ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,71015 т этого элемента.
Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым ежегодно выносится 0,185109 т ионов этого элемента. Одновременно натрий выносится в составе твердого стока, находясь преимущественно в сорбированном состоянии. Принимая среднюю концентрацию натрия во взвесях речного стока равной 4,6 мг/л, можно оценить массу элемента, выносимую в составе взвесей, в 0,19109 т/год.
В цикле массообмена между поверхностью океана и тропосферой участвует около 1,3109 т/год водорастворимых форм натрия, между поверхностью суши и тропосферой — примерно 0,14109 т/год. С воздушными массами морского происхождения на сушу переносится более 0,1109 т/год растворимых форм натрия. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,01109 т/год натрия в сорбированном состоянии.
Преобладание растворимого катиона Na+ в биосфере обусловливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, где он связан эквивалентными соотношениями с анионами Cl-, [SO4]2- и отчасти с [НСО3]-1. В педосфере натрий играет важную роль в процессах катионного обмена. Высокое содержание натрия в поглощенном комплексе почв способствует диспергации почвенных агрегатов и образованию солонцов. Натрий принимает активное участие в засолении почв, где он образует соли с С1- и [SO4]2-. Масса натрия в педосфере пока не определена количественно. Несмотря на активное участие в континентальном гало-генезе, значительная аккумуляция натрия в океане характеризует его как типичный талассофильный элемент.
В организмах соли натрия (главным образом хлориды) имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.
Авторы расходятся в оценке средней концентрации натрия в живом веществе. По данным X. Боуэна, средняя концентрация натрия в биомассе растительности Мировой суши около 0,12% массы сухого вещества. Исходя из этого значения, можно считать, что в биомассе суши содержится 310
9 т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше — 3,3 % массы сухого вещества, но общее количество натрия, связанное в океанической биомассе, на два порядка меньше, чем в наземной.
В структуре глобального биологического круговорота натрия ярко проявляется его талассофильность. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6109 т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2109 т, а в океане почти в 20 раз больше.
Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются, поэтому концентрация натрия в неживом органическом веществе и гумусе педосферы невелика — около 0,01 %, а масса близка к (0,2 — 0,3)109 т. Натрий активно сорбируется осадками морей, поэтому в осадочной оболочке содержится большая масса этого элемента.
Глобальный цикл хлора. Этот цикл имеет много общего с циклом натрия. Хлор — типичный талассофильный элемент. Его распределение в биосфере характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в воде Мирового океана, где в форме растворенных ионов С1 содержится преобладающая часть массы элемента (см. табл. 6.1). Содержание хлора в гранитном слое земной коры составляет 0,021 %, масса — 1,71015 т. В осадочной оболочке концентрация хлора в 10 раз выше — 0,27 %, а масса равна 6,51015 т (Ронов А. Б., Ярошевский А.А., 1976).
Подобно натрию, среди форм нахождения хлора в биосфере доминируют хорошо растворимые ионы С1. Они определяют основные черты глобального цикла массообмена элемента, среди которых главная — исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще сильнее, чем в цикле натрия, — активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительной массы элемента на сушу. На протяжении года из океана в атмосферу поступает 2,4109т (с учетом сухих осаждений), а возвращается с осадками и в форме сухих осаждений 2,2109 т. Разница в 0,2109 т переносится с воздушными массами на сушу и там выпадает. Таким образом, значительная масса С1- циркулирует в системе суша — океан — суша. В химической метеорологии хлор называют циклическим элементом (табл. 6.2).
В аридных регионах, особенно в пределах бессточных территорий, хлор вместе с натрием и другими галогенными элементами аккумулируется в педосфере и замкнутых водоемах.
Хлор имеет важное физиологическое значение и содержится в живых организмах в виде соляной кислоты, ее солей, среди которых наиболее распространен хлорид натрия, а также разнообразных хлорорганических соединений. Средняя концентрация хлора в массе живого вещества суши равна 0,2 % (сухая масса), в фито-массе океана значительно выше — около 1 % (Боуэн X., 1966). Можно считать, что в живом веществе суши находится 5109 т, в биомассе фитосинтетиков океана — 0,17109 т хлора. Концентрация рассматриваемого элемента в неживом органическом веществе педосферы и гумусе равна примерно 0,01 %, следовательно, масса хлора составляет около 0,5109 т.
Таблица 6.2
Миграция масс ионов натрия и хлора в биосфере
Процессы | Масса, 109 т/год | |
Натрий | Хлор | |
Биологический круговорот: на суше в океане Массообмен между океаном и атмосферой: океан— атмосфера атмосфера —океан Массообмен между сушей и океаном; водный сток с суши в океан: растворенные ионы взвесь Атмосферный перенос с океана на сушу | 0,20 2,80 1,30 1,20 0,19 0,19 0,10 | 0,30 4,40 2,40 2,20 0,26 - 0,20 |
В биологический круговорот на суше захватывается около 0,34109 т/год хлора в ионной форме. В морской воде его концентрация значительно выше и составляет около 3 % сухой массы организмов. На протяжении года биота Мирового океана пропускает через круговорот примерно 4,4109 т хлора, т.е. на порядок больше, чем на суше.
Как следует из изложенного, в структуре глобальных циклов массообмена натрия и хлора много общего: преобладание хорошо растворимых форм, активная водная миграция с континентов в океан и возвратный атмосферный перенос значительных масс с океана на сушу, ведущая роль обоих элементов в процессе галоге-неза. Важной чертой биосферной геохимии рассматриваемых элементов является их сильно выраженная талассофильность, результатом которой является превышение массы биологического круговорота в океане над массой биологического круговорота на суше. Сближает биогеохимию этих элементов важное физиологическое значение их главного химического соединения — хлорида натрия.
Вместе с тем распределение масс хлора и натрия в биосфере принципиально различается. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и океане (40,71015 т), составляет всего 19,8 % массы элемента, содержащейся в исходном гранитном слое земной коры, откуда натрий постепенно извлекался и включался в процессы циклического массообмена. Совершенно иная картина распределения масс хлора. В осадочных породах и основном резервуаре — океане — хлора почти в 20 раз больше, чем в гранитном слое. Если бы весь гранитный слой был разрушен, то освободившейся при этом массы хлора было бы меньше его массы, находящейся в настоящее время в океане. Очевидно, что источники поступления рассматриваемых элементов в биосферные циклы массообмена, происходившие на протяжении геологической истории, были разные. Натрий в основном поступал в результате процессов гипергенной мобилизации и выщелачивания из верхнего слоя коры континентов, хлор — благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов. В соответствии с этим выводом целесообразно раздельно рассмотреть особенности глобальных циклов элементов, поступивших в биосферу из указанных источников.
Глава 7
ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕГАЗАЦИИ
МАНТИИ
В настоящей главе рассматриваются циклы тех химических элементов, миграция и распределение масс которых наиболее ярко отражают связь биосферы с глубинными частями планеты. Эти элементы непрерывно, на протяжении всей геологической истории выделялись из вещества Земли в виде газов и образовали газовую оболочку. Их непрерывное поступление балансировалось столь же непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу или осадочную оболочку (за исключением водорода, который мог частично диссипировать за пределы планеты). В то же время именно эти элементы в основном образуют живое вещество Земли, из них состоят ткани организмов океана и суши. Живое вещество в силу замечательного свойства — стремления к возможно более полному использованию энергии для биологических процессов — играет ведущую роль в циклической миграции этих элементов в биосфере. Благодаря указанному свойству и быстрой изменчивости организмов живое вещество обусловило определенную эволюцию циклов массообмена рассматриваемых элементов на протяжении геологической истории Земли.
7.1. Глобальный цикл углерода
Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере, по данным Г. В. Войткевича (1986), находится 2450109 т углекислого газа, что соответствует 668109 т углерода; по данным К. И. Кобак (1988), масса углерода в атмосфере по состоянию на 1983 г. составляла 728109 т. В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперсных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО3-, СО32- и СО2.
Средняя концентрация растворимого органического вещества в океане оценивается в 1,5 мг/л органического углерода (Сорг), концентрация дисперсного взвешенного органического вещества значительно ниже — около 0,02 мг/л Сорг (Лисицын А. П. и др., 1983). Учитывая объем Мирового океана, можно считать, что в нем содержится примерно 2100109 т Сорг. Наряду с углеродом, входящим в состав органических соединений, в океане присутствует углерод, находящийся в карбонатной системе (Ск), главным образом в составе гидрокарбонат-иона НСО3-. Средняя концентрация НСО3- в океане (см. табл. 4.1) равна 143 мг/л, общая масса — 196 000109 т. В этой массе содержится 38 600109 т Ск.
Как отмечено ранее, основная масса живых организмов находится на суше и в пересчете на сухое вещество составляет 2500109 т. Это значение характеризует массу растений Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества. Есть основания полагать, что в результате деятельности человека масса природной растительности суши сократилась на 25 % и составляет 1880109 т. Средняя концентрация углерода в сухом веществе растительности суши равна 46 % (см. табл. 2.2), следовательно, масса углерода в растительности суши до ее нарушения человеком составляла 1150109 т, а в настоящее время около 865109 т.
В океане в биомассе организмов-фотосинтетиков по последним данным Е.А. Романкевича (1988) сосредоточено 1,7109 т Сорг. Это на порядок больше, чем считали ранее, — около 0,1109 т (Добродеев О. П. и др., 1976). Кроме того, в океане существует значительная масса организмов-консументов, в которой связано 2,3109 т Сорг. В целом, количество углерода, находящегося в живых организмах океана, составляет доли процента от количества, которое сосредоточено в массе растений Мировой суши.
На суше, в педосфере, имеется значительное количество неживого органического вещества: слабо разложенных растительных остатков, образующих лесные подстилки и скопления торфа, а также почвенного гумуса. Масса подстилок близка к 200- 109 т, торфа — 500109 т. Согласно последним данным (Орлов Д. С., Бирюкова О.Н., 1995; Глазовская М.А., 1997), во всем неживом органическом веществе Мировой суши связано около 2500109 т углерода. В океане средняя концентрация растворимого органического вещества около 1,5 мг/л, взвешенного — 0,02 мг/л. Соответственно масса растворенного Сорг равна 2055109 т, масса Сорг взвешенного — 27109т.
Обобщая изложенные сведения, можно заключить, что наименьшее количество углерода находится в атмосфере, несколько больше — в живом веществе суши, еще больше — в неживом органическом веществе педосферы. Значительная масса углерода содержится в океане в составе гидрокарбонатов — в 10 раз больше, чем в живом веществе, атмосфере и педосфере вместе.
Приведенные данные являются ориентировочными и отражают современный уровень знаний. Данные о распределении масс углерода в биосфере, полученные другими авторами и другими путями, принципиально не расходятся с нашими результатами, хотя численно отличаются (Виноградов А. П., 1967; Иванов А.И. и др., 1988; Кобак К.И., 1988; Романкевич Е.А., 1988; Болин Б., 1979 и др.).
Общая картина распределения масс углерода в земной коре представлена в табл. 7.1. Главной формой нахождения углерода в земной коре является Ск. Средняя концентрация карбонатного углерода на порядок превышает концентрацию органического. Это имеет место для земной коры в целом и ее главных слоев: осадочном, гранитном и базальтовом, а также для основных типов коры: континентальном, субконтинентальном и океаническом. Соотношение масс Ск: Сорг составляет около пяти и несколько возрастает в океанической коре из-за высокого процента карбонатных осадков.
Таблица 7.1
Распределение масс углерода в земной коре
(по данным А. Б.Ронова и А.А.Ярошевского, 1976,
с добавлениями автора)
Части земной коры | Масса земной коры, 10|8т | Средняя концентрация, % | Масса, 1015 т | СК : Сорг | |||||
СO2 | CK | Cорг | СO2 | CK | Cорг | СK +Сорг | |||
Земная кора в целом | 28,46 | 1,44 | 0,38 | 0,07 | 409 | 108 | 20 | 128 | 5,4 |
Типы коры: Континентальный Субконтиненталь- ный Океанический | 18,07 4,30 6,09 | 1,48 1,37 1,35 | 0,40 0,37 0,36 | 0,08 0,07 0,05 | 267 59 82 | 72 16 21 | 14 3 3 | 86 19 24 | 5,1 5,3 7,0 |
Кора континентов: Осадочный слой* Гранитный слой Базальтовый слой Гранитный слой в целом Осадочная оболочка Земли** Осадочные отложения фанерозоя | 1,85 6,83 9,39 8,24 2,4 1,3 | 9,57 0,81 0,37 0,81 12,38 14,96 | 2,61 0,22 0,10 0,22 3,37 4,08 | 0,50 0,05 0,02 0,05 0,562 0,56 | 177 55 35 67 297 194 | 48 15 9,4 18 81 53 | 9 3 1,9 4 15 7 | 57 18 И 22 96 60 | 5,3 5,0 5,0 4,5 5,4 7,5 |