PODSTAWY FUNKCJONOWANIA ŚRODOWISKA - CYKLE BIOGEOCHEMICZNE
Podstawą funkcjonowania ekosystemu jest przepływ energii i obiegi materii. Obieg materii dotyczy naturalnego krążenia pierwiastków chemicznych, przemieszczających się ze środowiska abiotycznego do organizmów żywych i z organizmów do środowiska.
Biogeochemiczne cykle, drogi obiegu składników pokarmowych, węgla i wody (cykl hydrologiczny) w biosferze, od środowiska do organizmów i z powrotem do środowiska.
Do najważniejszych cykli biogeochemicznych należą obiegi węgla, azotu, wody, tlenu, fosforu, siarki itd.
Na obieg azotu (cykl azotu), siarki i węgla (a także innych pierwiastków) coraz większy wpływ ma działalność przemysłowa człowieka, prowadząca do zaburzenia ich obiegu w biosferze (antropopresja). Każdy z pierwiastków chemicznych wchodzi w reakcje chemiczne, lecz całkowita jego ilość na Ziemi pozostaje stała.
Ziemia jako system przyrody 1. Ziemia stanowi system złożony z części składowych; 2. Poszczególne elementy systemu oddziałują na siebie; 3. Zjawiska w obrębie systemu zachodzą w różnych skalach czasowych i przestrzennych; 4. Powiązania pomiędzy poszczególnymi elementami systemu mogą być badane w oparciu o przepływ energii, cykl hydrologiczny i cykle biogeochemiczne; 5. Energia, woda i substancje chemiczne gromadzone są w systemie w różnych miejscach i pod różnymi postaciami, a także są przenoszone i przekształcane w wyniku różnorodnych zjawisk i procesów.
Antropopresja, oddziaływanie człowieka na środowisko przyrodnicze i występujące w nim biocenozy (zbiór populacji roślinnych (fitocenoza), zwierzęcych (zoocenoza) i drobnoustrojów glebowych żyjących w określonej przestrzeni czyli środowisku fizycznym (siedlisku, biotopie), tworzący układ samoregulujący się (homeostaza) i będący w stanie dynamicznej równowagi). Obecna antropopresja ma znaczenie zdecydowanie negatywne. Oddziaływanie na glebę to przede wszystkim zmniejszanie jej powierzchni przez trwałą zabudowę mieszkalną, przemysłową, drogową itp. W wyniku działalności górniczej gleby ulegają przesuszeniu, zabagnieniu, zasoleniu i skażeniu. Do antropopresji w rolnictwie należą: stosowanie nadmiernych ilości agrochemikaliów, wielkogabarytowego ciężkiego sprzętu, nadmiernie ugniatającego glebę, niewłaściwe zabiegi agrotechniczne, wypalanie ściernisk, uprawy wzdłuż spadku stoku oraz niewłaściwe zmianowanie roślin w ramach kompleksów glebowo-uprawowych. Ponadto glebom zagraża atmosfera, w którą wprowadzane są duże ilości zanieczyszczeń pochodzących ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego oraz ze spalin motoryzacyjnych. Bardzo duże jest również oddziaływanie na wody powierzchniowe, czego dowodzi katastrofalny stan czystości rzek, jezior, a nawet mórz. Dla roślin szkodliwe są: nadmierna wycinka drzew, nie zrównoważona odpowiednimi zalesieniami, zbieranie grzybów i jagód, pożary i nieracjonalny wypas. Antropopresja to także zanieczyszczanie rzek, zakładanie składowisk odpadów oraz nieodpowiedzialnie organizowana turystyka i rekreacja.
OBIEG WĘGLA Ze względu na swoje właściwości, węgiel jest podstawowym pierwiastkiem budulcowym wszystkich związków organicznych. W nich też gromadzi się energia promieniowania słonecznego wiązana w procesie fotosyntezy. Stąd też obieg węgla jest nierozerwalnie związany z procesami przepływu energii. Choć największym rezerwuarem węgla jest skorupa ziemska (skały, złoża paliw kopalnych), obieg tego pierwiastka jest typowym przykładem cyklu gazowego. Wynika to z ogromnej dynamiki gazowych związków węgla. Pierwiastek ten występuje w atmosferze głównie jako CO 2, a dodatkowo w postaci CO i CH 4. Czas wymiany węgla atmosferycznego wynosi 3 4 lata, co wiąże się głównie z asymilacją CO 2 przez rośliny i uwalnianiem związków węgla podczas oddychania organizmów wszystkich poziomów troficznych: producentów, konsumentów i destruentów. Procesy metaboliczne są tym samym podstawową siłą napędową krążenia węgla w biosferze.
Obieg azotu Głównym i niemal jedynym zbiornikiem azotu jest atmosfera, gdzie pierwiastek ten występuje przede wszystkim w formie cząsteczkowej (N 2 ) niedostępnej dla większości organizmów. Oprócz N 2 atmosfera zawiera niewielką ilość tlenków azotu (NO 2, NO i N 2 O) oraz amoniaku (NH 3 ). Dodatkowo, niewielka ilość N 2 jest wiązana podczas wyładowań atmosferycznych, zwiększając aktywną pulę azotu o 3 10 mln t/rok. Nieznaczny udział w dostarczaniu reaktywnych form azotu (głównie amoniaku) do atmosfery mają także aerozole morskie. Ekosystemy są zasilane w azot na drodze depozycji gazów i aerozoli z atmosfery oraz przez biologiczne wiązanie atmosferycznego N 2. Zdolność tę posiadają tylko nieliczne organizmy, głównie wolnożyjące i symbiotyczne bakterie oraz sinice. Większość roślin pobiera azot w postaci jonów NH 4+ lub NO 3 uwalnianych podczas rozkładu martwej materii organicznej.
Ruchliwe jony azotanowe są częściowo zmywane lub wymywane z gleb i zasilają ekosystemy wodne. Odpływ rzeczny azotu z lądów do mórz wraz z opadami stanowi ważne źródło zasilania oceanów. Większość azotu oceanicznego krąży w zamkniętym cyklu biotycznym z pominięciem fazy gazowej. Niewielka część tego pierwiastka ucieka do osadów dennych, gdzie w warunkach beztlenowych zachodzi denitryfikacja. Powrót azotu z ekosystemów do atmosfery odbywa się przede wszystkim poprzez denitryfikację, a w mniejszym stopniu poprzez ulatnianie się amoniaku. Udział człowieka w obiegu azotu polega na przemysłowym wiązaniu atmosferycznego N 2 do amoniaku, co umożliwia produkcję azotowych nawozów mineralnych. Wiązaniu N 2 sprzyja też uprawa roślin motylkowych i ryżu. Ilościowy sumaryczny udział człowieka w wiązaniu azotu jest porównywalny z działaniem procesów naturalnych. Działalność człowieka przyczynia się także do uwalniania różnych form azotu do atmosfery. W wyniku stosowania nawozów azotowych, hodowli zwierząt i spalania biomasy tempo emisji podtlenku azotu (N 2 O) wzrosło prawie dwukrotnie, amoniaku trzykrotnie, a tlenku i dwutlenku azotu - blisko siedmiokrotnie.
Obieg siarki Największym rezerwuarem siarki na Ziemi są osady denne, skały oraz oceany, gdzie pierwiastek ten występuje w soli morskiej w postaci siarczanów. Atmosferyczna pula siarki jest najmniejsza, jednak bardzo aktywna. Głównym źródłem naturalnych emisji siarki do atmosfery są oceany, produkujące rocznie ponad 140 mln t siarki w postaci aerozoli morskich, które przemieszczają się z prądami powietrza nad powierzchnię lądów. Ponadto z wód oceanicznych emitowane są gazy biogeniczne, głównie siarczek dwumetylu, powstający w wyniku dekompozycji planktonu oraz siarkowodór, pochodzący z beztlenowego rozkładu materii organicznej w strefie przydennej i z wybuchów wulkanicznych. Gazy biogeniczne mogą być emitowane także z lądów, głównie z obszarów podmokłych, jednak sumaryczna emisja naturalna jest ok. 10-krotnie niższa niż z powierzchni mórz i oceanów.
Większość gazowych związków siarki przebywa w atmosferze bardzo krótko (ok. kilku dni). Ulegają one szybkiemu utlenieniu, w wyniku którego powstają tlenki siarki, a po reakcji z wodą siarczany. Związki te są deponowane w ekosystemach za pośrednictwem opadów atmosferycznych. Rośliny pobierają przede wszystkim siarkę siarczanową powstającą w wyniku rozkładu materii organicznej oraz wietrzenia podłoża mineralnego. Obumarłe szczątki organizmów oraz produkty wietrzenia skał i erozji (głownie siarczany) odprowadzane są do mórz i oceanów za pośrednictwem rzek. Globalny cykl siarki został współcześnie zdominowany przez działalność człowieka, polegającą przede wszystkim na spalaniu paliw kopalnych oraz wydobyciu i przetwórstwie złóż siarki. Ocenia się, że człowiek wprowadza do obiegu ok. 100 mln t S/rok, głównie w postaci SO 2, który w naturalnym obiegu odgrywa znikomą rolę.
Obieg fosforu Zasoby nieorganicznego fosforu w skorupie ziemskiej obejmują głównie apatyty oraz fosforany wapnia, glinu i żelaza. Pula fosforu krążąca w atmosferze jest minimalna stanowi ją zawartość wywiewanego pyłu glebowego, który po krótkim pobycie trafia z powrotem na powierzchnię Ziemi. Większość roślin lądowych pobiera fosfor dzięki symbiozie korzeni z grzybami mikoryzowymi. Dostępność tego pierwiastka w środowisku jest bardzo ograniczona, stąd jego obieg w materii organicznej jest bardzo szczelny i przewyższa znacznie dopływy i straty z ekosystemów. Rzeki transportują rocznie 21 22 mln t fosforu do oceanów. Większość tej puli zostaje niemal od razu związana w osadach. Pozostała trafia do obiegu w ekosystemach morskich, gdzie związki fosforu są nieustannie wymieniane pomiędzy głównymi zbiornikami tego pierwiastka, którymi są: wody powierzchniowe, głębokie i organizmy morskie. Dzięki procesowi sedymentacji niewielka część krążącego fosforu trafia do osadów dennych.
OBIEG OŁOWIU Wszystkie metale, w tym również ołów, cechują się sedymentacyjnym typem obiegu. Ołów uznawany jest za pierwiastek niepotrzebny organizmom, a jednocześnie wysoce toksyczny. Ołów występuje przede wszystkim w kwaśnych skałach magmowych i utworach ilastych. Towarzyszy też często złożom polimetalicznym, m.in. siarczkom metali. Naturalnym źródłem emisji ołowiu są wulkany, ponadto jest produktem rozpadu promieniotwórczego radonu. Obieg ołowiu (podobnie jak kadmu i rtęci) jest całkowicie zdominowany przez działalność ludzką. Źródłem emisji antropogenicznych jest głównie spalanie benzyn ołowiowych oraz hutnictwo metali. Sumaryczna emisja ze źródeł antropogenicznych wynosi w skali roku ok. 460 tys. t Pb i jest kilkadziesiąt razy wyższa od naturalnej. Ok. 70% tej ilości osiada w postaci pyłu w ekosystemach lądowych. Ze względu na minimalną ruchliwość, ołów może gromadzić się w wierzchnich warstwach gleb, gdzie czas jego przebywania sięga 5 10 tys. lat. Pierwiastek ten wykazuje skłonność silnego wiązania się z materią organiczną.