Биогенный круговорот углерода в биосфере и антропогенное воздействие

В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот. Именно это и происходит в экосистемах.

Биогенный круговорот происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов. Редуценты разлагают органические вещества до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.

Итак, третий основной принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.

Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих в состав биосферы.

Углерод, содержащийся в виде CO2 в атмосфере (23,5·1011 т), служит сырьем для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании растений, животных и редуцентов, а также по мере разложения мертвого вещества в почве выделяется CO2, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу.

Большая часть углерода, вовлеченного в круговорот, содержится в океанах. От углерода, содержащегося в океанах в виде карбонатов, главным образом, зависит количество двуокиси углерода в атмосфере. Океан поглощает избыток двуокиси углерода из воздуха, в результате чего образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в ходе которого двуокись углерода выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию CO2 в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера. Считается, что этот механизм обеспечивал относительное постоянство содержания двуокиси углерода в атмосфере, пока не вмешался фактор индустриализации.

В далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит (мертвые растительные и животные остатки) под действием высоких температуры и давления превращался в нефть, природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества и, сжигая его, завершаем круговорот углерода. При сжигании углерод топлива выделяется в виде CO2, концентрация которого в воздухе резко возрастает: его поступление существенно превышает поглощающие возможности растений. Это чревато серьезными климатическими последствиями, о чем речь пойдет в разделе, посвященном инженерной защите атмосферы.

Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК. Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат-ионов (NO3-) и ионов аммония (NH4+). Газообразный азот (N2), составляющий 78 % объема земной атмосферы, ни растениями, ни людьми, ни большинством других организмов не может быть использован непосредственно. Газообразный азот может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, усваиваемые корнями растений в процессе круговорота азота.

Преобразование атмосферного газообразного азота в усваиваемые растениями химические формы называется фиксацией азота. Осуществляется она, в основном, либо сине-зелеными водорослями и определенными видами бактерий в почве и воде, либо бактериями из рода обитающими в небольших клубеньках на корнях люцерны, клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Определенный вклад в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых газообразные азот и кислород в атмосфере превращаются в оксид и диоксид азота. Эти газы взаимодействуют с водяным паром и преобразуются в нитрат-ионы, которые попадают на земную поверхность в форме азотной кислоты, растворенной в атмосферных осадках, и в форме частиц нитратных солей.

Неорганические нитрат-ионы и ионы аммония, поглощаемые растениями из почвенной влаги, преобразуются ими в белки, ДНК и другие необходимые им азотсодержащие органические соединения. Животные покрывают большую часть своих потребностей в азотных питательных веществах, поедая растения или других растительноядных животных.

Особые бактерии - редуценты превращают азотсодержащие органические соединения биологических отходов (экскрементов и мертвых организмов) в неорганические вещества такие, как газообразный аммиак (NH3) и растворимые в воде соли, содержащие ионы аммония (NH4+). Другие специальные группы бактерий затем преобразуют эти неорганические формы азота в нитрат-ионы в почве и в газообразный азот, который, попадая в атмосферу, замыкает цикл.

Фосфор в виде фосфат-ионов (PO43и HPO42-) является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных.

Круговорот фосфора показан на рис. 2.11.

В этом круговороте фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно.

Дефицит фосфора в почве и особенности его естественного круговорота

Первичным источником фосфора для растений служат фосфатные руды, которые высвобождают элемент при медленном разрушении и выветривании. Высвобожденный фосфор растворяется в почвенной влаге и поглощается корневой системой. При этом в большинстве почв его естественные запасы минимальны: фосфатные соединения крайне плохо растворяются в воде и присутствуют только в определенных типах горных пород.

Дальнейшее движение элемента происходит по пищевой цепочке — животные получают фосфор, поедая растения или других растительноядных особей. Значительная часть фосфора возвращается в почву, реки и на океаническое дно в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород вместе с экскрементами и разлагающимися органическими остатками. Частичная компенсация элементов на суше происходит за счет экскрементов птиц, питающихся рыбой, однако этот объем несопоставим с текущими потерями.

Ежегодно несравнимо большее количество фосфатов смывается с поверхности суши в океан под действием природных факторов и хозяйственной деятельности человека. Естественное восполнение элемента происходит только в ходе геологических процессов, длящихся миллионы лет. Подъем и осушение участков океанического дна формируют новые острова и материки, после чего выветривание обнажившихся пород снова запускает цикл высвобождения фосфора.