วัฏจักรชีวธรณีเคมี

ธาตุเคมีที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตหมุนเวียนอย่างไม่สิ้นสุดระหว่างสิ่งมีชีวิต ดิน น้ำ และบรรยากาศ การติดตามวัฏจักรเหล่านี้เผยให้เห็นว่าระบบนิเวศและระบบโลกเชื่อมโยงกันอย่างไร

Definition

วัฏจักรชีวธรณีเคมีคือเส้นทางที่ธาตุเคมีเคลื่อนที่และเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างส่วนประกอบที่เป็นสิ่งมีชีวิต ดิน น้ำ และบรรยากาศของระบบนิเวศและระบบโลก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการหมุนเวียนของธาตุที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตในระดับโลกและระดับระบบนิเวศ ได้แก่ วัฏจักรคาร์บอนและการแลกเปลี่ยนระหว่างชีวมณฑล บรรยากาศ และมหาสมุทร; วัฏจักรไนโตรเจนพร้อมกับการตรึงไนโตรเจน การเกิดไนตริฟิเคชัน และการเกิดดีไนตริฟิเคชัน; วัฏจักรฟอสฟอรัส; วัฏจักรกำมะถัน; และวัฏจักรของน้ำในฐานะตัวพาธาตุอาหารที่ละลายน้ำได้ หัวข้อนี้กล่าวถึงแหล่งสะสม (pools) และอัตราการไหลเวียน (fluxes) ระยะเวลาการคงอยู่ (residence times) และวิธีที่กิจกรรมของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรเหล่านี้

Core questions

• คาร์บอน ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส เคลื่อนที่ระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร?
• ธาตุแต่ละชนิดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรในวัฏจักรของมัน?
• แหล่งสะสมและอัตราการไหลเวียนถูกวัดปริมาณอย่างไร และอะไรเป็นตัวกำหนดระยะเวลาการคงอยู่?
• กิจกรรมของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรชีวธรณีเคมีทั่วโลกอย่างไร?

Key theories

แหล่งสะสม อัตราการไหลเวียน และระยะเวลาการคงอยู่

แต่ละวัฏจักรถูกอธิบายด้วยแหล่งสะสมของธาตุและอัตราการไหลเวียนระหว่างกัน โดยอัตราส่วนของขนาดแหล่งสะสมต่ออัตราการไหลเวียนจะเป็นตัวกำหนดระยะเวลาการคงอยู่ และเผยให้เห็นว่าส่วนประกอบใดตอบสนองต่อการรบกวนได้เร็วหรือช้า

การเปลี่ยนแปลงวัฏจักรธาตุโดยมนุษย์

การตรึงไนโตรเจนทางอุตสาหกรรม การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล และการใช้ปุ๋ย ได้เพิ่มปริมาณไนโตรเจนที่ทำปฏิกิริยาได้เป็นสองเท่าโดยประมาณ และรบกวนวัฏจักรคาร์บอนและฟอสฟอรัสอย่างมาก ซึ่งส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศในวงกว้าง

Mechanisms

ธาตุต่างๆ เคลื่อนที่ระหว่างแหล่งสะสมผ่านการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพและการขนส่งทางกายภาพ คาร์บอนถูกตรึงโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง ถูกส่งคืนโดยการหายใจและการย่อยสลาย และแลกเปลี่ยนกับบรรยากาศและมหาสมุทร; ไนโตรเจนถูกตรึงจากบรรยากาศโดยจุลินทรีย์เฉพาะทาง ถูกเปลี่ยนผ่านการเกิดไนตริฟิเคชันและการดูดซึม และถูกส่งคืนสู่อากาศโดยการเกิดดีไนตริฟิเคชัน; ฟอสฟอรัสซึ่งไม่มีสถานะเป็นแก๊ส จะหมุนเวียนอย่างช้าๆ ผ่านการผุพังของหิน การดูดซึม และการตกตะกอน ขนาดของแหล่งสะสมแต่ละแห่งเมื่อเทียบกับอัตราการไหลเข้าและออกจะเป็นตัวกำหนดว่ามีการหมุนเวียนเร็วเพียงใดและมีความไวต่อการรบกวนมากน้อยเพียงใด

Clinical relevance

ความเข้าใจด้านชีวธรณีเคมีเป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การจัดการภาวะยูโทรฟิเคชันจากมลพิษทางธาตุอาหาร ความอุดมสมบูรณ์ของดินและการใช้ปุ๋ย และการออกแบบนโยบายเพื่อจำกัดการรบกวนวัฏจักรธาตุทั่วโลก นี่คือบริบททางการศึกษา ไม่ใช่ข้อกำหนดในการจัดการ

History

เวอร์นาดสกีได้กำหนดให้ชีวมณฑลเป็นแรงทางธรณีเคมีในช่วงทศวรรษ 1920 และฮัทชินสันได้พัฒนาชีวธรณีเคมีเชิงปริมาณในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ความกังวลเกี่ยวกับการรบกวนของมนุษย์เพิ่มขึ้นจากการศึกษาฝนกรด การไหลเวียนของไนโตรเจน (nitrogen cascade) ที่อธิบายโดยกัลโลเวย์ และบทบาทของวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกในการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

Key figures

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

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

ทำไมวัฏจักรฟอสฟอรัสจึงแตกต่างจากคาร์บอนและไนโตรเจน?

ฟอสฟอรัสไม่มีสถานะเป็นแก๊สที่สำคัญ จึงไม่สามารถหมุนเวียนผ่านบรรยากาศได้ แต่จะเข้าสู่ระบบนิเวศอย่างช้าๆ ผ่านการผุพังของหิน และในที่สุดก็สูญเสียไปสู่ตะกอน ทำให้เป็นธาตุอาหารจำกัดที่พบบ่อย

การไหลเวียนของไนโตรเจน (nitrogen cascade) คืออะไร?

การไหลเวียนของไนโตรเจนคือลำดับของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อะตอมเดี่ยวของไนโตรเจนที่ทำปฏิกิริยาได้สามารถก่อให้เกิดได้เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านอากาศ น้ำ และดิน โดยมีส่วนทำให้เกิดหมอกควัน ฝนกรด ภาวะยูโทรฟิเคชัน และภาวะโลกร้อนจากก๊าซเรือนกระจก ก่อนที่จะถูกดีไนตริฟิเคชัน