ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 126
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
Главной чертой живого вещества является его биогеохимическая динамичность. Каждый организм и вся генеральная совокупность организмов находятся в постоянном геохимическом взаимодействии с веществом окружающей среды.
Принципы и подходы биогеохимии позволили обнаружить глобальную биокосную систему биосферы, в которой газовая, жидкая и твердая оболочки Земли связаны циклическими процессами массообмена химических элементов. Деятельное начало системы — непрестанно действующее живое вещество — захватывает из окружающей среды соединения определенных химических элементов, закономерно трансформирует эти соединения в другие и выделяет их в окружающую среду, изменяя ее состав. В свою очередь, химический состав среды обусловливает особенности состава организмов и геохимическую направленность их жизнедеятельности. Следовательно, жизнь формирует химический состав окружающей среды, непрерывно взаимодействуя с ее существующим составом. Акцентируя внимание на развитии биогеохимических процессов во времени, В.И.Вернадский отмечал, что биогеохимия должна изучать жизнь в аспекте истории атомов.
Масса живого вещества по сравнению с наружными оболочками Земли ничтожна. Соотношение масс живого вещества, атмосферы, Мирового океана, земной коры составляет соответственно 1: 1000: 100 000n:1 000 000n. Несмотря на такое соотношение, живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления и по этой причине медленно, но неотвратимо изменяет состав вещества наружных фазовых оболочек Земли. Наиболее глубокое изменение претерпела газовая оболочка. Существенно изменился состав вод суши и Мирового океана. Была преобразована наружная часть земной коры, которая подверглась воздействию наземных биоценозов. На поверхности Мировой суши сформировалась биокосная система педосферы.
В основе всех жизненных процессов лежит обмен веществ. По этой причине биогеохимическое взаимодействие организмов с окружающей средой происходит в форме циклических процессов массообмена. Для большинства природных процессов, происходящих на поверхности Земли, также характерна цикличность.
Биогеохимическая деятельность отдельных групп организмов первоначально развивалась применительно к отдельным звеньям природных абиогенных циклов миграции химических элементов. Благодаря непрерывному возобновлению поколений и столь же непрерывному их массообмену с окружающей средой биогеохимическая деятельность соответствующих групп организмов все более расширялась и совершенствовалась. Постепенно эта деятельность приобрела значение фактора, регулирующего процессы циклического массообмена и миграции химических элементов.
Функционирование современной биосферы обусловлено сочетанием множества циклов массообмена химических элементов, совершающихся с неодинаковой скоростью и имеющих различную протяженность. Одни ограничены сферой биогеохимической деятельности единичного организма, другие распространяются на площадь элементарной экогеосистемы, третьи охватывают значительные территории бассейнов стока, четвертые — еще более обширные области циркуляции воздушных масс между материками и океанами. Циклы разных рангов в совокупности обусловливают глобальную систему массообмена химических элементов во всей биосфере, между земной корой, Мировым океаном и атмосферой. Как писал В.И.Вернадский: «...биосфера представляет огромной важности часть организованности планеты. Она определяет и поддерживает атомы Земли... в энергичном непрерывном движении новой формы — в разнообразных миграциях, главным образом в круговых геохимических процессах. Биосфера в этом смысле может быть рассматриваема как своеобразный закономерный механизм»14.
Биогеохимическая деятельность живых организмов обеспечивается энергией Солнца. Соответственно циклы массообмена в разных природных поясах и зонах имеют определенные различия. При вовлечении химических элементов в тот или иной цикл, равно как и в процессе миграции, происходит их закономерная дифференциация. В определенных условиях одни элементы переходят в подвижные состояния, другие — прекращают миграцию и входят в состав устойчивых образований. Сочетания геохимических и геофизических условий внутри природных зон весьма разнообразны, что отражается на сложной структуре циклов массообмена. Самой мелкой пространственной единицей биосферы, обладающей полным набором видов миграционных циклов, в пределах мировой суши является элементарный ландшафт (элементарная эко-геосистема). Организация и динамика живого вещества суши и океана существенно различаются, соответственно разный характер имеют циклы массообмена.
Глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции. Циклы массообмена нельзя представлять как круговые процессы, замкнутые в непроницаемых границах. Скорее, это вихри материи, потоки химических элементов, неразрывно связанные с окружающей средой. Важная особенность миграционных циклов в биосфере — их незамкнутость, возможность свободного перехода мигрирующих масс из одного цикла в другой или частичного вывода и аккумулирования в природном резервуаре. Сочетание множества незамкнутых циклов обусловливает замечательное свойство устойчивости биосферы: нарушение в ту или иную сторону баланса масс одного цикла компенсируется за счет других, сопряженных с ним. Так, избыточные массы углекислого газа, поступавшие в биосферу в периоды напряженной тектоно-вулканической деятельности, выводились из миграционных циклов — они связывались в мощные толщи карбонатных осадков.
Незамкнутость циклов обусловливает не только саморегулирование биосферы, но и ее развитие. Поступление масс свободного кислорода в океан, а затем в атмосферу могло происходить только при условии систематического вывода из цикла масс углерода и консервации их преимущественно в виде дисперсного органического вещества в осадочных и осадочно-метаморфических толщах. Если бы цикл углерода был замкнут и все синтезированное органическое вещество полностью окислялось до СО2, а углекислый газ вновь полностью расходовался на фотосинтез, то накопление кислорода в окружающей среде со всеми последствиями для развития органического мира было бы невозможным.
Согласно второму принципу биогеохимии В. И. Вернадского эволюция органического мира развивалась в направлении усиления биогенной миграции. Циклы массообмена химических элементов все в большей мере контролировались, а затем стали полностью обуславливаться биогеохимическими процессами. Одновременно происходило усложнение глобальной системы циклов. Так, на протяжении огромного периода длительностью около 3 млрд лет продуцирование кислорода осуществлялось организмами, не выдерживавшими присутствия свободного кислорода. Этот элемент как метаболит процесса фотосинтеза поступал в воду и поглощался растворенными неокисленными соединениями серы, железа и марганца. Лишь после химической фиксации колоссальных масс биогенного кислорода в древних осадочных толщах и начала его накопления в атмосфере появились организмы, способные осуществлять фотосинтез не только в океане, но и на суше. Соответственно усложнилась структура циклов массообмена СО2, О2, Н2О, а также многих других элементов, захватываемых в биологический круговорот в отдаленном геологическом прошлом в водной среде, а затем и на суше.
Появление мыслящих организмов и начало их деятельности ознаменовало наступление качественно нового этапа истории планеты. Хозяйственная деятельность человеческого общества развивалась с прогрессирующей скоростью и в настоящее время достигла уровня природных процессов. При этом массы элементов, мобилизуемые хозяйственной деятельностью человека, находятся в совершенно иных соотношениях, чем в системе природных массопотоков. Это вызывает деформацию природных циклов массообмена и в силу обратной связи — изменение состава окружающей среды. Указанные изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Есть веские основания полагать, что процесс развития деятельности человечества не гармонизирован с действующим механизмом поддержания стационарного процесса функционирования биосферы как открытой неравновесной системы.
В этой ситуации биогеохимия как наука приобретает особую актуальность. Изучая процессы массообмена, связывающие в единое целое окружающую среду и живое вещество на разных уровнях организации биосферы, биогеохимия создает научно-теоретическую базу для выяснения сложных закономерностей взаимодействия организмов со средой в конкретных условиях. Биогеохимией накоплен обширный фактический материал и создан научно-методический аппарат, который может быть успешно использован для создания действенной системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды, а также для разработки научно обоснованного прогноза эколого-геохимических последствий хозяйственных действий и новых технологий.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Справочные данные для ориентировочных
расчетов распределения и миграции
масс химических элементов в биосфере
1. Для определения масс химических элементов, которые содержатся в главных составных частях биосферы и могут рассматриваться в качестве резервуаров:
Атмосфера, масса, т.......................................................................................5,21015
Мировая суша, км2:
общая площадь............................................................................................... 150106
площадь, за исключением территории,
занятой ледниками ........................................................................................135106
площадь, за исключением территории, занятой ледниками
и бесплодными пустынями...........................................................................120106
Растительность суши (до нарушения человеком)15, т:
живая масса.........................................................................................6,251012
сухая масса............................................................................................2,51012
Органическое вещество педосферы, т:
лесные подстилки (сухая масса).........................................................0,21012
аккумуляция торфа (сухая масса).......................................................0,51012
общая масса Сорг в педосфере..............................................................2,51012
в том числе Сорг в рыхлых континентальных
отложениях плейстоценового возраста..............................................0,31012
Земная кора, т:
гранитный слой континентального блока.......................................82001015
осадочная оболочка (за исключением эффузивов) .......................24001015
в том числе, %:
глины и глинистые сланцы.......................................................................50
пески и песчаники.....................................................................................21
карбонатные породы................................................................................29
Мировой океан:
площадь, км2.......................................................................................360106
объем, км3......................................................................................... 1370106
фотосинтезирующие организмы (сухая масса), т........................... 3,4109
растворенное и высокодисперсное органическое вещество
(сухая масса), т.................................................................................4110109
растворенные соли16, т ..................................................................479501012
-
Для определения масс элементов, мигрирующих на протяжении года из одного резервуара в другой:
Мировая суша:
Биологический круговорот (продукция фотосинтеза — деструкция отмершего органического вещества), т/год —
продукция растительности до воздействия человека
(сухая масса)17......................................................................................172109
с учетом антропогенного сокращения на 25 %................................129 ×109
Круговорот воды, л/год: испарение с поверхности суши:
с дренируемой части суши...................................................................62×1015
с бессточной части суши.....................................................................7,5×1015
Сумма.....................................................................................................70×1015
Атмосферные осадки, л/год:
на дренируемой части суши, включая 44×1015 л/год
осадков океанического происхождения18......................................... 106×1013
на бессточной части суши....................................................................7,5×10l5
Сумма................................................................................................... 114×1015
Сток воды с суши в океан, 3×1015 л/год
включая сток с ледников: ....................................................................44×1015
вынос растворимых солей с речным стоком19, т/год.........................4,9×109
вынос взвесей с речным стоком20, т/год...........................................20,5×109
Круговорот пыли, т/год:
поступление пылевых частиц с суши в тропосферу.........................5,8×109
осаждение пылевых частиц на поверхность суши21.........................4,0×109
вынос пылевых частиц в океан и область ледников.........................1,8×109
Мировой океан:
Биологический круговорот фотосинтезирующих организмов
(сухая масса), т/год.............................................................................110×109
Испарение с поверхности океана, л/год...........................................456×1015
Атмосферные осадки на поверхности океана22, л/год....................411×1013
Перенос атмосферных осадков с океана через
тропосферу на сушу, л/год.................................................................44×10'5
По реакции фотосинтеза связывание 1 г углерода углекислого газа сопровождается выделением 2,7 г кислорода.
СОДЕРЖАНИЕ:
Предисловие 3
Введение 4
Часть I 17
ОБЩАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БИОСФЕРЫ 17
Глава 1 17
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ 17
КАК ФАКТОР БИОСФЕРЫ 17
1.1.Относительное содержание 18
химических элементов в земной коре 18
1.2.Формы нахождения химических 20
элементов в земной коре 20
1.3.Особенности распределения химических 25
элементов в земной коре 25
Глава 2 28
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО 28
2.1. Состав живого вещества 29
2.2. Микроэлементы 35
2.3. Биологический круговорот химических 39
элементов 39
2.4. Природные вариации концентраций 52
химических элементов в организмах 52
Глава 3 56
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ 56
3.1. Биогеохимическая эволюция состава 56
атмосферы и жизнедеятельности 56
организмов в массообмене газов 56
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей 65
3.3. Значение атмосферного массопереноса 75
водорастворимых форм химических 75
элементов 75
Глава 4 84
БИОКОСНАЯ СИСТЕМА ГИДРОСФЕРЫ 84
4.1. Состав Мирового океана — результат 84
биогеохимической деятельности 84
организмов 84
4.2. Особенности геохимии поверхностных 90
вод суши 90
4.3. Трансформация геохимического состава 98
природных растворов на контакте речных и 98
океанических вод 98
Глава 5 102
БИОГЕОХИМИЯ ПЕДОСФЕРЫ 102
5.1. Планетарное значение педосферы 103
5.2. Органическое вещество педосферы 105
5.3. Роль почвы в регулировании 116
углерод-кислородного массообмена 116
в биосфере 116
5.4. Биогеохимическая трансформация 122
минерального вещества педосферы 122
5.5. Проблема возникновения почв и 128
эволюция почвообразования в истории 128
Земли 128
5.6. Распределение рассеянных элементов 135
в педосфере 135
5.7. Педосфера — регулятор 144
биогеохимических циклов тяжелых 144
металлов 144
Часть II 152
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ 152
Глава 6 152
ЦИКЛЫ МАССООБМЕНА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 152
В БИОСФЕРЕ 152
Глава 7 158
ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ 158
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕГАЗАЦИИ 158
МАНТИИ 158
7.1. Глобальный цикл углерода 158
7.2. Влияние живого вещества на 170
геохимию кислорода и водорода в биосфере 170
7.3. Глобальный цикл серы 173
7.4. Глобальный цикл азота 182
7.5. Общие черты циклов и распределения 189
масс дегазированных элементов 189
Глава 8 192
ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ 192
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ 192
8.1. Глобальный цикл кальция 193
8.2. Глобальный цикл калия 194
8.3. Глобальный цикл кремния 196
8.4. Глобальный цикл фосфора 197
8.5. Общие черты циклов и распределения 200
масс выщелоченных элементов 200
Глава 9 203
ЦИКЛЫ МАССООБМЕНА 203
ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ 203
9.1. Глобальный цикл свинца 204
9.2. Глобальный цикл цинка 209
9.3. Общие черты циклов и распределения 214
масс тяжелых металлов в биосфере 214
Часть III 223
БИОГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЗОН 223
Глава 10 223
ЗОНАЛЬНОСТЬ 223
БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 223
10.1. Биогеохимическая зональность 223
океана и суши 223
10.2. Геохимическая неоднородность 228
биосферы и природных зон 228
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная 233
экогеосистема) как основная 233
хорологическая единица биосферы Мировой 233
суши 233
Глава 11 239
БИОГЕОХИМИЯ ПОЛЯРНОГО ПОЯСА 239
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов 239
11.2. Биогеохимия тундры 246
Глава 12 250
БИОГЕОХИМИЯ ПОЯСА 250
ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ЛЕСОВ 250
12.1. Биологический круговорот элементов 250
в лесных сообществах 250
12.2. Биогеохимические особенности 263
почв пояса внетропических лесов 263
12.3. Водная миграция элементов в зоне 268
бореальных и суббореальных лесов 268
Глава 13 274
БИОГЕОХИМИЯ ВНЕТРОПИЧЕСКИХ 274
СТЕПЕЙ И ПУСТЫНЬ 274
13.1. Биологический круговорот элементов 274
в аридных растительных сообществах 274
13.2. Особенности биологического 279
круговорота в экстрааридных пустынях 279
13.3. Биогеохимические особенности 284
почв аридных ландшафтов 284
13.4. Взаимосвязь биогеохимических 286
процессов с водной и атмосферной 286
миграцией элементов в аридных условиях 286
Глава 14 290
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА 290
14.1. Биологический круговорот химических 290
элементов в распространенных тропических 290
растительных сообществах 290
14.2. Биогеохимические особенности 297
тропических почв 297
14.3. Биогеохимия мангров 301
Глава 15 305
ОСОБЕННОСТИ БИОГЕОХИМИИ 305
МОРСКИХ ОСТРОВОВ 305
15.1. Массоперенос солей. 306
Роль колоний птиц 306
15.2. Поступление тяжелых металлов 311
в экогеосистемы островов из атмосферы 311
Глава 16 317
ИНВАЙРОНМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ 317
И БИОГЕОХИМИЯ 317
16.1. Деформация природных 317
биогеохимических циклов хозяйственной 317
деятельностью человеческого общества 317
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов 330
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 345
ПРИЛОЖЕНИЕ 349
Справочные данные для ориентировочных 349
расчетов распределения и миграции 349
масс химических элементов в биосфере 349
Учебное издание
Добровольский Всеволод Всеволодович
Основы биогеохимии
Учебник
Редактор Е. В. Филатова
Технический редактор Е. Ф. Коржуева
Компьютерная верстка: Т. А. Кравцова
Корректор А. П. Сизова
Диапозитивы предоставлены издательством.
Изд. № А-481. Подписано в печать 27.11.2002. Формат 60*90/16.
Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Бумага тип. № 2. Усл. печ. л. 25,0.
Тираж 20 000 экз. (1-й завод 1 - 6 000 экз.). Заказ № 2344.
Лицензия ИД № 02025 от 13.06.2000. Издательский центр «Академия».
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№ 77.99.02.953.Д.002682.05.01 от 18.05.2001.
117342, Москва, ул. Бутлерова, 17-Б, к. 223.
Тел./факс: (095)334-8337, 330-1092.
Отпечатано на Саратовском полиграфическом комбинате.
410004, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59.