5. Биогеохимические циклы. Кругооборот важных химических элементов в биосфере. Антропогенное влияние на естественные циклы основных биогенных элементов

За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связанны единым циклом кругооборота этих элементов. Такой кругооборот, движущей силой которого есть тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) кругооборота. Этот круговорот носит абиотический характер. Продолжительность его существования - около 4 млрд. лет. Мощность большого (геологического) круговорота веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере оценивается в 2x1016 тон/год.

Возникновение жизни на Земле послужило причиной появления новой формы миграции химических элементов - биогенной. За счет биологической миграции на большой кругооборот наложился малый (биогенный) круговорот веществ. В малом биологическом круговороте перемещаются в основном углерод (10^и тонн в год), кислород (2x10^и1 тонн в год), азот (2x10^и1 тонн в год) и фосфор (108 тонн в год).

Сейчас оба круговорота протекают одновременно и тесно связанные между собой. Благодаря взаимодействию разных групп живых организмов между собой и с окружающей средой в экосистемах возникает определенная характерная для каждого вида экосистем структура биомассы, создается своеобразный тип потока энергии и специфические закономерности ее передачи от одной группы организмов к другой, формируются трофические цепи, которые определяют последовательность перехода органических веществ от одних групп живых организмов к другим.

Живые организмы в биосфере инициируют круговорот веществ и приводят к возникновению биогеохимических циклов. Приоритетные исследования биогеохимических циклов были начаты В.И.Вернадским еще в начале 20-х годов XX ст.

Биогеохимический цикл можно определить как циклическое, поэтапное преобразование веществ и изменение потоков энергии с пространственным перенесением масс, которое осуществляется за счет совместного действия биотической и абиотической трансформации веществ. Биогеохимические циклы представляют собой циклические перемещения биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия и др. от одного компонента биосферы к другим. На определенных этапах этого круговорота они входят в состав живого вещества.

Движущей силой всех веществ в биогеохимических циклах является поток солнечной энергии или частично энергии геологических процессов Земли. Затраты энергии необходимы и для перемещения веществ в биогеохимических циклах, и для преодоления биогеохимических барьеров. Такими барьерами на разных уровнях выступают мембраны клеток, сами особи растений и животных и другие материальные структуры. Перемещение веществ в биогеохимических циклах одновременно обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Главными оценочными параметрами эффективности и направления работы биогеохимического цикла является количество биомассы, ее элементарный состав и активное функционирование живых организмов.

Пространственное перемещение веществ в пределах геосфер или, иначе говоря, их миграция подразделяется на пять основных типов:

• Механическое перенесение (идет без изменения химического состава веществ).

• Водное (миграция осуществляется за счет растворения веществ и их следующего перемещения в форме ионов или коллоидов). Это один из наиболее важных видов перемещения веществ в биосфере.

• Воздушное (перенесение веществ в форме газов, пыли или аэрозолей с потоками воздуха).

• Биогенное (перенесение осуществляется при активном участии живых организмов).

• Техногенное, что проявляется как результат хозяйственной деятельности человека.

Интенсивность круговорота веществ в любом биогеохимическом цикле является важнейшей характеристикой. Оценки такой интенсивности сделать непросто. Одним из наиболее доступных индексов интенсивности биологического кругооборота веществ может служить соотношение массы подстилки и другого органического шлама, который есть в любом биоме, и массы органических остатков, что образовывается за один год. Чем больше этот индекс, тем, очевидно, ниже интенсивность биологического круговорота. Реальные оценки показывают, что в тундре значения этого индекса максимальные и, минимальная интенсивность биогеохимических циклов. В зоне тайги интенсивность биологического круговорота возрастает, а в зоне широколистных лесов становится еще большей. Наибольшая скорость круговорота веществ регистрируется в тропических и субтропических биомах: саванах и влажных тропических лесах. В агроэкосистемах биогеохимический кругооборот идет интенсивно, но качественные его параметры уже другие.

Живые организмы биосферы инициируют и реализуют большое количество широкомасштабных физико-химических процессов. Метаболизм живых организмов сопровождается серьезными изменениями газового состава атмосферы. Из атмосферы изымаются или, наоборот, поступают в нее кислород, углекислый газ, азот, аммиак, метан, водный пар и много других веществ. Под влиянием накопления в атмосфере свободного кислорода, который является продуктом жизнедеятельности зеленых растений, на Земле начали преобладать окислительные процессы, которые играют важную роль в абиогенном и биогенном преобразованиях углерода, железа, меди, азота, фосфора, серы и многих других элементов. В то же время на планете сохранились и восстановительные процессы, которые осуществляют анаэробные организмы. Результатом этих планетарных процессов с образованием таких сугубо биогенных пластов, как осадку горных пород: известняки, фосфаты, силикаты, каменный уголь и. др. Все они - результат жизнедеятельности живых организмов.

Анализируя биогеохимические циклы, В.И. Вернадский выявил концентрационную функцию живого вещества. За счет реализации этой функции живое вещество выборочно поглощает из окружающей среды химические элементы. Если наша планета сформирована из соединений железа, никеля, магния, серы, кислорода в первую очередь, то за счет выборочного поглощения и концентрационной функции состав биомассы совсем другой. Она образована из углерода, водорода при сравнительно малом участии других элементов.

Химические элементы, которые принимают преобладающее участие в построении живого вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных. Концентрационная функция животных и растений по-разному реализуется относительно разных их видов. Принцип цикличности в преобразованиях и перемещении веществ в биосфере есть основоположным.

Сохранение цикличности - это условие существования биосферы.

Введение в биосферу однонаправленных процессов, которые осуществляется при конструировании техносферы и агросферы, оказывается для биосферы губительным и наиболее опасным.

Для биосферы характерна высокая замкнутость биогеохимических циклов. Потери веществ в них составляют не более 3-5%. Однако, все биогеохимические циклы дают некоторое количество "отходов". Такие естественные отходы для биосферы не вредные. Они являются накоплением в определенной мере, инертных веществ, которые аккумулируются в атмосфере или тех, что поступают в литосферу в виде осадочных пород. Больше того, отходы отдельных биогеохимических циклов является условием возникновения и поддержки существования многих групп живых организмов. Так, биогенное происхождение имеет кислород атмосферы, который возникает как "отход" фотосинтетического процесса. За счет отходов биогеохимического цикла углерода в земной коре накопились большие запасы углесодержащих геологических пластов: каменного угля, нефти, известняков. Общее количество их достигает 10¹⁶ - 10¹⁷ тонн.

Биогеохимические циклы эволюционируют вместе с эволюцией биосферы. Реализация отдельных биогеохимических циклов и накопление отходов является основой возникновения биогеохимических циклов нового типа или усложнения уже существующих. Так, накопление в атмосфере свободного кислорода создало предпосылки возникновения большой группы организмов, которые используют свободный кислород для дыхания. Процессы химического биогенного окисления стали составной частью биогеохимических циклов.

Центральное место в биосфере занимают биогеохимические циклы: углерода, воды, азота и фосфора. Эти циклы в наибольшей мере испытали трансформации при формировании техносферы и агросферы, и изучение их стало важной задачей экологии.

Биогеохимический цикл углерода базируется на атмосферном соединении, которое удерживает его в количестве, приблизительно равной 700 млрд. тонн в форме углекислого газа. Этот цикл инициируется фотосинтезом и дыханием. Оба процесса идут так интенсивно, что у растений и животных на долю углерода приходится к 40-50% общей массы. Остатки вымерших растений и животных оказывают содействие в образовании гумуса. Аналогично образовывается и торф. В этих двух формах вмещается до 99% углерода нашей планеты. Скорость круговорота углерода исчисляется в среднем от 300 до 1000 лет.

Образование техносферы существенно изменило этот цикл. Сейчас антропогенное поступление углекислого газа в атмосферу выросло больше природного на 6-10%. Это связано, главным образом, с вырубкой лесов и заменой их менее продуктивными агроценозами. Большой взнос делает промышленность и все производства, которые связаны со сжиганием топлива.

Биогеохимический цикл азота. Это один из наиболее быстрых круговоротов веществ. Реализуется он в основном за счет деятельности разных групп живых организмов в первую очередь, при активном участии микробов. Основным соединением азота является газоподобный азот атмосферы. Его связывание осуществляется свободно существующими азотфиксаторами. Ограниченные вещества, которые вмещают связанный азот, минерализуются за счет амонификации и нитрофикации, которая делает доступным для высших растений нитратный и амонийный азот. Общая оценка фиксации атмосферного азота противоречива и в среднем для планеты составляет от 100 - 170 мг/м² в год до 1-20 гр/м² на год. Это отвечает приблизительно 126 млн. азота в год.

В антропогенную эпоху на круговорот азота большое влияние оказывает производство синтетических азотных удобрений. Оно получается при связи азота воздуха и поэтапного его перехода сначала в аммиак, потом в азотную кислоту, необходимую для получения нитратов. Этот процесс стал широкомасштабным и внес в биохимический цикл азот из атмосферных соединений большое его количество. Введение антропогенного азота в его биогеохимический цикл приравнивается к 6,4 * 107 тонн азота в год.

Особенностью естественных экосистем является повторное использование биогенных веществ. Хотя в биогеохимических циклах некоторые из таких элементов и теряются, включаясь в соединения, и делаются недоступными для растений, в естественных экосистемах масштаб этих процессов незначительный.

Антропогенное природопользование вносит в биогеохимические циклы немало препятствий. Так, распространенность процессов сжигания топлива, в т.ч. и для нужд сельскохозяйственного производства, приводит к поступлению в атмосферу около 20 млрд. тонн углекислого газа и 700 млн. тонн других газов и твердых частиц. Вырубки леса приводят к вынесению из экосистем леса до 1, 2-5 тысяч тонн фосфора, 6-20 тысяч тонн азота и 1,2-6 тысяч тонн кремния в год. Перенесенные в урбанизированные районы или в агроэкосистемы, эти вещества оказываются или совсем, или временно исключенными из естественного круговорота. Эти процессы, в сущности, ведут к появлению нового техногенного типа кругооборота химических элементов.