При определении функции и структуры экосистемы наряду с другими факторами важное значение имеет оценка скорости обмена или переноса веществ. В последнее время в связи с развитием научно-технического прогресса, а также с созданием и разработкой современных методов исследований в экологии, в том числе радиоактивное индикации, масс-спектрометрии, автоматического слежения и дистанционных измерений, появилась возможность измерять скорость циркуляции в довольно обширных экосистемах и получать количественную оценку биохимических круговоротов в глобальном масштабе.
На ранее приведенных схемах дано лишь общее представление о биохимических циклах. Количественные же их характеристики изучены недостаточно, особенно в крупных экосистемах. Огромный толчок в этом направлении дало применение радиоактивных изотопов в качестве меток. Сущность метода состоит в том, что в экосистему или отдельные ее части вносят изотоп в малых по сравнению со стабильным изотопом количествах. Это не приводит к заметным нарушениям ни за счет радиоактивности, ни за счет дополнительного внесения изучаемого элемента. Далее определяют, что происходит с меткой, которая отражает все происходящее с интересующим нас элементом.
Метод радиоактивной индикации можно проиллюстрировать на примере поведения фосфора. Несмотря на то что круговорот фосфора в глобальном масштабе уравновешен, его миграция из организма в среду и обратно, как правило, происходит неравномерно. В любой промежуток времени большая часть фосфатов находится в связанном состоянии - в организме или твердом субстрате. Обмен фосфора между доступной и недоступной фракциями идет постоянно, но нерегулярно, "рывками". Периоды перехода в доступные формы сменяются периодами его активного связывания органическим и минеральным компонентами биосферы. Как правило, связывание фосфора идет быстрее, чем высвобождение. В период интенсивного роста продуцентов и консументов весь подвижный фосфор (или основное его количество) может быть связан. Поэтому по содержанию фосфора в конкретный момент нельзя судить о продуктивности экосистемы. Низкое содержание его может свидетельствовать об истощении элемента в экосистеме, либо о высокой интенсивности ее метаболизма. Дать правильную оценку продуктивности экосистемы можно только после определения скорости потока этого элемента.
Для сравнения скоростей обмена между разными компонентами экосистемы удобно пользоваться понятием "оборот". Если иметь в виду обмен после установления равновесия, то скорость оборота - это часть общего количества данного вещества в данном компоненте системы, высвобождающаяся за определенное время. Время оборота - обратная величина, обозначающая время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте системы. Так, если в компоненте содержится 1000 единиц вещества и в 1 час поступает или убывает 10 единиц, то скорость оборота равна 0,01, а время оборота - 1000/10, или 100 часов.
Изучая круговорот биогенных элементов, можно сделать важный практический вывод: избыток элемента может быть так же невыгоден для человека, как и недостаток. Например, фосфор при внесении в почву в количествах, превышающих возможность его усвоения активными организмами, быстро связывается. В дальнейшем может происходить так называемое "старение" фосфатов и снижение их доступности для питания растений.
Так как организмы адаптированы к разным уровням содержания элементов, нарушение соотношения элементов питания может привести к изменениям химического и даже видового состава организмов вплоть до исчезновения некоторых видов, то есть при недостаточном или избыточном применении субсидий они превращаются в источник стресса.
Изучение круговорота биогенных элементов удобно проводить на примере водосборных бассейнов. Водосборный бассейн - это водоем и прилегающая к нему территория, с которой поступают воды с поверхностным стоком. Водосборный бассейн можно рассматривать как своеобразную единицу экосистемы. Наблюдение за водосборными бассейнами позволяет для сравнения выделить экосистемы с различной степенью нарушения хозяйственной деятельности и, исходя из этого, дать рекомендации по уменьшению оттока из круговорота основных биогенных элементов и восстановлению их циркуляции.
В книге Ю. Одума "Экология" (1986) приводится такой пример. На экспериментальном водосборном бассейне была удалена вся растительность, а ее восстановление в последующие три года подавляли Распылением гербицидов. Несмотря на то что воздействия на почву были незначительными и она практически не нарушалась, органическое вещество из экосистемы не удалялось, потери элементов питания с поверхностным стоком возросли по сравнению с контрольным водосбором в 3-15 раз. Увеличение поверхностного стока на водосборе, где была уничтожена растительность, связано с устранением транспирации. После восстановления растительности потери биогенных элементов резко снизились и за 3-5 лет достигли исходного состояния.
Как правило, потери элементов питания с ненарушенных облесенныx водосборных бассейнов вдоль ручьев невелики и компенсируются в основном поступлением элементов с осадками и продуктами выветривания. С увеличением степени освоения водосборных бассейнов в водах ручьев и рек резко возрастает содержание азота и фосфора воде, стекающей с полностью освоенной территории, содержание азота и фосфора в семь раз выше, чем в ручьях, протекающих по территории, занятой лесом. Следует, однако, учитывать, что увеличение со держания элементов в поверхностном стоке с освоенных территорий может быть связано и с большим их поступлением с удобрениями
При соответствующих мероприятиях можно более эффективно возвращать в круговорот химические элементы и уменьшить расточительный "однонаправленный" поток. Однако производители не заинтересованы в проведении таких мероприятий, так как это приводит к увеличению себестоимости производимой продукции и снижению ее конкурентоспособности. Заинтересованность же появится тогда, когда запасы химических элементов истощатся и, следовательно, последние подорожают или когда произойдет заметное снижение качества жизни.
В окружающую среду поступает значительное количество элементов, которые связаны с деятельностью человека и представляют опасность для его здоровья. Поэтому при проведении экологических исследований необходимо учитывать круговороты практически всех элементов и соединений.
Многие второстепенные элементы в обычных для экосистем концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов, поэтому их круговорот до недавнего времени мало интересовал экологов. В качестве примера можно привести стронций. Раньше этому элементу не придавали особого значения, однако в связи с тем, что стронций появился в биосфере в больших количествах и представляет опасность для здоровья, интерес к нему резко возрос.
Опасность стронция состоит в том, что по химическим свойствам он похож на кальций, поэтому, попав в организм, накапливается в костях и находится в непосредственной близости к кроветворным тканям. При изучении осадочного цикла установлено, что около 7 % всего осадочного материала, стекающего вниз по рекам, составляет кальций, а на каждую тысячу атомов кальция приходится два - четыре атома стронция. Одним из продуктов расщепления ядер урана является радиоактивный Sr-90, который характеризуется относительно длительным периодом полураспада и, попав в биосферу, может длительное время участвовать в круговороте. Это изотоп, которого не существовало в природе до расщепления атома человеком. Небольшие количества Sr-90, содержащегося в осадках, выпавших после испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях ядерно-топливного цикла, мигрируют вместе с кальцием по пищевым цепям и накапливаются в костных тканях. По мнению некоторых медиков, уже в 1970 году Sr-90 содержался в костях людей в количестве, достаточном для канцерогенного действия (лат. cancer - рак) . Когда была достигнута договоренность о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, опасность загрязнения Sr-90 уменьшилась, но после аварии на Чернобыльской АЭС она многократно возросла.
Опасным продуктом деления ядра является Cs-137, который по своим свойствам близок к калию. Обладая большой подвижностью, он с достаточно высокой скоростью циркулирует по пищевым цепям
В качестве примера химического элемента, который и ранее существовал в природе, но не представлял такой опасности для здоровья человека, как сегодня, можно привести ртуть. Разработка месторождений и промышленное использование ртути привели к значительному рассеиванию ее в биосфере, что повысило вероятность контактирования ядовитого металла с организмами. В круговороте ртути важную роль играют микроорганизмы, которые превращают нерастворимые ее формы в растворимую, часто очень подвижную ядовитую метилртуть.
Аналогично положение и с другими тяжелыми металлами, такими как кадмий, медь, цинк, свинец и др.
Распространение и накопление второстепенных элементов можно проиллюстрировать на примере круговорота пестицидов (рис. 13). В зависимости от условий применения этих токсинов некоторое их количество испаряется и переносится в виде аэрозолей на значительные расстояния. При попадании на растения не все пестициды включаются в метаболизм. Частично они испаряются с поверхности растений и могут переноситься ветром на другие территории, но большая их часть попадает в почву. Это связано с тем, что проективное покрытие растений никогда не достигает 100 % и при внесении пестицидов они попадают не только на листовую поверхность растений, но и на почву. Некоторое их количество оседает с растений на почву под действием гравитационных сил и ветра.
Попав на поверхность, некоторое количество пестицидов в результате выщелачивания может проникнуть в грунтовые воды, а затем в гидрографическую сеть.