Последствия антропогенного вмешательства в круговороты биогенных элементов

Последствия антропогенного вмешательства  в круговороты биогенных элементов

 

 

 Проблемы народонаселения и  ресурсов биосферы тесно связаны  с реакциями окружающей природной  среды на антропогенные воздействия.  Естественное экологически сбалансированное  состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах.

 Круговороты веществ и энергии  в биосфере характеризуются определёнными  количественными параметрами, которые  квазистатичны и специфичны для  данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией. Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние окружающей природной среды, выделяют следующие:

1. Энергетический:

2. Водный:

3. Биологический:

4. Биогеохимический:

 Эти параметры состояния  окружающей среды могут быть  количественно определены экспериментальным  путём для каждой точки, района, крупного региона, природной зоны  или ландшафтно-географического  пояса, наконец, для земного  шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды.

 Геохимический параметр состояния  окружающей среды также существенно  изменился, особенно в отношении  биологического и геологического  круговоротов. Под влиянием человеческой  деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, природная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов из одних соединений в другие. Природный биологический круговорот веществ нарушен человеком на площади, достигающей почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, пашни, сады, вторичные низко продуктивные леса, истощённые пастбища и т.д.

 Нарушению геологического круговорота  веществ способствовали такие факторы:

1. Эрозия почвенного покрова  и возрастания твёрдого стока  в океан;

2. Перемещение огромных масс  земной коры;

3. Извлечение из недр значительных  количеств руд, горючих и других  ископаемых;

4. Перераспределение солей в  почвах, грунтовых и речных водах под влиянием оро-шаемого земледелия;

5. Применение минеральных удобрений  и ядохимикатов;

6. Загрязнение среды сельскохозяйственными,  промышленными и коммунальными  от-ходами;

7. Поступление в природную среду  энергетических загрязнений.

 

 Таким образом, исследование изменений параметров состояния окружающей природной среды (хотя и на качественном уровне) позволяет сделать вывод об отсутствии в настоящее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать теперешнее состояние биосферы нарушенным и аномальным. Такое состояние может перейти в кризисное, если человечество не проведёт специальные мероприятия по оздоровлению окружающей его среды.

 Рассмотрим конкретные виды  антропогенного вмешательства в  круговороты веществ в природе.

Круговорот углерода Углерод является основным "строительным материалом" молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых  кислот (таких как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений. Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

- Сведение лесов и другой  растительности без достаточных  лесовосстановительных работ, в  связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО2.

Сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

Круговорот азота.

 Вмешательство человека в  круговорот азота состоит в следующем:

- Сжигание древесины или ископаемого  топлива (NO). Оксид азота затем  соединяется в атмосфере с  кислородом и образует диоксид  азота (NO2), который при взаимодействии  с водяным паром может образовывать  азотную кислоту (HNO3).

- Производство азотных удобрений и их широкое применение.

- Увеличение количества нитрат-ионов  и ионов аммония в водных  экосистемах при попадании в  них загрязненных стоков с  животноводческих ферм, смытых с  полей азотных удобрений, а  также очищенных и неочищенных  коммунально-бытовых канализационных стоков.

Круговорот  фосфора. Вмешательство человека в  круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

- Добыча  больших количеств фосфатных  руд для производств минеральных  удобрений и моющих средств.

- Увеличение  избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

Круговорот  серы.

 Около  трети всех соединений серы  и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

Круговорот  воды.

 Круговорот  воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит  накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды. Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

1. Забор  больших количеств пресной воды  из рек, озер и водоносных  горизонтов. В густозаселенных или  интенсивно орошаемых районах  водозабор привел к истощению  запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.

2. Сведение  растительного покрова суши в  интересах развития сельского  хозяйства, при добыче полезных  ископаемых, строительстве дорог,  автостоянок, жилья и других  видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.

 

 

 

 

 

 

За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связаны единым циклом круговорота этих элементов. Такой круговорот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) круговорота. Этот круговорот имеет абиотических характер. Продолжительность его существования - около 4 млрд лет. Мощность большого (геологического) круговорота веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере оценивается в 2х1016 тонн / год. Возникновение жизни на Земле привело к появлению новой формы миграции химических элементов - биогенной. За счет биологической миграции на большой круговорот наложился малый (биогенный) круговорот веществ. В малом биологическом круговороте перемещаются в основ ном углерод (1011 тонну год), кисэнь (2х 1011 тонн в год), азот (2x10и1 тонн в год) и фосфор (десятый тонн в год). Сейчас оба круговорота протекают одновременно, тесно взаимосвязаны. Благодаря взаимодействию различных групп живых организмов между собой и с окружающей средой в экосистемах возникает определенная и характерная каждому виду экосистем структура биомассы, создается своеобразный тип потока энергии и специфические закономерности ее передачи от одной группы организмов к другой, формируются трофические цепи, определяющие последовательность перехода органических веществ от одних групп живых организмов в другие.

 

Движущей  силой всех веществ в биогеохимических циклах есть поток солнечной энергии  или частично энергии геологических  процессов Земли. Затраты энергии  необходимы и для перемещения веществ в биогеохимических циклах, и для преодоления биогеохимических барьеров. Такими барьерами на разных уровнях выступают мембраны клеток, сами особи растений и животных и другие материальные структуры. Перемещение веществ в биогеохимических циклах одновременно обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Главными оценочными параметрами эффективности и направления работы биогеохимического цикла является количество биомассы, ее элементарный состав и активное функционирование живых организмов.

 

Пространственное  перемещение веществ в пределах геосфер, или, иначе говоря, их миграция делится на пять основных типов:

1. Механический  перенос (идет без изменения  химического состава веществ).

2. Водное (миграция  осуществляется за счет растворения  веществ и их последующего перемещения в форме ионов или коллоидов). Это один из важнейших видов перемещения веществ в биосферы

3. Воздушное  (перенос веществ в форме газов,  пыли или аэрозолей с потоками  воздуха),

4. Биогенное  (перенос осуществляется при активном участии живых организмов).

5. Техногенное,  что проявляется как результат  хозяйственной деятельности человека.

 

Интенсивность круговорота веществ  в любом биогеохимическом цикле  является важнейшей характеристикой. Оценки такой интенсивности сделать непросто. Одним из самых доступных индексов интенсивности биологического круговорота веществ может служить соотношение массы подстилки и другого органического опада, который есть в любом биом, и массы опада, образующегося за один год. Чем больше этот индекс, тем, очевидно, ниже интенсивность биологического круговорота. Реальные оценки показывают, что в тундре значение этого индекса максимальные и, следовательно, здесь минимальная интенсивность биогеохимических циклов. В зоне тайги интенсивность биологического круговорота возрастает, а в зоне широколиственных лесов становится еще большей. Наибольшая скорость круговорота веществ регистрируется в тропических и субтропических биома: саваннах и влажных тропических лесах. В агро-экосистемах биогеохимический круговорот идет интенсивно, но качественные его параметры уже другие.

 

Живые организмы биосферы инициируют и реализуют большое количество широкомасштабных физико-химических процессов. Метаболизм живых организмов сопровождается серьезными изменениями газового состава атмосферы. Из атмосферы изымаются или, наоборот, поступают в нее кислород, углекислый газ, азот, аммиак, метан, водяной пар и многие другие вещества. Под влиянием накопления в атмосфере свободного кислорода, который является продуктом жизнедеятельности зеленых растений, на Земле стали преобладать окислительные процессы, играющие важную роль в абиогенного и биогенном преобразованиях углерода, железа, меди, азота, фосфора, серы и многих других элементов. В то же время на планете сохранились и восстановительные процессы, осуществляющие анаэробные организмы. Результатом этих планетарных процессов является образование таких чисто биогенных залежей, как осадочные горные породы: известняки, фосфаты, силикаты, каменный уголь и др.. Все они - результат жизнедеятельности живых организмов.

Анализируя  биогеохимические циклы, В.И. Вернадский обнаружил концентрационную функцию  живого вещества. За счет реализации этой функции живое вещество избирательно поглощает из окружающей среды химические элементы. Если наша планета в целом сформирована из соединений из железа, никеля, магния, серы, кислорода в первую очередь, то за счет выборочного поглощения и концентрационной функции состав биомассы совсем другой. Она образована из углерода, водорода при сравнительно малой участия других элементов.

 

Химические  элементы, которые принимают подавляющее  участие в построении живого вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных. Концентрационная функция животных и растений по-разному  реализуется по различным их видам. Принцип цикличности в преобразованиях и перемещении веществ в биосфере является основополагающим. Сохранение цикличности - это условие существования биосферы. Введение в биосферу однонаправленных процессов, которые осуществляет человек при конструировании техносферы и агросферы, оказывается для биосферы губительным и наиболее опасным. Для биосферы характерна высокая замкнутость биогеохимических циклов. Потери веществ в них составляют не более 3-6%. Однако все биогеохимические циклы дают некоторое количество "отходов". Такие естественные отходы для биосферы безвредны. Они являются накоплением в определенной мере инертных веществ, которые аккумулируются в атмосфере, или поступающих в литосферу в виде осадочных пород.

 

Более того, отходы отдельных биогеохимических циклов является условием возникновения и поддержания существования многих групп живых организмов. Так, биогенное происхождение имеет весь кислород атмосферы, возникающего как "отходы" фотосинтетического процесса. За счет отходов биогеохимического цикла углерода в земной коре накопились большие запасы геологических залежей: каменного угля, нефти, известняков. Общее количество их достигает 1010-1017 тонн. Биогеохимические циклы эволюционируют вместе с эволюцией биосферы. Реализация отдельных биогеохимических циклов и накопления отходов является основой возникновения биогеохимических циклов нового типа или осложнение уже существующих. Так, накопление в атмосфере свободного кислорода создало предпосылку возникновения большой группы организмов, которые используют свободный кислород для дыхания. Процессы химического биогенного окисления стали составной частью биогеохимических циклов.

 

Центральное место в биосфере занимают биогеохимические циклы: углерода, воды, азота и фосфора. Эти циклы наибольшей степени подверглись трансформации при формировании техносферы и агросферы, и изучение их стало важной задачей экологии. Биогеохимический цикл углерода базируется на атмосферном депо, которое удерживает его в количестве, примерно уровне 700 млрд тонн в форме углекислого газа. Этот цикл инициируется фотосинтезом и дыханием. Оба процесса идут так интенсивно, что у растений и животных на долю углерода приходится до 40 - 50% общей массы. Остатки отмерших растений и животных способствуют образованию гумуса. Аналогично образуется и торф. В этих двух формах умещается до 99% углерода нашей планеты. Скорость круговорота углерода исчисляется в среднем от 300 до 1000 лет.