Контрасты в круговороте питательных веществ

  К этому положению лучше всего подойти через изучение ор­ганизации циклов питательных веществ — наземного и оке­анского — в сопоставимых масштабах времени и про­странства. Питательные вещества определяются как хими­ческие элементы или ионы, используемые растительной живой клеткой для построения панциря или ткани. В мор­ском мире эти питательные вещества растворены в воде в виде ионов солей или других соединений; главными составляющими являются нитраты (NO3-) , фосфаты (РО43-), угле­род и карбонаты (которые образуются в основном из рас­творенного углекислого газа С02) и силикаты (в основном кремнекислота Si(OH)4).

Наземный цикл

  В типичной наземной обстановке — в поле или на лугу — растения получают питательные вещества и возвращают их в почву за один год, т.е. в течение годового цикла роста. Имеются и исключения: тропические леса восстанавливают опавшую листву быстрее, тогда как леса умеренного пояса накапливают гумус (отмерший органический материал) в те­чение более длительного времени. С точки зрения про­странства наземная система возвращает питательные ве­щества в то же место, где они были взяты.

Морской цикл

  Наоборот, морская система круговорота питательных ве­ществ контролируется механизмами, действующими долгое время — сотни лет — ив пространстве глобального мас­штаба. Ключом к пониманию этих огромных различий слу­жат два фактора: 1) океан должен вести себя как двухслой­ная жидкая система и 2) механизм, перемешивающий эти два слоя, действует в пространстве глобального масштаба. На рисунке 2.4 схематически показана работа этой системы.

Продольный разрез Ат¬лантического океана в меридиональ¬ном направлении, показывающий двухслойное строение, типичное для открытых океанов

Рисунок 2.4. Продольный разрез Ат­лантического океана в меридиональ­ном направлении, показывающий двухслойное строение, типичное для открытых океанов. Жирной штрихо­вой линией обозначен раздел между двумя слоями воды. Органические частицы, опускающиеся из теплого поверхностного слоя, растворяются в глубинном слое, и для их возвра­щения к поверхности требуются сот­ни лет.

 

  Верхний слой нагревается солнечным светом; ясно, что в экваториальных районах это нагревание сильнее, чем в по­лярных. Вместе с определенной системой дующих у поверх­ности ветров солнечный нагрев создает в океане верхний слой, толщина которого у экватора составляет около 300 м, в центральных частях океанов возрастает, возможно, до 600-800 м, а затем уменьшается до нуля в полярных широ­тах, где солнечный нагрев также слабее. Все это иллюстри­рует рисунок 2.4.

  Теплый поверхностный слой подстилается мощным сло­ем холодной и плотной морской воды. Этот слой достигает самых глубоких участков океанических бассейнов, и его тем­пература в большинстве случаев ниже 4°С; фактически большая часть всей воды в океане имеет температуру ниже 2°С! Следовательно, мы можем определить положение зоны, разделяющей два слоя, измеряя температуру последова­тельно на разных глубинах столба морской воды. Когда датчик температуры зафиксирует быстрое изменение в сто­рону более низких температур, это и будет зона раздела; мы называем ее термоклином (см., например, рисунок 8.3).

  Другой способ найти границу между двумя слоями в оке­ане — проводить измерения с помощью прибора, определя­ющего плотность морской воды. Действительно, именно разность плотностей двух слоев препятствует их быстрому перемешиванию и тем самым объясняет, почему для осу­ществления морского цикла питательных веществ требуется долгое время.

  На рисунке 2.4 показано, каким образом в двухслойном оке­ане развивается периодическая циркуляция и вода в конеч­ном счете перемешивается. Теплые поверхностные воды сгоняются по направлению к полюсам, перенося избыточ­ное солнечное тепло к полярным районам, где нагрев недо­статочен. Вблизи Гренландии на севере и Антарктиды на юге поверхностные воды остывают настолько, что их плот­ность возрастает, и они опускаются во внутреннюю часть океана, становясь глубинными водными массами. Послед­ние расходятся по всему океану, заполняя все глубинные части бассейна. В конце концов глубинная вода возвращает­ся к поверхности, в частности в зонах так называемого ап­веллинга. Этим и заканчивается цикл. В Атлантическом оке­ане он продолжается примерно 700 лет, а в Тихом — около 2500 лет.

  Как влияет этот длительный цикл на круговорот пита­тельных веществ? Отметим еще раз, что вся протоплазма тяжелее морской воды, особенно в соединении с материа­лом, составляющим скелет. Поэтому все мертвые организ­мы должны идти ко дну. Если этот отмерший материал не будет использован как питательное вещество до того, как уйдет из верхнего слоя, он соответственно поступает в глу­бинный слой и, таким образом, автоматически входит в длительный цикл обновления. Пройдут сотни лет, прежде чем азот и фосфор, растворяющиеся в глубоких водах, вер­нутся в эвфотическую зону и снова станут питательными ве­ществами для растений в теплом поверхностном слое.

Стратегия поведения морских животных - результат взаимодействия физиологических факторов и физических свойств жидкой окружающей среды

Рисунок 2.5. Стратегия поведения морских животных - результат взаимодействия физиологических факторов и физических свойств жидкой окружающей среды.

 

  Круговорот морских питательных веществ — это гло­бальный цикл, и данное соображение согласуется с двумя обстоятельствами, а именно: 1) морская среда — жидкость находящаяся в непрерывном движении, и 2) глубинные тече­ния опоясывают все океаны мира. Например, органический материал, погрузившийся в холодный слой у берегов Грен­ландии во времена крестовых походов, теперь «вынырива­ет» на поверхность вблизи Антарктиды, где происходит апвеллинг атлантических вод. Знание наземного круговорота питательных веществ не помогает нам в изучении морского цикла.