Система биогеохимического круговорота веществ на Земле

Круговорот углерода - циркуляция углерода в биосфере, один из самых важных биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ. В круговороте углерода особенно велика роль диоксида углерода (углекислого газа). Биологический цикл углерода в окружающей среде, который В. И. Вернадский называл жизненным, осуществляется при непосредственном участии живых организмов: зеленые растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый газ в сложные углеводороды. Этот восстановительный процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. В результате дыхания живых организмов происходит обратный процесс - окисление фиксированного в живом веществе углерода в углекислый газ (С0₂), который вновь поступает в атмосферу, и этот процесс идет с выделением энергии. Примерно 2/3 объема углерода атмосферы, ежегодно усваиваемого организмами в процессе фотосинтеза, возвращается обратно в атмосферу редуцентами. На суше значительная доля углерода в форме углекислого газа возвращается в атмосферу микроорганизмами почвы. В большинстве случаев существует баланс между поступлением углерода в подсистему редуцентов и его выделением в виде С02- В тропическом лесу подстилка разлагается быстро и практически полностью, до ее конечных продуктов - воды и двуокиси углерода. В бореальных лесах разложение протекает медленно, и большое количество органических соединений накапливается при неполном разложении органического вещества.

Часть образуемого в процессе фотосинтеза органического вещества в определенных условиях, после гибели растений и живых организмов, преобразуется в ископаемые, обогащенные углеродом, твердые и жидкие органические продукты. Приблизительно 99 % углерода находится в осадочных породах и менее 1 % -в биосфере.

объем углерода, содержащегося в растительности суши, сопоставим с объемом углерода во всей атмосфере и составляет приблизительно 40 % количества углерода, имеющегося в поверхностных слоях океанов. В почвах накоплено в 2 раза больше углерода, чем в атмосфере. Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайги примерно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, т. к. в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза

Скорость круговорота углерода в гидросфере существенно выше, чем в атмосфере. Время пребывания углерода в наземной растительности составляет от 10 до 100 лет, а в морской фитомассе - меньше месяца. Это объясняется, в основном, тем, что фитопланктон состоит, главным образом, из одноклеточных организмов, время жизни которых значительно меньше, чем у наземной древесной растительности. Древесина более устойчива к разложению, чем листья. В одном и том же лесу разные виды растений и их различные фракции (листья, ветви, сучья, стволы) разлагаются с различной скоростью. Скорость разложения зависит также от климатических условий. Напр., период полураспада подстилки в северных хвойных лесах составляет 10 лет и более, в южных сосновых - от одного года до нескольких лет, в тропических дождевых лесах - менее года. Объемы ежегодного поглощения и эмиссии углерода, согласно оценкам ФАО Баланс углерода отрицательный (-3,2 Пг /год). Это тот объем углерода, который ежегодно накапливается в атмосфере. Следовательно, средняя концентрация диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает примерно на 0,5 %. Это обусловлено, в основном, сжиганием ископаемого топлива, разрушением пахотных почв и сведением лесов. В результате сжигания ископаемого топлива каждый год в атмосферу выбрасывается Зх10⁹т углерода. В тропических лесах заключено около 72 % мировых запасов органического углерода, который содержится в древесине и гумусе почв. Сейчас тропические леса вырубают со скоростью 15,4 млн га в год. Кроме того, разложение древесины после рубки леса приводит к дополнительному поступлению диоксида углерода в атмосферу. В результате деятельности почвенных редуцентов выделяется также метан. При проведении рубок выделение метана из лесной почвы возрастает вследствие ее переувлажнения и заболачивания. Метан и диоксид углерода являются главными виновниками парникового эффекта, следствие которого - постепенное глобальное потепление климата.

Лесам принадлежит важнейшая роль в поглощении углекислого газа и в поддержании относительной стабильности газового состава атмосферы. Леса России, площадь которых составляет более 1/5 площади лесов мира, являются огромным резервуаром углерода в виде биомассы живых растений, растительных остатков разной степени разложения, гумуса и торфов. Общий запас углерода, сосредоточенный в органическом веществе лесных экосистем России, составляет около 233 млрд т, в т. ч. 34 млрд т - в фитомассе, 17 млрд т - в отмершей растительной органической массе (морт-массе) и 182 млрд т - в гумусе почв. Особенно большие запасы углерода сосредоточены в мортмассе и органическом веществе почв бореальных лесов, расположенных в северных регионах России, где скорость биологического круговорота замедлена. В лесах России отмечается тенденция к увеличению чистой первичной продукции, которая достигает в настоящее время 600 млн т С/год.

30. Круговорот азота. Изменение его человеком.

Круговорот азотавключает следующие процессы: фиксация азота; аммонизация; нитрификация; денитрификация. Круговорот азота иллюстрирует ключевую роль микроорганизмов в круговороте веществ.Фиксация азотапроисходит в результате деятельности азотфиксирующих бактерий (биологическая азотфиксация), при грозовых разрядах и в результате антропогенной деятельности, напр. при производстве азотных удобрений. Фиксировать атмосферный азот способны следующие широко распространенные в природе микроорганизмы: свободноживущие бактерии Azotobacter и Clostridium и др. Циано-бактерии могут фиксировать азот как самостоятельно, так и в симбиозах с грибами (в составе некоторых лишайников) или мхами, папоротниками и даже семенными растениями. Биологическая азотфиксация происходит эффективнее, когда в среде мало соединений азота. Поэтому внесение азотных удобрений под бобовые растения делает невозможной фиксацию ими азота. В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде аммиака (NH₃) или иона аммония (NH,). Образование аммония происходит в результате аммонификации - разложения микроорганизмами азотсодержащих соединений - белков, нуклеиновых кислот, мочевины и др. Аммиак легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается действию нитрифицирующих бактерий при нитрификации. В результате этого процесса корни растений получают нитриты (N0^) и нитраты (NOn). Часть азота затем из растений переходит в ткани животных. Денитрификация - разложение азотсодержащих соединений редуцентами (как правило, микроорганизмами) до молекулярного азота. Азот снова поступает в атмосферу. В настоящее время, вследствие уменьшения количества естественных экосистем, доля биофиксации азота стала меньше, чем доля промышленной фиксации. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает загрязнение биогенными элементами (эвтрофикацию) водоемов. Значительное количество азота в форме окислов азота поступает в атмосферу в результате техногенного загрязнения. Выбросы окислов азота промышленными предприятиями и сверхзвуковыми самолетами могут стать причиной разрушения озонового экрана, предохраняющего все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации.

В отличие от круговорота азота, который является закрытым, круговорот фосфора разомкнут, т. к. фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Основные запасы фосфора находятся в горных породах земной коры, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом горизонте наземных и подводных почв. Из общего количества фосфора, содержащегося в почве, растениям доступно 10-20 %, малодоступно -50-60 %. Из горных пород фосфор выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит в состав тканей животных. После разложения мертвых тел растений и животных редуцентами в круговорот вовлекается не весь фосфор. Часть его вымывается из почвы в водоемы, где он оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо возвращается в небольших количествах - с выловленной рыбой или экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Нарушения биогеохимических циклов азота и фосфора представляют опасность для человека и окружающей среды. Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв, внесении фосфорных удобрений. Неправильное применение и хранение фосфорных удобрений приводит к увеличению содержания фосфатов в почвах, их вымыванию, загрязнению и эвтрофикации водоемов, последующему накоплению фосфора в продуктах питания. Для восстановления и поддержания сбалансированного биохимического цикла фосфора необходимо проводить систему агромелиоративных мероприятий и внедрять малоотходные технологии промышленного производства.