Биогеохимические круговороты вещества в биосфере

Чтобы биосфера не переставала существовать и чтобы не прекращалось ее развитие, на Земле постоянно должен осуществляться круговорот биологически важных веществ. Это значит, что после использования они должны снова переходить в форму, пригодную для усвоения другими организмами. Этот переход биологически важных элементов от звена к звену, который осуществляется в масштабах всей планеты при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце, называется геологическим, или большим, круговоротом.

После появления живого вещества на основе геологического круговорота образовался круговорот органического вещества, который называется биологическим, или малым, круговоротом. По мере развития живой материи из геологического круговорота изымалось все больше элементов, которые включались в непрекращающийся биологический круговорот, являющийся основой жизни. Одни элементы необходимы организмам в большом количестве, другие - в меньшем, а некоторых элементов требуется очень мало. Поэтому элементы, которые включаются в биологический круговорот, подразделяются на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Однако живое вещество в биологическом круговороте превращается в неживое, а оно в свою очередь под влиянием редуцентов превращается в неорганическое вещество, которое дальше может либо снова включаться в биологический круговорот, либо выходить из него и включаться в геологический круговорот. В свою очередь элементы из геологического круговорота могут поглощаться организмами и вовлекаться в биологический круговорот. Поскольку биологический круговорот связан с геологическим, то логично рассматривать их как единое целое, как биогеохимический круговорот элементов.

При рассмотрении биогеохимического круговорота любого вещества необходимо выделять две части запаса этого вещества: 1) обменный фонд - это часть элемента, которая находится в круговороте, он составляет незначительную часть общего объема элемента; 2) резервный фонд - это часть элемента, которая не циркулирует и пока что не будет циркулировать, однако может быть при необходимости включена в круговорот. Резервные фонды отличаются по степени подвижности и легкости вовлечения в круговорот. Различают газообразный резервный фонд, который находится в атмосфере и является наиболее подвижным и доступным (N, О, С), и осадочный резервный фонд, который находится в литосфере или гидросфере и труднее включается в обменный фонд по двум причинам: 1) он предварительно должен быть переведен в водорастворимое состояние, чтобы живые организмы могли его ассимили-

ровать; 2) он доступен не везде одинаково, потому что может находиться под землей на разной глубине.

Рассмотрим примеры биогеохимических круговоротов веществ с газообразным (N, С) и осадочным (Р, Н₂0) фондами.

Биогеохимический круговорот азота. Азот имеет газообразный резервный фонд, который находится в атмосфере. Между резервным и обменным фондами постоянно осуществляется обмен элементов и обеспечивается непрерывная связь (рис. 15).

Из резервного фонда азот включается в обменный фонд тремя путями:

1. Атмосферная фиксация. Под действием атмосферных электрических разрядов часть азота взаимодействует с кислородом с образованием оксида и диоксида азота, которые растворяются в водяных парах и в виде азотистой и азотной кислот попадают в почву. В почве образуются нитраты, которые поглощаются растениями и включаются в биологический круговорот.

Рис. 15. Биогеохимический круговорот азота (по В. Радкевичу, 1997)

2. Биологическая фиксация. В основном азот из резервного фонда вовлекается в обменный фонд азотфиксирующими бактериями, которые переводят его в доступные для растений формы.

3. Промышленная фиксация. С наступлением промышленной революции человек научился с помощью техники превращать газообразный азот в минеральные азотные удобрения, которые после внесения в почву усваиваются растениями в аммиачной и нитратной форме.

Пополнение резервного фонда из обменного фонда происходит путем денитрификации, которую осуществляют денитрифицирующие бактерии. Часть азота из обменного фонда смывается с поверхностным стоком в море, где он включается в морские организмы или мелководные отложения. Часть его через живые организмы возвращается в биологический круговорот, а часть переходит в глубоководные отложения - это полные и окончательные потери элемента.

После наступления техногенной эры сельское хозяйство стало широко использовать технику для обработки почвы, а это привело к усилению поверхностного стока и увеличению выноса азота. За счет улучшения аэрации усилился процесс денитрификации. В то же время, за последние 100 лет биологическая фиксация снизилась в 20-30 раз. Все это привело к обеднению обменного фонда и для его пополнения человек вынужден вносить минеральные удобрения или на больших площадях выращивать азотфиксирующие бобовые растения. Однако примерно 1/10 часть искусственно внесенного азота используется растениями, а остальная часть с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в морские отложения. При этом имеет место эвтрофикация пресноводных экосистем, что ведет к их деградации. Таким образом, в результате антропогенного влияния происходит перекачивание азота из резервного фонда в обменный, а из него - в глубоководные отложения. То есть происходит постепенное выведение азота из круговорота.

Биогеохимический круговорот углерода. Углерод имеет газообразный резервный фонд. Сейчас в атмосфере содержание углекислого газа составляет 0,032%, а в начале века этот

показатель был равен 0,029%. За 100 лет изменение его составило всего 0,003%, однако это привело к заметному проявлению «парникового эффекта»: среднегодовая температура повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся на 15 см. Если среднегодовая температура повысится на 3 - 4 °С, произойдет таяние вечных льдов, и уровень Мирового океана поднимется на 50 - 60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. По подсчетам ученых, это может наступить менее чем через 100 лет, если сохранится нынешняя тенденция увеличения содержания углекислого газа в атмосфере. Потепление климата и возврат к третичному периоду были бы благоприятны для человека как биологического существа, но с точки зрения человека как социального существа - это катастрофа. После образования планеты уровень углекислого газа в атмосфере был высокий. После появления растений углекислый газ начал ассимилироваться, и когда суша стала заселяться высшими растениями, уровень углекислого газа начал снижаться и составил 0,1- 0,4%. Эта эпоха характеризовалась теплым, влажным климатом и очень высокой продуктивностью растений, что привело к еще более значительному снижению уровня углекислого газа (0,010 - 0,015%) и наступлению ледникового периода. Сейчас наблюдается обратная тенденция. Причины повышения концентрации углекислого газа в атмосфере можно выяснить, рассмотрев особенности его биогеохимичес- кого круговорота (рис. 16).

Между атмосферой и Мировым океаном постоянно происходит карбонатный обмен. Океан обладает буферной емкостью, поэтому может удерживать углекислый газ. Этот процесс сбалансирован. При вулканической деятельности процесс выделения и поглощения углекислого газа также сбалансирован. Между сушей и атмосферой наблюдается баланс углекислого газа. Те изменения содержания углекислого газа в атмосфере, которые имели место в истории планеты, можно объяснить разной буферной емкостью водной среды или продуктивностью растений, их ассимиляционной активностью.

Атмосфера

Рис. 16. Биогеохимический круговорот углерода (по Ю. Одуму, 1986)

В настоящее время к этим природным процессам добавилось еще антропогенное влияние за счет промышленности, в результате деятельности которой ежегодно выделяется 6-8 млрд т углекислого газа, и сельского хозяйства, дающего ежегодно 2-3 млрд. т. С0₂. В связи с этим его содержание в атмосфере возрастает не линейно, а экспоненциально. Наибольший вклад в этот процесс вносят энергетика и транспорт. Процесс потепления климата протекал бы более ощутимо, если бы он не сдерживался пылевым загрязнением биосферы, в результате которого снижается прозрачность атмосферы, а значит, уменьшается количество поступающей на планету солнечной энергии. Таким образом, под действием человека ранее накопленный в виде полезных ископаемых углерод переводится в углекислый газ, который пополняет резервный фонд углерода в атмосфере.

Биогеохимический круговорот фосфора. Фосфор имеет осадочный резервный фонд, представленный фосфорсодержащими горными породами. В природных условиях пополнение обменного фонда за счет резервного происходит в ре-

зультате выщелачивания горных пород, содержащих фосфор. Даже глубоко расположенные породы подвергаются выщелачиванию грунтовыми водами, которые либо поднимаются на поверхность и выносят фосфор в почву, либо попадают в море. Из обменного фонда фосфор выводится в нерастворимой форме в составе костей скелета отмирающих животных, которые пополняют резервный фонд, и в виде растворимых фосфатов в составе мягких тканей, которые затем снова вовлекаются в обменный фонд (рис. 17).