Типологізація колообігу речовин

Просторове переміщення речовин у межах геосфер, або, інак­ше кажучи, їх міграція, поділяється на п'ять основних типів:

1. Механічне перенесення (відбувається без зміни хімічного складу речовин).

2. Водне (міграція здійснюється внаслідок розчинення речо­вин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найбільш важливих видів переміщення речовин у біосфері.

3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).

4. Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5. Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Інтенсивність кругообігу речовин у будь-якому біогеохіміч­ному циклі є найважливішою характеристикою. Оцінку такої інтенсивності зробити непросто. Одним із найбільш доступних індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може слу­жити співвідношення маси підстилки та іншого органічного опа­ду, який є в будь-якому біомі, та маси опаду, що утворюється за один рік. Чим більший цей індекс, тим, очевидно, нижча інтенси­вність біологічного кругообігу. Реальні оцінки показують, що в тундрі значення цього індексу максимальні, отже, тут мінімальна інтенсивність біогеохімічних циклів. У зоні тайги інтенсивність біологічного кругообігу зростає, а в зоні широколистих лісів стає ще більшим. Найбільша швидкість кругообігу речовин реєстру­ється в тропічних та субтропічних біомах: саванах та вологих тропічних лісах. В агроекосистемах біогеохімічний кругообіг від­бувається інтенсивно, але якісні його параметри вже інші.

Живі організми біосфери ініціюють та реалізують велику кількість широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Мета­болізм живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, на­впаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, аміак, ме­тан, водяна пара та багато інших речовин. Під впливом накопи­чення в атмосфері вільного кисню, який є продуктом життєдія­льності зелених рослин, на Землі почали переважати окислюва­льні процеси, які відіграють важливу роль в абіогенному та біо­генному перетвореннях вуглецю, заліза, міді, азоту, фосфору, сір­ки та багатьох інших елементів. У той же час на планеті збере­глися й відновні процеси, які здійснюються анаеробними орга­нізмами. Результатом цих планетарних процесів є утворення таких суто біогенних покладів, як осадкові гірські породи: вап­няки, фосфати, силікати, кам'яне вугілля та ін. Усі вони - ре­зультат життєдіяльності живих організмів.

Аналізуючи біогеохімічні цикли, В.І. Вернадський виявив кон­центраційну функцію живої речовини. Унаслідок реалізації цієї функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього се­редовища хімічні елементи. Якщо наша планета в цілому сфор­мована зі сполук заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню в першу чер­гу, то в результаті вибіркового поглинання та концентраційної функції біомаса має зовсім інший склад. Вона утворена з вугле­цю, водню за порівняно малої участі інших елементів (рис. 1).

Хімічні елементи, що переважно беруть участь у побудові живої речовини і є необхідними для його синтезу, отримали назву біо­генних. Концентраційна функція тварин та рослин по-різному реалізується в різних видів. Мають свої особливості й окремі біоми. Д.Л. Криволуцький та А.Д. Покаржевський за характе­ром накопичення хімічних елементів поділяють організми тва­рин на три групи: накопичувані (концентрують певні елементи у своєму тілі), розсіювані (завдяки міграціям розсіюють хімічні еле­менти переважно на терені біому) та очищувачі (утримують певні елементи у своєму тілі меншою мірою, ніж одержують з їжі, і таким чином сприяють очищенню трофічних ланцюгів від да­них елементів). Накопичувачами та очищувачами є й рослини.

Принцип циклічності в перетвореннях та переміщенні речо­вин у біосфері є основоположним. Збереження циклічності — це умова існування біосфери. Введення в біосферу односпрямова-них процесів, які здійснює людина при конструюванні техносфе-ри та агросфери, виявляється для біосфери згубним та найбільш небезпечним.

Для біосфери характерна висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин у них складають не більше 3-5%. Однак усі біогеохімічні

Рис.1. Співвідношення хімічних елементів на земній кулі та в живих організмах. Частка елементів виражена у відсотках.

цикли дають певну кількість «відходів». Такі природні відходи для біосфери не шкідливі. Вони є накопиченням речовин, певною мірою інертних, які акумулюються в атмосфері (за Ю.Одумом, це газовий тип циклу), або тих, що надходять у літосфе­ру у вигляді осадкових порід (осадковий тип циклу). Більш того, відходи окремих біогеохімічних циклів є умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біоген­не походження має весь кисень атмосфери, що виникає як «відхо­ди» фотосинтетичного процесу. За рахунок відходів біогеохімічно­го циклу вуглецю в земній корі накопичилися великі запаси вуг-лецевмісних геологічних покладів: кам'яного вугілля, нафти, вап­няків. Загальна кількість їх сягає 10¹⁶ -10¹⁷ тонн.

Біогеохімічні цикли змінюються в процесі еволюції біосфе­ри. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення існуючих. Так, накопичення в атмосфері вільного кисню створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання. Процеси хімічного біогенного окислення стали складовою час­тиною біогеохімічних циклів.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: вуглецю, води, азоту та фосфору. Ці цикли зазнали значної трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології.

Біогеохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості приблизно 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (рис. 2). Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням. Обидва

Рис. 2. Біогеохімічнтй цикл вуглецю.

процеси відбуваються так інтенсивно, що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40-50% загаль­ної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утво­ренню гумусу. Аналогічно утворюється й торф. У цих формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообі­гу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.

Із загальної кількості вуглекислого газу атмосфери близько 200 млрд. щорічно засвоюється автотрофними рослинами у про­цесі фотосинтезу. При цьому обсяги такої фіксації вуглецю ро­слинами суші і Світового океану приблизно однакові.

Кількість вуглекислого газу в атмосфері над тією чи іншою територією має закономірну динаміку. У тропічній і субтропіч­ній зонах його в атмосфері менше, оскільки в цих зонах актив­ність фотосинтезу найбільш висока. При переміщенні на пів­день і північ від тропіків вміст вуглекислого газу в повітрі збі­льшується і є максимальним над районами тундри й арктичних і антарктичних пустель. Відбуваються й сезонні коливання вмі­сту вуглекислого газу в атмосфері: улітку його менше, узимку більше, що також пов'язано з фотосинтезом зелених рослин.

Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз ан­тропогенне надходження вуглекислого газу в атмосферу зросло більше природного на 6-10%. Це пов'язано, головним чином, з вирубуванням лісів та заміною їх менш продуктивними агроценозами. Певний внесок робить і промисловість та всі виробниц­тва, які пов'язані зі спалюванням палива.

Вуглекислий газ повітря має парниковий ефект, і збільшення його кількості в атмосфері є однією з головних причин потеплін­ня клімату планети.

Біогеохімічний цикл води. Схема біологічного кругообігу води наведена на рис. 3. Основна її кількість (96,5%) зосере­джена в океанах. Частка підземних вод становить 30%, ґрун­тових - 0,05%, атмосферної води - 0,04 %, води боліт - 0,03%, біологічної, що входить до складу живих організмів, - 0,003%. Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всьо­го 2% загальної її кількості. Тіла всіх живих організмів (досить сильно обводнені) мають високий вміст води: у тварин на долю води припадає 70%, а в рослин - 90-95% їхньої маси.

Загальний кругообіг води ініціюється потоком сонячної ра­діації. Випаровування та трансляція переводять воду з рідкого стану в газоподібний, і вона надходить в атмосферу. Атмосферні опади забезпечують обводнення континентів (хоча частина опа­дів випадає безпосередньо над водоймами). Кількісні показники кругообігу води визначаються кліматом та й самі визначають клімат. Головним параметром оцінки інтенсивності кругообігу

Рис. 3. Біогеохімічнтй цикл води

Води служить евакотранспірація з її розідленням на випаровування та власне транспірацію.

Безпосередньо до формування біомаси залучається всього десь 1% води від загальної її кількості на планеті. На утворення 1 кг біомаси використовується 130-230 кг води, і тому її кругообіг є досить активним.

Вода морів та океанів, а також підземні води служать як депо води. Моря втрачають від випаровування більше (1200 мм на рік), ніж отримують від опадів (1100 мм на рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710 мм, а випаровування - 470 мм. Зворотне надходження води до океанів та морів йде через поверх­невий та підземний стоки.

Сільськогосподарське та промислове виробництво, не змінюю­чи загальної кількості води в її біогеохімічному циклі, суттєво пе­рерозподіляє надходження води до різних регіонів. Виявляється, меліорацією охоплені величезні території. Відірваність меліорати­вних проектів від екологічних концепцій призвела в підсумку до залустелювання, обміління рік, висихання замкнених водойм, що знаходяться в умовах континентального клімату. Яскравим при­кладом є обводнення півдня Середньої Азії за рахунок забору води з Амудар'ї та Сирдар'ї, що завершилося трагедією Аралу.

Суттєвий вплив на цикл води здійснює промислове виробни­цтво. Більшість його видів пов'язані з використанням великої кількості води, яка повертається в депо вже сильно забрудненою.

Природний біогеохімічний кругообіг води є рівноважним. Але в епоху індустріалізації він почав помітно порушуватися.

Зменшився внесок у випаровування лісів через їх вирубування, знижується випаровування з поверхні морів і океанів унаслідок збільшення нафтових та інших плівок на поверхні води, зате різко збільшилося випаровування на зрошуваних сільсько­господарських угіддях. Однак найбільший вплив на кругообіг води починає здійснювати потепління клімату планети. Воно веде до надходження з льодових депо планети в кругообіг усе більшої та більшої кількості рідкої та пароподібної вологи, що спричиняє підняття рівня води у Світовому океані і випадання катастрофічно великої кількості опадів у вигляді дощу і снігу в тих регіонах, де раніше таке не спостерігалося.

Біогеохімічний цикл азоту. Це один із найшвидших кругообігів речовин (рис. 4.).

Реалізується він в основному за раху­нок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, за активної участі мікробів. Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільноіснуючими азотфіксаторами. Органічні речовини, які вміщують зв'язаний азот, мінералізу­ються шляхом амоніфікації та нітрофікації,

Рис. 4. Біогеохімічний цикл азоту

що робить нітрат­ний та амонійний азот доступним для вищих рослин. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м² на рік до 1-20 г/м² на рік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту на рік.

В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв'язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочат­ку в аміак, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив до біо­геохімічного циклу азоту з атмосферного депо велику його кіль­кість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4 • 10⁷ тонн азоту на рік.Очіку­ється, що до 2020 року обсяг промислової фіксації азоту збіль­шиться приблизно удвічі.

Розвиток промисловості і транспорту привів до різкого зрос­тання кількості окислів азоту, що надходять в атмосферу. Ці оки­сли реагують з водяною парою і випадають з атмосфери у формі кислотних дощів. Частота реєстрації таких кислотних опадів зб і­льшується майже в усіх регіонах світу, але особливо великою вона є в промислово розвинених країнах Західної Європи та США.

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива ви­магають найбільших енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак у сільському господарстві не роз­роблені технології безвідходного застосування азотних добрив.

Нітрати не повністю використовуються культурними рослина­ми і суттєво збіднюють ґрунтові води та водойми. Проблема ні­тратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.

Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш про­стий характер (рис. 5). Основний запас фосфору зосереджений

Рис. 5. Біогеохімічний цикл фосфору

на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивіт­рюванні утворюються фосфати, які використовуються рослина­ми для побудови органічних речовин свого тіла. Після відми­рання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми - редуценти. Втрати фосфору в біогеохімічному циклі пов'язані переваж­но з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біогеохіміч­ного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні нас­лідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у ре­зультаті вітрової ерозії потрапляє до водойм, що призводить до евтрофікації.

Дата добавления: 2015-05-24