Элементы круговорота веществ и энергии в природных системах

Процессы жизнедеятельности — круговорот веществ и энергии в природных системах с возможным протеканием только при постоянном притоке энергии. Вся жизнь на Земле существует за счёт энергии Солнца, которая трансформируется синтезирующими организмами в химические связи органических соединений.

Совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экологической системой или экосистемой.

Процессы жизнедеятельности в отдельно взятой экосистеме и в целом в биосфере земли протекают при непрерывном движении потоков веществ, энергии и информации. Вещества движутся от одного компонента системы к другому, отражая при этом общую закономерность круговорота веществ в природе.

Из всех круговоротов циклическое перемещение огромных количеств воды было наиболее важным для жизнедеятельности человека. Научное истолкование круговорота воды в природе было дано только в XVIII и XIX вв., но ради исторической справедливости следует отметить, что история изучения этого процесса имеет более чем двух тысячелетние заблуждения светлых умов натурфилософии, начиная от Фалеса Милетского (VI в. до н. э.), Аристотеля (IV до н. э.) и заканчивая эпохой Леонардо да Винчи (1452—1519).

В целом для земной поверхности величина осадков, равная испарению за год, составляет 113 см [М. И. Будько]. В количественном выражении общий объём испаряемой воды в год в несколько раз превышает объём Чёрного моря (~ 7 раз) и составляет 577 тыс. км3.

Влагооборот на Земле представляет собой непрерывный процесс перемещения воды в географической оболочке Земли, который сопровождается её фазовыми преобразованиями (твёрдая, жидкая, газообразная).

Влагооборот на Земле слагается (рис. 1.13) из испарения воды (1,4), переноса водяного пара на расстояние (8), его конденсации, выпадения осадков (2,3), инфильтрация выпавшей воды (5) и стоки (6,7).

Рис. 1.13. Схема круговорота воды на Земле.

Вода испаряется с поверхности естественных (реки, озёра, болота, моря, океаны) и искусственных (водохранилища, каналы и т. п.) водных объектов, почвы и растительности и поступает в атмосферу в виде водяного пара. В атмосфере водяной пар путём турбулентной диффузии распространяется в верхние слои атмосферы и воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие. При понижении температуры влажного воздуха как адиабатически, так и вследствие отдачи тепла водяной пар конденсируется, переходя в жидкое или твёрдое состояние и в виде осадков (дождя или снега) выпадает на поверхность земли.

Влагооборот в атмосфере над континентами характеризуется количественными показателями, которые приведены в таблице 1.14.

Таблица 1.14

Количественная характеристика влагооборота в атмосфере над континентами земного шара

Коэффициент влагооборота находится в зависимости от размеров континента, что наглядно представлено в таблице 1.2. Коэффициент влагооборота увеличивается с увеличением размеров континента. Общее количество влаги, содержащейся в слое атмосферы 0-7 км, состав

ляет 12900 км I Смена водяного пара в атмосфере в процессе влагообо- рота над фиксированной точкой земной поверхности происходит в среднем за 8 суток, а в течение года сменяются 45 раз. При среднем времени оборота водяного пара вокруг Земли, равном 109 суток, влага, содержащаяся в атмосфере, за один оборот её вокруг земли сменится 13,5 раз

Это значение коэффициента влагооборота можно рассматривать условно для земного шара в целом.

Объёмы воды, участвующие во влагообороте в пределах земного шара, могут быть выражены ходом и расходом влаги.

(1.15) где Qzl — количество воды, испаряющейся с поверхности океанов; Qa — количество воды, испаряющейся с поверхности суши; QxX — количество осадков, выпадающих на поверхность океанов; Q^ — количество осадков, выпадающих на поверхность суши; Q речной сток воды в океан.

С океанов в среднем за год испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на них осадков плюс речной сток.

С суши в среднем за год испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на неё осадков минус речной сток.

Сложив уравнения (1.16) и (1.17), получим следующий баланс:

(1.17)

из которого видно, что сумма испарения воды с поверхности Мирового океана и суши равна сумме осадков на поверхность Мирового океана и суши.

Наряду с теплооборотом и общей циркуляцией атмосферы, влагоо- борот в биосфере является одним из основных климатообразующих процессов. На рисунке 1.14 представлена общая схема взаимодействия основных факторов, способствующих формированию глобального влагооборота.

Проблема влагооборота на земном шаре весьма обширна по своим масштабам и охватывает вопросы, связанные с водообменом в почвен

ном покрове, группах, в растительном и животном мирах, естественных и искусственных гидрографических сетях бассейновых геосистем (озёра, реки, каналы, водохранилища), влагооборот в атмосфере и т. д. Представленная схема (рис. 1.14) взаимодействия наиболее важных факторов влагооборота далеко не полностью учитывает все возможные факторы, которые влияют на процессы влагооборота. Но справедливости ради можно отметить, что данная схема даёт общее представление о сложности процессов взаимодействия факторов влагооборота и оценить их пространственную и временную направленность.

Рассматривая процессы влагооборота по генетическому принципу, выделяются следующие стадии: поступление влаги с поверхности океана в атмосферу в процессе испарения; перенос влаги в парообразном и жидко капельном состоянии с океана на континенты; включение переносимой с океана влаги в континентальный водообмен за счёт конденсации и выпадения атмосферных осадков; формирование речного стока за счёт водообмена в рамках бассейновых геосистем; накопление и формирование поверхностного стока за счёт горизонтов подземных вод; колебания общей увлажнённости суши по многолетним периодическим циклам.

Оценивая глобальный круговорот воды в биосфере, необходимо отметить важную роль океанических течений в процессах жизнедеятельности на суше (континентах). В качестве примера можно привести океаническое течение Гольфстрим, который в десятки раз мощнее всех рек суши, вместе взятых, и который своим теплом определяет климат в Европе и даже Сибири.

Круговорот атмосферного воздуха на Земле тесно связан с круговоротом воды, так как атмосфера является основным источником водяных паров.

Рис. 1.14. Схема взаимодействия основных факторов глобального влагооборота

которые способны перемещать значительные объёмы различных веществ в виде мельчайших частичек.

Круговороты воды и воздуха, вызываемые потоками энергии, могут иметь различный масштаб — начиная от глобального в рамках биосферы и заканчивая чисто локальным в рамках небольшой экосистемы, расположенной внутри бассейновой геосистемы.

В круговороте веществ в природе важную роль выполняют процессы движения атмосферного кислорода. Все организмы экосистем потребляют его при дыхании, а выделяют кислород в окружающую среду только растения в процессе фотосинтеза под воздействием солнечной энергии. Ежегодно растительный мир Земли усваивает 170 млрд тонн воды и выделяет порядка 115 млрд тонн кислорода. Используя углекислоту, зелёные растения создают органические вещества, которые являются пищей для всех других групп организмов. На данном этапе эволюционного развития биосферы, производимая растениями биомасса составляет порядка 1,841 • 1012 т (в пересчёте на сухое вещество), при этом на биомассу суши приходится около 6,6-Ю22 т, океаносферы — 3,0-1010 т. В океане масса животных в 30 раз больше массы растений, а на суше масса растений составляет 98-99 % всей биомассы. Меньшее количество производимой биомассы в океаносфере объясняется меньшей эффективностью использования солнечной энергии. Если на суше процент использования солнечной радиации для процессов в производстве биомассы составляет порядка 0,1 %, то на площади (72,2 % поверхности Земли) океана эта величина составляет 0,04 %.

Общий объём биомассы на суше составляет 6,6-1012т, что составляет около 4,5-1018 кДж солнечной энергии. Обновление биомассы на суше происходит в течение 15 лет, а в океаносфере в течение суток, так как биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей.

В образовании и эволюционном развитии биосферы Земли главную роль выполняют автотрофные растения, которые способны синтезировать органическое вещество из минерального. В создании органического вещества в природе имеются два способа: использование энергии солнечной радиации (фотосинтез); использование энергии химических реакций (хемосинтез).

Использование первого способа позволяет производить основное

количество биомассы на Земле. Причём зелёное вещество потребляет только сп' 0,02 до 0,03 % солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли.

Второй способ, основанный на хемосинтезе, играет важную роль в круговороте и в других процессах биосфеоы, но органической массы производит мало в сравнении с первым способом основанный использовании энергии солнечной радиации.

Фотосинтез — образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов за счёт энергии солнечной радиации (света), поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтезирующими пигментами.

В результате фотосинтеза растительность Земли ежегодно образует более 100 млрд тонн органических веществ, из которых около 50 % приходится на долю фотосинтеза растений морей и океанов.

Фотосинтез растений морей и океанов усваивает около 200 млрд тонн углекислого газа (С02) и выделяет во внешнюю среду порядка 145 млрд тонн свободного кислорода. Принято считать, что благодаря фотосинтезу образуется весь кислород в атмосфере Земли, содержание которого составляет — 20,95 %, в том числе азота — 78,01 %, аргона — 0,93 %, диоксида углерода — 0,032 % от объёма.

Фотосинтез является единственным биологическим процессом в природе, который идёт с увеличением свободной энергии системы. Все остальные системные биологические процессы, кроме хемосинтеза, осуществляются за счёт потенциальной энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза.

Количество энергии, ежегодно накапливаемой (связываемой) фотосинтезирующими организмами суши и океана составляет около 3-10?1 Дж.

В основе фотосинтеза растений лежит окислительно-восстановительный процесс, в котором 4 электрода (и протона) поднимаются от уровня окислитель но-восстановительного потенциала, соответствую

щего окислению воды до уровня, соответствующего восстановлению С02 с образованием углеводов. При этом увеличение свободной энергии реакции восстановления С02 до уровня углеводов составляет 120ккал/моль.

Уравнение фотосинтеза имеет вид:

(1.18)

Процесс фотосинтеза в реальных условиях биосферного пространства представляет собой пепь сложнейmirx реакций. Углеводы, образующиеся при фотосинтезе из углекислого газа и воды, превращаются в более сложные органические вещества и в самое сложное из них — белок.

Для обеспечения всех процессов жизнедеятельности на Земле, в биосферном пространстве, являющиеся планетарной экосистемой, а также в её подсистемах или более меньших экосистемах идёт постоянный процесс движения веществ, энергии и информации.

Движение веществ, энергии и информации осуществляется за счёт круговорота. По этому поводу академик 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.

Круговорот веществ на Земле определяется повторяющимися процессами превращения и перемещения (транспортировка) вещества в биосфере и её подсистемах, представляющие в значительной мере меньшие по размерам экосистемы на суше и в Мировом океане, которые имеют большой (длительность цикла миллионы лет) или малый (длительность цикла сотни, десятки лет, месяцы и дни) выраженный циклический характер.

Процессы круговорота имеют определённое поступательное движение, так как при циклических превращениях вещества в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Понимать круговорот веществ в природе или биосфере следует как поступатель-

ное движение по повторяющимся циклам, а не по замкнутому кругу, как это иногда понимают, что в корне ошибочно.

Из истории эволюции нашей планеты известно, что около 5 млрд лет назад произошла дифференциация вещества земли путём разделения его на ряд концентрических оболочек: атмосферу, гидросферу, литосферу, гранитную и базальтовую оболочки, которые отличались друг от друга химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующие геологические времена эво- люционно развивались в направлении обеспечения устойчивого равновесного состояния. Между этими геосферами и внутри каждой протекали процессы обмена веществом.

На первых этапах эволюционного развития геосфер существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.

В этом геологический период Земли (архейская эра) имели место интенсивные колебательные движения в земной коре, обширные газообразовательные процессы, создавшие повсеместно складчатость, а также вулканическая деятельность, результатом которой явились мощные слои базальтов.

В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли уменьшился и в конце декембрия обособлились более спокойные области земной коры — платформы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинклинали. С течением времени эти платформы росли, а геосинклинальные области сужались.

В современный геологический период развития Земли обмен веществом между геосферами по вертикальному направлению наблюдается в пределах 10-20 км от поверхности Земли, а местами достигает 50-60 км.

Непосредственно непрерывный кругооборот вещества наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосфере, являющиеся составными элементами биосферы Земли.

Наблюдаемый круговорот вещества на Земле включает в себя множество разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временньши состояниями равновесия.

Если вещество в силу каких-то внутренних или внешних процессов вышло изданной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение до тех пор, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Следует отметить, что полного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит.

Наиболее ярким и характерным круговоротом вещества в биосфере является круговорот воды, в процессе которого нарушается её изотопный состав: она становится беднее тяжёлым водородом, по сравнению с океанической водой, в результате фракционирования изотопов водорода при испарении.

Круговорот воды между океаном и сушей является важнейшим фактором в эволюционном развитии живых организмов на Земле, а также является неотъемлемым условием обмена веществ между живой и неорганической природой. Вода является источником водорода при фотосинтезе, а в планетарном масштабе мощным трансформирующим фактором и гигантской силой разрушения лито-сферы.

В круговороте воды важную роль выполняет процесс транспирации — испарение воды наземными органами растений, которые на синтез 1 кг сухого вещества расходуют порядка 400—450 л воды. Растения извлекают почвенную влагу с растворёнными в ней элементами питания и вовлекают её в биологический круговорот.

Внутри системный (экосистемы океанов, морей и др.) круговорот воды наблюдается между поверхностными слоями воды и массой воды более глубоких его зон, где устанавливается или существует свой регулярный установившийся обмен.

Между парами воды и водой атмосферы и водными объектами на суше устанавливаются так называемые локальные (в рамках бассейновых геосистем) временные равновесия.

Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмосферы и вулканические газы, а затем вода в виде осадков выпадает на сушу. Часть воды при этом входит в химические соединения, другая часть в виде кристаллогидратной, сорбированной и множество других форм связывается рыхлыми осадками земной коры и погребается (накапливается в виде осадков) вместе с ними и надолго выходит из процесса циклического кругооборота.

Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влиянием давления и высокой температуры теряют воду, которая поднимается по порам пород и выходит на поверхность Земли в виде горючих источников, пластовых вод или выбрасывается с парами при вулканической деятельности вместе с некоторым количеством ювенальных (незрелых) вод и газов. Другая же, основная масса воды, растворяя растворимые вещества из пород литосферы, разрушая их, стекает или дренируется в реки, по которым обратно возвращается в Мировой океан. В результате этого процесса солевой состав Мирового океана в разрезе геологических периодов эволюции Земли изменяется. Легкорастворимые соединения накапливаются в водах Мирового океана, а трудно растворимые соединения химических элементов осаждаются на дно океанов и морей.

Количественная характеристика круговорота воды на Земле представлена на рисунке 1.15.

Рис. 1.15. Количественная характеристика круговорота воды на Земле дана в кг/км2 в год. Испарение и выпадение осадков дано г/км2 в год на поверхность

океана или сушу.

На ряду с наиболее важным природным минералом, каким является вода, для более полного представления о круговороте веществ на Земле, рассмотрим циклические процессы таких веществ, как Са, С, N, Р, 02.

Круговорот кальция (Са), из которого слагаются в земной коре известняки. Известняки, как и другие породы, разрушаются, и раствори

мые соли кальция реками с суши сносятся в моря. Установлено, что ежегодно в моря Мирового океана сбрасываются с суши около 5 • 108 тонн . кальция.

В тёплых морях углекислый кальций (СаО) интенсивно потребляется низшими организмами — фораминиферами, кораллами и другими организмами на постройку своих скелетов.

После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем в геологическом разрезе эволюции Земли происходит метаморфизация этих осадков, в результате чего формируется порода — известняк. Под воздействием внутренних процессов земной коры, которые сопровождаются перемещениями отдельных участков морскогодна, известняки оказываются на суше и процесс их разрушения начинается вновь. Но состав образующихся «новых» известняков уже отличается от предыдущего. Необходимо отметить, отдельные циклические процессы круговорота веществ никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные (локальные) круговороты или захватывается для установления временных локальных равновесий. Другая часть вещества возвращается к прежнему состоянию, но уже имеет новые физико-химические признаки.

Продолжительность того или иного циклического круговорота определяется временем (сотни, тысячи лет), необходимым, чтобы вся масса конкретного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе. Так, к примеру, углекислый газ атмосферы через процесс фотосинтеза совершает один циклический оборот на Земле в течение 300 лет, для кислорода этот циклический оборот занимает 2000 лет, для азота атмосферного порядка — 108 лет.

Важную роль в образовании живого вещества в биосфере выполняет углерод (С), являющийся основным биогенным элементом в образовании различных органических соединений.

Углекислы газ (С02) из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями ассимилируется (усваивается) и превращается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений.

Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, например, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения способны продуцировать в год около 1,5-1011 т углерода в

виде органической массы, это в энергетическом отношении соответствует 5,8б*1020 Дж или 1,4-1020 кал энергии. Часть растений поедается травоядными животными, и тогда образуются большие или малые сложные пищевые цепи. В конечном счете, органическое живое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращаются в углекислый газ или отлагаются в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые в свою очередь дают начало многим другим каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Количественная характеристика круговорота углерода на Зелие. Содержание углерода дано в г/см2 поверхности 3eMjiu. Обмен углерода дан в у(1-10~6 г/см2)

поверхности Земли в год.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии и грибы.

В активном круговороте углерода участвует небольшая часть всей его массы, что наглядно представлено в таблице 1.15.

Между углекислым газом атмосферы и водами Мирового океана существует подвижное равновесие, которое определённым образом вли-

Таблица 1.15

Содержание углерода на поверхности земли и в земной коре (16 км мощности)

* Данные взяты из Большой Советской Энциклопедии. Т. 13. 3-е изд. 1973.

яет на протекающие процессы круговорота углерода на Земле. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов, а также в результате антропогенной деятельности в промышленно развитых регионах земной поверхности. Достаточно мощным источником углекислого газа являются вулканы.

Наряду с кальцием (Са) и углеродом (С) важным элементом в процессах жизнедеятельности биосферы является азот (N), содержание которого в атмосферном воздухе составляет 78,01 % от общего объёма.

Источником азота на Земле является вулканогенный NH3, окислён- ный кислородом (02). Основная масса азота на поверхности Земли находится в газообразном состоянии в атмосфере в виде (N2). На современном этапе развития человеческого общества известны два способа вовлечения его (азота) в биогенный круговорот (рис. 1.17).

В результате процессов электрического и фотохимического окисления азота, находящегося в воздухе, образуются разные окислы азота (N02, N03 и др.), которые легко растворяются в дождевой воде и вно-

Рис. 1.17. Схема круговорота азота на Земле.

сятся, таким образом, в почвы, воды Мирового океана — первый способ вовлечения азота в круговорот.

Второй способ или путь вовлечения азота в биогенный круговорот заключается в биологической фикации N2 клубеньковыми бактериями, свободными азотофиксаторами и другими микроорганизмами.

Первый способ даёт около 30 мг N03! на 1 м2 поверхности Земли в год.

Второй способ даёт около 100 мг N0^ на 1 м2 поверхности Земли в год.

Функциональное значение азота в обмене веществ в живых организмах имеет важное значение. Азот входит в состав белков и их разнообразных производных.

В результате протекающих процессов денитрификации (разложения) на поверхности Земли и в её толще при участии бактерий образуется элементарный азот, который возвращается непосредственно в атмосферу.

В биосфере в результате нитрификации (окисления) аммиака и других азотосодержащих органических соединений при участии бактерий образуются различные окислы азота (N20, NO, N203 и N205). Азотная кислота, взаимодействуя с металлами, образует соли, к примеру, калийная селитра, которые вновь вступают в круговорот.

Круговорот кислорода в биосфере характеризует активность геохимической деятельности живого вещества. Биохимический цикл кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу и гидросферу с литосферой. Ключевыми звеньями этого процесса являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зелёных растениях, потребление выделенного кислорода растениями при дыхании всеми живыми организмами, поддержание химических реакции окисления органических остатков и неорганических веществ (сжигание топлива) и участия в различных геохимических преобразованиях, ведущих к образованию различных окисленных соединений (диоксид углерода, вода ит. п.), которые вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений.

Растительный мир планеты Земля ежегодно продуцирует порядка 300* 109 т кислорода, из которого 75 % выделяется растительностью суши и 25 % фотосинтезирующими организациями Мирового океана (В. В. Добровольский, 1980).

Если масса атмосферы Земли составляет порядка 5,2-101gt; т, то на долю кислорода приходится 1,2- 101Ь т (23,3 %), которая накопилась за всё существование растительного мира. Сравнивая количественное содержание кислорода в атмосфере равное 1,2-1015 тс ежегодным его производством растениями 240-109 т, то для полной замены кислорода в атмосфере понадобится 4000 лет (К. М. Сытник и др., 1987).

Упрощённая схема круговорота свободного кислорода и его образование представлена на рисунке 1.18.

Круговорот фосфора существенно отличается от циклов углерода и азота. Содержание фосфора в земной коре в несколько десятков раз больше чем азота, но фосфор не играет главной роли среди основных элементов оболочки Земли. Фосфор является одним из главных элементов, органические соединения которого выполняют важную роль в процессах жизнедеятельности растительного и животного миров на Земле. Концентрация фосфора в живом веществе почти в 10 раз выше, чем в земной коре. Процесс циклического круговорота фосфора в биосфере включает в себя разнообразные пути миграции. Процесс круговорота фосфора на суше протекает в системе почва — растения — животные —

Рис. 1.18. Круговорота свободного кислорода и его образование в результате захоронения органических веществ (в J (по Реймерсу Н.Ф., 1990).

почва. В гидросфере процесс круговорота фосфора протекает в системе суша — Мировой океан. Фосфаты транспортируются речным стоком с материков в Мировой океан, взаимодействуют с кальцием и образуют фосфориты, которые с течением геологического времени выходят на поверхность и снова включаются в циклический круговорот. Ориентировочно подсчитано, что ежегодно в Мировой океан выносится порядка 1,4-107 т фосфора, а с морепродуктами возвращается около 10s т, что вызывает определённый дефицит этого органического элемента в жизнедеятельности природных и природно-технических экосистемах на суше. Схема круговорота фосфора в биосфере приводится на рисунке 1.19.

Круговорот серы в биосфере сформировался в устойчивой форме с её циклическими преобразованиями как.самого элемента, так и её соединений. Важную роль в круговороте серы выполняют специализированные микроорганизмы, одни из которых выполняют реакцию окисления, другие реакцию восстановления. Микробная регенерация серы протекает на водных объектах, в результате которой из нижних слоёв

на поверхностные слои перемещается сероводород (H2S). На рисунке 1.20 наглядно представлена схема взаимодействия геохимических (выщелачивание, адсорбция, десорбция и др.), метеорологических (дождь, снег, влажность, температура), гидрологических (поверхностный сток), биологических (продукция биомассы и её разложение) процессов между собой и их взаимосвязи с атмосферой, гидросферой и почвенным покровом в регуляции глобального круговорота серы.

Круговорот биологический (биотический) характеризуется движением (поступлением) различных элементов из почвенного покрова, атмос-

Рис. 1.20. Круговорот серы в биосфере.

феры и гидросферы в живые организмы, где они превращаются в новые сложные соединения, а в процессе жизнедеятельности живых организмов с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза, возвращаются обратно в почву, атмосферу и гидросферу. В пределах отдельного биогеоцноза полного круговорота веществ не происходит, так как часть веществ уходит за его пределы, к примеру, в виде сельскохозяйственной продукции и т. п. В биологическом круговороте в виде обмена веществ наблюдается передача и превращение (трансформация) энергии, но круговорота энергии не наблюдается, так как она практически не возвращается от редуцентов к продуцентам (коэффициент круговорота энергии составляет около 0,24 %) и заново её поток не может быть использован организмами. Схема биологического (биотического) круговорота пред ставлена, на рисунке 1.21.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость циклического обращения химических элементов. Оценить этот показатель можно по скорости накопления и разложения мертвого органического вещества, которое образуется в результате ежегодного опада растений и отмирания животных организмов. Отноше-

Рис. 1.21. Принципиальная схема биологического (биотического) круговорота (Н.Ф. Реймерс, 1990).

ние массы мертвого растительного вещества (степной растительности, лесной подстилки и др.) к массе ежегодного опада характеризует интенсивность процесса деструкции. В рамках отдельной экосистемы интенсивность биологического круговорота определяется количественным значением отношения массы мертвого вещества к массе опада растений и отмерших животных. Чем больше это отношение, тем выше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме.

Биологический круговорот веществ выполняет важные системообразующие функции. В труде «Диалектика живой природы» (1984) А. И. Игнатов и С. И. Исаев выделяют пять так их функций: обеспечение непрерывности процессов жизни на Земле; расширение сферы жизни, обеспечение максимально возможного «оживления» живого вещества; биотический круговорот должен яшгяться основой системообразования живой природы на высших уровнях её организации, способом существования биоценозов и биосферы; поддержание, укрепление и расширение связей с общим геологическим круговоротом; спиралевидное эволюционное развитие живой и неживой природы, в котором биологический круговорот выступает в качестве механизма образования, функционирования и развития систем.

Рассмотренные биогеохимические круговороты основных химических элементов, движущей силой которых является жизнедеятельность живого вещества, охватывают мощный слой (до 60 км) земной коры или литосферы. В биогеохимическом круговороте химических элементов основной составной частью является ионный и твёрдый сток, в которой важную роль выполняет вода. Круговорот химических элементов происходит сразу в нескольких сопредельных оболочках Земли: атмосфере и гидросфере, гидросфере и недосфере (почвенный покров). Постоянство процесса круговорота химических элементов в биосфере обеспечивается регулярным обменом вещества и энергии между геосферами Земли.

Ионный сток представляет собой процесс выноса реками материков химических элементов в растворенном виде в Мировой океан, где этот сток взаимодействует с живыми организмами и тем самым продолжает процесс круговорота.

Ионный сток представляет собой гигантский процесс планетарного масштаба. Все реки мира ежегодно выносят в моря и океаны порядка 37 тыс. км* (ЗУ-Ю13 л) воды, и если принять среднюю минерализацию поступающей воды в Мировой океан равной 120 мг/л, то количество растворенных веществ, поступающих с суши, составит от 3 до 4,4 млрд тонн. Так, ежегодно реки выносят в Мировой океан кальция 481 млн т, натрия 166 млн т, магния 122 млн т, калия 55 млн т, хлора 236 млн т, сульфат иона 444 млн т, нитрат иона 37 млн т, кремния 212 млн т и т. п.

Если рассматривать водосборные территории рек, то ежегодно с каждого квадратного километра суши в среднем выносится 32 тонны растворимых веществ.

Твёрдое вещество на поверхности Земли также включается в круговорот. Всё вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя при этом в малом (локальном) или большом (глобальном) круговороте веществ. Под воздействием непрерывных потоков солнечной энергии, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения переносятся водным путём по рекам, если вещества растворены и в качестве взвешенных и донных наносов, или воздушным путём под действием ветра в прибрежные зоны морей и океанов, где они осаждаются на дне, уплотняются, цементируются, образуя при этом слоистые осадочные породы и под воздействием давления, превращаются в кристаллические сланцы. Подсчитано, суммарное количество продуктов разрушения на Земле, которое поступает в Мировой океан и осаждается на дне, составляет 24,8—29,4-109 т, что соответствует наращиванию толщины донных отложений на 3-5 см за 1000 лет в среднем по всей площади дна Мирового океана. За эту же тысячу лет поверхность суши понижается за счёт смыва и растворения вещества более чем на 7 см. В таблице 1.16 приводятся количественные данные по отдельным процессам разрушения горных пород, которые поставляют продукты разрушения в Мировой океан.

Таблица 1.16

Сток продуктов разрушения земли в Мировой океан за один год

В планетарном масштабе этот круговорот на Земле называется малым и схематически представлена на рисунке 1.22.

В большом круговороте участвуют кристаллические сланцы и другие породы, которые образуются в малом круговороте вещества. В результате дальнейшего погружения веществ, образовавшихся в малом круговороте, они попадают в магматическую область Земли, подверга-

Рис. 1.22. Схема малого круговорота веществ на Земле

ются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение круговорота веществ на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокий практический интерес.

Биосфера Земли представляет собой не только идеально функционирующую космопланетарную систему, ной своеобразный «механизм», в котором взаимодействие между биотическими и абиотическими компонентами (между живым и костным веществом) подчиняются определённым закономерностям, устанавливаемые самой природой. Геохимически эти функциональные закономерности в процессах жизнедеятельности осуществляются благодаря размножению организмов. Ско рость размножения живых организмов — это скорость потребления в биосфере геохимической энергии, которая зависит от многих внешних факторов — скорости распространения солнечного света в той или иной среде, от размеров организмов, от заключенной в них геохимической энергии. Устойчивое постоянство скорости размножения живого вещества обуславливает устойчивость всех химических реакций, протекающих в биосфере и наоборот. Изменение этой устойчивости или сбалансированности сопровождается нарушением биологических циклов и, соответственно, установившихся веками циклов химических превращений на Земле.

Все процессы жизнедеятельности на Земле и, соответственно, в биосфере соподчинены трём основным принципам. Согласно первому принципу, функционирование процессов жизнедеятельности на Земле должно обеспечиваться необходимыми ресурсами питания и утилизации отходов благодаря круговороту биогенов. Исходя из первого принципа, сущность второго принципа заключается в том, что все природные системы на Земле существуют благодаря постоянному источнику солнечной энергии, количество которой ежегодно аккумулируется живым веществом в процессе фотосинтеза в пределах 7,2 • 1018 кДж. Третий принцип функционирования процессов жизнедеятельности в биосфере характеризуется тем, что чем больше биомасса популяции кон- сумента, тем труднее её конкурировать за выживание на более высоком трофическом уровне, так как потребляемая консументом на питание биомасса, а с ней и энергия, полностью не усваивается и возвращается обратно в виде экскрементов во внешнюю среду, а усвоенная биомасса идёт большей частью на выработку энергии, а не на синтез новой биомассы.

Рассматривая основные принципы функционирования процессов жизнедеятельности в биосфере, необходимо отметить тот факт, что поступающая на Землю солнечная энергия (первый принцип) имеет низкий коэффициент использования. Так, в процессе фотосинтеза на 1 т органического вещества растениями усваивается 15910,бтыс. кДж энергии и расходуется 2 т диоксида углерода, 250—400 кг минеральных веществ, 500-1000 т воды.

Если суммарное количество биомассы, производимое растениями на суше Земли, составляет порядка 6,6*1012 т, то необходимое количество солнечной энергии, минеральных веществ, диоксида углерода и воды на процесс фотосинтеза нетрудно подсчитать, и оно составит огромные численные значения. Поэтому возвращение минеральных солей, воды и т. п. в круговорот представляет жизненно важное значение для окружающей природной среды и, соответственно, для человека. На современном этапе развития выделяют пять основных путей возврата веществ в круговорот: 1) через микробное разложение в детритный ком - плекс; 2) через экскременты животных; 3) прямая передача от растения к растению микроорганизмами — симбионтами; 4) в результате проте

кающих физических процессов на поверхности (действие солнечной энергии) и внутри земной коры (подъёма осадочных пород на поверхность и включение их в биотические циклы и др.); 5) за счёт использования органического топлива (дрова, нефтепродукты, газ) для промышленной фиксации азота и т. п.

Количественная оценка возврата веществ в круговорот для разных компонентов биосферы может выполнятся путём использования коэффициента рециркуляции Финна (1976):

(1.19)

где Ср — коэффициент рециркуляции; TST — рециркулируемая доля потока вещества через систему; TSTe — общий поток вещества через систему.

Большее количественное значение коэффициента рециркуляции (Ср) соответствует более высокому уровню иерархии той или иной экосистемы. Нарушение (изменение) вещественно-энергетической сбалансированности взаимодействий между отдельными элементами экосистемы или бассейновой геосистемы снижает количественное значение коэффициента рециркуляции, характеризующего циклический круговорот вещества, энергии в системе.

В результате активной деятельности человека на Земле возник и развивается новый процесс обмена веществ и энергии между природными экосистемами и человеческим обществом. Новый обмен веществ и энергии носит уже техногенный характер и называется антропогенным. Антропогенный обмен существенно изменяет природный общепланетарный круговорот веществ, заметно ускоряя его. В отличии от биотического круговорота, антропогенный характеризуется не замкнутостью и носит открытый характер. На входе нового обмена находятся природные ресурсы (различные руды, нефть, газ и др.), а на выходе — производственные и бытовые отходы. Возрастание скорости антропогенного обмена веществ и энергии способствует интенсификации процесса замены биосферы на техносферу.

Последствия антропогенного воздействия становятся соизмеренными с результатами геологических процессов. В биосфере возникают

новые пути движения веществ и энергии. Появляются многие тысячи химических соединений, не встречающихся в естественной природной среде. Создаются новые водные бассейны (водохранилища, каналы), что в определённой мере отражается на круговороте воды. В результате деятельности человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотосодержащих веществ для удобрений и т. д., что в конечном счёте сказывается на естественном ходе геохимических процессов на Земле.

До появления человека на Земле динамическое равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная радиация (главный фактор), сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (окислительно-восстановительные процессы), биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление пищи у животных, производство биомассы). В процессе эволюционного развития на протяжении порядка 3,5 млрд лет эти факторы сформировали природную среду в биосфере.

В настоящее время появился новый фактор — энергия мирового производства, который развивается не по геологической шкале времени, как выше отмеченные пять факторов, а по исторической шкале, что отражается на ускорении всех процессов, связанных с кругооборотом веществ в биосфере и её подсистемных составляющих (бассейновых геосистем, экосистем) как на суше, так и Мировом океане.

На современном этапе развития человеческого общества в настоящее время человеком эксплуатируется более 55 % суши материков, хозяйственному использованию подвергается порядка 13 % речного стока (10-1011 м3), ежегодно лесной массив планеты уменьшается на 18 млн га. Процесс опустынивания и засоления охватывает ежегодно от 50 до 70 тыс. км2 земель. Если природными процессами ежегодно транспортируется (перемешается в Мировой океан) порядка 25—30 млрд т вещества, то в настоящее время ежегодно хозяйственной деятельностью извлекаются из недр земной коры и перемещается на поверхности порядка 117 млрд т.

Воздействие на биосферу сводится к четырём главным формам: изменение структуры земной поверхности (сети автомобильных и железных дорог, вырубка лесов, сельскохозяйственное освоение, изменение гидрологического режима речного стока, развитие урбанизированных территорий и т. д.); изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих её веществ (изъятие из недр земной коры полезных ископаемых, выбросы в атмосферу различных веществ, качественное изменение природных вод на суше и в Мировом океане и т. п.); изменение энергетического (теплового) баланса в отдельных регионах земного шара (парниковый эффект); изменения, вносимые в биоту путём создания новых сортов растений , новых видов животных, истребление отдельных видов животного мира.

Оценивая роль человека в эволюционном развитии биосферы на современном этапе отечественные, учёные выделяют следующие основные принципы воздействия хозяйственной деятельности на биосферу (В. Л. Лапин, А. Г. Мартинсен, В. М. Попов, 1996): сконцентрированную энергию в органических полезных ископаемых (уголь, нефть, газ), радиоактивных рудах в процессе хозяйственной деятельности человек рассеивает эту энергию, а в эволюционном развитии биосферы происходит процесс концентрации рассеянной солнечной энергии путём трансформации и дальнейшей трансформации в живое вещество; вовлечение в хозяйственную деятельность природных веществ (живого, костного) с низким коэффициентом полезного использования (1—2 %) приводит к образованию огромного количества отходов (98—99 % от исходного сырья), используемые вещества из пассивной формы переводятся в активную форму, а во многих случаях в токсичную или радиоактивную. В биогеохимических циклах биогенных элементов, участвующих в природном круговороте, накопление отходов отсутствует; истребление представителей флоры и фауны (ежегодно из биотического круговорота исчезает порядка 360 видов) в процессе хозяйственной деятельности, что стимулирует процессы, связанные с нарушением биотического, равновесия в растительном и животном мирах; уменьшение численности одних популяций и увеличение сопутствующих человеку видов (крыс, мышей, тараканов и т. д.); нарушение естественных принципов устройства (функционирования) биосферы, таких как энергетический баланс, круговорот веществ, многообразие биологических сообществ, что приводит к изменению экологических факторов.

Влияние хозяйственной деятельности на биосферу и ожидаемых последствий представлены на рисунке 1.23 и таблице 1.17.

Рис. 1.23. Виды хозяйственного вмешатejiьства человека в биосферу (из словаря-справочника “Окружающая среда”, 1993)