Круговороты кислорода, углерода, азота, фосфора. Роль кальция и магния в круговоротах.

Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека (рис. 37). Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения; часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Этот круговорот очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тысяч лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.

Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода — от углекислого газа атмосферы в живое вещество и из живого вещества в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах.

В биологическом круговороте углерода (рис. 1) выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество; 2) животные, питаясь растениями, из содержащихся в них соединений углерода продуцируют другие соединения; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу в составе углекислого газа. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в темное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют условия для их разложения, и переходит в ископаемое состояние (торф, каменный уголь, нефть и др.). Учитывая довольно интенсивное захоронение отмерших остатков растений и животных в болотах, лагунах, морских бассейнах и пресноводных водоемах, следует признать, что изъятие углерода из биологического круговорота этим путем в течение всей биологической эволюции биосферы шло довольно интенсивными темпами. . По расчетам М.И. Будыко, весь запас углекислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет

Азот, как и углерод и большинство других химических элементов, участвует в большом и малом круговоротах веществ. Его круговорот ) — один из наиболее сложных в биосфере.

Источник азота в биологическом круговороте — нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений нет способности извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Животные, поедая растения, создают из аминокислот растительных белков протоплазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота в отмерших остатках растений и животных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота благодаря денитрифицирующим бактериям вновь поступает в атмосферу. Если бы не было постоянного дополнительного источника пополнения запасов азота в почве, в конечном итоге наступило бы азотное голодание растений и, как следствие, разрушение биосферы, поскольку образующийся в процессе денитрификации свободный азот выводится из биологического круговорота.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологический круговорот: первый из них связан с атмосферными осадками, второй – с биологической фиксацией азота прокариотами.

В результате извержения вулканов, а также электрического (при грозовых разрядах и ионизации) и фотохимического окисления азота в атмосфере всегда присутствуют его оксиды, растворенные в дождевой воде и вместе с ней попадающие в почву. Кроме того, в 1 м3 воздуха содержится от 0,02 до 0,04 мг аммиака, количество которого возрастает при грозовых разрядах и который также выпадает на землю с осадками. Суммарное ежегодное поступление азота в почву этим путем составляет 10-15 кг/га.

Как углерод и азот, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества (рис. 4).

Резервуаром фосфора в биологическом круговор служит не атмосфера, а литосфера, точнее фосфорсодержащие горные породы, прежде всего апатиты. В процессе их выветривания фосфаты попадают в почвы, в большом количестве выносятся в моря, откладываясь в мелководных осадках и рассеиваясь на больших глубинах.

Из почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов. Растения с почвенным раствором поглощают ионы фосфата Р03- 4. Причем усвоение элемента растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, в нейтральной и близкой к ней — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. С растительной пищей фосфор потребляют животные.

В результате бактериальных преобразований в почве органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируется в фосфаты Фосфатразрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, в итоге приводя к поступлению ионов фосфата в водную среду.

Круговорот фосфора не замкнут в биосфере, часть его теряется при геологических процессах. Несмотря на низкую растворимость большинства соединений фосфора, главное направление их большого круговорота — озера, устья рек, моря и шельф океанов. С речным стоком в океан поступает около 3-4 млн т фосфата, который выключается из круговорота на суше (Ковда, 1976).

В XX веке круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным. Причины этого следующие: производство фосфорных удобрений и их широкое применение в сельском хозяйстве; получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препаратов, используемых в быту, земледелии и т.д.; производство огромных ресурсов продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей.

Вместе с оксидами серы и азота в воздушный бассейн от источников загрязнения поступают в значительном количестве и другие вещества, в том числе щелочные элементы кальций и магний. Вступая в химические реакции с аэрозолями серной, азотной и других кислот, они в значительной мере нейтрализуют "кислые дожди".

Поиск по сайту: