Биогеохимический круговорот фосфора Рассмотренные нами

Биогеохимический круговорот фосфора

Рассмотренные нами круговороты азота и углерода относятся к круговороту газообразных веществ и являются более совершенными, т. е. способные к саморегуляции. В противоположность C, N и S фосфор не улетучивается (хотя РН 3 –фосфин – летучее соединение, но его биосферные потоки не имеют сколько-нибудь значительных атмосферных связей с другими средами). Круговорот фосфора относится к осадочному типу, менее совершенному и менее саморегулируемому

Р – один из важнейших биофильных элементов. Без его участия не могут синтезироваться ни углеводы, ни белки. Р входит в состав АТФ и АДФ, носителей энергии. Фитомассса леса бореального пояса содержит: C – 45 -50%, N – 0. 3 -0. 5% P – 0. 02 -0. 03%.

Позвоночные животные, их мышцы содержат 0. 2% Р, но самое большое содержание Р в скелете. В костях взрослого человека Са 3(РО 4)2 составляет ≈60%, в зубах – 70% Скелет средних размеров взрослого человека содержит 3. 5 кг Са 5(РО 4)3 ОН или 650 г чистого Р. Мы едим каждый день 1. 5 г Р в основном в пище животного происхождения и выбрасываем ≈98% Р в виде Na. NH 4 HPO 4, который удаляется со сточными водами

Путь вовлечения фосфора в круговорот начинается с растворения Р-содержащей горной породы Са 5(РО 4)3 F (фторапатит). В промышленности – кислотная переработка фосфатного сырья – один из самых распространенных способов вовлечения фосфора в современный биогеохимический круговорот.

Фосфорные удобрения – представляют собой конечный продукт переработки фосфатного сырья. Н 3 РО 4 – производные: одно-, ди-, и трехзамещенные соли. Производят также и триполифосфат Na 5 P 3 O 10, используемый в основном для производства детергентов. Внедрение в природный цикл Р синтетических воднорастворимых Р-соединений началось с середины 19 -го века, когда в Англии впервые было начато производство суперфосфата из костей.

В масштабе времени цивилизаций (1000 лет) основной цикл Р представляет собой однонаправленные потоки, с суши в океан. Возврат - очень малый (гуано, рыба). В геологическом масштабе времени первичные неорганические Р-потоки движутся ступенчато, с медленным распространением по морскому дну фосфорсодержащих осадков, имеющих в большей части эрозионное происхождение. Р-содержащие соединения могут возвращаться на сушу только после тектонических подъемов после 107 -109 лет.

Органические соединения фосфора в почве имеют очень короткое время оборота, порядка 0. 1 -1. 0 год. После минерализации Р опять может очень быстро включаться в биологический круговорот. Аналогично короткий биологический круговорот фосфора имеет место и в водной среде. Обмен может осуществляться также между осадками и водной биотой. Человек изменяет скорость и направленность круговорота Р. Добыча полезных ископаемых также как и сведение лесов и лугов, распашка земель усиливает поток Р сторону моря.

ПУЛЫ И ПОТОКИ фосфора В СОВРЕМЕННОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ Около 9/10 всех разведанных запасов Р-сырья находится в осадочных породах морского происхождения. Остальное (1/10) – в изверженных породах (апатиты). США и Мароко – являются одними из основных производителей фосфатного сырья. Гуано – уже не имеет практического значения Месторождения в России (Хибинские аппатиты, Егорьевские фосфориты и др. ) Разведанные резервы Р-сырья оцениваются не менее, чем в 20 Рg, общие запасы оцениваются в 90 Pg. Ежегодная добыча фосфатного сырья ≈ 150 Tg или 20 Tg Р, 80% этого сырья идет на удобрение

ГЛОБАЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ И ПОТОКИ ФОСФОРА Резервуар Запас (Tg) Р-содержащие породы 1. 1 3· 105 Почва 0. 4 1. 6· 105 Океан 0. 8 1. 3· 105 Фитомасса 1 3· 104 Зоомассса 25 Антропомасса 2. 5 Потоки Tg. P/год Реки 14 18 Добыча руд 20 Удобрения 15 Потребление наземной биотой 200 Потребление морской биотой 600 -1000 Детрит наземный 200 Детрит морской 2 10 Вертикальное перемешивание океанических 50 70 вод

ФОСФОР В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Средние урожаи зерна выносят 15 -35 кг Р/га. Овощные и плодовые – 5 -15 кг Р/га. Общее содержание Р в сельскохозяйственной продукции мира – 11 12 Тg/год. Единственный источник поступления Р в почвы – удобрения. Мировая потребность в Р-удобрениях – 18 Тg/год при коэффициенте утилизации фосфора не менее 65%. До начала применения Р-удобрений, производимых из фосфатного сырья, внедрение человека в фосфатный цикл было очень ограничено. Рециклирование Р применении местных удобрений (навоз, компосты, зола) возможно не более 20% от общей потребности.

Впервые коммерческое производство Р-удобр. началось в 1847 г. в Англии, затем путем экстракции Р из апатита в 1851 г. в Норвегии

За 150 лет производства фосфорных удобрений почвы мира получили почти 300 Tg P или более 5 -7% от общего содержания Р в пахотных почвах. Неизбежными последствиями такого большого поступления Р в почвы является интенсификация и фосфатного цикла. Происходит усиление обмена между обрабатываемыми почвами и растениями. Интенсифицируются потоки Р из почв в природные воды. Сельскохозяйственное использование земель приводит к более сильной эрозии почвенного покрова и более интенсивному потоку Р в океан.

Реки, незатронутые воздействием сельскохозяйственного производства несут 30 -300 г Р/л. Если 100 г Р/л принять как концентрацию Р в речных водах в прединдустриальный период, тогда общий сток Р был не более 4 Тg. P/год. В период 1850 -1990 гг. конверсия лесов и лугов в пахотные земли составила 1 млрд га. Это увеличило смыв Р с 0. 1 до 0. 5 кг/га. Общий смыв Р составляет 9 Tg P/год или увеличение потока Р с водами более чем в 2 раза. Среднее ежегодное применение Р-удобрений в настоящее время составляет 10 кг. Р/га пахотной земли. Диапазон от 3 (Африка, Россия) до 25 кг/га (Зап. Европа).

СУДЬБА Р-УДОБРЕНИЙ В ПОЧВЕ В сравнении с N-удобр. , Р-удобр. относительно менее растворимы и подвижны в почве. Схема трансформации Р-соединений в почвах: Осаждение в почве Ca 2+, Fe 3+ экстракция Fe 2+ , Al 3+ Р-породы Водораствори- Не не растворим мый Р растворимый (удобрения) почвы Затраты энергии 18 -32 MJ/кг Р

Политика применения Р-удобрений в Западной Европе – обогащение почв фосфатами, зафосфачивание. В средней Азии – под хлопок давали так много, что даже появлялась токсичность Р. Вынос Р в настоящее время в мире оценивается в 11 -12 Tg P. Применение удобрений 16 Tg P Компенсация выноса Р с урожаями внесением удобрений 140%.

Баланс фосфора на территории России в среднем за год (1992 -2001 гг. ) Приход Расход % от Статьи баланса Млн. т/год расх Статьи баланса Млн. т/год расхода Вынос с урожаями 1. 73 28. 4 Поступление Р Эрозионный с удобрениями: сток 0. 15 2. 5 минеральны Речной сток 0. 15 2. 5 ми 0. 45 7. 4 Бытовые и органически промышленные ми 0. 35 5. 7 стоки 0. 07 1. 1 Экспорт Р за Импорт с пределы страны продукцией 0. 05 0. 8 (апатитовый концентрат, удобрения) 4. 0 65. 5 Всего 0. 85 13. 9 Всего 6. 1 100

ПРОБЛЕМА ФОСФОРА В ВОДАХ является следствием экстраординарной чувствительности фитопланктона к фосфору. Для поддержания нормальной жизни в водах необходимо благоприятное соотношение C: N: P = 106: 1 Фосфор в большинстве случаев является главным лимитирующим элементом в эвтрофикации водоемов. Повышение концентрации Р в воде неизбежно ведет к сложной перестройке всех взаимоотношений в среде, ведет к мобилизации других питательных элементов.

Первичная продуктивность в воде имеет логарифмическую зависимость от концентрации Р 100 1 0. 1

Выраженное беспокойство по поводу увеличивающейся эвтрофикации относится к 60 -ым годам прошлого века. • Количественные оценки различных источников Р в водные среды весьма разноречивы. • Главным вкладчиком являются фосфорные удобрения. • Полагают, что около 2 -3% от вносимого количества Р с удобрениями подвергается вымыванию. • Такое же количество Р или больше теряется с эрозионным стоком (жидким и твердым).

ЖИВОТНОВОДЧЕСКИЕ СТОКИ Общее количество 9 Tg P или 2 кг Р/га на всю сельскохозяйственную площадь. В районах интенсивного животноводства может быть 12 кг Р/га КОММУНАЛЬНЫЕ ОТХОДЫ Вносят большой вклад в загрязнение фосфором. Например, в Египте и Японии концентрация Р с коммунальными отходами достигает 9 кг/га, в США – 0. 2 кг/га, а в среднем в Мире 2 кг Р/га. В большинстве городов с населением 1 млн человек нагрузка ком. отходов достигает 50 -100 кг Р/га. Например, Шанхай, 6 млн. чел на площади 158 км 2 отходы составляют 200 кг Р/га. Вместе с бытовыми отходами в городские сбросы попадают и индустриальные выбросы. Наибольший вклад – детергенты.

Общее количество Р в выбросах (коммунальные + детергенты + промышленные) составляет 0. 9 кг/чел/год с диапазоном 0. 3 -1. 8. В течение 1960 -70 гг в США стоки давали от всего количества Р: в Гудзон – 73% Потомак – 84% о. Эри – 72%

ЭТАПЫ ЭВТРОФИКАЦИИ 1. Медленное увеличение эвтрофикации с момента появления промышленных Р-удобрений и активизации бытовых сбросов, т. е. с 1840 -50 годов в Европе. 2. В Северной Америке это совпало в 1940 -х годах с началом производства фосфатных детергентов и быстрым наращиванием применения Р-удобрений. 3. Связан с экспоненциальным увеличением производства фосфорных удобрений с 1970 -х годов.

ОЧИСТКА СТОКОВ ОТ ФОСФОРА Достигается применением простых химикатов: Fe. Cl 2 , Fe. Cl 3 или Al 2(SO 4)3 или известь, соответственно получают: Fe. PO 4, Al. PO 4, Ca 5(PO 4)3 OH – гидроксилаппатит. СТОИМОСТЬ От 1. 5 до 4. 5 $ /чел.