Основные теоретические положения




ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1

 

ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

 

Цель работы: практически ознакомиться с методами оценки изменения биогеохимических циклов веществ.

Основные теоретические положения

Живое вещество по массе составляет 0,01—0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За то же время на планете фотосинтезируется 115∙109т сухого органического вещества и 123 • 109 т кислорода. Для этого требуется, чтобы 170∙109 т диоксида углерода прореагировало с 68 • 109 т воды. В процесс вовлекаются 6 • 109 т азота, 2 • 109 т фосфора, а также такие элементы, как калий, кальций, сера, железо.

Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.

Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (или круговоротами), причем «био» относится к живым организмам, а «гео» — к горным породам, воздуху и воде. Термин «биогеохимия» предложен академиком В. И. Вернадским.

В каждом цикле различают две части или два фонда:

• резервный фонд — большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

• подвижный, или обменный, фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле.

На рис. 1 показана схема биогеохимического цикла в сочетании с упрощенной схемой однонаправленного потока энергии, приводящего круговорот вещества в движение. В природе, в отличие от данной схемы, элементы никогда не бывают распределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду в одной и той же химической форме. Резервный фонд (часть круговорота, физически или химически отделенная от организмов) обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд изображен в виде заштрихованного кольца, идущего от автотрофов к гетеротрофам и затем возвращающегося к автотрофам.

Наличие больших резервных фондов (в виде атмосферы или океана) в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Так, избыток СО2, образовавшийся из-за интенсивного горения, достаточно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, усиленное образование диоксида углерода компенсируется увеличением его потребления растениями или превращением в карбонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю. Одума, «хорошо забуферены», так как их способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

 

Рис. 1. Схема биогеохимического круговорота (заштрихованное кольцо), совмещенная со схемой однонаправленного потока энергии (по Ю. Одуму): Рg — валовая продукция; Рп — чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в данной экосистеме либо экспортирована, например, для нужд человека; R — дыхание; Р — вторичная продукция

 

Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде — в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.

Антропогенное вмешательство в биосферные процессы порой так ускоряет движение многих веществ, что их круговороты становятся значительно менее совершенными или процесс теряет цикличность. Складываются различные противоестественные ситуации, например, в одних местах возникает недостаток каких-либо веществ, а в других — их избыток. В частности, добыча и переработка фосфатных пород ведется столь несовершенно, что вблизи шахт, карьеров и заводов создается сильное локальное загрязнение. Кроме того, в сельском хозяйстве используется все больше и больше фосфорных удобрений, а неизбежное попадание фосфатов в водоемы, за которым следует их эвтрофикация, никак не контролируется.

При оценке влияния деятельности человека на биогеохимические циклы важное значение имеют сравнительные объемы резервных фондов. Изменениям подвергаются в первую очередь самые малообъемные фонды.

Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете должны быть направлены на то, чтобы превратить нециклические процессы в циклические. В связи с этим основной целью должно быть возвращение веществ в круговорот, обеспечивающее их повторное использование.

Критерии техногенности

Техногенез – процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений [ГОСТ 17.5.1.01-78].

Некоторые загрязняющие вещества, попадающие в природную среду в результате человеческой деятельности могут сильно изменить существующий природный фоновый уровень содержания этого вещества.

Для оценки изменения природного круговорота веществ, вызванного антропогенной деятельностью в геохимии принято понятие технофильности, определяемое отношением ежегодной добычи данного химического элемента (в тоннах) Q1 к его кларковому содержанию в литосфере Kl.

Кларк химического элемента – числовая оценка среднего содержания химического элемента в земной коре, литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере ее живом веществ, земле в целом, в различных горных породах, космических объектах и т.п. Выражается в единицах массы (процентах, г/т и др.) или в атомных процентах.

Коэффициент технофильности1)(предложен А.И. Перельманом 1976) – характеризует степень использования элемента относительно его кларка, способствует правильному представлению о роли антропогенной геохимической деятельности на планете и техногенных потоков веществ в общем технобиогеохимическом потоке.

,

где Q1 – ежегодная добыча химического элемента в тоннах; Kl – кларк этого элемента в литосфере.

Более показательным является коэффициент , характеризующий отношение суммарных выбросов i-го вещества в рассматриваемую природную среду (в тоннах) к его кларковому содержанию в литосфере – коэффициент выброса в атмосферу

где Q2 – суммарные выбросы элемента в атмосферу тонн/год.

Для оценки приоритетности в «антропогенности» различных элементов, распространяющихся с аэрозолями введен коэффициент обогащения или фракционирования (по отношению к некому опорному элементу),

Ki – характеризует отношение концентрации исследуемого элемента к концентрации опорного элемента в пробе, нормированных к их кларковому содержанию.

В качестве опорного элемента выбраны рассеянные элементы, обладающие небольшими значениями (торий, цезий, скандий).

Задание для студентов.

Дайте сравнительную характеристику нарушенности биогеохимических циклов веществ и укажите их причины. Справочные данные приведены в таблицах приложения.

Вариант Вещества Вариант Вещества
  Fe, Al   Al, Se
  Cd, Fe   Al, Zn
  Sb, Fe   Al, Ag
  Br, Fe   Al, As
  Pb, Fe   Zn, Se
  Se, Fe   Zn, Pb
  Zn, Fe   Zn, Br
  Ag, Fe   Zn Sb
  As, Fe   Zn, Cd
  Al, Cd   Zn, Ag
  Al, Sb   As, Zn
  Al, Br   Pb, Cd
  Al, Pb   Pb, Br

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните роль живого вещества в преобразовании оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

2. Сформулируйте определение понятия «биогеохимические циклы», назовите их составляющие.

3. Приведите схему биогеохимического цикла.

4. Укажите характерные черты резервных фондов в круговоротах веществ. Приведите примеры.

5. Приведите характерные черты осадочных циклов веществ. Приведите примеры.

6. Объясните, к каким последствиям приводит антропогенное вмешательство в биосферные процессы. Приведите примеры.

7. Сформулируйте определения понятий «техногенез», «кларк химического элемента».

8. Объясните, как рассчитываются коэффициенты технофильности, и выброса веществ.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1 Величины, характеризующие технофильность элементов

 

Элемент Выбросы в атмосферу, т/год Q2 Среднее содержание в литосфере, % Kl
Cd 2,5×104 1,6×10-5
Sb 2,0×104 2,0×10-5
Br 2,0×105 2,2×10-5
Pb 1,0×106 1,6×10-3
Se 5,0×103 1,4×10-5
Zn 9,0×105 5,1×10-3
Ag 8,0×102 4,8×10-6
As 2,0×104 1,9×10-4
Fe 3,0×106 3,6
Al 1,4×106 8,0

 

Таблица 2 Коэффициенты фракционирования различных элементов (по отношению к Th)

в районах Средней Азии

Элемент (промышленный район) (фоновый район)
Sb 7,0×103 1,4×103
As 6,6×102 1,1×102
Hg 4,2×103 2,1×102
Cr 4,1×101 1,2×101
Br 6,4×103 8,9×103
Fe 6,0 2,7
Co 3,4×101 2,9×101
Zn 1,6×103 5,5×102
Cs 1,9×101 2,6×101
Cd 1,1×104 3,5×103
Mo 2,7×102 5,4×101
W 5,5×101 3,7×101
Se 2,5 3,8
Th 1,0 1,0

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: