ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 200
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Кроме того, кислород расходуется на окисление металлов, главным образом железа, которое люди добывают и выплавляют. Насколько велик расход кислорода на эти процессы, свидетельствуют следующие данные. Ежегодно во всем мире выплавляется около (700 — 800) 106 т стали. В то же время окисляется, ржавеет примерно 10 % этого количества, на что расходуется около 340106 т кислорода. Наконец, кислород расходуется на окисление различных газов, которые продолжают выделяться из земных недр. Это количество кислорода пока не определено.
Биосфера в целом пока справляется с окислением продуктов индустриальной деятельности человечества, но поглощение кислорода достигло такого уровня, что за глобальным биогеохимическим циклом массообмена кислорода необходим внимательный контроль.
При оценке последствий сжигания возрастающих масс каменного угля необходимо обратить внимание еще на один аспект этой проблемы. Как известно, каменный уголь является продуктом глубокой трансформации органического вещества растительного происхождения. В разд. 7.1 показано, что в процессе фотосинтеза предпочтительнее поглощаются легкие изотопы углерода. Сжигание угля и поступление в атмосферу СО2, обогащенного легким изотопом |2С, должно отражаться на изотопном составе растений и всего живого вещества Земли. Результаты многочисленных анализов годовых колец стволов деревьев разного возраста, обобщенные американским биогеохимиком Б. Болином (1985), наглядно показывают, что по мере развития индустриальной деятельности растительность обогащается легким изотопом углерода (рис. 16.1). Каковы последствия этого явления — покажет будущее.
Рис. 16 1. Изменение изотопного состава углерода древесины на протяжении
индустриального периода истории человечества (по Б Болину, 1986)
Прогрессирующее возрастание масс химических элементов, вовлекаемых в миграционные потоки, вызванные хозяйственной деятельностью людей, достигло такого уровня, когда не только нарушается стационарность природных миграционных циклов в отдельных территориальных биогеосистемах, но и вносится дисбаланс во всю глобальную систему циклического массообмена, которая поддерживает существование биосферы. Вполне естественно, что возникла идея организации межгосударственной координации хозяйственной деятельности. Рассмотрению этой идеи была посвящена Международная конференция по охране окружающей среды и развитию в Рио-де-Жанейро (1992). На конференции была принята концепция «поддерживающего развития», призывающая государства отказаться от неограниченного и бесконтрольного использования природных ресурсов и загрязнения биосферы. Конференция была весьма представительна и проходила на уровне глав государств и правительств. Несмотря на историческую значимость первой конференции такого рода, из-за отсутствия научного обоснования подходов к рассмотрению этой важной идеи в итоговом документе содержались лишь общие положения. Никаких существенных достижений на пути организации научно обоснованной координации производственной деятельности государств с целью поддержания биосферы не было достигнуто и на XIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН (1997), посвященной анализу деятельности государств по поддержанию биосферы.
Вместе с тем, отдельные частные проблемы успешно решались после тщательного изучения порождающих их причин и последствий. Примером может служить опыт предотвращения и нейтрализации локального загрязнения тяжелыми металлами, проявления которого рассматриваются ниже.
Региональные биогеохимические проблемы. Значительный дисбаланс в природные циклы массообмена, охватывающие экогео-системы крупных регионов, вносят отходы промышленных предприятий и транспорта. Более 95 % техногенных выбросов соединений серы представлено SO2. Это химически агрессивное соединение. Главная эмиссия SO2 происходит при сжигании каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно присутствуют серосодержащие органические соединения. Значительные массы SO
2 выделяются в атмосферу при выплавке металлов. В 1986 г. было выброшено в атмосферу (106 т) в США: СО2 - 18,4; SO4 - 20,3; в СССР: СО2 - 15,4; SO4 - 18,8. Выбросы SO4 в Восточной Европе составили (106 т): в 1980 г. — 27,8; в 1985 г. — 26,9; в 1990 г. — 24,3 (Ровинский Ф.Я., 1988). Общемировая масса техногенных выбросов серы по состоянию на 1990 г. оценивается в (100-110) • 106 т/год.
Оксиды серы, осаждаясь с атмосферными осадками, поражают растительность (рис. 16.2), губят почвенную биоту, вызывают заболевания населения. Рыжие от действия сернокислотных дождей хвойные леса склонов горных массивов являются печальной достопримечательностью природы некоторых стран Восточной Европы.
Рис. 16.2. Типичные симптомы поражения растений диоксидом серы:
а — листья березы, дуба скального, бука лесного; б — листья георгина и явора; в — листья клевера, люцерны и рапса
Техногенные оксиды серы распределяются неравномерно и поражают отдельные районы. Экологическая проблема сернокислотных дождей усугубляется трансграничным переносом воздушных масс, содержащих оксиды серы. Известны случаи ущерба, нанесенного выпадением «кислых дождей», принесенных на территорию стран Скандинавского полуострова из индустриальных районов Германии.
Сильное изменение природных биогеохимических циклов некоторых химических элементов происходит под влиянием сельскохозяйственного производства. Суммарная площадь почв, в настоящее время находящихся в сфере земледелия, — около 15106 км2, т.е. около 10 % от площади всей суши. Площади обрабатываемых почв в разных биоклиматических зонах и на разных континентах сильно различаются. Согласно имеющимся данным земледельческое использование почв Мировой суши выглядит следующим образом (% от площади части света):
Части света Процент
площади
Европа (без стран бывш. СССР)......................................30,8
Азия (без стран бывш. СССР)..........................................20,2
Северная и Южная Америка........................................... 3,5
Африка............................................................................... 14,4
Австралия и Океания........................................................ 4,1
На площади активного земледелия трансформирована вся структура биологического круговорота. Природная растительность, находившаяся в биогеохимическом равновесии с окружающей средой
, заменена сельскохозяйственными культурами, которые могут существовать в условиях данных экогеосистем лишь благодаря человеку. Продукция полностью не возвращается в почву, а частично удаляется в виде урожая. В систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора, а также дополнительные количества воды. Вместе с тем механическое нарушение почвы активизирует процессы эрозии и выноса химических элементов за пределы обрабатываемых площадей.
По данным В. А. Ковды (1973), при мировом производстве зерновых культур, равном 1,2109 т/год, одновременно с урожаем в биологический круговорот вовлекается 48106т азота, 36106т калия и 1206т Р2О5. С учетом всей другой сельскохозяйственной продукции эти массы еще больше. Вынос азота с общемировым урожаем в 1970— 1971 гг. составил 106106 т, в 2000 г. около 200106 т.
Изменения структуры биологического круговорота на обширной территории иллюстрируют данные Т.И.Евдокимовой и др. (1976) для лесной зоны европейской части России, территория которой занимает площадь 2,42106 км2. В доисторические времена леса покрывали всю площадь, в настоящее время они сохранились лишь на 1,5 млн км2; 0,3 млн км2 занято пашней; 0,38 млн км2 — лугами и пастбищами; 0,24 млн км2 — городами, поселками, транспортными магистралями, реками и озерами. В результате резко сократилась величина фитомассы и связанных в ней химических элементов. Благодаря внесению удобрений сельскохозяйственные культуры вовлекают в биологическую миграцию значительно больше азота, фосфора и калия, чем естественная лесная растительность. Но значительная часть масс элементов искусственно удаляется. Со всей площади зоны ежегодно вывозится в составе урожая и лесоматериалов 11 млн т азота, 1,1 млн т фосфора, 4,5 млн т калия, 5,3 млн т кальция. Вырубка леса и распашка почв способствовали усилению водной миграции. С водным стоком выносится значительно больше кальция, чем его поступает с удобрениями и при известковании почв. Изменение миграции химических элементов на территории европейской части России на протяжении исторического времени показано в табл. 16.1.
Таблица 16.1
Антропогенная трансформация массообмена в лесной и степной
зонах европейской части России
Показатели | Миграция масс элементов на всей площади зоны, 106 • т/год | |||||||||
азот | фосфор | калий | кальций | сера | ||||||
I | II | I | И | I | II | I | II | I | II | |
Лесная зона, плошадь 2,42 • 106 км2 | ||||||||||
Поступление с атмосферными осадками | 0,87 | 0,87 | 0,03 | 0,03 | 1,09 | 1,09 | 1,52 | 1,52 | 2,61 | 2,61 |
Вовлечение в биологический круговорот | 21,1 | 20,6 | 2,9 | 2,38 | 5,5 | 9,91 | 9,2 | 8,1 | 1,5 | 1,46 |
Поступление с удобрениями | 0,0 | 0,60 | 0,0 | 0,18 | 0,0 | 0,45 | 0,0 | 12,0 | 0,0 | 0,30 |
Вывоз с урожаем и рубка леса | 0,0 | 11,3 | 0,0 | 1,11 | 0,0 | 4,54 | 0,0 | 5,31 | 0,0 | 0,60 |
Вынос с водным стоком | 0,8 | 1,21 | 0,17 | 0,17 | 2,0 | 6,06 | 7,3 | 16,6 | 5,4 | 4,6 |
Степная зона, площадь 0,31 • 106 км2 | ||||||||||
Поступление с атмосферными осадками | 0,124 | 0,124 | " | " | 0,123 | 0,124 | 0,93 | 0,93 | 0,46 | 0,68 |
Вовлечение в биологический круговорот | 6,5 | 2,01 | 0,25 | 0,34 | 0,7 | 0,8 | 5,5 | 0,73 | 0,5 | 0,095 |
Поступление с удобрениями | 0,0 | 0,75 | 0,0 | 0,25 | 0,0 | 0,38 | 0,0 | — | 0,0 | — |
Вывоз с урожаем | 0,0 | 1,4 | 0,0 | 0,2 | 0,0 | 0,64 | 0,0 | 0,47 | 0,0 | 0,08 |
Вынос с водным стоком | — | 0,3 | — | 0,1 | — | 2,0 | — | 1,5 | — | 0,30 |
Условные обозначения. I — доисторический период; II — настоящее время.
Годовое движение масс химических элементов еще сильнее изменилось в степной зоне, где земледелие развито особенно широко. На площади около 0,3 млн км2 южных степей, занятой в доисторическое время разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью, распахано около 0,22 млн км2. Изменения здесь весьма специфичны. Хотя с удобрениями вносится значительное количество азота, в целом захват в биологический круговорот массы азота уменьшился по сравнению с целинными степями до вмешательства человека. Вовлечение в биологический круговорот масс фосфора и калия сохранилось примерно на исходном уровне, но сильно возросла водная миграция этих элементов в результате эрозии почв. Особенно усилилась миграция калия, вынос которого с водным стоком в несколько раз превышает внесение этого элемента с удобрениями.
Население Земного шара растет, и проблема его обеспечения продуктами питания — одна из самых актуальных. Поэтому все больше увеличиваются дозы минеральных удобрений, расширяются старые и строятся новые горные предприятия, сооружаются новые химические комбинаты для переработки горно-химического сырья в минеральные удобрения. Искусственное включение масс химических элементов в биологический круговорот в настоящее время является главным мероприятием для повышения урожайности.
В табл. 16.2 сопоставлены массы потоков миграции азота, фосфора и калия. Из приведенных данных видно, что количество азота и фосфора, искусственно направляемых в систему биологического круговорота, уже превышает массы этих элементов, вовлекаемых в водную миграцию естественным путем.
Таблица 16.2
Промышленная продукция и природная миграция масс азота,
фосфора и калия, 106 т/год (на уровне 1990 г.)
Процесс | Химический элемент | ||
Азот | Фосфор | Калий | |
Ежегодное промышленное производство (N) или добыча (Р и К) | 60* | 40 | 16 |
Вынос речными водами (до широкого загрязнения вод): в растворимой форме во взвесях | 18 6 | 0,8 20 | 61 283 |
Поступление с атмосферными осадками на сушу (до широкого загрязнения тропосферы) | 50 | | 65 |
Содержание в продукции восстановленной природной растительности континентов | 3500 | 3550 | 1800 |