Біогеохімічні цикли

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування - близько 4 млрд. років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2*10¹⁶ тон/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів - біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий. У малому кругообігу переміщуються в осногвному вуглець (1*10¹¹ т/р), кисень (2*10¹¹т/р), азот (2*10¹¹ т/р) та фосфор (10⁸ т/р). Обидва кругообіги протікають одночасно та тісно пов’язані між собою.

Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та навколишнім середовищем в екосистемах виникає певна та характерна кожному виду екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших. Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводятть до виникнення біогеохімічних циклів.

Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трансформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію тощо від одного компоненту біосфери до інших так, що на певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою всіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії потрібні для переміщення речовин у біогеохімічних циклах та подолання біогеохімічних бар’єрів. Такими бар’єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оціночними параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.

Просторове переміщення речовин (міграція) у межах геосфер ділиться на п’ять типів:

1.Механічне перенесення - проходить без зміни хімічного складу речовин.

2.Водне перенесення - здійснюється за рахунок 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 потоками повітря.

4.Біогенне - перенесення здійснюється за активної участі живих організмів.

5.Техногенне - проявляється як результат господарської діяльності людини.

Інтенсивність кругообігу речовин в будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою, проте дати їй оцінку не просто. Одним із найбільш доступних індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може служити співвідношення маси підстилки та іншого органічного опаду взагалі до маси опаду за один рік. Чим більший цей індекс, тим менша інтенсивність біологічного кругообігу. Значення індексу інтенсивності зменшується від полюсів Землі до екватора. В агроекосистемах біогеохімічний кругообіг йде інтенсивно, але якісні параметри вже інші.

Аналізуючи біогеохімічні цикли, В.І.Вернадський виявив концентраційну функцію живої речовини. За рахунок реалізації цієї функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього середовища хімічні елементи. Якщо наша планета в основному сформована зі сполук заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню, то за рахунок вибіркового поглинання та концентраційної функції біомаса утворена з вуглецю, водню при порівняно малій участі інших елементів (рис.5.1).

Земна Куля в цілому

Жива речовина

Рисунок 5.1 - Співвідношення хімічних елементів на Земній Кулі

та в живих організмах (%)

Хімічні елементи, що беруть переважну участь у побудові живої речовини та необхідні для його синтезу називаються біогенними.

За характером накопичення хімічних елементів в організмах тварин їх поділяють на три групи: накопичувачі - концентрують певні елементи у своєму тілі, розсіювачі - завдяки міграціям розсіюють хімічні елементи в межах біому, та очищувачі - утримують певні елементи в своєму тілі в меншій мірі, ніж в їжі. Накопичувачами та очищувачами є і рослини.

Основоположним в перетвореннях та переміщенні в біосфері є принцип циклічності. Збереження циклічності - це умова існування біосфери. Введення в біосферу одно направлених процесів, які здійснює людина при конструюванні техносфери та агросфери, є згубним та найбільш небезпечним для біосфери.

Для неї характерна висока замкненість біогеохімічних циклів, які проте дають деяку кількість так званих відходів. Такі природні відходи для біосфери не шкідливі, а навіть є умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біогенне походження має весь кисень атмосфери, що виникає як відходи процесу фотосинтезу. За рахунок відходів біогеохімічного циклу вуглецю в земній корі накопичилися великі запаси вуглець вміщувальних геологічних покладів: кам’яного вугілля, нафти, вапняків.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли вуглецю, води, азоту та фосфору. Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техно- та агросфер.

Біологічний цикл вуглецю базується в атмосфері, де його утримується близько 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (рис.5.2).

Рисунок 5.2 - Біогеохімічний цикл вуглецю

Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням. Обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин та тварин частка вуглецю складає до 40-50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється і торф. У цих двох формах вміщується до99% вуглецю планети. Швидкість кругообігу вуглецю складає в середньому від 300 до 1000 років.

Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз антропогенне надходження вуглекислого газу в атмосферу перевищує природнє на 6-10%. Це пов’язано з вирубкою лісів та заміною їх менш продуктивними агроценозами. Суттєвий внесок вносить промисловість та всі виробництва, пов’язані зі спалюванням палива.

Біогеохімічний цикл води. Схема біологічного кругообігу води наведена на рис.5.3. Основна її кількість (96,5%) зосереджена в океанах. Доля підземних вод рівна 30%,грунтових-0,05%, атмосферної води-0,04%, води боліт -0,03%, біологічної, що входить у склад живих організмів-0,003%. Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всього 2% від її загальної кількості. Тіла всіх живих організмів досить сильно обводнені: у тварин на долю води припадає 70%, а у рослин-90-95% від 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 води 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 води служить евапотранспірація з її розділенням на випаровування та власне транспірацію.

Рисунок 5.3 - Біогеохімічний цикл води

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

Вода морів та океанів, а також підземні води служать загально планетарний збірник води. Моря втрачають від випаровування більше (1200мм в рік), ніж отримують від опадів (1100мм в рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710мм, а випаровування-470мм. 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 різним регіонам. Меліорацією охоплені величезні території. Відірваність меліоративних проектів від екологічних концепцій призвела в кінцевому результаті до запустелювання, обміління рік, висихання замкнених водойм, що розташовані 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 чинить промислове виробництво. Більшість його видів пов’язані з використанням великої кількості води, яка повертається вже сильно забрудненою.

Біогеохімічний цикл азоту. Це один із найбільш швидких колообігів речовин (рис.5.4).

Рисунок 5.4 - Біогеохімічний цикл азоту

Реалізується він в основному за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним постачальником азоту є газовий азот атмосфери. Його зв’язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які вміщують зв’язаний азот, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрифікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170мг/м²рік до 1-20гр/м²рік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в 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 у біогеохімічний цикл азоту з атмосфери велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4*10⁷ тонн азоту в рік.

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак в сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють 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.5.5). Основний запас фосфору зосереджений 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 з біогеохімічного циклу пов’язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через морські продукти.

Рисунок 5.5 - Біогеохімічний цикл фосфору

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

Особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.

Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом’якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури. Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Грунти в різних біомах та різних природних зонах досить сильно відрізняються між собою. У помірних широтах властивості грунтів такі, що гумус добре утримує катіони та аніони біогенних елементів. Їх вивільненя йде поступово і це забезпечує збереження родючості грунту на довгий час, а також створення біологічної продукції. У протилежність цьому у тропіках, завдяки високій температурі та вологості, мінералізація йде досить швидко. Вилуговування грунтів та вимивання з них іонів мінеральних речовин проходять досить активно. Тому агроекосистеми тропічних широт порівняно з екосистемами помірних зон більш вразливі та швидше деградують. Цей процес тут часто завершується запустелюванням та виключенням територій із сільськогосподарського використання.

Важливими учасниками біогеохімічних циклів є грунтові мікроорганізми. Грунт одночасно служить збірником для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовин з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус грунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Наприклад, у дерново-підзолистому грунті об’єм можливих нових включень органічної речовини складає 300кг/га, в чорноземах - 160кг/га.

Багато речовин, що надходять до грунту, можуть утримуватися в ньому за рахунок адсорбції та інших фізико-хімічних процесів. Ємність грунтів за рахунок такого типу поглинання складає 225 кг/га рік.

Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність процесів спалювання палива, в т.ч. і для потреб сільського господарства призводить до надходження до атмосфери близько 20млрд. тонн вуглекислого газу та 700 млн. тонн інших газів і твердих часток. Лише вирубки лісу на території бувшого СРСР призводили до винесення з екосистем лісу 1,2-5 тисяч тонн фосфору, 6-20 тисяч тонн азоту та 1,2-6 тисяч тонн кремнію. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються зовсім або частково виключеними з їх природного колообігу. Ці процеси ведуть до появи нового техногенного типу колообігу хімічних елементів.