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 6,33×10¹⁵ 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 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 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, в котором концентрация фосфора около 0,15%, а масса соответственно около 7×10⁹ 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 С_орг и Р_орг 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:

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 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 (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 1×10⁶ 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 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. Средняя концентрация взвешенных форм элемента равна 510 мкг/л (Гордеев В. В., 1983), а 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. 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) ×10⁶ т/год.

Таблица 8.1