgt;Mggt;S. Этот порядок связан с поступлениями каждого элемента извне, его подвижностью и потребностями в нем биоты. Коэффициенты, как правило, ниже для второстепенных. Заказ №. 1383
Рис. 4.16. А. Схема поясняет экологическую теорию возврата веществ в круговорот.

/>Рис. 4.16. А. Схема поясняет экологическую теорию возврата веществ в круговорот. Коэффициент возврата Cl бывает низким (0—10%) либо на ранних стадиях развития экосистемы (сукцессии), либо при изобилии ресурсов, либо в случае несущественных для жизни элементов. Cl высок (gt;50%) на зрелых стадиях развития экосистемы, при бедности ресурсов и в случае незаменимых для жизни элементов. Следует подчеркнуть, что для возврата веществ в круговорот требуется энергия (которая теряется безвозвратно). Б. Условия, не стимулирующие (вверху) и стимулирующие (внизу) вторичное использование бумаги. Вторичное использование бумаги выгодно для населения в целом, так как уменьшается вред, наносимый окружающей среде (лесам, рекам и земле), и налоги, идущие на очистку города. Для вторичного использования бумаги необходимо: I) участие горожан, 2) система сбора (модифицированная система сбора мусора), 3) склады для сортировки и хранения, 4) заводы по переработке макулатуры, 5) система транспорта макулатуры на завод, 6) рынок для использованной бумаги и 7) выгода для города или сокращение расходов по сравнению с тем, когда бумажные отходы просто вывозят на свалку.

элементов, например для свинца, или жизненно важных элементов, потребность в которых, однако, очень невелика по сравнению с их доступностью, например для меди. Элементы, которые человек считает ценными, например платина и золото, используются повторно на 90% или более. Как и следовало ожидать, коэффициент рециркуляции энергии (потока калорий) равен нулю, поскольку, как неоднократно подчеркивалось в этой книге, энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично.
Коэффициент рециркуляции не говорит о ее скорости, т. е. скорости, с которой вещества движутся по кругу. Эта скорость значительно выше в тропическом лесу или в теплом океане, чем в тундре или в холодном озере, но удовлетворительные способы ее количественного измерения пока не разработаны.
Повторное использование бумаги. Бумага — хороший пример рециркуляции в промышленно-городских системах, напоминающей рециркуляцию весьма важных элементов в природных системах. Как показано на рис. 4.16, А, рециркуляция в естественных экосистемах (коэффициент рециркуляции) возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов экосистем, или по мере обеднения ресурсов в среде на входе, или по мере накопления в среде на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, или же в ходе всех этих трех процессов вместе.
Пока мы имеем сколько угодно деревьев, бумажных фабрик и неиспользуемой земли для свалки ненужной бумаги, у нас нет стимулов к тому, чтобы затрачивать средства на технику и энергию, необходимые для повторного использования части бумаги, протекающей через город (рис. 4.16,Б). По мере того как в пригородах возрастает плотность населения, поднимается стоимость земли и сохранять свалки и места сброса отходов становится все труднее. Среда на входе также может оказывать давление, если запасы пригодной древесины или продукции фабрик неспособны удовлетворить спрос на бумагу. В обоих случаях оказывается «выгодно» подумать о вторичном использовании. Чтобы оно было успешным, должен существовать рынок сбыта для старых газет и картона, например фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика соответствует механизму экономии энергии путем рециркуляции или диссипативной структуре в природной экосистеме, например в экосистеме леса или кораллового рифа. Другими словами, ко всей системе приходится добавить новое, эмерджентное, свойство, если мы хотим, чтобы экономия, основанная на рециркуляции, была эффективной.
Ho слишком часто бывает, что из-за инерции и политической раздробленности (местные власти, власти графства, штата и всей страны) города берутся за повторное использование материалов слишком поздно и несут моральные и материальные убытки от использования устаревших методов.


<< | >>
Источник: Одум Ю.. Экология: В 2-х т. Т. I. 1986

Еще по теме Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата:

  1. Круговорот вещества пород
  2. 3.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ
  3. АНТРОПОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА
  4. Глава XVI. Круговорот веществ и энергии в водоемах. Самоочищение водоемов
  5. 6. Определение весовых коэффициентов (коэффициентов важности) критериев
  6. 1.3.2 Горькие, дубильные, красящие вещества, витамины, минеральныеи другие вещества пряно-ароматического сырья
  7. Круговорот воды
  8. 10.2. БЛОЧНАЯ МОДЕЛЬ КРУГОВОРОТА
  9. Биотический круговорот
  10. Глава VII. Круговорот углерода
  11. Круговорот второстепенных элементов
  12. Исторический              коэффициент
  13. Круговорот элементов питания в тропиках
  14. 1.6 Модели для коэффициента тепловой передачи.
  15. Определение весовых коэффициентов (индексов сложности)
  16. Весовые коэффициенты важности критериев
  17. Глобальные круговороты углерода и воды
  18. Интерпретация коэффициента валидности
  19. 6.1. Мощность установки и расходный коэффициент по сырью