Материал: 2436

геохимических циклов. Фосфор, являясь биофильным элементом, имеет низкую миграционную способность, и его биофильность невелика (0,75).

Таблица 3.

Распределение масс фосфора в биосфере

Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континентального стока до вмешательства человека. На суше в биокруговорот ежегодно вовлекается 345*106 т элемента. В экосистемы неорганический фосфор попадает из пород земной коры в результате их разрушения или при разложении органического вещества редуцентами. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме растворенных фосфат ионов. Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. В воде фосфаты кальция малорастворимы,

вщелочной среде – практически нерастворимы. В кислой среде образуются химические комплексы, связывающие фосфор с алюминием, железом и марганцем, извлекая фосфор из активного фонда биогенных элементов. Фосфор наиболее легко доступен в узком диапазоне кислотности, в слабокислой среде.

Врастениях фосфор участвует в синтезе различных органических соединений, далее по пищевым цепям переходит к животным и возвращается

впочву в виде фосфатов, либо непосредственно – выводимый животными, либо опосредованно – в результате бактериального преобразования органических соединений, содержащихся в остатках отмирающих растений. Фосфаты при посредстве фосфатмоболизующих бактерий образуют растворимые фосфат ионы, доступные растениям.

Рассматривая почву как источник фосфорного питания для растений, отмечаем, что содержание составляет около 0,08 %, и в почве фосфор может быть в двух формах:

1) фосфор входит в структуру первичных минералов и встречается в форме фосфатов кальция (до 80 % – апатиты, фосфориты) и в форме фосфатов железа и алюминия;

2) от 25 до 85 % общего фосфора в разных почвах находится в органической форме. Органический фосфор составляет 0,5-2 % количества

16

органического вещества почвы. Масса почвенного органического вещества составляет 4,65*109 т.

Впочву соединения фосфора поступают с растительными и животными остатками, экскрементами животных, а также с минеральными удобрениями.

Вминерализации органических и неорганических фосфатов (фосфат кальция в нейтральных и щелочных почвах, фосфаты алюминия и железа в кислых) участвуют различные микроорганизмы: бактерии (родов

Pseudomonas, Bacillus), грибы Penicillium, Aspergillus и другие),

актиномицеты, дрожжи. При разложении органических веществ микроорганизмами последние фиксируют в своих клетках определенное количество фосфора, содержащегося в этих веществах. Поэтому внесение в почву органических соединений, бедных фосфором, например, соломы, может вызвать биологическое закрепление фосфатов и связанное с ним фосфорное голодание растений.

Растворение фосфатов в почве происходит в результате выделения микроорганизмами углекислоты и кетокислот при неполном окислении углеводов или их брожении. При этом труднорастворимые трикальцийфосфаты переводятся в растворимые моно- и дигидрофосфаты.

В некоторых случаях растворению фосфатов способствует азотная кислота, образуемая нитрифицирующими бактериями, и серная кислота, появляющаяся в результате сульфофикации. Все это повышает доступность фосфора для растений. Однако растворимые формы фосфора биологически и химически адсорбируются почвой и довольно прочно закрепляются в ней, поэтому вымывания фосфора из почвы практически не происходит.

Но в анаэробных условиях под влиянием фосфатредуцирующих бактерий возможно восстановление фосфорной кислоты до фосфорноватистой и фосфористой кислоты, которая может улетучиваться из почвы.

Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен не в живом веществе, а в горных породах, включая вулканический апатит. Образующиеся в процессе эрозии горных пород растворимые фосфаты частично выщелачиваются и сносятся в водоем. В ионной форме в океан с континентальным стоком поступает 1*106 т/год фосфора.

Количество фосфора, выносимое со взвешенными твердыми частицами, значительно превышает массу растворенных форм фосфора. Средняя концентрация взвешенных форм элемента равна 510 мкг/л, а выносимая во взвеси масса оценивается в 21*106 т/год, что составляет 88 % общей массы выносимого реками фосфора. Интенсивность стока фосфора с суши тесно связана с физическими, химическими и биологическими факторами, влияющими на скорость механической эрозии.

Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. В океане в биологический круговорот фотосинтетиками ежегодно вовлекается 1210*106 т, что существенно больше по сравнению с вовлекаемой в биокруговорот массой

17

фосфора на суше. Это свидетельствует об ограниченности запасов доступного фосфора, как и азота, в океане, в то время как на суше живое вещество более обеспечено.

Впищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона к рыбам, далее к морским птицам, возвращающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Образование гуано в масштабе биосферы на сравнительно короткий период размыкает круговорот фосфора. Возвращение минеральных фосфатов в воду осуществляется посредством биовосстановителей.

Во всех водных экосистемах, так же, как и в континентальных, фосфор встречается в четырех формах: минеральные и органические, нерастворимые

ирастворимые, фосфаты биомассы и мертвого вещества.

Вводах умеренных широт в зимнее время возрастает содержание минеральных фосфатов. Максимального значения концентрация фосфатов достигает весной, в то время, когда биосфера особенно сильно в них нуждается. Фосфор, накопленный в отложениях на мелководьях в иле в процессе фоссилизации, высвобождается, когда в зимнее время среда становится анаэробной. Таким образом, естественные условия, способствующие выбыванию серы из круговорота при ее восстановлении в присутствии закисного железа, обеспечивают высвобождение фосфатов. В водной среде круговорот фосфора осуществляется живыми организмами с большой скоростью: от 10 минут в поверхностных водах до нескольких часов в океане.

Если в наземных экосистемах круговорот фосфора протекает в оптимальных условиях с минимум потерь, то в океане дело обстоит далеко не так. Это связано с седиментацией (осадконакоплением, осаждением) органических веществ и, в частности, с осаждением богатых фосфором трупов рыб, не использованных детритофагами фрагментов мертвого органического вещества. Выведение масс фосфора в осадочные толщи ориентировочно составляет (2-10)* 106 т/год.

Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливноотливных зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации. Однако это не распространяется на глубоководные отложения, занимающие 85 % общей площади океана. Частично фосфор в поверхностные воды океана возвращается за счет апвеллинга (подъема океанических глубинных вод). Основная масса фосфатов, отложенных на больших морских глубинах, исключается из биосферы. Моря и океаны являются главными аккумуляторами фосфора. Попав в водоем, фосфорные соединения практически надолго выбывают из биологического круговорота.

Но элементы осадочного цикла не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему на поверхность осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей.

18

Характерная особенность глобального цикла фосфора – отсутствие постоянно действующего потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным потоком с суши в океан. Медленное, но непрекращающееся осаждение фосфора в океане неуклонно выводит его из миграционных циклов низшего ранга. Глобальный цикл фосфора является наименее замкнутым по сравнению с другими рассмотренными ранее элементами. Единственный природный источник поступления элемента в глобальный цикл – выветривающиеся горные породы суши. Прогрессирующая потеря фосфора континентами может быть восполнена только поступлением в зону гипергенеза осадочных пород, в которых был аккумулирован элемент. В некотором роде, возвращение фосфора на сушу связано с образованием гуано, но эта величина незначительна (0,1*106 т) и явно уступает выносу фосфора в гидросферу.

Хозяйственная деятельность человечества вносит существенные изменения в массообмен фосфора. Прогрессирующее внесение в обрабатываемые почвы фосфорных удобрений, значительная часть которых смывается, служит одним их главным факторов эвтрофикации озер и мелководных прибрежных участков эпиконтинентальных морей. В производстве фосфорных удобрений используется около 14*106т фосфора в год. Не менее сильное загрязнение соединениями фосфора происходит бытовыми и промышленными стоками.

Биогеохимический цикл кальция. Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк 3,6 %. Кальций проявляет свойства типичного литофильного элемента, ведет себя как химически активный металл и образует свыше 400 минералов. Он относится к главным породообразующим химическим элементам и по количеству создаваемых минералов занимает четвертое место после водорода, кислорода и кремния. Минералы кальция представлены силикатами, окислами, карбонатами, сульфатами, вольфраматами, молибдатами и галогенами.

В магматических средних и основных породах сосредоточен в плагиоклазах. Значительно меньше кальция в кислых и ультраосновных породах. Максимальное накопление кальция (до 5,8) проявляется в базальтовом слое земной коры, по сравнению с 2,7 % в гранитном слое. В целом минеральные формы нахождения кальция в изверженных породах отличаются большим разнообразием.

При выветривании горных пород в зоне гипергенеза в первую очередь разрушаются кальциевые силикаты. В зоне выветривания горных пород кальций интенсивно мигрирует в форме Са2+ и ведет себя как отчетливо выраженный биофильный элемент. Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, в организме животных – в свертывании крови. Его содержание в живом веществе колеблется от 0,1 до 2 %. В организме животных кальция накапливается больше, чем в растениях. Масса кальция, содержащаяся в составе живого вещества суши, составляет около 30*109 т. Это количество на

19

три порядка больше кальция, находящегося в биомассе фотосинтетиков океана (30*106т).

Главным источником кальция на суше является почва, куда элемент поступает в результате разрушения горных пород. Среднее содержание кальция в почвах – 0,6-2 %. В почвах он находится в составе первичных и вторичных минералов: плакиоклазов, слюд, роговых обманок, глинистых минералов, гидрослюд, кальцита, а также в составе простых солей и гумуса. Масса кальция в органическом веществе почвы равна 15*109т. Кальций является «стражем» плодородия почвы, обеспечивая ее благоприятные физико-химические свойства. Для растений кальций доступен в виде катиона.

Кальций, участвуя в жизненных циклах живых организмов, после их отмирания и минерализации органических остатков и в прижизненном цикле с экскрементами возвращается в почву и становится доступным для включения в повторный круговорот. Этот наземный цикл кальция нарушается выщелачиванием – выносом его со стоком в реке и моря. Выщелачивание кальция из почвы приводит к деградации ее плодородия и к ослаблению корневых систем растений.

Вионном стоке с материков кальций занимает первое место среди катионов. Средняя концентрация кальция в океане – 408 мг/л, общая масса – 559*1012т, что на четыре математических порядка превышает количество элемента, связанного в живом и мертвом органическом веществе планеты.

ВМировом океане геохимическая история кальция связана с карбонатной системой равновесия, температурой и деятельностью живых организмов. Воды высоких широт и морских глубин недонасыщены углекислым кальцием в связи с низкими температурами и значениями рН. В этой обстановке углекислота в морской воде образует угольную кислоту,

растворяющую СаСО3 донных отложений. В экваториальной зоне между 300 южной широты в морской воде образуются области перенасыщения СаСО3, что приводит к массовому росту коралловых рифов и устричных банок с известковым материалом. Кальций является характерным элементом для огромного числа организмов от одноклеточных глобигерин до высших многоклеточных млекопитающих.

Миграция кальция в океане с участием живых организмов – важное звено его геохимического круговорота. Кальций активно поглощается планктонными организмами и выводится в виде пеллетов в осадок. Некоторые живые организмы моря накапливают элемент в виде арагонита и кальцита. Арагонит неустойчив и со временем переходит в кальцит. В некоторых раковинах двустворчатых моллюсков встречаются монокристаллы кальцита длиной более 7 см. В тропических морях обитают ежи, имеющие длинные иголки из кальцита. После гибели этих организмов

их скелеты из СаСО3 образует осадки на дне морей. Сравнительно небольшая часть кальция осаждается в замкнутых и полузамкнутых водоемах, образуя доломит, ангидрит, гипс. Средняя концентрация СаО в осадочной толще равна 16 %, в гранитном слое земной коры – 2,71 %. Масса кальция в

20