Глобальные круговороты углерода и воды
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.<div class=]()
4.9. А. Круговорот двуокиси углерода." /> 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]()
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[IX]. 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.]()
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».
миллион.
