Ю. Колесник - Современное состояние биосферы и экологическая политика

Как на крайнем севере, так и в горах продолжительность снежного покрова, его высота и промерзание почвы являются главными факторами, ограничивающими рост деревьев. Там, где зимой ветер сдувает снег, подрост деревьев гибнет, а там, где снеговой покров лежит слишком долго или корнеобитаемый почвенный горизонт остается слишком долго замерзшим, вегетационный период настолько короток, что древесные растения отсутствуют вообще, лес исчезает и переходит на севере в тундру, а в горах – в кривоствольный древостой или альпийские травяные сообщества.

На всем земном шаре, по оценкам ученых (Лархер, 1978, с. 128), растения ежегодно связывают около 155 10 9т углерода. Из этого количества на долю суши приходится 61 %, а гидросферы – 39 % от общего его количества. Очень высокая первичная продуктивность на суше принадлежит районам тропиков, а в океане – зонам между 40 и 60 северной и южной широты. Наибольшая продуктивность наблюдается в дождевых тропических лесах, зарослях злаков в условиях сильного увлажнения и на заболоченных территориях теплых стран, а также на границах мелководных участков с морем и коралловых рифах. И все же основная часть поверхности суши и воды на Земле не отличается высокой продуктивностью. На суше почти всегда не хватает воды, в Арктике и в высокогорьях холод укорачивает продуктивный период. В тропических морях продуктивность лимитируется недостатком питательных веществ, в приполярных морях – недостатком света. Общий запас соединений углерода на Земле оценивается в 26 10 15т. В приведенной ниже таблице показан бюджет запаса углерода на планете (млрд т С). Подавляющая масса углерода связана в неорганических веществах и лишь около 0,05 % – в органических (табл. 4).

Таблица 4

Запасы углерода на Земле (млрд т)

Органический углерод находится в биосфере и в верхних слоях литосферы: 64 % всего его запаса содержится в ископаемых отложениях (торф, уголь, нефть), 32 % – в органических остатках в почве и водоемах и около 4 % участвует в построении биомассы. Наибольшая часть биомассы приходится на долю наземных растений. Особенно это касается лесов, имеющих большие запасы древесины. Их углерод составляет более 77 % всего углерода наземных растений. На поверхности почвы и в самой почве наибольшие запасы углерода образуются в тундровой зоне и в северных лесах, где органические остатки разлагаются гораздо медленнее, чем в теплых областях.

Запасы неорганического углерода сосредоточены в основной своей массе в осадочных горных породах земной коры. Гидросфера Земли содержит 0,14 % общего углеродного резерва планеты в форме бикарбоната и карбоната или в виде растворенной СО 2. Общая масса углерода в Мировом океане оценивается в 3,6 10 13т, а в атмосфере – 6,3 10 11т. Поверхностный слой, в котором происходят основные процессы фотосинтеза, содержит только 1/ 60запаса неорганического углерода гидросферы. Средняя концентрация двуокиси углерода в атмосфере составляет 0,03 %. При атмосферном давлении в 1 бар этой концентрации соответствует 0,6 мг СО 2в 1 л воздуха.

Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов, за счет инвазии из атмосферы и выделения из различных соединений, в первую очередь солей угольной кислоты. Снижение концентрации этого газа в воде в основном происходит в результате его потребления фитопланктоном и другими фотосинтезирующими растениями и связывания в соли угольной кислоты. Например, фитопланктон Мирового океана потребляет в год около 40 млрд т углерода. Коэффициент абсорбции СО 2при температуре 0 С равен 1,713. Значит, в условиях нормального содержания газа в атмосфере (0,3 мл/л) и температуре 0 С в 1 л воды может раствориться 0,514 мл СО 2. Проведенные исследования показывают, что ежегодно около 100 млрд т атмосферной двуокиси углерода растворяется в Мировом океане и замещается примерно равным его количеством из океана.

Из всех газов, имеющихся в атмосфере, а также растворенных в Мировом океане, особый интерес представляет кислород, т. к. он обеспечивает высокий выход энергии при аэробной диссимиляциии практически для всех организмов Земли и по существу лежит в основе их жизни. Известно, что атмосфера содержит примерно 1,2 10 15т кислорода. Главными поставщиками кисло

рода на планете являются растения. Благодаря фотосинтезу наземных и морских растений к этому запасу ежегодно прибавляется 70 10 9т, а леса поставляют в течение года 55 10 9т кислорода.

В литосфере содержится 47 %, гидросфере 85,2 %, а в свободном состоянии в атмосфере содержится 21–23,1 % кислорода. Коэффициент абсорбции кислорода водой при 0 С равен 0,04898. При нормальном атмосферном давлении в 1 л воды растворится 210 мл/л (содержание в атмосфере), умножим на коэффициент абсорбции и получим величину, равную 10,3 мл кислорода. Следует заметить, что насыщение вод газами находится в большой зависимости от изменения температуры. Так, при 25 С в воде растворится 4,9 мл/л кислорода и 9,1 мл/л азота. При 15 С, соответственно, – 5,3 мл/л и 10,6 мл/л и т. д. При сохранении подобной зависимости в высоких широтах поглощается больше газов, чем в тропических областях.

В целом круговорот кислорода на Земле идет в направлении, обратном круговороту углерода. Время полного оборота кислорода через фотосинтез составляет для атмосферы 2000–2500 лет, а углекислого газа – 300 лет. Исследования показывают, что возмещение кислорода, непрерывно отчуждаемого из атмосферы в результате горения, возможно только благодаря активности фитопланктона. В водоемах отмершие организмы опускаются на такую глубину, где их разложение идет в основном анаэробным путем, в то время как на суше огромное количество этого газа расходуется на деятельность микроорганизмов, разлагающих опад. Анализ процессов, обусловивших круговорот кислорода, свидетельствует, что, несмотря на его избыток, в некоторых местах он все же является лимитирующим фактором в жизнедеятельности растений и животных. Например, потребление почвенными бактериями, грибами, животными и корнями растений при застое воды и в плотных или теплых почвах (тропики) иногда настолько велико, а пополнение его путем диффузии идет так медленно, что живые организмы находятся в угнетенном состоянии, или гибнут вообще. В океане, ниже эуфотической зоны с глубиной идет уменьшение кислорода настолько, что, например, в замкнутых водоемах, таких как Черное и Балтийское моря, его у дна практически нет.

Азот, углерод, кислород и водород являются основообразующими химическими элементами, без которых (хотя бы в пределах нашей солнечной системы) не возникла бы жизнь. Азот в свободном состоянии обладает химической инертностью и является самым распространенным элементов на Земле. Примерно, 4 10 15т