Cykl materiałowy

W ekologii The materiał cykl jest okresowe przekształcenie związków chemicznych , w trakcie którego - po szeregu reakcji chemicznych, - w materiał wyjściowy zostaje ponownie utworzone. Istnieje wiele cykli materiału w ekosystemach , na przykład obieg węgla , A obieg azotu , A cykl siarki i fosforu cyklu .

Czynniki

Do budowy tkanek organicznych i metabolizmu żywe istoty potrzebują wielu pierwiastków chemicznych i ich związków. Dostarczanie i uzupełnianie tych składników odżywczych, podobnie jak dostawa energii, może ograniczyć produkcję ekosystemu . Produkcja wielu systemów lądowych jest ograniczona brakiem azotu , w systemach wodnych fosfor często ogranicza, aw systemach morskich brak żelaza może ograniczać produktywność. Elementy odżywcze mogą być uzupełniane spoza ekosystemu, w zależności od pierwiastka poprzez wietrzenie skały, transport wody lub zaopatrzenie z atmosfery. Jednak w systemie wymieniane są duże ilości niezbędnych składników odżywczych. Pozwala to na wielokrotne stosowanie tych samych składników odżywczych w systemie, zachowując w ten sposób jego produktywność. Poprzez te wewnętrzne cykle materiałowe konsumenci i destruktorzy mogą pośrednio kontrolować produktywność ekosystemu.

Cykl składników odżywczych w ekosystemie może przenikać tylko do elementów, które (oprócz tego, że są przechowywane w samych organizmach), mają nieorganiczne magazynowanie. Związki gazowe w osłonie powietrza, takie jak dwutlenek węgla, nie mogą tworzyć cyklu w układzie, wymieniane są z całym zbiornikiem atmosfery. Substancje rozpuszczone w postaci jonów mogą być zatrzymywane w matrycy gleby lub w zbiorniku wodnym i ponownie wchłaniane. Ponieważ ziemia jest (prawie) zamkniętym systemem dla substancji, wszystkie cykle składników odżywczych muszą nieuchronnie zostać zamknięte na poziomie globalnym. Niekoniecznie dotyczy to biosfery , która jest tylko podsystemem. Procesy wymiany z głębszymi warstwami, takimi jak płaszcz Ziemi, są niewielkie w krótkim okresie w porównaniu ze sprzedażą w biosferze, ale mogą mieć ogromny wpływ na ewolucyjne i geologiczne skale czasowe.

Dla rozważenia cykli materiałowych, oprócz samych procesów cyklicznych , ważna jest wymiana materiału z zasobami abiotycznymi , zwłaszcza z atmosferą ziemską oraz glebami i osadami .

przyczyna

Trójkąt cyklu materiałowego

Rozszerzony diagram cyklu materiałowego

Biologiczne cykle materialne są napędzane przez żywe istoty . Istoty żywe, które budują materię organiczną z substancji nieorganicznych , nazywane są producentami . Oprócz niektórych bakterii foto- lub chemoautotroficznych są to wyłącznie rośliny. Powstała w ten sposób biomasa jest ponownie mineralizowana do substancji nieorganicznych przez destruktory (rozkładacze). Destruktory to głównie bakterie i grzyby heterotroficzne . Najprostszy wyobrażalny ekosystem składa się zatem z producenta i niszczyciela.

Oprócz tych grup prawie wszystkie ekosystemy mają również konsumentów , którzy wykorzystują substancje organiczne do wytwarzania energii. Konsumenci częściowo wykorzystują połkniętą biomasę do budowy własnej tkanki ciała, reszta jest wydalana z odchodami i innymi odpadami. Wskaźnik zużycia, tj. H. W większości ekosystemów lądowych udział produkcji pierwotnej spożywanej przez zwierzęta roślinożerne (konsumentów pierwotnych) jest rzędu 10%; w wyjątkowych przypadkach może być wyższy (do 90%), np. B. w ekosystemach sawann, na których wypasają się zwierzęta kopytne. Pozostała część produkcji trafia bezpośrednio do niszczącego łańcucha pokarmowego (jako ściółka roślinna, w lesie np. Jako martwe drewno i opadłe liście). Nawet przy niskich udziałach w sprzedaży pośredni wpływ konsumentów na przepływy substancji może być znaczny.

Ostatecznie biomasa konsumenta zostanie ostatecznie zmineralizowana przez destruktory. Za pośrednictwem sieci pokarmowej substancje trafiają od producentów częściowo do konsumentów, a wszystko w końcu do niszczycieli. Konsumenci przyspieszają obrót substancjami, a tym samym cykle w stosunku do łańcucha destrukcyjnego.

Ponieważ wiele zwierząt migruje, one również transportują i rozprowadzają składniki odżywcze. Prowadzi to do sieciowania materialnych cykli różnych ekosystemów. Wypieranie składników odżywczych przez zwierzęta nazywane jest translokacją .

Efekty

W wielu niemal naturalnych ekosystemach lądowych cykle materialne są w dużej mierze zamknięte, a wejściowe i wyjściowe substancje są niskie, z wyjątkiem węgla. Dzięki efektywnemu przechowywaniu ekosystemy mogą gromadzić składniki odżywcze, które reprezentują czynniki niedoboru, takie jak azot i fosfor, pochodzące z niewielkich zasobów z zewnątrz, a tym samym ogromnie zwiększyć wydajność systemu. Zniszczenie pamięci takie. B. biomasa lub próchnica gleby mogą drastycznie zmniejszyć produktywność i czasowo lub trwale zniszczyć system. Ludzie dążą do zwiększenia produktywności utrzymywanych przez siebie ekosystemów rolniczych, dodając składniki odżywcze jako nawozy. Substancje te, które są dostarczane w dużych ilościach, mogą zostać utracone w systemie nie tylko w razie potrzeby przez wytworzone towary, ale także w wyniku ługowania, erozji lub odgazowania. Cykle zaangażowanych elementów, takich jak B. silny wpływ na węgiel i azot. Naturalne ekosystemy są zmieniane przez wynikające z nich dostawy, co może wpływać na ich stabilność. Wpływ jest również znaczący na poziomie globalnym. Na przykład podaż azotu do całej ziemskiej biosfery w przybliżeniu podwoiła się z powodu wpływu człowieka.

Opis matematyczny

Skierowana treścią materii na poziomie producentów, tych na poziomie konsumentów oraz tych na poziomie rozkładających się czy swobodnie dostępnych udziałów, ukazuje bardzo prosty cykl materiałowy w postaci: ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle D}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ mathrm {d} P} {\ mathrm {d} t}} = aP-BPK}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ mathrm {d} K} {\ mathrm {d} t}} = BPK-cK}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ mathrm {d} D} {\ mathrm {d} t}} = cK-aP}$

Ze względu na symetrię obowiązują następujące zasady:

${\ Displaystyle {\ Frac {\ mathrm {d} P} {\ mathrm {d} t}} + {\ Frac {\ mathrm {d} K} {\ mathrm {d} t}} + {\ Frac {\ mathrm {d} D} {\ mathrm {d} t}} = {\ text {stała}}}$

Korzystając z tej zależności, możliwe jest zastąpienie tego, co prowadzi do i dla systemu z tylko dwiema zmiennymi. ${\ displaystyle D}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle K}$

puchnąć

Zobacz też

• Szlak metaboliczny
• Diagram Sankeya ilustrujący cykle materiałowe