Современное состояние биосферы и экологическая политика
Шрифт:
Дело в том, что энергия используется единожды и необратимо теряется. Если же отобразить продукционные циклы в единицах вещества, то имеется возможность его неоднократного учета, потому что за счет круговорота веществ оно возвращается в экосистему.
Глава 7
Биогеохимические процессы и продукционные циклы
7.1. Общие положения
Как отмечалось выше, биомасса живых организмов (любого систематического уровня) характеризует один из аспектов биосферы. Зная ее величину, можно составить представление о количестве изъятых из окружающей среды биогенных элементов. Однако этот показатель еще не дает основания судить о скорости их оборачиваемости в системе «окружающая среда – живое вещество». Речь идет о биогеохимических круговоротах. В этом плане большое влияние на динамику биосферы оказывают такие процессы, как скорость круговорота веществ, которая в свою очередь во многом определяется скоростью продуцирования органических веществ. Кроме этого, немаловажное значение для формирования биогеохимических циклов характер воспроизводства организмов, смена их поколений и, в конечном итоге, особенности динамики численности многих видов популяций растений и животных.
Известно, что существуют организмы, обладающие способностью преимущественного (более 10 %) накопления отдельных элементов, таких как кремний, железо, сера, фосфор и др.
Так, например, фораминиферы и радиолярии (простейшие животные) в составе своих скелетов содержат углекислый кальций, кремнезем. После отмирания их скелетики в громадных количествах опускаются на дно и формируют радиоляревые илы. Часть углекислого кальция растворяется в воде (не достигая глубин 5000–6000 м) и вовлекается в планетарный обмен. Подсчитано, что реками в океаны и моря ежегодно выносится около 109 т CaCO3, которые затем переходят в донные осадки. Основную же массу известковых осадков дают скелетные остатки морских животных (в основном планктон). Эти осадки широко распространены в низких широтах. Далее, в процессе геологических преобразований, известковые породы попадают на сушу, где, растворяясь дождевыми, речными, подземными водами, снова вовлекаются в планетарный круговорот. Возможен еще один сценарий кругооборота веществ. В результате движения литосферных плит океаническая кора погружается в мантию. Она уносит туда и морские отложения, которые накопились на дне. Следовательно, мантия обогащается не только неорганическими элементами, но и горными породами органического происхождения. Все это оказывает влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение зон со временем меняется. Изменяется вещество Земли, которое находится в постоянном движении. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава, но и горячая минерализованная вода, богатая медью, цинком и другими химическими элементами. Температура в зонах выброса воды достигает 3300 °C. Это так называемые гидротермы, способствующие в дальнейшем образованию наростов, столбов и труб высотой до 27 м. По этим трубам поднимается горячий раствор, и мелкие минеральные частицы попадают в воду. Название у труб экзотическое – курильщики. Около них кипит жизнь, состоящая из бактерий, моллюсков, крабов.
Осмысливая становление биосферы, ее эволюцию, нельзя не отметить тот факт, что в каждые исторические эпохи формировалось неравномерное распределение живого вещества по планете – его мозаичность. Данная закономерность порождалась своими центрами видообразования организмов, наличием соответствующих климатических и почвенных условий, интенсивностью круговорота веществ и другими факторами. Поэтому современный вид биосферы является отражением тех далеких геохимических и геофизических процессов, которые сформировали ее лик. Убежденность ученых в том, что в прошлом палеобиогеоценозы функционировали подобно современным, опирается на актуалистический метод. Смысл его заключается в следующем: на прошлое распространяют те закономерности, которые наблюдаются в настоящее время, или «современность – ключ к пониманию прошлого».
Например, сейчас в тропическом лесу на площади 2 га можно насчитать более 200 видов растений, тогда как в смешанном лесу умеренного пояса – только 10 видов. Значит, если в древних отложениях обнаруживаются остатки вечнозеленых растений, пальм, крупные листья и богатое биоразнообразие, – то можно утверждать, что в этот период на данной территории климат был подобен тропическому, а если попадают растения с мелкой листвой или колючками, присутствием опушения или воскообразного налета, – это зона аридного климата (современных пустынь) и т. д.
В свете вышеизложенного следует полностью согласиться с утверждением А. Н. Тюрюканова: «…биосферная концепция Докучаева – Вернадского убедительно доказала, что исторический метод – это метод активного и объективного познания окружающего нас мира; показала, как возник и как развивался лик планеты под воздействием живого вещества и почему мы застали его таким, а не иным» (1990, с. 39–40).
7.2. Большой и малый круговороты веществ в биосфере
Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.
Поступление солнечной энергии привело к тому, что на Земле сформировались два круговорота веществ: большой (биосферный) и малый (внутриэкосистемный).
Первый круговорот имеет планетарный характер, а второй реализуется на биогеоценотическом уровне. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Фактически, малый (биологический) круговорот веществ базируется на фоне большого – геологического. Суть биологического круговорота – создание и разрушение органического вещества. Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.
Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;
2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре.
Резервный фонд – это большие массы медленно движущихся веществ в основном небиологического состава. Разделение био-геохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот, кислород и водород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро восполняют их дефицит в других системах и компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усилением окислительных процессов или горением ждет следующая «судьба»: он быстро рассеивается воздушными массами, активно используется растениями и поглощается океаном.
Круговороты газообразных веществ с их большим атмосферным фондом можно считать в глобальном масштабе хорошо забуференными, поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика. Но способность к саморегуляции при таком большом резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.
Осадочные циклы, в которых участвуют железо, фосфор и другие вещества, обычно гораздо менее подвержены самоконтролю и легче нарушаются в результате каких-либо местных преобразований. Это обусловлено малоподвижностью и малой активностью земной коры, в которой находятся эти вещества.
Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Если понимать под скоростью данного процесса величину продукции, т. е. скорость живого вещества, образующегося в единицу времени, то с геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным.
По мнению А. Н. Тюрюканова, «„мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время» (1990, с. 45).
Принято (в наземных экосистемах) оценивать интенсивность биологического круговорота величиной, равной отношению массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку (Ковда, 1971, с. 7–52). Чем выше этот показатель, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме [1] .
Проведенные учеными оценки показали следующие результаты:
Заболоченные леса, кустарниковые тундры – индекс равен, в первом случае более 50, а втором – 20–50. Эти сообщества по критерию круговорота классифицируются как застойные;
Темнохвойные таежные леса, широколиственные – соответственно, 1017 и 3–4. Здесь круговороты сильно заторможены и задерживаются; Степи – индекс 1–1,5; субтропические леса – 0,7; влажные тропические леса – 0,1. Интенсивность круговорота, соответственно, активная, интенсивная и весьма интенсивная.
1
Опад – мертвые части растений, упавшие на поверхность почвы или на дно водоема при листопаде, веткопаде, опаде цветов и других явлениях. Подстилка – слежавшиеся на поверхности почвы слои отмерших и опавших частей растений – листьев, плодов, цветов, коры и небольших ветвей (Реймерс, Яблоков, 1982, с. 81).
Значение для биосферы биогеохимических круговоротов веществ выявило ряд важных закономерностей, не полностью согласующихся с теорией Ч. Дарвина. Речь идет не о решающей роли естественного отбора в происхождении видов растений и животных. Общеизвестно, что в основе этой теории лежит принцип отбора организмов по признаку их приспособленности к среде. Учение о биосфере выдвигает новый – геохимический критерий отбора.
«В процессе эволюции органического мира происходит отбор организмов, способных внести наиболее весомый вклад в расширение емкости и увеличение скорости биогеохимического круговорота в биосфере» (Тюрюканов, 1990, с. 46).