LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 13
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>


Это картосхема юго-восточной части штата Миссури, где находится так называемый свинцовый пояс — район старейших в США разработок свинца. Район месторождений на схеме оконтуривается границей распространения концентраций свинца в рыхлом покрове более 70 мкг/г. В западной части плато Озарк имеется еще одна геохимическая аномалия с более низким уровнем концентрации свинца: от 30 до 70 мкг/г. Значительная часть всей территории характеризуется несколько повышенным геохимическим фоном свинца (15 — 30 мкг/г) по сравнению со средней концентрациейэтого металла в педосфере США (16 мкг/г). В то же время мощные аллохтонные рыхлые накопления имеют более низкий уровень концентрации свинца: менее 15 мкг/г.
Процессы взаимодействия растительности и почвенной биоты с минеральным субстратом способствуют формированию геохимических аномалий на поверхности почвы. В лесной подстилке аккумулируются металлы, рассеивающиеся из рудного тела, в то время как их концентрация в горизонте вымывания и почвообразующей породе неотличима от местного геохимического фона. В данном случае древесная растительность, по образному выражению В.М.Гольдшмидта (1938), действует как «геохимический насос», перекачивающий рудные элементы из глубины на поверхность. Геохимическая аномалия в лесной подстилке или гумусовом горизонте может быть более отчетливой, чем биогеохимическая аномалия в растениях.
Взятие проб с поверхности почв и рыхлых отложений с последующим определением металлов для обнаружения залежей руд получило название металлометрии. Металлометрия после Второй мировой войны быстро завоевала популярность во всем мире. При помощи металлометрических работ были открыты крупные месторождения олова, вольфрама, молибдена, цинка, свинца и др.
Следует отметить, что сильная дифференцированность профиля почв создает определенные трудности для использования металлометрии. Интерпретация результатов анализов может быть осложнена отбором проб без учета геохимической специфики генетических горизонтов. Поэтому на территории распространения почв с сильно дифференцированным профилем (например, подзолистых) металлометрические работы следует проводить в по-чвенно-биогеохимической модификации.
На рис. 5.5 показаны результаты определения концентрации меди и никеля в почве и рыхлых отложениях, отобранных с определенных глубин по профилю, пересекающему участок рудопроявления Нюдуайвенч (Кольский полуостров). Установлено, что концентрация металлов в озоленном веществе лесной подстилки (горизонт A0 иллювиально-железистого подзола) сильно возрастает над рудной зоной, в то время как в пробах, взятых с большей глубины — в нижней части почвенного профиля и почвообразующей породе (моренных отложениях) — аномальных концентраций металлов не обнаружено.
Эффективность поиска залежей руд может быть усилена, если определять не валовое содержание, а специфические для почвы формы нахождения металлов. Ранее отмечалось, что в процессе взаимодействия живых организмов с минеральным веществом почвы образуются комплексные соединения, которые плохо растворяются в воде, но извлекаются специальными экстракциями. Следовательно, определяя не общее (валовое) содержание металлов в почве, а их содержание в органических соединениях, извлекаемых кислотно-щелочными экстракциями, можно обнаружить скрытую почвенно-геохимическую аномалию, указывающую на месторождение (Добровольский В. В., 1964).




Рис. 5.5. Распределение концентраций никеля и меди в озоленном веществе горизонта ао железо-иллювиального подзола (а), в нижней части почвы (б) и в рыхлой почвообразующей породе (в) над медно-никеле-вым рудопроявлением Нюдуайвенч; разрез по скважине 720 (г) (по данным С.Шкорбатова): 1 — концентрация меди; 2 — концентрация никеля

Так как концентрация органических соединений рассеянных металлов в почве очень мала, Л.В.Антропова (1975) предложила аналитические данные не пересчитывать на массу почвы, а использовать отношение металл — углерод гумуса. Этот прием дал хорошие результаты.
Благодаря высокой сорбционной способности торфяные залежи обогащаются металлами из грунтовых вод, омывающих неглубоко залегающие руды. Используя это явление, финский геолог М. Сальми предложил метод поиска руд путем анализа торфа. Он обнаружил геохимические аномалии меди, свинца, цинка, ванадия и титана в торфяниках вблизи рудных тел, перекрытых ледниковыми отложениями мощностью до 10— 12 м.
Приведенные примеры показывают, что изменение концентрации металлов и других рассеянных элементов на поверхности суши в виде почвенно-геохимических провинций и почвенных аномалий широко распространенное явление. Можно предполагать, что изменчивость концентраций рассеянных элементов, имеющих важное физиологическое значение, сыграла определенную роль в эволюции наземной жизни и многообразии ее форм.

5.7. Педосфера — регулятор
биогеохимических циклов тяжелых
металлов

Функционирование многокомпонентной системы почвы основано на непрерывном обмене вещества и энергии между компонентами. Процессы массообмена химических элементов поддерживаются разнообразными межкомпонентными равновесиями, среди которых особая роль принадлежит равновесиям между твердой и жидкой фазами почвы. Это связано с тем, что именно из почвенных растворов поступают многие химические элементы, необходимые высшим растениям для синтеза ежегодной продукции. Вместе с тем почвенные растворы служат питательной средой для микроорганизмов, разлагающих мертвое органическое вещество. Процессы, протекающие между твердой фазой почвы и почвенными растворами, являются важной частью механизма биогеохимических циклов массообмена химических элементов.
Концентрация элементов в почвенном растворе поддерживается на определенном уровне благодаря равновесию между элементами, находящимися в жидкой и твердой фазах почвы. Равновесное распределение элементов между этими фазами обусловлено процессами осаждения — растворения и адсорбции — десорбции. При поступлении в почву соединения, способного в той или иной мере растворяться в воде, оно растворяется в результате воздействия Н+, ОН-, СО32-, НСО3, Н3РО4, водорастворимых гумусовых кислот и др. В то же время взаимодействие раствора и твердой фазы почвы сопровождается уменьшением концентрации рассеянных элементов в растворе. Устойчивая концентрация металлов в многократных последовательных водных экстракциях свидетельствует о том, что металлы, содержащиеся в твердой фазе и растворе, связаны равновесием.
Согласно теории химического равновесия, состав раствора регулируется процессом, происходящим при наименьшей концентрации элемента в растворе. По мнению Л. А. Воробьевой и соавторов (1980), определяющее значение имеет процесс осаждения — растворения самого малорастворимого соединения. Авторы предполагают, что, во-первых, природные растворы являются насыщенными по отношению к наиболее малорастворимым соединениям металлов, которые находятся в равновесии с твердой фазой почвы. Во-вторых, в соответствии с принципом Ле Шателье уровень концентрации в растворе должен ограничиваться тем соединением, которое в данных условиях выпадает в осадок при наименьшей концентрации.
Наименее растворимые в воде соединения с тяжелыми металлами образуют фосфат-ионы. Следовательно, присутствие фосфатов должно определять концентрацию тяжелых металлов в почвенных растворах или водных экстрактах. Содержание фосфатов металлов в твердой фазе почвы можно рассматривать как резерв для поддержания их концентрации в почвенном растворе. В качестве примера в табл. 5.9 приведены данные о соотношении общего содержания свинца, фосфатов свинца и его концентрации в водных экстрактах в разных типах почв.
Таблица 5.9
Содержание свинца в твердой фазе почв и водных экстрактах
(составлено автором по данным Е.А.Лобановой, 1983)

Горизонт
Общее содержание свинца, мг/кг
Содержание фосфата свинца, мг/кг
Концентрация свинца в водных экстрактах, мкг/л
Дерново-подзолистая почва



А1
16,5
1,0 (6,1)
2,5
А2
9,0
0,6 (6,7)
1,7
В1
13,0
0,7 (5,4)
1,2
Чернозем типичный мощный



А1
25,0
1,0 (4)
1,5
В1
22,5
0,7 (3)
1,0
С
22,5
0,7 (3)
1,0
Бурая горно-лесная почва



А1
42,0
4,0 (9,5)
2,5
В1
27,0
3,0 (11,1)
1,5
В2
33,0
3,0 (9,1)
1,0

Примечание. В скобках указан процент от общего содержания

Содержание фосфат-ионов в почвенном растворе ничтожное и недостаточное для выведения всего количества растворенных металлов. В то же время при добавлении в водные экстракты твердого вещества почвы концентрация тяжелых металлов быстро снижается благодаря адсорбции. В данном случае под адсорбцией подразумевают разные виды удаления тяжелых металлов путем связывания их с твердым веществом без образования индивидуализированных химических соединений.
Экспериментальные данные по адсорбции тяжелых металлов и близких им элементов из растворов твердой фазой удовлетворительно описываются уравнением изотермы адсорбции Фрейндлиха:
х/т = КС1/m,
где х/т — количество адсорбируемого металла;
С — равновесная концентрация металла в растворе;
K и 1/n — константы.
Полученные разными авторами результаты показывают, что изотермы металлов делятся на две части: первая расположена под большим углом к оси абсцисс, вторая — более пологая. Такое разделение объясняется тем, что при низких концентрациях в растворе тяжелые металлы в первую очередь занимают на поверхности твердого тела места с высокой энергией связи (специфическая адсорбция металлов почвой) и лишь затем — с более низкой энергией (неспецифическая адсорбция). Специфически адсорбированные катионы связаны с твердой фазой почвы преимущественно ковалентными или координационными связями, неспецифически адсорбированные — ионообменными.
Специфическая адсорбция обусловлена гумусом почв и гидроксидами железа, образующими тончайшие пленки на глинистых частицах. Поэтому после разрушения гумуса пероксидом водорода и удаления пленок гидроксидов железа методом Мира — Джексона (1960) сорбционная способность почвы уменьшается. Тяжелые металлы специфически адсорбируются селективно: Pb > Zn > Cd. При этом свинец преимущественно связан с гидроксидами железа, а цинк — с гумусом. В катионообменной форме находится примерно '/з цинка и большая часть кадмия (табл. 5.10).
Таблица 5.10
Соотношение форм адсорбции тяжелых металлов в черноземе
и бурой лесной почве, % от общего количества адсорбированного
металла (составлено автором поданным В.С.Горбатова, 1983)

Металл
Форма адсорбции, %



катионо-обменная
связанная с гумусом
связанная с гидроксидами Fe'+
Чернозем



Zn
15,6
19,4
50,0
Pb
0,9
40,0
40,0
Cd
76,2
9,5
16,2
Бурая лесная почва



Zn
35,5
28,0
26,7
Pb
3,7
63,9
26,2
Cd
71,1
11,1
26,7

Комплексы металлов с гумусовым веществом и гидроксидами трехвалентного железа весьма устойчивы. Так же устойчивы хемосорбционные образования, имеющие межмолекулярные связи. Наиболее легко переходят в раствор металлы, находящиеся в катионообменной форме. Следовательно, чем большая часть металла адсорбирована органическим веществом, тем более прочно он закреплен в почве. Чем большая часть находится в катионообменной форме, тем легче мобилизуется металл. Из металлов, фигурирующих в табл. 5.10, наиболее подвижен кадмий, наименее — свинец. В органическом веществе металлы настолько прочно связаны, что недоступны растениям. Поэтому растения, произрастающие на осушенных заболоченных почвах, богатых слаборазложенным органическим веществом с высоким содержанием меди, цинка и марганца, часто испытывают физиологический дефицит этих металлов. Катионообменная адсорбция в основном связана с высокодисперсными глинистыми минералами. Наряду с этой формой часть металлов закрепляется в глинистых минералах более прочно, очевидно, проникая в межпакетные пространства кристаллической структуры этих минералов.
Металлы, адсорбированные гумусом, наиболее активно связываются с карбоксильными (СООН) и фенольными (ОН) группами, замещая водород. При этом образуются хелаты, в которых металл входит в анионную часть молекулы органического вещества. Согласно Л.Н.Александровой (1967), металл соединен координационными связями и не проявляет себя как катион. Схема образования комплекса следующая:


Комплекс может также присоединять металл в обмен на Н+ во внешних функциональных группах:



Следовательно, металл может входить как в анионную, так и в катионную часть молекулы гумусовой кислоты. Как отмечалось в разд. 5.2, молекулы гумусовых соединений различаются количеством функциональных групп и степенью сконденсированности «ядра». Поэтому на адсорбцию влияют не только свойства металлов, но и особенности строения гумусовых соединений.
При взаимодействии металлов с гидроксидами Fe3+ возникает связь между ионом металла и двумя группами (ОН)". На схеме представлено возможное взаимодействие металла с рентгеноаморф-ным гидроксидом Fe3+, состав которого отвечает гидрогетиту:

Адсорбция рассеянных элементов и равновесие между твердой и жидкой фазами почвы имеют важное значение для поступления этих элементов в растения. Установлено, что существует два типа поступления элементов в растения (Рубин Б. А., 1974). Первый из них — активный процесс поглощения элемента клеткой против градиента его концентрации, второй — пассивный перенос в направлении градиента. Активное поглощение происходит с затратой энергии и, как правило, селективно, обусловливая биогеохимическую дифференциацию элементов, рассмотренную в разд. 2.3. Пассивное поглощение осуществляется попутно с процессом транспирации.
Тип поступления элементов в растения зависит от концентрации их в почвенном растворе. При низких концентрациях, свойственных рассеянным элементам в условиях геохимического фона, основное значение имеет активное селективное поглощение элементов растениями. В случае аномально высокого обогащения раствора элементом, обычно содержащимся в ничтожном количестве, происходит его пассивное поступление в растения.
Уровни концентрации рассеянных элементов в почвенных растворах имеют исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности растений. В процессе эволюции у растений выработались некоторые механизмы блокирования излишнего количества рассеянных элементов, в первую очередь тяжелых металлов. В.Б.Ильин и М.Д.Степанова (1980) предположили, что рассеянные металлы в той или иной мере могут задерживаться на периферии корня в зоне пояска Каспари. Возможно, имеются физиологические механизмы, предохраняющие репродуктивные органы. Однако защитное действие растений весьма ограничено, а для некоторых элементов, например цинка, — отсутствует (Бан-сал Н. А. и др., 1982). Необходимая для растений низкая концентрация тяжелых металлов главным образом обеспечивается равновесиями между твердой и жидкой фазами почвы.
Концентрация рассеянных элементов в почвенных растворах является важным фактором нормальной жизнедеятельности не только высших растений, но и почвенной микробиоты. Имеющиеся данные свидетельствуют, что почвенные микроорганизмы адаптированы к неодинаковым уровням концентрации цинка, меди, свинца, кадмия, молибдена, кобальта и других рассеянных элементов. На этом основании В. В. Ковальский (1974) предположил, что в почвах существуют разные экологические типы одного и того же вида микроорганизмов, приспособленные к определенным уровням содержания рассеянных элементов.
С.В.Летунова (1978) изучила микроорганизмы в почвах Сум-сарского свинцово-цинкового месторождения и установила, что наиболее устойчивы к избытку тяжелых металлов грибы, наименее — бактерии. В то же время наибольшее содержание цинка обнаружено в сухом веществе спорообразующих бактерий (5154,1 мг/кг сухого вещества бактерий), актиномицетов (до 483,7 мг/кг), грибов (251,0 мг/кг) и неспороносных бактерий (до 118,0 мг/кг). Максимальное содержание свинца также относится к спорообразующим бактериям (1466,7 мг/кг), затем следуют неспорообразу-ющие бактерии (до 246 мг/кг), актиномицеты (101,7 мг/кг) и грибы (96,4 мг/кг).
Способность к аккумуляции металлов, по-видимому, является характерной биогеохимической особенностью почвенных бактерий. Возможно, они вырабатывают ферменты для трансформации водорастворимых соединений металлов в неактивные формы внутри клеток. В результате деятельности бактерий образованы крупные месторождения руд железа, марганца, меди, ванадия, урана и других металлов. Способность бактерий аккумулировать металлы использована при разработке технологий микробиологического извлечения металлов из бедных руд и микробиологической очистки сточных вод.
Несмотря на способность к аккумуляции металлов, микроорганизмы, населяющие почвы с нормальной, невысокой концентрацией металлов, чувствительно реагируют на возрастание их концентрации. Это проявляется в подавлении биогеохимической деятельности некоторых групп организмов, в частности фиксаторов атмосферного азота.
Опыты С. В.Летуновой (1978) на почвенных экстрактах и непосредственное микробиологическое изучение микроорганизмов почв показали, что азотфиксирующие бактерии Azotobacter chroococum из почв разных районов приспособлены к разным концентрациям меди. Azotobacter из почв Подмосковья существует в условиях низкой концентрации меди и молибдена, а из почв Узбекистана — при более высокой. Внесение дополнительных количеств меди и молибдена к экстракту из почвы Подмосковья подавляло рост и фиксацию им азота штамма Azotobacter, в то время как для Azotobacter из почвы Узбекистана эти концентрации не вызывали отрицательной реакции.
М.М.Умаров с коллегами (1980) установили, что наиболее сильно подавляют азотфиксирующую активность почвы избыточные количества кадмия, в меньшей степени — меди, наименее заметно влияние свинца. Возможно, что степень токсичного воздействия металлов связана с прочностью их адсорбции твердой фазой почвы, которая соответствует ряду Рb > Сu > Cd. Эффект подавления азотфиксирующей деятельности почв избыточными дозами металлов, к которым микроорганизмы не адаптированы, можно использовать для оценки интенсивности техногенного загрязнения почв.
По причине значительной сорбционной емкости и действию рассмотренных равновесий почва обладает замечательной способностью связывать массы тяжелых металлов и поддерживать их концентрацию в почвенном растворе на низком уровне, обеспечивающем селективное поглощение необходимого растениям количества металлов. В то же время при недостатке металла благодаря имеющемуся равновесию между твердой и жидкой фазами почва способна выделять этот металл в раствор.
Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв , неодинакова. Наиболее прочно закрепляется ртуть, прочно связывается свинец, менее прочно — медь, еще менее — цинк и кадмий. Поглощая и связывая избыточные массы рассеянных элементов, поступающие на поверхность суши в активной растворимой форме, педосфера выполняет функцию регулятора масс рассеянных элементов, поступающих в миграционные циклы. В процессах регулирования важную роль играют почвенное органическое вещество и гидроксиды железа.
Изложенные в этой главе данные позволяют рассматривать почву не только как основной источник производства продуктов питания для населения земного шара, но и как важнейшее звено глобальной системы всей биосферы. Ответственное значение почвы связано с ее ролью регулятора многих биогеохимических циклов. В почве систематически консервируется значительная масса синтезированного высшими растениями органического вещества, что обеспечивает нахождение в атмосфере свободного кислорода. В то же время в почве продуцируется углекислый газ, необходимый для непрерывного фотосинтеза и воспроизводства живого вещества. В почве осуществляется преобразование инертного молекулярного азота в формы, доступные для включения в биологический круговорот. В почве происходят сложные процессы трансформации соединений элементов-биогенов, в первую очередь серы и фосфора. В настоящее время в связи с интенсивной техногенной эмиссией металлов отчетливо выявляется роль педосферы как регулятора миграционных потоков масс тяжелых металлов и других элементов с переменной валентностью. Учитывая столь важную роль уникального биокосного образования, каким является педосфера, проблема охраны и рационального использования почв приобретает особо актуальное значение.

Рекомендуемая литература

Бирюкова О.Н., Орлов Д. С. Органические соединения и оксиды углерода в почве и биосфере // Почвоведение. — 2001. — № 2. — С. 180—191.
Вернадский В. И. О значении почвенной атмосферы и ее биогенной структуры // Почвоведение. — 1944. — № 4/5. — С. 137—143.
Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. - М.: Высш. шк., 1988. - 328 с.
Взаимодействие почвы с атмосферой / Г.А.Заварзин, Д.Г.Звягинцев, Л.О.Карпачевский и др. — М.: Изд-во МГУ, 1985.
Кабата-Пендиас И., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. — М.: Мир, 1989. -439с.
Микроэлементы в почвах Советского Союза / Под ред. В. А. Ковды и Н.Г.Зырина. - М.: Изд-во МГУ, 1937. - 281 с.
Микроэлементы в почвах СССР / Под ред. Н. Г. Зырина и Г. Д. Белици-ной. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 252 с.
Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв. — М.: Изд-во МГУ, 1974. — 333с.
Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах / Под ред. Н.Г.Зырина и Л.К.Садовниковой. — М.: Изд-во МГУ, 1985. — 208 с.

Контрольные вопросы

1. Дайте оценку педосфере как глобальному биогеохимическому фильтру газов, выделяемых в атмосферу.
2. Рассмотрите внутрипочвенные биогеохимические циклы газов, осуществляющиеся бактериальными системами.
3. В каких почвах продуцируется наибольшее количество СО2? В каких почвах, связанных системой геохимического сопряжения, углекислот-ное дыхание почвы подавляется?
4. Изложите представления о двух главных группах специфических органических образований почв.
5. Какие две противоположно направленные функции выполняет гумус почвы по отношению к рассеянным металлам?
6. Какова общая направленность биогеохимической трансформации минерального вещества почвы?
7. Назовите главные закономерности перераспределения тяжелых металлов при биогеохимической трансформации минерального вещества почвы.
8. Изложите представления о минералого-геохимических провинциях педосферы. Приведите примеры провинций, назовите их отличительные особенности.
9. Каков механизм фиксации избыточных масс тяжелых металлов и близких им поливалентных элементов в почвах?
10. Рассмотрите роль бактерий в процессах аккумуляции тяжелых металлов.

Темы для самостоятельной работы

1. На основании данных, приведенных в справочных материалах, определите количество СО2, которое может поступить в атмосферу при полном разрушении (окислении) напочвенного органического вещества суши. Сравните полученный результат с массой СО2, находящейся в настоящее время в атмосфере.
2. По литературным данным о концентрации меди и цинка рассчитайте запас этих металлов на единице площади по генетическим горизонтам (в г/м2 или т/км2).






























Часть II
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Глава 6
ЦИКЛЫ МАССООБМЕНА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В БИОСФЕРЕ

В предыдущих главах показано, что существует тесная связь состава земной коры, атмосферы и океана, которая поддерживается процессами циклического массообмена химических элементов. В эти процессы с началом геологической истории встроились процессы жизнедеятельности, наиболее органично соответствовавшие условиям функционирования открытой неравновесной системы, основанной на циклическом массообмене.
Биогенизация исходно абиогенных циклов повлекла за собой трансформацию их структуры и, как следствие — объединение трех разнофазных наружных оболочек Земли в единую системы биосферы. При этом существенно изменился состав атмосферы и гидросферы и закономерно менялся состав постепенно нараставшей земной коры континентов.
Указанные преобразования стали возможны благодаря фундаментальному свойству циклов массообмена химических элементов в биосфере — их незамкнутости, которая сложилась в результате, с одной стороны, постоянного, но не равномерного поступления масс определенных веществ из недр земли, с другой — фотохимической диссоциации молекул водяного пара в верхней атмосфере с последующей диссипацией водорода и вымыванием окисленных соединений атмосферными осадками. Следовательно, моделью биосферных циклов массообмена химических элементов должен служить не замкнутый кругооборот постоянных масс, а циклическая система миграционных потоков, в которых мигрирующие массы могут перемещаться из одного массопотока в другой, а избыточное количество тех или иных химических элементов частично выводиться из миграции в одну из фазовых оболочек.
Главным фактором направленного изменения глобальных циклов массообмена и преобразования исходной системы фазовых оболочек в современную систему биосферы было живое вещество. Встраиваясь в систему циклов и выполняя те же функции, что абиогенные химические процессы, живые организмы одновременно продуцировали продукты метаболизма и отмирания. Накопление этих продуктов на протяжении длительного времени сильно изменяло геохимические условия окружающей среды, что в свою очередь стимулировало эволюцию организмов применительно к новым условиям.
Жизнь посредством непрерывного циклического массообмена формировала среду обитания. Наиболее ярким примером служит образование педосферы, порожденной жизнедеятельностью наземной биоты и вместе с тем обеспечивающей существование и воспроизводство главной части биомассы Земли — растительности Мировой суши.
Фракционирование химических элементов в биогеохимических циклах наложило глубокий отпечаток на состав осадочной оболочки, Мирового океана, атмосферы. Посредством непрерывного циклического массообмена жизнь формировала среду обитания. Наиболее ярким примером служит образование педосферы, порожденной жизнедеятельностью наземной биоты и вместе с тем обеспечивающей существование и воспроизводство главной части биомассы Земли — растительности Мировой суши.
Расчеты распределения масс химических элементов в биосфере и масс, участвующих в процессах биогенной миграции, основываются на двух группах данных. Во-первых, необходимы сведения о средних значениях концентраций элементов в компонентах биосферы: биомассе растительности Мировой суши, воде рек, педосфере и др. Во-вторых, должны быть сведения о массе каждого из компонентов биосферы.
В настоящее время известны лишь ориентировочные данные о массах компонентов биосферы. Еще более ориентировочны значения средних концентраций химических элементов, определение которых затруднено многими факторами, где главный — сильная вариация концентраций элементов в конкретных объектах исследования: образцах растений, воды, почв. В предыдущих главах показано, что сильная вариация содержания элементов во всех природных объектах является характерной чертой геохимии биосферы и обусловлена биогеохимическими процессами, способствующими не только аккумуляции, но в еще большей мере — рассеянию химических элементов. По указанным причинам результаты расчетов глобальных циклов массообмена химических элементов условны, и данные разных авторов могут не совпадать. По мере поступления новой научной информации выводы о массах элементов в разных природных объектах будут уточняться, а наши представления о структуре глобальных циклов массообмена соответственно изменяться.
Массы химических элементов поступали в глобальные циклы из двух источников. Это можно обнаружить, рассматривая динамику существующих циклов массообмена в биосфере ретроспективно, учитывая особенности распределения масс элементов в наружных оболочках Земли. С этой целью рассмотрим глобальные циклы натрия и хлора, геохимия которых в биосфере весьма тесно связана.
Глобальный цикл натрия. Натрий — один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса этого элемента выделяется на последних стадиях магматической кристаллизации и частично остается в постмагматических растворах. Натрий занимает в кристаллохимических структурах силикатов позиции между устойчивыми алюмокрем-некислородными группировками и поэтому легко освобождается из структур галогенных силикатов при их гипергенной трансформации. Концентрация Na2O в гранитном слое земной коры составляет 2,71 %, в осадочной оболочке — 1,5%. Соответственно масса натрия в гранитном слое равна 165Ч1015 т, в осадочной оболочке — 26,7Ч1015 т (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Распределение масс натрия и хлора в биосфере, 109 т

Резервуар
Натрий
Хлор
Живое вещество Мировой суши
3,00
5,00
Живое вещество Мирового океана
0,09
0,03
Органические остатки и гумус педосферы
0,50
0,50
Океан (растворенные ионы)
14740000,0
26500000,0
Осадочная оболочка земной коры
26700000,0
6500000,0
Гранитный слой земной коры
165500000,0
1700000,0

Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,7Ч1015 т этого элемента.
Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым ежегодно выносится 0,185Ч109 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 0,19Ч109 т/год.
В цикле массообмена между поверхностью океана и тропосферой участвует около 1,3Ч109 т/год водорастворимых форм натрия, между поверхностью суши и тропосферой — примерно 0,14Ч109 т/год. С воздушными массами морского происхождения на сушу переносится более 0,1Ч109 т/год растворимых форм натрия. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,01Ч109 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 3Ч109 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 4,6Ч109 т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2Ч109 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)Ч109 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 — 1,7Ч1015 т. В осадочной оболочке концентрация хлора в 10 раз выше — 0,27 %, а масса равна 6,5Ч1015 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 2,4Ч109т (с учетом сухих осаждений), а возвращается с осадками и в форме сухих осаждений 2,2Ч109 т. Разница в 0,2Ч109 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 5Ч109 т, в биомассе фитосинтетиков океана — 0,17Ч109 т хлора. Концентрация рассматриваемого элемента в неживом органическом веществе педосферы и гумусе равна примерно 0,01 %, следовательно, масса хлора составляет около 0,5Ч109 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 0,34Ч109 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 4,4Ч109 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 (40,7Ч1015 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 2450Ч109 т углекислого газа, что соответствует 668Ч109 т углерода; по данным К. И. Кобак (1988), масса углерода в атмосфере по состоянию на 1983 г. составляла 728Ч109 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 2100Ч109 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 000Ч109 т. В этой массе содержится 38 600Ч109 т Ск.

Как отмечено ранее, основная масса живых организмов находится на суше и в пересчете на сухое вещество составляет 2500Ч109 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 1880Ч109 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 1150Ч109 т, а в настоящее время около 865Ч109 т.
В океане в биомассе организмов-фотосинтетиков по последним данным Е.А. Романкевича (1988) сосредоточено 1,7Ч109 т Сорг. Это на порядок больше, чем считали ранее, — около 0,1Ч109 т (Добродеев О. П. и др., 1976). Кроме того, в океане существует значительная масса организмов-консументов, в которой связано 2,3Ч109 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 — 500Ч109 т. Согласно последним данным (Орлов Д. С., Бирюкова О.Н., 1995; Глазовская М.А., 1997), во всем неживом органическом веществе Мировой суши связано около 2500Ч109 т углерода. В океане средняя концентрация растворимого органического вещества около 1,5 мг/л, взвешенного — 0,02 мг/л. Соответственно масса растворенного Сорг равна 2055Ч109 т, масса Сорг взвешенного — 27Ч109т.
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

<< Пред. стр.

страница 13
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign