Особенности содержания и миграции фосфора в природном сообществе агроэкосистем - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Особенности содержания и миграции фосфора в природном сообществе агроэкосистем

Переладов И.В. 1
1Курганский Государственный Университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовая работа имеет несколько теоретических назначений. Произведено обоснование практико-ориентированной деятельности в сельскохозяйственных экосистемах, агроценозах. Под деятельностью следует понимать часть целостной профессиональной подготовки студентов, направленной на освоение экологических знаний, приобретение умений и навыков по применению полученных знаний на практике, в процессе которой студенты учатся сохранять природные биогеоценозы, не нарушая их структуру, и преобразовывать окружающую среду.

Экосистемы – основные структурные единицы биосферы. Их изучение играет важную роль в современном мире. Большое значение в наше время имеет предотвращение деградации земель, эрозии почв, сохранение биологической продуктивности и природных ландшафтов. В следствии этого актуальность данной темы будет неизменна ещё очень долгое время.

Объектом изучения является фосфор в экосистеме агроценоза. Фосфор - это один из важнейших химических элементов в сфере сельского хозяйства. Главным образом необходимо показать то, насколько фосфор важен и к каким нарушениям экосистемы может привести переизбыток или недостаток даже одного химического элемента. Предметом исследования будет являться изучение таких вопросов, как экосистема, агроценоз, круговорот фосфора и его соединений, экологические проблемы.

Цель: разработка концепции подготовки к эколого-педагогической деятельности в системе непрерывного профессионального образования в новых социальных условиях, включая создание методической системы ее реализации.

Для обоснования проблемы необходимо дать полное описание исследуемой экосистемы и сделать вывод о том, как снизить, либо предотвратить негативное воздействие на агроценозы элементом фосфора.

Задачи:

1. Аналитическая, ее суть – проведение анализа состояния (изученности) проблемы, используя имеющиеся материалы исторического плана, либо какие-то факты;

2. Теоретико-моделирующая – разработка теоретических основ предмета исследования и модели влияния на него внешне средового фактора (факторов);

3. Методическая – подбор (разработка) методики исследования и описание объекта;

4. Прикладная, посвященная разработке методических рекомендаций.

Исходя из поставленных задач, можно определить методы исследования, которые будут использоваться в ходе работы:

Теоретические. К ним относится такие методы, как анализ, классификация, индукция, дедукция, идеализация.

Практические. Среди них методы описания, наблюдения, сравнения.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава 1. Экосистема агроценоза.

Экологическая система, или экосистема, — основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и неживая среда — компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле.

Термин «экосистема» впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Тенсли подчеркивал, что для экосистем характерен разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между органическим и неорганическим веществом. Это не только комплекс живых организмов, но и сочетание физических факторов. Таким образом, под экосистемой понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту веществ, устойчивую систему жизни.

В биосфере помимо естественных биогеоценозов и экосистем существуют сообщества, искусственно созданные хозяйственной деятельностью человека, — агроэкосистемы (агроценоз, агробиоценоз, сельскохозяйственная экосистема).

Агроценоз - искусственная экосистема, обладающая определённым видовым составом и определёнными взаимоотношениями между компонентами окружающей среды. Характерная особенность агроценоза — малая экологическая надежность, но высокая урожайность одного (нескольких) видов или сортов культивируемых растений или животных. Их высокая продуктивность обеспечивается интенсивной технологией подбора высокоурожайных растений, удобрений. Примерами таких экосистем, созданных человеком, являются поля, огороды, сады, парки, лесные насаждения, пастбища. Агробиоценозы занимают примерно 10 % всей поверхности суши (1,2 млрд га) и дают человечеству около 90% пищевой энергии.

Биоценозы и агроценозы имеют следующие сходства:

Являются открытыми системами.

Имеют сходную структуру (состоят из продуцентов, консументов и редуцентов).

В основе сообщества лежат продуценты (автотрофные организмы), непосредственно использующие энергию Солнца для синтеза органических веществ.

В биогеоценозах любого типа существуют цепи питания.

Рассмотрим отличительные особенности между природным биогеоценозом и агроценозом.

Таблица 1. Различия между природным биогеоценозом и агроценозом.

Агроценоз

Биогеоценоз

1. Искусственный подбор выращиваемых сельскохозяйственных культур

1. Сложившийся естественным образом видовой состав растений, животных, грибов, микроорганизмов

2. Источник энергии – солнечная энергия и человек (минеральное питание, полив, ядохимикаты)

2. Источник энергии – солнечная энергия

3. Видовой состав крайне малочисленный, преобладает монокультура

3. Видовой состав разнообразный

4. Численность одного или немногих видов явно преобладает над остальными в связи с деятельностью человека

4. Численность различных видов сбалансирована с помощью процессов саморегуляции

5. Пищевые цепи короткие

5. Пищевые цепи длинные

6. Обработка почвы ведется человеком

6. Преобразование почвы осуществляется естественным путем в результате жизнедеятельности организмов

7. Является неустойчивой системой, без помощи человека существовать не может

7. Является устойчивой природной системой

8. Органические вещества удаляются из системы человеком в качестве урожая, неполный (незамкнутый) круговорот веществ

8. Органические вещества остаются внутри системы, сбалансированный (замкнутый) круговорот веществ

9. Действие факторов эволюции искусственно ослаблено человеком

9. Внутри биогеоценоза факторы эволюции действуют активно

10. Высокая продуктивность

10. Низкая продуктивность

По сравнению с естественными биогеоценозами, агроценозы имеют ограниченный видовой состав растений и животных, не способны к самообновлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели в результате массового размножения вредителей или возбудителей болезней и требуют неустанной деятельности человека по их поддержанию.

В связи с постоянным изъятием урожая и нарушением процессов почвообразования, при длительном выращивании монокультуры на культурных землях постепенно происходит снижение плодородия почв. Данное положение в экологии называется законом убывающего плодородия. Таким образом, для расчетливого и рационального ведения сельского хозяйства необходимо учитывать обеднение почвенных ресурсов и сохранять плодородие почв с помощью улучшенной агротехники, рационального севооборота и других приемов.

В отношении к сообществам, складывающимся в агроэкосистемах, постепенно меняются акценты в связи с общим развитием экологических знаний. На смену представлениям об обрывочности, осколочности ценотических связей и предельной упрощенности агроценозов возникает понимание их сложной системной организации, где человек существенно влияет лишь на отдельные звенья, а вся система продолжает развиваться по естественным, природным законам.

Однако при неправильном ведении сельскохозяйственного производства происходит потеря плодородия почвы, её засоление, опустынивание огромных территорий и загрязнение окружающей среды. Массовая вырубка лесов под сельскохозяйственные угодья приводит к серьёзным негативным изменениям в биосфере.

С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный.. Основная стратегия создания высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его многообразия.

Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении заповедных территорий, не подвергающихся антропогенному воздействию. Заповедники с богатым видовым разнообразием являются источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

1.1.Состав экосистемы агроценоза.

В состав экосистемы входят живые организмы (их совокупность называют биогеоценозом или биотой экосистемы), и неживые (абиотические) факторы — атмосфера, вода, питательные элементы, свет и мертвое органическое вещество — детрит.

Агроценоз составляют организмы, обитающие на сельскохозяйственных угодьях: землях, занятых посевами и посадками культурных растений. Как в естественном биогеоценозе, так и в агроценозе комплексы организмов, входящие в его состав, формируют трофические цепи, также между ними возникают и другие типы взаимоотношений.

При создании агроценоза меняется исходный видовой состав растительноядных животных. Те животные, которые не питаются возделываемыми растениями, а условия их культивирования для них непригодны, исчезают или их популяции пребывают в подавленном состоянии. Напротив, те животные, которые в новых условиях находят благоприятные условия, размножаются и могут повреждать культурные растения. Таким образом, смена сообществ в агроценозе происходит при непосредственном участии человека и согласно его целям (например, уничтожение вредных насекомых, мышевидных грызунов и т. д.).

В естественных биоценозах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания. В агроценозе такой круговорот элементов резко нарушается, поскольку значительную их часть человек изымает с урожаем, и частичная первичная продукция больше не поступает в цепи питания. В результате постоянно приходится заботиться о поддержании плодородия почвы, внося минеральные и органические удобрения.

Обязательным звеном в этих цепях является человек, он создаёт условия для его высокой продуктивности, причем здесь он выступает как консумент первого порядка, и на нем пищевая цепь прерывается. Пищевые цепи агроценоза короткие, состоят их двух–трёх звеньев:

продуценты (культурные растения, травы сенокосов и пастбищ, деревья садов, лесопосадок и естественных лесов, входящих в агроценоз, а также сорняки),

консументы (человек и сельскохозяйственные животные. К консументам также относятся вредители полевых культур, паразиты, насекомые-опылители, птицы, грибы, бактерии),

редуценты (бактерии и грибы).

Например, в таком агроценозе как поле пшеницы, можно выделить следующих обитателей, принадлежащих к разным трофическим группам: рожь, пшеница, василек, полынь, одуванчик (продуценты); спорынья, нематоды, дождевые черви, слизни, полевки, жаворонки и т.д. (консументы); сапротрофные грибы и бактерии (редуценты).

1.2. Факторы, оказывающие влияние на экосистему агроценоза.

В естественных экосистемах основным источником энергии служит Солнце. В агроценозах наряду с солнечной энергией присутствует энергия, привносимая человеком — вспашка, полив, орошение, борьба с вредителями, внесение минеральных удобрений и т. д. Без такой дополнительной энергии существование агроценозов практически невозможно. К примеру, без участия человека агробиоценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, многолетних трав — 3 года, плодовых культур — 20 лет.

Антропогенным фактором, влияющим на биопродуктивность агроценоза, является внесение минеральных и органических удобрений. Минеральные удобрения — это неорганические соединения, содержащие высокие концентрации питательных веществ для растений в виде различных минеральных солей. Такие удобрения получают химическим путем. Минеральные удобрения могут содержать один макро- или микроэлемент питания — азот, фосфор, калий, магний, фтор, сера и т.п. Такие удобрения называются простыми или односторонними. Если удобрение содержит несколько элементов в виде соединения или смеси, то их называют комплексные или сложные. Минеральные удобрения применяются при недостатке в почве отдельных минеральных веществ.

Органические удобрения — к ним относятся удобрения животного и растительного происхождения содержащие в основном органические соединения. Эти соединения, при переработке микроорганизмами в почве, преобразуются в комплекс минеральных веществ, содержащих азот, фосфор, калий, кальций и другие элементы питания растений.

Некоторые органические удобрения содержат большое количество только одного из основных питательных веществ, например, в костной муке это фосфор; при этом в них часто отмечается небольшое содержание других полезных питательных веществ. Некоторые садоводы вносят органический материал, который улучшает структуру почвы и поддерживает жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, которые способствуют переходу питательных веществ в доступную для растений форму. Особенно быстро этот процесс протекает в теплую погоду, когда микроорганизмы являются наиболее активными.

Климат является важнейшим природным фактором, определяющим возможность выращивания сельскохозяйственных культур на конкретной территории. Оценка климата с позиций благоприятствования для произрастания культурных растений или откорма домашнего скота позволяет сделать вывод о том, какие культурные растения могут произрастать на конкретной территории. При оценке агроклиматических условий в первую очередь анализируют факторы жизни: воздух, свет, тепло, влага. При отсутствии хотя бы одного из них растения погибают.

Агроклиматические ресурсы территории оцениваются с помощью агроклиматических показателей, оказывающих существенное влияние на рост, развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур и определяющих обеспеченность растений главным образом теплом и влагой.

Температура, свет и влажность являются главными экологическими факторами, которые в естественных условиях оказывают наибольшее влияние на жизнедеятельность растений и которые действуют на них взаимосвязано. Недостаток или избыток тепла, света или влаги вызывают у растений различные отклонения и/или нарушения, которые могут усиливаться за счет взаимоналожения эффектов этих факторов.

В качестве основного агроклиматического показателя, определяющего ресурсы тепла и потребность в них сельскохозяйственных культур, принята сумма средних суточных значений температуры воздуха выше 10 °С, поскольку она характеризует период активной вегетации большинства растений.

Установлено, что при температуре ниже 12°С значительно ухудшается использование растениями фосфора, калия и микроэлементов из почвы и удобрений, а при температуре ниже 8°С заметно снижается также потребление минерального азота. Для большинства сельскохозяйственных культур температура 5-6°С является критической для поступления основных элементов питания в растения.

Повышение температуры до 25-28°С увеличивает активность фотосинтеза, а при дальнейшем ее росте начинает заметно преобладать дыхание над фотосинтезом, что приводит к снижению массы растений. Поэтому большинство сельскохозяйственных культур при температуре выше 30°С, растрачивая углеводы на дыхание не дают, как правило, прироста урожая.

График 1. Влияние температуры на интенсивность жизнедеятельности растений

Распределение света и тепла определяется интенсивностью солнечной радиации. Кроме степени освещенности на размещение растений и их развитие влияет длина светового дня. Растения длинного дня — ячмень, лен, овес — требуют более продолжительной освещенности, чем растения короткого дня — кукуруза, рис и т.д.

График 2. Влияние освещенности на развитие растений

Солнечный свет – один из наиболее важных для жизни растений экологических показателей. Он поглощается хлорофиллом и используется при построении первичного органического вещества.
Основными характеристиками света являются его спектральный состав, интенсивность, суточная и сезонная динамика.

По спектральному составу солнечный свет неоднороден (Приложение № 1. Шкала электромагнитного излучения) В него входят лучи, имеющие различную длину волны. Из всего спектра для жизни растений важна фотосинтетическая активная (380-710 нм) и физиологически активная радиация (300-800 нм). Причем, наибольшее значение имеют красные (720-600 нм) и оранжевые лучи (620-595 нм). Именно они являются основными поставщиками энергии для фотосинтеза и влияют на процессы, связанные с изменением скорости развития растения (избыток красной и оранжевой составляющей спектра задерживает переход растения к цветению). Синие и фиолетовые (490-380нм) лучи, кроме непосредственного участия в фотосинтезе, стимулируют образование белков и регулируют скорость развития растения. У растений, живущих в природе в условиях короткого дня, эти лучи ускоряют наступление периода цветения.
Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 315-380 нм задерживают «вытягивание» растений и стимулируют синтез некоторых витаминов, а ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280-315 нм повышают холодостойкость. Лишь желтые (595-565 нм) и зеленые (565-490 нм) не играют особой роли в жизни растений.

Важнейшим фактором жизни растений является вода. (График 3. Влияние увлажнения на интенсивность жизнедеятельности растений)

Роль воды определяется ее участием в процессе фотосинтеза, создания биомассы, терморегуляции растительного или животного организма, в транспортировке элементов питания и др. Разработаны и применяются разнообразные индикаторы, индексы и коэффициенты увлажнения, отражающие связь между приходом атмосферной влаги и ее возможным расходом (испаряемостью). В условиях достаточной влагообеспеченности растения максимально используют солнечное тепло и накапливают наибольшее количество биомассы. При недостатке влаги использование тепла ограничивается и тем больше, чем меньше влагообеспеченность, что приводит к снижению продуктивности.

Районирование территории по условиям влагообеспеченности обычно производится по показателю увлажнения, который чаще всего представляет собой отношение осадков к испаряемости. Из большого числа предложенных разными учеными показателей наиболее широко применяются гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (Приложение №2. Гидротермический коэффициент увлажнения Селянинова) , показатели увлажнения П.И. Колоскова, Д.И. Шашко, С.А. Сапожниковой.

График 3. Влияние увлажнения на интенсивность жизнедеятельности растений

Различные вредители и болезни сельскохозяйственных растений ежегодно уносят до 1/4 урожая. К вредителям относятся многие насекомые, клещи, нематоды (микроскопические круглые черви), моллюски, некоторые грызуны и отдельные виды птиц. Наиболее многочисленные и вредоносные из них — насекомые: жуки, бабочки, мухи, саранча, клопы, тли. Основные повреждения растениям наносят личинки. Для противостояния с вредителями сельскохозяйственных растений применяют агротехнические, физико-механические, химические и биологические методы борьбы.

Эрозия почв – это естественный процесс, который имеет место при любых климатических условиях на всех континентах, однако он существенно усиливается и ускоряется в результате нерациональной человеческой деятельности (до 1000 раз), такой как интенсивное сельское хозяйство, вырубка лесов, перевыпас скота и ненадлежащая смена типа землепользования.

Почвенная эрозия снижает сельскохозяйственную продуктивность, приводит к деградации экосистемных функций, усиливает гидрогеологические риски, такие как вероятность оползней и наводнений, приводит к значительному снижению биоразнообразия, повреждению городской инфраструктуры и, в тяжелых случаях, к вынужденному перемещению населения.

Интенсивное ведение сельского хозяйства и обезлесение являются основными причинами деградации земель, связанными с эрозией почв, в результате чего на больших площадях возникает риск потери плодородного верхнего слоя почвы. Наряду с утечкой сопутствующих питательных и химических веществ в водные объекты, это представляет серьезную угрозу для устойчивого сельскохозяйственного производства, охраны окружающей среды и продовольственной безопасности во многих регионах мира.

Ежегодно из-за эрозии почв мировое сельское хозяйство теряет свыше 36 млрд тонн плодородной почвы. Экономические издержки, сопряженные с эрозией почв как сельскохозяйственных угодий, так и вне их, оцениваются в 400 млрд долл. США в год. Интенсивность почвенной эрозии значительно превосходит скорость формирования почвы. Почва – это исчерпаемый ресурс, поскольку её потеря и деградация невосполнима за время человеческой жизни.

В настоящее время для защиты почвы от эрозии используются различные технологии и пути решения проблемы. Пожалуй, можно говорить о том, что наибольший эффект в борьбе за сохранение земель достигается при плоскорезной обработке почвы, посевы по стерне, использовании кулисных посевов, регулярном орошении и лесомелиорации.

Вывод: преимущество агроценоза по сравнению с естественными экосистемами неоспоримо и заключается в неограниченных потенциальных возможностях увеличения продуктивности. Однако их реализация возможна только при постоянном, научно обоснованном уходе за почвой, обеспечении растений влагой и элементами минерального питания, охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.

Глава 2. Роль элемента фосфор в природе и для социума

Фосфор — один из распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Фосфор входит в состав важнейших биологических соединений — фосфолипидов. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.

В атмосфере фосфор отсутствует, зато присутствует в литосфере и гидросфере. Фосфор в природе в больших количествах содержится в таких минералах горных пород, как фосфориты и апатиты. Известно более двухсот минералов, содержащих фосфор. Фосфатные месторождения обычно подразделяются на три группы: апатитовые месторождения, осадочные фосфориты и месторождения гуано.

Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение в промышленности. (Приложение №3. Схема сферы применения фосфора).Белый и черный фосфор широкого применения не имеет. Красный фосфор используют в производстве спичек, взрывчатых веществ, зажигательных составов, различных типов топлива.

Фосфорная кислота применяется для получения фосфорных и комплексных удобрений, кормовых фосфатов, синтетических моющих средств. Фосфорная кислота также используется в медицине и пищевой промышленности.

Большая часть производимой фосфорной кислоты идёт на получение фосфорных удобрений — суперфосфата, преципитата, аммофоски и др.Фосфорные удобрения увеличивают урожай и улучшают его качество, ускоряют созревание растений, повышают их устойчивость к полеганию и засухе.

2.1 Значение элемента фосфор для человека

В теле человека около 1% фосфора. Суточная потребность в фосфоре составляет 1-2 грамма для взрослого человека и 1,5-2,5 грамма для детей и подростков. Высокое его содержание в семенах тыквы, подсолнечника, мака, в красном мясе, молочных продуктах, рыбе, птице, хлебе, рисе

Большая часть фосфора (85%) находится в костях и зубах, остальное – в мягких тканях и жидкостях. Около 70% общего фосфора в плазме крови входит в органические фосфолипиды, около 30% - представлено неорганическими соединениями (10% соединения с белком, 5% комплексы с кальцием или магнием, остальное – анионы ортофосфата).

Фосфор как один из важнейших макроэлементов обеспечивает:

правильный рост клеток;

полноценное функционирование почек;

усвоение витаминов и некоторых других питательных веществ;

высвобождение энергии из продуктов питания;

обменные процессы;

работу нервной системы;

регуляцию кислотно-щелочного баланса;

активизацию ферментных реакций.

Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са3(РО4)2·Ca(OH)2. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Гипофосфатемия - это нарушение электролитного баланса, при котором в крови низкий уровень фосфата. Симптомы могут включать слабость, затрудненное дыхание и потерю аппетита. Осложнения могут включать судороги, кому, или размягчение костей.

Гиперфосфатемия – наоборот, в крови наблюдается повышенный уровень фосфата. У большинства людей симптомы отсутствуют, у других в мягких тканях образуются отложения кальция. Часто также наблюдается низкий уровень кальция, что может привести к мышечным спазмам.

При избытке или недостатке фосфора происходят нарушения в работе эндокринной, мочевыводящей и мышечной систем.

2.2 Значение элемента фосфор для растений, животных

природного сообщества

Фосфор в растениях представлен в минеральном (5-15%) и органическом (85-95%) виде. Минеральные соединения фосфора — фосфаты калия, кальция, магния и аммония. Органические соединения: нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды и фосфатопротеиды, аденозинфосфаты, сахарофосфаты, фосфатиды, фитин.Фосфор в растениях способствует обмену веществ, делению клеток, размножению, фотосинтезу, выработке энергии в виде АТФ. При недостатке фосфора наблюдается угнетенный рост, короткие и тонкие побеги, преждевременно опадающие листья.

Наибольшую потребность в фосфоре растения испытывают на самых ранних этапах своего развития, во время формирования корневой системы, а также в фазе цветения и образования плодов. Критической в отношении фосфорного питания для всех культур является фаза всходов, когда относительно слабая корневая система способна поглощать фосфорные соединения лишь на ограниченной территории. Недостаток элемента в этот период вызывает в дальнейшем патологические изменения в ростовых и репродуктивных процессах растений. 

Содержание фосфора в пахотном слое непостоянно и составляет от 0,05 до 0,25%, причем около 75 – 90% его общего количества представлены неорганическими труднорастворимыми соединениями (фосфаты железа, кальция, алюминия). Низкая подвижность фосфатов затрудняет их миграцию в почвенных горизонтах, вымывание, выветривание, поэтому они остаются в плодородных шарах грунта, но усваиваться культурами такие формы фосфора не могут. Доступным для растений остается только фосфор, который находится в почвенном растворе. При общем содержании элемента 1 т/1 га почвы его подвижные соединения составляют не более 1 кг/1 га. Поэтому из общих запасов фосфора, находящегося в корнеобитаемом слое, культуры способны усвоить лишь доступные для них 3 – 5% от общего количества.

В живой природе фосфор имеет исключительно важное значение, так как входит в состав животных и растительных белков. Фосфорсодержащие вещества растений используются человеком и животными. Фосфор – жизненно необходимый элемент – образует ряд соединений, называемых нуклеотидами, которые содержатся во всех клетках и являются компонентами более сложных структур, выполняющих основные функции в биоэнергетике и механизме наследственности.

Для животных фосфор обеспечивает нормальный рост костной и зубной ткани, принимает участие в жировом обмене, обеспечивает энергией АТФ. Физиологические процессы, протекающие в животном организме, постоянно связаны с химическими превращениями фосфорсодержащих веществ. Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов.

Вывод: в результате исследования, можно сделать вывод, что фосфор играет важную роль в природе и в жизни человека. Фосфор и его соединения содержится в животных и растениях, участвует во многих биохимических процессах организма. Он обеспечивает нормальный рост растений.

Глава 3. Круговорот элемента фосфор

Общий круговорот фосфора состоит из двух частей – наземной и морской. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море.

В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы (Приложение №4. Схема круговорота фосфора в природе по Ф.Рамаду, 1981).

Особенности миграции и аккумуляции фосфора в биосфере заключаются в практически полном отсутствии газообразных соединений в его биокруговороте. По этой причине он отсутствует в атмосфере.

Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является производство и использование фосфорных удобрений и детергентов (синтетических моющих средств). Избыток фосфорных удобрений вымывается в водоемы и исключается из круговорота.

3.1 Большой геологический круговорот элемента

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли.

Круговорот фосфора - пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфат-иона и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в форме органического фосфата.

По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.

Фосфор попадает в наземные экосистемы в процессе выветривания горных пород. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и, соответственно, в водные экосистемы. Циркуляция фосфора зависит от его запасов в горных породах и донных отложениях океанов. Значительная часть фосфатов, попавших в почву, выносится в моря и внутриматериковые озера. Там фосфаты потребляются водными растениями, а также откладываются на мелководье и в глубоководных осадках (Приложение №5. Схема малого и большого круговорота фосфора).При этом часть его оседает на глубине, формируя осадочные породы. Это замедляет круговорот фосфора на долгие годы, пока элемент снова не поднимется на поверхность земной коры. С поверхностным стоком в гидросферу поступает 3—4 млн. т. фосфата ежегодно.

Не стоит забывать, что на круговорот фосфора оказывает влияние его миграция между литосферой и гидросферой с помощью выветривания горных пород, жизнедеятельность человека, растений и животных, и многие другие факторы.

3.2 Биологический круговорот элемента

Фосфор является основой состава клеточных мембран и ферментов костных тканей и представляет собой основу протоплазмы всех живых организмов. В результате синтеза в тканях растений органические фосфорсодержащие соединения по трофическим цепям могут переходить в организмы консументов. В организмах позвоночных фосфор входит в состав костной ткани, дентина. В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом образующиеся фосфаты поступают в окружающую среду.

Фосфор находится в почве как в органической, так и в неорганической форме и поглощается растениями из почвенного раствора. Фосфор усваивается растениями в виде аниона фосфорной кислоты, главным образом, в виде дигидрофосфата. Гидрофосфат (HPO₄) также усваивается растениями, но в меньшей степени. Это связано с тем, что в условиях слабокислой реакции среды, растения имеют в своем распоряжении главным образом дигидрофосфат, значительно преобладающий над гидрофосфатом. В результате минерализации органического вещества почвы фосфор, содержащийся в природных органических соединениях, органических удобрениях и, переходит в легкоусвояемые растениями минеральные соединения.

Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества мертвых организмов, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями. После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и биогенного разрушения.

3.3 Экологические проблемы

Сложившийся за многие миллионы лет круговорот фосфора в биосфере в 20 веке оказался нарушенным. Основная причина — производство фосфорных удобрений и бытовых препаратов. С этой целью ежегодно добывается около 3 млн. тонн фосфорсодержащих горных пород.

Крупнейшим мировым производителем фосфатов является Китай, Марокко и США. Интенсивная добыча фосфора может вызывать такую экологическую проблему, как истощение природных ресурсов. В 2007 году, при текущих темпах потребления, запас фосфора, по оценкам, иссякнет через 345 лет. Однако некоторые ученые полагали, что «пик фосфора» произойдет через 30 лет, а Дана Корделл из Института устойчивого будущего сказала, что «при нынешних темпах запасы будут исчерпаны в следующие 50–100 лет».

Значительная часть этого фосфора смывается в гидросферу. Потери фосфора невелики, если природные водосборные бассейны рек не нарушены. С увеличением степени освоения данных бассейнов, т.е. с увеличением площадей, занятых городами и агросистемами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора. В результате от избытка фосфора начинается бурное развитие водорослей («цветение» воды). Попадая в водоёмы, фосфаты способствуют размножению сине-зеленых водорослей. Сине-зеленые водоросли покрывают поверхность водоёмов пленкой, препятствующей поступлению в воду кислорода и солнечного света. Разлагаясь, водоросли выделяют в воду в больших количествах метан, аммиак, сероводород, убивающие всё живое в водоёмах. Один грамм триполифосфатов (Na5Р3О10) способствует росту от пяти до десяти килограммов сине-зеленых водорослей. По имеющимся данным, каждый год в российские реки, озера и моря сливается 300-400 тыс. тонн триполифосфатов. В конечном итоге загрязнение водоемов ведет к гибели водных экосистем.

Таким образом, наиболее проблемным из всех круговоротов является круговорот фосфора. Это связано с тем, что возврат фосфора из гидросферы на сушу невелик и не восполняет потерь со стоком. Так же он может находиться в больших концентрациях во всех сферах жизни, помимо атмосферы. Сохранение биогеохимических циклов фосфора очень важно, так как из всех биогенных веществ, потребляемых живыми организмами в больших количествах, фосфор является самым малодоступным элементом биосферы. Если не принять необходимые меры, то в обозримом будущем возможно снижение пищевых ресурсов Земли.

Решение противоречивой проблемы — дефицита фосфора и эвтрофикация водоемов — разработка комплекса мер, направленных как на максимальное снижение потерь фосфора при переработке и внесении удобрений, так и на недопущение загрязнения окружающей среды соединениями фосфора.

Вывод: Исходя из данных, можно сказать, что круговорот фосфора не так уж прост. Он является одним из наиболее проблемных, так как возврат фосфора и его соединений из гидросферы обратно на сушу невелик. Также стоит учитывать его накопление в донных отложениях водоемов и возможная последующая эвтрофикация водоемов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги, можно говорить о том, что агроценозы являются наиболее эффективными для ведения сельского хозяйства, но поддержание этой системы требует дополнительной энергии со стороны человека. Очевидно, что системы, противоречащие естественным принципам и законам природы, неустойчивы. Необходим научно-обоснованный подход к процессам земледелия, а также охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.

Общая задача рационального управления природными ресурсами состоит в выборе наилучших, или оптимальных, способов эксплуатации естественных и искусственных экосистем. Причем под эксплуатацией понимается не только сбор урожая, но и воздействие теми или иными видами хозяйственной деятельности на условия существования природных биогеоценозов. Следовательно, рациональное использование природных ресурсов предполагает создание сбалансированного сельскохозяйственного производства, не истощающего почвенные и водные ресурсы и не загрязняющего землю и продукты питания; сохранение природных ландшафтов и обеспечение чистоты окружающей среды, сохранение нормального функционирования экосистем и их комплексов, поддержание биологического разнообразия природных сообществ на планете.

Настоящей проблемой является вырубка лесов для создания сельскохозяйственных угодий и деградация земель при их активном использовании. Мы обязаны сохранять природные ландшафты и не допускать эрозии существующих земель сельскохозяйственного назначения.

Актуальность темы подтверждается тем, что фосфор является очень важным элементом в природе и жизни человека. Однако его чрезмерное потребление приводит к концентрации элемента в литосфере и гидросфере. Не менее важна проблема добычи фосфора, которая приводит к серьезному истощению природных ресурсов.

В ходе работы была разработана концепция подготовки к эколого-педагогической деятельности, включая создание методической системы ее реализации. Представлено описание экосистемы агроценоза, а также факторов, оказывающих влияние на сельское хозяйство. Даны рекомендации по предотвращению негативного воздействия на агроэкосистемы.

Проделанная работа позволяет получить методическую информацию в сфере экологии и входящих в неё дисциплин. Знания могут применяться на практике, в ходе которой студенты учатся беречь природные биогеоценозы от возможного ухудшения или гибели. Важно не только знать о проблеме, но и знать, как её решить.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

И ИНТЕРНЕТ - ИСТОЧНИКОВ

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 2001 – 743 с.

2. Бродский А.К. Общая экология: учеб. для студ. ВУЗов.- М.: Проспект, 2008

3. Бродский, А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов / А.К. Бродский.- М.: Изд. Центр «Академия», 2016. - 256 с.

4. В.А. Вронский. Экология и окружающая среда: словарь – справочник, 2008. – 428 с.

5. Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Соловьев С.Н., Маскаев Ф.Н. Общая химия: Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений с углубленным изучением химии. - М.: Просвещение, 2005 – 303 с.

6. Днепровский А.С., Темникова Т.И. Теоретические основы органической химии. - Л.: Химия, 1979 – 519 с.

7. Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.

8. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс – М.: Дрофа, 2018 – 368с.

9 Исидоров, В.А. Экологическая химия /В.А.Исидоров. – СПб.: Химиздат, 2001, – 304с.

10. Некрасов Б.В. Основы общей химии. - M.: Химия, 1965. - 520 с.

11. Общая экология: Учебник для вузов /Автор-составитель А.С.Степановских. – М.: Юнити-Дана, 2000. – 510 с

12. Н. Ф. Реймерс. Экологизация. Введение в экологическую проблематику. -- М.: Изд-во РОУ, 1992. - 121 с.

13. Уиттекер, Р. Сообщества и экосистемы /Р.Уиттекер. – М.: Прогресс, 1980. – 327 с.

14. Шилов И.А. Экология: учебник / И. А. Шилов. - 7-е изд. - М.: Юрайт, 2011. - 512 с.

15. Агроценоз. - URL: https://ecoportal.info/agrocenoz/ (Дата обращения 24.12.2020)

16. Агроценоз. - URL: https://ru-ecology.info/term/54277/ (Дата обращения 24.12.2020)

17. Агроценозы. - URL: https://compendium.su/biology/ege/119.html (Дата обращения 18.01.2021)

18. Влияние теплового режима на рост растений и эффективность удобрений. -URL: https://www.activestudy.info/vliyanie-teplovogo-rezhima-na-rost-rastenij-i-effektivnost-udobrenij/ (Дата обращения 18.01.2021)

19. Загрязнения почв. - URL: http://www.fao.org/fao-stories/article/ru/c/1126980/ (Дата обращения 18.01.2021)

20. Круговорот фосфора. – URL: https://studref.com/532924/ekologiya/krugovorot_fosfora (Дата обращения 20.01.2021)

21. Круговорот фосфора. – URL: https://yandex.ru/turbo/syl.ru/s/article/306203/krugovorot-fosfora-krugovorot-kakih-veschestv-osuschestvlyaetsya-v-prirode (Дата обращения 19.01.2021)

22. Фосфор. – URL: https://okvitamin.org/vitaminy-i-mineraly/fosfor-tsennoe-veshchestvo-dlya-cheloveka.html

23. Фосфор. – URL: https://www.moydietolog.ru/fosfor (Дата обращения 20.01.2021)

24. Фосфорное питание растений. -URL: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/fosfornoe-pitanie-rasteniy/ (Дата обращения 19.01.2021)

25. Что такое агроценоз и каковы его особенности. - URL: https://compendium.su/biology/entrant/92.html (Дата обращения 24.12.2020)

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение №1

Приложение №2

Гидротермический коэффициент увлажнения Селянинова

Гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК) показывает уровень влагообеспеченности или влагонедостаточности территории.

Рассчитывается по формуле: К = R*10/Σt;

где R представляет собой сумму осадков в миллиметрах за период с температурами выше +10°C, Σt определяет сумму температур в градусах °C за то же время. ГТК таким образом является характеристикой увлажненности территории (влагообеспеченности). Согласно Селянинову, северная граница степной полосы определяется изолинией K = 1, а северная граница полупустыни ограничивается изолинией K = 0,5. ГТК для следующих регионов: o. Симушир = 4,4; Москва = 1,4; Одесса = 0,7; Ташкент = 0,1.

В целом, чем ниже ГТК, тем засушливее местность.

Приложение №3

Схема сферы применения фосфора

Приложение №4

Схема круговорота фосфора в природе по Ф. Рамаду, 1981

Приложение №5

Схема малого и большого круговорота фосфора

Просмотров работы: 20