Управление биогеохимическим циклом фосфора

Биогеохимический цикл фосфора (Р) в локальном, региональ­ном и глобальном масштабах является уникальным среди циклов макроэлементов, поскольку в нем практически не представлены га­зообразные соединения. Это объясняется окислительно-восстано­вительным потенциалом почв, величина которого в основном слишком велика для формирования газа фосфина (РН₃). В отличие от цикла азота биогеохимия фосфора не управляется микробами. Почти все соединения фосфора, участвующие в процессе его кру­говорота, исходно сформировались при выветривании фосфорсо­держащих минералов.

Круговорот фосфора происходит в наземных и водных экоси­стемах. Перемещение фосфора на континентах можно рассматри­вать как постоянную водную эрозию горных пород и транспорт фосфора в растворенном и взвешенном состоянии с поверхност- ным стоком в русла рек и далее в океаны. Промежуточные транс­формации связаны с поглощением биотой Р как питательного эле­мента и взаимодействием речных вод и донных отложений. Боль­шая часть (до 90 %) эродированного Р удерживается в решётках минералов и может достигать эстуариев и океана без вовлечения в биологический круговорот, меньшая часть доступна для поглоще­ния растениями и включается в биологический круговорот в при­родных и агроэкосистемах (рис. 15.4).

Растворимый Р в грунтовых и внутрипочвенных водах может поглощаться растениями и микроорганизмами. При отмирании организмов соединения органического Р разлагаются и он возвра­щается в минеральный цикл. Неорганические химические реак­ции в системе «почва — вода» также сильно влияют на геохимиче­скую мобильность фосфора. Эти реакции включают растворение и осаждение фосфорсодержащих минералов или абсорбцию и де­сорбцию на поверхностях минералов. Мобильность неорганиче­ского Р зависит от величины рН среды. В кислых почвах домини­рует фосфат алюминия, и в этих почвах подвижность фосфатов значительно выше, чем в щелочных. Формирование комплексов между фосфатами и гидроокисями железа и алюминия и глинами в обменных реакциях также может ограничивать растворимость и миграцию различных фосфатов. Таким образом, в биогеохимиче­ском цикле фосфора эти процессы определят его поведение на пути в океан.

Озера также являются одним из важнейших слагаемых в назем­ной фосфорной системе. Степень трофического состояния водоема

Рис. 15.4. Схематическое представление транспорта Р в наземных экосистемах. Преобладающие процессы:

1 — механическое и химическое выветривание пород; 2 — поглощение Р наземной биомассой и его возврат в почву с опадом; 3 — обменные реакции между грунтовыми водами и почвенными частицами; 4 — круговорот в пресноводных озерах; 5—транспорт через эстуарии в океаны как взвешенного, так и растворимого Р

и его продуктивность во многих случаях напрямую зависит от со­держания Р в воде. В водной толще в течение лета происходит тем­пературная стратификация поверхностных и донных слоев, что сильно ограничивает обмен между более теплыми поверхностными водами и более холодными и плотными глубокими. В процессе фо­тосинтеза растворимый Р в фотической зоне поглощается расте­ниями и постоянно осаждается с частицами ниже зоны термокли­на. Подъем фосфора вверх сильно затруднен из-за стратификации водных слоев, что способствует обеднению воды этим элементом и снижению биологической продуктивности водных экосистем.

Круговорот Р в водных экосистемах характеризуется значитель­ными величинами и важен для жизнедеятельности водных организ­мов. Проведенные исследования показали, что потери фосфора на водосборах с поверхностным стоком возрастают при уменьшении доли лесов и увеличении доли сельскохозяйственных земель. В лес­ных водосборах происходит аккумуляция фосфора, поскольку, как правило, величины его поступления с пылью и дождями превыша­ют величины вымывания с речными водами. Поверхностный сток на лесных, луговых и других некультивируемых почвах не сопрово­ждается размыванием почвенного слоя, и сток определяется лишь низкими концентрациями растворимых форм фосфора. Величины этих потерь схожи с теми, что наблюдаются в подповерхностном стоке с сельскохозяйственных полей. Распашка почв при их ис­пользовании в сельскохозяйственном производстве резко увеличи­вает эрозию и соответствующий экспорт фосфора в составе смы­ваемых частиц. Твердый сток, как правило, ответствен за 60—90 % всего фосфора, смываемого с обрабатываемой территории. Напри­мер, в восточной части США сведение лесов и распашка земель между 1700-ми и 1900-ми годами привели к 10-кратному увеличе­нию почвенной эрозии и предполагаемому равному возрастанию экспорта фосфора в прибрежные воды даже без применения фос­форных удобрений. Фосфор в почве представлен как неорганиче­ской фракцией, связанной с почвенными частицами, так и органи­ческой, ассоциированной с почвенным органическим веществом. С эродированными частицами почвы фосфор поступает в водоемы, где часть поглощенного донными отложениями фосфора недоступ­на растениям, но большая часть может служить долговременным источником фосфора для водной биоты.

Рост экспорта фосфора из сельскохозяйственных ландшафтов был зафиксирован после начала интенсивного применения фос­форных удобрений. Смыв фосфора зависит от дозы, времени и ме- тода применения фосфорных удобрений, формы применяемых ми­неральных и органических удобрений, количества и времени осад­ков после внесения удобрений и типа использования земель в се­вообороте. Эти потери часто малы с точки зрения фермера (в ос­новном меньше 200 кг/км"²) и составляют незначительную долю фосфора от его содержания в применяемых минеральных удобре­ниях или навозе (обычно менее 5 %). Следовательно, эти потери фосфора не имеют экономической значимости для фермеров и не сопровождаются уменьшением почвенного плодородия, однако могут вносить заметный вклад в эвтрофирование нижележащих водных экосистем.

Хотя экспорт фосфора из агроландшафтов обычно происходит с поверхностным стоком, исключения имеют место в ландшафтах с песчаными, кислыми органогенными и торфянистыми почвами, которые характеризуются низкой емкостью поглощения соедине­ний фосфора. На этих почвах может наблюдаться просачивание вод и содержащихся форм фосфора до верхних горизонтов фунто­вых вод. Аналогичные процессы наблюдаются на почвах с наличи­ем большого количества трещин. Такие почвы типичны для Атлан­тического побережья США и особенно для Флориды, где необхо­димо учитывать этот подповерхностный сток при разработке мер по предотвращению эвтрофирования прибрежных вод. Сходные проблемы наблюдаются и в российском Причерноморье.

Хотя в настоящее время химия фосфора в системе «поч­ва — вода» хорошо изучена, тем не менее водная миграция фосфо­ра в ландшафтах еще не совсем понятна, особенно количественная сторона тех механизмов, которые управляют взаимосвязями между различными источниками фосфора, его поглощением биотой и временными резервуарами. Такая информация необходима для вы­работки мер по сокращению потерь фосфора из сельскохозяйст­венных ландшафтов.

Формирование водного стока во влажном климате контролиру­ется многими факторами, изучаемыми в гидрологии водосборов. На водосборах поверхностный сток формируется за счет ограни­ченного количества факторов, резко меняющихся во времени и пространстве, таких как длительность осадков, температура, со­стояние почвы, рельеф, залегание грунтовых вод и водный режим всего водосбора в целом. Поверхностный сток с водосборов опре­деляется скорее возможностью дополнительного удержания воды в почве, чем ее фильтрационной способностью. Не менее важную роль играет количественная значимость величины потенциального стока как разницы между осадками и величиной эвапотранспира-ции, поскольку эта величина и будет определять смыв фосфора с водосбора. Именно поэтому в гумидных регионах смыв фосфора намного больше, чем в аридных. Данное заключение вытекает из утверждения, что в отсутствие поверхностного стока нет потерь фосфора с водосборов .

Таким образом, управление биогеохимическими циклами био-фильных элементов, в первую очередь азота и фосфора, дает ключ к управлению экологическим риском в агроэкосистемах. Прибли­жение величин ландшафтно-биогеохимического и регионального баланса в агроэкосистемах к природным позволяет уменьшить эко­логический риск при сохранении экологически оптимального уро­жая выращиваемых культур.