Основные биосферные круговороты веществ и влияние на них хозяйственной деятельности человека

Важнейшей функциональной характеристикой биосферы являются протекающие в ней круговороты веществ, которые обусловлены биогенными и абиогенными причинами. В настоящее время сильное влияние на них оказывает хозяйственная деятельность человека, что ведет к нарушению биосферы и может иметь тяжелые последствия для будущих поколений землян. Рассмотрим круговороты наиболее важных биогенов - углерода, кислорода, азота, воды и фосфора, а также проблему потепления климата.

Круговорот углерода. Это один из самых важных биосферных круговоротов, поскольку углерод составляет основу органических веществ. В круговороте особенно велика роль диоксида углерода (рис.).

Запасы «живого» углерода в составе организмов суши и океана составляют, по разным данным, 550-750 Гт (1 Гт равна 1 млрд т), причем 99,5 % этого количества сосредоточено на суше, остальное - в океане. Кроме того, в океане содержится до 700 Гт углерода в составе растворенного органического вещества.

Запасы неорганического углерода значительно больше. Над каждым квадратным метром суши и океана находится 1 кг углерода атмосферы, и под каждым квадратным метром океана при глубине 4 км - 100 кг углерода в форме растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Еще больше запасов углерода в осадочных породах - в известняках содержатся карбонаты, в сланцах - керогены и т.д.

Рисунок 7. Круговорот углерода в биосфере

 

Примерно 1/3 «живого» углерода (около 200 Гт) циркулирует, т.е. ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинтеза и возвращается обратно в атмосферу, причем вклад океана и суши в этот процесс примерно сходный (по некоторым данным вклад суши в 2 раза выше).

До 50 % (по некоторым данным - до 90 %) углерода в форме диоксида возвращают в атмосферу микроорганизмы - редуценты почвы. В этот процесс равный вклад вносят бактерии и грибы. Возврат диоксида углерода при дыхании всех прочих организмов, таким образом, меньше, чем при деятельности редуцентов.

Некоторые бактерии кроме диоксида углерода образуют метан. Выделение метана из почвы возрастает при переувлажнении, когда создаются анаэробные условия, благоприятные для деятельности метанообразующих бактерий. По этой причине резко увеличивается выделение метана лесной почвой, если древостой вырублен и вследствие уменьшения транспирации происходит ее заболачивание. Много метана выделяется с городских свалок, рисовых полей и пищеварительной системы домашнего скота.

Приведенные данные характеризуют биогенный круговорот углерода. В круговороте участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах. Однако данных о скорости этих процессов нет. Полагают лишь, что их интенсивность менялась в истории планеты, и парниковый эффект, который наблюдается сегодня, многократно проявлялся в прошлом при усилении геохимических процессов с выделением диоксида углерода, и при ослаблении процессов, которые «оттягивали» его из атмосферы.

Проблема потепления климата.В настоящее время происходит процесс потепления климата. Существует две основные гипотезы объяснения этого явления: а) антропогенная - причиной потепления климата являются выбросы в атмосферу антропогенного диоксида углерода (в первую очередь при сжигании углеродсодержащего топлива); б) потепление климата - это естественный процесс, связанный с солнечной активностью, так как вклад техногенного углерода в атмосферу не превышает 1 %, а океан и наземные экосистемы обладают высокой буферностью и связывают «лишний» углерод. Этой точки зрения придерживался крупный климатолог-географ М.И. Будыко, сегодня ее представляют ректор Гидрометеорологического университета Санкт-Петербурга Л.Н. Карлин и академик РАН, директор Института географии РАН В.М. Котляков. Эти ученые считают процесс потепления климата временным, на смену которому в ближайшее время придет похолодание. Антропогенная гипотеза потепления климата. Эта гипотеза лучше обоснована фактическим материалом (Рамсторф, Шельнхубер, 2009), ее придерживается авторитетная Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Изучение газового состава пузырьков воздуха в льдах Антарктиды показало, что в истории планеты были периоды, когда концентрация диоксида углерода в атмосфере была выше, чем сейчас (например, 30 млн лет назад). Тем не менее, никогда процесс повышения концентрации диоксида углерода в атмосфере не был столь быстрым, что дает дополнительные аргументы в пользу гипотезы антропогенной природы потепления климата. В соответствии с антропогенной гипотезой наибольшую опасность представляет СО2 (диоксид углерода), ответственный за 60 % потепления. Концентрация СО2 в ХХ в. повысилась с 280 ppm (0,028 %) до 383 ppm и может достигнуть к концу XXI в. 540-970 ppm. Средняя температура атмосферы в ХХ в. повысилась на 0,8о С (в Европе - на 1о С, в России - на 1,3о С), в течениеXXI в зависимости от величина эмиссии СО2 это повышение может составить 2-7 %. Из числа прочих парниковых газов существенный вклад в потепление климата вносит метан. Метан быстро разрушается в атмосфере и потому менее опасен, чем СО2, высокое содержание которого длительное время будет сохраняться в атмосфере даже если удастся снизить величину его эмиссии. Большую роль играют пары воды, однако этот фактор определяется испарением с поверхности мирового океана, и человек практически не может влиять на него. Возможные последствия потепления климата. Потепление климата может вызвать ряд опасных последствий. Прогнозируются следующие изменения: • таяние ледников Гренландии и Антарктиды. Скорость процесса трудно предсказать, кроме того, есть мнение, что полного исчезновения этих ледников не произойдет: при потеплении климата увеличится количество осадков, за счет чего ледовый покров будет нарастать, и таяние льда хотя бы частично будет компенсировано; • вследствие таяния ледников может значительно повыситься уровень мирового океана (в XXI в. - до 88 см, к 2300 г. - до 2,5 м); • массы пресной воды, образовавшейся при таянии ледников Гренландии, могут нарушить «тепловой конвейер» Гольфстрима, что приведет к похолоданию в Европе; • таяние льдов Арктики может стать причиной гибели белых медведей; • вследствие усиления поглощения СО2 океаном произойдет подкисление морской воды. До начала потепления климата рН вод океана составлял 8,1, в настоящее время отмечен сдвиг на 0,1, возможно дальнейшее увеличение сдвига на 0,3-0,4. Это повлечет серьезные изменения биоты океана и может привести к полному разрушению экосистем коралловых рифов; • таяние ледников Гималаев (самых больших после Антарктиды и Грунландии) может снизить водность рек Инда, Ганга, Брахмапутры, что приведет к катастрофическим последствиям для сельского хозяйства Индии; • вытаивание многолетней мерзлоты может пагубно сказаться на лесах, озерах, городских строениях, инфраструктуре (дороги, линии электропередачи, трубопроводы и др.). Этот прогноз особенно важен для России, значительная часть территории которой представляет зону распространения мерзлотных грунтов. Произойдет эмиссия в атмосферу огромного количества метана, который содержится в мерзлотных почвах в форме клатрата метана, что «подхлестнет» процесс потепления. • произойдет дальнейшее усыхание ветландов, что усилит эмиссию СО2 из минерализующихся торфов; • станут более частыми и масштабными лесные пожары, ураганы, наводнения и др.; • снизится биологическое разнообразие природных экосистем, в первую очередь коралловых рифов, влажных тропических лесов и высокогорий; • повысится смертность людей от высоких температур (в Европе в 2003 г. от жары умерло 35 тыс. человек) и от заболеваний вследствие распространения на Север «южных» болезней (в первую очередь малярии); • ухудшится обеспечение продовольствием, так как некоторое повышение урожаев в странах умеренного климата не компенсирует их значительного снижения в южных странах; Возможности противодействия потеплению климата. Как основное направление смягчения влияния потепления климата рассматривается декарбонизация энергетики на основе ВИЭ и атомной энергетики. Некоторую роль может сыграть лесовосстановление. Обсуждаются возможности захоронения СО2 в геологических пластах. Для этого СО2 должен улавливаться в местах его образования (в первую очередь на предприятиях теплоэнергетики) и переводиться в сжиженное состояние, что позволит транспортировать его в цистернах к местам захоронения. Однако технология такого секвестрования пока недостаточно разработана, и оно будет обходиться очень дорого. Кроме того, невозможно улавливать СО2, который образуется при работе транспорта и небольших предприятий. В последние годы ряд климатологов (особенно академик Ю.А. Израэль) пропагандируют идею снижения температуры атмосферы за счет распыления аэрозолей соединений серы для снижения количества солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Этот вариант контроля потепления климата экологически опасен, так как последствия распыления этих аэрозолей непредсказуемы. Необходима адаптация цивилизации к последствиям потепления климата путем экологизации всех сфер хозяйственной деятельности (сельского хозяйства, медицины, обустройства приморских территорий, подверженных ураганам, регулирования режима стока рек и т.д.). Международное сотрудничество по проблеме потепления климата координирует Киотский протокол - важнейшее международное соглашение, регламентирующее выбросы в атмосферу техногенного углерода, который является причиной потепления климата. Контрольные вопросы 1. Каково соотношение количества «живого» углерода на суше и в океане? 2. Каково соотношение количества «мертвого» углерода в атмосфере и в океане? 3. Какая доля «живого» углерода ежегодно вовлекается в круговорот? 4. Какая доля углерода возвращается в атмосферу редуцентами наземных экосистем? 5. Перечислите факторы, нарушающие круговорот углерода. 6. Какие последствия может иметь усиление парникового эффекта?

Круговорот воды. Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды (рис. 35).

Рисунок 8. Круговорот воды в биосфере

 

Большое количество воды (около 1/3 всей воды осадков) испаряется растениями, особенно деревьями.

Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод - за 5 тыс. лет, океана - за 3 тыс. лет, почвы - за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.

Важную роль в годовом водном балансе биосферы играет океан (табл. 19). Испарение с его поверхности примерно в два раза больше, чем с поверхности суши.

 

Таблица 19

Годовой водный баланс Земли (по Львовичу, 1986)

 

Элементы водного баланса	Объем, км3	Слой, мм
Периферическая часть суши (116800 км2) Осадки
Речной сток
Испарение
Замкнутая бессточная часть суши (32100 км2) Осадки
Испарение
Мировой океан (361100 км2) Осадки
Приток пресных вод
Испарение
Земной шар (510000 км2) Осадки
Испарение

 

 

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает этот цикл. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных культур. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Контрольные вопросы

1. Какой вклад в испарение воды вносит океан?

2. Какой вклад в испарение воды вносят растения?

3. С какой скоростью осуществляется круговорот разных фракций воды?

4. Расскажите о причинах нарушения круговорота воды.

Круговорот азота. Циркуляция азота в биосфере протекает по следующей схеме (рис.):

- перевод инертного азота атмосферы в доступные для растений формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах);

- усвоение азота растениями;

- переход части азота из растений в ткани животных;

- накопление азота в детрите;

- разложение детрита микроорганизмами-редуцентами, вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

В морских экосистемах азотфиксаторами являются цианобактерии, связывающие азот в аммиак, который усваивается фитопланктоном.

В настоящее время, вследствие уменьшения доли естественных экосистем, биологическая азотфиксация стала меньше промышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 миллионов тонн в год), причем к 2020 г. ожидается увеличение промышленной азотфиксации на 60 %. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

Рисунок 9. Круговорот азота в биосфере

 

Значительное количество азота в форме оксидов азота поступает в атмосферу, а затем в почву и водоемы в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом (кислотные дожди). Этот азот был изъят из атмосферы экосистемами геологического прошлого и длительное время находился «на депоненте» в угле, газе, нефти, при сжигании которых он возвращается в круговорот. Например, в США с атмосферными осадками выпадает 2050 кг/га в год азота, а в отдельных районах эмиссия достигает 115 кг/га.

Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-3 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, происходит выщелачивание питательных элементов в глубокие горизонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие заносных видов - нитрофилов. Кроме того, высокое содержание азота в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повышает их поедаемость, что может привести к выпадению из растительных сообществ даже доминантных видов. Так, в некоторых пустошах Западной Европы после того, как в вереске повысилось содержание азота, массово размножился вересковый жук (его количество достигало 2000 экземпляров на 1 м). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Те же изменения в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ отмечены и в Калифорнии.

Однако не всегда кислотные дожди оказывают пагубное влияние на экосистемы. Экосистемы степной зоны, где почвы имеют слабощелочную реакцию, от выпадения кислотных дождей не только не страдают, но даже увеличивают свою продуктивность за счет дополнительного азота.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные этапы круговорота азота.

2. Через какие каналы атмосферный азот попадает в экосистемы?

3. Какой вклад в круговорот вносит техногенный азот?

4. Расскажите о вкладе в круговорот азота сжигания азотсодержащих энергоносителей.

5. Что нужно сделать для нормализации круговорота азота?

Круговорот кислорода. Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека (рис.). Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения; часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Этот круговорот очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тысяч лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

 

Рис 10. Круговорот кислорода в биосфере

 

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.

Однако отмечено ухудшение состояния озонового слоя и образование «озоновых дыр» (областей с пониженным содержанием озона) над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Временные «дыры» возникают также над обширными районами вне полюсов (в том числе и над континентальными районами России). Причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота, которые образуются в почве из минеральных удобрений при их разрушении микроорганизмами, а также содержатся в выхлопных газах автомобилей. Вклад в разрушение озонового слоя вносят и фреоны, используемый в холодильниках. Эти вещества разрушают озон с более высокой скоростью, чем он может образовываться из кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей.

Сохранение озонового слоя - одна из глобальных задач мирового сообщества. Главный международный документ, регламентирующий выбросы в атмосферу озоноразрушающих веществ (ОРВ) - «Монреальский протокол» (1987 г.). Это соглашение запрещает какие-либо торговые операции с ОРВ между странами, подписавшими и не подписавшими протокол. Все страны-участницы Протокола ищут приемлемую альтернативу ОРВ. Практически она уже найдена при производстве аэрозолей и вспененных полимерных материалов. Наибольшие трудности внедрения озонобезопасных веществ - при производстве холодильного оборудования, хотя ряд немецких, швейцарских и некоторых других европейских фирм с успехом заменили фреон изобутаном. По данным ООН, только с 1986 по 1998 гг. потребление хлорфторуглеродов сократилось с 1,1 млн. т до 156 тыс. т. В настоящее время их потребление еще ниже.

Так как озон является фотооксидантом, образующимся из оксида азота и углеводородов под влиянием ультрафиолетовых лучей, то возможно увеличение его содержания в приземном слое атмосферы. В этом случае он оказывается опасным загрязнителем, вызывающим раздражение дыхательных путей человека. Однако отрицательно сказывается на здоровье человека и чрезмерно низкое содержание озона в атмосфере.

Контрольные вопросы

1. Назовите основной источник пополнения запаса кислорода в атмосфере.

2. Укажите, при каких процессах происходит поглощение кислорода из атмосферы.

3. За какое время происходит обновление запаса кислорода в атмосфере?

4. Охарактеризуйте проблему сохранения озонового слоя атмосферы.

Круговорот фосфора. О круговороте фосфора за обозримое время можно говорить лишь условно. Будучи гораздо тяжелее углерода, кислорода и азота, фосфор почти не образует летучих соединений - он стекает с суши в океан, а возвращается в основном при подъеме суши в ходе геологических преобразований. По этой причине круговорот фосфора называют «открытым» (рис.).

Рисунок 11. Круговорот фосфора

 

Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит к животным. После разложения мертвых тел растений и животных не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и почти не возвращается на сушу, лишь небольшое количество его возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, однако, в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен (хотя в настоящее время активно исследуются возможности его добычи со дна океана), в будущем в земледелии возможен острый дефицит фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

Контрольные вопросы

1. Почему круговорот фосфора называется открытым?

2. Где сконцентрированы запасы фосфора?

3. Почему фосфор концентрируется на дне океанов?

4. Какие последствия для сельского хозяйства будет иметь исчерпание запасов фосфора?