ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 255-270
УДК 551.5:519.6:502.3
ЦИКЛ АЗОТА В ЗЕМНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2013 г. Л. Л. Голубятников, И. И. Мохов, А. В. Елисеев
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: golub@ifaran.ru Поступила в редакцию 07.03.2012 г., после доработки 20.11.2012 г.
Представлен обзор исследований цикла азота в земной климатической системе, особый акцент сделан на биосферном цикле азота. Описаны подходы к моделированию биогеохимического круговорота азота. Исключение азотного цикла из рассмотрения при анализе вероятных последствий изменения климата может приводить к неточным оценкам отклика экосистем, в частности для регионов, в которых минеральные соединения почвенного азота являются лимитирующим фактором для развития растительного покрова. Численные эксперименты с климатическими моделями свидетельствуют о существенном влиянии круговорота азота на обратную связь между климатическими характеристиками и циклом углерода. Модели совместной динамики углерода и азота позволяют получить реалистичные оценки современных запасов и потоков этих элементов в экосистемах, а также оценить их изменения при возможных климатических изменениях.
Ключевые слова: цикл азота, биосфера, климатические модели.
Б01: 10.7868/80002351513030073
ВВЕДЕНИЕ
Земная атмосфера состоит в основном из газообразных соединений азота. Азот является одним из элементов, отделившихся в газовой фазе на ранних этапах развития Земли в результате ударно-взрывных процессов на поверхности. Развитие атмосферы ранней Земли происходило за счет дегазации верхней мантии. Среди поступавших из мантии в атмосферу газов были азот и аммиак. На протяжении геологической истории Земли молекулярный азот и другие его газообразные соединения поступали из недр в атмосферу в составе вулканических газов и с водами термальных источников [1—5].
На рис. 1 представлены изменения содержания азота в атмосфере Земли на разных этапах ее эволюции по данным [1—4]. Согласно проведенным исследованиям в ходе эволюции атмосферы масса азота в ней постоянно увеличивалась. Наиболее интенсивно накопление азота в атмосфере происходило в период активной дегазации мантии (от 4.25 до 2 млрд. лет назад). Из модельных результатов [4] следует, что в интервале времени от 2 млрд. до 500 млн. лет назад доля азота в атмосфере изменялась слабо. Незначительное (не более 4%) увеличение его массы в атмосфере за этот период сопровождалось ростом в ней концентрации кислорода. Для периода 500—400 млн. лет на-
зад характерно значительное увеличение концентрации кислорода в атмосфере за счет фотосинтетической активности растительности, которая интенсивно развивалась на материках. Этот процесс привел к резкому уменьшению доли азота в атмосфере. В последующий период (от 400 млн. лет назад до современной эпохи) масса азота в атмосфере увеличилась незначительно (на доли процента) при почти трехкратном росте в ней массы кислорода.
Согласно существующим оценкам, за период геологической истории Земли из мантии в атмосферу было дегазировано около 4.5 х 106 Гт азота [5]. Выделяется азот в атмосферу и при выветривании горных пород. Количество азота, выделившееся при выветривании горных пород за период геологической истории Земли, составляет около 1% его массы в современной атмосфере [3, 5]. Эти оценки указывают на то, что основным поставщиком азота в атмосферу являются недра Земли. Современное содержание азота в атмосфере оценивается в 3.9 х 106 ГтМ [5, 6].
Газообразный молекулярный азот из-за своей химической инертности является наиболее устойчивой формой существования этого элемента. По этой причине молекулярный азот постепенно накапливался в атмосфере и стал основным ее компонентом. Первичный круговорот азота был
Млрд. лет назад
Рис. 1. Изменение содержания азота (К) в атмосфере Земли по данным [1—4]. Данные приведены в долях массы атмосферы.
абиогенным и сводился к фотохимической трансформации газообразных соединений азота (кроме его молекулярного состояния) в окисленные растворимые формы с последующим удалением из атмосферы [5]. В начале геологической истории Земли в процесс массообмена азота включились бактерии, которые постепенно изменили всю структуру глобального азотного цикла [6]. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, однако доминирует в этом процессе деятельность микроорганизмов.
Большинство химических элементов, транс -формируясь в результате сложных биохимических процессов из одних соединений в другие, циркулируют в биосфере, образуя в той или иной степени замкнутые круговороты [7]. Биогеохимические циклы химических элементов взаимно обусловлены и взаимно связаны. В данной работе акцент делается на биосферном круговороте азота, который является одним из жизненно важных элементов биосферы. Недостаток доступных для растений и микроорганизмов соединений азота в почве негативно сказывается на интенсивности продукционного и деструкционного процессов в биосфере. За последние десятилетия в результате роста количества сжигаемого ископаемого топлива, сведения лесов, усиления интенсивности
Таблица 1. Распределение азота на Земле [5, 15, 16]
Компонента Значение (МтК)
Литосфера 5.5 х 108-7.7 х 108
Атмосфера 3.8 х 109-4.0 х 109
Гидросфера 2.0 х 107—2.2 х 107
Наземные экосистемы 1.4 х 105—8.2 х 105
сельскохозяйственного производства, расширения применения промышленных азотсодержащих удобрений существенно увеличилась эмиссия в атмосферу закиси азота, накопление нитратов в водоемах, что оказывает существенное влияние на глобальные изменения окружающей среды и климата. В данном обзоре рассмотрены основные вопросы, связанные с анализом биогеохимического круговорота азота и его моделированием.
БИОСФЕРНЫЙ ЦИКЛ АЗОТА И ЕГО РОЛЬ В КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Основная масса азота на Земле (84.4%) сосредоточена в атмосфере (табл. 1). В литосфере находится около 15.2% общего запаса азота. В гидросфере и наземных экосистемах аккумулировано соответственно около 0.4% и 0.002% общепланетарного запаса азота. Круговорот азота — один из основных биогеохимических циклов, происходящих в природной среде.
Несмотря на то, что около 78% объема атмосферы составляет азот, для многих физиологических процессов этот элемент является лимитирующим фактором. Это связано с доминированием в земной атмосфере молекулярного азота, который представляет собой химически устойчивое соединение и не усваивается фотосинтезирую-щими растениями и большинством микроорганизмов. Недостаток минеральных форм почвенного азота негативно сказывается на развитии растительного покрова — приводит к угнетению наземных растений и тем самым сдерживает поглощение углерода наземными экосистемами, способствуя глобальному потеплению [8—10]. Цикл азота влияет на микробиологические процессы в почве, в частности, недостаток азота в почве замедляет процесс разложения детрита (мертвого органического вещества), способствуя сокращению эмиссии парниковых газов в результате почвенного дыхания [11]. Газообразные окислы азота, относящиеся к малым газовым составляющим атмосферы, влияют на процесс поглощения в атмосфере тепловой радиации, усиливая парниковый эффект [12]. Схема глобального круговорота азота в биосфере изображена на рис. 2.
В атмосфере азот находится в молекулярном состоянии (К2) и в виде соединений: закиси азота (К20), аммиака (КН3), оксида азота (N0), диоксида азота (К02) и других окислов азота. Основную массу атмосферы составляет химически инертный молекулярный азот (табл. 2). Аммиак в атмосфере играет важную роль, нейтрализуя двуокись серы. В результате взаимодействия аммиака с двуокисью серы уменьшается концентрация кислотообразующих веществ в атмосфере и, следовательно, уменьшается кислотность осадков, а
Азот наземных и океанических экосистем
Рис. 2. Схема глобального цикла азота.
также образуется сернокислый аммоний, который вымывается из атмосферы осадками и служит удобрением для растительности наземных экосистем.
Одним из источников окислов азота являются высокотемпературные реакции, которые происходят при пожарах, электрических разрядах в атмосфере, работе двигателей внутреннего сгорания. Газообразные соединения окислов азота играют ключевую роль в тропосферном фотохимическом цикле, так как являются катализаторами окислительных процессов. Высшие окислы азота вымываются из атмосферы осадками.
Закись азота является относительно инертным соединением. По сравнению с такими радиацион-но-активными газами, как метан и углекислый газ,
М20 имеет меньшую концентрацию в атмосфере. Однако в результате значительного времени пребывания в атмосфере (в среднем более 100 лет) и существенного парникового потенциала в расчете на одну молекулу (в 310 раз превосходящего потенциал углекислого газа) [12] закись азота играет важную роль в формировании парникового эффекта. Вклад закиси азота в парниковый эффект оценивается в 5—6% [13]. Вымывание атмосферными осадками М20 незначительно по сравнению с высшими окислами азота. В тропосфере закись азота не участвует в фотохимических реакциях и концентрация этого газа слабо меняется. Это свидетельствует об отсутствии тропосферного стока закиси азота. Перенос М20 из тропосферы в стратосферу оценивается в 10—15 Мт/год [6]. В стра-
Таблица 2. Оценки запасов азота в компонентах биосферы [5, 9, 14, 15, 17, 20, 23, 27]
Компонента Значение (Мт^
Атмосфера:
N2 3.8 х 10 9-4.0 х 109
N20 1100-1800
NHз 0.04-0.9
NH+ 0.29-1.8
N0, 1-4
0.16-0.5
органические соединения 1
Наземные экосистемы:
биомасса растений 10 х 103-16 х 103
биомасса животных 200
надпочвенный слой детрита 1900-3300
почвы:
органическое вещество 70 х 103-82 0 х 103
неорганические соединения 16 х 103—140 х 103
микроорганизмы 500
Океан:
биомасса фотосинтезирующих
организмов 200 - 800
биомасса животных 170
детрит 45 х 103-900 х 103
неорганические соединения азота 99 х 103-69 0 х 103
растворенный N 10 х 106-22 х 106
Земная кора
горные породы 1.7 х 108
осадочные породы 4 х 108-6 х 10
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.