168628 (Взаимодействие человека и природной среды), страница 3

Вопрос о глобальных изменениях кругооборота воды и водного баланса континентов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, в настоящее время изучается.

Для сохранения сложившегося в биосфере биогеохимического кругооборота воды необходимо решить задачу рационального использования и управления водными ресурсами Земли. Кардинальным направлением в промышленности здесь является создание безотходных производств и в их составе замкнутых водооборотных циклов. Значительно сократить потребление воды можно, применяя новые безотходные процессы или совершенствуя существующие, в частности, улучшая методы очистки загрязненных сточных вод с целью возвращения их в производственный цикл.

Уничтожение лесов приводит к значительному уменьшению транспирации, а следовательно, уменьшению количества осадков, эрозии, засолению и опустыниванию почв. Разведение и сохранение лесов служит регулятором водного баланса и, в частности, речного стока. Наличие леса существенно уменьшает поверхностный сток и сток из небольших рек, паводковый расход воды, увеличивает общий годовой сток, сток в засушливые периоды, а также расход воды в межсезонный период. Увеличить транспирацию и все испарения с поверхности суши можно также за счет развития высокопродуктивного земледелия и орошаемого земледелия в засушливых районах. Сооружение водосборных бассейнов, например, плотин на малых реках, и поддержание их в хорошем биологическом состоянии позволит сглаживать пики паводков, регулировать расход воды и тем самым равномернее распределять ее запасы в течении года.

1.2.3. КРУГООБОРОТ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ

Содержание углерода в земной коре невелико (0,1—0,2% масс), но его соединения являются основой всех форм жизни. С кругооборотом углерода непосредственно связан кругооборот кислорода в биосфере, а также циклы азота, фосфора и серы. Очевидно, обогащение живого вещества (до 18% масс) и почв (2—3% масс) углеродом, в свою очередь способствовало накоплению кислорода в атмосфере. Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику биосферы, так как жизнедеятельность растительных фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с животными, микроорганизмами и неживой природой являются наиболее общим механизмом фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю.

Кратко кругооборот углерода в биосфере можно описать следующим образом Атмосфера и вода океанов представляют собой резервуары активного неор­ганического фонда углерода, который содержится там в виде диоксида в свободном (2,1*1012m) и растворенном (1,З*1014 т) виде. Между атмосферой и океаном постоянно происходит обмен диоксидом углерода. Повышение концентрации и парциального давления С02 в атмосфере и охлаждение вод (региональное или сезонное) сопровождается соответствующим увеличением концентрации диоксида углерода в воде и образованием растворов бикарбонатов металлов по реакции:

со2 + н2о - н2со3

Н2С03 + СаС03 - Са(НС03)2

В последующем бикарбонаты могут, выпадая в осадок, связывать часть С02 в кар­бонатах. Другая часть С02 при этом вновь выделяется в атмосферу. Уменьшение концентрации диоксида углерода в атмосфере или повышение температуры вызывает дегазацию вод океана. При этом в осадок выпадает эквивалентная часть углекислого кальция:

Са(НС03)2 - СаС03| + Н2С03 Н2С03 - С02 + Н20

Таким образом, образуются осадочные карбонатные породы, и углерод уходит из кругооборота в длительный геологический цикл. Общее количество накопленного в осадках карбонатов кальция и магния углерода оценивается величиной n*106 т.

В целом Мировой океан действует как огромный насос, поглощая углекислый газ в высоких широтах, где вода имеет низкую температуру, и выделяя его в тропиках, где температура воды поднимается, при этом отмечается соответствующее увеличение парциального давления СО2 в атмосфере.

Другим механизмом поглощения диоксида углерода из атмосферы и гидросферы с соответствующим выделением свободного кислорода является фотосинтез.

Процесс связывания углерода в форме органических соединений начался на Земле намного позже геохимического связывания углерода в виде карбонатов.

Углерод сосредоточен здесь в органическом веществе осадочных пород (главным образом, в сланцах и глинах) — n*106 т, в ископаемом горючем 1013—1014 т, в отмершем органическом веществе, гумусе почв и растворенных органических веществах океана — 1013 т.

Диоксид углерода возвращается в активный неорганический фонд в результате дыхания растений и животных, жизнедеятельности микроорганизмов, обеспечивающих процессы разложения и гниения, а также за счет окисления гумуса почв, торфа и лесных подстилок, лесных и степных пожаров и т. п. Некоторое количество диоксида углерода, так называемые ювенильные поступления, выделяется вследствие вулканической деятельности.

Общепризнано, что биогеохимический цикл углерода нарушен в биосфере крайне сильно. Количество диоксида углерода, создаваемого в процессе хозяйственной деятельности человека и поступающего в атмосферу, достигло величины порядка.

1.2.4. КРУГООБОРОТ АЗОТА В ПРИРОДЕ

Азот в жизни планеты играет столь же существенную роль, что и углерод, лишь немного уступая последнему в биофильности. Общая направленность биогеохимического кругооборота азота на планете выражена в его аккумуляции в молекулярной форме в атмосфере, где сосредоточено около 75% всего азота биосферы — 5-Ю15 т. Живое вещество и почвы противостоят этой общей тенденции.

Цикл азота самый сложный и хорошо организованный в природе (рис. 2.5). Атмосферный воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой его основной резервный фонд. Ведущую роль в кругообороте азота играют микроорганизмы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий и снова включается в кругооборот в результате деятельности азотофиксирующих бактерий, водорослей и образования соединений азота при электрических разрядах — молниях и фотохимической фиксации. При этом азот переводится в нитратную форму, наиболее пригодную для использования зелеными растениями для синтеза белка и образования растительной и далее животной протоплазмы. Азот протоплазмы в свою очередь переходит из органической в неорганическую форму в результате деятельности ряда бактерий — редуцентов, причем каждый вид выполняет свою часть работы. Некоторое количество этого азота в конечном итоге переводится в нитратную форму, чем цикл и завершается. Часть азота из густонаселенных областей суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и, таким образом, выключается из кругооборота, по крайней мере на длительный срок, измеряемый миллионами лет. Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами. Здесь, кстати, проявляется известная польза и необходимость вулканических извержений. Если бы технически оказалось возможным блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода погибло бы больше людей, чем гибнет сейчас от извержений. Частично соединения азота могут возвращаться из моря на сушу по трофическим цепям планктон — рыбы — птицы, накапливаясь в виде залежей гуано.

Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония, азота в почвах мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Общее содержание азота в почвах тем выше, чем они богаче запасами гумуса. Лишь в особых условиях ряда пустынь азот может накапливаться в больших количествах в форме залежей нитратов — селитры.

Антропогенные нарушения в балансе биогеохимического кругооборота азота на планете и особенно на суше весьма велики и локально уже вызывают отрицательные и даже смертельные для человека последствия — болезнь метгемоглобанемия. Установлено, что разовые заболевания возникают, если содержание нитратов в воде достигает 40—50 мг/л, и встречаются часто, если концентрация нитратов превышает 95 мг/л. Предел, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения, составляет 45 мг/л. Рост численности населения, рост потребностей в питании, и особенно белковом, потребовали развития животноводства и растениеводства, в частности внедрения культур, дающих ценную белковую продукцию (пшеницу, рис, сою). Все это стало возможным в последние десятилетия только при условии очень быстрого увеличения урожаев на основе высоких норм минеральных азотных удобрений. В мире ежегодно производится и вносится в почвы более 30 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений. В странах Западной Европы средние нормы вносимого с удобрениями азота достигли 100—150 кг/га. Азотные удобрения уже составляют около 30% общих поступлений связанного азота в почву и океан.

Установлены многочисленные факты того, что избыточные нормы удобрений и особенно их небрежное внесение на поля приводят к эвтрофикации среды и тяжелым заболеваниям людей и животных. Нитратный азот не сорбируется почвами, легко вымывается почвенными водами, восстанавливается в газообразные формы и поэтому в больших количествах (до 40%) теряется для питания растений. Потребление азотных удобрений в земледелии и лесоводстве в будущем будет расти параллельно росту численности и потребностей населения планеты. При этом, несмотря на новые формы и технику применения азотных удобрений, антропогенные поступления азота в кругооборот веществ на суше, как показывают прогнозы, будут удваиваться каждые 10—15 лет.

В настоящее время преобладает тенденция уменьшения роли биогенной фиксации азота в общем кругообороте его на планете, что вызвано уничтожением лесов, заменой бобовых злаками, разрушением гумусовых горизонтов почв, богатых микрофлорой, сокращением свободной поверхности под покровом городов, дорог, сооружений, свалок. Еще более существенным фактором нарушения баланса, уровня концентраций и форм соединений азота в атмосфере, и особенно в гидросфере и почвах, являются промышленные загрязнения. Выделение оксидов азота и аммиака при сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев и т. д. достигает десятков миллионов тонн и приводит к образованию разбавленной азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих с осадками на сушу и поверхность океана. Возможно, что эти поступления соединений азота являются виновниками известных случаев опасного загрязнения окружающей среды нитратами и аммиаком. Выпадение подкисленных атмосферных вод и постепенное увеличение их кислотности наблюдается во многих районах планеты. Подкисление среды усиливает выветривание минералов, способствует вымыванию из почвы кальция, магния и других элементов питания и в конечном итоге снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Другим существенным фактором нарушения кругооборота азота в природе являются отходы промышленного животноводства и птицеводства, а также бытовые отходы и стоки крупных городов. Эти отходы и стоки часто создают локальные загрязнения соединениями азота до токсического уровня почвы и водоемов. Ежегодный избыток азота в биосфере по приближенным подсчетам достигает десятков миллионов тонн. Искусственное усиление процессов денитрификации является нелегкой задачей и в конечном итоге стало бы расхищением ценностей, созданных природой и человеком. Растущая потребность человечества в азотных удобрениях неизбежна и должна быть удовлетворена по возможности быстрее. При этом необходимо коренное улучшение культуры и практики применения удобрений, создание менее растворимых и более стойких форм. Дисциплина и научно-техническая тщательность внесения удобрений особенно должны быть повышены для того, чтобы исключить случаи отравления почв, воды, продукции избытками нитратов и нитритов. Одновременно необходимо максимально сократить поступление соединений азота в биосферу с промышленными и другими отходами.

1.2.5. КРУГООБОРОТ ФОСФОРА В ПРИРОДЕ

Из всех элементов, присутствующих в живых организмах, фосфор, очевидно, имеет наибольшее экологическое значение, так как отношение его количества к количеству других элементов в организмах обычно гораздо выше, чем соответствующее отношение в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. Недостаток фосфора в большей степени ограничивает производительность в том или ином районе, чем недостаток любого вещества, за исключением воды. Соединения фосфора входят в состав тканей мозга, скелета, панцирей. Особенно важна роль фосфора в накоплении внутриклеточной энергии — образование фосфатиллепидов и в синтезе нуклеиновых кислот. При недостатке фосфора нарушается энергетика клетки и синтез белка. Биогеохимический кругооборот фосфора в природе во многом отличен от рассмотренных ранее кругооборотов воды, углерода и азота. Для последних газообразные формы соединений являются обязательным и важнейшим звеном. Газовые же формы соединений фосфора, например фосфин, практически в его биогеохимическом кругообороте не представлены. Кругооборот фосфора по структуре несколько проще кругооборота азота. В отличие от азота резервуаром фосфора служит не атмосфера, а горные породы или другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Породы эти постепенно подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты, которые используются растениями для синтеза протоплазмы. Растительная протоплазма служит основой для синтеза животной протоплазмы. Фосфор протоплазмы вновь переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности фосфатредуцирующих бактерий. Много фосфатов с речным стоком попадает в море, где часть их отлагается в мелководных осадках, а часть теряется в глубоководных. Морские рыбы и птицы играют важную роль в возвращении фосфора в кругооборот из моря на сушу. В прошлом этот процесс был значительно более интенсивным, о чем говорит образование, например, знаменитых залежей гуано на побережье Перу.

Как уже отмечалось, фосфор является основным фактором, лимитирующим рост автотрофных организмов, как в водной среде, так и на суше. Таким образом, этот элемент контролирует основную часть первичной продукции биосферы. Имеются серьезные доказательства того, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических кругооборотов. Количество нитратов в воде или кислорода в атмосфере зависит от состояния кругооборота фосфора. Без фосфорных удобрений невозможно получать необходимые урожаи сельскохозяйственной продукции. Известные ныне мировые запасы фосфорных руд оцениваются величиной порядка 29*10⁹ т, из которых только 10% имеют промышленное значение. Мировая добыча фосфатов и производство фосфорных удобрений соответствует 18—20*10⁶ т фосфора в год. Таким образом, известные ныне мировые промышленные запасы фосфорных руд весьма ограничены и могут истощиться в ближайшие 100 лет. Поэтому не лишено основания утверждение, что фосфор является наиболее слабым звеном в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

В настоящее время механизмы возвращения фосфора в кругооборот недостаточно эффективны. Ежегодно с речным стоком в океан поступает до 4 млн. тонн фосфатов, которые, попадая в глубоководные отложения, на длительный срок выводятся из биогеохимического кругооборота. Процесс переноса фосфора из моря на сушу за счет поднятия отложений и деятельности морских птиц и рыб продолжается и в настоящее время, но в прошлом он был значительно интенсивнее.