7.5. Стабильность биосферы и основные круговороты вещества

Чтобы биосфера продолжала существовать на Земле постоянно должен происходить круговорот вещества и энергии, т.е. после использования вещества одними организмами они должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ из звена в звено может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Таким образом, в биосфере происходит круговорот всех веществ, т.е. их многократное участие в процессах синтеза и разрушения орга­нического вещества. В круговоротах в той или иной степени участвуют практически все химические элементы, однако наиболее важными для биосферы являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора.

По В.Р.Вильямсу, солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой и биологический (биотический), малый круговороты.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды (рис.7.5.1) и циркуляции атмосферы. Под воздействием солнечной энергии вода в биосфере непрерывно переходит из одного состояния в другое. Испарение ее с поверхности океана, подъем водяных паров в атмосферу и выпадение на поверхность океана в форме осадков образуют малый круговорот воды. Когда водяные пары переносятся на сушу, круговорот усложняется. В виде осадков вода выпадает на поверхность суши, часть ее снова испаряется и поступает в атмосферу. Другая часть питает реки и озера, внутренними и поверхностными стоками вновь выносится в океан. Этим завершается большой круговорот воды. Важнейшее свойство круговорота виды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. В осуществлении круговорота воды велика роль транспирации (испарения) растений и особенно деревьев. На со­зидание 1 кг органического вещества в разных районах они расходуют от 200 до 700 л воды. Различные 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. В целом же на земном шаре суммарное испарение воды компенсируется выпадением осадков.

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 ее значительной части пленки нефти. Влияет на круговорот во­ды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти существен­ные изменения круговорота, опасные для биосферы.

С появлением на Земле живых организмов ( живого вещества) на основе геологических круговоротов возникли малые биологические (биотические) круговороты – миграция элементов при помощи живых организмов. По мере их развития из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новые биологические круговороты.

В отличие от простого переноса – перемещения минеральных элементов в большом геологическом круговороте – в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два процесса находятся в определенном соотношении, что лежит в основе жизни и составляет одну из главных ее особенностей. И еще одно существенное отличие. В противоположность геологическому, на поддержание биологического круговорота расходуется гораздо меньше энергии. Общеизвестно, что на создание органического вещества затрачивается всего 0,1-0,2% падающей на Землю солнечной энергии, а на геологический круговорот – до 50%.

Химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, серы и других элементов.

Круговорот углерода является одним из самых важнейших биосферных круговоротов, поскольку углерод составляет основу органических веществ (рис.7.5.2). В круговороте особенно велика роль углекислого газа (СО₂). На суше цикл углерода начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Далее из углекислого газа и воды образуются углеводы и высвобождается кислород. При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе углекислого газа. Фиксированный в растении углерод частично потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании также выделяют углекислый газ. После завершения жизненного цикла, отмершие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный углеродный цикл совершается и в океане. 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.

В настоящее время отмечается нарушение круговорота уг­лерода в связи со сжиганием значительного количества иско­паемых углеродистых энергоносителей, а также дегумификацией пахотных почв и осушением болот. В целом содержание диоксида углерода в атмосфере ежегодно увеличивается на 0,6%.