3.4. Біогеохімічні цикли
Унаслідок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування – близько 4 млрд. років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2 • 1016 тонн/рік.
Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів – біогенної. У результаті біологічної міграції на великий кругообіг (геологічний) наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець (10й тонн на рік), кисень (2 ■ 10й тонн на рік), азот (2 ■ 1011 тонн на рік) та фосфор (108 тонн на рік). У наш час обидва кругообіги відбуваються одночасно та тісно пов’язані між собою.
Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та з навколишнім середовищем, в екосистемах виникає певна характерна для кожного з видів екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших. Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті В.І. Вернад-ським ще на початку 1920-х років.
Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трасформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. – від одного компоненту біосфери до інших так, що на певних етапах цьоґо кругообігу вони входять до складу живої речовини.
Рушійною силою переміщень усіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії необхідні й для переміщення речовин у біогеохімічних циклах, і для подолання біогеохімічних бар’єрів. Такими бар’єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Голо-
вними оцінки параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.
Просторове переміщення речовин у межах геосфер, або, інакше кажучи, їх міграція, поділяється на п’ять основних типів:
Механічне перенесення (відбувається без зміни хімічного складу речовин).
Водне (міграція здійснюється внаслідок розчинення речовин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найбільш важливих видів переміщення речовин у біосфері.
Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).
Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).
Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.
Інтенсивність кругообігу речовин у будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою. Оцінку такої інтенсивності зробити непросто. Одним із найбільш доступних індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може служити співвідношення маси підстилки та іншого органічного опаду, який є в будь-якому біомі, та маси опаду, що утворюється за один рік. Чим більший цей індекс, тим, очевидно, нижча інтенсивність біологічного кругообігу. Реальні оцінки показують, що в тундрі значення цього індексу максимальні, отже, тут мінімальна інтенсивність біогеохімічних циклів. У зоні тайги інтенсивність біологічного кругообігу зростає, а в зоні широколистих лісів стає ще більшим. Найбільша швидкість кругообігу речовин реєструється в тропічних та субтропічних біомах: саванах та вологих тропічних лісах. В агроекосистемах біогеохімічний кругообіг відбувається інтенсивно, але якісні його параметри вже інші.
Живі організми біосфери ініціюють та реалізують велику кількість широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Метаболізм живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, навпаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, аміак, метан, водяна пара та багато інших речовин. Під впливом накопичення в атмосфері вільного кисню, який є продуктом життєдіяльності зелених рослин, на Землі почали переважати окислювальні процеси, які відіграють важливу роль в абіогенному та біогенному перетвореннях вуглецю, заліза, міді, азоту, фосфору, сірки та багатьох інших елементів. У той же час на планеті збереглися й відновні процеси, які здійснюються анаеробними організмами. Результатом цих планетарних процесів є утворення
таких суто біогенних покладів, як осадкові гірські породи: вапняки, фосфати, силікати, кам’яне вугілля та ін. Усі вони – результат життєдіяльності живих організмів.
Аналізуючи біогеохімічні цикли, В І. Вернадський виявив концентраційну функцію живої речовини. Унаслідок реалізації цієї функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього середовища хімічні елементи. Якщо наша планета в цілому сформована зі сполук заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню в першу чергу, то в результаті вибіркового поглинання та концентраційної функції біомаса має зовсім інший склад. Вона утворена з вуглецю, водню за порівняно малої участі інших елементів {рис. 3.7).
Хімічні елементи, що переважно беруть участь у побудові живої речовини і є необхідними для його синтезу, отримали назву біогенних. Концентраційна функція тварин та рослин по-різному реалізується в різних видів. Мають свої особливості й окремі біо-ми. ДА. Криволуцький та АД. Покаржевський (1986) за характером накопичення хімічних елементів поділяють організми тварин на три групи: накопичувані (концентрують певні елементи у своєму тілі), розсіювані (завдяки міграціям розсіюють хімічні елементи переважно на терені біому) та очищувані (утримують певні елементи у своєму тілі меншою мірою, ніж одержують з їжі, і таким чином сприяють очищенню трофічних ланцюгів від даних елементів). Накопичувачами та очищувачами є й рослини.
Принцип циклічності в перетвореннях та переміщенні речовин у біосфері є основоположним. Збереження циклічності – це умова існування біосфери. Введення в біосферу односпрямова-них процесів, які здійснює людина при конструюванні техносфе-ри та агросфери, виявляється для біосфери згубним та найбільш небезпечним.
Для біосфери характерна висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин у них складають не більше 3-5%. Однак
усі біогеохімічні цикли дають певну кількість «відходів». Такі природні відходи для біосфери не шкідливі. Вони є накопиченням речовин, певною мірою інертних, які акумулюються в атмосфері (за Ю.Одумом, це газовий тип циклу), або тих, що надходять у літосферу у вигляді осадкових порід (осадковий тип циклу). Більш того, відходи окремих біогеохімічних циклів є умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біогенне походження має весь кисень атмосфери, що виникає як «відходи» фотосинтетичного процесу. За рахунок відходів біогеохімічного циклу вуглецю в земній корі накопичилися великі запаси вуг-лецевмісних геологічних покладів: кам’яного вугілля, нафти, вапняків. Загальна кількість їх сягає 1016 -1017 тонн.
Біогеохімічні цикли змінюються в процесі еволюції біосфери. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення існуючих. Так, накопичення в атмосфері вільного кисню створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання. Процеси хімічного біогенного окислення стали складовою частиною біогеохімічних циклів.
Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: вуглецю, води, азоту та фосфору. Ці цикли зазнали значної трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології.
Біогеохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості приблизно 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (рис. 3.8). Цей цикл ініціюється фотосинтезом
та диханням. Обидва процеси відбуваються так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40-50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється й торф. У цих формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.
Із загальної кількості вуглекислого газу атмосфери близько 200 млрд. щорічно засвоюється автотрофними рослинами у процесі фотосинтезу. При цьому обсяги такої фіксації вуглецю рослинами суші і Світового океану приблизно однакові.
Кількість вуглекислого газу в атмосфері над тією чи іншою територією має закономірну динаміку. У тропічній і субтропічній зонах його в атмосфері менше, оскільки в цих зонах активність фотосинтезу найбільш висока. При переміщенні на південь і північ від тропіків вміст вуглекислого газу в повітрі збільшується і є максимальним над районами тундри й арктичних і антарктичних пустель. Відбуваються й сезонні коливання вмісту вуглекислого газу в атмосфері: улітку його менше, узимку більше, що також пов’язано з фотосинтезом зелених рослин.
Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз антропогенне надходження вуглекислого газу в атмосферу зросло більше природного на 6-10%. Це пов’язано, головним чином, з вирубуванням лісів та заміною їх менш продуктивними агроце-нозами. Певний внесок робить і промисловість та всі виробництва, які пов’язані зі спалюванням палива.
Вуглекислий газ повітря має парниковий ефект, і збільшення його кількості в атмосфері є однією з головних причин потепління клімату планети.
Біогеохімічний цикл води. Схема біологічного кругообігу води наведена на рис. 3.9. Основна її кількість (96,5%) зосереджена в океанах. Частка підземних вод становить 30%, ґрунтових – 0,05%, атмосферної води – 0,04 %, води боліт – 0,03%, біологічної, що входить до складу живих організмів, – 0,003% . Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всього 2% загальної її кількості. Тіла всіх живих організмів (досить сильно обводнені) мають високий вміст води: у тварин на долю води припадає 70% , а в рослин – 90-95% їхньої маси.
Загальний кругообіг води ініціюється потоком сонячної радіації. Випаровування та трансляція переводять воду з рідкого стану в газоподібний, і вона надходить в атмосферу. Атмосферні опади забезпечують обводнення континентів (хоча частина опадів випадає безпосередньо над водоймами). Кількісні показники кругообігу води визначаються кліматом та й самі визначають клімат. Головним параметром оцінки інтенсивності кругообігу
води служить евакотранспірація з її розділенням на випаровування та власне транспірацію.
Безпосередньо до формування біомаси залучається всього десь 1% води від загальної її кількості на планеті. На утворення 1 кг біомаси використовується 130-230 кг води, і тому її кругообіг є досить активним.
Вода морів та океанів, а також підземні води служать як депо води. Моря втрачають від випаровування більше (1200 мм на рік), ніж отримують від опадів (1100 мм на рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710 мм, а випаровування – 470 мм. Зворотне надходження води до океанів та морів йде через поверхневий та підземний стоки.
Сільськогосподарське та промислове виробництво, не змінюючи загальної кількості води в її біогеохімічному циклі, суттєво перерозподіляє надходження води до різних регіонів. Виявляється, меліорацією охоплені величезні території. Відірваність меліоративних проектів від екологічних концепцій призвела в підсумку до запустелювання, обміління рік, висихання замкнених водойм, що знаходяться в умовах континентального клімату. Яскравим прикладом є обводнення півдня Середньої Азії за рахунок забору води з Амудар’ї та Сирдар’ї, що завершилося трагедією Аралу.
Суттєвий вплив на цикл води здійснює промислове виробництво. Більшість його видів пов’язані з використанням великої кількості води, яка повертається в депо вже сильно забрудненою.
Природний біогеохімічний кругообіг води є рівноважним. Але в епоху індустріалізації він почав помітно порушуватися.
Зменшився внесок у випаровування лісів через їх вирубування, знижується випаровування з поверхні морів і океанів унаслідок збільшення нафтових та інших плівок на поверхні води, зате різко збільшилося випаровування на зрошуваних сільськогосподарських угіддях. Однак найбільший вплив на кругообіг води починає здійснювати потепління клімату планети. Воно веде до надходження з льодових депо планети в кругообіг усе більшої та більшої кількості рідкої та пароподібної вологи, що спричиняє підняття рівня води у Світовому океані і випадання катастрофічно великої кількості опадів у вигляді дощу і снігу в тих регіонах, де раніше таке не спостерігалося.
Біогеохімічний цикл азоту. Це один із найшвидших круго-обігів речовин (рис. 3.10). Реалізується він в основному за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, за активної участі мікробів. Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв’язування здійснюється вільноіснуючи-ми азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які вміщують зв’язаний азот, мінералізуються шляхом амоніфікації та нітрофікації, що робить нітратний та амонійний азот доступним для вищих рослин. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м2 на рік до 1-20 г/м2 на рік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту на рік.
В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв’я-
зуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміак, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив до біогеохімічного циклу азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4 • 107 тонн азоту на рік (Garreis et al., 1973). Очікується, що до 2020 року обсяг промислової фіксації азоту збільшиться приблизно удвічі.
Розвиток промисловості і транспорту привів до різкого зростання кількості окислів азоту, що надходять в атмосферу. Ці окисли реагують з водяною парою і випадають з атмосфери у формі кислотних дощів. Частота реєстрації таких кислотних опадів збільшується майже в усіх регіонах світу, але особливо великою вона є в промислово розвинених країнах Західної Європи та США.
З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільших енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак у сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво збіднюють ґрунтові води та водойми. Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.
Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер (рис. 3.11). Основний запас фосфору зосереджений
на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні утворюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми – редуцен-ти. Втрати фосфору в біогеохімічному циклі пов’язані переважно з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.
Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біогеохімічного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні наслідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у результаті вітрової ерозії потрапляє до водойм, що призводить до евтрофікації.
Чудовою особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і втрачаються, над ходячи в депо, і стають недоступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.
Біосфера має потужну буферну дію щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом’якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури. Але всі ці якості біосфери не можуть протистояти нерозумним діям людини і різко падають при антропогенних впливах. Так, посухи порівняно безпечні для природних екосистем, але вони завдають відчутних збитків агроекосистемам. Зберегти ґрунтово-кліматичні умови великих регіонів планети та забезпечити їх стійкість можна тільки за наявності в цих регіонах досить великих за площами природних біомів.
Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт – це особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стоку до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.
Ґрунти в різних біомах та різних природних зонах досить сильно різняться між собою. У помірних широтах властивості ґрунтів такі, що сприяють утриманню гумусом катіонів та аніонів біогенних елементів, їх вивільнення відбувається поступово, і це забезпечує збереження родючості ґрунту на довгий час, а також створення біологічної продукції. У противагу цьому в тропіках, завдяки високій температурі та вологості, мінералізація
йде досить швидко. Видужування ґрунтів та вимивання з них іонів мінеральних речовин проходять досить активно. Тому аг-роекосистеми тропічних широт порівняно з екосистемами помірних зон більш вразливі та швидше деградують. Цей процес тут часто завершується запустелюванням та виключенням територій із сільськогосподарського використання.
Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовин з однієї ланки біогеохімічного циклу до іншої. Особливо важливий з цього погляду гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Наприклад, у дерново-підзолистому ґрунті обсяг можливих нових включень органічної речовини складає 300 кг/га, у чорноземах – 160 кг/га.
Чимало речовин, що надходять до ґрунту, можуть утримуватися в ньому за рахунок адсорбції та інших фізико-хімічних процесів. Ємність ґрунтів за рахунок такого типу поглинання сягає 225 кг/га на рік.
Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність процесів спалювання палива, у т.ч. і для потреб сільськогосподарського виробництва призводить до надходження в атмосферу близько 20 млрд. тонн вуглекислого газу та 700 млн. тонн інших газів і твердих часток. Саме вирубування лісів призводило тільки на території СРСР до винесення з екосистем лісу до 1,2-5 тисяч тонн фосфору, 6-20 тисяч тонн азоту та 1,2-6 тисяч тонн кремнію (Глазовський, 1976). Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або повністю, або тимчасово виключеними з природного кругообігу. Ці процеси, по суті, ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів.
Узагальнюючи закономірності структури і функціонування біосфери, Б. Коммонер (1974) сформулював чотири афоризми: «Усе пов’язане з усім», «Ніщо не дається даром», «Усе треба кудись подіти» і «Природа знає краще». Б.М. Миркин і Л.Г. Наумова (1999), популяризуючи принципи, що лежать в основі цих афоризмів, запропонували називати їх законами Коммонера. Справді, афоризми Б. Коммонера мають глибокий екологічний зміст.
Перший закон «Усе пов’язане з усім» відбиває наявність у біосфері складної мережі взаємних прямих і зворотних зв’язків, багато з яких поки залишаються невивченими. Він наче застерігає від необдуманих втручання в біосферу, коли вплив на той чи інший її компонент може викликати цілу серію непередбачува-них і незапланованих наслідків.
Другий закон «Усе має кудись подітися» підкреслює непорушність і для біосферних процесів закону збереження матерії. Споживаючи природні ресурси, людина завжди повинна усвідомлювати, що одержувані при цьому відходи, як і сам ресурс після його «споживання», залишаються в біосфері й обов’язково будуть впливати на біогеохімічні цикли.
Третій закон «Природа знає краще» стверджує, що структура біосфери, яка спостерігається нами, і біогеохімічні цикли, що реалізуються в ній, є продуктом еволюційного розвитку впродовж багатьох мільйонів років, у результаті якого відповідно до принципу оптимальності були відібрані найкращі рішення і варіанти. Цей закон орієнтує екологів на всебічне вивчення біосферних структур і процесів, на дбайливе ставлення до них у процесі будь-якого виду діяльності.
Четвертий закон «Ніщо не дається даром» орієнтує екологів на розуміння «бюджету» біосфери, в якому енергетичні потоки відіграють роль універсальної валюти. Стверджується, що будь-яка біосферна структура розвивається тільки за рахунок енергетичних і інформаційних ресурсів, і тому споживання невідновних джерел енергії обмежене їх фактичним запасом і не може бути нескінченним.