Книга: Основы геоэкологии

II.3.2. Глобальные циклы вещества

II.3.2. Глобальные циклы вещества

Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена ничтожно мала по сравнению с потоками вещества внутри системы. Из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Например, реки мира выносят в океаны порядка 20 млрд тонн наносов в год, это в две тысячи раз больше, чем привносится метеоритами. Поэтому можно сказать, что, с точки зрения геоэкологии, Земля и ее экосфера – это закрытые системы.

В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, биогеохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмосферы, циркуляция вод океана. В сущности эти круговороты – один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные составляющие для удобства нашего понимания глобальных процессов.

Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота (например, для ветви, описывающей круговорот углерода в наземной биоте).

Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрезвычайно высокой степенью замкнутости. Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд т живой массы. Время существования жизни на Земле – около 3,5 млрд лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд т в год, то всего за время существования жизни образовалось приблизительно 2х10¹² млрд т живого вещества. (Это всего лишь втрое меньше массы всей Земли!) Масса биосферы около 1,4х10⁹ млрд т. Таким образом, продукция биоты за время существования Земли превосходит массу биосферы на три порядка (в 1000 раз). Это значит, что все атомы углерода на Земле в среднем приблизительно 1000 раз становились частью синтезируемого органического вещества, а затем столько же раз это вещество подвергалось деструкции. Очевидно, что глобальные потоки синтеза и деструкции органического вещества должны совпадать с точностью не менее трех значащих цифр (0,001). Более детальный анализ показывает, что в геологическом масштабе времени баланс потоков синтеза и деструкции органического вещества Земли выдерживается с точностью до восьми знаков за запятой!

Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров. Например, мы увидим ниже, что малое, по сравнению с природными потоками, антропогенное приращение парникового эффекта в атмосфере может привести к серьезнейшим нарушениям устойчивых климатических процессов, влияющих, в свою очередь, на многие аспекты жизни и деятельности общества.

Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого («геологического») цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших с точки зрения состояния экосферы, – углерода, азота, фосфора и серы.

Глобальный цикл углерода.

Вероятно, углерод является наиболее важным химическим элементом экосферы, потому что:

а) почти все формы жизни состоят из соединений углерода;

б) реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;

в) способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;

г) углеродсодержащие газы – углекислый газ (СО₂) и метан (СН₄) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.

Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью порядка десятков миллиардов тонн углерода в год. В этом обмене океан является главным поглотителем углерода, поступающего как с суши со стоком рек в результате деструкции органического вещества, так и из атмосферы, куда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ (биоты). Важнейшие процессы в биосфере – формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.

Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге, подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы.

Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Другой поток – различные виды деструкции органического вещества биоты и почв, которые возникают при антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти антропогенные потоки относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В чрезвычайно сбалансированном цикле углерода антропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному усилению парникового эффекта с соответствующими серьезными последствиями для экосферы. Эта проблема более детально обсуждается ниже, в главе, посвященной геоэкологическим проблемам атмосферы.

Глобальный цикл азота.

Азот – ключевой ингредиент жизни, поскольку этот элемент – обязательный компонент всех белковых соединений.

Большие запасы соединений азота состредоточены в литосфере. Остальные запасы представлены в виде химически малоактивного газа, составляющего 79 % атмосферы. Запасы азота в биосфере и гидросфере – на три порядка меньше, чем в атмосфере. Среднее соотношение массы углерода и азота в наземной биомассе и почвах С: N = 160: 15.

Несмотря на относительно малые запасы азота в биосфере и гидросфере, там это активный элемент, быстро обменивающийся между геосферами. Картина химических процессов цикла азота чрезвычайно сложна и разнообразна, потому что азот проходит сквозь воздух, воду и почву в различных химических формах и к тому же видоизменяющихся. В наземном и океаническом субциклах азота сосредоточено до 95 % всех его потоков.

Важнейший антропогенный поток в цикле азота – использование азотных удобрений. После Второй мировой войны происходило неуклонное увеличение их производства из азота атмосферы. Однако последние два десятилетия этого века удельное использование азотных удобрений (в кг/га) как в развитых странах, так и в странах СНГ сократилось или стабилизировалось, тогда как их применение в развивающихся странах все еще увеличивается. Приблизительно 50 % азота, вносимого в агроэкосистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества около половины убирается с поля с урожаем, а другая половина остается в органическом веществе почвы. Современное земледелие, таким образом, изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставили человека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белка. Однако это привело к загрязнению окружающей среды и, в частности, к интенсификации процесса эвтрофикации водоемов.

Другим фактором антропогенной интенсификации потоков азота является энергетика, поскольку при сжигании угля, нефти и ее продуктов, сланцев, торфа и пр. увеличивается эмиссия в атмосферу аммиака и оксидов азота. В свою очередь, оксиды азота и аммиак играют решающую роль в процессах асидификации окружающей среды.

Глобальный цикл фосфора.

Фосфор также один из важнейших химических элементов, поскольку он играет огромную роль в биологических и биогеохимических процессах. Фосфор – необходимый компонент ДНК и фосфолипидных молекул клеточных мембран. Наряду с азотом, фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах.

Основные резервуары фосфора – экосистемы суши, океаны и отложения наносов в водоемах. Газообразные формы фосфора практически не существуют, и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95 %). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов. Осадочные отложения вторичного характера – фосфориты, дающие около 80 % всей мировой добычи фосфора.

В естественных экосистемах связывание фосфора растениями находится в состоянии баланса с возвратом фосфора из растений благодаря распаду органического вещества. В растворенном виде фосфор всегда находится в динамическом равновесии с кислородом (в соединениях типа Р₂О₅, РО₄^3- и др.). В почвах и растительности среднее соотношение концентрации углерода и фосфора равно: С: N = 750:1.

Биогеохимия фосфора весьма отлична от биогеохимии других биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, серы), поскольку фосфор, в отличие от других биогенов, практически не встречается в газообразной форме. Это создает однонаправленный поток фосфора вниз по уклону под действием силы тяжести, главным образом в виде тонкодисперсных наносов, на поверхности которых адсорбированы соединения фосфора. Таким образом происходит транспорт этого элемента реками в системы с замедленным водообменом (озера, водохранилища, моря и пр.), где и отлагаются наносы, относительно богатые фосфором. Противоположного потока не существует, что создает реальную опасность значительного обеднения фосфором экосистем суши (в том числе и агроэкосистем) с соответствующим снижением их биологической продуктивности.

Антропогенный возврат фосфора из водоемов на водосборы пока невероятен и относится к элементам научной фантастики, но не исключено, что к середине XXI в. эту проблему надо будет решать.

Пока же вследствие антропогенной деятельности, приводящей к повышенной эрозии почв, смыву фосфорных удобрений и сбросу неочищенных сточных вод, интенсивность потоков фосфора в мире увеличилась. Это приводит к усилению процессов эвтрофикации водоемов. Общемировая величина потока фосфора в гидросферу оценивается величиной около 20 млн т в год.

Глобальный цикл серы.

Сера играет важную роль в биологических процессах, поскольку это необходимый компонент белков. Глобальный цикл серы отличается разнообразием биотических и абиотических процессов с участием различных компонентов в газообразной, жидкой и твердой фазах. С точки зрения геоэкологии, по-видимому, наиболее важны процессы обмена соединений серы между поверхностью суши и океана, с одной стороны, и атмосферой, с другой строны.

Изо всех глобальных биогеохимических циклов основных биогенных элементов (С, О, N, P, S) цикл серы наиболее сильно нарушен деятельностью человека. Важнейшее антропогенное воздействие – это эмиссия оксида серы SO₂, возникающая благодаря сжиганию горючих ископаемых, прежде всего угля. Около 90 % мировой эмиссии этого газа характерно для Северного полушария. С 1860 по 1980 гг. антропогенная эмиссия SO₂ увеличилась от 2 млн т серы в год до 70 млн т, то есть в 35 раз! В среднем антропогенный поток серы вдвое превышает естественный поток. Современный сток соединений серы по речным системам также более чем вдвое превышает его первоначальную, доиндустриальную величину вследствие эрозии почв, применения удобрений, выпадений из атмосферы и пр.

Антропогенное нарушение цикла серы определяет или серьезно влияет на ряд глобальных геоэкологических проблем, таких как асидификация экосистем, состояние озона в стратосфере и тропосфере и изменение климата.

Таким образом, экосфера характеризуется мощным и устойчивым притоком энергии извне и взаимосвязанными циклами вещества. При этом отличительная особенность естественных балансов энергии и вещества – высокая степень их сбалансированности. Выше мы уже приводили пример глобального баланса углерода, замыкающегося, в рамках геологического масштаба времени, с точностью 10^-8 (или 0,000001 %)!

В настоящее время становятся весьма заметными воздействия человека как на энергетический баланс Земли, так и на глобальные циклы вещества. Медленная естественная эволюция экосферы была связана также с относительно малоинтенсивным потоком биогенных элементов, резко усилившимся в антропогенных системах, что приводит к повышению неустойчивости экосферы.

Как правило, естественные вещественно-энергетические круговороты и балансы экосферы и отдельных ее частей отличаются высокой степенью замкнутости, в то время как деятельность человека ведет к разомкнутости и, следовательно, к неустойчивости систем. Степень разомкнутости может быть оценена по средней скорости оборота вещества за год:

Например, в целинной степи средняя скорость оборота углерода и других биогенов – порядка нескольких тысяч лет. После распашки степи значительное количество углерода, азота и фосфора выносится из системы как в виде ежегодного урожая, так и вследствие водной и ветровой эрозии почв, а также и из-за других причин антропогенного происхождения (например, пожаров). Система становится разомкнутой, со средней скоростью оборота вещества, превышающей естественную в сотни и тысячи раз, и, следовательно, неустойчивой. Нарушения замкнутости как локальных систем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэкологическим проблемам, которые будут детально анализироваться в последующих главах.

Следует подчеркнуть, что понимание циклов отдельных биогенных элементов намного превышает понимание механизма комбинаций циклов, то есть того, как эти процессы происходят на самом деле в экосфере.

Основные геоэкологические проблемы в их взаимосвязи с глобальными биогеохимическими циклами показаны в табл. 1.

Таблица 1

Взаимосвязь глобальных биогеохимических циклов и геоэкологических проблем

Все антропогенные экосистемы, даже самые высокоурожайные, прекрасно возделываемые поля и хорошо ухоженные парки отличаются высокой степенью незамкнутости. С этой точки зрения, природно-антропогенные системы, такие как поля, сады, огороды, пастбища, лесные плантации, не говоря уже о городских системах, вносят все усиливающуюся неустойчивость в состояние экосферы. Это затрагивает основы функционирования экосферы и, в конечном итоге, ведет к многочисленным серьезным последствиям в социально-экономической и политической сферах.