Биогеохимические круговороты. 2

Биогеохимические круговороты. 
 
 
В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день. Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах наиболее древних и консервативных). Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как  
 
в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено. Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте. Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.  
 
 
^ Круговорот веществ в биосфере. 
 
 
Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес). Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость. Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.  
 
 
^ Круговорот углерода. 
 
 
Самый интенсивный биогеохимический цикл круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот. Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. Основное звено большого круговорота углерода взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания. Другое звено большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов). В малом цикле круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т).  
 
 
^ Круговорот кислорода. 
 
 
В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой. Кислород, содержащийся в атмосфере и в поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение и должно рассматриваться как продукт фотосинтеза. Этот процесс противоположен процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами. Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9*1016 т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4*1016 т). Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.  
 
 
^ Круговорот азота. 
 
 
Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов: 4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O. Круговорот азота один из самых сложных, но одновременно самых идеальных круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может быть непосредственно использован растениями, т.к. они не усваивают газообразный азот. Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние на отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются и в атмосфере в результате электрических разрядов во время гроз. Самые активные потребители азота бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO3-) и ионы аммония (NH4+), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Биологическая активность организмов дополняется промышленными способами получения азотосодержащих органических и неорганических веществ, многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений. Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами: 1. сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, а затем реакциям: 2. 2NO + O2 2NO2 , 3. 4NO2 + 2H2O.+ O2 4HNO3 , 4. способствуя выпадению кислотных дождей;  
 
 
Круговорот фосфора. 
 
 
Фосфор один из основных компонентов (главным образом в виде и ) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам. Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями. В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности. Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно. Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека. Антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем: 1. добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте; 2. стоки с поле, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению фосфат-ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и 
 
нарушению равновесия в водных экосистемах.  
^ Антропогенные воздействия на окружающую среду. 
Проблемы народонаселения и ресурсов биосферы тесно связаны с реакциями окружающей природной среды на антропогенные воздействия. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах. Природные процессы могут иметь катастрофический характер, например извержения вулканов, землетрясения, наводнения, что, однако, также составляет «норму» природы. Эти и другие природные процессы постепенно, с геологической скоростью, эволюционируют и в то же время в течение тысячелетий (на протяжении одного геологического периода) остаются в квазистатическом сбалансированном состоянии. При этом квазистатически протекают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ и устанавливаются квазистатические энергетические балансы междуразличными геосферами и космосом, что объединяет природу в единое целое. Круговороты веществ и энергии в биосфере характеризуются определёнными количественными параметрами, которые квазистатичны и специфичны для данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией. Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние окружающей природной среды, выделяют следующие: 1. Энергетический: Е = Е0 + Е, где Е0 запас энергии в системе в момент времени t0; Е энергетический баланс системы за время t, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + t . 2. Водный: W = W0 + W, где W0 запас воды в системе в момент времени t0; W водный баланс системы за время t, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + t . 3. Биологический: В = В0 + Вв - Вm, где B0 начальная биомасса; Вв биологическая продуктивность; Вm минерализация органики за время t . 4. Биогеохимический: G = G0 + Gв - Gg, где G0 запас химических элементов в системе; Gв и Gg изменение запаса химических элементов вследствие биологического и геологического круговоротов веществ. Эти параметры состояния окружающей среды могут быть количественно определены экспериментальным путём для каждой точки, района, крупного региона, природной зоны или ландшафтно-географического пояса, наконец, для земного шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды. Геохимический параметр состояния окружающей среды также существенно изменился, особенно в отношении биологического и геологического круговоротов. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, природная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов из одних соединений в другие. Природный биологический круговорот веществ нарушен человеком на площади, достигающей почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, пашни, сады, вторичные низкопродуктивные леса, истощённые пастбища и т.д. Нарушению геологического круговорота веществ способствовали такие факторы: 1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твёрдого стока в океан; 2. Перемещение огромных масс земной коры; 3. Извлечение из недр значительных количеств руд, горючих и других ископаемых; 4. Перераспределение солей в почвах, грунтовых и речных водах под влиянием орошаемого земледелия; 5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов; 6. Загрязнение среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами; 7. Поступление в природную среду энергетических загрязнений. Таким образом, исследование изменений параметров состояния окружающей природной среды (хотя и на качественном уровне) позволяет сделать вывод об отсутствии в настоящее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать теперешнее состояние биосферы нарушенным и аномальным. Такое состояние может перейти в кризисное, если человечество не проведёт специальные мероприятия по оздоровлению окружающей его среды.

1.Понятие биогеохимии. История  развития

Биогеохимия как наука возникает в 20-х гг. XXв. на стыке биологии, химии и геологии, сконцентрировав исходно внимание на роли живого вещества в миграции химических элементов.

Первые истоки биогеохимии уже можно найти в работах известных биологов, химиков и геологов XVIII - XIX вв. Например, французский химик А. Лавузье (1743 - 1794), изучавшего реакции обмена окисла углерода и кислорода в растениях и доказавшего, что углерод как важнейший элемент органического вещества, поглощается растениями из воздуха и выделяется в атмосферу в процессе гниения и разложения органических соединений. Он заложил основы современной геохимии углерода в биосфере, показав универсальность обмена веществ между растениями, животными и средой обитания.

Концепция круговорота газов системы «живые организмы - атмосфера» была далее развита в работах французских химиков Ж.Дюма (1880 -1884),основателя органической химии, и Ж. Буссинго (1800 - 1884),одного из основателей агрохимии. В дальнейшем эти концепции развивались знаменитым немецким химиком Ю. Либихом (1802 - 1887),который показал, что поглощение химических элементов происходит не только из воздуха, но и из почвы, причем селективно. Он также открыл закон минимума питательных элементов, согласно которому продуктивность растений определяется тем из питательных элементов, которых находится в относительном минимуме в почвенном растворе.

На стыке XIX и XX вв. начала размываться видимая граница между такими науками как геология, химия и биология, и многие исследования стали выполнятся в пограничных областях, что привело к возникновению новых междисциплинарных наук. Характерным примером таких исследований является появление в России в 1880-х годах генетического почвоведения.

Основателем генетического почвоведения является российский ученый В.В. Докучаев(1846 - 1903). В его понимании генезис почвы представляет собой комбинацию многих почвообразующих факторов, таких как геологические породы, биологическая активность растений и животных, климатические условия, рельеф, грунтовые воды, физическое и химическое выветривание. В результате почва представляет единение двух разных компонентов, живой (биотической) и не живой (абиотической) и является биокосным телом.

В России основоположником биогеохимии стал В.И. Вернадский. Изучая происхождение минералов, он изучал миграцию химических элементов, формы химических минералов и их присутствие в различных породах. Базовым ядром научной концепции В.И. Вернадского, положенным в основу генетической минералогии, геохимии и, в дальнейшем, биогеохимии и науки о биосфере ,была научная идея о тесном переплетении всех природных факторов в целом. В 1918 - 1919 гг. он организовал первые биогеохимические исследования в Крымском (Таврическом) университете. Идеи В.И.Вернадского о планетарной роли живого вещества были положены в основу геохимической теории формирования горючих ископаемых.

Биогеохимия тесно переплетена с другими науками о Земле, особенно изучающими состав геологических пород, минералов, природных вод и газов, а также с биологическими науками, исследующими взаимосвязи между организмами и средой обитания, например, экологией. При изучении экосистем основное внимание уделяется массообмену и миграции элементов в биологических пищевых цепях. Принципы биогеохимии нашли широкое применение и в микробиологии. Состав микроорганизмов и среды очень тесно взаимозависим. Биогеохимический подход используется для оценки воздействия бактерий на состав атмосферы, природных вод и почв, процессы миграции и глобальные биогеохимические циклы различных элементов.

В России (СССР) принципы биогеохимии интенсивно развивались в науках о почвах и ландшафтах. Практическое приложение биогеохимических идей и методов развивается в геологии, геохимической экологии и биотехнологии. Среди этих направлений наибольшее развитие получили:

а) применение биогеохимических методов при поиске полезных ископаемых;

б) количественная характеристика геохимических условий для оценки здоровья животных и человека;

в) применение биогеохимических стандартов для минимизации антропогенного воздействия на окружающую среду.

Важным направлением в применении биогеохимических исследований является геохимическая экология, имеющая дело с изучением биогеохимических аномалий. В этих аномалиях наблюдается дефицитное или избыточное содержание жизненно важных элементов в пищевых цепях, приводящие к нарушениям здоровья животных и проживающего населения. Работами В.В. Ковальского показано ,что продуктивность скота коррелирует с содержанием в кормах бора, кобальта, меди, молибдена, селена и других элементов.

В наше время биогеохимия известна как очень продуктивная и высоко приоритетная научная дисциплина, объединяющая многие естественные науки, такие как биология, геология и химия, математика и физика, медицина, а также социальные науки (по сфере применения научных результатов и практическим выводам).

2. Биогеохимические циклы

Земная кора, поверхность континентов, океан и атмосфера исконне связанны геохимически между собой и с космосом. Но эта связь прямая и обратная еще более усилилась с появлением жизни в океане и особенно растений на суше.

Геохимические связи стали биогеохимическими, более сложными и разнообразными. Развитие и функционирование активного живого вещества, т.е. всей совокупности организмов, изменило океан, атмосферу, поверхность земной коры. Оформился почвенный покров суши и мелководий. Сложилась многокомпонентная открытая система - биосфера, т.е. планетная оболочка, охватывающая земную кору, организмы, почвенный покров, атмосферу и океан.(рис1)

Рис.1 Схема биогеохимической цикличности в биосфере.

Преобладающими химическими элементами как в биосфере, так и в любой слагающей ее экосистеме являются углерод, водород, кремний, кислород, азот, кальций, фосфор, железо и сера.(табл№1)(Рис.2)

Табл.№1

Среднее содержание некоторых химических элементов в земной коре, почвах и организмах (% по массе, данные на 1968) http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Биогеохимия/

Рис.2 Среднее содержание в почвах различных химических элементов.

Происходит постоянный обмен элементов между живыми организмами и их отмирающими органическими остатками, между организмами и окружающей средой. Вследствие химических и биохимических реакций осуществляется циклическое перераспределение элементов между различными средами. Такое же перераспределение может быть вызвано физическими, биологическими и геологическими процессами. Эти превращения и называются биогеохимическими циклами, которые происходят в газовой (атмосфера), жидкой (вода суши и моря) и твердой (литосфера и педосфера) фазах. Выделяют также эндогенные (в литосфере или породах) и экзогенные (в месте обитания живых организмов) циклы. (картинку!)

В природе протекают как биологические циклы веществ, так и абиогенные циклы веществ. Биологические циклы обусловлены во всех звеньях, жизнедеятельностью организмов в самом широком смысле (питание, пищевые связи, размножение, рост, передвижение, выделение метаболитов, смерть, разложение, минерализация). Абиогенные циклы сложились на планете намного раньше биогенных циклов. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов. В условиях развитой биосферы на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет круговорот веществ в природе направляется уже в разном направлении, но обязательно совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Нормальные ненарушенные биогеохимические циклы носят «почти круговой», «почти замкнутый» характер. Степень повторяющегося воспроизводства циклов в природе очень велика и вероятно достигает 90 - 98%. Этим поддерживается известное постоянство и «равновесие» состава, количества и концентрации компонентов, вовлеченных в круговорот, а также генетическая и физиологическая приспособленность и «гармоничность» организмов и окружающей биосферы. Однако в аспекте геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к миграции и дифференциации элементов и соединений в пространстве и различных средах и компонентах биосферы, к концентрированию или к рассеиванию тех или иных элементов. Таково, например, биогенное накопление азота и кислорода в атмосфере, биогенное и хемогенное накопление соединений углерода в земной коре (нефть, уголь, известняки) и постепенное уменьшение содержания СО2 в воздухе; накопление водорода и кислорода в виде масс воды в океане, вынос легкорастворимых солей из коры выветривания суши в океан и пустыни, концентрирование соединений железа, меди, никеля, в одних частях планеты и их рассеивание в других и т.д.

Сера

Сера также является одним из элементов, играющих чрезвычайно важную роль в круговороте веществ биосферы. Она относится к числу химических элементов, наиболее необходимых для живых организмов. В частности, она является компонентом аминокислот. Она предопределяет важные биохимические процессы живой клетки, является незаменимым компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, в значительных количествах присутствуют в подземных водах, что играет решающую роль в процессах засоления почв.

Основные запасы серы сосредоточены в литосфере. В соответствии с данными

А.В. Ронова [1976] и В.В. Добровольского [2003], среднее содержание сульфидной серы в осадочной оболочке составляет 0,183%, а общее количество серы равно 9,3·1015 т, в гранитном слое содержится 8,6·1015 т S. В целом в земной коре заключено около 94% глобальной массы серы.

В биосфере осуществляются биогеохимические переходы серы между различными средами. Живые организмы занимают важное место в биогеохимическом круговороте серы на планете, и среди них ведущая роль принадлежит микроорганизмам. В наземных экосистемах почвенные бактерии выделяют в газовой форме около 58·106т серы в год, из которых 15·106т/год потребляется растениями и 43·106т/год окисляется в тропосфере с тем, чтобы быть вымытыми с дождями обратно в почвы.

Наряду с важной ролью хемолитотрофных бактерий в глобальном круговороте среды следует отметить и вклад фотосинтезирующих бактерий. На основании продуктивности наземных и морских экосистем, а также среднего содержания серы в сухой наземной биомассе (0,34%), и сухой массе морских фотосинтезирующих организмов (1,2%), можно заключить что приблизительно 0,6·109 т/год серы участвует в наземном круговороте и приблизительно 1,3·109 т/год - в морском биогеохимическом цикле серы.

3. Антропогенное влияние  на биогеохимические циклы

Возрастающая на протяжении ХХ в. Антропогенная активность привела к ускоренному поступлению загрязняющих веществ в биосферу. В наибольшей степени при этом была изменена ее биогеохимическая структура. Рассматривая современное состояние биогеохимических циклов, можно прийти к заключению, что во многих природных биогеохимических субрегионах и провинциях поступление поллютантов уже привело к перестройке биогеохимического круговорота элементов и формированию технобиогеохимических и агрогеохимических провинций как структурных единиц биосферы. Антропогенные изменения циклов питательных элементов происходят в большей степени в регионах с высокой плотностью населения и высокой интенсивностью сельскохозяйственного производства. В отдельных местах изменения природного локального или регионального биогеохимического цикла азота и фосфора еще незначительны, тогда как в других местах они громадны.

Например, наибольшее воздействие на глобальный биогеохимический цикл азота связано с применением минеральных азотных удобрений, ответственных примерно за половину антропогенных изменений в цикле азота. Другие антропогенные процессы также превращают атмосферный азот в биологически доступные формы. В целом за счет всех видов антропогенной деятельности, включая производство удобрений, сжигание органического топлива и выращивание бобовых культур, с 1960-х гг. произошло двух-трехкратное увеличение связывания азота, и эта величина продолжает постоянно возрастать. В середине 1990-х гг. глобальные размеры связывания азота составляли около 140·106 т/год, учитывая и природную несимбиотическую фиксацию на суше.

В последние 50-80 лет общая картина распределения и миграции фосфора в биосфере резко нарушена человеком. Эти нарушения слагаются из нескольких важнейших сторон экономической деятельности человек, таких как:

- мобилизация фосфора  из агроруд и шлаков, производство и применение удобрений для сельского хозяйства;

- производство многочисленных  препаратов, содержащих фосфор и  использование их в быту, индустрии  и земледелии;

- производство громадных  количеств фосфорсодержащих ресурсов  продовольствия и кормов, вывоз  и потребление их в зонах  концентрации населения и больших  городах;

- развитие рыбного и  китобойного промыслов, добыча морских  моллюсков, водорослей и потребление  их на сущее, что влечет за  собой перераспределение биогенных  фосфатов с океана на сушу. Антропогенная деятельность оказывает  огромное воздействие на глобальный  круговорот всех питательных  элементов и в особенности  на транспорт в эстуарии и  открытые воды океана. Цикл фосфора связан с его перемещением с суши в океан, что включает его перенос с эродированным материалом в рек, последующий транспорт во взвешенном состоянии и захоронение в донных осадках океана. Размер этого потока оценивается в 22·106 т/год при величине доиндустриальных потоков 8·106 т/год.

Круговорот серы, так же как азота и фосфора, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Круговорот серы.Это один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих такие минералы, как пирит - серный колчедан (FeS2), медный колчедан (CuFeS2) и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты - цистин, цистеин, метионин. Для процессов жизнедеятельности сера необходима животным в значительных количествах, попадает она к ним с пищей (рис. 55).

Из органических соединений сера поступает в почву при разложении

189

  
Рис. 55. Круговорот серы в биосфере

преимущественно растительных остатков микроорганизмами. Сера органического происхождения восстанавливается в сероводород (H2S), минеральную серу или окисляется в сульфаты, которые вновь могут быть поглощены корнями растений, т. е. вновь поступает в биологический круговорот.

Круговорот воды.В данном случае речь идет не об отдельном биогене, а о соединении двух важнейших биогенов водорода (Н) и кислорода (О), т. е. воды, значимость которой для жизни на Земле абсолютна. Круговорот воды представляет собой процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды в глобальных масштабах. Круговорот воды осуществляется под влиянием солнечной энергии, гравитации, жизнедеятельности организмов. В целом для планеты главным источником прихода воды служат атмосферные осадки, а расхода - испарение, которые сбалансировано составляют 525 тыс. км3 или 1030 мм в год.

На рис. 56 показан круговорот воды, в котором можно выделить так называемые малый и большой. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, вновь возвращается в него в виде атмосферных осадков. При большом круговороте часть испарившейся с водной поверхности влаги выпадает не только на океан, но и на сушу, где питает реки и другие водоемы, но в конечном счете с подземным или поверхностным стоком возвращается в океан.

Выше были рассмотрены аспекты водного баланса гидросферы. Необходимо отметить, что наибольшей активностью в водообмене обладают речные воды (обновляются каждые 11 дней) против, например, воды полярных ледников (обмен совершается за 8000 лет). Речная

Вопрос 58:

1. ДЕГРАДАЦИЯ ПОЧВ

В широком смысле деградация почв это процессы, ухудшающие плодородие почв. В узком смысле деградация почв это процессы разрушения структуры, потери гумуса и обменных оснований [5].

Несмотря на очевидность понятия «деградация почв», связанного в первую очередь со значительной (по времени) историей развития земледелия и использования почвенных ресурсов (наиболее ранние упоминания о процессах потери почвенного плодородия относятся к ранним цивилизациям, упомянуты в Библии и Коране), впервые научное обоснование деградации почв и вляния на них деятельности человека дали российские ученые В.В. Докучаев и А.А. Измаильский. Именно исследования В.В. Докучаевым причин потери урожайности в степных областях России легли в основу созданной им на рубеже 19-20 веков новой науки о почве как особом естественноисторическом теле природы - почвоведения. Докучаеву так же принадлежит введение понятия "деградация" применительно к почвам, а также обоснование необходимости учета антропогенного фактора при анализе становления и развития почв [4].

1.1 Сущность понятия

Понятие «деградация почв» до настоящего времени не имеет четкого определения, однако в него, так или иначе, включаются процессы ухудшения свойств почв и их качества. Обобщая многочисленные определения деградации почв, содержащиеся в современной литературе, можно отметить близость их смыслового содержания и выделить следующие базовые элементы:

- понятие деградации почв  обычно раскрывается через совокупность  процессов почвообразования, приводящих  к изменениям в почвах и  почвенном покрове по сравнению  с эталонными (как природными  эталонами, так и эталонами по  продуктивности);

- деградация почв ведет  к повышению затрат на восстановление  средств и уровня производства;

- деградация почв ведет  к снижению плодородия почв, продуктивности  и качества продукции;

- деградация почв приводит  к отклонениям от экологических  норм, изменениям функций почв  как элемента экологической системы  и ухудшению параметров, важных  для функционирования биоты и человека [4].

В современном почвоведении понятие «деградация почв» или «деградация почвенного покрова» расценивается с сугубо антропоцентрических позиций, т.е. с позиций удобства и благополучия человека и окружающей его природной среды. Системное понятие деградации отвечает понятию деградации почв в случае таких разрушающих почву воздействий и процессов, как эрозия, дефляция, дегумификация, но не вполне соотносится с ним в случае, например, формирования солонцеватых черноземов при орошении. Возможно, в будущем почвоведы будут различать разные стороны понятия «деградация», но в современном мире главной является энвайроменталистская точка зрения (энвайроменталистика - учение об окружающей среде) [1].

Таким образом, точное понятие определения «деградация почв» в наше время заключить достаточно трудно, поэтому существуют только обобщенные понятия и определения.

ВИДЫ ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВЫ

Все виды деградации почв можно условно разделить на три основные группы:

- физическая деградация - ухудшение физических и водно-физических  свойств почвы, нарушение почвенного  профиля;

- химическая деградация - ухудшение химических свойств  почв;

- биологическая деградация - сокращение численности видового  разнообразия и оптимального  соотношения различных видов  микроорганизмов, загрязнение почвы  патогенными микроорганизмами, ухудшение  санитарно-эпидемиологических показателей[2].

На Рисунке 1 в наиболее общем виде представлены виды воздействия на почвы, приводящие к проявлению деградационных явлений.

Рисунок 1. Основные виды антропогенного воздействия на экосистемы и их реакция

2.1 Физическая деградация  почв

Физическая деградация почвы фиксируется как по уменьшению мощности органогенных горизонтов почв или уничтожению других почвенных горизонтов и всего профиля, так и по изменению конкретных физических свойств механически ненарушенного почвенного профиля (собственно физическая деградация). Нарушение почвы может быть связано и с поступлением на ее поверхность постороннего абиотического наноса, ухудшающего продукционную функцию почвы [1].

Механические нарушения почвы, приводящие к физическому разрушению почвенного профиля или его части, могут быть вызваны различными формами антропогенных воздействий.

Физическая деградация выражается в ухудшении почвенной структуры и всего комплекса физических свойств, т.е. в разрушении физической основы почвы, и развивается везде, где применяют избыточные нагрузки механического, химического, водного или биологического характера. Физическая деградация может быть обусловлена различными природными факторами и развиваться в условиях естественных биогеоценозов в результате изменения климатических условий, естественных процессов выветривания, эрозии, опустынивания и т.д. Причиной физической деградации почв могут явиться также различного рода катастрофические процессы природного и антропогенного характера [1].

Существуют два основных проявления деградации:

- накопление деградационных признаков до критического состояния, когда процессы становятся необратимыми. Это изменение почв фактически представляет собой «медленную» катастрофу, обусловленную всей сложившейся системой эксплуатации природных ресурсов и почв в том числе, общей культурой природопользования. Такая «накопительная» деградация происходит в случае длительной интенсивной эксплуатации почв как постоянного технологического ресурса в технологиях сельского, лесного и некоторых других производств, где основным достоинством почвы считается ее плодородие;

- частичное или полное  разрушение почвы как неизбежный  этап промышленных технологий  природопользования, осуществляемы  в течение короткого промежутка  времени и приводящего к моментальному  разрушению природных объектов  и почв в том числе. Такое  проявление деградации носит  локальный характер и опасно  быстротой и полнотой проявления. Как правило, причины и степень  разрушения почв являются в  данном случае очевидным [1].

Эрозия почв

Под эрозией почвы понимается разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в результате действия воды и ветра. Причины распространения эрозии почв можно разделить по пяти группам факторов эрозии: климатические, топографические, почвенные, биогенные и антропогенные. Непосредственное влияние на интенсивность эрозиозных процессов оказывают следующие факторы:

- климатические факторы - интенсивность и продолжительность  дождя или снеготаяния, температура  воздуха, скорость, направление и  время проявления ветра;

- топографические факторы - длина, крутизна, форма склонов, характер  рельефа;

- свойства почвы - водопроницаемость, противоэрозийная стойкость;

- биогенные факторы - создание  беспозвоночными в почве сети  каналов, защитная роль растительности, проявляющаяся в снижении скорости  ветра и влиянии на температурный  и водный режим почвы.

В процессе хозяйственной деятельности человек изменят соотношение факторов эрозии почв, что сопровождается ускорением развития эрозии почв [1].

Как итог, можно сказать, что крайней степенью физической деградации почв является полное уничтожение почвы как природного объекта, вплоть до состояния горной породы.

антропогенный экосистема деградация почва

2.2 Химическая деградация  почв

Химическая деградация почв включает изменение многих почвенных свойств вследствие различных причин природного и антропогенного происхождения. Факторы и причины химической деградации можно разделить на две группы:

- изменения, вызванные сельскохозяйственными  процессами, связанные с потерей  элементов минерального питания, гумуса, подкисления за счет высоких  доз кислых удобрений и за  счет окисления сульфидов в  почвах, где они имеются;