Геннадий Голубев - Основы геоэкологии

Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров. Например, мы увидим ниже, что малое, по сравнению с природными потоками, антропогенное приращение парникового эффекта в атмосфере может привести к серьезнейшим нарушениям устойчивых климатических процессов, влияющих, в свою очередь, на многие аспекты жизни и деятельности общества.

Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого («геологического») цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших с точки зрения состояния экосферы, – углерода, азота, фосфора и серы.

Глобальный цикл углерода.

Вероятно, углерод является наиболее важным химическим элементом экосферы, потому что:

а) почти все формы жизни состоят из соединений углерода;

б) реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;

в) способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;

г) углеродсодержащие газы – углекислый газ (СО 2) и метан (СН 4) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.

Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью порядка десятков миллиардов тонн углерода в год. В этом обмене океан является главным поглотителем углерода, поступающего как с суши со стоком рек в результате деструкции органического вещества, так и из атмосферы, куда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ (биоты). Важнейшие процессы в биосфере – формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.

Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге, подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы.

Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Другой поток – различные виды деструкции органического вещества биоты и почв, которые возникают при антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти антропогенные потоки относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В чрезвычайно сбалансированном цикле углерода антропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному усилению парникового эффекта с соответствующими серьезными последствиями для экосферы. Эта проблема более детально обсуждается ниже, в главе, посвященной геоэкологическим проблемам атмосферы.

Глобальный цикл азота.

Азот – ключевой ингредиент жизни, поскольку этот элемент – обязательный компонент всех белковых соединений.

Большие запасы соединений азота состредоточены в литосфере. Остальные запасы представлены в виде химически малоактивного газа, составляющего 79 % атмосферы. Запасы азота в биосфере и гидросфере – на три порядка меньше, чем в атмосфере. Среднее соотношение массы углерода и азота в наземной биомассе и почвах С: N = 160: 15.

Несмотря на относительно малые запасы азота в биосфере и гидросфере, там это активный элемент, быстро обменивающийся между геосферами. Картина химических процессов цикла азота чрезвычайно сложна и разнообразна, потому что азот проходит сквозь воздух, воду и почву в различных химических формах и к тому же видоизменяющихся. В наземном и океаническом субциклах азота сосредоточено до 95 % всех его потоков.

Важнейший антропогенный поток в цикле азота – использование азотных удобрений. После Второй мировой войны происходило неуклонное увеличение их производства из азота атмосферы. Однако последние два десятилетия этого века удельное использование азотных удобрений (в кг/га) как в развитых странах, так и в странах СНГ сократилось или стабилизировалось, тогда как их применение в развивающихся странах все еще увеличивается. Приблизительно 50 % азота, вносимого в агроэкосистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества около половины убирается с поля с урожаем, а другая половина остается в органическом веществе почвы. Современное земледелие, таким образом, изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставили человека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белка. Однако это привело к загрязнению окружающей среды и, в частности, к интенсификации процесса эвтрофикации водоемов.

Другим фактором антропогенной интенсификации потоков азота является энергетика, поскольку при сжигании угля, нефти и ее продуктов, сланцев, торфа и пр. увеличивается эмиссия в атмосферу аммиака и оксидов азота. В свою очередь, оксиды азота и аммиак играют решающую роль в процессах асидификации окружающей среды.

Глобальный цикл фосфора.

Фосфор также один из важнейших химических элементов, поскольку он играет огромную роль в биологических и биогеохимических процессах. Фосфор – необходимый компонент ДНК и фосфолипидных молекул клеточных мембран. Наряду с азотом, фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах.

Основные резервуары фосфора – экосистемы суши, океаны и отложения наносов в водоемах. Газообразные формы фосфора практически не существуют, и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95 %). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов. Осадочные отложения вторичного характера – фосфориты, дающие около 80 % всей мировой добычи фосфора.