4. Основные биосферные круговороты веществ.
В биосфере постоянно протекают круговороты веществ. Рассмотрим основные круговороты, которые определяют жизнь экосистем.
Круговорот воды. Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как живую воду.
Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода дает живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 поступающей на Землю солнечной энергии.
Круговорот воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах. С развитием цивилизации этот круговорот стал нарушаться. В частности, уменьшается испарение воды лесами, ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Реки южных районов обмелели, испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. Все это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в Африке в зоне Сахеля.
Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.
Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому ее нужно расходовать экономно и не загрязнять. Этот прежде неисчерпаемый ресурс становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.
Круговорот углерода. Углерод – основа органических соединений. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида углерода: растения поглощают его при фотосинтезе, и все организмы выделяют в атмосферу в результате дыхания. До 50% (по некоторым данным – до 90%) углерода в форме диоксида углерода возвращают в атмосферу микроорганизмы почвы. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита – гумуса, торфа, сапропеля. Это происходит в тех случаях, когда распахиваются почвы, осушаются болота и создаются условия для деятельности аэробных микроорганизмов, разрушающих органические вещества.
Человек включает в круговорот углерода органические вещества из подземных кладовых детрита – нефти, угля, сланцев, газа. При сжигании этого топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Кроме того, этот газ поглощается и самой водой океана, и образующиеся соединения откладываются на его дне. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, океан – загрязняться, а количество антропогенных выбросов диоксида углерода – возрастать, то может произойти значительное увеличение его концентрации в атмосфере.
Участником круговорота углерода является и метан – органическое вещество, которое выделяется в атмосферу бактериями-редуцентами. До начала цивилизации круговорот метана был равновесным и его поступало в атмосферу столько же, сколько разрушалось. С развитием цивилизации количество поступающего в атмосферу метана стало больше, чем его отток. Основные источники метана – рисовые поля и скот. Метан выделяется также со свалок и из угольных шахт.
В круговороте углерода участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах (в известняках содержатся карбонаты, в сланцах – керогены и т.д.). Диоксид углерода расходуется на выветривание карбонатов и на сложные химические реакции преобразования силикатов в карбонаты и выделяется при отложении карбонатов в океане и разложении карбонатов в глубинных горизонтах земной коры. Однако данных о скорости этих процессов нет.
Круговорот кислорода. Кислород – самый распространенный элемент в биосфере. Он составляет 21% атмосферы, входит в состав воды, живых организмов и многих минералов. Важную роль играет озон.
Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании, он расходуется при сжигании топлива в хозяйстве человека. Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения, и часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.
Круговорот кислорода очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).
До появления цивилизации этот круговорот также был равновесным. Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т.д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его круговорота. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в круговорот кислорода: его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании все большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.
Круговорот азота. Азот – один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Он необходим для синтеза белка. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но это инертный газ и потому недоступен большинству организмов.
Связывание азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Этот процесс осуществляют и микроорганизмы-азотфиксаторы (в наземных экосистемах – бактерии и цианобактерии, в водных – цианобактерии). Кроме того, азот связывается в доступные растениям соединения при производстве азотных удобрений.
Однако пересыщения биосферы связанным азотом не происходит. Его соединения разрушаются до оксидов азота и восстанавливаются до молекулярного азота микроорганизмами-денитрификаторами, и азот возвращается в атмосферу. Азот почвы потребляют растения. В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота осуществляется в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в форме чистого азота и его оксидов. Бактерии разлагают белки до минеральных форм азота. Попадающий в водоемы азот также проходит по пищевым цепям «растение – животное – микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.
Человек нарушает равновесие круговорота азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище – почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.
Человек влияет на круговорот азота при производстве и внесении минеральных удобрений, кроме того, значительное количество азота в форме оксидов азота поступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом и выпадает в виде кислотных дождей.
Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.
Круговорот фосфора. В отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, круговорот фосфора – открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.
Фосфор содержится лишь в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений, производимых из некоторых горных пород. Растения поглощают фосфор, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях. После разложения мертвых тел животных и растений редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения – гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.
Отток фосфора с суши в океан особенно усиливается под влиянием на экосистемы человека – в первую очередь вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашки почв и внесения фосфорных удобрений.
Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерновых). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.