Глава V. УГЛЕРОД В БИОСФЕРЕ И ПОЧВАХ

В.А. Ковда

Смотрите также:

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Книги Докучаева

Фитоценология

Химия почвы

Происхождение жизни

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Черви и почвообразование

Дождевые черви

Вернадский. Биосфера

Геохимия - химия земли

Минералогия

Земледелие. Агрохимия почвы

Справочник агронома

Удобрения

Происхождение растений

Эволюция биосферы

Земледелие

Геоботаника

Общая биология

Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

В предыдущих главах показано, что живое вещество экосистем было и остается главным механизмом функционирования биосферы и поддержания почвенного плодородия. Живое вещество с биогеохимической точки зрения — это высокоорганизованная система соединений углерода, кислорода, водорода и азота (углеводов и белков).

История жизни, биосферы и почвенного покрова на планете в значительной мере протекала совместно с историей соединений Н, О, С, N, Р, S, Са, К в литосфере, атмосфере, гидросфере.

Лучше всего роль углерода в биосфере иллюстрируется схемой его круговорота, суммирующей данные А.А. Ничипоровича (1972а, б) и П. Дювиньо (Duvigneaud, 1974).

Из этой схемы следует, что в биосфере продуцентом кислорода является фотосинтез, основным потребителем углекислоты — также фотосинтез, а хранителем углерода— живая биомасса, органическое вещество, известковые осадочные породы, горючие ископаемые и кау сто биолиты, гумусовая оболочка почв суши и мелководий.

Исключительная роль в биосфере принадлежит углероду и его соединениям. Именно они составляют основу жизнедеятельности автотрофных организмов, обладающих способностью накапливать и преобразовывать солнечную энергию в энергию органических веществ, что позволяет фиксировать азот и обеспечивать рост, питание, воспроизводство биомассы растений, травоядных, хищников и низших в пищевых цепях экосистем.

Коэффициент концентрации углерода в живом веществе и почвах по сравнению с литосферой выражается величинами соответственно 180—900 и 20—150 (табл. 11). Но углерод обладает и наибольшей технофиль- ностью - п • Ю10-л • 1011 (Перельман, 1972, 1973). От входит в состав угля, нефти, газов, горючих сланцев. Это элемент, входящий в состав цементов, стройматериалов, органического сырья, пищи, фуража, многих препаратов. Общепризнано, что первичная атмосфера планеты отличалась высоким содержанием соединений углерода: С02, СО, COS, СН4, HCN. Первичная гидросфера была также богата соединениями углерода (Кальвин, 1971). О высоком содержании двуокиси и окиси углерода в древней атмосфере планеты можно судить по данным табл. 12.

Надо полагать, что содержание С02, СО и СН4 в атмосфере было выше того, что оказалось захваченным в пузырьки газов остывшей магмы. В основном первичная атмосфера Земли обязана поступлением газов из верхней мантии. В восходящих от мантии газах на глубинах 150—200 км на долю СН4 и С02 приходится 50—60% объема, а остальное — на долю паров воды (Чекалюк, 1967). Крайне высокие температуры верхней мантии (до 1600°С), давление, достигающее сотен тысяч атмосфер, сложная смесь расплавленной магмы и газов, восходящая к поверхности, дегазация расплавленной магмы — все это способствовало образованию масс воды и первичной атмосферы, обогащенной угольной кислотой и метаном.

Считается, что общее количество углерода, поступившего из мантии в атмосферу и литосферу за время существования Земли, измеряется порядком величин п • 1016 т. Поступления С02, СН4 (а с ними S02, H2S, NH3, N2) в атмосферу из верхней мантии продолжается и поныне в форме фумарол и при излияниях лавы из кратеров вулканов, а также путем газовых потоков и диффузии их в областях тектонических разрывов земной коры. Это явление наблюдается в рифтовых зонах повышенной сейсмичности и вулканизма; оно усиливается в периоды горообразования и роста активности вулканов (Чекалюк, 1967; Bolinetal., 1979).

Современный приток ювенильного углерода к поверхности литосферы и в биосферу, вероятно, составляет п • 107~8 т С ежегодно.

Эволюция и распределение соединений углерода, поступивших в атмосферу и первоначальную литосферу(и • 1016 т из общих запасов углерода порядка п • 1018т) были крайне сложны. Наибольшую роль сыграли два основных биогеохимических процесса: углекислотное выветривание магматических пород с образованием карбонатов металлов, развитие жизни, образование и захоронение масс органического вещества на планете.

Процесс углекислотного выветривания изверженных пород на Земле проходил параллельно образованию и миграции водных масс и в соответствии с содержанием углекислоты в воздухе и воде. Однако это выветривание было стерильным, жизни еще не было. Полевые шпаты и другие алюмосиликаты при выветривании в качестве остаточного продукта давали массы каолинита и гидрослюд и в растворе углекислые соли кальция, натрия, магния. Из кальциевого шпата CaAl2Si208 образовывались СаС03, Са(НС03)2 и окислы Si и А1, натриевый шпат NaAlSi308 давал Na2C03, NaHC03, Na2Si04 и золи rcSi02. Аналогичным путем образовались массы MgC03 и CaMg(C03)2 при выветривании магнезиальных силикатов и алюмосиликатов.

Сходные явления образования растворов карбонатов и бикарбонатов щелочей и щелочных земель интенсивно происходят и поныне. Но в древней атмосфере, где С02 содержалась в более высоких концентрациях, их образование было особенно интенсивным. Именно этими обстоятельствами объясняется накопление в осадочных толщах земной коры колоссальных масс доломитов, известняков, различных карбонатов, столь характерных для осадочных пород.

По мере развития жизни и вовлечения кальция в биосферу и состав живого вещества ускорялся и усиливался круговорот углерода. Нарастали процессы образования карбонатов и их геохимической миграции в пространстве. Образование карбонатов щелочей и щелочных земель происходило и происходит также в результате обменных реакций, возникающих в грунтах и почвах между поглощенными катионами и водородом угольной кислоты (реакция Гедройца) при восходящих или нисходящих движениях растворов. В конечном счете содержание углерода в массе карбонатов Са, Mg, Na, К, обязанных этому биогеохимическому процессу, достигло величины порядка п • 1016 т и составляет большую (80%) часть углерода литосферы. При этом непрерывно росло преобладание в составе карбонатов осадочных пород СаС03 над MgC03 — от 2,39 : 1; 4,49 : 1 в породах девона до 8,89 : 1 в породах карбона и до 37-40 : 1 в породах мелового и третичного периодов (Goldschmidt, 1954).

Процесс образования карбонатов различных металлов, особенно Са, Mg, Na, связал огромные количества углекислоты атмосферы и перевел их путем подземного и речного стока в осадки донных отложений, в толщи известняков и доломитов. И ныне речные воды ежегодно сбрасывают в Мировой океан и во внутриматериковые низменности суши миллионы тонн углекислых солей. Только в океан сток карбонатов составляет около 1,3 • 109 т ежегодно.

Важнейшим этапом в биогеохимическом круговороте и миграции соединений углерода было возникновение фотосинтеза и развитие флоры и фауны в океане, в прибрежных мелководьях и затем наиболее пышно — на суше.

Образование масс живого и мертвого органического вещества, как показывают данные исторической геологии, проходило в условиях древнего гидроморфного почвообразовательного процесса в аккумулятивных ландшафтах. Современными аналогами таких условий и процессов являются торфяно-болотные леса Колхиды (дельта р. Риони), поймы величашей дельты мира р. Амазонки, обширные облесенные торфяники северного полушария. Погребение таких масс органического вещества толщами донных, дельтовых, аллювиальных осадков систематически выключало колоссальные количества углерода и углекислоты из атмосферы, переводя их в литосферу.

Образование и захоронение в литосфере органического вещества (угли, нефть, асфальты, сланцы, сапропель, рассеянная органика в осадках, газовые месторождения) было вторым по времени возникновения, но не меньшим по значению процессом выключения углерода (углекислоты) из атмосферы, гидросферы и из круговорота веществ в биосфере на периоды десятков и сотен миллионов лет.

Считается, что углерод, связанный в виде биогенных осадков в земной коре планеты (горючие ископаемые и рассеянные примеси органики в осадочных породах), составляет примерно 20% всего запаса углерода земной коры (Baes, Goeller, 1976). По данным Успенского (1956) и Галимова (1968), 14 • 1015 т углерода сосредоточено в осадочных породах морского происхождения, около 3 • 1015 т в органическом веществе морских осадков, около 0,5 • 1015 тв виде углерода горючих ископаемых и около 0,37 • 1015 т углерода растворенной углекислоты содержится в воде океана. Велико количество углерода растворенного органического вещества в пресных водах суши (реки, озера, болота) — около 3,2 • 109 т (Успенский, 1956).

К этому надо добавить 58 • 109 т углерода озерных сапропе- лей, 480 • 109 т углерода органического вещества болот. Растворенная органика природных вод более всего представлена гуминовыми и фульвомом образования магматических пород), оба процесса снижали интенсивность по мере вывода из атмосферы масс двуокиси углерода в виде известняков и углей. Главными экстракторами С02 из атмосферы на геологически длительные периоды были океан и моря (осаждение карбонатов и органики, приносимых с континентов), гумусированный аллювий рек, донные отложения озер и растущие залежи торфов в болотах и дельтовых низменностях.

К содержанию книги: Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова