Циркуляция элементов в биосфере.

Выше была рас­смотрена циркуляция энергии и вещества в экосистемах. Биосфера представляет собой уникальную планетарную экосистему со сложившимися биогеохимическими циклами циркуляции наиболее важных для жизни элементов. Масштабы хозяйственной деятельности человека стали настолько велики, что при определенных условиях они способны нарушить эту отлаженную за сотни миллионов лет систему регуляции природной среды (достаточно вспомнить разру­шение озонового экрана и повышение содержания в атмосфере СО₂). Для профилактики таких чрезвычайно опасных для жизни в целом нарушений необходимо знать основные биогеохимические циклы би­осферы.

Одной из особенностей биосферы является наличие мощных буферных систем (в атмосферном воздухе, гидросфере и литосфе­ре), способных нейтрализовать даже существенные нарушения в установившемся круговороте веществ и энергии. Надежность функ­ционирования этих систем обеспечивается, в частности, тем, что на каждый квадратный метр Земли приходится 1260 м³ воздуха и 8300 м³ воды океанов (морей) и 2,4 м² раздела между воздухом и водой.

Биогеохимические циклы биосферы обеспечивают живые орга­низмы 30...40 химическими элементами, необходимыми для них. Рассмотрим важнейшие круговороты биосферы - воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.

Вода - важнейшее для живых организмов неорганическое ве­щество Ее запасы в биосфере 1,386 млрд.км³, из них 35 млн.км пресных вод. Основная масса воды - 96,5% находится в

океане, 1,73% - в ледниках, 1,7% - в подземных водах. Осталь­ная вода содержится во льдах вечной мерзлоты (0,02%), атмосфе­ре (0,001%) , в озерах, болотах и реках (0,023%). Различают боль­шой и малый круговороты воды. Малый круговорот начинается ис­парением воды из океана, затем следует конденсация водяных па­ров в атмосфере и возвращение в виде осадков в океан. Большой круговорот включает выпадение осадков на сушу. Часть из них испаряется с поверхности почвы, часть поступает в растения и в результате транспирации (испарения листьями растений) перехо­дит в виде водяных паров в атмосферный воздух. Оставшиеся осадки через реки и подземные воды попадают в океан, завершая большой круговорот воды.

Углерод содержится в виде CO₂ в атмосфере (23,5*10¹¹ т). В процессе фотосинтеза он ассимилируется растениями и по пищевым цепям потребляется консументами разных порядков. При дыхании живых организмов выделяется CО₂ , поступающий в атмосферу. Часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в горючие ископаемые. Сжигая ископаемое топливо, человек ин­тенсивно высвобождает СО₂, создавая свой биолого-технический круговорот углерода. Основная масса углерода содержится в кар­бонатных отложениях на дне океана и кристаллических породах земной коры (всего 2,3*10⁶ т), в каменном угле и нефти (3.4*10¹⁵ т).

В биогеохимический круговорот включен и углерод тканей растений и животных (соответственно 5*10¹¹ и 5*10⁹ т),

Свободный кислород в биосфере является в основном продук­том фотосинтеза (ежегодное выделение O₂ растениями составляет 2,8*10¹¹ млн.т). Поступлений О₂ в атмосферу за счет фитопланк­тона и водных растений почти в 5 раз меньше (0,6*10¹¹ млн.т в год). Относительно небольшое количество O₂ выделяется при раз­ложении органики в океане и на суше. Расходование свободного 0₂ обеспечивается процессами дыхания, сжиганием горючих материа­лов и окислением органики. Полное окисление органического ве­щества на планете привело бы к снижению концентрации О₂ до 1% и повышению концентрации СО₂ до 10%. На круговорот О₂ сущест­венно влияет хозяйственная деятельность человека (10% всего количества связываемого О₂ обеспечивается сжиганием топлива).

Громадный резервный фонд азота содержится в атмосфере (до 80% ее массы), атмосферный азот переводится в доступную для растений форму путем атмосферной фиксации при грозовой дея­тельности и фиксации биоценозами суши и океана. Существенную часть фиксации азота обеспечивают промышленные установки. Ассимилируемые живыми организмами соединения азота в реакциях с

использованием энергии солнечного света или органического ве­щества последовательно преобразуются из нитритов в нитраты, аммиак и аминокислоты, являющихся одними из важнейших компо­нентов протоплазмы живых клеток.

Процесс разрушения живого вещества от протоплазмы к более простым соединениям и молекулярному азоту идет с участием денитрофицирующих бактерий. Схема круговорота азота представлена на рис. 2.2.

 

 

 

Рис 2.2

Важную роль в круговороте азота в наше время играет выбросы промышленности и транспорта, антропогенные выбросы составляют около 53 млн.т NO₂ в год или примерно 65% всех поступлений NO₂ атмосферу.

В круговороте фосфора резервный фонд находится в горных породах и отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В процессах эрозии фосфор в форме фосфатов поступает в океан и отлагается в осадках. В мелководных отложениях на континентальном шельфе и на донных отложениях озер фосфатредуцирующие бактерии превращают фосфаты в растворимые формы, кото­рые усваиваются живыми организмами. Фосфаты глубоководных осадков выбывают из круговорота фосфора. С мертвыми организма­ми, экскрециями животных соединения фосфора попадают в почву, разлагаются до растворимых фосфатов и вновь ассимилируются живыми организмами. Часть соединений фосфора из океана вместе с

рыбой также возвращается в почву. В прошлые геологические эпо­хи такой возврат был более интенсивным за счет переноса фосфо­ра птицами (об этом, в частности, свидетельствуют колоссальные отложения гуано, т.е. разложившегося помета морских птиц, в Южной Америке). Человечество компенсирует уменьшение содержа­ния фосфора в почве внесением большого количества фосфорных удобрений.

В круговороте серы основной резервный фонд находится в почве и донных отложениях океанов и озер, а меньший - в атмос­фере. Ключевую роль в круговороте серы играют специализирован­ные микроорганизмы, обеспечивающие окисление и восстановление серы. В глубоководных отложениях в результате их деятельности образуется сероводород. Вместе с геохимическими и метеорологи­ческими процессами микроорганизмы обеспечивают круговорот серы в воздухе, почве и воде. Все возрастающую роль в указанных процессах играют загрязнения атмосферы выбросами оксида серы промышленных предприятий и транспорта. Их масса составляет около 100 млн.т в год или около 15,5% всех поступлений данного вещества в атмосферу.

В завершение анализа биогеохимических циклов биосферы следует подчеркнуть их основные особенности:

1. Все круговороты сложились как идеально отлаженная последо­вательность процессов ассимиляции и диссимиляции веществ, обеспечивающих динамическую стабильность среды обитания живых организмов и прежде всего составов газов атмосферы, солей оке­ана и биогенных элементов почвы.

2. Все круговороты имеют мощные буферные и обменные фонды, легко компенсирующие даже существенные изменения биогенной миграции элементов вследствие многолетних колебаний климата и расширения экономической деятельности человека.

3. Для каждого газового и водного круговоротов характерно свое время оборота биогенных элементов и веществ через живые орга­низмы (для N₂ - 100 лет, СО₂ - 200...300 лет, О₂ - 2000...2500 лет, Н₂О - 2 млн. лет).

4. В наше время изменения, вносимые экономической деятель­ностью человека в биосферные круговороты, стали вполне сравнимы с масштабами соответствующих природных процессов (например, поступление CO₂ в атмосферу за счет сжигания топлива человеком увеличилась более чем в 2 раза; 65% поступлений NO₂ в атмос­феру составляют антропогенные выбросы; промышленная фиксация N₂ составляет 2/3 от биологической).