1.6.5. Особенности круговоротов воды,
углерода, азота, фосфора, серы
Круговорот воды осуществляется в результате следующих процессов: транспирация растениями (испарение воды устьицами в процессе дыхания), перехват растениями, физическое испарение, инфильтрация в почве и формирование подземных вод, сток в водные объекты, влагоперенос, выпадение осадков (переход из пара в жидкое состояние). Около трети поступающей на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды.
Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.
В результате деятельности человека сток воды увеличивается, пополнение грунтовых вод сокращается из-за водонепроницаемых покрытий, уплотнения почв, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, сведения лесов).
Основные цепочки в круговороте углерода : углекислый газ в атмосфере и гидросфере фотосинтез, биоассимиляция синтез органических соединений (сахара, протеины, липиды) питание, потребление разложение, дыхание углекислый газ в атмосфере, гидросфере.
В круговороте участвует около 100 млрд т углерода, из которых 70 млрд т возвращается в виде углекислого газа в круговорот из потребленных живыми организмами органических соединений, а 30 млрд т - из полученных в процессе фотосинтеза непотребленных органических соединений.
В атмосферном воздухе содержится крайне малое количество углекислого газа (около 0,03 %) по сравнению с другими компонентами (кислорода около 22 %, азота около 78 %, инертные газы). За последние 100 лет содержание СО2 постоянно растет из-за деятельности человека, сведения лесов. Полагают, что в доиндустриальный период в начале промышленной революции (1800 г.) концентрация углекислого газа CO2 в атмосфере Земли составляла около 280 частей на миллион частей воздуха по объему (или 0,028 %). В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 315 частей на миллион, в 1980 г. – достигла 340 частей на миллион. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г.), т.е. станет концентрация станет равной 560 частей на миллион, ожидается повышение температуры в среднем на 1,5-4,5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в XX веке уровень моря поднялся на 12 см, то в XXI веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледников, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.
Рис. 1.17. Схема круговорота азота
Основные звенья круговорота азота : свободный азот, оксиды азота в воде, воздухе корни (в виде нитратов) питание разложение свободный азот (рис. 1.17).
Основные процессы в круговороте - азотфиксация, аммонификация, нитрито- и нитрато- образование, денитрификация.
Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем углерод, дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов. Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитритов и нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов.
Остальные соединения азота не усваиваются растениями. Второй источник азота для растений - результат разложения органики, в частности, белков. При этом в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода. В природных экосистемах порядка 20% азота - это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80% возвращается в круговорот вследствие разложения органики.
Фосфор - достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Схема круговорота фосфора
То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды. Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. Это грозит дефицитом фосфора.
Основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки.
В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основной поставщик фосфора - человек, вылавливающий морскую рыбу и перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.
Основные участники круговорота серы: бактерии, грибы, растения, деятельность вулканов, сжигание угля, серосодержащих углеводородов.
Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы. Круговорот серы охватывает воздух, воду и почву.
Сульфат SO4, так же как нитраты и фосфаты, - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки в виде серосодержащих аминокислот. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных. Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов. Благодаря процессам окисления (S MeSO4, SO2 в атмосфере сульфат MeSO4, где Ме - металл) и восстановления (H2S S, H2S SО4-, H2S сульфид МеS, МеS SО4-), осуществляемым аэробными и анаэробными бактериями, происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфида железа, находящемся глубоко в почве и осадках.