Глобальный цикл фосфора. Влияние хозяйственной деятельности человека на массообмен фосфора

Фосфор, несмотря на невысокий кларк в земной коре (около 0,1%), играет очень важную роль в биосфере. Этот элемент входит в состав выплавленного вещества земной коры. Его дальнейшая история в литосфере весьма сложна и в некоторых ситуациях противоречива. Концентрация фосфора в базальтах 0,14%, в гранитах – в 2 раза ниже, что сближает его распределение с кальцием. Минералы фосфора многочисленны (около 200 видов), но из-за невысокого кларка элемента они не являются породообразующими. Суммарная масса элемента в гранитном слое литосферы равна 6,33·1015 т. Важное значение в биосфере фосфор приобретает не в силу большого содержания, а в результате того, что без этого элемента невозможен синтез белков. Экзотермическая реакция аденозинтрифосфата с фотосинтезированными углеводами обеспечивает энергией последующие биохимические реакции. Наряду с углеродом, кислородом, водородом, азотом и серой фосфор является элементом, необходимым для существования живого вещества, и одновременно условием, часто определяющим его биомассу и продуктивность. Отношение N : Р в растительности суши равно 10–15. Почти во всех природных биогеохимических системах фосфора меньше, чем азота, и именно он лимитирует массу живого вещества. Хозяйственная деятельность людей изменила соотношения N : Р в пользу фосфора, что привело к экологически негативным ситуациям.

В живом веществе суши до воздействия человека находилось около 5·109 т фосфора, в биомассе фотосинтетиков океана его содержится (0,03 – 0,04)·109 т. Значительная часть элемента сохраняется в почвенном органическом веществе педосферы (7·109 т).

Огромное количество фосфора растворено в Мировом океане, где элемент находится в виде [РО4]3–, [НРО4]2– и других анионов, а также в составе органических соединений. В связи с острой необходимостью фосфора для растений и животных этот элемент многократно захватывается организмами и соотношение органического и неорганического фосфора, а также фосфора, находящегося в живом веществе, очень динамично. Ориентировочно можно считать, что соотношение масс Сорг и Рорг в океане равно 100 : 1. Концентрация фосфора в речных и морских водах довольно близка, хотя в воде рек она ниже (0,04 мг/л), чем в океане (0,088 мг/л). Несмотря на низкую растворимость, фосфор долго удерживается в океане благодаря деятельности живых организмов, стремящихся не выпускать дефицитный элемент из системы пищевых цепей. Тем не менее в толще осадочных пород сосредоточено 1,311·1015 т элемента. Суммарное количество фосфора в осадочной оболочке и гранитном слое континентального блока земной коры равно 7,08·1015 т. Следовательно, за 600 – 700 млн лет было вынесено более 17% всей массы фосфора, находившегося в гранитном слое литосферы. Распределение масс фосфора в биосфере следующее:

Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континентального стока. До вмешательства человека на суше в биологический круговорот ежегодно вовлекалось более 350·106 т фосфора, в настоящее время (с учетом сельскохозяйственных культур) – 345·106 т элемента, в океане в биологический круговорот фотосинтетиков вовлекается 1210·106 т. Фосфор, как и азот, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в океане, чем на суше. Это свидетельствует об ограниченности перечисленных элементов в океане, в то время как на суше живое вещество более обеспечено и не ощущает необходимости в столь интенсивном их использовании.

Поступление фосфора в океан обеспечивается континентальным стоком. В нем фосфор находится в составе комплексных анионов, дисперсного органического вещества и минеральных взвесей. С учетом средней концентрации в ионной форме в океан поступает около 1·106 т/год элемента. С дисперсным и частично растворенным органическим веществом в океан выносится около 2·106 т элемента в год, что в 10 раз меньше выноса аналогичной формы азота. Несмотря на небольшие массы, эти формы обладают высокой реакционной способностью и образуют основной резерв для использования в биологическом круговороте.

Количество фосфора, выносимое с взвешенными твердыми частицами, значительно превышает массу растворенных форм фосфора. Выносимая во взвеси масса элемента оценивается в 21·106 т/год, что составляет 88% от общей массы выносимого реками фосфора. Ветровой вынос с континентов существенного значения в балансе не имеет.

Выведение масс фосфора в осадочные толщи ориентировочно составляет (2– 10)·106 т/год.

Характерная особенность глобального цикла фосфора – отсутствие постоянно действующего геохимического потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным стоком 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 со всеми ранее рассмотренными элементами. Единственный природный источник поступления элемента в глобальный цикл – выветривающиеся горные породы суши. Прогрессирующая потеря фосфора континентами может быть восполнена только поступлением в зону разрушения осадочных пород, в которых был аккумулирован элемент. Учитывая длительный период его выведения из океана (десятки миллионов лет), можно предполагать, что функционирование глобального цикла фосфора поддерживается тектоническими процессами, перемещающими обогащенные фосфором осадочные породы в зону выветривания.

Хозяйственная деятельность человечества вносит существенные изменения в массообмен фосфора в пределах Мировой суши. Прогрессирующее внесение в обрабатываемые почвы фосфорных удобрений, значительная часть которых смывается, служит одним из главных факторов эвтрофизации озер и мелководных прибрежных участков эпиконтинентальных морей. В производстве фосфорных удобрений используется около 14·106 т фосфора в год. Не менее сильное загрязнение соединениями фосфора происходит бытовыми и промышленными стоками. По состоянию на конец XX в. суммарное поступление фосфора из всех источников загрязнения оценивается в 12,15·106 т/год.

Вопрос 52