Динамика биосферы

Биогеохимические циклы. В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее функцией является поддержание жизни благодаря непрерывному потоку вещества и энергии. Тесная связь биотической и абиотической составляющей экосистемы является главным принципом ее организации и выделения как целостного образования.

Из более 90 известных химических элементов живые организмы используют 30 - 40. В этом отношении человек по своей природе уникален, так как, используя для поддержания жизни примерно 40 элементов, в своей деятельности он пользуется почти всеми имеющимися в природе элементами.

Основные элементы: углерод, водород, кислород, азот - необходимы организмам в больших количествах; их называют макроэлементами. Другие используются в относительно незначительных количествах, почему их часто относят к микроэлементам. Тем не менее все химические элементы циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами.

Термин "биогеохимия" впервые предложен В. И. Вернадским и поддержан в дальнейшем Дж. Хатчинсоном и другими экологами. Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы. Роль экосистем определенного уровня - ландшафтов - в синтезе и распаде различных веществ природного происхождения изучает ландшафтная геохимия.

Осадочный цикл, в котором принимают участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.

Схему биогеохимического цикла можно представить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии, который приводит в движение круговорот веществ (рис. 4). В природе практически не наблюдается случаев, когда элементы равномерно распределены по всей экосистеме, к тому же они не всегда, находятся в одной и той же форме. При изучении биогеохимических циклов изучают так называемый резервный фонд, то есть ту часть круговорота, которую, условно можно считать отделенной физически или химически от организмов. Однако следует иметь в виду, что между доступными и недоступными фондами существует динамическое равновесие.

Движение химических элементов и неорганических соединений, используемых для жизни и циркулирующих в биосфере, называют круговоротом элементов питания или круговоротом биогенных элементов.

Само понятие оборота следует определить как отношение пропускания к содержанию. Количественно его представляют в виде скорости или времени оборота, т. е. величины, обратной скорости. Скорость оборота - это та часть общего количества данного вещества в данном компоненте экосистемы, которая освобождается или поглощается за определенное время. Время оборота - это время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте экосистемы. Например, если в компоненте содержится 1000 ед. вещества и в час поступает или убывает 10 ед., то скорость оборота равна 10/1000, или 0,01, т. с. 1 % в час. Время оборота будет равно 1000/10, т. е. 100 ч. В геохимии часто используется понятие "время пребывания", которое означает время, в течение которого вещество остается в данном компоненте экосистемы. Оно близко к понятию "время оборота".

Наряду с круговоротами вещества и энергии изучаются "обороты" популяций - время восстановления их численности.

Рис. 4. Биогеохимический круговорот (кольцо) на фоне упрощенной схемы потока энергии (по Ю. Одуму, 1986): РG - валовая продукция; РN - чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в самой системе или же экспортирована; Р - вторичная продукция; R - дыхание.

В каждом круговороте веществ различают две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Для оценки антропогенной деятельности важны сравнительные объемы резервных фондов; изменениям, как правило, наиболее подвержены малообъемные фонды.

С точки зрения существования биосферы биогеохимические циклы делят на:

· круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

· осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Такое разделение имеет смысл, потому что некоторые круговороты, в частности углерода, азота или кислорода, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения.

Круговороты газообразных веществ с их большими атмосферными фондами в глобальном масштабе хорошо "забуферены" (буферной называют систему, обладающую механизмами поддержания своих параметров (например, концентрации веществ, рН) на постоянном уровне) и в этом отношении являются саморегулирующимися системами. С другой стороны, в осадочных циклах, в которых участвуют такие элементы, как фосфор и железо, механизмы саморегуляции "работают" гораздо хуже и легко нарушаются. Основная масса вещества в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

Большинство элементов и соединений входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется за счет эрозионных процессов, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и биологического переноса.

Твердые частицы, переносимые по воздуху в виде пыли, могут выпадать на землю в виде сухих осадков или вместе с дождем. Они могут состоять из природных веществ (образующихся при вулканических извержениях, ветровой эрозии, лесных пожарах), а также из соединений антропогенного происхождения (например, ядовитые вещества, радиоактивные осадки), которые даже в небольших количествах могут оказывать мощное негативное влияние на живые организмы.

В осадочном цикле большое значение имеет перенос почвенных частиц и химических элементов под воздействием эрозионных процессов. В периоды с малой геологической активностью происходит перенос химических элементов с возвышенностей в понижения, моря и океаны (рис. 12).

Интенсивность осадочного цикла в разных регионах мира неодинакова и зависит от природно-климатических условий, освоенности территории, хозяйственной деятельности человека (табл. 8).

Рис. 11. Глобальные круговороты: А - круговорот диоксида углерода. Числа обозначают содержание CO₂ в миллиардах тонн; Б - круговорот воды. Содержание Н₂ О указано в геограммах (10²⁰ г) (по Ю.Одуму, 1975)

Таблица 8. Годовой вынос осадочного материала в океаны (по Ю. Одуму, 1986).

Рис. 12. Схема осадочного цикла (по Ю. Одуму, 1975)

Из данных таблицы видно, что особенно велики потери плодородной почвы в Азии. Известно немало случаев, когда из-за разрушения пахотных земель вследствие развития эрозионных процессов люди покидали насиженные места или даже погибали от голода.

Особенность осадочного цикла состоит в том, что химические элементы могут на длительный срок выключаться из круговорота, и это приводит к обеднению экосистемы, если их потери не компенсируются извне. Поэтому необходимо найти способы возвращения в круговорот лимитирующих веществ. В противном случае произойдет резкое снижение продуктивности экосистем.

Говоря о круговороте вещества в экосистеме, обычно имеют в виду не столько само вещество, сколько химические элементы: углерод, кислород, азот и фосфор. Их относят к так называемым биогенным элементам, т. е. элементам, порождающим жизнь. Рассмотрим каждый из них более подробно. Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера - это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.