Глобальный цикл 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, 33Ч1015 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 адено-зинтрифосфата 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 по данным многих авторов равно 10— 15 (Базилевич Н.И., 1974; Романкевич Е.А., 1982; Боуэн X., 1966), но есть данные, что оно равно 2 (Заварзин Г. А., 1984). В любом случае 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.

Среднюю концентрацию элемента в сухом веществе растительности суши можно принять равной 0, 2 %, в биомассе океана она значительно выше — 1, 1 % (Боуэн X., 1966). В живом веществе суши до воздействия человека находилось около 5Ч109 т фосфора, в биомассе фотосинтетиков океана его содержится (0, 03 — 0, 04)Ч109 т. Значительная часть элемента сохраняется в почвенном органическом веществе педосферы, в котором концентрация фосфора около 0, 15%, а масса соответственно около 7Ч109 т. Достоверно оценить массу фосфора, находящегося в минеральной части почв, пока невозможно.

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. Поэтому цифры, характеризующие количество разных форм элемента в океане, имеют условное значение, но их сумма достаточно достоверна. 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, 311Ч1015 т элемента. Суммарное количество фосфора в осадочной оболочке и гранитном слое континентального блока земной коры равно 7, 08Ч1015 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:

Резервуар Масса, 109 т

Мировая суша:

биомасса растительности (до воздействия человека)..............5, 00

органическое вещество педосферы...........................................7, 00

Океан:

биомасса фотосинтетиков..........................................................0, 04

растворенные формы................................................................ 120, 00

Земная кора:

осадочная оболочка...............................................................1 311 000, 00

гранитный слой континентального блока..........................5768000, 00

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 350Ч106 т фосфора, в настоящее время (с учетом сельскохозяйственных культур) — 345Ч106 т элемента, в океане в биологический круговорот фотосинтетиков вовлекается 1210Ч106 т (табл. 8.1). 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 1Ч106 т/год элемента. В дисперсном и частично растворенном органическом веществе содержится примерно 0, 5 % фосфора (от сухой массы). С этим веществом в океан выносится около 2Ч106 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. Средняя концентрация взвешенных форм элемента равна 510 мкг/л (Гордеев В. В., 1983), а выносимая во взвеси масса элемента оценивается в 21Ч106 т/год, что составляет 88 % от общей массы выносимого реками фосфора. Ветровой вынос с континентов существенного значения в балансе не имеет. Следует заметить, что эта масса представляет собой прочносвязанный фосфор. Лишь небольшая его часть может быть освобождена и вовлечена в биологический круговорот.

Выведение масс фосфора в осадочные толщи ориентировочно составляет (2— 10) Ч106 т/год.

Таблица 8.1

Миграция масс фосфора в биосфере

* С учетом сельскохозяйственных культур.

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 гипергенеза 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 14Ч106 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, 15Ч106 т/год.

Заключение

Геохимические циклы рассмотренных элементов имеют общие черты.

Во-первых, все они поддерживаются поступлением вещества из одного источника: земной коры или, точнее, гранитного слоя континентального блока. На протяжении последних 570 млн лет из гранитного слоя земной коры было извлечено калия 16, 5%, кремния и фосфора 17 % каждого, натрия 19 %.

Во-вторых, основные мигрирующие массы приурочены к системе континентального стока и биологического круговорота. Атмосферная миграция более ограничена по сравнению с элементами, поступающими в биосферу в результате дегазации мантии. По этой причине элементы рассматриваемой группы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. Подавляющая часть массы элементов, вынесенных из гранитного слоя земной коры, находится в осадочных породах, где сконцентрировано более 99 % кремния, фосфора, кальция, около 98 % калия и свыше 60 % натрия от общего количества каждого элемента в биосфере. Такое положение обусловлено сильной незамкнутостью глобальных годовых циклов, которые балансируются лишь на протяжении длительных отрезков времени — миллионов и десятков миллионов лет.

В-третьих, живое вещество Мировой суши, соответствующее биомассе наземной растительности, содержит ничтожную часть — миллионные доли всей массы химических элементов, мобилизованных из твердого вещества континентального блока земной коры при выветривании. Для этих элементов, так же как для поступивших в биосферу посредством дегазации, живое вещество служит не резервуаром масс, а глобальным биогеохимическим сепаратором.

Если подсчитать, какая часть каждого элемента находится в глобальной биомассе, то окажется, что в наибольшей мере в биомассе связан фосфор — 38Ч10-5 % от общего количества, затем кальций - 16, 5Ч10-5 %; калий - 6, 5Ч10-5 %, натрий - 0, 7Ч10-5 %, кремний — 0, 25Ч10-5 %. Можно заметить, что в глобальной биомассе избирательно удерживаются углерод, азот, сера, фосфор, кальций, калий. Приведенные результаты дают объективное представление об относительной необходимости элементов для живого вещества Мировой суши. Следует отметить, что для этого в равной мере важны представители как дегазированных, так и извлеченных из гранитного слоя элементов.

Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане. В нем сосредоточено свыше 35 % массы натрия, немногим более 2 % калия, около 0, 01 % фосфора и менее 0, 001 % кремния. Вне зависимости от этого биологический круговорот на суше больше у кальция, в океане — у фосфора и натрия. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается незначительно. Элементы, массы которых растворены в океане более 0, 1 % от их общего количества в биосфере, активно участвуют в годовом массообмене океан —атмосфера, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, 35 и 2 % массы которых находятся в океане. Указанные элементы, так же как сера (11 %) и хлор (80 %) из группы дегазированных, относятся к циклическим, принимая во внимание участие их значительных масс в годовых миграционных циклах в системе суша—океан — атмосфера — суша.

Список литературы

1. В.В.Добровольский «Основы геохимии» учебник для студ. высш. учеб, заведений М.: Издательский центр «Академия», 2003.

2. Перельман А.И. «Геохимия»

3. Безуглова О.С., Орлов Д.С. «Биогеохимия», серия «Учебники, учебные пособия». - Ростов н/Д: «Феникс», 2000. - 320 с.