Биогеохимические циклы. Круговорот важных химических элементов в биосфере. Антропогенное воздействие на природные циклы основных биогенных элементов

За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связаны единым циклом круговорота этих элементов. Такой круговорот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) круговорота. Этот круговорот имеет абиотический характер. Продолжительность его существования - около 4 млрд лет. Мощность большого (геологического) круговорота веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере оценивается в 2х1016 тонн / год.

Возникновение жизни на Земле привело к появлению новой формы миграции химических элементов - биогенной. За счет биологической миграции на большой круговорот наложился малый (биогенный) круговорот веществ. В малом биологическом круговороте перемещаются в основ ном углерод (1011 тонну год), кислород ь (2х 1011 тонн в год), азот (2x10и1 тонн в год) и фосфор (десятый тонн в год).

Сейчас оба круговороты протекают одновременно, тесно связаны между собой. Благодаря взаимодействию различных групп живых организмов между собой и с окружающей средой в экосистемах возникает определенная и характерная каждому виду экосистем структура биомассы, создается своеобразный тип потока энергии и специфические закономерности "ее передачи от одной группы организмов к другой, формируются трофические цепи, определяющие последовательность перехода органических веществ от одних групп живых организмов к другим.

Живые организмы в биосфере инициируют круговорот веществ и приводят к возникновению биогеохимических циклов. Приоритетные исследования биогеохимических циклов были начаты В.И. Сен-Вернадского еще в начале 20-х годов XX в.

Биогеохимический цикл можно определить как циклическое, поэтапное преобразование веществ и изменение потоков энергии с пространственным массопереноса, которое осуществляется за счет совместного действия биотической и абиотической трансформации веществ. Биогеохимические циклы составляют собой циклические перемещения биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия и др. От одного компонента биосферы к другим. На определенных этапах этого круговорота они входят в состав живого вещества.

Движущей силой всех веществ в биогеохимических циклах есть поток солнечной энергии или частично энергии геологических процессов Земли. Затраты энергии необходимы и для перемещения веществ в биогеохимических циклах, и для преодоления биогеохимических барьеров. Такими барьерами на разных уровнях выступают мембраны клеток, сами особи растений и животных и другие материальные структуры. Перемещение веществ в биогеохимических циклах одновременно обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Главными оценочными параметрами эффективности и направления работы биогеохимического цикла является количество биомассы, ее элементарный состав и активное функционирование живых организмов.

Пространственное перемещение веществ в пределах геосфер, или, иначе говоря, их миграция делится на пять основных типов:

1. Механическое перенесение (идет без изменения химического состава веществ).

2. Водное (миграция осуществляется за счет растворения веществ и их последующего перемещения в форме ионов или коллоидов). Это один из важнейших видов перемещения веществ в биосферы

3. Воздушное (перенос веществ в форме газов, пыли или аэрозолей с потоками воздуха),

4. биогенные (перенос осуществляется при активном участии живых организмов).

5. Техногенная, что проявляется как результат хозяйственной деятельности человека.

Интенсивность круговорота веществ в любом биогеохимическом цикле является важнейшей характеристикой. Оценки такой интенсивности сделать непросто. Одним из самых доступных индексов интенсивности биологического круговорота веществ может служить соотношение массы подстилки и другого органического опада, который есть в любом Биома, и массы опада, образующегося за один год. Чем больше этот индекс, тем, очевидно, ниже интенсивность биологического круговорота. Реальные оценки показывают, что в тундре значение этого индекса максимальные и, следовательно, здесь минимальная интенсивность биогеохимических циклов. В зоне тайги интенсивность биологического круговорота возрастает, а в зоне широколиственных лесов становится еще больше. Максимальная скорость круговорота веществ регистрируется в тропических и субтропических биомов: саваннах и влажных тропических лесах. В аґро-экосистемах биогеохимический круговорот идет интенсивно, но качественные его параметры уже другие.

Живые организмы биосферы инициируют и реализуют большое количество широкомасштабных физико-химических процессов. Метаболизм живых организмов сопровождается серьезными изменениями газового состава атмосферы. Из атмосферы изымаются или, наоборот, поступают в нее кислород, углекислый газ, азот, аммиак, метан, водяной пар и многие другие вещества. Под влиянием накопления в атмосфере свободного кислорода, который является продуктом жизнедеятельности зеленых растений на Земле стали преобладать окислительные процессы, которые играют важную роль в абиогенному и биогенном преобразованиях углерода, железа, меди, азота, фосфора, серы и многих других элементов. В то же время на планете сохранились и восстановительные процессы, которые осуществляют анаэробные организмы. Результатом этих планетарных процессов является образование таких чисто биогенных залежей, как осадочные горные породы: известняки, фосфаты, силикаты, каменный уголь и др. Все они - результат жизнедеятельности живых организмов.

Анализируя биогеохимические циклы, В.И. Вернадский обнаружил концентрационную функцию живого вещества. За счет реализации этой функции живое вещество избирательно поглощает из окружающей среды химические элементы. Если наша планета в целом сформирована из соединений из железа, никеля, магния, серы, кислорода в первую очередь, то за счет избирательного поглощения и концентрационной функции состав биомассы совсем другой. Она образована из углерода, водорода при сравнительно малой участия других элементов (рис. 7.4).

Подпись:

Рис. 7.4. Соотношение химических элементов на земном шаре и в живых организмах. (Доля элементов, выраженная в процентах)

Химические элементы, которые принимают подавляющее участие в построении живого вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных. Концентрационная функция животных и растений по-разному реализуется по различным их видам. Принцип цикличности в преобразованиях и перемещении веществ в биосфере является основополагающим. Сохранение цикличности - это условие существования биосферы. Введение в биосферу однонаправленных процессов, которые осуществляет человек при конструировании техносферы и аґросферы, оказывается для биосферы губительным и наиболее опасным. Для биосферы характерна высокая замкнутость биогеохимических циклов. Потери веществ в них составляют не более 3-б%. Однако все биогеохимические циклы дают некоторое количество "отходов". Такие природные отходы для биосферы безвредны. Они накоплением в определенной степени инертных веществ, которые аккумулируются в атмосфере, или поступающих в литосферу в виде осадочных пород. Более того, отходы отдельных биогеохимических циклов является условием возникновения и поддержания существования многих групп живых организмов. Так, биогенное происхождение имеет весь кислород атмосферы, возникает как "отход" фотосинтетического процесса. За счет отходов биогеохимического цикла углерода в земной коре накопились большие запасы вуглецевмищувальних геологических залежей: каменного угля, нефти, известняков. Общее количество их достигает

101в-1017 тонн. Биогеохимические циклы эволюционируют вместе с эволюцией биосферы. Реализация отдельных биогеохимических циклов и накопления отходов является основой возникновения биогеохимических циклов нового типа или осложнения уже существующих. Так, накопления в атмосфере свободного кислорода создало предпосылку возникновения большой группы организмов, которые используют свободный кислород для дыхания. Процессы химического биогенного окисления стали составной частью биогеохимических циклов.

Центральное место в биосфере занимают биогеохимические циклы: углерода, воды, азота и фосфора. Эти циклы наибольшей степени подверглись трансформации при формировании техносферы и аґросферы, и изучение их стало важной задачей экологии.

Биогеохимический цикл углерода базируется на атмосферном депо, которое удерживает его в количестве, примерно равной 700 млрд тонн в форме углекислого газа (рис. 7.5). Этот цикл инициируется фотосинтезом и дыханием. Оба процесса идут так интенсивно, что у растений и животных на долю углерода приходится до 40 - 50% общей массы. Остатки отмерших растений и животных способствуют образованию гумуса. Аналогично образуется и торф. В этих двух формах умещается до 99% углерода нашей планеты. Скорость круговорота углерода исчисляется в среднем от 300 до 1000 лет.

Подпись:

Образование техносферы существенно изменило этот цикл. Сейчас антропогенная поступления углекислого газа в атмосферу возросло более естественного на 6--10%. Это связано главным образом с вырубкой лесов и заменой их менее продуктивными аґроценозамы.

Определенный вклад вносит и промышленность и все производства, связанные со сжиганием топлива.

Биогеохимический цикл азота. Это один из самых быстрых круговоротов веществ (рис. 7.6). Реализуется он в основном за счет деятельности различных групп живых организмов и, в первую очередь, при активном участии микробов. Основным депо азота является газообразный азот атмосферы. Связывания осуществляется свободно существующими азотофиксаторов (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органические вещества, содержащие связанный азот, минерализуются за счет Аммонификация и нитрофикации, что делает доступным для высших растений нитратный и аммонийный азот. Общие оценки фиксации атмосферного азота противоречивые и в среднем для планеты составляют от 100-170 мг / м2 в год до 1-20 гр / м2 в год. Это соответствует примерно 126 млн тонн азота в год. В антропогенную эпоху на круговорот азота большое влияние оказывает производство синтетических азотных удобрений. Оно заключается в связывании азота воздуха и поэтапного его превращения сначала в аммиак, затем в азотную кислоту, необходимую для получения нитратов. Этот процесс стал широкомасштабным и привлек в биогеохимический цикл азота из атмосферного депо большую его количество. Введение антропогенного азота в его биогеохимический цикл равен 6,4х107 тонн азота в год.

Из всех синтетических минеральных удобрений азотные удобрения требуют наиболее энергетических затрат при их производстве и поэтому являются самыми дорогими. Однако в сельском хозяйстве не разработаны технологии безотходного применения азотных удобрений. Нитраты не вполне используются культурными растениями и существенно загрязняют грунтовые воды и водоемы. Проблема нитратного загрязнения окружающей среды в наше время стала одной из наиболее актуальных.

Биогеохимический цикл фосфора. Этот цикл имеет наиболее простой характер (рис. 7.7). Основной запас фосфора сосредоточен на планете в виде горных пород и минералов. При их выветривании образуются фосфаты, используемые растениями для построения органических веществ своего тела. После отмирания растений фосфор минерализуются микроорганизмы-редуценты. Потери фосфора из биогеохимического цикла связаны в основном с вынесением фосфора в моря и океаны. Оттуда обратно на сушу он может попасть только через рыбу или гуано.

Биогеохимический цикл фосфора

Фосфорные удобрения производят в основном из горных пород. Такой перевод фосфора из депо в активную часть биогеохимического цикла так же, как в случае с азотом, имеет негативные последствия. Не используется культурными растениями фосфор в результате эрозии поступает в водоемы, что приводит к эвтрофикации.

Особенностью природных экосистем является повторное использование биогенных веществ. Хотя в биогеохимических циклах некоторые из таких элементов и теряются, поступая в депо, и делаются недоступными для растений в природных экосистемах масштаб этих процессов незначительный. Антропогенная природопользования вносит в природные циклы немало препятствий. Так, распространенность процессов сжигания топлива, в т.ч. и для нужд сельскохозяйственного производства, приводит к поступлению в атмосферу около 20 млрд тонн углекислого газа и 700 млн тонн других газов и твердых частиц. Сами вырубки леса приводили только на территории СССР до выноса из экосистем леса до 1,2-5 тыс. Тонн фосфора, 6-20 тыс. Тонн азота и 1,2-6 тыс. Тонн кремния. Перенесенные в урбанизированные районы или в аґроекосистемы, эти вещества оказываются или совсем, или временно исключены из природного их кругооборота. Эти процессы, по сути, ведут к появлению нового техногенного типа круговорота химических элементов.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >