1.2.3 Антропогенные деформации круговорота веществ

Чтобы понять особенности и масштабы антропогенного воздействия на динамику биосферных процессов, рассмотрим один из главных биогенных круговоротов - круговорот углерода. Углерод составляет основу всех жизненных процессов в организмах, он же в огромных количествах вовлекается в хозяйственную деятельность. Поэтому круговорот углерода позволяет проанализировать весь спектр проблем, порождаемых антропогенным влиянием на круговороты веществ в природе.

Основным источником углерода для наращивания биомассы организмами-продуцентами является углекислый газ, находящийся в атмосфере либо в растворенном состоянии в воде. Захватываемый растениями, он вследствие фотосинтеза превращается в глюкозу, а в последующих процессах биосинтеза-в протеины, липиды и т. д. Благодаря этим веществам существуют многочисленные консументы, в организме которых синтезируются разнообразные органические соединения.

Поскольку все живые организмы дышат, то часть углерода в виде С0₂ еще в процессе дыхания возвращается в атмосферу. В дальнейшем, после смерти организмов, при минерализации органических веществ происходит полный возврат С02 в окружающую природную среду и цикл таким образом замыкается. В некоторых условиях круговорот углерода замедляется. Это имеет место, например, при накапливании мертвых растительных и животных остатков в виде гумуса в почве либо в виде торфа в торфяных болотах. В масштабах геологического времени результатом такого замедления круговорота углерода выступает образование залежей каменного угля и нефти, а в водной среде - известняков и кораллов. Лишь поднимаясь на поверхность планеты благодаря тектонической активности, эти запасы углерода снова могут включаться в круговорот. Таковы общая схема естественного движения углерода и процессы его биогенного и геологического круговоротов.

Хозяйственная деятельность приводит прежде всего к повышению интенсивности возвращения в круговорот запасов углерода, находящегося в природных залежах, следовательно, временно выключенных из круговорота. Одним из основных путей извлечения углерода из таких его биологических тупиков является сжигание ископаемого топлива. Этот вид хозяйственной деятельности служит источником поступления в атмосферу колоссальной массы СО и СО₂. Все более значительные масштабы приобретает и "вклад", вносимый металлургией и химической промышленностью, производством строительных материалов (обжиг извести, получение цемента и т. д.). Возрос объем поступления С0₂ в окружающую природную среду, обусловленный выпадением с атмосферными осадками на карбонатные почвы и известняковые скалы больших количеств разбавленных растворов серной, азотной, соляной кислот. Масса таких растворов, выпадающих в виде кислотных дождей, может достигать миллиарда тонн в год. Увеличению поступления СО₂ в атмосферу способствуют также сельскохозяйственные мероприятия по известкованию кислых почв.

Суммарный "вклад" всех антропогенных источников поступления С0₂ в атмосферу оценить довольно сложно. Ученые предполагают, что ежегодное поступление диоксида углерода в результате человеческой деятельности в 100-150 раз превышает поступление его вследствие естественных геологических процессов и составляет до 10% ежегодного биогенного притока С02 в атмосферу. Это свидетельствует об уже имеющемся нарушении круговорота углерода в биосфере. Чтобы оценить масштабы такого нарушения, необходимо учесть и противоположный процесс, представляющий собой один из элементов того сложного механизма, благодаря которому биосфера охраняет свою устойчивость. Речь идет о связывании С0₂ и выведении его из биогенного круговорота.

В число факторов, способствующих понижению содержания С0₂ в атмосфере, можно включить рост массы живого вещества на планете, усиление процессов выветривания минералов, ведущих к образованию карбонатов кальция, магния, натрия, а также увеличение образования гумуса в почвах.

Особую функцию выполняет Мировой океан, который играет роль своего рода резервуара, обеспечивающего поглощение и хранение избыточной углекислоты. С повышением концентрации СО₂ в атмосфере возрастает содержание углекислоты в морской воде, что приводит к образованию бикарбонатов кальция. Разложение бикарбонатов сопровождается выпадением в осадок карбонатов и выделением части диоксида углерода, который может возвращаться в атмосферу:

Са(НСО_з)₂→ СаСО_з ↓ +Н₂0+С0₂

Если бы в атмосфере, наоборот, уменьшалась концентрация С0₂, то началась бы дегазация вод океана, сопровождающаяся выделением С0₂ в атмосферу и опять-таки выпадением эквивалентной части углекислого кальция.

Таким образом, Мировой океан играет роль буфера, который смягчает процессы, ведущие к нарушению глобального круговорота углерода.

Несмотря на наличие столь отлаженной системы саморегуляции, круговорот углерода на Земле уже заметно деформирован влиянием хозяйственной деятельности. По данным исследователей, содержание С02 в атмосфере непрерывно увеличивается. За последние 100 лет прирост С02 составил 10-15%. Причем если в более отдаленном прошлом интенсивность прироста была равна примерно 0,2% в год, то в течение последних десятилетий темпы прироста повысились по меньшей мере в 2 раза. Какими последствиями это грозит биосфере?

Ученые все более убеждаются в том, что содержание С0₂ в атмосфере способно существенным образом повлиять на климат планеты. Оценки, основанные на изучении оптических свойств С02 и воды, анализе моделей атмосферы, показывают, что если нынешний уровень содержания С02 в атмосфере повысится вдвое, то средняя температура на поверхности Земли возрастет на 3^o. Такого изменения температуры, а вероятно, и даже меньшего, может оказаться достаточно для наступления глобальных климатических изменений на нашей планете. Если судить по темпам потребления ископаемого топлива, то приблизительно 70% запасов угля и почти вся нефть будут израсходованы к середине XXI в. Сжигание этого количества топлива как раз и должно привести к удвоению содержания С0₂ в атмосфере и повышению температуры на 3^o. Поскольку климат определяется очень многими факторами, нельзя однозначно предсказать, к каким именно последствиям это приведет, то нет сомнений в том, что последствия будут иметь отрицательное влияние на развитие цивилизации. Среди исследователей обсуждается, например, вопрос о связи между колебаниями содержания СО₂ в атмосфере и чередованием ледниковых периодов и периодов с необычайно высокой температурой на Земле. Таким образом, продолжающееся сжигание огромного количества ископаемого топлива грозит в будущем не только энергетическим кризисом человечеству, но и опасностью глобальных климатических изменений. Эти изменения могут поставить на карту само существование биосферы в том ее виде, какой является единственно приемлемым для человеческого общества.

Рассмотренный пример влияния хозяйственной деятельности на круговорот углерода в природе свидетельствует об опасности неконтролируемого вмешательства человека в динамические процессы биосферы. Следует учитывать также, что хозяйственная деятельность затрагивает не один какой-либо природный круговорот, а все без исключения циклы круговорота веществ в природе.

Высказываются серьезные опасения по поводу возможности снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере. Причиной "кислородного голодания" может стать увеличение расхода кислорода при сжигании топлива и кислорода, идущего на окисление соединений серы, азота, углеводородов и других веществ антропогенного происхождения. По ориентировочным расчетам ежегодный дополнительный расход кислорода, вызванный хозяйственной деятельностью, составляет не менее 10% от его биогенного образования.

Хозяйственная деятельность приводит и к нарушению баланса в азотном цикле природного круговорота веществ в сторону увеличения содержания азота в атмосфере. Источниками поступления азота в форме аммиака, оксидов или молекулярного азота являются прежде всего процессы сжигания ископаемого топлива. Всевозрастающий "вклад" вносит и сельское хозяйство. В то же время уничтожение лесов, замена бобовых культур злаками, сокращение площади свободной земной поверхности, не занятой городами, дорогами и т. п., вызывают уменьшение биогенной фиксации азота в общем круговороте. В результате всех этих процессов и происходит деформация природного круговорота азота.

Вовлечение в сферу хозяйственной деятельности в возрастающем количестве соединений фосфора приводит к фосфатизации суши на территориях индустриально развитых стран, и общему увеличению содержания соединений фосфора в окружающей среде. Известно, например, что в 1 л биологически чистых вод содержатся лишь сотые и тысячные доли миллиграмма фосфора, а если его свыше 10 мг/л, бурно развивается фитопланктон, происходит эвтрофикация водоемов. Массовое развитие водорослей вызывает "цветение" воды, водоемы превращаются в зловонные болота, что означает уничтожение биогеоценозов и является шагом к разрушению фундамента биосферы.