<<
>>

Нарушение человеком биогеохимического круговорота азота 

Антропогенные нарушения в балансе в биогеохимическом круговороте азота на планете и особенно на суше весьма велики и локально уже вызывают отрицательные и даже смертельные для человека последствия (болезнь мета- моглобанемия).

Азот в жизни планеты играет столь же существенную роль, что и углерод, лишь несколько уступая последнему в биофильности (биофильность углерода 780, азота 160)(Перельман, 1972).

Общая главная направленность биогеохимического круговорота азота на планете - это аккумуляция его в молекулярной форме (N2) в атмосфере (около 75% всего азота). Но живое вещество и почвы противостоят этой общей тенденции. Биосфера, по подсчетам Г. Кука (Cooke, 1970), содержит более 150млрд.т.азота связанного в органических соединениях почвенного покрова (1,5*10^^ т), в биомассе растений (1,1*10^ т) и биомассе животных (6,Ы07 т).

Вследствие его высокой биофильности азот содержится в больших количествах в биогенных ископаемых (угле, нефти, битумах, торфах). Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почвах мало и почти всегда недостаточно для питания растений. В составе гумуса почв азот занимает скромное место (3-5-10%), но его общее содержайие в почвах тем выше, чем они богаче запасами гумуса. Лишь в особых условиях крайне аридных пустынь (Перу, Чили, Центральная Азия) азот накапливается в больших количествах в форме залежей нитратов - селитры. Азотные удобрения сыграли главную роль в росте урожаев сельскохозяйственных культур в последние 30 лет. В мире ежегодно производится и вносится в почвы 30-35 млн.т азота в виде минеральных удобрений. В странах Западной Европы средние нормы вносимого с удобрениями азота достигли до 100-150 кг/г а, а иногда вносят до 200-250 кг/га. Азотные удобрения уже составляют до 30% общих поступлений азота на сушу и океан (табл. 13).

Установлены многочисленные факты того, что избыточные нормы удобрений и особенно их небрежное внесение на поля приводят к эвтрофикации среды и тяжелым заболеваниям людей и животных (00Jaag, 1972).

Нитратный азот не сорбируется почвами и легко вымывается почвенными водами, легко восстанавливается в газообразные формы и поэтому обычно в больших количествах (20-40%) теряется для питания растений (уходит в атмосферу в форме аммиака, окислов или молекулярного азота, вымывается водою). Потребность культурных растений в азотном питании по этим причинам всегда обострена. В прошлом источниками азота для растений были его запасы в гумусе почв, местные органические удобрения (навоз), чилийская селитра.

В последние 50-60 лет химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником азотного питания культурных растений и роста их урожаев. Таким образом, земледелие и промышленность химических удобрений существенно изменили природную направленность биогеохимического цикла азота не к атмосфере, а на сушу, в почвы и в биосферу.

Рост численности населения, рост потребностей в питании, и особенно белковом, потребовали развития животноводства и внедрения в земледельческую культуру растений, дающих ценную белковую продукцию (пшеница, соя). Все это было возможно только при условии очень быстрого увеличения урожаев на основе высоких норм минеральных азотных удобрений. На глазах поколения происходит обогащение нашего питания белками и обогащение нашей среды соединениями азота. Естественно, что это явление отозвалось на биогеохимическом цикле азота (см. табл. 13).

Считается (Stout, цитировано по документу ФАО Аа1:НЕ/72/2,              1971),

что по опыту США для производства продовольствия и фуража в достаточном количестве необходимо расходовать на одну душу населения 173 фунта азота в год в виде минеральных удобрений (включая потери и с учетом эффективности), Это составляет более 85 кг на душу населения. Если принять эти нормы для 4 млрд, населения планеты, по потребуется производить не 30 млн. т/год, а 340-350 млн.т азота ежегодно. По-видимому, эти нормы завышены, во всяком случае в ближайшие 50 лет такой скачок в производстве азотных удобрений исключается.

Однако потребление азотных удобрений в земледелии и лесоводстве в будущем будет расти параллельно росту численности и потребностей населения планеты. Об этом неизбежном процессе можно судить по тому, что в расчете на одного жителя планеты минимально необходимо в рационе питания около 5 кг азота в год (табл. 14). Конечно, появятся новые формы и техника применения азотных удобрений, обеспечивающие большую эффективность и меньшие потери на вымывание. Все же поступления азота удобрений в круговорот веществ на суше будут неизбежно удваиваться и утраиваться в ближайшие 15-20 лет, как это произошло за минувшие 10 лет. Уже теперь нитраты и аммиак удобрений локально загряэ-

Т аб лица 13

Годичный баланс азота в природе (Delwiche, 1970; Дельвич, 1972; эксперты ФАО, 1971

Источник

поступления

Количес тво, 6 метрические т х 10

Биологическая фиксация:

сухопутная

(почвенная)

30

бобовые

/>14

морская

10

Индустриальная фиксация

30

Атмосферная фиксация

7,6

Ювенильные поступления

0,2

Полный

приход:

91,8

Расход

Денитрификация:

земная (почвенная)

43

морская

40

Отложение

0,2

Все потери:

83,2

Остаток

8,6

Итого:

91,8

Т аб л ица 14

Потребление человечеством связанного азота

(ориентировочные подсчеты В.Н.

Кудеярова, 1974)

Годы

Население,

Потребление белкового

млн.чел.

азота, млн.т

5000 л до н.э.

30

0,150

0

230

1,15

1000

305

1,50

1500

440

2,20

1650

550

2,75

1800

952

4,75

1850

1247

6,23

1900

1656

8,28

1950

2485

12,42

1960

2982

14,91

1965

3289

16,44

1970

3635

18,17

Прогноз

1980

4456

22,3

1990

5438

27,2

2000

6493

32,5

*

Годовая норма потребления

азота на душу человека

взята 5 кг

(включая пищевой белок и одежду).

няют воды рек, родников, озер, подземных бассейнов. Делается очевидной необходимость всемерного овладения механизмом увеличения биологической фиксации азота на суше и уменьшения потерь азота на вымывание и денитрификацию.

Столь же очевидна необходимость использования всех органических отходом хозяйства, содержащих азот, в качестве местных удобрений (реутилизация отходов).

Естественным путем фиксации азота и образования его соединений на суше и в океане были и остаются процессы связывания азота симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами, водорослями, лишайниками, микоризой; за этим следовали процессы минерализации белков, аммонификация, нитрификация, денитрификация, повторный захват нитратов и аммония растениями (рис. 15).

Этот процесс, как и процесс фотосинтеза, сопровождается накоплением потенциальной энергии, что еще мало изучено и оценено. Все формы биогенной фиксации дают в среднем около 200-300 кг/га связанного азота в год (К.Дельвич, 1972). К этому добавляется нормальный приток окислов азота и соединений аммиака с атмосферными осадками (продукт электрических и фотохимических реакций). Эти поступления в среднем оцениваются в 10- 15 кг/га. Мы не знаем, как изменились процессы биогенной фиксации азота

Рис. 15. Схема цикла азота в сухопутных экосистемах (по Ellenberg,1971; заимствовано у Duvigneaud, 1973).

1. Микроорганизмы-фиксаторы N. 2. Зеленые растения. 3. Животные.

4. Мертвый белок (микориза). 5. Другие микроорганизмы. 6. Мертвый белок. 7. Гумус. 8. Жидкие выделения. 9. Выпадение с атмосферными осадками. 10. Грунтовые воды.

в нашу эпоху. Уничтожение лесов (и микоризы), замена бобовых злаками и, наоборот, разрушение гумусовых горизонтов почв, богатых микрофлорой, и создание мощных гумусовых горизонтов в почвах продуктивного земледелия, сокращение свободной поверхности под покровом городов, дорог, сооружений - все это вызвало несомненно противоречивые изменения в биогеохимии азота. Известно, что эти изменения, часто противоположного характера, совершенно не изучены и не оценены количественно. По-видимому, все же преобладает тенденция уменьшения роли биогенной фиксации азота в общем круговороте его на планете. Именно на этом фоне нарушений нормального круговорота азота в природе минеральные удобрения почв внесли отмеченные выше коренные изменения в приходные статьи баланса азота и в географию его распределения, а также подняли общий уровень концентрации нитратов и аммонийных солей в почвах и водах.

Но еще более могуществанным фактором нарушения баланса, уровня концентрации и форм соединения азота в атмосфере и особенно в гидросфере и почвах оказалось современное топливно-энергетичес- ское-транспортное хозяйство человека.

Ориентировочные и недостаточно проверенные данные все же убедительно свидетельствуют о том, что эмиссия аммиака и различных окислов азота при сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев и т.д. вместе составляют ежегодно около 200-350 млн.т в виде газов и аэрозолей.

Окисление аммиака и окислов азота приводит к образованию, главным образом, азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих на сушу и на поверхность океана. Если эти цифры преувеличены даже в два раза, все же приходится признать, что эмиссия соединений азота в атмосферу уже стала определяющим компонентом в приходных статьях азотного цикла на нашей планете. Возможно, что именно эти поступления соединений азота являются главными виновниками известных случаев опасного загрязнения окружающей среды нитратами и аммиаком. В свете этих фактов необходимо глубже понять будущие нужды земледелия в азотных удобрениях, пути глобальной, воздушной и водной миграции соединений азота на планете и выяснить области, где же преимущественно происходят выпады азотнокислых и аммонийных соединений. Это тем более необходимо, что выбросы окислов азота в атмосферу будут продолжаться и даже увеличиваться. Уже установлены факты выпадения подкисленных атмосферных вод в Канаде и Скандинавии, что сопровождается снижением pH почв и местных вод (обычно под влиянием совместных выпадов с разбавленными растворами серной кислоты). Подкисление среды будет усиливать выветривание минералов, вынос из почв кальция, магния и других элементов питания растений.

Следует указать еще на один важный фактор нарушения нормального уровня концентрации и круговорота азота в природе. Это отходы индустриального крупного животноводства и птицеводства, а также отбросы и стоки нечистот современных крупных городов с их огромным населением. Отходы и стоки этого происхождения очень велики. В мире насчитывается более 3 млрд, голов скота, производящих огромные количества отходов. Современные птицефабрики, предприятия индустриального животноводства, города создают многочисленные очаги аномально высокого содержания азота и фосфора в виде органических и минеральных с ^единений, которые пересыщают локально почвы, ручьи, реки, озера, устья рек и эстуарии. Иногда в таких почвах содержание N—NO.3 достигает 400 части/млн., a N—NH* До 2200 части/млн (ФАО, 1971). 3

По общепризнанному мнению ученых, городские стоки, отходы животноводства и эрозия почв играют не меньшую, а локально несомненно большую роль в загрязнении почв и вод соединениями азота до токсического уровня (Cooke, Williams, 1970). Существенным и тревожным нарушением нормального цик-

Рис. 16. Загрязнение стратосферы окислами азота от взрывов атомных бомб (единицы измерений N0 10 молекул в см~^) ( Jonhnston, 1974).

ла азота на планете является проникновение окислов азота в стратосферу.

Это вызывается взрывами ядерных бомб и выхлопами сверхзвуковых самолетов и ракет (рис.16). Обзор этих явлений дается в недавней статье H.S.Johnston (1974). По мнению этого исследователя, появление в стратосфере даже незначительных коАчеств окислов азота влечет за собою быстрое разрушение озонового экрана стратосферы и прорыв потока ультрафиолетовой радиации в тропосферу и биосферу с губительными последствиями для жизни. Современное содержание N0, как сообщает H.S. Johnston, измеряется величинами от 1*10^ молекул см~^ до 8-2010^ см~gt; и уже может значительно нарушать нормальный уровень и воспроизводство озона. О такой опаснос- ности для атмосферы и стратосферы можно судить по следующим данным H.S. Johnstona (1974):

37

4,2*10 молекул

Общее содержание озона

34

1,5-4,5*10              '

S.6-1034              •

Сумма NO, NO2, HNOg

Двухгодичный выброс N0 1000 сверхзвуковых самолетов

Окисление таких масс окислов азота до азотной кислоты и может являться фактором быстрого разрушения озонового экрана. Эта проблема изучается несколькими группами различных ученых и эти исследования должны быть усилены для быстрейшего согласования общих выводов, прогнозов и рекомендаций. Пока считается, что сверхзвуковые самолеты типа 'Ъоинг* в несколько раз сильнее загрязняют стратосферу окислами азота, чем самолеты типа ^Конкорд* или ^Туполев*. Удаление азотной кислоты, образовавшейся в стратосфере, происходит крайне медленно в сравнении с удалением ее из тропосферы (роль непрерывного образования атмосферных осадков). Конечным приемником разбавленных растворов азотной кислоты из тропосферы и стратосферы являются океан и суша в особенности в зонах к северу от 50 широты.

Повышение концентрации соединений азота в природных водах и почвах является установленным фактом. В речных водах лесных областей умеренного климата содержание нитратов достигает 0,3-0,5 мг/л, а аридного климата до 1,2-1,7 мг/л. В дренажных водах оросительных систем концент^ рация NOg обычно около 5-6 мг/л, но бывает и 10-15 мг/л. В почвенных растворах засоленных орошаемых почв наблюдались концентрации N0^ до 100-300 мг/л. Речные воды густо заселенных районов содержат иногда до 20-30 мг/л NO3. В грунтовых водах иногда наблюдалась концентрация нитратов порядка 10-15 мг/л и даже 50-100 мг/л.

Это иллюстрируется . данными таблицы 15, из которых видно, что за минувшие 25 лет (1945-1970) регулярных наблюдений в штате Иллинойс содержание нитратного азота в водах поверхностного стока по средним и максимальным данным увеличилось в два-три и даже четыре раза.

Для условий США подсчитан суммарный баланс азота для территории всей страны (Accumulation of Nitrate, 1972). Общие поступления азота в почвы США выражаются величиной 21,0 млн.т N в год (в том числе с атмосферными осадками 5,6 млн.т, минеральными удобрениями 7,5 млн.т и биогенная фиксация 4,8 млн.т). Из этого количества около 17 млн.т идет на производство продуктов питания и текстильное сырье, а 4 млн.т не используется (табл. 16).

Все виды денитрификации (включая в водной среде более 10 млн.т) составляют около 18,5 млн.т и около 1,5 млн.т ежегодно остается в почвах и водах (табл.16). Данные по денитрификации здесь явно преувеличены. Остаток азота в водах и почвах по крайней мере в два—три раза выше. Имен-

Таблица 15

Концентрация нитратного азота и количество азота в водах поверхностного стока на отдельных водоразделах штата Иллинойс

Период

Число

водораз

делов

Пределы концентрации, мг/л

средний максимальный

Коли

чество

водо

разде

лов

Пределы с него годов количества кг/га

/>1945-1951

11

0,4-2,4

0,9и-9,0

10

2,3-8,8

1951-1956

10

0,5-3,0

1,7-6,1

10

1,1-7,3

1956-1961

25

0,5-3,7

1,3-12,3

23

0,7-12,8

1961-1966

26

0,3-4,2

0,9-12,3

24

1,3-13,4

1966-1970

30,4

0,4-8,5

2,4-20,4

30

2,2-37,2

Таблица 16

тонн азота; Accumulation of Nitrate, 1972)

Годовое поступление в почву;

Фиксация несимбиотическая N2              1,2

Фиксация симбиотическая N2              3,6

Поступление с осадками              5,6

Химическая фиксация              7,5

Минерализация органического азота почвы              3,1

Общее потребление              21,0

Использование в питании растений-животных- человека и сырье:

Производство волокна              0,2

Производство сахара              0,6

Производство протеина              растительного              происхождения              0,9

Производство протеина              животного              происхождения              15,1

Общее количество              16,8

Общее потребление              21,0

Не использованный в цепях питания (разность)              4,2

Судьба азота, вовлеченного в питание и сырье: Потребляемый людьми              1,2

Потребляемый животными              4,2

Другие расходы азота              15,6

Общее количество              21,0

Годовой возврат в атмосферу

В форме аммония или окислов азота с парами              воды              5,6

Потери за счет денитрификации в сточных водах              5,0

Денитрификация из почвы              8,9

Общее количество              19,5

Общее поступление              21,0

Ежегодное количество азота, удерживаемое              почвой              1,5

и водой

но эти статьи неиспользованного азота участвуют в эвтрофикации водоемов США.

Установлено, что заболевание метагемоглобанемией возникает единично, если содержание нитратов в воде достигает 40-50 мг/л N0^, и распространено часто, если концентрация нитратов превышает 95 мг/л NO3.

Наблюдения во Франции, ФРГ, Голландии, США показали, что концентрация нитратов в природных водах около 40-50 мг/л - явление частое (30- 50% случаев). Однако нередко в грунтовых и колодезных водах концентрация нитратов достигает 500-700 и даже 1350 мг/л, что в десятки раз превышает предел, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л NO3).

Районов, где концентрация нитратов, нитритов или аммиака достигает уже токсических пределов, немало. Зарегистрированы уже неоднократные случаи болезней людей и животных, что связано с азотной эвтрофикацией среды. Совершенно очевидно, что природный процесс денитрификации, составлявший в прошлом 20-25% в балансе азота (Duvigneaud, 1974; Delwiche, 1970; Дельвич, 1972) не справляется в настоящее время с огромным увеличением приходных статей азота на планете. Ежегодный избыток азота в биосфере по приближенным подсчетам достиг уже 9 млн.т (Delwiche, 1970).

По Дювинье ( Duvigneaud, 1974), задерживается в водах, почвах, осадках и биомассе азота еше больше - 18,6 млн.т ежегодно. Искусственное усиление процессов денитрификации нелегко вызвать и вряд ли это целесообразно. Это было бы расхищением ценностей, созданных природой и человеком. Но разумное ограничение стихийных поступлений азота на поля (сверхвысокие нормы удобрений - более 100 кг/га N) ив атмосферу (улавливание азота из газовых выбросов, улучшение качества топлива) - назревшая необходимость нашей эпохи.

Проблема санитарной безопасности населения и экономические интересы хозяйства в равной степени требуют научно организованного сбора, компостирования и подготовки для использования в виде местных удобрений азот- и фосфорсодержащих органических отбросов. Без этих мероприятий общая и локальная перегрузка приходных статей баланса азота на планете повлечет дальнейшее нарушение его круговорота с увеличением числа пунктов, участ^- ков и регионов эвтрофикации почв и природных вод нитратами, нитритами, аммиаком.

Проблема азота горячо дискутируется учеными и производственниками. Растущая потребность человечества в азотных удобрениях неизбежна и должна быть удовлетворена возможно быстрее. Но культура (формы, технология, агротехника и пр.) их производства и применения должна быть радикально реформирована и улучшена. Эмиссия соединений азота транспортно-энергетическим хозяйством должна в ближайшие же годы быть максимально сокращена. Однако конкретное осуществление всех этих противоречивых мероприятий на национальном и региональном уровнях потребует громадной научной, опытной и производственной исследовательской работы. Особенно необходимы уточненные достоверные цифры баланса азота и форм его соединений в разных регионах и в целом на планете. Это следует делать на основе регулярных измерений и наблюдений на станциях с использованием почвенногеохимических ( ландшафтных) карт достаточно детального масштаба.

Биогеохимия фосфора крайне отлична от биогеохимии углерода, кислорода, азота, серы. Газовая форма соединений углерода, кислорода, азота и серы является обязательным и важнейшим звеном в биогеохимии этих элементов. Газовые же формы соединений фосфора, например, РН3 практически в его биогеохимическом круговороте не представлены.

Между тем, биологическое и биогеохимическое значение фосфора в жизни клетки и организмов исключительно велико. Соединения фосфора входят в состав тканей мозга, скелета, панцирей. Без фосфора нарушается энергетика клетки, невозможен синтез белка. Поэтому соединения фосфора играют величайшую роль в жизнедеятельности всех организмов, в режиме экосистем и биосферы в целом (рис. 17, рис.18). Фосфор является таким же облигатным биофильным элементом как углерод, кислород, азот, и его биогеохимический круговорот в ряде звеньев протекает совместно.

Живому веществу и таким жизненным процессам как питание, передвижение и размножение принадлежит и определяющая роль в биогеохимии фосфора

alt="" />

Рис. 17. Цикл фосфора в экосистемах суши (Duvigneaud, 1974)

Рис. 18. Круговорот фосфора в биосфере (Duvigneaud, 1974)

1. Эвтрофикация. 2. Пена на воде. 3. Биологический цикл фосфора. 4. Минерализация органики. 5. Экскреты. 6. Детергенты. 7. Эрозия и растворение. 8. Поступление в океан. 9. Фосфорные удобрения. 10. Вулканический апатит. 11. Осаждения в глубинах. 12. Потери в глубинных осадках. 13. Переход в ископаемое состояние. 14. Эпигенез диатомовыми водорослями.

Без фосфорных удобрений невозможно получать необходимые урожаи зерновых, масличных и кормовых культур. Известные ныне мировые запасы месторождений фосфатов весьма ограничены и истощатся в 75-100 лет. Между тем, соединения фосфора делаются важнейшим фактором загрязнения речных и озерных вод.

Среднее содержание фосфора в земной коре 0,09%. Содержание фосфора в изверженных породах от 870 части/млн (липарит) до 2440 части/млн (базальт), однако абсолютное большинство аналитических данных свидетельствует о преобладании изверженных пород с содержанием фосфора меньше 870 части/млн (0,087%).

Базальты и в меньшей степени габбро, андезиты, сиениты являются главными источниками фосфора, поступающего при выветривании в биосферу.

Однако в некоторых гранитных формациях локальные пегмативные образования являются богатейшими месторождениями апатита - важнейшего сырья для производства фосфатных удобрений (Кольский полуостров).

Выветривание подводных изверженных пород, выклинивание глубинных гидротермальных растворов является, по-видимому, малооцененным источником соединений фосфора в океане. Образование донных конкреций фосфоритов в океане и фосфорно-железистых конкреций, вероятно, в определенной степени связано с этим источником. При выветривании, особенно под воздействием углекислых вод и растворов органических и минеральных кислот, появляются природные растворы соединений фосфора крайне низкой концентрации. Иногда в водах присутствует и высоко дисперсный фосфат кальция в виде тончайших суспензий.

В обычных земных условиях преобладают соединения пятивалентного фосфора. Поэтому данные о содержании фосфора даются в виде Р2О5.              f

Основным и наиболее устойчивым компонентом фосфатов является ион РО4, образующий тетраэдры, подобные SiO^ силикатов.

Хотя фосфора в земной коре больше, чем хлора и серы (Р - 0,093%,

С1- 0,017%, S - 0,047%) его водная и воздушная миграция по сравнению с хлоридами и сульфатами крайне низка.

Основные запасы фосфора находятся в горных породах земной коры, в донных осадках морей и океанов, в гумусовом горизонте наземных и подводных почв. Большая часть фосфора в земной коре представлена разновидностями апатита и главным образом фторапатитом Сас^РО^з. В апатитах обычно присутствуют инородные примеси металлов, фтора, хлора, гидроксила и др. Однако в осадочных породах известны и другие фосфаты: вивианит, вавеллит, фосфориты желваковые и конкреционные, железные руды, содержащие фосфор и др.

В числе наиболее распространенных фосфатов, образующих залежи фосфоритов осадочного происхождения, преобладают так называемые карбонат-апатиты (далит и франколит), имеющие ^следующий состав Са^РО^, C0g0H)gFe По-видимому, образование этого прочного и ничтожно растворимого соединения идет путем неполного замещения, находящегося в осадках СаСОд растворенными фосфатами ( Ames Д959, цитировано по Degens, 1965).

Со временем это соединение фосфата переходит собственно в апатиты. Видимо, основным механизмом фосфатизации карбонатных почв при внесении фосфатных удобрений и является образование трехкальциевого фосфата и кар- бонат^-апатита.

Несмотря на общеизвестную низкую растворимость большинства соединений фосфора главное геохимическое направление мирового круговорота его соединений направлено в сторону озер, устьев рек, морей и шельфа океана (рис. 18).

В древних морских осадочных породах известны крупнейшие месторождения фосфатов осадочного геохимического происхождения (фосфаты Северной Африки, Средней Азии и Казахстана СССР, фосфаты США).

И в настоящее время около 3-4 млн.т фосфата с речным стоком ежегодно поступает с континентов в океан, выключаясь из биогеохимического круговорота на суше. Эта величина, по-видимому, возрастает.

Относительная необратимость общего круговорота фосфора на планете, значение lt;|юсфора в формировании биомассы (и урожая) растений, ограниченность известных мировых запасов фосфора на суше выдвинули проблему фосфора на одно из первых мест в числе других проблем науки, техники и хозяйства.

В последние 50-75 лет общая картина распределения и миграции фосфора в биосфере резко нарушена человеком. Эти нарушения слагаются из нескольких важнейших сторон экономической деятельности человека. Назовем некоторые из них: 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 суше, что влечет за собою перераспределение биогенных фосфатов с океана на сушу.

В итоге произошло и происходит общее увеличение содержания фосфора в окружающей нас среде - явление, которое можно бы назвать процессом фос- фатизации суши. Процесс фосфатизации суши проявляется неравномерно. Территории индустриально развитых и густонаселенных стран, импортирующих агроруды, сырье, продовольствие, характеризуются общим увеличением соединений фосфора в окружающей среде. Территории стран, экспортирующих органические продукты и не применяющих удобрений, теряют запасы фосфора в своих почвах.

Общие запасы фосфора в почвах крайне малы, лишь 0,1-0,2% Р2О5, и представлены они обычно только на 10-20% соединениями, относительно доступными для растений, на 50-60%              gt;соединениями, малодоступными и на

20-40% соединениями, практически недоступными для растений (Горбунов, 1974). При высоких урожаях выносится из почв до 50-60 кг/га ^2^5* Притока соединений фосфора в почвы в виде атмосферных выпадов (подобных N0^, NH^, N0) или биогенной фиксации из воздуха не существует, исключая пыль. Поэтому даже лучшие почвы без регулярных фосфорных удобрений через 40-50 лет использования очень истощаются, и урожаи на них падают.

Во многих земледельческих странах вынос фосфора с урожаем растительной биомассы заметно превышает количество фосфора, вносимого с минеральными удобрениями. В большинстве стран Азии, Африки, Латинской Америки формирование урожая идет за счет азота и фосфора самой почвы, так как минеральные удобрения в этих странах не применяются.

И научные данные, и опыт земледелия свидетельствуют, что фосфор практически всегда в природных водах находится в дефиците. Он жадно захватывается сухопутными и водными растениями и его почти всегда не хватает. Дефицит фосфора в почвах и водах суши и океана постоянно ограничивает биологическую продукцию планеты. Поэтому соединения фосфора, наряду с соединениями азота, являются важнейшими минеральными удобрениями почв в современном земледелии.

Производство фосфорных удобрений в нашу эпоху непрерывно растет, следуя за ростом азотных удобрений (рис. 19). Только определенное соотношение азота и фосфора в удобрениях (1:1 или 1:0,5), в зависимости от типа почв и требований растений обеспечивает максимальные приросты урожаев.

Химическая промышленность мира поставляет земледелию около 18-

20 млн.т фосфора в виде минеральных удобрений. Но этого явно не хватает

тыс.тонн

Рис. 19. Мировое производство удобрений (данные ФАО) 1- общее; 2 - азот; 3 - фосфор; 4 - калий.

для необходимого повышения урожаев с.-х. растений в два-три раза в б ли-

дайшие 20-30 лет.              низкой

Дефицит фосфора в почвах для растений обостряется физиологической доступностью его нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в почве самого фосфора, которая достигает иногда огромных величин - 500 мг Р2^5gt; а иногда 1800 мг на 1 кг почвы (Адерихин, 1970). Поэтому для получения высоких урожаев приходится на полях давать фосфорных удобрений на 15-20 кг/га (по Р2О5) больше, чем его выносится с урожаем (Кудрин, 1947). Если принять за 100% сумму внесенных фосфорных удобрений, то оказывается, что урожаи хлопчатника или зерновых выносят лишь 50-70% этих количеств, а 30-50% остаются в малодоступной форме в почве (рис. 20). И этот процесс повторяется из года в год. Как показал опыт советских республик Средней Азии, идет процесс фосфатизации (*за- фосфачивание*) почв. Впрочем, есть немало указаний на то, что фиксированный почвами фосфор все же может быть полезен в последействии на второй и третей год. Гак, на поливных сероземах Средней Азии после 15-20 лет удобрения суперфосфатом наблюдается уменьшение связывания фосфора. Происходит как бы насыщение почвы фосфатами. Возникает возможность снижать нормы фосфорных удобрений.

Чем больше изучается явление фиксации соединений фосфора в почвах, тем более делается ясным, что пахотный и корнеобитаемый горизонты почвы способны поглощать и задерживать от последующего выщелачивания пра#-


тически неограниченные количества, фосфора. Если верхние горизонты почвы (пахотный и подпахотный) "зафосфачены*, то весь комплекс подстилающих горизонтов почвы способен энергично фиксировать фосфорные соединения, если их растворы туда поступят. Фиксация фосфатов почвами бывает иногда настолько полная и необратимая, что даже растворы соляной кислоты 0,2- 0,5п не извлекают весь связанный фосфор (Адерихин, 1970).

Так, в расчете на пахотный горизонт чернозем Воронежской области поглощает 3,6 т/га фосфорной кислоты (Адерихин, 1970). Для полного насыщения пахотного горизонта почв фосфорной кислотой, по подсчетам П.Г. Адерихина, необходимо:              для дерново-подзолистых почв до 13-14 т-га

суперфосфата, а для черноземов русской равнины 20-24 т/га. Для насыщения корнеобитаемой зоны, даже до глубины 60 см, требуется уже в несколько раз больше, вероятно, порядка 60-100 т/га. Щелочные карбонатные почвы переводят фосфор в форму практически нерастворимого трехкальциевого фосфата, а затем апатита. Источниками кальция для образования трехкальциевого фосфата и карбонат-апатита в почвах, кроме осадков кальцита, арагонита, люблинита, видимо, являются обменный кальций, растворы бикарбоната кальция, всегда представленные в почвенных водах, гипс, доломит.

Геохимикам известны и другие процессы фосфатизации осадочных пород. Это фосфатизация различных органических осадков, дерева, раковин, костей, фекального пеллита ( Degens, 1965). Аналогичные явления (можно предполагать) существуют и в почвах, где органических остатков сходного характера весьма много.

Фосфатизации могут подвергаться даже минералы и породы магматического происхождения, если на них воздействуют растворы солей фосфорных кислот (например, при выщелачивании гуано).

Сильными фиксаторами и сорбентами анионов фосфорной кислоты являются гидроокислы железа, марганца, алюминия, особенно свежеосажден- ные, которые непрерывно возникают в природных почвах. Свежеосажден- ные аморфные полуторные окислы поглощают Р2О5 до 10-13% от веса геля. Субтропические и тропические аллитные и фераллитные почвы являются сильнейшими сорбентами фосфора. Сорбируют ионы РО^ и точки положительных зарядов кристаллической решетки глинных минералов, особенно группы каолинита. Возможно, что РО4 иногда замещает тетраэдры S1O2 в минералах.

В кислых почвах фосфор связывается в виде фосфатов железа или алюминия также низкой растворимости и невысокой физиологической доступности. В экспериментальных условиях Н.И. Горбунов показал, что кислые почвы связывают фосфор интенсивнее черноземов; он получил следующие величины поглощения ?2^5 почвами:

красноземами до 0,9-1,2% подзолистыми              0,6%

черноземами              0,1%

Эти величины надо признать значительными. Они во много раз превышают резервы доступных для растений соединений фосфора в почвах. По этим данным в расчете на пахотный слой краснозема для полного насыщения его фосфором потребуется 30-35 т/га Р9О5.

Некоторые авторы считают, что фиксированный фосфор на 40-50% может быть при известных условиях десорбирован и использован растениями. Это зависит от многих обстоятельств.

Повышенная кислотность среды (например, при окислении сульфидных руд), выпады кислых атмосферных осадков с pH 4-5 (что наблюдается под влиянием присутствия в атмосфере НЫС^или H2SO4) интенсивное новообразование угольной кислоты способствуют десорбции фиксированных анионов РО ^ растворению фосфатов и усилению их миграции и выноса в виде растворов.

Более всего доступен растениям фосфор органических соединений и гумуса, из которых в процессе минерализации образуются растворимые формы фосфатов в низких концентрациях. Подвижность и судьба соединений фосфора в почвах зависит также от сочетания окислительно-восстановительных условий и реакции среды.

В восстановительных условиях при низком pH и при повышенной гумус- ности почв образование двухвалентного железа способствует большей подвижности, доступности и выносу соединений фосфора. По опытам японских исследователей минимальная подвижность фосфатов на рисовых полях наблюдается в интервале pH 5-7. Следует полагать, что орошение и обводнение местности вообще и культура риса в особенности будут способствовать более энергичному и более дальнему переносу фосфатов железа и марганца с последующей их аккумуляцией. В этом же направлении действуют навоз, органические отбросы городской канализации, продуцирующие угольную кислоту.

В условиях ненарушенной биосферы огромное количество фосфора удерживается живым веществом и экосистемами суши. Это количество приближается к величине порядка 10^~^ т. Так, по данным Л.А. Гришиной (1974), фитомасса содержит фосфора (кг/га): в тундрах Таймыра - 25; в ельниках - 8; в березняках - 2 2, в луговых степях - 25-30.

В лесных подстилках наблюдались случаи содержания фосфора до 100 кг/га. Естественно, что гумусовые горизонты ненарушенных почв также обогащены биогенным фосфором и его доступными формами.

Почвы и особенно гумусовая оболочка суши является сферой природной биогенной аккумуляции соединений фосфора под влиянием малого локального биологического круговорота элементов в системе организмы-почва. Содержание фосфора в почвах заметно превышает среднее содержание его в земной коре (0,1-0,3%).

Уничтожение лесов и подстилок, замена их травянистой и тем более агрикультурной растительностью меняет коренным образом запас и распределение фосфора, скорость и степень замкнутости его круговорота.

Минерализация биомассы и подстилок, потребление азота, фосфора, калия культурными растениями, отчуждение урожая и связанных с ним биофилов было первым и весьма глубоким изменением сложившегося круговорота веществ в экосистемах и биосфере. Но за ним последовали воздействия и последствия еще более грозные, а именно: эрозия почв. Потеря тонкодисперсной части почвы при водной эрозии сопровождается сильным механическим выносом гумуса (С), азота, фосфора. По оценкам экспертов ФАО ( Маппе— ring and Bertrand), уносимый при эрозии материал в 3-5 раз богаче органическим веществом, азотом и фосфором, чем сами почвы. Подсчитано, что под влиянием эрозии почвы вообще в среднем теряют в год по 0,02 кг/га фосфора.

Под влиянием водной эрозии и пыльных бурь механическое перемещение почвенного фосфора может происходить на значительные расстояния в форме аэровзвесей и водных суспензий. Именно эрозия почв, уничтожая гумусовый горизонт, обедняет почвы азотом и фосфором, унося их соединения в низ-* менности, озера и моря.

Wadleigh (ФАО, 1971) оценивает потери США от эрозии почв в шестидесятых годах следующими цифрами:              смыв мелкозема водоразделов млрд т/год, в том числе с сельскохозяйственных и лесных массивов 75%; при содержании в этих выносах 0,1% N; 0,15% Р2О5; 0,5% К2О- общая потеря в США питательных веществ 50 млн.т/год. Эта цифра-50 млн.т/год - превышала мировое производство удобрений в шестидесятых годах.

Почвы и земледелие СССР в пятидесятых годах от эрозии ежегодно теряло до 14 млн.т питательных веществ (азота, фосфора, калия), уносимых поверхностными водами в реки, озера, водоемы и моря. При эрозии почв смываются и химические удобрения, заделанные в пахотный горизонт или распределенные на поверхности полей.

Кроме фосфорных удобрений, в земледелии применяются фосфорсодержащие Препараты - детергенты. Их производство достигло больших размеров и количество фосфора, поступающего с детергентами, измеряется порядком млн.т ежегодно. Фосфорные соединения детергентов поступают в воды поверхностного стока и реки, а затем в озера и моря.

Вековой традицией земледелия в прошлом было использование местных органических отходов, содержащих углерод, азот, фосфор для удобрений. В аридных странах, впрочем, все это использовалось на топливо.

Механизация современного земледелия и местного транспорта привела к коренному уменьшению численности лошадей, быков, волов, верблюдов, используемых в хозяйстве. Это было замечательным прогрессом в технологии

и способствовавало росту продуктивности земледелия. Однако это незримо для человека привело к глубокому изменению круговорота углерода, азота, фосфора и других биофилов.

В развитых странах исчезла или сократилась практика применения местных органических удобрений и навоза, прежде всего.

Возврат и биогеохимический цикл С, N, Р, К нарушился и сократился. Наоборот, абсолютно и относительно увеличилось поступление фосфор- и азотсодержащих органических веществ растительного и животного происхождения в поверхностные воды.

Американские исследователи полагают, что из 10 частей фосфора, израсходованного на выращивание кормов скоту, лишь одна часть попадает человеку с продуктами питания, три части остаются фиксированными в почве, а шесть частей поступают в экскреты и будут смываться в водоемы, если они не используются на удобрения. Лишь фосфор костных тканей выпадает на длительное время из биологического круговорота.

Экскреты животных и человека крайне обогащены фосфором, и это является главной причиной локальной аккумуляции подвижных органических соединений фосфора в районах концентрации людей и животных.

Многие приписывают большую роль в фосфорном загрязнении водоемов - детергентам. Так, по оценке некоторых авторов, на долю детергентов приходится 46% всех избыточных поступлений фосфора в окружающую среду.

Отметим еще одну отрасль хозяйства, оказывающую значительное влияние на биогеохимию фосфора (и азота) в биосфере в настоящее время.

Вылов рыбы и других пищевых и технических продуктов морского происхождения всегда был антропогенной формой возврата углерода, азота, фосфора, серы на сушу. Особенно этот процесс усилился в наше время, когда годичный углов рыбы неуклонно растет: с 19,6 млн т в 1948 г. до 65,6 млн.т в 1972 г. И в ближайшие 10 лет, по оценке ФАО, вырастет до 110-150 млн.т (1974). Часть этого материала (6-7 млн.т) ежегодно идет непосредственно на удобрение полей. Остальная, несравненно большая часть, расходуется на питание людей.

Таким образом, происходит суммированная практически малообратимая аккумуляция соединений фосфора в зонах плотного населения и больших городов.

Углерод, азот и сера при этом (частично! ! ) уходят в газообразной форме в атмосферу. Фосфор же относительно полнее остается в местах скопления органических отходов, свалках, пригородных полях очищения и орошения сточными водами.

Все это приводит к тому, что кроме отмеченных выше неблагоприятных изменений в биогеохимии фосфора (дефосфатизация почв одних стран, *за- фосфачивание* территории и почв стран развитого земледелия и индустрии), наметилась третья неблагоприятная тенденция, а именно: эвтрофикация избытком фосфатов водоемов суши и морей. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отбросов и экскрементов, сбросы канализационных вод приводят к сильнейшему загрязнению рек и озер.

Признаки эвтрофикации водоемов наблюдаются, если концентрация Р в воде превышает 15 части/млн, а N 0,3 части/млн (UNESCO, МАВ N 15 Proj. N 9, 1974). Отметим, что биологически чистые воды содержат лишь сотые и тысячные доли Р на миллион (сотые и тысячные доли млг/л).

Многие водоемы Европы и Америки оказались уже отравленными избыточными концентрациями соединений азота и фосфора. Итак, наряду с фос- фатизацией почв суши начался процесс фосфатизации воды и водоемов суши, дельт, эстуариев.

Экспорт^-импорт продовольствия и концентрация населения как и современной промышленности в больших городах различных стран влечет за собою концентрацию органических соединений углерода, азота, фосфора, калия и др. в зоне городов, предприятий, свалок, в сточных водах.

Происходит глобальное отчуждение биофилов в одних странах и районах и концентрирование их в других странах и центрах. Особенно длительно такое концентрирование происходило для территории Западной Европы, Северной Америки и зон плотного населения и больших городов Восточного Китая. В биогеохимии углерода и азота эти процессы сказались вполне определенно. Но еще в большей степени это проявляется в биогеохимии фосфора.

Биогеохимические циклы фосфора, как отмечено нами выше, значительно менее замкнуты и менее обратимы, чем циклы воды, углерода, азота. Поэтому последствия загрязнения местности избытком органического вещества, содержащего азот, фосфор, калий и др. биофилы, особенно чувствуются в странах Европы, юго-восточной Азии, в Японии, в Северной Америке.

у  

<< | >>
Источник: Ковда.В.А. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В БИОСФЕРЕ. 1976

Еще по теме Нарушение человеком биогеохимического круговорота азота :

  1. IL3. Энергетические и вещественные особенности экосферы
  2. 1.1. Концепция экосистемы
  3. ИТОГИ VII ПЛЕНУМА НАУЧНОГО КОМИТЕТА МЕЖДУНАРОДНОГО СОВЕТА НАУЧНЫХ СОЮЗОВ ПО ПРОБЛЕМАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (СКОПЕ) А. Г. Назаров
  4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ В. А. К о в д а
  5. Элементы и особенности биогеохимического круговорота веществ в природе
  6. БГХЦ в лесных и травянистых биогеоценозах
  7. Некоторые изменения в биогеохимических круговоротах
  8. Нарушения в балансе и круговороте углерода и кислорода в биосфере
  9. Нарушение человеком биогеохимического круговорота азота 
  10. Нарушения в биогеохимии органического вещества и связанных с ним биофильных элементов
  11. Степная зона
  12. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА Л.А. Гришина Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
  13. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ НА ГЕОГРАФИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ В МГУ М.А. Глазовская
  14. Глава 22 ГЕОГЛОБАЛИСТИКА
  15. Глобальный процесс нарушения равновесного состояния географической оболочки Земли. 
  16. Биосфера как космопланетарная геосистема Земли
  17. Элементы круговорота веществ и энергии в природных системах
  18. Основы глобальной экологии (биосферологии)
  19. 6.4. Экологическое (экосистемное) нормирование содержанияхимических веществ в природных средах