Добровольский В.В. Основы биогеохимии

Подождите немного. Документ загружается.

время окисляется, ржавеет примерно 10 % этого количества, на что расходуется

около 34010

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 СО

, обогащенного легким

изотопом

С, 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.

321

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 SO

. Это химически

агрессивное соединение. Главная эмиссия SO

происходит при сжигании

каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно

присутствуют серосодержащие органические соединения. Значительные массы

выделяются в атмосферу при выплавке металлов. В 1986 г. было

выброшено в атмосферу (10

т) в США: СО

- 18,4; SO

- 20,3; в СССР: СО

15,4; SO

- 18,8. Выбросы SO

в Восточной Европе составили (10

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) • 10

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.

322

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 1510

км

, 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

323

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 1,210

т/год, одновременно с урожаем в биологический

круговорот вовлекается 4810

т азота, 3610

т калия и 120

т Р

. С учетом

всей другой сельскохозяйственной продукции эти массы еще больше. Вынос

азота с общемировым урожаем в 1970— 1971 гг. составил 10610

т, в 2000 г.

около 20010

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

2,4210

км

. В доисторические времена леса покрывали всю площадь, в

настоящее время они сохранились лишь на 1,5 млн км

; 0,3 млн км

занято

пашней; 0,38 млн км

— лугами и пастбищами; 0,24 млн км

— 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, 10

• т/год

азот фосфор калий кальций сера

I II I И I II I II I II

Лесная зона, плошадь 2,42 • 10

км

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 21,1 20,6 2,9 2,38 5,5 9,91 9,2 8,1 1,5 1,46

324

биологический

круговорот

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 • 10

км

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 км

южных степей, занятой в доисторическое время разнотравно-

типчаково-ковыльной растительностью, распахано около 0,22 млн км

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,

325

фосфора и калия, 10

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

0,8

283

Поступление с атмосферными осадками на сушу (до

широкого загрязнения тропосферы)

50 65

Содержание в продукции восстановленной природной

растительности континентов

3500 3550 1800

* Без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющей около 4010

т/год

азота.

Особого внимания заслуживает существующее распределение масс азота

в мировом сельском хозяйстве. Как видно из табл. 16.2, в 1970 г. в

обрабатываемые почвы всего мира с минеральными удобрениями вносилось

около 3010

т/год азота, в 1990 г. — около 6010

, в 2000 г. — до 12010

т/год. В связи с агрохимической интенсификацией сельского хозяйства

возникла проблема азота, имеющая не только биогеохимическое, но также

экологическое значение.

Во-первых, искусственное введение крупных масс азота в

обрабатываемые почвы нарушает сбалансированность массообмена в системе

почва —растительность. Избыточные массы азота, не включенные в

биологический круговорот, активно вовлекаются в водную миграцию. В

геохимически подчиненных экогеосистемах (отрицательных элементах

рельефа, озерах, а также водохранилищах, образованных плотинами

гидростанций) аккумулируются соединения азота. Это вызывает усиленный

рост водной растительности, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми

растительными остатками и продуктами разложения. Во-вторых, аномально

высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой

повышенную концентрацию этих элементов в сельскохозяйственных продуктах

питания и питьевой воде. Установлено, что попадающие в организм человека

нитриты образуют соединения, нарушающие кислородный обмен в крови

человека и вызывающие метгемоглобинемию. Это сопровождается серьезными

заболеваниями, особенно у детей. Не менее опасно образование нитрозоаминов,

обладающих канцерогенными свойствами.

Имеющиеся данные позволяют заключить, что благодаря сильной

незамкнутости природных циклов массообмена, связывающих отдельные

экогеосистемы, нормальное функционирование глобального цикла азота

сохраняется. Однако в некоторых сельскохозяйственных районах избыточные

массы азота, которые не могут быть захвачены в биологический круговорот,

вовлекаются в водную миграцию и нарушают нормальное функционирование

326

биогеохимически подчиненных экогеосистем в районах интенсивного

сельскохозяйственного производства.

Наиболее интенсивный поток веществ, поступающих в глобальную среду

в результате хозяйственной деятельности людей, в настоящее время связан с

добычей, транспортом, переработкой и сжиганием горючих полезных

ископаемых. Включение огромной массы природных органических соединений

в систему биогеохимических циклов биосферы пока еще полностью не

осознаны, но многие негативные последствия этого процесса очевидны.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами Мирового океана нарушает всю

систему биогеохимических циклов и является одной из наиболее актуальных

инвайронментальных проблем начала III тысячелетия. Потери нефти при

эксплуатации скважин и авариях нефтепроводов глубоко поражают отдельные

наземные биогеосистемы. Тяжелые компоненты нефти, попадая в почву на

длительное время изменяют ее водно-физические свойства и направленность

микробиологических процессов. Излияние нефтяных вод приводит к

образованию техногенных солончаков в ландшафтах, где по природным

условиям их образование невозможно Выбросы в атмосферу вместе с

нефтяными газами сероводорода деформируют биогеохимические циклы

многих элементов. Среди химических компонентов нефти и ее дериватов для

организма человека особую опасность представляют полициклические

ароматические углеводороды, часть которых канцерогенна. В силу изложенных

обстоятельств в развитых странах осуществляются разнообразные и

дорогостоящие мероприятия, направленные на предотвращение и

нейтрализацию последствий загрязнения нефтью. В частности, затраты на

охрану окружающей среды в нефтяной промышленности США в 1980-х гг.

составили около 2 млрд долл.

Вблизи мест разлива нефти образуются специфические геохимические

аномалии, имеющие сложную структуру, обусловленную дифференциацией в

процессе фильтрации. Формирование таких аномалий детально изучено

Н.П.Солнцевой в условиях тундровых и таежных ландшафтов России (рис.

16.3)

327

Рис 16 3 Модель загрязнения сырой нефтью

(по Н.П.Солнцевой, упрощено):

зоны загрязнения 1 — преимущественного осаждения тяжелых фракций нефти, 2 —

преимущественного осаждения легких фракций, 3 — преимущественного накопления

минерализованных вод и легких фракций нефти, 4 — направления миграции нефти, 5 — поступление

нефти с пленки на поверхности грунтовых вод, 6 — зона вторичного загрязнения над уровнем

грунтовых вод, 7 — уровень грунтовых вод

Еще более значительные массы отходов образуются при эксплуатации

месторождений каменного угля. Вблизи шахт и открытых разработок

атмосфера загрязнена угольно-силикатной пылью и дымом, почвы погребены

под отвалами вскрышных пород, состав поверхностных и грунтовых вод

трансформирован продуктами окисления сульфидов железа, содержащихся в

углях. Вокруг шахт и разрезов образуются поликомпонентные геохимические

аномалии. В районах длительной эксплуатации отдельные техногенные

аномалии сливаются в обширные техногенные геохимические поля, которые

служат мощными источниками эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу.

Влияние этих полей распространяется далеко за их границами. Достаточно

вспомнить случаи трансграничного переноса воздушных масс, обогащенных

при сжигании угля оксидами серы и обусловленные этим кислотные дожди.

Следует отметить, что во многих развитых странах дальнейшая

эксплуатация угольных месторождений сокращена или даже полностью

прекращена и районы, многие десятилетия служившие примером губительных

для природы разработок каменного угля (бассейн Рура в Германии, «Черная

долина» в области среднего течения Роны во Франции), благодаря энергичным

социально-экономическим и инженерным действиям рекультивированы и их

природа возрождена.

В последние годы возник новый вид загрязнения органическими

веществами, входящими в состав топлива космических ракет. Токсичными

328

компонентами реактивного топлива является несимметричный

диметилгидразин, хорошо растворимый в воде и свободно вовлекаемый в

биологический круговорот.

Изучение участков, загрязненных остатками топлива, поступающими на

поверхность почвы с остатками отделяемых ступеней ракет, было проведено в

ландшафтах Центрального Казахстана Н.С.Касимовым и сотрудниками.

Установлено, что диметилгидразин задерживается в гумусовом горизонте

каштановых почв (средняя концентрация n0,01 мг/кг), где образует ясно

выраженные геохимические аномалии. Благодаря хорошей растворимости

токсикант распространяется по почвенному профилю на глубину промачивания

атмосферными водами, активно вовлекается в водную миграцию с

поверхностным стоком и накапливается в бессточных депрессиях рельефа. В то

же время диметилгидра-зин активно поглощается растениями, в результате чего

его средняя концентрация в степной растительности почти на порядок выше,

чем в почве (рис. 16.4). Соответственно размеры аномалий в растительности

превышают размеры аномалий в почвах.

Рис. 16.4. Распределение концентраций несимметричного диметилгидра-

зина в почвах (7) и растениях (2) в районе запуска ракет в Центральном

Казахстане (по Н.С.Касимову и др., 1994)

Учитывая химические свойства несимметричного диметилгид-разина,

можно предполагать, что в ландшафтно-геохимических условиях гумидных

областей он будет более активно вымываться и образовывать менее ясные

аномалии в почвах.

329

16.2. ЛОКАЛЬНЫЕ (ИМПАКТНЫЕ)

АНТРОПОГЕННЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Среди последствий хозяйственной деятельности человеческого общества

особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов

в окружающей среде. Различные металлы (как использовавшиеся с отдаленного

времени, так и получившие применение недавно) используются в

индустриальном производстве в нарастающем количестве. Это хорошо видно

на рис. 16.5.

Рис. 16 5. Рост добычи металлов на протяжении XX в.

На графике показан рост добычи руд меди, разрабатывающихся с

глубокой древности, и руд молибдена и урана, промышленная разработка

которых началась в XX в.

Как видно из приведенных цифр, металлы извлекаются в количестве,

непропорциональном их содержанию в земной коре и педосфере,

применительно к составу которых развивались формы наземной жизни.

Например, кларк алюминия в тысячу раз больше кларка меди, а современная

добыча этих металлов очень близка и различается всего в несколько раз.

Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ванадия, а производят

молибдена значительно больше.

Самая главная, на первый взгляд парадоксальная, особенность

330