Реферат: Круговорот воды. Глобальные круговороты углерода и воды

Роль воды в происходящих в биосфере процессах огромна. Без воды невозможен обмен веществ в живых организмах. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физиологического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельностью растений и животных.

Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, которые образуются главным образом из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

Характер испарения зависит от многих факторов. Так, с единицы площади в лесной местности испаряется значительно больше воды, чем с поверхности водного объекта. С уменьшением растительного покрова уменьшается и транспирация, а, следовательно, и количество осадков.

Поток воды в гидрологическом цикле определяется испарением, а не осадками. Способность атмосферы удерживать водяной пар ограниченна. Увеличение скорости испарения ведет к соответствующему увеличению осадков. Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см., равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, составляет в среднем 65 см. Следовательно, водяные пары атмосферного фронта ежегодно совершают круговорот примерно 25 раз (раз в две недели).

Содержание воды в водных объектах и почве в сотни раз больше, чем в атмосфере, однако она протекает через два первых фонда с одинаковой скоростью. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли около 3650 лет, в 10000 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере. Человек в процессе хозяйственной деятельности оказывает сильное воздействие на основу гидрологического цикла - испарение воды.

Загрязнение водных объектов и в первую очередь морей и океанов нефтепродуктами резко ухудшает процесс физического испарения, а уменьшение площади лесов - транспирацию. Это не может не сказаться на характере круговорота воды в природе.

Глобальные круговороты жизненно важных биогенных элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических сообществ. Они могут быть более или менее сложными и в разной степени чувствительными различного рода внешним воздействия. Но природа распорядилась так, что в естественных условиях эти биохимические круговороты являются «образцовыми безотходными технологиями». Цикличность охватывает 98-99% биогенных элементов и лишь 1-2% уходит даже не в отходы, а в геологический запас.

В отличие от простого переноса - перемещения минеральных элементов в большом круговороте, - в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два лежащих в основе жизни процесса находятся в определенном соотношении, что и составляет одну из главных ее особенностей.

Уникальные свойства живого вещества и его биогеохимические функции, проявляющиеся в способности трансформировать газы и концентрировать химические элементы, объясняют его способность совершать грандиозную по масштабам и последствиям геохимическую работу на планете.

Как было отмечено выше, основой функционирования природной системы (ПС) являются энергетические и вещественные связи. Вещество в ПС движется по замкнутому кругу, формируя биогеохимический круговорот.

На пути от автотрофов к гетеротрофам питательные элементы могут попадать в так называемые резервные фонды, своеобразные отстойники. Вещества здесь малоподвижны и проходят лишь минеральные превращения, не связанные с живой материей. Такими резервными фондами являются, например, залежи угля, отложения карбонатных пород на дне моря. Резервными фондами можно считать также запасы древесины в лесных экосистемах, залежи торфа, лесную подстилку, перегной, запасы углерода в форме углекислоты в атмосфере, гидросфере, почве, растворённые в водах химические элементы, сами воды.

По скорости движения вещества и стабильности резервные фонды неоднородны. В границах резервного фонда можно выделить легкодоступную живым организмам массу вещества. Такое вещество, как правило, сосредоточено в высокоподвижных геосферах, в которых потоки вещества движутся значительно энергичнее, чем в остальной части резервных фондов. Это вещество имеет значительно больше шансов быть вовлеченным в биологические трофические цепи. Такую массу вещества называют обменным фондом .

Резервные фонды атмосферы, гидросферы и биосферы обычно легко доступны, вещество из них легко извлекается и так же легко в них возвращается, поэтому происходящие здесь процессы отличаются относительной стабильностью. Значительно труднее извлекается вещество из фонда осадочного цикла (из литосферы). Поэтому идущие с участием этого фонда процессы менее активны, неустойчивы. Здесь поступление в резерв идёт более быстрыми темпами, чем извлечение из него. Процесс извлечения и возврата вещества в резервные фонды является частью биогеохимических циклов.

В процессе эволюции биогеохимические циклы приобрели почти замкнутый, круговой характер. Благодаря этому поддерживается известное постоянство, динамическое равновесие состава, количества и концентрации вовлечённых в круговорот веществ. В то же время, за счёт неполной замкнутости биологического круговорота в атмосфере накапливается азот, кислород, в земной коре – соединения углерода (нефть, уголь, газ), в океане – различные соли.

Благодаря высокой подвижности атмосферы и наличию в ней большого обменного фонда, некоторые круговороты (кислорода, углерода, азота) обладают способностью быстрой саморегуляции. Например, образовавшиеся локальные сгущения углекислого газа быстро рассеиваются и более быстро поглощаются растительностью.

Круговороты, идущие в режиме осадочных циклов (обороты серы, фосфора, железа), менее активны и мало регулируемы. Основная масса этих веществ сосредотачивается в малоподвижной литосфере.

Как для геологического, так и биологического круговоротов характерна необратимость. В них обязательно привносятся новые элементы, новые условия, иные ритмы и звенья циклов. Постоянно накапливаясь, эти различия с каждым новым циклом приводят к заметным изменениям даже в биологических системах. Часть элементов периодически выпадает из круговорота, задерживается на то или иное время в тупиках, что приводит к развитию биосферы.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Введение в экологию

Введение в экологию классификация объект предмет и задачи экологии формирование экологии как науки и е структура законы экологии учение в и.. лекция взаимоотношения организма и.. лекция уровни биологической организации и трофические связи..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Экология как наука
Впервые термин ЭКОЛОГИЯбыл применен в 1866 г. Э. Геккелем для обозначения науки, исследующей взаимозависимости между живыми организмами и

Возникновение глобальных проблем окружающей среды
На первых этапах своего существования человек собирал плоды экосистем суши (леса, степи, саванны и пр.), съедобные водоросли, моллюсков, ракообразных и др., ловил рыбу и охотился. Э

Демографические проблемы Земли
Численность населения предопределяет суммарные потребности общества в питании, одежде, жилище, образовании, медицинском обслуживании и других услугах и ресурсах. Это вызывает

Выживание человечества?
Рост численности населения и опережающий его рост потребностей общества поставили перед человечеством общемировые задачи обеспечения продовольствием необходимой калорийности и состава, водой приемл

Взаимоотношения организма и среды
Основные понятия общей экологии. Основы учения о биосфере и её эволюции. Структура биосферы. Экологические факторы и их действие. Экологическая ниша и среда обитания. Биоценоз, биогеоценоз, экосист

Биосфера: свойства, структура
Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты создаёт гигантскую глобальную экосистему, называемуюбиосферой. Термин “биосфера” впервые ввёл в научную литературу в 1875

Уровни биологической организации и трофические связи живого
Биогеохимические круговороты веществ в природе.Основные типы пищевых цепей. Потоки энергии и вещества в экосистемах. Пирамиды численности, биомассы, энергии. Кругов

Круговорот веществ в природе
Благодаря жизнедеятельности живых организмов химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду.

Круговорот кислорода
В добиологический период существования Земли атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, азота и некоторых других газов. Кислород в более или менее значительных количествах на

Круговорот углерода
Биологический круговорот углерода проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Фонды углерода в атмосфере обширны. Основная его масса акку

Круговорот азота
Азот - один из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (78% объема воздуха). Однако в отличие от углекислого газа круговорот

Круговорот фосфора
К круговоротам основных химических элементов, имеющих газовую фазу, примыкают так называемые осадочные круговороты. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не п

Функционирование биосферы
В самом начале этой книги было сказано, что все уровни организации жизни образуют соответствующие системы, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Эти сист

Природные ресурсы
Природные ресурсы - тела и силы природы, которые на данном этапе развития производства могут быть использованы в качестве средств производства и потребления, и п

Атмосфера. Загрязнение атмосферы
Состав, строение и значение атмосферы. Последствия загрязнения атмосферы: "кислотные дожди", смог, антропогенное изменение климата, антропогенное воздействие на озоновый слой. Защита атмо

Влияние деятельности человека на атмосферу
Используя природные ресурсы, человек оказывает различные по силе и характеру воздействия на природную среду (ПС). Воздействие человека на ПС– это все виды деятел

Экологические стандарты и нормативы
Полностью оградить ОПС от воздействия человека невозможно даже теоретически. Поэтому возникает необходимость рассмотрения допустимой степени изменения в ней, т.е. нормирование качес

Экозащитная техника и технологии
Основные направления инженерной защиты ОПС от загрязнения и других видов антропогенного воздействий - внедрение ресурсосберегающей, безотходной и малоотходной технологии, биотехноло

Очистка выбросов от газообразных примесей
Для очистки выбросов от газообразных примесей (оксиды серы и азота, оксид углерода, сероводород, аммиак и др.) применяют методы абсорбции, хемосорбции, адсорбции, каталитического

Гидросфера. Влияние деятельности человека на гидросферу
Распределение воды в биосфере, значение воды в жизни человека. Экологические последствия загрязнения водных экосистем: загрязнение твёрдыми отходами, тяжёлыми металлами, (Hg,Cd, Pb), органическими

Загрязнение литосферы
Земельные ресурсы. Ветровая и водная эрозия почв. Загрязнения почв. Техническая и биологическая рекультивация земель. Защита литосферы. О

Международное сотрудничество в области охраны ОПС
Международное сотрудничество в области охраны окружающей природной среды Глобальный характер экологических проблем. Международное право в области экологии. Назначение международног

Основы экологического права и профессиональной ответственности
Право - единая система общеобязательных правил (норм), которые установлены или санкционированы государством. Соблюдение норм права обеспечивается государством в принудит

Государственные органы охраны ОПС
Центральным органом федеральной исполнительной власти в области охраны ОПС является Министерство природных ресурсов РФ. В его состав входят Федеральные агентства (водных

Экологическая экспертиза
Статья 33 Закона РФ об охране ОПС предусмотрено проведение экологической экспертизы. Порядок проведения экологической экспертизы устанавливается федеральным законом об экологической экспертизе.

Юридическая ответственность за экологические правонарушения
Юридическая ответственность за экологические правонарушения является одной из форм государственного принуждения; ее задача - обеспечить реализацию экологических интересов в принудит

Экологический мониторинг
Экологический мониторинг(мониторинг окружающей среды) - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния

Природных ресурсов и охраны природы
Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы Государственная система рационального использования природных ресурсов, охран

Экология, экономика, политика. Экономический ущерб от загрязнения природной среды и проблемы эколого-экономического обоснования принятия хозяйственных решений. Экономические основы охраны окружающе

Основы экономики природопользования
До недавнего времени в нашей стране отсутствовали действительные экономические рычаги, воздействующие на сохранение и рациональное использование окружающей природной среды. Ныне в Р

Эколого-экономический учет природных ресурсов и загрязнителей
Экономические, экологические и некоторые другие показатели природных ресурсов обычно обобщают в виде кадастров. Кадастр - систематизированный свод с

Лицензия, договор и лимиты на природопользование
Порядок пользования природной средой и природными ресурсами основывается на принципах охраны природной среды и неистощимости использования природных ресурсов, создания нормальных эк

Экология и здоровье человека
Средой обитания человека является уже известная нам окружающая среда. В пределах этой среды можно выделить несколько сред. В первую очередь это природная среда. Эта среда имеет свой

Определения
Круговороты СО2 и воды в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, высокочувствительные к нарушениям, которые вызываются деятельностью человека и которые могут влиять на погоду и климат. Сейчас по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления существенных изменений в круговоротам СО2 и Н2О, от которых в буквальном смысле слова зависит будущее человека на Земле.
Объяснения
В круговороте СО2 (рис. 4.9,.4) атмосферный фонд очень невелик в сравнении с запасами углерода в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы (сплошные линии на рис. 4.9, А). Ho за последние сто лет содержание СО2 постоянно растет в результате новых антропогенных поступлений (штриховые линии на рис. 4.9, А). Основным источником этих поступлений считается сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят также развитие сельского хозяйства и сведение лесов.
Может показаться удивительным, что сельское хозяйство в конечном счете приводит к потере СО2 из почвы (т. е. вносит в атмосферу больше, чем забирает оттуда), но дело в том, что фиксация СО2 сельскохозяйственными культурами (многие из которых активны лишь часть года) не компенсирует количества СО2, высвобождающиеся из почвы, особенно в результате частой вспашки. Сведение леса, разумеется, может высвободить углерод, накопленный в древесине, особенно если она немедленно сжигается. Уничтожение леса, особенно при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов, приводит к окислению гумуса в почве.
О «проблеме С02» и влиянии различных видов деятельности человека на обогащение атмосферы этим соединением существует Заказ № 1383

Рис. 4.9. А. Круговорот двуокиси углерода. Числа обозначают содержание CO2 (в миллиардах тонн) в основных частях биосферы и в потоках между HIiMiT (при стрелках). (Данные из отчета Совета по качеству среды США за 1981 г.) Б. Круговорот воды. Содержание H2O в основных частях биосферы и в потоках между ними (при стрелках) указано в геограммах (1020 г.) (Данные из Hutchinson, 1957.)

множество различных точек зрения. Согласно одной крайней точке зрения (Woodwell et а!., 1978), разрушение биотических резервуаров дает столько же, сколько сжигание горючих ископаемых. Согласно противоположной точке зрения (Broecker et al., 1979), первый из упомянутых источников играет весьма незначительную роль. Болин (Bolin, 1977) занимает промежуточную позицию. Все,

одпако, согласны в толь, что леса - важные накопители углерода, так как в биомассе лесой содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в I раза больше углерода, чем в атмосфере.
Быстрое окисление гумуса и высвобождение газообразной СО2, в норме удерживаемой почвой, проявляется и в иных, более тонких и лишь недавно обнаруженных эффектах. Среди них -влияние СОг на круговорот других элементов питания. Например, Нельсон (Nelson, 19()7), исследуя раковины двустворчатых моллюсков, показал, что в результате сведения лесов и распашки земель уменьшилось количество некоторых микроэлементов в почвенных водах. Он обнаружил, что раковины двустворчатых моллюсков из индейских кухонных куч возрастом 1000-2000 дет содержат на 50- I00% больше марганца и бария, чем раковины современных моллюсков. Методом исключения Нельсон пришел: к выводу, что скорость вымывания марганца и бария из подстилающих пород уменьшилась из-за уменьшения потока насыщенной СО2 кислой воды, циркулирующей глубоко в почве. Иными словами, вода в настоящее время имеет тенденцию быстро стекать по поверхности почвы, а не фильтруется через гумусовые слои. Эколог скажет, что современное изменение человеком ландшафта заметно повлияло на поток веществ из резервного фонда в обменный. Если мы понимаем происходящее и знаем, как исправить положение, то такие изменения не обязательно должны быть разрушительными. Агрономы пришли к выводу, что во многих районах для поддержания урожайности сейчас необходимо добавлять к удобрениям следовые количества некоторых минеральных элементов (микроэлементов), поскольку агроэкосистемы не так хорошо, как природные, удерживают в обороте эти элементы.
Вспомним, как образовалась современная земная атмосфера с ее низким содержанием СО2 и очень высоким содержанием Ог. Эволюция атмосферы кратко рассмотрена в гл. 2, разд. 4, в связи с гипотезой Геи (см. также рис. 8.11). Когда более 2 млрд. лет назад на Земле появилась жизнь, атмосфера, подобно современной атмосфере Юпитера, состояла из вулканических газов (как сказал бы геолог, атмосфера образовалась благодаря «дегазации земной коры»), В ней было много СО2 и мало кислорода (а быть может, его не было совсем), и первые организмы были анаэробными. В результате того что продукция (P) в среднем слегка превосходила дыхание (/?), за геологическое время в атмосфере накопился кислород и уменьшилось содержание СО2. Накоплению кислорода, как полагают, способствовали также геологические и чисто химические процессы, например высвобождение О2 из окислов железа или образование восстановленных соединений азота и расщепление воды ультрафиолетовым излучением с выделением кислорода (Cloud, 1980). И низкое содержание СО2, и высокие концентрации О2 сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза;
для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза, если в эксперименте увеличивается содержание СО2 или понижается содержание О2. Таким образом, зеленые растения оказываются весьма чувствительными регуляторами содержания этих газов.
Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания СО2 в атмосфере. Ho стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых (представьте, какое огромное количество СО2 выделилось бы, если была бы сожжена хотя бы половина огромного фонда горючих ископаемых, отмеченного на рис. 4.9,А) вместе с уменьшением поглотительной способности «зеленого пояса» начинает превосходить возможности природного контроля, так что содержание СО2 в атмосфере сейчас постепенно возрастает. Вспомните, что наибольшим изменениям подвержены потоки веществ на входе и на выходе небольших обменных фондов. Полагают, что в начале промышленной революции (примерно 1800 г.) в атмосфере Земли содержалось около 290 частей СО2 на миллион (0,29%). В 1958 г., когда были впервые проведены точные измерения, содержание СО2 составляло 315, а в 1980 г. оно выросло до 335 частей на миллион. Если концентрация СО2 вдвое превысит доинду- стриальиый уровень, что может случиться к середине будущего века, вероятно потепление климата Земли; температура в среднем повысится на 1,5-4,5 °С, и это наряду с подъемом уровня моря (в результате таяния полярных шапок) и изменением распределения осадков может погубить сельское хозяйство. Как было показано недавно (Gornitzetal., 1982; Etkins, Epstein, 1982), средний уровень моря уже начал подниматься, в этом веке он поднялся примерно на 12 см. Эти угрозы (изменение климата и затопление прибрежных районов) должны учитываться при планировании национальной и международной энергетической политики. Обзоры «проблемы СО2» можно найти в работе Бэса и др. (Baes et al., 1977) и в отчетах комиссий Совета по качеству окружающей среды (Coimsil on Environmental Quality, 1981) и Академии наук США (National Academy of Sciences, 1979).
В следующем веке установится новое, но ненадежное равновесие между увеличением содержания СО2 (способствующего разогреву Земли) и усилением загрязнения атмосферы пылью и другими частицами, отражающими излучение и этим охлаждающими Землю. Любое значительное результирующее изменение теплового бюджета Земли повлияет на климат [хороший обзор возможных последствий изменения климата Земли дает Брайсон (Bryson,
1974)].
Кроме СО2 в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: окись углерода (CO) - примерно 0,1 части на миллион и метан (СН4) - около 1,6 части на

миллион. Как и СОг, эти соединения находятся в быстром круговороте и потому имеют небольшое время пребывания - около 1 года для CO, 3,6 года для СН4 и 4 года для СО2. И CO, и CH4 образуются при неполном или анаэробном разложении органического вещества; в атмосфере оба окисляются до СО2. Столько же CO, сколько попадает в атмосферу в результате естественного разложения, вносится в нее сейчас при неполном сгорании горючих ископаемых, особенно с выхлопными газами. Накопление окиси углерода - этого смертельного яда для человека - в глобальном масштабе не представляет собой угрозы, но в городах, где воздух застаивается, повышение концентрации этого газа в атмосфере начинает становиться угрожающим. Концентрации до 100 частей на миллион не так редки в районах с сильным автомобильным движением (курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что уменьшает содержание сксигемоглобина в его крови на 3%, а это может привести к анемии и другим связанным с нехваткой кислорода заболеваниям сердечно-сосудистой системы).
Метан, как полагают, имеет полезную функцию: он поддерживает стабильность озонового слоя в верхней атмосфере, который блокирует смертельно опасное ультрафиолетовое излучение Солнца (см. с. 113). Производство метана - одна из важных функций водно-болотистых угодий и мелководных морей мира. Хороший обзор круговорота углерода в целом дает Гаррелс, Маккензи и Хант (Garrels, Mackenzie, Hunt, 1975; гл. 6).
- Кяк показано на схеме гидрологического цикла (рис. 4.9Т/?)Т^ фонд воды в атмосфере невелик, скорость ее оборота Bbinie1 а время!хр^ывания меньше, чем у UO2. На круговороте воды, как и на круговороте СО2, начинают сказываться глобальные последствия деятельности человека. Хотя сейчас ведется учет осадков и речного стока во всем мире, нам необходимо как можно быстрее наладить более полный контроль всех основных путей движения воды в круговороте.
На рис. 4.10 круговорот воды показан с энергетической точки зрения, выделена «верхняя» его часть, приводимая в движение Солнцем, и «нижняя», в которой выделяется энергия, которая может быть использована экосистемами и гидроэлектростанциями. Как было показано в табл. 3.3, около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Это еще один пример безвозмездной услуги, которую оказывает нам энергия Солнца. Слишком часто мы недооцениваем услуги, за которые не приходится платить. Ho если человек нарушит эту систему, то платить ему за это придется дорого!
Особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды: "
Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше ситуация противоположна. Другими словами, значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе большинство агроэкосистем, производящих пищу для человека, состоит из воды, испаренной из моря. Во многих райо-

Рис. 4.10. Энергетика гидрологического цикла, представленного в виде двух путей: верхний приводится в движение солнечной энергией, а нижний отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям и выполняет работу, непосредственно полезную для человека (например, на ГЭС). Поверхностный сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них, хотя во многих сухих областях эти резервуары сейчас быстрее выкачиваются человеком, чем пополняются.

нах, например в долине Миссисипи, 90% осадков, как полагают* приносится с моря (Benton et al., 1950). По имеющимся оценкам, в пресных озерах и реках содержится 0,25 геограмма воды (I геограмм - IO20 г, или IO14 т), а годовой сток составляет 0,2 геограмма, так что время оборота равно примерно I году. Разность между количеством осадков за год (1,0 геограмм) и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8; это и есть величина годового поступления воды в подпочвенные водоносные горизонты. Как уже указывалось, в результате деятельности человека (покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды

материалами, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, сведения лесов и т. д.) сток увеличивается и пополнение очень важного фонда грунтовых вод сокращается. В США около половины питьевой воды, большая часть воды для орошения и во многих частях страны большая часть воды для промышленности берется из грунтовых вод. В засушливых районах, например на западе Великих равнин, подземные водоносные горизонты наполнены в основном «фоссильной» водой, которая накопилась там в предыдущие, более ©лажные геологические периоды и теперь не пополняется. Поэтому вода здесь - невозобновляемый ресурс, подобно нефти. Это хорошо видно на примере обильно орошаемого района выращивания зерновых в западной части Небраски, Оклахомы, Техаса и Канзаса, где водоносные пласты формации Огаллала - основного источника воды будут исчерпаны через 30-40 лет. После этого придется использовать здешние угодья в качестве пастбищ или выращивать на них засухоустойчивые культуры, если только не начнут подавать сюда воду из крупных рек долины Миссисипи - весьма дорогой и энергоемкий проект, за который придется расплачиваться всем налогоплательщикам страны. В 1982 г. невозможно было предсказать, какое решение будет принято, но ясно одно, что политические разногласия будут острыми; многие пострадают от экономических крахов, неизбежных, когда невозобновляемый ресурс эксплуатируется без мысли о будущем.
На рис. 4.11 представлена графическая модель «нижней» части!круговорота воды, показывающая, как биотические сообщества приспосабливаются к изменяющимся условиям в так называемом континууме рек (градиенте от малых до крупных рек; см. Vanno- te et al., 1980). В верховьях реки невелики и часто полностью затенены, так что водное сообщество получает мало света. Консу- менты зависят в основном от листового и другого органического детрита, приносимого с водосборного бассейна. В детрите преобладают крупные органические частицы, например фрагменты листьев, а фауна представлена в основном водными насекомыми и другими первичными консументами, которых экологи, изучающие речные экосистемы, относят к механическим разрушителям. Экосистема верховий гетеротрофна; отношение P/R гораздо меньше единицы.
В среднем течении реки шире, не затенены и меньше зависят ют органического вещества, поступающего с водосборных бассейнов, поскольку автотрофные водоросли и водные макрофиты обеспечивают первичную продукцию. Здесь преобладает тонко измельченное органическое вещество, а среди фауны - фильтраторы с соответствующими приспособлениями для сбора пищи (уловителями и фильтрами). Метаболизм сообщества автотрофный, отношение P/R равно I или выше (рис. 4.11). В среднем течении реки обычно отмечается максимум видового разнообразия и величины суточных колебаний температуры. В нижнем течении большой реки течение замедленно, вода обычно мутная, вследствие чего снижена глубина проникновения света и ослаблен водный фото-

Рис. 4.11. Речной континуум. Изменение в метаболизме сообщества, в разнообразии размеров частиц органического вещества от ручьев в верховьях до крупных рек. (Vannote et а!., 1980.)

синтез. Здесь река снова становится гетеротрофной, и на большинстве трофических уровней видовое разнообразие снижается»
В реках, как и повсюду в биосфере, организмы не ограничиваются одним пассивным приспособлением к градиенту изменений физических факторов среды. Действуя совместно, речные животные, например, возвращают в круговорот элементы питания и сокращают их вынос в океан. Водные насекомые, рыбы и другие организмы собирают взвешенные и растворенные вещества, удерживают их, пропускают через пищевую цепь, а более подвижные виды в ходе своего жизненного цикла могут перемещать эти вещества вверх против течения или из реки на водосборный бассейн„ Лимнологи назвали этот процесс «движением веществ по спирали» (Elwood, Nelson, 1975).
Отличные обзоры круговорота воды дают Хатчинсон (Hutchinson, 1957) в гл. 4 «Трактата по лимнологии» и Гаррелс, Маккензи и Хант (Garrels, Mackenzie, Hunt, 1975, гл. 5) в книге «Химические круговороты и глобальная внешняя среда».

Как известно, все структурные компоненты биосферы тесно взаимосвязаны между собой сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Процессы взаимообмена и взаимодействия протекают на разных уровнях: между геосферами (атмо-, гидро-, литосферой), между природными зонами, отдельными ландшафтами, их морфологическими частями и т. д. Однако повсюду господствует единый генеральный процесс обмена веществом и энергией, процесс, порождающий явления разного масштаба - от атомарного до планетарного. Многие элементы, пройдя цепь биологических и химических превращений, возвращаются в состав тех же самых химических соединений, в которых они находились в начальный момент. При этом главной движущей силой в функционировании, как глобального, так и малых (а также локальных) круговоротов, являются сами живые организмы.
Роль биогеохимических круговоротов в развитии биосферы исключительно велика, поскольку они обеспечивают многократность одних и тех же органических форм при ограниченном объеме исходного вещества, участвующего в круговоротах. Человечеству остается лишь поражаться тому, как мудро устроена природа, которая сама же подсказывает «непутевому Homo sapiens», как следует организовать так называемое безотходное производство. Заметим, однако, что в природе нет полностью замкнутых круговоротов: любой из них одновременно сомкнут и разомкнут. Элементарный пример частичного круговорота представляет собой вода, которая, испарившись с поверхности океана, частично снова попадает туда.
Между отдельными малыми круговоротами существуют сложные взаимосвязи, что в конечном итоге приводит к постоянному перераспределению вещества и энергии между ними, к устранению своего рода асимметричных явлений в развитии круговоротов. Так, в литосфере в избытке оказались в связанном состоянии кислород и кремний, в атмосфере в свободном состоянии азот и кислород, в биосфере - водород, кислород и углерод. Нельзя не отметить также, что основная масса углерода сконцентрировалась в осадочных породах литосферы,
где карбонаты аккумулировали основную массу углекислого газа, поступившего в атмосферу с вулканическими извержениями.
Нельзя забывать и о том, что между космосом и Землей существует теснейшая связь, которую с известной долей условности следует рассматривать в рамках глобального круговорота (поскольку, как уже отмечалось, он не является замкнутым). Из космоса на нашу планету попадает лучистая энергия (солнечные и космические лучи), корпускулы Солнца и других звезд, метеоритная пыль и т. д. Особенно важна роль солнечной энергии. В свою очередь, Земля отдает обратно часть энергии, рассеивает в космос водород и т. д.
Многие ученые, начиная с В. Вернадского, рассматривая глобальный биогеохимический круговорот элементов в природе как один из важнейших факторов поддержания динамических равновесий в природе, различали в процессе его эволюции две стадии: древнюю и современную. Есть основания полагать, что на древней стадии круговорот был иным, однако из-за отсутствия многих неизвестных (названий элементов, их массы, энергии и т. д.) смоделировать круговороты прошлых геологических эпох («былые биосферы») практически невозможно.
К этому следует добавить, что основную часть живого вещества составляют С, О, Н, N, главными источниками питания растений являются СО2, Н2О и другие минеральные вещества. С учетом значимости для биосферы углерода, кислорода, водорода, азота, а также специфической роли фосфора кратко рассмотрим их глобальные круговороты, получившие название «частных» или «малых». (Существуют еще локальные кругообороты, ассоциирующиеся с отдельными ландшафтами.)
Биогеохимические круговороты отдельных элементов. Как известно, три химических элемента - кислород, углерод и водород - составляют 98% общей массы живого вещества, при этом на первый из них приходится 70%, на второй - 18 и на третий - 10%. В отличие от большей части кислорода и водорода, присутствующих в организмах в виде водной субстанции (являющейся растворителем и средой для протекания биохимических реакций), углерод является, в сущности, структурообразующим компонентом. В науке хорошо известна его способность легко образовывать углерод-углеродные связи, при этом получаются полимерные цепи и кольца, служащие основой для получения разнообразных органических соединений.
В ходе длительной эволюции биосферы в распределении углерода произошли значительные изменения. Огромное количество углерода оказалось сконцентрированным на дне океана в виде малорастворимого карбоната кальция, а также в карбонатах осадочной толщи литосферы в виде каустобиолитов! и т. д. Много углерода сосредоточено в биомассе суши и в организмах моря, в атмосфере, в гумосфере. Движущей силой современного глобального круговорота углерода является биологический круговорот, протекающий по следующей схеме: «биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями, потребление органических соединений животными и людьми, окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов, возврат углекислого газа в атмосферу».
Круговорот углерода на суше и в океане неодинаков: на суше он преимущественно возвращается обратно в атмосферу, в океане остается в основном в растворе. Известно, что океан является полу автономной системой в газообмене с атмосферой, что указывает на медленный обмен углекислым газом в системе «океан - атмосфера». Что же касается системы «суша - океан», то здесь преобладает односторонняя миграция углерода в виде выноса этого элемента с суши в карбонатных и органических соединениях.
Громадный научный интерес представляет кругооборот кислорода - одного из важнейших элементов в природе, отчасти в связи с растущим его потреблением на промышленные и другие нужды. Существует мнение, что человечество в первую очередь столкнется с дефицитом именно кислорода, поскольку оно ежегодно сжигает примерно четвертую часть этого элемента, продуцируемого наземной растительностью.
Начало интенсивного накопления кислорода в атмосфере связывается с распространением фотосинтезирующих элементов около 2 млрд лет тому назад. В процессе длительной эволюции глобального круговорота кислорода наибольшая часть этого элемента осталась в атмосфере, другая часть оказалась растворенной в океане, третья была зафиксирована в земной коре в виде сульфатов, карбонатов, различных окислов.
Сравнительно хуже изучен глобальный круговорот азота главным образом в связи с трудностями оценки составляющих круговорота. До сих пор точно неизвестно, какие конкретно организмы способны фиксировать азот, переводить его в такие химические соединения, которые могут использоваться живыми организмами. Между тем в биологическом круговороте из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В целом в естественных условиях процессы связывания и высвобождения азота уравновешивают друг друга.
Определенный интерес представляет осадочный круговорот фосфора - довольно редкого элемента в биосфере (в земной коре его содержание не превышает 1%). Схема круговорота фосфора на суше выглядит следующим образом: «поглощение растениями неорганического фосфора, перевод его в состав живого вещества растений и животных (а также людей), возвращение органических фосфатов вместе с трупами, отходами и экскрементами живых существ в землю, переработка фосфатов микроорганизмами».
Совсем иная картина имеет место в водоемах, что связано с осаждением отмерших организмов на дне и накоплением их в донных отложениях. Известно, что разложение органики вблизи дна часто происходит в замедленном режиме вследствие недостаточного притока кислорода. В итоге минерализованный фосфор образует нерастворимый комплекс с трехвалентным железом и таким образом оказывается уже недоступным для усвоения водными организмами. Однако это не единственный способ «изъятия» фосфора из глобального круговорота. Большое его количество выносится в Мировой океан, скорость же обратного переноса (птицами и продуктами рыбного промысла) составляет значительно меньшую величину. Пример глобального круговорота фосфора показывает, какую опасность представляют любые малообдуманные воздействия человека на естественный ход био- геохимических процессов в биосфере.
Рассмотренные нами некоторые круговороты особо важных для биосферы элементов показывают огромную важность поддержания сложившихся динамических равновесий в едином глобальном биогеохимическом круговороте.

В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.

Атмосферный фонд СО 2 в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик.

С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.

Существуют разные оценки влияния деятельности человечка на обогащение атмосферы CO 2 однако все авторы сходятся во мнении, что основными накопителями углерода являются леса, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве, - в 4 раза больше СО 2 , чем в атмосфере.

Растения - хороший регулятор содержания CO 2 в атмосфере Для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза при повышенном содержании диоксида углерода в воздухе

Фотосинтезирующий "зеленый пояс" Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО 2 в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности "зеленого пояса" приводят к тому, что содержание CO 2 в атмосфере постепенно растет. Предполагают, что если уровень СО 2 в атмосфере будет превышен вдвое (до начала активного влияния человека на окружающую среду он составлял 0,29 %), то не исключено повышение глобальной температуры на 1,5 - 4,5 °С. Это может привести к таянию ледников и как следствие - к повышению уровня Мирового океана, а также к неблагоприятным последствиям в сельском хозяйстве. В настоящее время в США существует национальная научно-исследовательская программа по ведению сельского хозяйства на случай потепления или похолодания климата.

Помимо СО 2 в атмосфере в небольших количествах присутствуют оксид углерода СО - 0,1 части на миллион и метан СН 4 - 1,6 части на миллион. Эти углеродные соединения активно включены в круговорот и поэтому имеют небольшое время пребывания в атмосфере: СО - около 0,1 года, СН 4 - 3,6 года, а СО 2 - 4 года. Оксид углерода и метан образуются при неполном или аэробном разложении органического вещества и в атмосфере окисляются до СО 2 .

Накопление СО в глобальном масштабе не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно влияет на здоровье людей.

Метан образуется при разложении органического вещества в болотистых местностях и мелководных морях. По мнению некоторых ученых, метан выполняет полезную функцию - он поддерживает стабильность озонового слоя, который предохраняет все живое на Земле от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения.

Фонд воды в атмосфере, как показано на рисунке 11, невелик, и скорость ее оборота выше, а время пребывания меньше, чем CO 2 . Как и на круговорот CO 2 , деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды.

С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО 2: "верхнюю", которая приводится в движение Солнцем, и "нижнюю", в которой выделяется энергия. Как уже отмечалось, около 30 % всей энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

В экологическом плане особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды. Во-первых, море за счет испарения теряет больше воды, чем получает с осадками, то есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе и агроэкосистемы, состоит из воды, которая испарилась с поверхности моря. Во-вторых, в результате деятельности человека возрастает по верхностный сток и сокращается пополнение фонда грунтовых вод. Уже сейчас имеются территории, на которых используются грунтовы воды, накопившиеся в предыдущем столетии. Следовательно, в этом случае вода - невозобновимый ресурс. После истощения грунтовых вод ее будут доставлять с других территорий, что потребует вложения дополнительного количества энергии.