2.3.1.Круговорот углерода

Самым главным биогеохимическим процессом в биосфере, определяющим во многом протекание химических процессов в ландшафтах, является биогеохимический цикл углерода (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Принципиальная схема круговорота углерода в биосфере

С чисто химических позиций он представляется упрощенно в виде следующих уравнений:

фотосинтез

6 CO₂ + 6 H₂O  C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

разложение (минерализация)

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂  6 CO₂ + 6 H₂O

Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе дальнейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются в другие химические соединения живой материи - белки, жиры и т.д.

Процесс фотосинтеза требует затрат энергии - на образование 1 молекулы С6Н12О6 (глюкозы) расходуется 674 кал. Эту энергию растения получают в виде электромагнитной энергии солнечного излучения, акцептором (поглотителем) ее является зеленый пигмент растений - хлорофилл.

В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия трансформируется в химическую энергию образующихся соединений. Исходные вещества для фотосинтеза - вода и углекислый газ, достаточно нейтральные, малоактивные химические соединения. Фотосинтез разделяет их смесь на два чрезвычайно активных в химическом плане вещества - сильный окислитель (кислород) и сильный восстановитель (органические вещества).

Свободный кислород, по словам В.И.Вернадского, является самым могучим химическим деятелем на Земле. Соединяясь с одними элементами, он ускоряет их миграцию, переводя их в растворимое состояние. При соединении с другими элементами, кислород замедляет их миграцию, переводя их в малорастворимую высшую форму окисления.

Обратная фотосинтезу реакция разложения (минерализации) органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию образовавшегося при фотосинтезе кислорода. Часть органического углерода сохраняется в виде устойчивых соединений - гумусовых кислот, из которых в процессах дальнейшей трансформации формируются залежи твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Неполное разложение образующегося органического вещества - источник накопления в биосфере кислорода.

Сам процесс минерализации органического вещества приводит к выделению химической энергии, носителем которой являются природные воды ландшафта. Обогащаясь продуктами разложения органического вещества (СО₂, NH₃, SO₄^2-, H₂S, гумусовые и низкомолекулярные органические кислоты), такие воды становятся химически высокоактивными, они разрушают ("выветривают") горные породы, вовлекая в биогеохимический круговорот атомы косной, неживой материи.

2.3.2.Круговорот азота

Основным источником азота является атмосфера (рисунок 2.4), откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний). Остальные соединения азота не усваиваются растениями.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий- денитрификаторов. При разложении органических остатков, главным образом, белков, в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты. Денитрификаторы, разлагают нитраты до свободного азота и кислорода.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном с континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные отложения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами.

Рисунок 2.4. Круговорот азота

Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.

В природных ландшафтах порядка 20 % азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики.

В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.