Массы элементов, вовлекаемых в биологический круговорот в ландшафтах лесной зоны, кг/км2 в год

Массы элементов	Хвойные леса северной тайги	Хвойные и мелко-листв. суб-бореальные леса	Широколиств. суббореальные леса
Mn Fe Zn	36,4 30,4 4,56	81,6 68,0 10,2	151,2 126,0 18,9

В направлении на юг от северной границы бореальных лесов происходит постепенное уменьшение гумидности и сокращение холодного зимнего сезона, затрудняющего биогеохимические процессы. Изменяется флористический состав лесных фитоценозов и геохимическая специализация растений доминантов. Хвойные леса сменяются смешанными, а затем лиственными. Место кустарничков и мхов занимает травянистая растительность, значение которой возрастает с севера на юг. По мере усиления активности биогеохимических процессов увеличивается годовая продукция и опад и уменьшается масса мертвого органического вещества. Одновременно происходят изменения в химическом составе растительности и в соотношении масс химических элементов, мигрирующих в системе БИК.

Содержание азота в главном компоненте опада, листьях, примерно вдвое больше, чем в хвое таежных лесов. Увеличивается по сравнению с хвоей концентрация кальция (от 0,5 до 4%), калия (от 0,15 до 2%), кремния. Соотношение масс поглощенных элементов отвечает схеме: Ca>N>K>Si=Mg=P=S>Al=Fe=Mn.

Техногенная трансформация биогеохимических циклов элементов

Понятие о техногенезе

Техногенез – геохимическая деятельность человечества. В XX в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. Происходит огромное ускорение миграции и вовлечение в неё всё больших масс вещества.

Процессы техногенеза делятся на 2 группы. Первая унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элементов при отработке месторождений, распыление вещества и др. При их изучении можно использовать понятия и методы, разработанные для анализа природных процессов.

Техногенная миграция второй группы находится в резком противоречии с природными условиями. Так, металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и других элементов не соответствует физико-химическим условиям биосферы. Человек здесь уменьшает энтропию, ему приходится тратить много энергии, чтобы получить и содержать данные элементы в свободном состоянии. Всё в большем количестве в биосферу попадают вещества, ранее в ней не существовавшие. Они обладают свойствами, не известными у природных материалов (искусственные полимеры, лекарства, краски, сплавы). Как правило, они с трудом разлагаются. Новым для биосферы является и производство атомной энергии, радиоактивных изотопов, сверхчистых веществ. Для характеристики этих процессов недостаточен существующий понятийный аппарат биогеохимии. Необходимы новые подходы к исследованию.

Основные направления трансформации биогеохимических циклов

1.Предполагаемое возрастание углекислого газа в атмосфере в связи с промышленным производством. Все виды минерального топлива, сгорая, превращаются в углекислый газ. Его содержание в атмосфере до 1850 г. – 0,029%, сейчас – 0,036%. Рост концентрации СО₂ сам по себе опасности не представляет, но может вызвать повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту.

Метеорологи считают, что сейчас в Северном полушарии температура приземного слоя тропосферы на 0,4°С выше, чем в 1950–1980 гг., а к 2050 г. температура повысится на 3–4°С. На территории Ростовской области зафиксировано повсеместное увеличение среднегодовой температуры. С 1936 по 2009 г. она увеличилась на 1,7°С, до 2020 г. возрастет еще на 0,3°С. За это же время на 143 мм увеличилась годовая сумма осадков.

Такое потепление климата должно отразиться на биосфере в целом, вызвать повышение почти на 0,5 м уровня Мирового океана. Затопление густонаселенных береговых территорий повлечет за собой сложные ситуации в экономике и организации мирового хозяйства. Теоретическая проблема разбалансирования глобального цикла углерода приобретает экономические, социальные и политические аспекты.

Наблюдающийся сейчас рост концентрации в атмосфере парниковых газов, прежде всего диоксида углерода, нередко называют беспрецедентным и объясняют исключительно хозяйственной деятельностью человека — сжиганием ископаемого топлива. На самом деле это не совсем так. Анализ пузырьков воздуха, запечатанных во льду Антарктиды (такие данные по материалам станции «Восток» имеются за последние 420 тыс. лет), показывает, что содержание СО₂ в атмосфере демонстрировало циклические колебания, из которых наиболее значительные, с периодом в 110 тыс. лет (так называемые циклы Миланковича), определяются регулярными изменениями параметров земной орбиты. Современное содержание СО₂ – 0,036%) – действительно самое высокое по крайней мере за последние полмиллиона лет, хотя надо заметить, что и в случае отсутствия человека на Земле сейчас было бы довольно тепло.

Однако в более далеком прошлом наша планета переживала и более серьезные повышения содержания углекислого газа в атмосфере. При этом жизнь на Земле продолжала существовать и развиваться. Так, в конце палеозойской эры, в самом начале пермского периода (примерно 300 миллионов лет назад) на смену очень долго (почти полмиллиарда лет) длившихся холодов пришло глобальное потепление, сопряженное с резким возрастанием содержания в атмосфере СО₂ — от уровня, примерно равного современному 0,025% до 0,3% (то есть почти в 12 раз).

Сжигание огромных масс каменных углей, нефти и газа сопровождается расходованием еще больших масс кислорода. Если в мире сжигается 5×10⁹ т углерода, то на это расходуется более 13×10⁹ т кислорода. Кроме того, кислород расходуется на окисление металлов, добываемых и выплавляемых человеком, главным образом, железа. Ежегодно в мире выплавляется около 800 млн т стали. В это же время окисляется, ржавеет примерно 10% этого количества, на что расходуется около 340 млн т кислорода. Биосфера пока справляется с окислением продуктов индустриальной деятельности человечества. Но поглощение кислорода достигло такого уровня, что необходим контроль за его биогеохимическим циклом.

Сильное изменение природных биогеохимических циклов некоторых химических элементов под влиянием сельскохозяйственного производства. Площадь почв, в настоящее время находящихся в сфере земледелия – около 15 млн км², т.е. около 10% от площади всей суши. На земледельческих угодьях трансформирована вся структура биологического круговорота. Природная растительность, находившаяся в биогеохимическом равновесии с окружающей средой, заменена с/х культурами, которые могут существовать в условиях данных геоэкосистем лишь благодаря человеку. Продукция полностью не возвращается в почву, а частично удаляется в виде урожая. В систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора, а также дополнительные количества воды. Вместе с тем механическое нарушение почвы активизирует процессы эрозии и выноса химических элементов за пределы обрабатываемых площадей.

Среди многих последствий хозяйственной деятельности важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в ОС. Различные металлы используются в индустриальном производстве в нарастающем количестве. Металлы извлекаются в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре. Например, кларк Al в 1000 раз больше кларка Cu, а современная добыча этих металлов близка и различается в несколько раз. Mo в земной коре почти в 100 раз меньше, чем V, а производят молибдена значительно больше.

Самая главная, на первый взгляд, парадоксальная, особенность использования металлов заключается в их активном рассеянии. Пути техногенного рассеяния разнообразны, важнейшим служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Но значительная часть металлов теряется ещё раньше – при транспортировке, обогащении, сортировке руды.

После получения металлов вся технология современного производства сопровождается их рассеиванием в ОС. Огромные массы металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и др. отраслях. Большие массы металлов истираются и рассеиваются во время работы различных машин и механизмов. Путем техногенного рассеяния металлов является и сжигание топлива.

Массы ТМ, ежегодно поступающие в ОС в результате хозяйственной деятельности, сопоставимы с количеством металлов, участвующих в глобальных процессах массобмена. Количества Mn и Cr, поступающие в результате сжигания угля, близки к выносу их растворимых форм речным стоком со всей суши. Годовая добыча Cu, Zn, Sn, Cd значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью.