ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 144
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
* Включая эффузивы.
** За исключением эффузивов.
Главным резервуаром углерода служит осадочная толща земной коры (стратисфера). Концентрация Ск и Сорг в осадочной оболочке на порядок выше, чем в гранитном и базальтовом слоях земной коры. Несмотря на то что объем осадочной оболочки составляет всего 1/10 часть земной коры, в осадочной толще сосредоточено 75 % массы Ск и 75 % массы Сорг. Основная масса Сорг представлена рассеянным органическим веществом. Концентрированные скопления Сорг в виде залежей нефти и каменных углей имеют подчиненное значение. По данным Д.М.Ханта (1965), в месторождениях нефти находится 0,2 • 1012 т, каменного угля — 61012 т углерода. В сумме это на три порядка ниже массы углерода рассеянного органического вещества, содержащегося в осадочной оболочке. Общая картина распределения масс углерода в биосфере выглядит следующим образом:
Резервуар Масса, 109m
Атмосфера, СО2......................................................................... 700
Мировая суша:
биомасса растительности до воздействия человека............. 1150
биомасса растительности (в настоящее время)...................... 900
Педосфера:............................................................................... 2500
в том числе высокоустойчивые формы гумуса
в рыхлых континентальных отложениях
плейстоценового возраста................................................... 300
Океан:
биомасса фотосинтетиков................................................... 1,7
биомасса консументов......................................................... 2,3
органическое вещество (растворенное и взвешенное)..... 2100
растворенные гидрокарбонат-ионы................................... 38500
Земная кора:
осадочная оболочка:
Сорг.................................................................................15000000
Ск..................................................................................81 000000
гранитный слой континентального блока:
Сорг................................................................................. 4000000
Ск...................................................................................18000000
Закономерности распределения углерода в земной коре показывают, что существуют две главные группы форм нахождения углерода: карбонатные и органические соединения. Следует подчеркнуть, что и те и другие биогенны. Карбонаты небиогенного происхождения — довольно редкое исключение из общего правила (например, вулканические карбонатиты). Связующим звеном между карбонатами и органическими соединениями служит СО2, который является необходимым исходным материалом как для фотосинтеза органического вещества, так и для образования карбонатов организмами.
В процессе жизнедеятельности организмов происходит определенное фракционирование изотопного состава углерода СО2. Этот процесс был предсказан В.И.Вернадским (1926) задолго до получения первых экспериментальных данных. Масса земного углерода состоит из двух стабильных изотопов 12С и 13С и исчезающе малых количеств 14С (радиоактивный с периодом полураспада 5730 лет).
Соотношение 12С : 13С варьирует в разных природных объектах от 88 до 94. В живом веществе оно составляет около 90,5, в углекислом газе атмосферы и гидросферы — 89,5, в карбонатных отложениях — примерно 88,6. Более точной характеристикой изотопного состава углерода служит относительный прирост 13С:
Стандартом служит эталон PDB: углерод карбоната кальция Belemnitellaamericanaпозднемелового возраста из формации PD со значением 13С : 12С= 1123,7210-5. Значение 13С со знаком плюс соответствует относительному увеличению содержания изотопа 13С, со знаком минус — его уменьшению в исследуемом образце по сравнению со стандартом.
При действии главного звена фотосинтеза — фермента рибу-лозобисфосфаткарбоксилазы — происходит более быстрое поглощение легкого изотопа 12С и вследствие этого обогащение им углерода органического вещества. Особенно активно это происходит под влиянием микробиологических процессов. По этой причине метан микробиологического происхождения максимально обогащен легким изотопом. Так как фотосинтезируемое органическое вещество захватывает 12С, карбонаты обогащены тяжелым изотопом 13С.
Согласно М. Шидловскому (1980) в обобщенном виде можно считать, что углерод СО2, выделяемый из мантии при дегазации, имеет 13С = -5 %о, углерод органического вещества 13С = -25 ± 5 %, углерод осадочных карбонатов 3С = 0,0 ± 2,5 %о. М. Шидловский рассчитал соотношение изотопов углерода в осадочной оболочке и обнаружил, что оно соответствует соотношению масс Ск и Сорг. Таким образом, изучение изотопного состава углерода в осадочных породах разного возраста, во-первых, свидетельствует о том, что ассимиляция СО2 при фотосинтезе происходила однотипно на протяжении по крайней мере 3,7 млрд лет. Следовательно, этот процесс, осуществляющийся универсальным для всех продуцентов ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилазой, воспроизводился всеми поколениями фотосинтетиков с момента их появления. Во-вторых, результаты изучения изотопного состава и распределения масс С
к и Сорг хорошо согласуются. На протяжении длительного отрезка времени происходило закономерное распределение исходного СО2 между процессами фотосинтеза и карбонатообразования. При этом более 80 % углерода, поступавшего в атмосферу при дегазации мантии, связывалось в карбонатах.
Карбонатообразование и фотосинтез следует рассматривать как два генеральных процесса в глобальной деятельности живого вещества на протяжении последних 3 — 3,5 млрд лет. Соотношение масс Ск и Сорг является весьма важным показателем, который характеризует «лимит роста» живого вещества на разных этапах геологической истории. Соотношение масс карбонатного и органического углерода закономерно уменьшалось на протяжении последних 1,6 млрд лет. Как следует из данных А. Б. Ронова (1976), в толще осадков верхнего протерозоя (1600 — 570 млн лет) отношение Ск: Сорг равно 18, в осадочной толще палеозоя (570 — 400 млн лет) — 11, в осадках мезозоя (235 — 66 млн лет) — 5,2, кайнозоя — 2,9. Неуклонное возрастание относительного содержания органического вещества во взвесях, выносимых реками с древней суши, свидетельствует о прогрессирующем увеличении продуктивности наземных фотосинтезирующих организмов и постепенном усилении роли растительности Мировой суши в глобальной фиксации углерода СО2.
Карбонатообразование и фотосинтез органического вещества имеют общую направленность на удаление из атмосферы углекислого газа, непрерывно поступающего из мантии. Возможно, что эти процессы являются частью глобального механизма поддержания невысокой концентрации СО2 в газовой оболочке Земли, что имеет весьма важное значение в связи с так называемым «парниковым эффектом».
Обратимся к рассмотрению природных процессов динамики массообмена углерода в биосфере. Современный глобальный биогеохимический цикл углерода состоит из двух крупных циклов более низкого ранга. Первый из них обусловлен связыванием углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и новым образованием СО2 в процессе трансформации первичного органического вещества организмами-гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Если бы этот цикл был полностью замкнутым, то количество поглощенного при фотосинтезе углекислого газа должно полностью возвращаться в исходный резервуар — атмосферу. В действительности этого не происходит.
Продуктивность растительности Мировой суши до ее нарушения человеком составляла 172,5109
т/год сухого органического вещества, содержащего 46% углерода, т.е. около 80- 109 т/год. В настоящее время продуктивность природной растительности, по-видимому, сократилась до 60109 т углерода. Продукцию фотосинтеза в океане определяют от 40109 (Болин Б., 1979) до (50 — 60) 109 т/год Сорг (Романкевич А. Е., 1988).
Количество ежегодно разрушающегося органического вещества пока не поддается точному определению. Тем не менее можно утверждать, что из рассматриваемого цикла постоянно выводится значительное количество углерода в составе почвенного гумуса. Учитывая данные О.Н.Бирюковой и Д.С.Орлова (2000), можно считать, что на образование фульвокислот, гуминовых кислот и гумина расходуется 2 — 3 % всего количества углерода, содержащегося в ежегодно отмирающих продуктах фотосинтеза на суше, т.е. около 1,5109 т/год. Такое количество ежегодно выводится из глобального кругооборота углерода в настоящее время; до нарушения растительного покрова человеком эта величина была больше — вероятно около 2109 т/год.
Масса углерода, связывающегося в наиболее устойчивых (гуминовых) компонентах почвенного гумуса, вероятно, в 2 — 3 раза меньше, порядка 0,5109 т/год.
Таким образом, на протяжении тысячелетия за счет образования устойчивых гумусовых веществ в педосфере связывается масса углерода, соизмеримая с массой этого элемента в атмосфере.
Синтез и разрушение органического вещества в океане существенно отличаются от того, как протекают эти процессы на суше. Преобладающую часть фотосинтезированного органического вещества обеспечивает фитопланктон. Его сухая масса почти на три порядка меньше массы растительности Мировой суши, но годовая продукция имеет близкие значения. Это объясняется значительно более быстрыми жизненными циклами главных фотосинтетиков океана — планктонных организмов — по сравнению с наземными растениями.
Из соотношения биомассы растительности суши (2500109 т) и ее продукции (172,5109 т/год сухого органического вещества) следует, что полная замена массы растительности Мировой суши происходит за период около 15 лет. В океане ситуация иная. Несмотря на то, что оценка биомассы и продуктивности фитопланктона разных авторов расходится в 10 раз, можно считать, что оборот массы фитопланктона происходит за 1 — 2 сут, а обновление всей биомассы океана примерно за 1 мес. По расчетам разных авторов, продукция фотосинтеза в океане составляет от 2010
9 до 100109 т/год Сорг и более, в среднем около (50 — 60)109 т/год. В силу того что синтезированное планктоном органическое вещество практически полностью захватывается и разлагается последующими трофическими циклами, в осадок уходит не более 0,1109 т/год, что соответствует около 0,05109 т/год углерода. Таким образом, на протяжении года живое вещество суши и океана поглощает около 440109 т СО2 или 120109 т Сорг, большая часть которого вновь возвращается в океан и атмосферу.
Второй крупный биогеохимический цикл углерода связан с взаимодействием СО2 атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие.
Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, а также от количества растворенных солей. Увеличение растворимости происходит по мере роста парциального давления согласно зависимости Дальтона — Генри. В пресной воде газов растворяется больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности Земли неизмеримо меньше, чем соленой. Поэтому в глобальном балансе СО2 пресные воды играют скромную роль. Растворимость СО2 уменьшается с возрастанием температуры следующим образом:
Температура, °С.......................0 10 20 25
Растворимость, мл/л.............1,71 1,19 0,80 0,76
Среднее содержание углекислого газа, растворенного в морской воде, принято равным 0,75 мл/л (Лисицин А. П., 1983). Но углекислый газ в отличие от других газов вступает в химическое взаимодействие с водой. При этом образуется угольная кислота: СО2 + Н2О ⇄ Н2СО3. Эта кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато, образуя карбонат-гидрокарбонатную систему:
С учетом всех компонентов системы можно считать, что в 1 л океанической воды содержится в растворенном состоянии до 50 см3 СО2. В результате химического взаимодействия СО2 и Н2О в Мировом океане содержится огромное количество угольной кислоты.
Масса гидрокарбонат-иона в Мировом океане — 1961012 т, в пересчете на СО2 — 14110'2 т. Это количество почти в 60 раз превышает массу углекислого газа, находящегося в атмосфере. Таким образом, океан является основным резервуаром СО