LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 15
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

серы сульфидов
серы сульфатов
290
100
30
Техногенный вклад в миграцию масс

Техническая эмиссия в тропосферу
110
Жидкие промышленные и бытовые стоки
60

Проблема трансграничного переноса техногенных соединений серы весьма актуальна.



7.4. Глобальный цикл азота

Азот — один из элементов, отделившихся в газовой фазе уже на этапе формирования Земли в процессе ударной дегазации. В дальнейшем выделение газообразных соединений азота из недр Земли продолжалось при извержении вулканов, выносе гидротерм и газовых струй. Газообразный молекулярный азот благодаря химической инертности является наиболее устойчивой формой нахождения этого элемента. По этой причине N2 изначально аккумулировался в атмосфере, а не концентрировался в форме растворенных соединений в воде океана, как хлор, или в форме нерастворимых соединений в осадках океана, как углерод в составе карбонатных толщ.
Основная масса азота в форме N2 сосредоточена в атмосфере, где содержится 3 866 000Ч109 т этого элемента. Часть газа N2 растворена в воде Мирового океана. При равновесии газов атмосферы с водой океана в последнем может быть растворено от 115000 Ч109 до 200 000 Ч109 т N2.
В океане азот присутствует также в виде растворенных ионов, в составе растворенного и дисперсно-взвешенного органического вещества. Масса азота, находящегося в форме растворенных ионов [NH4]+, [NO2]- и [NO3]-, составляет 685 Ч109 т.
Среднее содержание азота в живом веществе Мировой суши, массу которого в основном образуют зеленые растения, разные авторы определяют от 0,6 % (Базилевич Н.И., 1974) до 3 % сухой биомассы (Боуэн X., 1966). Значительную часть биомассы растений суши представляют стволы деревьев, состоящие преимущественно из целлюлозы и лигнина. По этой причине мы принимаем для расчетов среднее содержание азота в сухой биомассе растений равным 1 % (возможно, это значение несколько завышено). В то же время в годовом приросте растительности суши, состоящем из вегетирующих органов растений, значительно больше белков, чем в фитомассе в целом. Поэтому среднее содержание азота в годовом приросте мы принимаем равным 2 %, что соответствует данным Е. А. Романкевича (1988). С учетом изложенного можно считать, что в биомассе растений Мировой суши до ее нарушения хозяйственной деятельностью человека содержалось порядка 25 • 109т азота. В органическом веществе педосферы среднее содержание азота близко к 3 %, а общая масса элемента около 200 • 109 т. Значительно меньше в педосфере солевого, главным образом, нитратного азота, количество которого пока не поддается оценке.
Концентрация азота в фотосинтезирующих организмах океана оценивается от 4,5 % (Базилевич Н.И., 1974) до 8,2% (Романке-вич Е.А., 1988), в среднем 6% сухого органического вещества, а количество азота равно 0,20Ч109 т. В организмах-консументах при средней концентрации азота 7 % его масса составляет 0,32Ч109 т. Общее количество азота в организмах океана равно 0,52Ч109 т. В растворенном органическом веществе океана при концентрации в нем азота 6% сухой массы (Виноградов А. П., 1987) содержится 252Ч109 т азота, во взвешенном органическом веществе — примерно в 10 раз меньше. Общее количество азота в мертвом органическом веществе океана составляет около 0,3Ч1012 т.
В гранитном слое земной коры концентрация азота составляет 0,002 %, общая масса 165Ч1012 т. В осадочной оболочке азот фиксирован в органическом веществе. Содержание последнего около 30Ч1015 т, что соответствует 15Ч1015 т углерода. Согласно данным немецкого геохимика Э. Дегенса (1967), концентрация азота в рассеянном органическом вещества близка к 2 %. На этом основании можно предположить, что масса азота в осадочной оболочке составляет примерно 600Ч1012 т. Как видно из приведенных данных, в осадочной оболочке азота больше в 3, а в атмосфере в 23 раза по сравнению с гранитным слоем литосферы. Следовательно, суммарное количество азота, содержащееся в биосфере, нельзя объяснить извлечением элемента из разрушавшегося гранитного слоя. Очевидно, масса азота в биосфере обусловлена его поступлением путем дегазации. Количество азота, поступающего в газовой форме в атмосферу из недр Земли, в настоящее время близко к 1Ч106 т/год. В геологическом прошлом это количество, возможно, было больше. Распределение азота в биосфере приводится ниже:

Резервуар Масса, 109 т
Атмосфера, N2 ............................................................................3870000
Мировая суша:
биомасса растительности (до воздействия человека)...................... 25
органическое вещество педосферы................................................. 200
Океан:
биомасса фотосинтетиков............................................................... 0,20
биомасса консументов..................................................................... 0,32
органическое вещество (растворенное и взвешенное).................. 300
растворенные ионы [МО3]-............................................................. 685
растворенный газ N2...................................................................... 20000
Земная кора:
осадочная оболочка..................................................................... 600 000
гранитный слой континентального блока.................................. 165000

Главным поставщиком азота в биосферу являются недра Земли, основным накопителем — атмосфера, точнее — тропосфера. Но атмосферу не следует рассматривать как закрытый резервуар, куда на протяжении 4 млрд лет поступают и хранятся газообразные соединения азота. Состав атмосферного газа непрерывно обновляется благодаря циклическим процессам массообме-на, связывающим атмосферу с Мировой сушей, педосферой, океаном и его осадками.
Современная структура глобального цикла массообмена азота весьма сложная и состоит из нескольких взаимосвязанных круговоротов. Генеральная направленность цикла заключается в миграции масс азота между главным накопителем — атмосферой и другими, значительно меньшими резервуарами — педосферой, живым веществом и океаном. Один из круговоротов обусловлен фотохимическими реакциями в тропосфере. Наряду с N2 в атмосферу систематически поступают другие газообразные соединения азота: NH3, N2O, NO, NO2. Их накопления не происходит благодаря фотохимическим реакциям. Фотохимическая диссоциация паров воды с последующей диссипацией водорода способствует присутствию сильного окислителя (ОН)-. Радикал (ОН)— соединяется с NO и NO2, образуя азотистую и азотную кислоты, а в дальнейшем их соли — нитриты и нитраты. Наряду с оксидами азота в атмосфере присутствует восстановленное соединение азота — аммиак. В кислородсодержащей атмосфере он реагирует с оксидами серы и образует кислый сульфат аммония NH4HSO4. Это соединение, так же как нитриты и нитраты, легко вымывается атмосферными осадками.
Первичный миграционный цикл азота, вероятно, сводился фотохимической трансформации всех газообразных соединений азота (кроме N2) в окисленные растворимые формы с их после дующим удалением из атмосферы. На заре геологической истории Земли в этот цикл включилась деятельность самой древней группы живых организмов — бактерий, которая постепенно глубоко изменила всю структуру глобального массообмена азота. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, хотя приоритетное значение в этом процессе получила биогеохимическая деятельность бактерий. Замечательное свойство азота — его сильно выраженная поливалентность. Это обстоятельство имеет весьма важное значение для биогеохимических процессов. Переводя азот из одной формы в другую, меняя в разных условиях его валентность, организмы получают энергию для своей жизнедеятельности. Возможно, что не без влияния этого обстоятельства азот является необходимой составной частью белков.
Азот по праву называют элементом жизни, хотя лингвистически это звучит странно (азот буквально означает «безжизненный»). Присутствие доступных для высших растений форм азота в педосфере обусловливает биомассу растений, т. е. по существу массу живого вещества Земли. Оригинальность ситуации заключается в том, что основная часть этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме N2, недоступна для главных продуцентов — зеленых растений суши. Но химическая неактивность молекулярного азота не означает его геохимической стабильности. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Этот процесс получил название фиксации азота.
В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NH2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации молекула N2 расщепляется и атомы азота соединяются с атомами водорода с образованием аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион [NH4]+ могут поглощаться корнями растений и входить в состав аминокислот.
Фиксацию азота осуществляют отдельные специализированные бактерии семейства Azotobacteracea и в определенных условиях — сине-зеленые водоросли. Наиболее продуктивны азотфиксирующие клубеньковые бактерии, образующие симбиозы с бобовыми растениями. Масса азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями до начала хозяйственной деятельности человека, оценивается разными авторами от (30 — 40)Ч106 т/год. В настоящее время к этому добавляется искусственная биологическая фиксация, получаемая при помощи бобовых сельскохозяйственных растений (около 20Ч106 т/год), а также промышленная фиксация азота из воздуха, которая превысила 60Ч106 т/год.
До вмешательства человека в глобальный цикл азота количество фиксируемого азота бактериями примерно балансировалось его освобождением из отмершего органического вещества и выделением в виде газообразных соединений в атмосферу. Это обеспечивается взаимосвязанными бактериальными процессами, происходящими в почве. Первым из них является аммонификация — микробиологическая трансформация азота органических соединений (главным образом аминокислот) в ион аммония или аммиак. Процесс разложения органического вещества протекает в аэробных условиях и сопровождается активным образованием СО2. Аммоний подвергается следующему процессу трансформации. В аэробных условиях происходит нитрификация — преобразование аммиака в нитритный ион одними бактериями, а затем в нитратный другими. В анаэробных условиях развиваются процессы денитрификации, в результате которых нитраты и нитриты восстанавливаются до закиси азота или до газообразного молекулярного азота. В итоге молекулярный азот после разнообразных биохимических превращений вновь возвращается в атмосферу. Количественная оценка годовой продукции азота процессами бактериальной денитрификации сильно расходится: от (40 — 50) Ч106 до (350 — 400)Ч106 т/год.
Масса азота, фиксируемого почвенными бактериями, оценивается в (44 — 200)Ч106 т/год. Продукция процессов денитрификации, которая была до вмешательства человека сбалансирована с продукцией бактериальной фиксации, в настоящее время, вероятно, несколько превышает последнюю.
Рассмотренный цикл — фиксация молекулярного азота —аммонификация мертвого органического вещества — нитрификация— денитрификация имеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как этот цикл обеспечивает основной поток азота из его главного резервуара — атмосферы. Кроме того, из атмосферы выводится определенное количество N2, окисляемого в результате электрических разрядов и затем вымываемого в виде иона [NO3]˜, но это количество значительно меньше массы биологически фиксируемого азота и составляет (10 — 40) Ч106т/год.
Круговорот азота, обусловленный его бактериальной фиксацией и дальнейшей трансформацией, тесно связан с другим мощным круговоротом этого элемента. Крупные массы нитратного и аммонийного азота захватываются из педосферы в биологический круговорот, происходящий благодаря деятельности фотосинтезирующих растений и микроорганизмов, разрушающих растительные остатки. Принимая среднюю концентрацию азота в годовом приросте растительности суши равной 2 %, можно полагать, что в биологический круговорот между почвой и растительностью до вмешательства человека вовлекалось 3,5 • 109 т/год азота. Большая часть этой массы возвращается в почву в составе растительных остатков и включается в микробиологические процессы, в результате которых органическое вещество разрушается, азот переходит в аммоний и нитриты, доступные для растений, и вновь захватывается растениями. Некоторую часть азота, связанного в растениях, захватывают животные, которые снова возвращают ее в почву.
Часть азота выводится из биологического круговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе. Этот своеобразный запас азота в лесных подстилках, торфе и почвенном гумусе постоянно поддерживается в педосфере и свидетельствует о некоторой заторможенности биологического круговорота на суше. Существенный вклад в поступление оксидов азота в атмосферу вносят лесные пожары, благодаря которым в атмосферу попадает от 10Ч106 до 200Ч10б т/год азота.
В океане происходят те же процессы трансформации и миграции соединений азота, что и на суше, но соотношение этих процессов иное. Жизненные циклы фотосинтезирующих организмов океана протекают значительно быстрее, чем на суше. По этой причине через фотосинтезируюшие организмы океана на протяжении года проходят значительно большие количества азота. Кроме того, концентрация азота в морских организмах выше, чем в наземных, а именно 6 — 8 % сухой биомассы. Продукция фотосинтетиков океана близка к 100- 109 т/год сухой биомассы, следовательно, через систему биологического круговорота фотосинтезирующих организмов проходит 6 • 109 т/год азота. В то же время биологическая фиксация азота в океане в 2 раза, а денитрификация почти на порядок меньше, чем на суше.
Массы, мигрирующие под влиянием биологических процессов, занимают главное место в глобальном массообмене азота. Тем не менее определенное количество рассматриваемого элемента мигрирует другими путями.
Концентрация неорганического (нитратного и аммонийного) азота в дождевых водах на территориях Северного полушария, свободных от влияния промышленного или сельскохозяйственного производства, близка к 0,5 мг/л. Следовательно, на поверхность Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества поступало с атмосферными осадками примерно 50 Ч106 т/год азота в виде водорастворимых неорганических соединений. В настоящее время количество водорастворимых соединений азота, поступающих на сушу из атмосферы, значительно (около 1,5 раз) возросло за счет эмиссии азота индустрией и развеиванием вносимых в почву азотных удобрений.
Масса азота, ежегодно вымываемая атмосферными осадками, восполняется образованием в тропосфере растворимых соединений азота за счет трансформации его газообразных соединений почвенно-микробиологического происхождения и частично соединений, поступающих в результате дегазации Земли.
Значительная масса азота захватывается поверхностными водами из педосферы и выносится с речным стоком в океан. Средняя концентрация ионов [NO3]- в незагрязненных речных водах 1 мг/л (Ливингстон Д., 1963) или в пересчете на азот 0,225 мг/л, а вынос неорганического азота с суши равен 9,2Ч106 т/год. Азот мигрирует в речных водах также в составе растворенного и взвешенного органического вещества. Среднее содержание первого в воде рек близко к 7 мг/л, второго — 5 мг/л. Средняя концентрация азота в органическом веществе речной воды 3 %, следовательно, годовой вынос азота в составе растворенного органического вещества равен 8,6Ч106т, в составе взвешенного — 6,1Ч106 т. Суммарный вынос азота оценивается в 24Ч106 т/год. Некоторые исследователи считают, что в речном стоке средняя концентрация неорганического азота 0,5 мг/л, органического — 1 мг/л. Исходя из этих данных, суммарный вынос азота реками с Мировой суши оценивается в 61Ч106 т/год.
Природная концентрация растворимых неорганических соединений азота в атмосферных осадках над акваторией Мира, по-видимому, равна 0,2 мг/л азота. Соответственно на поверхность океана выпадает около 82Ч106 т азота в год.
Рассматривая эволюцию глобального массообмена азота во времени, можно предположить, что изначально цикл массообмена имел простую структуру. Цикл был обусловлен поступлением дегазируемых соединений азота, которые в тропосфере под воздействием фотохимических реакций трансформировались в водорастворимые нитраты и сульфат аммония и затем вымывались атмосферными осадками. По мере того как в этот процесс встраивалась деятельность живых организмов (бактерий), цикл усложнялся и постепенно включил в себя все звенья микробиологического круговорота: фиксация молекулярного азота—аммонификация— нитрофикация—денитрофикация. Указанные микробиологические процессы создали предпосылки для появления наземных растений с системой почвенного питания. Очевидно, древние бактериальные биогеоценозы, приуроченные к мелководным и заболоченным илистым отложениям, были прообразом современных почв. В дальнейшем, с появлением на поверхности суши наземной растительности возник «большой» биологический круговорот азота и началось формирование педосферы как главного регулятора глобального цикла азота. На основе фотосинтезируе-мого органического вещества образовался биологический круговорот азота с участием животных.
Азот не образует нерастворимых соединений, которые могли бы выпадать в осадки Мирового океана. Зоогенные накопления нитратов натрия (гуано) невелики. Основная часть поступающего в осадочную оболочку азота связана с органическим веществом. Исходя из данных А. Б. Ронова (1976) можно предполагать, что ежегодно в осадки удаляется около 10Ч10б т сухого органического углерода, что соответствует примерно 20Ч10б т органического вещества. Если принять в этом веществе концентрацию азота как среднее между содержанием азота в растениях суши и океана, т.е. равное 5 %, то можно ориентировочно подсчитать, что до начала активной производственной деятельности человечества в осадки уходило около (1 — 2)Ч106 т/год азота. Это количество, по-видимому, не отличается сильно от массы азота, дегазируемого из недр Земли.
Значительные массы молекулярного азота, как и других газов тропосферы, участвуют в физическом газовом обмене с Мировым океаном. В зависимости от физико-географических условий в морской воде может быть растворено от 8,4 до 14,5 мг/л N2. Согласно данным А.П.Виноградова (1967), в океанической воде содержится 13 см3 N2, а во всем Мировом океане — 18Ч106 км3, т.е. почти 1,5 % объема океана. Это огромное количество азота находится в состоянии динамического равновесия с азотом атмосферы. В воде океана растворены и другие газообразные соединения азота, в первую очередь NH3, но его содержание и миграция пока не поддаются оценке.
Цикл азота претерпел сильную деформацию от хозяйственной деятельности людей. Наиболее значительное изменение в структуре глобального массообмена азота связано с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством на этой основе азотных удобрений и внесением их в обрабатываемые почвы. Масса ежегодно фиксируемого промышленностью азота превышает 60Ч106 т. Не менее существенно искусственное усиление биологической фиксации азота путем широкого использования в сельском хозяйстве бобовых культур, находящихся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями. В 1970 г. этим путем дополнительно связывалось около 15Ч106 т азота; в настоящее время это количество возросло.
Промышленная фиксация атмосферного азота — наиболее сильное вмешательство человека в систему природных глобальных циклов массообмена химических элементов в биосфере. Кроме того, значительное количество азота (около 40Ч06 т/год) в форме оксидов поступает в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, образующимися при сжигании минерального топлива, а также в гидросферу с бытовыми и промышленными стоками. Влияние загрязнения на биогеохимические процессы рассмотрено ниже, в специальной главе.
Следует отметить, что изучение массообмена азота связано с большими трудностями, поэтому количественные оценки отдельных миграционных потоков и круговоротов азота, выполненные разными учеными, сильно различаются. Диапазон данных отражен в табл. 7.4, где представлены главные особенности массообмена азота в биосфере.
Таблица 7.4
Миграция масс азота в биосфере
Процессы массообмена
Масса 106 т/год

Мировая суша


Круговорот высших растений (фотосинтез — деструкция органического вещества)

3400*
Бактериальный круговорот:
азотфиксация
денитрификация


40-200
от 40-50 до 350-400
Круговорот азота с участием животных

90-190 '
Поступление в атмосферу при пожарах леса

10-200
Вымывание из атмосферы

50
Вынос с речным стоком

24-61
Дегазация из недр Земли

1-9
Океан


Круговорот фотосинтетиков планктона

6000
Бактериальный круговорот:
азотфиксация
денитрификация


1-20
0-330
Вымывание из атмосферы

82
Удаление в осадки

1-9
Техногенный вклад в миграцию масс


Индустриальная азотфиксация

60
Эмиссия азота в окружающую среду с промышленными и бытовыми отходами

10-20
*С учетом сельскохозяйственных культур.

7.5. Общие черты циклов и распределения
масс дегазированных элементов

Рассмотренные циклы массообмена углерода, азота, серы, хлора имеют общие черты. Во-первых, эти циклы с момента образования поддерживаются поступлением масс газов. По нашим расчетам, на протяжении геологической истории из недр Земли было дегазировано (1015 т): углерода — 96,04; хлора — 33,0; серы — 10,5; азота — 4,47; а также 1600Ч1015 т воды (порядки цифр те же, что и полученные другими авторами, но числовые значения различаются).
Во-вторых, элементы, находящиеся на поверхности Земли в виде газов, имеют определяющее значение для живых организмов, которые в основном состоят из этих элементов. Само существование жизни как планетарного явления было бы невозможно без постоянного поступления в окружающую среду газов. Факты свидетельствуют, что жизнь и процессы, протекающие в недрах Земли, тесно связаны. Вся история развития жизни определенным образом отражает эндогенные процессы. Ярким примером служит ранее рассмотренная зависимость продукции биологических процессов, в частности, массы фотосинтезируемого органического вещества от количества выделявшегося вулканического СО2.
В-третьих, процессы глобального массообмена дегазируемых элементов глубоко преобразованы деятельностью организмов. Организмы, благодаря их склонности к адаптации и быстрой изменчивости, медленно, но неуклонно изменяли геохимию окружающей среды. При этом первичные абиогенные круговороты постепенно трансформировались в биогеохимические циклы со сложной структурой.
На фоне отмеченных общих черт глобальные циклы массообмена каждого элемента ясно индивидуализированы. Элементы-газы активно участвуют в биологических процессах, вовлекаются и выводятся из жизненных циклов. При этом происходит изменение форм нахождения элементов, что влечет за собой закономерное перераспределение их масс в биосфере.
Как следует из данных табл. 7.5, 99,9 % всей массы дегазированного в виде СО2 углерода было связано в продуктах жизнедеятельности организмов: 15,6 % в форме рассеянного в осадочной оболочке органического вещества и 84,3 % в составе биогенных карбонатов. Одновременно происходил процесс расщепления молекул жидкой воды и выделения свободного кислорода, что постепенно коренным образом изменило геохимическое состояние наружной оболочки Земли и превратило ее в современную биосферу.
Значительная часть всей массы серы также находится в осадочных отложениях, хотя в процентном отношении меньше, чем это имеет место для масс углерода. В осадочной оболочке сосредоточено 88,6 % всей массы серы, а 11,4 % содержится в океане в форме растворенных сульфатов. В осадочной оболочке сульфатная сера (55,9%) преобладает над сульфидной (44,1%). Таким образом, окисленные формы серы доминируют в биосфере.
Таблица 7.5
Распределение масс химических элементов, поступивших в биосферу в результате дегазации мантии

Резервуар
Масса элементов, 109 т




С
N
S
С1
Атмосфера
Мировая суша:
растительность
органическое вещество педосферы
Океан:
живые организмы
растворенное органическое вещество
растворенные неорганические ионы
Осадочная оболочка
700

1150
2550

4
2100

38500

96000000
3 866 000

25
200

0,52
300

685

600000
0,001

8,5
25

0,15


1200000

93000000


5,0
0,5

0,03


26500000

6500000
Масса элемента в биосфере, всего 1 • 1015 т
96,04
4,47
10,50
33,00

Формы нахождения хлора в меньшей мере, по сравнению с другими элементами-газами, подверглись биогеохимической трансформации. Большая часть массы этого элемента (80,3 %) аккумулирована в форме ионов С1˜ в Мировом океане и 19,7 % — в осадочной оболочке.
Основная часть азота благодаря функционированию системы биологических круговоротов находится в атмосфере (86,5 %), а в осадочной оболочке — лишь 13,4 %.
В заключение отметим: несмотря на то, что деятельность организмов обусловила существующее распределение масс дегазированных химических элементов, в живом веществе содержится лишь ничтожная часть — миллионные доли всей массы каждого из этих элементов, находящейся в биосфере. Следовательно, живое вещество играет роль не резервуара, а активного геохимического сепаратора элементов. Биогеохимическое фракционирование распространяется не только на элементы, но частично и на их изотопы.
Компоненты живой клетки и внеклеточные метаболиты, как правило, обогащаются легкими изотопами углерода и серы, а остаточные продукты — тяжелыми.

Рекомендуемая литература

Болин Б. Круговорот углерода // Биосфера. — М.: Мир, 1972. — С. 91—104.
Вернадский В. И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. — М.: Изд-во АН СССР, 1954. — Т. 1. — С. 147-223.
Гаррелс Р. М. Круговорот углерода, кислорода и серы в течение геологического времени. — М.: Наука, 1975. —48 с.
Глазовская Л. А. Роль и функции педосферы в геохимических циклах углерода // Почвоведение. — 1996. — № 2. — С. 174— 186.
Дельвич К. Круговорот азога // Биосфера. — М.: Мир, 1972. — С. 105 — 119.
Заварзин Г. А. Бактерии и состав атмосферы. — М.: Наука, 1984. — 199 с.
Лейн А.Ю., Иванов М.В. Глобальные биогеохимические циклы элементов и влияние на них деятельности человека // Геохимия. — 1988. — №2.-С. 280-291.
Ронов А. Б. Вулканизм, карбонатонакопление, жизнь (закономерности глобальной геохимии углерода) // Геохимия. — 1976. — № 8. — С. 1252-1277.
Фрейд Дж. П. Цикл серы в природе // Химия нижней атмосферы / Под ред. С.Расула. - М.: Мир, 1976. - С. 223-251.

Контрольные вопросы

1. Почему большую часть циклических процессов массообмена, протекающих в биосфере, можно рассматривать как биогеохимические?
2. Каковы источники поступления масс химических элементов, вовлекаемых в глобальные миграционные циклы в биосфере?
3. Чем обусловлено неодинаковое время оборота масс углерода, связанных в живом веществе суши и океана?
4. Изменялись ли на протяжении геологической истории массы углерода, выводимые из глобальных циклов?
5. Какие биогеохимические процессы обусловливают структуру глобального цикла серы?
6. Назовите основные звенья глобального цикла азота.
7. Каковы общие черты циклов и распределения масс дегазированных химических элементов в биосфере?

Темы для самостоятельной работы

1. На основании среднего значения содержания газообразного азота, растворенного в морской воде, определите количество азота в Мировом океане; сравните с массой азота в атмосфере.
2. Используя результаты реакции фотосинтеза и данные о продуктивности растительности суши до вмешательства человека, определите массу воды, разлагаемой растительностью суши на протяжении года.
















Глава 8
ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Большая часть химических элементов была вовлечена в миграцию в результате гипергенной трансформации алюмосиликатного вещества земной коры.
Согласно наиболее точным определениям (Ронов А. Б. и Яро-шевский А. А., 1976), верхний, гранитный слой континентального блока земной коры имеет массу 8,24Ч10'8 т, осадочная оболочка (за исключением эффузивов) — 2,4Ч1018 т. Масса солей, растворенных в Мировом океане, исходя из средней солености морской воды 35 %о, составляет около 50Ч1015 т. Если сумму масс гранитного слоя и осадочной оболочки принять за 100 %, то масса осадочных пород в процентном выражении может дать представление об интенсивности гипергенного преобразования верхней части континентального блока земной коры на протяжении фанерозойского этапа развития биосферы. Напомним, что к началу этого этапа живые организмы имели различную геохимическую специализацию, а состав океана и атмосферы соответствовал их современному составу. За отрезок времени в 0,5 млрд лет было мобилизовано и трансформировано более '/5 всей массы верхнего слоя земной коры континентального типа. Большая часть этого вещества вошла в состав осадочных пород, около 0,5 % составляют растворимые неорганические соединения, находящиеся в воде морей и океанов. Некоторое количество вещества горных пород, трансформированных процессами выветривания и древнего почвообразования (элювиальные коры выветривания и переотложенные продукты выветривания), находятся на суше. Оценка их масс пока отсутствует.

8.1. Глобальный цикл кальция

Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк 3,6 %. Содержание этого элемента уменьшается от глубин к гранитному слою литосферы. В базальтовом слое средняя концентрация 5,8 %, в гранитном — 2,7%. Кальций выпадает в осадок на ранних стадиях кристаллизации магмы, но содержится и в остаточных после кристаллизации растворах. Высокое содержание кальция в земной коре обусловливает многочисленные минералы (385 видов), около половины которых относится к гипогенным силикатам. В то же время из-за своих размеров катион Са2+ не может войти в структуру гипергенных силикатов. Поэтому при выветривании и трансформации гипогенных силикатов в глинистые минералы освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом бикарбонат Са(-НСО3)2 поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Этот процесс развивается на протяжении более 3 млрд лет, но концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше по сравнению с водами рек. Это обусловлено ограниченной растворимостью карбоната кальция, а главное — активным поглощением элемента планктонными организмами-фильтратами и выведением в виде пеллетов в осадок. Указанные процессы способствуют обильному накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, мергелей, известковых глин и др. Средняя концентрация СаО в осадочной толще, по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1976), равна 15,91%, в гранитном слое земной коры — 3,79 %. Масса кальция в осадочном слое континентальной коры равна 272,8Ч1015 т, в гранитном слое — 222,8Ч1015 т. Из приведенных данных следует, что количество кальция в осадочной оболочке превышает его концентрацию в гранитном слое земной коры. Выяснение причины несбалансированности масс кальция в биосфере представляет одну из нерешенных проблем в геохимии.
Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, для животных элемент необходим при построении наружного или внутреннего скелета. Он принимает участие во многих других физиологических процессах, в частности, в свертывании крови. Средняя концентрация кальция в наземной растительности по данным разных авторов составляет от 0,9% (Базилевич Н.И., 1974) до 1,80 % (Боуэн X., 1966). Масса кальция, содержащаяся в живом веществе суши, равна (22,5 — 45)Ч109 т. Это количество на три порядка больше количества кальция, находящегося в биомассе фотосинтетиков океана (34Ч106 т). Приняв среднюю концентрацию элемента в мертвом органическом веществе около 0,5%, можно подсчитать, что масса кальция, содержащаяся в растительных остатках, торфе и гумусе педосферы, близка к 25 • 109 т, т. е. имеет тот же порядок, что и масса элемента во всем живом веществе Мировой суши. Очень ориентировочно можно принять среднюю концентрацию кальция в растворимом органическом веществе океана равной 0,5 % сухого вещества, а общую массу — 20Ч109 т.
Благодаря динамическому равновесию между углекислым газом атмосферы и анионами [НСО3]- и [СО3]2- океанической воды в океане содержится огромная масса растворенных катионов кальция. Средняя концентрация кальция в океане 408 мг/л, общая, масса 559 • 1012 т. Эта масса на четыре математических порядка превышает количество элемента, связанного в живом и мертвом органическом веществе планеты.
Для процесса глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция ионов в системе суша—океан. В биологический круговорот на суше вовлекается (1,5 — 3,1)Ч109 т/год кальция, в среднем 2,3Ч109 т/год; в первичной биологической продукции океана в 2 раза меньше — 1,1Ч109 т/год. Таким образом, кальций — характерный элемент живого вещества суши. Масса вовлеченного в годовой биологический круговорот кальция составляет 3,4Ч109 т/год. С континентальным стоком выносится в форме катионов Са2+ нескольким более 0,5Ч109 т/год. Меньшее количество удаляется с твердым стоком — 0,471Ч109 т/год. Кроме того, с поверхности суши в океан с ветровой пылью выносится 0,048Ч109 т/год кальция.
Средняя концентрация кальция в океанических атмосферных осадках, согласно В. С. Савенко (1976), равна 0,36 мг/л. В осадках, образующихся в течение года над Мировым океаном, содержится 164Ч10б т. С учетом 20 % сухих осаждений (32,8Ч106 т) общая масса кальция, поступающая на протяжении года из океана в атмосферу, составляет около 197Ч106 т. Примерно 22Ч10б т переносится с океаническими воздушными массами на сушу, а остальные вновь возвращаются в океан. Средняя концентрация кальция в атмосферных осадках над сушей 3 мг/л. Следовательно, в осадках, выпадающих на протяжении года на поверхность Мировой суши, содержится 339Ч106 т. С учетом 20 % на сухое осаждение (68Ч106 т) общая масса кальция, участвующая в годовом обмене суша—атмосфера, составляет 407Ч106 т.

8.2. Глобальный цикл калия

Калий вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса элемента включается в кристаллическое вещество на последних стадиях магматической кристаллизации. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов: полевых шпатов, амфиболов, пироксенов, слюд. В гранитном слое континентального блока земной коры средняя концентрация К2О равна 2,89 %, масса — 198Ч1015 т, в осадочном слое средняя концентрация К2О равна 2,00 %, масса — 38,5Ч1015 т.
При гипергенной перестройке кристаллохимических структур силикатов значительная часть калия остается в составе «переходных» новообразованных глинистых минералов, обладающих мутабильным составом, и освобождается постепенно, на протяжении длительного времени по мере образования конечных продуктов выветривания силикатов. Свободные ионы вовлекаются в водную миграцию, а также активно адсорбируются дисперсным минеральным веществом и поглощаются высшими растениями.
По этим причинам калий более прочно удерживается в пределах Мировой суши, чем кальций и натрий.
Калий играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен углеводов, азота, фосфора. В растениях он концентрируется в плодах, семенах и интенсивно растущих органах. При недостатке калия в почве урожай сельскохозяйственных культур резко снижается. В силу изложенного калий активно поглощается растениями и включается в биологический круговорот. Его кларк в живом веществе такой же высокий, как у азота, 0,3 %. Средняя концентрация калия в сухом веществе фитомассы суши оценивается от 0,7 % (Базилевич Н.И., 1974) до 1,4% (Боуэн X., 1966). В сухом веществе морских водорослей содержится 5,2 % калия (Боуэн X., 1966). Можно предполагать, что в растительности Мировой суши до активного воздействия на нее человека содержалось около 25Ч109 т калия, в сухой биомассе фотосинтетиков океана — 0,176Ч109 т. В мертвом органическом веществе педосферы средняя концентрация калия близка к 0,1—0,2%. Следовательно, содержащаяся в органическом веществе масса калия в несколько раз меньше, чем в живом веществе, и ориентировочно составляет около (5-10) Ч109т.
Часть освобождающегося при выветривании калия захватывается растительностью суши и частично сохраняется в мертвом органическом веществе. Некоторое количество солей калия и весьма крупные его массы, связанные в глинистых минералах, образуют главный запас этого элемента в педосфере.
К сожалению, обоснованная оценка масс калия в настоящее \ время затруднительна. Несмотря на то что живое вещество суши и высокодисперсные продукты выветривания прочно удерживают значительную часть освобождающегося калия на суше, некоторая его часть вовлекается в водную миграцию и поступает в океан, где содержится 0,53Ч10'5 т элемента в форме растворенных ионов. В осадочной оболочке находится 38,2Ч1015 калия.
Если суммировать все количество калия, содержащееся в гранитном слое, осадочной толще, океане и других резервуарах, то оно составит 236,7Ч1015 т. Это значение должно характеризовать исходную массу калия в гранитном слое литосферы. Нетрудно подсчитать, что на протяжении фанерозоя в процессе развития биосферы из гранитного слоя было извлечено примерно 16 % калия. Вынос этого элемента осуществлялся с большим трудом, чем натрия, которого за тот же период времени было извлечено большее количество.
В биологический круговорот на суше на протяжении года вовлекается около 1,8Ч109 т калия. В океане через многократно возобновляемую массу фотосинтетиков проходит около 121Ч107 т/год калия. Освобождающаяся из системы биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется педосферой, частично вовлекается в водную миграцию. Ежегодно с континентальным водным стоком выносится в океан более 61Ч106 т свободных ионов калия. Значительно большая масса элемента переносится в составе дисперсных, преимущественно глинистых частиц в форме взвесей — около 283Ч106 т/год.
Калий активно мигрирует в системе поверхность океана — атмосфера— поверхность океана в составе аэрозолей. Средняя концентрация элемента в океанических атмосферных осадках над океаном около 0,15 мг/л. На протяжении года с атмосферными осадками на поверхность океана выпадает примерно 65 • 106 т калия. Вместе с 20 % сухого осаждения это составляет 78Ч06 т калия, ежегодно вовлекаемых в обмен между океаном и атмосферой.
Концентрация ионов калия в континентальных атмосферных осадках в среднем близка к 0,7 мг/л, что составляет 0,05Ч109 т/год. С учетом 20 % сухого осаждения (0,01Ч109 т) в атмосферу с суши захватывается около 0,060Ч09 т ионов калия, а выпадает несколько больше за счет переноса океанических масс — 0,065Ч09 т. Значительное количество элемента выносится с суши в океан с пылью. Приняв концентрацию калия в пыли равной концентрации в глинистых отложениях, можно ориентировочно оценить пылевой вынос элемента в 0,043Ч109 т.

8.3. Глобальный цикл кремния

Кремний — второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе земной коры в процессе его выплавления. Содержание элемента в верхней мантии около 19 %, в базальтах — 24,0 %, в гранитах — 32,3 % (Виноградов А. П., 1962). Прочное сочетание катиона кремния с четырьмя анионами кислорода является основной структурной единицей кристаллического вещества земной коры. В гранитном слое литосферы SiO2 составляет 63,08 %,что соответствует 2427,5Ч1015 т Si.
Кремний повсеместно содержится в природных водах и широко используется растительными и животными организмами для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета. Средняя концентрация кремния в наземной растительности 0,5 % сухого вещества, в планктоне — 5%, что соответствует массе 12,5Ч109 и 0,17Ч109 т. В биологический круговорот ненарушенной человеком растительностью суши ежегодно захватывалось 0,86Ч109 т кремния.
Биологический круговорот кремния в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатомовых и радиолярие-вых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов. Оценки масс кремния, участвующих в биологическом круговороте, весьма разноречивы. При средней концентрации кремния в планктоне 5 % через биологический круговорот проходит 5,5Ч109 т/год этого элемента.
В мертвом органическом веществе суши концентрацию кремния можно ориентировочно принять равной 1 %, а массу около 50Ч109 т.
В природных водах элемент присутствует в виде нейтрального гидрата Si(OH)4, в меньшем количестве в виде анионов типа [Si(OH)3O]-. Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. С континентальным стоком выносится 0,2Ч109 т растворимых соединений кремния, а в океане их масса составляет 4110Ч109 т. Концентрация элемента в морской воде в 2 раза ниже, чем в речной. Среднюю концентрацию элемента в твердом веществе континентального стока оценить трудно. Она безусловно превышает концентрацию в глинистых отложениях, так как с суши выносится большое количество алевритово-песча-ного, преимущественно кварцевого материала. При средней концентрации кремния в речных взвесях 117 мг/л (Гордеев В.В., 1983) масса элемента, выносимая с твердым стоком, равна 4,8Ч109 т/год. С ветровым переносом суша теряет в год около 0,47Ч109 т элемента. Несмотря на миграцию значительного количества растворимого кремния в составе обломочного материала его выносится почти в 30 раз больше, а в Мировом океане его растворимые формы составляют менее 0,001 % от массы в осадочных породах. По данным А.Б.Ронова (1976), в толще осадочных пород содержится 44,03 % SiO2, что соответствует 493,6Ч015 т Si. Суммарное количество кремния в гранитном слое и осадочной оболочке равно 2918Ч1015 т. Следовательно, на протяжении фанерозоя из земной коры было извлечено около 17 % кремния от его массы, изначально содержавшейся в гранитном слое литосферы.
8.4. Глобальный цикл фосфора

Фосфор, несмотря на невысокий кларк в земной коре (около 0,1 %), играет очень важную роль в биосфере. Этот элемент входит в состав выплавленного вещества земной коры. Его дальнейшая история в литосфере весьма сложна и в некоторых ситуациях противоречива. Концентрация фосфора в базальтах 0,14 %, в гранитах — в 2 раза ниже, что сближает его распределение с кальцием. Минералы фосфора многочисленны (около 200 видов), но из-за невысокого кларка элемента они не являются породообразующими. Суммарная масса элемента в гранитном слое литосферы равна 6,33Ч1015 т.
Важное значение в биосфере фосфор приобретает не в силу большого содержания, а в результате того, что без этого элемента невозможен синтез белков. Экзотермическая реакция адено-зинтрифосфата с фотосинтезированными углеводами обеспечивает энергией последующие биохимические реакции. Наряду с углеродом, кислородом, водородом, азотом и серой фосфор является элементом, необходимым для существования живого вещества, и одновременно условием, часто определяющим его биомассу и продуктивность. Отношение N : Р в растительности суши по данным многих авторов равно 10— 15 (Базилевич Н.И., 1974; Романкевич Е.А., 1982; Боуэн X., 1966), но есть данные, что оно равно 2 (Заварзин Г. А., 1984). В любом случае почти во всех природных биогеохимических системах фосфора меньше, чем азота, и именно он лимитирует массу живого вещества. Хозяйственная деятельность людей изменила соотношения N : Р в пользу фосфора, что привело к экологически негативным ситуациям.
Среднюю концентрацию элемента в сухом веществе растительности суши можно принять равной 0,2 %, в биомассе океана она значительно выше — 1,1 % (Боуэн X., 1966). В живом веществе суши до воздействия человека находилось около 5Ч109 т фосфора, в биомассе фотосинтетиков океана его содержится (0,03 — 0,04)Ч109 т. Значительная часть элемента сохраняется в почвенном органическом веществе педосферы, в котором концентрация фосфора около 0,15%, а масса соответственно около 7Ч109 т. Достоверно оценить массу фосфора, находящегося в минеральной части почв, пока невозможно.
Огромное количество фосфора растворено в Мировом океане, где элемент находится в виде [РО4]3-, [НРО4]2- и других анионов, а также в составе органических соединений. В связи с острой необходимостью фосфора для растений и животных этот элемент многократно захватывается организмами и соотношение органического и неорганического фосфора, а также фосфора, находящегося в живом веществе, очень динамично. Поэтому цифры, характеризующие количество разных форм элемента в океане, имеют условное значение, но их сумма достаточно достоверна. Ориентировочно можно считать, что соотношение масс Сорг и Рорг в океане равно 100: 1. Концентрация фосфора в речных и морских водах довольно близка, хотя в воде рек она ниже (0,04 мг/л), чем в океане (0,088 мг/л). Несмотря на низкую растворимость, фосфор долго удерживается в океане благодаря деятельности живых организмов, стремящихся не выпускать дефицитный элемент из системы пищевых цепей. Тем не менее в толще осадочных пород сосредоточено 1,311Ч1015 т элемента. Суммарное количество фосфора в осадочной оболочке и гранитном слое континентального блока земной коры равно 7,08Ч1015 т. Следовательно, за 600 — 700 млн лет было вынесено более 17% всей массы фосфора, находившегося в гранитном слое литосферы. Распределение масс фосфора в биосфере следующее:

Резервуар Масса, 109 т
Мировая суша:
биомасса растительности (до воздействия человека)..............5,00
органическое вещество педосферы...........................................7,00
Океан:
биомасса фотосинтетиков..........................................................0,04
растворенные формы................................................................ 120,00
Земная кора:
осадочная оболочка...............................................................1 311 000,00
гранитный слой континентального блока..........................5768000,00

Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континентального стока. До вмешательства человека на суше в биологический круговорот ежегодно вовлекалось более 350Ч106 т фосфора, в настоящее время (с учетом сельскохозяйственных культур) — 345Ч106 т элемента, в океане в биологический круговорот фотосинтетиков вовлекается 1210Ч106 т (табл. 8.1). Фосфор, как и азот, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в океане, чем на суше. Это свидетельствует об ограниченности перечисленных элементов в океане, в то время как на суше живое вещество более обеспечено и не ощущает необходимости в столь интенсивном их использовании.
Поступление фосфора в океан обеспечивается континентальным стоком. В нем фосфор находится в составе комплексных анионов, дисперсного органического вещества и минеральных взвесей. С учетом средней концентрации в ионной форме в океан поступает около 1Ч106 т/год элемента. В дисперсном и частично растворенном органическом веществе содержится примерно 0,5 % фосфора (от сухой массы). С этим веществом в океан выносится около 2Ч106 т элемента в год, что в 10 раз меньше выноса аналогичной формы азота. Несмотря на небольшие массы, эти формы обладают высокой реакционной способностью и образуют основной резерв для использования в биологическом круговороте.
Количество фосфора, выносимое с взвешенными твердыми частицами, значительно превышает массу растворенных форм фосфора. Средняя концентрация взвешенных форм элемента равна 510 мкг/л (Гордеев В. В., 1983), а выносимая во взвеси масса элемента оценивается в 21Ч106 т/год, что составляет 88 % от общей массы выносимого реками фосфора. Ветровой вынос с континентов существенного значения в балансе не имеет. Следует заметить, что эта масса представляет собой прочносвязанный фосфор. Лишь небольшая его часть может быть освобождена и вовлечена в биологический круговорот.
Выведение масс фосфора в осадочные толщи ориентировочно составляет (2— 10) Ч106 т/год.
Таблица 8.1
Миграция масс фосфора в биосфере

Процессы массообмена
Масса, 106 т/год
Мировая суша

Биологический круговорот
Вынос с речным стоком:
растворимые неорганические ионы
растворимые органическое вещество
минеральная взвесь
345*

1,0
2,0
21,0
Океан

Круговорот фотосинтетиков планктона
1210,0

* С учетом сельскохозяйственных культур.

Характерная особенность глобального цикла фосфора — отсутствие постоянно действующего геохимического потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным стоком с суши в океан. Медленное, но непрекращающееся осаждение фосфора в океане неуклонно выводит его из миграционных циклов низшего ранга. Глобальный цикл фосфора является наименее замкнутым по сравнению со всеми ранее рассмотренными элементами. Единственный природный источник поступления элемента в глобальный цикл — выветривающиеся горные породы суши. Прогрессирующая потеря фосфора континентами может быть восполнена только поступлением в зону гипергенеза осадочных пород, в которых был аккумулирован элемент. Учитывая длительный период его выведения из океана (десятки миллионов лет), можно предполагать, что функционирование глобального цикла фосфора поддерживается тектоническими процессами, перемещающими обогащенные фосфором осадочные породы в зону выветривания.
Хозяйственная деятельность человечества вносит существенные изменения в массообмен фосфора в пределах Мировой суши. Прогрессирующее внесение в обрабатываемые почвы фосфорных Удобрений, значительная часть которых смывается, служит одним из главных факторов эвтрофизации озер и мелководных прибрежных участков эпиконтинентальных морей. В производстве фосфорных удобрений используется около 14Ч106 т фосфора в год. Не менее сильное загрязнение соединениями фосфора происходит бытовыми и промышленными стоками. По состоянию на конец XX в. суммарное поступление фосфора из всех источников загрязнения оценивается в 12,15Ч106 т/год.



8.5. Общие черты циклов и распределения
масс выщелоченных элементов

Геохимические циклы рассмотренных в этой главе элементов • имеют общие черты.
Во-первых, все они поддерживаются поступлением вещества из одного источника: земной коры или, точнее, гранитного слоя континентального блока. На протяжении последних 570 млн лет из гранитного слоя земной коры было извлечено калия 16,5%, кремния и фосфора 17 % каждого, натрия 19 %.
Во-вторых, основные мигрирующие массы приурочены к системе континентального стока и биологического круговорота. Атмосферная миграция более ограничена по сравнению с элементами, поступающими в биосферу в результате дегазации мантии. По этой причине элементы рассматриваемой группы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. Подавляющая часть массы элементов, вынесенных из гранитного слоя земной коры, находится в осадочных породах, где сконцентрировано более 99 % кремния, фосфора, кальция, около 98 % калия и свыше 60 % натрия от общего количества каждого элемента в биосфере. Такое положение обусловлено сильной незамкнутостью глобальных годовых циклов, которые балансируются лишь на протяжении длительных отрезков времени — миллионов и десятков миллионов лет.
В-третьих, живое вещество Мировой суши, соответствующее биомассе наземной растительности, содержит ничтожную часть — миллионные доли всей массы химических элементов, мобилизованных из твердого вещества континентального блока земной коры при выветривании. Для этих элементов, так же как для поступивших в биосферу посредством дегазации, живое вещество служит не резервуаром масс, а глобальным биогеохимическим сепаратором.
Наряду с общими чертами обнаруживаются специфические особенности каждого элемента, которые хорошо заметны при сравнении распределения их масс в биосфере (табл. 8.2). Если подсчитать, какая часть каждого элемента находится в глобальной биомассе, то окажется, что в наибольшей мере в биомассе связан фосфор — 38Ч10-5 % от общего количества, затем кальций - 16,5Ч10-5 %; калий - 6,5Ч10-5 %, натрий - 0,7Ч10-5 %, кремний — 0,25Ч10-5 %. Сравнивая данные табл. 7.5 и 8.2, можно заметить, что в глобальной биомассе избирательно удерживаются углерод, азот, сера, фосфор, кальций, калий. Приведенные результаты дают объективное представление об относительной необходимости элементов для живого вещества Мировой суши. Следует отметить, что для этого в равной мере важны представители как дегазированных, так и извлеченных из гранитного слоя элементов.
Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане. В нем сосредоточено свыше 35 % массы натрия, немногим более 2 % калия, около 0,01 % фосфора и менее 0,001 % кремния. Вне зависимости от этого биологический круговорот на суше больше у кальция, в океане — у фосфора и натрия. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается незначительно. Элементы, массы которых растворены в океане более 0,1 % от их общего количества в биосфере, активно участвуют в годовом массообмене океан —атмосфера, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, 35 и 2 % массы которых находятся в океане.
Таблица 8.2
Распределение масс химических элементов, поступивших в биосферу
в результате мобилизации из гранитного слоя
континентального блока земной коры

Резервуар
Масса элементов, 109 т





Р
К
Са
Na
Si
Мировая суша





Растительность
Органическое вещество почвы
5,0
7,0
25,0
5-10
45,0
25,0
3,0
0,5
12,5
50,0
Океан





Живые организмы
Растворенные
формы
Осадочная
оболочка
0,04

120,0

1 311 000

<< Пред. стр.

страница 15
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign