Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
Biogeochemical Cycles
Carbon and water: the two fast cycles
The carbon cycle moves carbon between four reservoirs: the atmosphere, the oceans, the biosphere, and rock plus fossil fuels. Photosynthesis is the main flux out of the atmosphere; respiration, decomposition, and combustion are the fluxes back in. The largest reservoir by far is sedimentary rock (mostly limestone), but it turns over on geological timescales; the ocean is the largest actively exchanging reservoir. Burning fossil fuels transfers carbon from a slow reservoir into a fast one, which is why the atmospheric pool is growing.
The water cycle
Driven by solar energy and gravity. Key fluxes: evaporation, transpiration from plants (together evapotranspiration), condensation, precipitation, runoff, and infiltration that recharges groundwater. Paving a watershed cuts infiltration and raises runoff — the same rainfall then arrives as a flood peak instead of soaking in.
Nitrogen and phosphorus: the two limiting nutrients
Atmospheric $\mathrm{N_2}$ has a triple bond no plant can break, so nitrogen must be fixed to $\mathrm{NH_3}$ by bacteria (largely Rhizobium in legume root nodules), by lightning, or industrially by the Haber–Bosch process. Nitrification then oxidises $\mathrm{NH_4^+}\to\mathrm{NO_2^-}\to\mathrm{NO_3^-}$ and needs oxygen; denitrification returns $\mathrm{N_2}$ to the air and runs only where oxygen is absent.
Phosphorus has no atmospheric phase. It is released by weathering of rock, cycles through organisms, and is buried in sediment. That slow release is why phosphorus is the usual limiting nutrient in fresh water, and why a sudden fertiliser input triggers eutrophication so violently.
Carbon và nước — hai chu trình nhanh
Chu trình carbon luân chuyển carbon giữa bốn kho: khí quyển, đại dương, sinh quyển, và đá cùng nhiên liệu hoá thạch. Quang hợp là dòng rút carbon khỏi khí quyển; hô hấp, phân huỷ và cháy là các dòng trả lại. Kho lớn nhất tuyệt đối là đá trầm tích (chủ yếu đá vôi), nhưng nó luân chuyển theo thang thời gian địa chất; kho lớn nhất còn trao đổi tích cực là đại dương. Đốt nhiên liệu hoá thạch chính là chuyển carbon từ một kho chậm sang một kho nhanh — vì thế lượng carbon trong khí quyển tăng lên.
Chu trình nước
Chạy nhờ năng lượng mặt trời và trọng lực. Các dòng chính: bốc hơi, thoát hơi nước từ cây (hai thứ gộp lại gọi là bốc thoát hơi), ngưng tụ, giáng thuỷ, dòng chảy mặt và thấm nạp lại nước ngầm. Bê tông hoá một lưu vực làm giảm thấm và tăng dòng chảy mặt — cùng một trận mưa nhưng đến dưới dạng đỉnh lũ thay vì ngấm dần xuống đất.
Nitơ và phospho — hai chất dinh dưỡng giới hạn
Khí $\mathrm{N_2}$ có liên kết ba mà không cây nào phá nổi, nên nitơ phải được cố định thành $\mathrm{NH_3}$ nhờ vi khuẩn (chủ yếu Rhizobium trong nốt sần rễ cây họ đậu), nhờ sét, hoặc nhờ công nghiệp qua quy trình Haber–Bosch. Tiếp đó nitrat hoá ôxi hoá $\mathrm{NH_4^+}\to\mathrm{NO_2^-}\to\mathrm{NO_3^-}$ và cần ôxi; còn phản nitrat hoá trả $\mathrm{N_2}$ về khí quyển và chỉ chạy ở nơi thiếu ôxi.
Phospho không có pha khí quyển. Nó được giải phóng do phong hoá đá, đi qua cơ thể sinh vật, rồi lắng xuống trầm tích. Chính tốc độ giải phóng chậm đó khiến phospho thường là chất giới hạn ở nước ngọt, và khiến một cú bón phân đột ngột gây phú dưỡng dữ dội đến thế.
Một cánh đồng $40$ ha được bón $180$ kg N/ha/năm. Cây trồng hút được $55\%$ lượng nitơ bón vào; $12\%$ bay hơi hoặc bị phản nitrat hoá; phần còn lại rửa trôi xuống dòng suối bên cạnh.
(a) Tính tổng lượng nitơ rửa trôi mỗi năm. (b) Suối chảy $2\,000\ \mathrm{m^3}$ mỗi ngày. Ước tính nồng độ nitơ tăng thêm, tính bằng mg/L.
(a) Phần rửa trôi tính bằng cân bằng khối lượng — vào bằng ra:
$$100\%-55\%-12\%=33\%$$Trên một hecta: $0{,}33\times180=59{,}4$ kg N/ha/năm.
Cả cánh đồng: $59{,}4\times40=2\,376$ kg N/năm.
(b) Đưa hai đại lượng về cùng đơn vị thời gian rồi mới chia. Lưu lượng suối một năm:
$$2\,000\times365=730\,000\ \mathrm{m^3/năm}=7{,}3\times10^{8}\ \mathrm{L/năm}$$Khối lượng nitơ đổi ra miligam: $2\,376\ \mathrm{kg}=2{,}376\times10^{9}\ \mathrm{mg}$.
$$\frac{2{,}376\times10^{9}}{7{,}3\times10^{8}}\approx3{,}3\ \mathrm{mg/L}$$Con số $3{,}3$ mg/L rất đáng chú ý: ngưỡng nước uống của Hoa Kỳ với nitrat là $10$ mg/L, còn ngưỡng gây phú dưỡng ở nước mặt thì thấp hơn nhiều — chỉ vài phần mười mg/L đã đủ kích hoạt tảo nở hoa. Một cánh đồng duy nhất đã đẩy con suối vượt xa ngưỡng đó.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 1 — The Living World: Ecosystems gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.