2. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода. Это один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с челове­ческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. По оценкам Международного научного комитета по проблемам окружающей среды (1974), ни одно из тех изменений, которые произошли на Земле в результате антропогенной деятельности, не имеет более существенного значения для интересов чело­вечества, чем изменения всемирного масштаба, вызван­ные процессом циркуляции углерода. С углеродом не­посредственно связано содержание кислорода в атмос­фере и его круговорот в биосфере.

Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества, иго соединения в биосфере постоянно возни­кают, испытывают превращения и разлагаются. Основ­ной путь миграции углерода — от углекислого газа атмос­феры в живое вещество и из живого вещества в углекис­лый газ атмосферы. При этом часть его выходит из кру­говорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах.

В биологическом круговороте углерода (рис. 2) выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество; 2) животные, питаясь растениями, из содержащихся в них соединений углерода продуцируют другие соедине­ния; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу в составе углекислого газа. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в тем­ное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют ус­ловия для их разложения, и переходит в ископаемое состояние (торф, каменный уголь, нефть и др.). Учитывая довольно интенсивное захоронение отмерших остатков растений и животных в болотах, лагунах, морских бассейнах и пресноводных водоемах, следует признать, что изъятие углерода из биологического круговорота этим путем в течение всей биологической эволюции биосферы шло довольно интенсивными темпами. В предшествую­щие геологические эпохи, когда атмосфера Земли была несравненно больше насыщена углекислым газом, усло­вия для фотосинтеза были более благоприятны и огром­ное количество углерода в органических остатках оказа­лось захороненным в недрах, образовав залежи полезных ископаемых. Общая масса углерода в них оценивается более чем в 10 000 трлн. т.

Рис. 2. Биологический круговорот углерода (массе углерода соответствует размер изображаемых путей)

Содержание углерода в нефти составляет 82,5-87,0 %, в бурых углях - до 76 %, в каменном угле - до 90 % и более, в тканях живых организмов в перерасчете на су­хое вещество: у водных растений и животных - 34,5-40 %, у наземных растений и животных - 45,4—46,5 %, у бакте­рий - 54 %.

О масштабности современного биологического круго­ворота углерода можно судить по тому обстоятельству, что растительные организмы, включая водоросли, еже­годно продуцируют около 1,5 трлн. т. углерода органичес­кой массы. По расчетам М.И. Будыко, весь запас угле­кислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет. Условия жизни на Земле определяются этими масштабами фото­синтеза.

В биологическом круговороте в экосистемах суши уча­ствует небольшая доля всей массы углерода, а значи­тельная часть законсервирована в «былых биосферах», входит в состав полезных ископаемых.

На суше, особенно мощным естественным источником поступления углекислого газа в атмосферу являются вул­каны.

Весьма существенное звено в большом круговороте углерода — водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде как разбавленных растворов угольной кислоты, так и, главным образом, гидрокарбо­натов металлов. Повышение концентрации и парциаль­ного давления СО₂ в атмосфере, региональное или сезон­ное охлаждение вод сопровождаются немедленным уве­личением концентрации углекислого газа в воде и раство­ров гидрокарбоната кальция. Многие водные организмы, поглощая углекислый кальций, создают свои скелеты, из которых затем образуются донные известковые отло­жения вплоть до пластов известняков. Выпадая в оса­док, карбонат кальция связывает часть углекислого газа в осадочных горных породах на дне Мирового океана и пресноводных водоемов, а часть углекислого газа при этом вновь возвращается в атмосферу:

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Уменьшение концен­трации диоксида углерода в атмосфере неизбежно вызы­вает дегазацию вод океана и поступление углекислого газа в атмосферу. Фотосинтез в гидросфере также явля­ется постоянно действующим механизмом поглощения углекислого газа из атмосферы и газов, растворенных в водной среде, с соответствующим освобождением кисло­рода.

Таким образом, океан и атмосфера представляют со­бой единую систему, регулирующую распределение диок­сида углерода между ними. Многие экологи считают, что в современную эпоху океан продолжает эффективно выполнять функцию захвата и связывания избыточного углекислого газа путем перевода его в известковые осад­ки, а также образования биомассы живого вещества и мертвой органики в толщах морской воды (Ковда, 1976).

Круговорот углерода контролирует содержание кис­лорода в атмосфере, при этом общая масса кислорода оценивается в 1,2-10⁶ млрд. т. (Будыко и др., 1985). Об­щепланетарный расход кислорода на сжигание органи­ческого топливе составляет около 15 млрд. т. в год. Еже­годное поступление в атмосферу кислорода, освобожденного при фотосинтезе, оценивается от 140 до 200 млрд. т. Он почти полностью используется при дыхании организ­мов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только не­значительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере.

Расход кислорода на сжигание топлива в 100—200 раз повышает его поступление в атмосферу в результате фо­тосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Полное сжигание углеродного топ­лива уменьшит содержание кислорода в атмосфере толь­ко на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные про­межутки времени, измеряемые миллионами лет (Буды­ко и др., 1985). По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круго­ворота углерода.

В антропогене масштабы фотосинтетической деятель­ности на Земле, по-видимому, стабилизировались. Зеле­ный покров суши и карбонатная система гидросферы в течение длительного времени поддерживали постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере. В со­временную эпоху картина изменилась: поток углерода в атмосферу увеличился за счет антропогенного происхож­дения настолько, что растительность Земли, вероятно, не способна полностью усваивать его. Следствием этого является снижение самоочищения атмосферы от оксида углерода (СО, угарный газ).

Самоочищение воздуха от оксида углерода происхо­дит в результате миграции СО в верхние слои атмосферы, где в присутствии диоксида азота и озона он окисляется до СО₂, а также путем поглощения растениями и микро­организмами, водной и земной поверхностью. Бели бы прекратилось постоянное техногенное поступление оксида углерода в воздушный бассейн, атмосфера Земли могла бы очиститься от него в течение одного месяца или, по крайней мере, нескольких лет.

По данным Министерства природных ресурсов и ох­раны окружающей среды Республики Беларусь, стацио­нарные источники и транспорт на ее территории выбрасы­вают в воздух около 1,1 млн. т оксида углерода, что экви­валентно 1,7 млн. т углекислого газа.

Естественный и культурный растительный покров Беларуси поглощает не менее 163 млн. т СО₂ (табл.4.2; рассчитано по среднему содержанию углерода в накоп­ленной за год растительной массе). Диоксид углерода антропогенного происхождения на территории республики составляет около 1 % от массы этого газа, участвующего в фотосинтезе.

В процессе фотосинтеза на каждую поглощенную мо­лекулу углерода (С) приходится одна освобождаемая мо­лекула кислорода (О₂). Используя соотношение их моле­кулярных масс (12:32), можно рассчитать продуцирова­ние кислорода на конкретных географических террито­риях. В частности, растительный покров Беларуси по­ставляет в атмосферу не менее 120 млн. т кислорода.