Основы инженерной экологии (стр. 2 )

3.3.2. Денитрификация и ее значимость для биосферы

Все формы связанного азота хорошо растворимы в воде. По этой причине связанный азот попадает в океан и теряется надолго для биосферы в донных отложениях. Запасы атмосферного азота при этом уменьшились бы. Однако в биосфере имеет место процесс, приводящий к освобождению связанного азота и удалению его в атмосферу. Эту роль выполняют бактерии денитрификаторы, а процесс называется денитрификацией. Бактерии разлагают нитраты и восстанавливают азот, который и улетучивется, например:

5×С6Н12О6+24×KNO3 ® 30×CO2+18×H2O+24×KOH+12×N2 + 2394 кДж/моль

Этим процессом завершается круговорот азота, который начинается с газообразного атмосферного азота и заканчивается разложением связанного до газообразного, возвращающегося в атмосферу.

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т. е. в отсутствии кислорода. Чтобы окислить органическое вещество с целью питания бактерии используют нитратный ион как акцептор электронов. Количество выделяемой при этом энергии почти такое же, как при окислении кислородом. Денитрификация идет как на суше, так и в море. На суше эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом, особенно удобренных навозом. В целом ежегодно из-за них улетучивается 20 % связанного азота. Применительно к потребностям человека в его хозяйственной деятельности раньше считалось, что роль бактерий-денитрификаторов опасна, т. к. они уменьшают ресурсы и без этого дефицитного связанного азота в биосфере. Но, как отмечено выше, связанный азот ушел бы в океан, а, с другой стороны, сейчас масштабы промышленной фиксации азота сопоставимы с биологической фиксацией. С учетом же бобовых, культивируемых человеком, общее количество азота, вносимого человеком в почву, на 10% превышает количество азота, фиксируемого в природе, т. е. нарушен круговорот азота. Это уже становится опасным, с учетом еще и того факта, что часто с удобрениями обращаются неосторожно. Реки и озера могут перенасытиться азотом, и вода может стать непригодной для питья. Кое-где это уже произошло.

В этом случае возникает необходимость уже искусственной культивации бактерий-денитрификаторов для уменьшения количества связанного азота. На это потребуется много усилий.

Проблема высвобождения излишков связанного азота осложняется постоянным увеличением количества азотсодержащих отбросов, связанных с ростом народонаселения и поголовья скота.

Таким образом, деятельность, направленная на то, чтобы прокормить растущее народонаселение, должна быть уравновешена, и при этом чем раньше, тем лучше, поисками путей к сохранению равновесия в круговороте азота.

На рис.2 приведена диаграмма круговорота азота, в млн. т/год, из которой наглядно видно, что промышленная фиксация азота сопоставима с биологической и значительно превышает остальные статьи поступления связанного азота в биосферу. Разница суммарного итога фиксации и денитрификации в 9 млн. т/год обусловлена отложением связанного азота в биосфере - в почве, подземных водах, озерах, реках, океане.

Диаграмма поступления связанного азота

в биосферу и теряемого биосферой

Рис. 2

3.4. Фосфор в природе и его круговорот

Фосфор в растениях содержится частью в органических, частью неорганических соединениях.

Важными органическими фосфорсодержащими соединениями в растениях являются нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дизоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), входящие в состав нуклепротеидов - сложных белков, состоящих в свою очередь из нуклеиновых кислот и простых белков. РНК регулирует синтез тех белков, которые специфичны для данного вида растений; ДНК передает наследственные формы организма.

Соединения фосфора играют важную роль в дыхании и размножении организмов. В пересчете на Р2О5 содержание фосфора в некоторых частях растений достигает 1,6 %. Усиление питания фосфором повышает засухоустойчивость и морозостойкость растений и увеличивает содержание в них ценных веществ - крахмала в картофеле, сахарозы в сахарной свекле и др. При недостатке фосфора наблюдается грязно-зеленая и более темная окраска листьев. Это вызвано тем, что образование хлорофилла идет быстрее, чем рост листьев, при недостатке фосфора. В результате чего на единицу листовой поверхности приходится больше хлорофиллоносных тканей, и цвет меняется. Еще одним признаком недостатка фосфора является “жесткость” листьев, характеризующаяся строго вертикальным их ростом. Особенно часто она заметна у зерновых культур и свеклы.

Особо следует отметить, что из всех элементов организма фосфор имеет наибольшее экологическое значение. Недостаток фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем недостаток любого вещества, за исключением воды.

3.4.1. Фосфор в почве

Растения поглощают фосфор из почвенного раствора в виде неорганических соединений фосфорной кислоты - ионов . Содержание же усваиваемого фосфора в почве зависит от материнской породы и степени ее выветривания. Различают три вида усваиваемых форм фосфора: неорганическая, органическая и искусственно синтезированная.

Неорганическая. Земная кора содержит достаточно большое количество фосфора: 0,08-0,12 % по весу. Известно около 120 фосфорсодержащих минералов. Это апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния, титана, свинца. Все они являются труднорастворимыми в воде, из-за этого в почвенном растворе концентрация фосфат-ионов невелика. Для сравнения: концентрация нитратных ионов в 10-100 раз больше.

Органические фосфорные соединения доступны для растений только после ферментативного расщепления - дефосфорилирования, производимого почвенными организмами в процессе минерализации отмершего органического вещества. Доля органического фосфора в питании растений составляет 25-60 %, в торфяных почвах она выше.

Искусственно полученные соединения фосфора являются водорастворимыми, хорошо усваиваются растениями. Это такие удобрения, как двойной суперфосфат - Са(Н2РО4)2Н2О, фосфаты аммония, нитрофоска и другие.

Переход фосфора в усваиваемую форму в почве происходит в результате так называемых обменных реакций фосфора. Примером такой обменной реакции является адсорбционная форма фосфат-ионов. Фосфат-ионы адсорбируются на поверхностных гидроксильных группах ОН гидроксидов алюминия, железа:

OH ОН

(AI, Fe) –– OH + H2PO4 ® (AI, Fe) –– O – PO3H2 + OH

OH ОН

OH

где (AI, Fe) – O – PO3H2 - адсорбционно связанная форма.

OH

Кроме того, фосфат-ионы могут адсорбироваться на гранях и ребрах частиц глинистых минералов.

Путем ионного обмена фосфат-ионы переходят в почвенный раствор и составляют таким образом часть доступного запаса фосфора. В почве таким образом связано 4-10 % всего фосфора.

3.4.2. Круговорот фосфора

Усваиваемая часть фосфора, участвующая в ионном обмене и составляющая 4-10 % от всего фосфора в почве, с необходимостью оказывается включенной в круговорот воды и выходит из почвы с подземными водами, достигает океана и теряется на дне в отложениях. В связи с этим круговорот фосфора, как считают некоторые ученые, представляет собой пример простого незамкнутого цикла. Незамкнутый цикл означает, что фосфор уходит из сферы обращения в круговороте, а значит из биосферы. Считается, что в биосфере это единственный элемент с разомкнутым циклом. В других рассмотренных циклах углерода, азота мы видели естественный баланс, если человек своей хозяйственной деятельностью не вмешивается в круговорот элементов. Но здесь человек, осознав создаваемую им экологически кризисную ситуацию, может исправить нежелательные последствия. А вот фосфор, видимо, неподвластен усилиям человека из-за естественно протекающих природных процессов. Известный эколог Ю. Одум пишет, что нам придется серьезно заняться возвращением фосфора в круговорот, если мы не хотим погибнуть с голоду.

Кроме этого, производя фосфорные водорастворимые удобрения, человек ускоряет убыль природных фосфатов. Ежегодно на эти цели расходуется во всем мире около 3 млн. т апатита и фосфоритов. Возвращается фосфор на сушу только одним путем (из океана) - за счет рыболовства и птиц Гуано. Большая часть рыбы перерабатывается в рыбную муку и используется как удобрение. Птицы гуано обитают бесчисленными колониями на побережье океана (Перу, Аргентина, Индия) и питаются рыбой. Помет и останки птиц создали громадные залежи фосфатов кальция. В этих районах, особенно в Перу, ведутся разработки фосфатов гуано. Однако сейчас накопление гуано идет весьма неэффективно в связи с тем, что освоение районов с целью добычи удобрения уменьшило колонии птиц. В Перу даже введено законодательство, запрещающее всякое вмешательство в жизнь колоний птиц, и временно прекращена разработка фосфатов. Ранее же толщина слоя накопления фосфатов гуано составляла 11 см на 1 м2 за год.

С этими двумя источниками - рыболовством и гуано возвращается в круговорот 60 тыс. т. фосфора в год. Расход же, как изложено выше, составляет 3 млн. т. Эти цифры характеризуют весьма быструю убыль фосфатного сырья, которое практически не восстанавливается. Разведанные запасы фосфатного сырья пока огромны, около 26 млрд. т. Хватит их относительно надолго, но в итоге положение с круговоротом фосфора может стать в биосфере т р е в о ж н ы м.

3.5. Вода в природе, круговорот воды

Вода является средой и источником водорода для жизненных процессов и необходима физиологически для протоплазмы - жидкой части крови. Вода - самое распространенное в биосфере вещество, хорошо знакомое и очень необычное неорганическое соединение.

Физические свойства воды в большинстве своем уникальны и резко выражены по сравнению с такими же свойствами других веществ. Замерзает вода сверху. Биологическое значение этого для водоемов хорошо известно. Вода имеет самую высокую теплоемкость, самую высокую скрытую теплоту парообразования и самую высокую, не считая ртути, теплопроводность. Следствием этих свойств является медленное нагревание и охлаждение воды; большие водоемы в связи с этим являются буфером на резкие изменения температуры, в том числе на суше, почве, что важно для экологии. Молекула воды обладает небольшим дипольным моментом и слабо ионизирована. В ней до какой-то степени растворены все вещества; к счастью, эта степень для многих веществ крайне мала. Благодаря этому свойству воды растения извлекают питательные элементы из почвенного раствора. Вода имеет самую высокую диэлектрическую проницаемость. Это исключительное свойство воды обеспечивает длительное пребывание веществ в растворенном состоянии. Из-за высокой диэлектрической проницаемости жидкая вода в биосфере никогда не бывает чистой (в отличие от ее паров и льда, являющихся химически чистой водой). Это, собственно говоря, раствор, в котором всегда содержится некоторое количество водородных ионов, характеризующихся рН. Это важный показатель в экологии для описания разных проб воды. Для воды в почве рН колеблется от 3 (сильно кислая) до 10 (сильно щелочная). Почвы, в которых растет большинство наших растений, в том числе сельскохозяйственные культуры, имеют рН в пределах 6.

Морские организмы обитают в среде с более стабильным рН. Прибрежные воды имеют рН, равный 9, средний рН океана несколько выше 8. При водородном показателе меньше 7,5 многие морские организмы погибают, т. к. карбонаты будут оставаться в растворе и образование скелета животных окажется невозможным.

Вода является составной частью живых организмов. В теле млекопитающих она составляет 60 % по весу, в растительных организмах достигает 95 % : водоросли 96-98 %, стволы деревьев 40-55 %, листья 79-83 %. Потеря воды для большинства организмов губительна.

3.5.1. Мировой баланс воды

Этот вопрос обсуждался на Международном симпозиуме летом 1970 г. в Англии, проводившемся по программе Международного Геофизического Года (МГГ).

Мировые запасы воды слагаются из жидкой (соленая и пресная), твердой (пресная) и газообразной (также пресная). На пресную воду приходится 3 % общего мирового запаса воды. Из этих трех процентов три четверти приходится на полярные снеговые шапки и ледники, т. е. на твердую воду, и лишь одну четвертую составляет жидкая пресная вода в озерах, реках, грунтовых водах. В атмосфере содержится очень немного воды в виде водяных паров, но она имеет огромное значение как основной переносчик энергии и в значительной мере определяет погоду.

Общий объем воды на Земле точно еще не установлен, но считают, что он составляет 1500 млн. км3 . Обычно запасы выражают для удобства в высоте столба на единицу площади. При площади Земли 510 млн. км2 это количество в высоте столба будет: 1500/510=3 км, т. е. вода, помещенная на поверхности Земли, имела бы высоту 3 км.

Из общей высоты 3000 и соленая вода составила бы 2700-

2800 м, вода в снегах и ледниках - 120 м, грунтовые воды - 45 м, поверхностные пресные воды (озера, реки) - от 0,4 до 1 м, водяные пары в атмосфере - 0,03 м.

3.5.2. Большой круговорот воды

Большой круговорот воды на земном шаре хорошо известен, а именно: испарение, вызываемое солнечной энергией, создает атмосферную влагу. Эта влага конденсируется в облака. Облака переносятся ветром. Охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега. Осадки поглощаются почвой или стекают по ее поверхности. В итоге вода возвращается в моря и океаны и все повторяется. Это большой круговорот воды и он хорошо замкнут.

3.5.3. Круговорот воды в пределах экосистем

Здесь выделяют 4 фазы: перехват, эвапотранспирация, инфильтрация и сток.

Перехват. Растительность выполняет важную экранирующую функцию листьями, кроной деревьев, перехватывая часть выпадающей в осадок воды до того, как она достигнет почвы. Эта вода испаряется в атмосферу и теряется для экосистемы. Максимальный перехват при дождях может достигать 25 % в умеренных широтах. Перехват порождает некоторую неравномерность в распределении воды в почве. Последнее оказывается немаловажным для мелких организмов, обитающих на ее поверхности.

Эвапотранспирацией называют отдачу экосистемой воды в атмосферу. Термин “эвапотранспирация” происходит от двух латинских слов: эвапорация (evaporatio) - испарение и транспирация (transpirare) - испарение воды растениями. Таким образом, экосистема отдает воду за счет физического испарения преимущественно с поверхности почвы и биологического испарения растениями.

Количество воды, испаряемое растениями биологически, обычно велико и увеличивается с улучшением водоснабжения растений. Так, одна береза испаряет за день 75 л воды, бук - 100л, липа - 200 л, 1 га леса - до 50 тыс. л. Такое большое количество воды растения транспирируют для извлечения питательных элементов и поддержания температурного режима тканей.

Коэффициент транспирации - это количество воды, транспирируемое для создания одного килограмма сухого вещества за сезон. Этот коэффициент очень велик и колеблется от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Физическое испарение почвы - это функция климата. Оно оценивается в Средней Европе величиной 1 тыс. т на гектар за год.

Величина эвапотранспирации - это сумма физического испарения почвы и биологической транспирации растениями. Для Средней Европы она оценивается как 3-7 тыс. т на гектар за год.

Инфильтрация означает просачивание воды в почву после осадков, откуда она испаряется или питает грунтовые воды.

Сток обуславливает потери пресной воды для экосистемы. Он повышается с увеличением крутизны склонов и с уменьшением плотности растительного покрова. Оголенные почвы крутых склонов подвергаются сильной эрозии за счет поверхностного стока.

В целом круговорот воды с учетом биологической транспирации представлен на нижеследующей схеме осадков в мм/год:

В свою очередь осадки в экосистеме распределены так:

Из этой схемы следует, что из 771 мм осадков большая часть - 404 мм - возвращается в атмосферу за счет наземных экосистем, и это свидетельствует о преимущественной роли именно наземных экосистем в круговороте воды. Важно отметить и тот факт, что большая доля в круговороте воды приходится на транспирацию, осуществляемую растительным покровом - 290 мм или 38 % выпадающих осадков. В пойме реки Конго на транспирацию, например, приходится более 75 % осадков.

Любопытно, что несмотря на очень большую густоту населения, количество воды, используемое для бытовых нужд, едва выходит за 20 мм - это 2,5 % общего количества осадков.

Отличие цикла воды от углерода, азота и других элементов состоит в том, что азот и углерод в экосистеме накапливаются и связываются. Вода же проходит через экосистему почти без потерь. Экосистема ежегодно использует на формирование биомассы лишь около 1 % воды из 38 % транспирируемых по приведенной выше реакции фотосинтеза. Роль процесса транспирации для растений рассмотрена выше.

3.5.4. Круговорот воды и хозяйственная деятельность человека

Учет круговорота воды в пределах экосистем весьма важен в хозяйственной деятельности человека. Растительность адаптируется к круговороту воды. Искусственное изменение состава растительности приводит к глубоким изменениям в окружающей среде. Так, например, насаждения акации или эвкалипта, вывезенных из Австралии, где мало осадков, в тропические районы, транспирируют много больше воды, чем обеспечивается годовыми осадками. Эвкалипты в Претории способны транспирировать до 2500 мм осадков, а выпадает их здесь 760 мм. Недостающее количество воды эвкалипты вынуждены пополнять из водоемов, понижая их уровень или полностью иссушая. Последнее пагубно для экосистем родной местности. Занимаясь разведением экзотических растений, следует быть осторожным.

Удаление растительности, вырубка лесов приводит к увеличению поверхностного стока и эрозии почвы, теряются и питательные элементы, экосистема беднеет. Сейчас формируется тенденция ведения земледелия без вспашки, что исключает или уменьшает эрозию почвы за счет поверхностного стока. Строительство предприятий, городов, аэродромов, дорог и других сооружений также увеличивает поверхностный сток. Уже сейчас на суше заасфальтированная территория равна по площади государству Франции.

Не лучшим решением с экологической точки зрения является и создание водохранилищ. В данном случае важно, чтобы собираемая в водохранилища вода просачивалась в почву, обеспечивая круговорот в экосистеме. Нам следовало бы возвращать больше воды в водносные слои, не пытаясь хранить ее в водоемах, озерах, откуда она быстрее испаряется.

ГЛАВА 4. ПОЧВА КАК ЭКОСИСТЕМА

В главе рассматривается один из важнейших механизмов биосферы - образования и минерализации гумуса. Эти два процесса в биосфере обеспечивают плодородие почвы и завершение круговорота веществ. Установившееся за миллионы лет соотношение скоростей накопления и минерализации гумуса проявилось в важнейшей стратегии природы - стабилизации биосферы и одной из ее составных частей - атмосферы с известным составом газов около 21 % О2, 79 % N2, 0,03 % СО2 и др.

Человек хозяйственной деятельностью нарушает и эту стратегию природы: ускоряет минерализацию гумуса вспашной почвы под посевы, разрушает почву, снижает ее плодородие, понижает стабильность экосистем.

4.1. Механизм образования гумуса, его состав и

значение для биосферы

Почва - продукт климатических факторов и организмов. Она представляет собой смесь:

1) минеральных веществ, полученных при распаде горных пород под воздействием физических и химических факторов среды;

2) органических веществ, возникающих в результате разложения растительных остатков почвенными организмами.

Таким образом почва населена, а первичной продукцией организмам являются отмершие органические вещества.

Следовательно, по этим признакам почва является экосистемой. Поток энергии отмершего органического вещества в почву называют детритным потоком (лат. deterere - изнашиваться).

Почвенные организмы выполняют гигантскую работу - минерализуют органические остатки и возвращают в круговорот СО2 и минеральные элементы.

Почвенные организмы делятся в зависимости от размеров на:

Микробиоту - бактерии, грибы, простейшие и почвенные водоросли;

Мезобиоту - нематоды - мелкие несегментированные черви численностью до 10 млн/м2, мельчайшие личинки насекомых, клещи, ногохвостки;

Макробиоту - крупные насекомые, дождевые черви, а также роющие - кроты, суслики и др. Их называют еще почвенные животные.

Разлагая отмершую органику, почвенные организмы получают энергию для своей жизнедеятельности и их остатки и экскременты образуют г у м у с - который затем минерализуется.

Зачинателями разложения являются организмы третьей группы. Они механически измельчают растительную подстилку и придают ей форму, доступную для разложения затем микроорганизмами.

Поскольку гумус является продуктом жизнедеятельности организмов, то в чистом виде он не существует и изучить в лаборатории его нельзя. Состав его точно неизвестен. Это самое сложное вещество в мире. В состав его входят ароматические кольца, циклический азот, углеводные остатки, азотсодержащая боковая цепь. Эти структурные единицы придают устойчивость гумусу.

Гумус - это темный, желто-коричневый продукт. Основой его являются гуминовые кислоты.

Гумус происходит от латинского слова почва или перегной (humus).

Особенность гумуса - устойчив к дальнейшему разложению, т. к. сам является конечным продуктом разложения. Поэтому он долго сохраняется в почве.

Гумус имеет большое значение для плодородия почв. Он улучшает структуру почвы, делает ее рыхлой и проницаемой для воздуха. Кроме того, органические вещества гумуса образуют комплексы с минеральными элементами. Это облегчает усвоение их растениями. Т. е. элементы концентрируются в гумусе.

Различают гумус трех видов:

Модер - грубый гумус,

Муль - мягкий гумус,

Мор - микогенный гумус.

Модер - образуется, когда в разложении участвуют только организмы макробиоты - 3 группы. Поедая подстилку, они усваивают только 5-10 %, а остальные 90-95 %, пройдя через кишечник в виде экскрементов, смешиваются с землей. Такая механическая смесь неиспользованной (но измельченной) пищи с минеральными частицами почвы и есть грубый гумус - модер. Плодородие его меньше.

М г/год на одного червя. Подсчитано, что при плотности червей 30 тыс./га (а это мало) они могут переработать за сезон 1,5 т листвы, смешивая их с 15 т сухой земли. В среднем их экскременты достигают 25 т/га год. Это значит. что за 65 лет весь поверхностный пласт почвы на глубину плужной борозды пройдет через пищеварительный тракт червей.

В садах, на удобренных почвах число червей составляет 2,5 млн./га. При массе червя 0,5 г биомасса 1,2 т/га. С такой биомассой в наземных экосистемах встретиться невозможно. Для сравнения в густонаселенных районах Западной Европы биомасса людей на 1 км2 меньше биомассы дождевых червей.

Вещество, выработанное дождевыми червями, представляет собой неразделимую (в отличие от модера) смесь минеральных и органических коллоидов. Это и есть муль - мягкий гумус. Он имеет более темный цвет, чем нижние слои почвы. Мягким он называется потому, что почва приобретает структуру, делается рыхлой, хорошо аэрирована, обогащена азотом. Плодородие такой почвы больше модера и она более доступна для мелких корней высших растений.

Микогенный гумус(мор) - образуется без участия животных организмов. Образуется на малоплодородной кислой почве. В такой почве условия существования животных организмов неблагоприятны и их здесь нет. В результате запас органических веществ на поверхности почвы неумолимо растет и не минерализуется. Однако на такой почве хорошо развивается (мицелия) грибница. Это грибы сапрофиты, питаются отмершей растительной массой. Последняя оказывается сплошь затканной очень густой сетью мицелия.

Разложение идет медленно, подстилка изменяется мало, уплотняется, превращается в своеобразную лепешку из налипших друг на друга слоев. Эти слои можно сдирать и обнаруживать анатомическую структуру образующих слои растений..

Такой гумус, пронизанный мицелиями, называют микогенным или еще мором - заморенная земля.

Почва содержит много углерода, так как минерализация идет неэффективно то и питательных элементов в почве очень мало. Плодородие такой почвы весьма низкое.

4.2. Минерализация гумуса

Гумус - органическое соединение. Для завершения круговорота элементов он должен разложиться, освободив минеральные элементы. Но выше отмечалось, что гумус продукт устойчивый к дальнейшему разложению (минерализации). Минерализация его идет медленно. Механизм этого процесса не изучен и неизвестно даже, какие организмы осуществляют этот процесс.

Известно только, что разлагается гумус специальными ферментами типа дезоксигеназ. Но какие организмы содержат эти ферменты пока неизвестно. Их пока выделили в группу особых. Предполагают также, что гумус разлагается под действием химических процессов внешней среды.

Успехи в этом направлении пока незначительны, т. к. гумус не поддается изучению в химической лаборатории. Необходимы исследования в природной обстановке. Однако, хорошо изучены процессы образования гумуса в разных экосистемах.

Скорость гумификации зависит от климата.

В степных почвах много гумуса по сравнению с лесными. Это объясняется тем, что травы и их корневая система недолговечны. Поэтому в почву поступает ежегодно много органического вещества. Оно быстро гумифицируется (переходит в гумус) из-за обилия почвенных организмов, но медленно минерализуется из-за длительности сухого сезона.

В лесу же, наоборот, подстилка и корни разлагаются медленно (организмов меньше), а минерализация идет быстро и слой гумуса остается тонким.

Так, степные почвы содержат 12000 т гумуса/га, а лесные - 100 т/га.

В конечном итоге при минерализации гумуса образуются СО2, Н2О, NH3. Последний окисляется до NO2 и NO3 и освобождаются другие питательные элементы.

В соотношении скоростей процессов накопления гумуса и его минерализации проявляется важнейшая стратегия природы. Гумус разлагается медленнее, чем накапливается. В связи с этим в биосфере продуцирование и накопление О2 за счет фотосинтеза идет быстрее, чем выделение и накопление СО2 за счет минерализации гумуса. Соотношение этих скоростей и создало современную атмосферу с 21 % О2 и 0,03 % СО2, к которой приспособились все организмы, в том числе и человек.

Но уже сейчас человек из-за своей беспечности (хозяйственной деятельности) ставит под угрозу и эту важнейшую стратегию природы - разделы 4,3, 4,4.

4.3. Почвы и хозяйственная деятельность человека

Вспашка земли под посевы - процесс инородный для биосферы. Гумус перевернутого пласта почвы быстрее окисляется и в атмосферу поступает ежегодно 2 млрд. т СО2 дополнительно к 5 млрд. т СО2, выбрасываемых за счет сжигания топлива (рис.1). Это приводит к новому большему по величине соотношению СО2 :О2 и устанавливается новое ненадежное равновесие, последствия которого уже обсуждались выше - парниковый эффект с глобальным потеплением и многими катастрофическими последствиями.

4.4. Тропические почвы

В настоящее время остро стоит проблема сохранения биома тропического леса и почвы в тропиках. Особенность тропических лесных почв состоит в том, что в почве мало питательных элементов, т. к. все они находятся в зеленой биомассе и отмерших организмах. При минерализации органических веществ элементы тут же усваиваются растениями, не попадая в почву. Быстрому усвоению их помогает обильная подстилка, состоящая из грибницы - микоризы. Последняя удерживает питательные элементы и подает их к корням растений. Такой симбиоз грибница-корни растений делает экосистему тропического леса весьма замкнутой с быстрым круговоротом элементов. На рис.3 дана диаграмма распределения питательных веществ в биоме тропического леса в сравнении с лесом умеренной зоны.

Распределение питательных веществ в биоме двух экосистем леса

Рис. 3

В наших лесах большая часть питательных веществ находится в почве и разлагающейся подстилке. В тропиках же большая часть этих веществ находится в биомассе-древесине. В связи с изложенным, вырубка тропических лесов с целью получения возделываемых земель совершенно неразумна. С урожаем человек забирает и питательные вещества, которые в почву не возвращаются. На остатках питательных веществ после вырубки леса почва один-два года дает урожай, затем быстро истощается и перестает плодоносить. Эти земли забрасываются. Далее следует полная деградация почвы. Незакрепленная корнями растений она во влажный период подвергается водной эрозии, на поверхность выходят гидроксиды железа, которые в засушливый период обезвоживаются до оксидов и почва превращается в красную подобную кирпичу пустыню. Такие почвы называют латеритными от латинского слова later - высушенный на солнце кирпич.

Однако еще и сейчас проявляется разрушительное хозяйствование цивилизованных народов в возделывании истощающих почву тропических культур, таких как сахарный тростник, кукуруза, кофейное дерево, какао. Все они образуют всепожирающий фронт. В Бразилии тропические леса вырубаются с целью производства древесного угля для металлургических печей выплавки чугуна во вновь открытом крупнейшем месторождении железных руд Караджас, многочисленны и другие примеры.

В целом тропические почвы сейчас уже не содержат практически азота, фосфора, кальция, бедны они и другими элементами. Растительноядные корма здесь особенно бедны кальцием, фосфором. Это вызывает минеральное голодание у травоядных животных. Они с жадностью поедают выветрившиеся кости и т. п.

Сельскохозяйственные культуры уносят из почвы большое количество питательных веществ. Особенность земледелия состоит в том, что питательные элементы не возвращаются в почву, так как основную часть биомассы человек забирает себе с урожаем.

Запас питательных веществ в почве средней полосы в кг/га следующий: азота - 3000, фосфора - 1500, серы (в пересчете на SO2, калия (К2О, магния (МgО

Вынос питательных веществ с урожаем некоторых культур составляет, кг/га:

	Элемент	N	Р	К	Са
	пшеница	70	30	50	30
	картофель	90	40	160	76
	люцерна	-	-	-	242
а при выпасе скота:
	вес одного животного, кг	N	Р	К	Са
	бык, 600	16	5	1	0,6
	овца, 70	1,6	0,4	0,1	0,6

Эти данные свидетельствуют о том, что теоретически через некоторый период времени в пределах 15-150 лет почва может быть полностью истощена. Следовательно, для поддержания удовлетворительной продуктивности необходимо восстанавливать утрачиваемые элементы в форме удобрений. Резервы питательных веществ в лесах также уменьшаются в результате вывозки стволов с лесосек. Хорошо, если стволы вывозятся очищенными (древесина содержит мало микро - и макроэлементов), если же стволы вывозятся с корой, то теряется много кальция, т. к. кора содержит значительные количества этого элемента. Очистка древесины на лесосеках возвращает в почву питательные элементы с листьями и ветвями в количестве, кг/га: