Биогеохимические циклы

Химические элементы, составляющие основу жизни, бесконечно циркулируют между организмами, почвой, водой и атмосферой, и отслеживание этих циклов позволяет понять взаимосвязь экосистем и системы Земли.

Definition

Биогеохимические циклы — это пути, по которым химические элементы перемещаются и трансформируются между живыми организмами, почвенными, водными и атмосферными компонентами экосистем и системы Земли.

Scope

Эта тема охватывает глобальные и экосистемные циклы элементов, необходимых для жизни: круговорот углерода и его обмен между биосферой, атмосферой и океанами; круговорот азота с фиксацией, нитрификацией и денитрификацией; круговорот фосфора; круговорот серы; и гидрологический цикл как переносчик растворенных питательных веществ. В ней рассматриваются пулы и потоки, время пребывания и то, как деятельность человека изменила эти циклы.

Core questions

• Как углерод, азот и фосфор перемещаются между организмами и окружающей средой?
• Какие трансформации претерпевает каждый элемент в своем цикле?
• Как количественно оцениваются пулы и потоки и что определяет время пребывания?
• Как деятельность человека изменила глобальные биогеохимические циклы?

Key theories

Пулы, потоки и время пребывания

Каждый цикл описывается резервуарами элемента и потоками между ними, при этом отношение размера пула к потоку определяет время пребывания и показывает, какие компоненты быстро или медленно реагируют на возмущения.

Антропогенное изменение циклов элементов

Промышленная фиксация азота, сжигание ископаемого топлива и использование удобрений примерно удвоили поступление реактивного азота и существенно нарушили циклы углерода и фосфора, что привело к широкомасштабным экологическим последствиям.

Mechanisms

Элементы перемещаются между резервуарами посредством биологических трансформаций и физического транспорта. Углерод фиксируется в процессе фотосинтеза, возвращается в результате дыхания и разложения, а также обменивается с атмосферой и океанами; азот фиксируется из атмосферы специализированными микробами, преобразуется посредством нитрификации и ассимиляции и возвращается в воздух путем денитрификации; фосфор, не имеющий газовой фазы, медленно циркулирует через выветривание горных пород, поглощение и седиментацию. Размер каждого пула относительно входящих и исходящих потоков определяет скорость его оборота и его чувствительность к нарушениям.

Clinical relevance

Понимание биогеохимических процессов лежит в основе науки об изменении климата, управления эвтрофикацией, вызванной загрязнением питательными веществами, плодородия почв и использования удобрений, а также разработки политики по ограничению нарушений глобальных циклов элементов. Это образовательный контекст, а не предписание по управлению.

History

Вернадский сформулировал концепцию биосферы как геохимической силы в 1920-х годах, а Хатчинсон развил количественную биогеохимию в середине XX века. Озабоченность по поводу антропогенных нарушений возросла с исследованиями кислотных дождей, азотного каскада, описанного Галлоуэем, и роли глобального углеродного цикла в изменении климата.

Key figures

• Vladimir Vernadsky
• G. Evelyn Hutchinson
• William Schlesinger
• James Galloway

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

Почему круговорот фосфора отличается от круговорота углерода и азота?

Фосфор не имеет значимой газообразной формы, поэтому он не может циркулировать через атмосферу; вместо этого он медленно поступает в экосистемы в результате выветривания горных пород и в конечном итоге теряется в отложениях, что делает его часто лимитирующим питательным веществом.

Что такое азотный каскад?

Азотный каскад — это последовательность экологических эффектов, которые может вызвать один атом реактивного азота, перемещаясь через воздух, воду и почву, способствуя поочередно смогу, кислотным дождям, эвтрофикации и парниковому потеплению до денитрификации.