<<
>>

Некоторые изменения в биогеохимических круговоротах

О суммарном характере геохимических изменений, вызванных деятельностью человека, можно судить по интенсивности возрастания числа новых химических элементов, открытых наукой и вовлекаемых в хозяйство.

На ранних этапах (до ХУШвека) истории человечества в научных исследованиях, а затем и в хозяйстве были известны лишь 12 элементов (углерод, свинец, олово, ртуть, серебро, медь, сера, золото, железо, мышьяк, сурьма, фосфор). В XVIII веке их стало 37 (включая платину, цинк, никель, водород, азот, марганец, титан и др.).

В XIX веке число вновь открытых, изученных и вовлекаемых в технику и, следовательно, в биогеохимический круговорот элементов достигло 75- 76. В середине XX века наука уже знает более 100 элементов, стабильных и радиоактивных изотопов.

Хотя число новых элементов и их изотопов, вовлекаемых в биосферу человеком, постоянно растет, все же по весу дополнительно вовлекаются в окружающую среду элементы, наиболее распространенные на земле и способные к концентрированию. Их легче обнаружить и легче извлекать. Таковы кремний, углерод, железо, ртуть медь (Перельман, 1973).

Однако научно-технический прогресс расширяет список элементов и изотопов, вовлекаемых в значительных количествах в биосферу. В биогеохимию введено новое понятие "технофильность элемента", выражаемое отношением тоннажа годичного производства к его среднему содержанию в земной коре. Оказалось, что наибольшей технофильностью порядка 10 Ю обладает угле-


род; технофильность теллура, золота, серебра, кадмия, свинца, меди, висмута измеряется порядком Ю^-Ю. близка технофильность селена, ртути, мышьяка, молибдена, хрома, цинка, фосфора, серы, кальция, укладывающаяся в интервал 108""9. Технофильность других элементов намного ниже (Перельман, 1973).

Характерно, что именно эти элементы: С, Р, S, Mo, Си, Cd, Zn, Hg, As являются главными загрязнителями окружающей среды (рис. б).

По прогнозам к 2000 году технофильность многих элементов увеличит^ ся в 3-5-10 раз; при этом особенно возрастет технофильность алюминия, магния, никеля, вольфрама. Все это, конечно, усилит предпосылки химического загрязнения биосферы, перераспределения элементов и уменьшения геохимической контрастности (Перельман, 1973).

Тенденция устранения или хотя бы смягчения экологической и биогеохи- мической контрастности на суше является, по-видимому, общим вполне здоровым и целесообразным результатом усилий человека по созданию для себя более благоприятных условий. Но нередко механизм взаимодействия человека и природы вырывается из управления: происходит "выравнивание"до токсических уровней или же концентрирование и обеднение элемента, вредного для живого вещества.

Итак, сложившиеся в биосфере определенные соотношения между химическими элементами (содержание в окружающей среде и в живом веществе водорода, кислорода, углерода, азота, кальция, серы, фосфора, калия) резко нарушаются миллионным тоннажем других элементов, потребляемых в современной химической и металлургической промышленности (табл. 8) и в земледелии.

Доля элементов периодической системы в мировом химическом производстве (Сеферович, 1970)

Таблица 8

Химические элементы

Потребление, т

Н, С, N, 0, Na, Р, S, С1, К

gt; ю7

Mg, Al, Si, Са, Ti, Fe

106-107

В, Р, Си, Zn, Ba, РЬ

105-106

Сг, Mn, Ni, As, Вг

104-105

Li, Вг, V, Со, Mo, Cd, Sn, Sb J, Ag, Hg, Bi

0

iH

1

СО

О

т—)

остальные

lt;103

Особенно велико вовлечение человеком в биосферу таких элементов как Na, Cl, Fe, Ti, В, F, Cu, Zn, Ba в количествах сотен тысяч и десятков млн.

т ежегодно.

Чуждые биосфере токсические элементы (Pb, Cr, Ni, As, Br, Mo, Cd, Hg и ряд других) производятся в количествах тысяч и десятков тысяч тонн ежегодно каждый, поступают в окружающую среду и перегружают ее локально и регионально.

Трудно сказать, какой из компонентов биосферы - живое вещество, почвы, атмосфера или гидросфера - загрязнен больше.

В биосфере эти компоненты вместе с земной корой представляют единство, систему. И в этой системе происходит непрерывный циклический обмен химическими элементами, (см. рис. 1). Вмешательство человека в эту систему произошло относительно недавно, но степень воздействия достигла и превышает уровень природных процессов. Обобщая имеющиеся сведения о влиянии различных продуктов, отходов, выбросов и препаратов на природные воды, можно привести следующие данные о требуемом разбавлении загрязняющих стоков для их обезвреживания:

Загрязнители              Необходимое разбавление

Городские сточные воды              1 : 10

Нефть и нефтепродукты              1 : 10®

Биоциды (ДДТ и др).              1 : 109

Однако разбавление не ослабляет процессов накопления аномалий в биогеохимии планеты.

Совершенно очевидно, что при современных величинах стоков загрязненных растворов в реки и озера последние не в состоянии 'самоочищаться' путем разбавления. Все большее число рек и озер делается безжизненными и система воды-организмы в природе весьма значительно деформирована и ослаблена в своей деятельности (функциях).

Этому же способствуют огромные массы аэрозолей топливно-индустриального и транспортного происхождения (см. табл. 6). Выпадая на сушу и в реки, аэрозоли вызывают повышение кислотности почв и вод, избыточное содержание серной и азотной кислот и других чуждых им соединений.

Каустобиолиты являются продуктами былых биосфер, древними аккумуляторами энергии, углерода и обычных биофилов, но они, как это известно, аккумулировали многие редкие рассеянные элементы (табл. 9).

Сжигание углей, нефти, торфа, битумов, асфальта включило в биохимические круговороты суши, водной и воздушной среды не только дополнительные массы окислов углерода, соединения серы, азота, фосфора, кремния, алюминия, но и кобальт, никель, медь, свинец, мышьяк, молибден, ванадий, берилий, йод, бром, германий, хром, бор, вольфрам.

То же происходит в результате 'сгорания* (окисления) гумуса пахотных почв и смывания их при эрозии.

Размеры поступления и судьба этих 'экзотических' элементов в воздухе, воде и почвах для нас еще малоизвестны, а то, что известно, очень тревожно.

Уничтожение лесов на огромных пространствах (до 60% первоначальной площади), распашка степей и прерий, систематическое выжигание трав саванны весьма существнно изменили сложившиеся циклы основных биофилов: углерода, азота, фосфора, серы, кальция, калия и, конечно, водорода и кислорода, входящих в качестве главных компонентов в состав живого вещества, подстилок, почвенного гумуса. Нормальная геологическая эрозия сменилась широко распространенной ускоренной эрозией. Процессы эрозии и дефляции почв, лишенных растительного покрова, ныне протекают со средней скоростью 1-2-4 мм в год, загрязняя воздух и воды, разрушая почвенный

Концентрация микроэлементов в золе каустобиолитов, мг/кг

(Якушевская, 1973)

Таблица 9

Каусто

биолиты

Со

Сг

Си Мп

Мо

Ni

РЬ

V

Zn

Нефть

920 3000 10500 500

150 24000 2000 10000 4000

Асфальт

16000 3000

900 3000 3000 85000 1000 35000

1000

Угли

300

200

400 1500

200

700

100

600

200

Изверженные

породы (для

сравнения)

23

200

70 1000 3-15

86

16

150

132

покров. Особенно интенсивны эти процессы в горах и на пастбищах аридных и субаридных районов, где растительность и дернина практически разрушены полностью.

По подсчетам Л.Г.Бондарева (1974), общая глобальная денудация составляет 23-25 млрд.т/год, а антропогенный водный твердый сток, антропогенный эоловый вынос и сжигание минерального топлива достигает примерно 10 млрд.т/год. Количество органических веществ и растворенных солей в речной воде увеличилось под влиянием сброса в реки городских промышленных, шахтных, дренажных вод, всегда минерализованных:

Пресные биологически чистые воды рек исчезают на наших глазах. Питьевая вода делается предметом экспорта-импорта. Но даже воды Монблана загрязнены.

Удобрения помогают бороться с эрозией почв. Но удобрения при их неумеренном и неаккуратном применении (потери, преувеличенные нормы, неудачные сроки и др.) также заметно повышают уровни концентрации биофилов в почвенных и речных водах. Есть указания, что нитраты проникли на деся'г- ки метров в водоносные горизонты. В речных и озерных водах констатируется повышенное количество нитратов, нитритов, аммония (NO3 более 5 Омг/л, NH3 более 0,03 мл/г), вызывающих специфическое тяжелое заболевание взрослых и особенно детей (синюшность). Следует учесть, что современное производство удобрений в мире (около 70 млн.т NPK) недостаточно. Уже следовало бы, исходя из нормативов и опыта Европы, производить в два раза больше. И нужно думать, что в начале XXI века будет производиться удобрений до 300 млн.т ежегодно. Для предотвращения эвтрофикации водоемов необходимо создавать совершенно новые формы удобрений низкой (постепенной) растворимости.

Многие эксперты ФАО и ЮНЕСКО считают, что значительное увеличение содержания органического углерода, азота и фосфора в водах рек, озер, эстуариев обязано прежде всего огромным количествам фекальных масс, производимых населением городов и крупных поселков и особенно колоссальным количествам навоза и других отходов современного животноводства (более трех млрд, голов животных). Воды Англии, Швейцарии уже основательно загрязнены органическим веществом, азотом, и фосфором фекального происхождения.

Воды Рейна совершенно непригодны для питья. Это тем более нетерпимо, что огранические вещества подобного происхождения сопровождаются привносом и распространением гельминтов, заражающих почвы, животных и людей.

Правильно организованное компостирование городской и сельской органики для промышленного изготовления удобрений, обогащенных углеродом, азотом, фосфором и микроэлементами гигиенически совершенно необходимая мера в жизни каждой нации и правительства.

Хотя и с осторожностью, но, пожалуй, мы вправе говорить о том, что в связи с сокращением площади лесов, загрязнением океана, разрушением или исключением на больших пространствах почвенного покрова в биосфере должно было произойти ослабление функционирования основного механизма систем почва-растения и океан—растения. Последствия этого мы ощущаем еще в очень малой степени, но прогноз и рекомендации ясны: необходимо всемирно оберегать почвенный покров и закрыть его каждый квадратный сантиметр, дециметр и метр травянистой, кустарниковой и древесной растительностью. Соответствующий комплекс мер неотложен и в океане для сохранения его фотосинтетической деятельности. Дальнейшее разрушение этого механизма локально и регионально усилит процессы нарушения биогеохими- ческих циклов планеты, еше больше увеличит их незамкнутость и перегрузку, а также дальнейшее ослабление фотосинтетического звена (т.е. соотношение кислорода и окислов углерода в воздухе).

Рис. 7. Схема управляемого обмена вешеств в системе общество-«-биосфера планеты Земля. + - максимально увеличивать,

расширять, обеспечивать наибольший выход растительной биомассы.              максимально ограничивать, уменьшать, использовать

повторно.

Некоторые нарушения в биогеохимических циклах, вызываемые деятельностью человека, проявляются довольно быстро - за годы. Другие лишь наметились и потребуются десятилетия, пока они себя проявят. При вековой стабильности нормальных биогеохимических циклов массовые сосредоточенные изменения, вызываемые -человеком в экосистемах хозяйственными приемами, новыми продуктами, различными отходами перегружают приходные, транзитные или расходные звенья круговорота веществ. Происходят случаи разрушения и выпадов целых звеньев или компонентов круговорота. Круговорот разрывается или блокируется. Имеют место явления противоположного характера - ускорение деструктивных ветвей круговорота с истощением запасов, уровня, концентраций (истребление лесов, уничтожение видов, эрозия почв, прокисление почв). Характерные для биосферы процессы рассеивания элементов сменяются их концентрированием и накоплением (таковы, например, фосфор, свинец, цинк, ртуть в'водах и почвах). Чаще, наоборот, происходит растрата, рассеивание геологических запасов тех или иных элементов до угрожающего уровня (например, артезианские воды, ископаемое горючее, руды железа, марганца, олова, меди).

Биосфера как и природа в целом "позволили роскошь" существования не полностью замкнутых биогеохимических циклов. В этом выразилась общая направленность истории и эволюции природы.

Человек и его общество в своей деятельности доданы вести свое хозяйство и прежде всего индустрию, стремясь к максимальной замкнутости производственных процессов, к максимальной реутилизации побочных продуктов и отходов, к максимальной сбалансированности расходных и приходных, синтетических и деструктивных частей биологических циклов, ускоряя или замедляя их соответственно.

Но для этого необходима большая систематическая научная работа, регулярные наблюдения за состоянием биосферы и ее компонентов (мониторинг) и синтетическое интегральное понимание всей совокупности и сложности взаимоотношения человека и природы.

Автор попытался изобразить в упрощенной схеме (рис. 7) свое понимание путей решения проблемы управляемого обмена веществ в системе общество-биосфера на принципах максимальной замкнутости мировой экосистемы- планеты Земля.

Человек, пожалуй, еще не оценил в полной мере того, что биосфера и ее компоненты: живое вещество, океан, атмосфера, почвенный покров суши получили новый и более могущественный фактор - это современное общество с его интеллектуальностью и могущественной наукой, энергетическим, индустриальным, транспортным, агрономическим, гидротехническим потенциалами и противоречивым социальным аппаратом. Этот фактор стихийно вписался в биосферу и стал ее органической частью, вызывая непредвиденные хаотические и часто отрицательные последствия и отклонения в нормальных природных процессах. Проблема современности заключается в понимании этих явлений во всей совокупности в познании механизма взаимодействия частей этой системы, в выборе оптимальных форм социального планового устройства самого общества и в выборе научно обоснованных приемов управления и совершенствования очень сложной системы биосфера-общество.

Социалистические принципы планового использования ресурсов и ведения хозяйства в интересах здоровья, быта и культурных потребностей человека создали реальные возможности для познания законов и управления процессами взаимоотношения общества и биосферы.

Обязательные параметры для изучения биогеохимических циклов в природе на естественных и нарушенных экосистемах Биомасса и ее фактический прирост (фито-, зоо-, микробная биомасса отдельно). Органические остатки (количество, состав). Органическое вещество почв (гумус и неразложившиеся остатки). Элементный вещественный состав почв, вод, воздуха, атмосферных осадков, фракций биомассы. Наземные и подземные запасы биогенной энергии. Прижизненные метаболиты. Число видов и их численность и состав. Продолжительность жизни видов, динамика и ритмика жизни популяций и почвы. Эколого-метеорологическая обстановка среды; фон и оценка вмешательства человека. Охват точками наблюдений водораздела, склонов, террас, долины рек, озер, желательно на серии поперечников через речной бассейн от верховья до устья (дельты). Количество, химические, физические, биологические свойства загрязнителей в ареале станции мониторинга (особенно СО, СО2, SO2, Р, NO3, NH3, Hg, РЬ, Cd, H2S, углеводороды).

lb  

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

Еще по теме Некоторые изменения в биогеохимических круговоротах:

  1. VI.L Основные особенности гидросферы [1]
  2. 3.1. БИОГЕОЦЕНОЗЫ КАК ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ
  3. ИЗМЕНЕНИЕ АГРАРНЫХ ЛАНДШАФТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФЕРМЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ
  4. Единый глобальный биогеохимический круговорот элементов. 
  5. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ В. А. К о в д а
  6. Регионально-бассейновые биогеохимические циклы
  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. Регионы биосферы и исследованные биогеохимические провинции СССР, входящие в состав некоторых регионов биосферы
  12. Степная зона
  13. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА Л.А. Гришина Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
  14. О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ИЗОТОПОВ СЕРЫ В ПОЧВАХ В. В. Буйлов, И. В. Буйлова