Дисциплина: Современная экология и глобальные экологические проблемы
Раздел: Элементы учения о биосфере
Семинар 9 Биогеохимические циклы
Химические элементы циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называются биогеохимическими циклами. Геохимия изучает химический состав Земли и миграцию элементов между различными частями земной коры и океанами, реками и другими водными массами. Концепцию ландшафтной геохимии предложил русский ученый Б.Б. Полынов; эта концепция рассматривает роль химических элементов в синтезе и распаде различных веществ, причем особое внимание в ней уделяется процессу выветривания. В свою очередь биогеохимия - термин, впервые предложенный другим русским ученым, В.И. Вернадским, но закрепившийся после ранних монографий Хатчинсона (Hutchinson), - занимается изучением обмена веществ (т.е. их движением в обе стороны) между живыми и неживыми компонентами биосферы.
В каждом круговороте различают две части, или два фонда:
1) резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с живым веществом,
2) обменный (или подвижный) фонд - меньший, но более активный, непосредственно связанный с живым веществом. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере. Они обладают способностью быстро компенсировать различные нарушения. Говорят, что они в глобальном масштабе «хорошо забуференны», поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика.
Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается воздушными потоками; кроме того, усиленное образование СO2 компенсируется усиленным ее потреблением растениями и превращением в карбонаты в море.
2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Обычно они гораздо менее подвержены самоконтролю и легче нарушаются в результате местных пертурбаций, потому что в этих случаях основная масса вещества сосредоточена в относительно малоактивном и малоподвижном резервном фонде. Если «спуск» в литосферу совершается быстрее, чем обратный «подъем», то какая-то часть обменного материала на длительное время выбывает из круговорота. Механизмы, обеспечивающие возвращение в круговорот, во многих случаях основаны главным образом на биологических процессах.
Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить антропогенные ациклические процессы в циклические. Основной целью общества должно стать «возвращение веществ в круговорот». Начать можно было бы с воды, так как, если мы научимся восстанавливать и поддерживать круговорот воды, мы сумеем взять под контроль и те элементы питания, которые движутся вместе с водой.
Вопрос 1. Глобальный круговорот воды
Круговороты воды и СO2 в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, определяющие погоду и климат и высокочувствительные к антропогенным нарушениям.
Схема гидрологического цикла приведена на рис. 1. Около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на приведение в движение круговорота воды.
Рис. 1. Схема круговорота вода
Важны два аспекта круговорота воды:
1. Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше ситуация противоположна. Другими словами, значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, состоит из воды, испаренной из моря. Во многих районах, например в долине Миссисипи, 90% осадков приносится с моря.
2. По имеющимся оценкам, в пресных озерах и реках содержится 0,25 1014 т воды, а годовой сток составляет 0,2 1014 т, так что время оборота равно примерно 1 году. Разность между количеством осадков за год и стоком составляет 0,8. Эта воды поступает в подпочвенные водоносные горизонты.
В результате деятельности человека (покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, сведения лесов и т.д.) сток увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. В США около половины питьевой воды, большая часть воды для орошения и во многих частях страны большая часть воды для промышленности берется из грунтовых вод. В засушливых районах подземные водоносные горизонты наполнены в основном «фоссильной» водой, которая накопилась там в предыдущие, более влажные геологические периоды и теперь не пополняется. Поэтому вода здесь - невозобновляемый ресурс.