Глава 4. Место фитосферы в биосфере земли

Все геологическое обозримое время жизнь на Земле развивалась как взаимосвязанная совокупность организмов, обеспечивавшая и обеспечивающая до сих пор непрерывный поток элементов в биогенном обмене веществ на поверхности нашей планеты. Атмосфера и стратосфера, вся гидросфера и многокилометровый слой литосферы обязаны своими свойствами тому влиянию, которое оказали на поверхность Земли организмы за миллирды лет своего существования и эволюции. Общеизвестна роль первых растений, по сути сформировавших газовую оболочку нашей планеты. В процессе эволюции растений и увеличения разнообразия их форм усиливалась и их роль в формировании биосферы. Это и образование биогенных веществ (торф, каменный уголь и т.д.), осадочных пород, коралловых рифов и т.д. Выход растений на сушу и развитие растительного покрова Земли способствовало формированию почвенного покрова и этот процесс продолжается до сих пор.

Поверхностный, измененный деятельностью организмов слой Земли В.И.Вернадский назвал биосферой. Живые организмы, прежде всего растения, являются наиболее мощным геохимическим агентом, преобразующим поверхность Земли, энергетическим фактором планетарного масштаба и значения.

Развитие жизни на планете – это, в сущности, развитие сложных комплексов – экосистем, обеспечивающих постоянный круговорот различных элементов, в первую очередь биогенных, таких как углерод, азот, кислород, сера, фосфор, кальций, калий и т.д.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Это разрушение и выветривание горных пород, перенос продуктов выветривания в Мировой океан, образование морских напластований и вновь возвращение этих осадков с орагнизмами, извлеченными человеком. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаюдтся на сушу и процесс повторяется вновь.

Малый круговорот является частью большого: питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и оуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны и вновь разлагются до минеральных компонентов, включаясь в поток веществ.

Круговорот химических вещств из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.

Круговорот углерода. Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3·10¹⁶ т), кристаллических породах (1,0·10¹⁶ т), в каменном угле и нефти (3,4·10¹⁵ т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. В атмосфере углерод содержится в виде СО₂ (2,5·10¹² т), он служит сырьем для фотосинтеза растений и далее поступает в пищевые цепи. В растительных тканях содержится 5·10¹¹ т углерода, в животных – 5·10⁹ т. При дыхании организмов СО₂ возвращаеся в атмосферу. Определенная часть углерода накапливаетя в виде мертвой органики, частично переходит в ископаемое состояние. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12% диоксида углерода, т.е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет.

Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и т.д. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере (1,1·10¹⁵ т) и проходит через растения в течение 2,5 тыс. лет. В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в органическое вещество с выделением свободного О₂.

Круговорот азота. В атмосфере содержится 78% газообразного азота, который высшие растения непосредственно ассимилировать не могут. Растениям доступны только связанные формы азота в виде нитритов и нитратов. Они образуются в результате грозовых разрядов, деятельности азотфиксирующих бактерий. Растения ежегодно потребляют около 1% связанного азота, следовательно, время его круговорота составляет 100 лет.

Круговорот фосфора. Фосфор усваивается растениями в форме растворенных ионов ортофосфорной кислоты. Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Далее он переходит по пищевой цепи к животным и возвращается в почву в виде фосфатов.

Круговорот серы. Основные резервы почвы находятся в почве и в отложениях. Содержание серы в воздухе – окислов серы – относительно невелико. Сульфаты – это основная форма серы, которая доступна растениям. Ключевым звеном круговорота серы является процесс аэробного окисления сульфидов до сульфатов и анаэробного восстановления сульфатов до сульфидов. Эти реакции осуществляются соответствующими группами бактерий.

Таким образом, фитосфера является важнейшим компонентом биосферы, через который проходят все биогеохимические циклы. Повреждение или разрушение фитосферы приводит к разрыву цикла и к катастрофическим последствиям для нее и биосферы в целом.

Так, например, в эксперименте, проведенном в горных листопадных лесах Хаббард Брука (горы Уайт Маунтинст, штат Нью-Гемпшир, США) на одном из опытных участков были сведены все деревья. В результате общая скорость выноса растворенных неорганических соединений с этого участка в 13 раз превысила обычную. Причиной послужили два фактора. Во-первых, резко сократилась поверхность транспиранции, что привело к поступлению сначала в почвенные воды, а затем и в реку на 40% больше осадков, чем раньше. Это увеличение стока ускорило выщелачивание биогенных элементов, выветривание горных пород и эрозию почв. Во-вторых, сведение леса фактически прервало циркуляцию биогенных элементов внутри экосистемы, рассогласовав процессы разложения органического вещества и потребления минеральных элементов растениями. В отсутствие такого потребления весной, когда листопадные породы должны были бы создавать продукцию, биогенные элементы, высвобожденные активностью редуцентов, вымываются подземными водами. Таким образом, широкомасштабное сведение леса, например для создания сельхозугодий, может приводить к потере верхнего слоя почвы, ее обеднению и повышению уровня паводков. Особенно сильно вырубка отразилась на нитратном азоте. После нарушения вынос нитратов с водой возрос в 60 раз, другие биологически важные йоны в результате разобщения механизмов циркуляции также стали вымываться быстрее: калий – в 14 раз, кальций, – в 7 раз, магний – в 5 раз. Потеря натрия, менее значимого биологического элемента, повысилась в 2,5 раза. Скорость же потерь соединений серы снизилась.

Человек интенсивно трансформирует процессы круговорота всех химических элементов как на локальном, так и на общепланетарном уровне.

Так, например, за последнее столетие величина СО₂ в атмосфере возросла на 10% в основном за счет сжигания топлива. В атмосфере задерживается около половины «антропогенного» СО₂, остальное поглощается водами Мирового океана.

Антропогенное влияние на круговорот азота заключается в увеличении количества токсичных соединений азота (NO_х), являющихся производными промышленности и транспорта. Кроме того, азот избыточно поступает на поля в виде удобрений, а также в результате загрязнения почвы отходами промышленности, что приводит к подавлению деятельности микроорганизмов.

Важной формой влияния человека на круговорот фосфора является крупномасштабное вовлечение в производство фосфорных удобрений и моющих средств фосфатов, апатитов и минералов. Большая часть фосфора удобрений и моющих средств смывается в водоемы, что приводит к увеличению эвтрофикации водных экосистем.

Круговорот серы также находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь в результате сжигания ископаемого топлива, образующего окислы серы. Диоксиды серы являются сильнейшими загрязнителями атмосферы.

Таким образом, при исследовании биогеохимических циклов, роли в них растений и изучении степени и характера антропогенного воздействия на круговорот веществ неизбежно встает вопрос об охране и рациональном природопользовании прежде всего наиболее уязвимых компонентов растительного покрова Земли.