Основи вчення про природні колообіги речовини та енергії були закладені В.І. Вернадським, В.Р. Вільямсом, А.П. Виноградовим та їхніми учнями. Розрізняють два основні колообіги речовин : великий (геологічний, біосферний) і малий, або біотичний, який охоплює всю планету. Ці два колообіги взаємопов’язані та поєднані у єдиний планетарний – біогеохімічний колообіг речовини та енергії.
Геологічний (великий) колообіг – колообіг речовини та енергії між земним суходолом і Світовим океаном.
У геологічному колообігу відбувається циркуляція води з розчиненими у ній речовинами (атмосферні опади, поверхневий і підземний стік, інфільтрація, випаровування, перенесення водяної пари в атмосфері, конденсація, повторне випадання атмосферних опадів). Розчинені у воді речовини виносяться поверхневими водами в океан і осідають на дні у вигляді делювіальних відкладів, тому вода є гігантською силою перетворення літосфери.
Біологічний (малий) колообіг речовин – це процес утворення живої речовини та її подальшої трансформації і деградації, результатом якого є акумуляція біогенних елементів у грунті та утворення грунту.
Процеси біологічного та геологічного колообігів протікають із використанням сонячної енергії та частково – енергії хімічних реакцій. У їхньому перебігу простежується планетарна циклічність, зумовлена циклічністю обертання Землі навколо осі, навколо Сонця, Місяця навколо Землі та коливань земної кори, а також процесами циркуляції атмосфери й води в океанах.
Основні принципи біогенної міграції речовин на земній поверхні та біосфері вперше сформулював В.І. Вернадський. Він довів, що цей процес або здійснюється за безпосередньої участі живої речовини, або відбувається в середовищі, геохімічні особливості якого зумовлені живою речовиною, що населяє або населяла його.
Одним із найголовніших геологічних чинників сьогодні є антропогенний. Він небувало прискорив колообіг деяких речовин і призвів до швидкого вичерпання родовищ заліза, міді, цинку, свинцю, нафти, газу, кам'яного вугілля, багатьох інших речовин та хімічних елементів, які природа накопичувала протягом мільйонів років.
Планетарний колообіг хімічних елементів, який відбувається одночасно за участю живих організмів і води, дістав назву біогеохімічного колообігу.
Вчені виділили три основні типи біогеохімічних колообігів:
● води,
● газоподібних речовин із резервним фондом в атмосфері або гідросфері (океан),
● осадові цикли хімічних елементів із резервним фондом у земній корі.
У кожному типі колообігу слід розрізняти дві його частини:
1) резервний фонд – велика маса речовин, що повільно рухаються і в основному не пов'язані із діяльністю живих організмів;
2) обмінний фонд – менший, але активніший, для якого характерний швидкий обмін між організмами та їх безпосереднім оточенням.
Завдяки наявності в атмосфері великого резервного фонду деякі колообіги здатні до досить швидкого саморегулювання за різного роду місцевих порушень (наприклад вуглецю, азоту чи кисню). Проте саморегулювання має певні межі. Осадові цикли, в яких беруть участь такі елементи, як фосфор і залізо, зазвичай значно менш досконалі і легше порушуються внаслідок місцевих змін, оскільки основна маса цих речовин сконцентрована у відносно малоактивному і малорухомому резервному фонді у земній корі. Механізми, що забезпечують повернення речовин у колообіг, часто ґрунтуються, переважно, на біологічних процесах. Сполучною ланкаю цих процесів є грунт, у якому впорядковуються усі потоки речовин у біосфері, забезпечується регуляція складу атмосфери і гідросфери.
Найважливішою глобальною функцією ґрунту є здатність до накопичення у верхній частині земної кори вивітрювання специфічної органічної речовини – гумусу і пов'язаної із ним обмінної енергії грунту.
Приклад:
При розкладанні рослинних рештків у середньому на 1 га ґрунту виробляється 84 кг СО2 за добу, 40-70% цього газу виділяється із ґрунту і використовується в процесі фотосинтезу, ґрунт натомість поглинає атмосферний кисень.
