Круговороты веществ в биосфере

В круговороте веществ в экосистемах и в биосфере участвуют практически все химические элементы. Наиболее важными для биосферы и человека являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора.

Круговорот углерода (рис. 10) – один из самых важных биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ.

В круговороте участвует примерно 1/3 общего количества углерода биосферы. Этот углерод в форме диоксида углерода ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинтеза и возвращается обратно в атмосферу, причем, вклад океана и суши примерно сходный. До 50% (по некоторым данным – до 90%) углерода в форме диоксида углеродавозвращают в атмосферу микроорганизмы почвы, кроме того, они выделяют 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 (это имеет место в на северо-западе РБ). Значительное количество метана выделяется с рисовых полей, свалок твердых бытовых отходов, сельскохозяйственными животными.

В настоящее время в связи со сжиганием значительного количества ископаемых углеродистых энергоносителей отмечается нарушение круговорота углерода. Увеличивается количество диоксида углерода и при разрушении пахотных почв. В целом содержание диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает на 0,6%. Еще быстрее – на 1-2% – возрастает содержание метана. Эти газы являются главными виновниками усиления парникового эффекта. Однако пока доля техногенного диоксида углерода в круговороте составляет не более 10%.

Для того чтобы вернуть круговороту углерода равновесие, необходимо увеличить площадь лесов и сократить выброс газов при сжигании углеродистых энергоносителей.

Круговорот кислорода (рис. 11) осуществляется путем пополнения его запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и его поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека.

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

Круговорот воды протекает по следующей схеме (рис. 12):

– испарение;

– перенос водяного пара;

– конденсация;

– выпадение атмосферных осадков;

– поверхностный и внутрипочвенный сток в водоемы.

Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями, в особенности деревьями. Растения испаряют около 1/3 всей воды осадков, так как на созидание 1 кг органического вещества в разных районах расходуется от 200 до 500 л воды.

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает его. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности нефтяной пленки. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом (см. раздел 7.5). При усилении этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Круговорот азота протекает по следующей схеме (рис. 13):

– 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 до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

В настоящее время вследствие уменьшения доли естественных экосистем биологическая азотфиксация стала меньше, чем промышленная фиксация азота, причем к 2020 г. ожидается дальнейшее увеличение промышленной азотфиксации в 1,5 раза. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

Значительное количество азота из ископаемых его источников (нефть, газ, уголь) в форме оксидов азота поступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом, а из атмосферы с кислотными дождями попадает в наземные и водные экосистемы.

Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-30 кг/га в год (в РБ эта норма не превышается). При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах.

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.

Круговорот фосфора (рис. 14), в отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, – открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

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 редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря), Там фосфор оседает на дно и совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах 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 его ресурсы 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, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора и использование тех его запасов, эксплуатация которых раньше считалась экономически невыгодной (в частности для сельского хозяйства РБ большую роль могут сыграть Ашинские фосфриты). Обсуждается и возможность возвращения фосфора со дна океана.

Круговороты веществ характеризуются скоростью, замкнутостью и типом запасного фонда. Для азота и кислорода фондом является атмосфера, для воды – океан, для минеральных элементов – земная кора. Особое положение занимает углерод, для которого резервный фонд углекислого газа расположен в атмосфере, а резервный фонд твердых (уголь, известь), жидких (нефть) и некоторых газообразных (природный газ) веществ – в земной коре.