Глава V УГЛЕРОД В БИОСФЕРЕ И ПОЧВАХ

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

Лучше всего роль углерода в биосфере иллюстрируется схемой его круговорота (рис. 12), суммирующей данные А.А. Ничипоровича (1972а, б) и П. Дювиньо (Duvigneaud, 1974). Из этой схемы следует, что в биосфере продуцентом кислорода является фотосинтез, основным потребителем углекислоты — также фотосинтез, а хранителем углерода— живая биомасса, органическое вещество, известковые осадочные породы, горючие ископаемые и кау сто биолиты, гумусовая оболочка почв суши и мелководий.

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

Коэффициент концентрации углерода в живом веществе и почвах по сравнению с литосферой выражается величинами соответственно 180—900 и 20—150 (табл. 11). Но углерод обладает и наибольшей технофиль- ностью - п • 1010-и • 1011 (Перельман, 1972, 1973). От входит в состав угля, нефти, газов, горючих сланцев. Это элемент, входящий в состав цементов, стройматериалов, органического сырья, пищи, фуража, многих препаратов. Общепризнано, что первичная атмосфера планеты отличалась высоким содержанием соединений углерода: С02, СО, COS, СН4, HCN.

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

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

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

Эволюция и распределение соединений углерода, поступивших в атмосферу и первоначальную литосферу(и • 1016 т из общих запасов углерода порядка п • 1018т) были крайне сложны. Наибольшую роль сыграли два

Рис, 12, Модель цикла углерода, млрд.т

/ — вес углерода в форме С02 в атмосфере и океане; II — количество С02, поступающее в атмосферу в результате процессов окисления; П1 — количество органического вещества окисленного (дыхание, горение и др.) ; IV — биомасса сухопутных организмов: А — растений, В — животных, С - человека, D - бактерий и грибов; V - масса (сухая), использованная для питания этими организмами; VI - резервы углерода в литосфере

* КК — коэффициент концентрации (отношение содержания в изучаемом объекте к содержанию в литосфере) .

основных биогеохимических процесса: углекислотное выветривание магматических пород с образованием карбонатов металлов, развитие жизни, образование и захоронение масс органического вещества на планете.

Процесс углекислотного выветривания изверженных пород на Земле проходил параллельно образованию и миграции водных масс и в соответствии с содержанием углекислоты в воздухе и воде. Однако это выветривание было стерильным, жизни еще не было. Полевые шпаты и другие алюмосиликаты при выветривании в качестве остаточного продукта давали массы каолинита и гидрослюд и в растворе углекислые соли кальция, натрия, магния. Из кальциевого шпата CaAl2Si208 образовывались СаС03, Са(НС03)2 и окислы Si и А1, натриевый шпат NaAlSi308 давал Na2C03, NaHC03, Na2Si04 и золи nSi02. Аналогичным путем образовались массы MgC03 и CaMg(C03)2 при выветривании магнезиальных силикатов и алюмосиликатов.

Сходные явления образования растворов карбонатов и бикарбонатов щелочей и щелочных земель интенсивно происходят и поныне. Но в древней атмосфере, где С02 содержалась в более высоких концентрациях, их образование было особенно интенсивным.

По мере развития жизни и вовлечения кальция в биосферу и состав живого вещества ускорялся и усиливался круговорот углерода. Нарастали процессы образования карбонатов и их геохимической миграции в пространстве. Образование карбонатов щелочей и щелочных земель происходило и происходит также в результате обменных реакций, возникающих

в грунтах и почвах между поглощенными катионами и водородом угольной кислоты (реакция Гедройца) при восходящих или нисходящих движениях растворов. В конечном счете содержание углерода в массе карбонатов Са, Mg, Na, К, обязанных этому биогеохимическому процессу, достигло величины порядка п • 1016 т и составляет большую (80%) часть углерода литосферы. При этом непрерывно росло преобладание в составе карбонатов осадочных пород СаС03 над MgC03 — от 2,39 : 1; 4,49 : 1 в породах девона до 8,89 : 1 в породах карбона и до 37-40 : 1 в породах мелового и третичного периодов (Goldschmidt, 1954).

Процесс образования карбонатов различных металлов, особенно Са, Mg, Na, связал огромные количества углекислоты атмосферы и перевел их путем подземного и речного стока в осадки донных отложений, в толщи известняков и доломитов. И ныне речные воды ежегодно сбрасывают в Мировой океан и во внутриматериковые низменности суши миллионы тонн углекислых солей. Только в океан сток карбонатов составляет около • 109 т ежегодно (табл. 13,14).

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

Образование масс живого и мертвого органического вещества, как показывают данные исторической геологии, проходило в условиях древнего гидроморфного почвообразовательного процесса в аккумулятивных ландшафтах. Современными аналогами таких условий и процессов являются торфяно-болотные леса Колхиды (дельта р.

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

Считается, что углерод, связанный в виде биогенных осадков в земной коре планеты (горючие ископаемые и рассеянные примеси органики в осадочных породах), составляет примерно 20% всего запаса углерода земной коры (Baes, Goeller, 1976). По данным Успенского (1956) и Галимова (1968), 14 • 1015 т углерода сосредоточено в осадочных породах морского происхождения, около 3 • 1015 т в органическом веществе морских осадков, около 0,5 • 1015 тв виде углерода горючих ископаемых и около 0,37 • 1015 т углерода растворенной углекислоты содержится в воде океана. Велико количество углерода растворенного органического вещества в пресных водах суши (реки, озера, болота) — около 3,2 • 109 т (Успенский, 1956). К этому надо добавить 58 • 109 т углерода озерных сапропе- лей, 480 • 109 т углерода органического вещества болот. Растворенная органика природных вод более всего представлена гуминовыми и фульво- 54

Таблица 14.

Вес планеты Земля, т              6 • 1024

Всего С на планете, т              п • 1018

Поступило из верхней мантии С, т              п • 1016

В том числе, %

С горючих ископаемых              « 20

С в осадочных породах              «80

С в биосфере              lt; 1

Современные поступления С из мантии,              т/год              п • 108

Поступления С из космоса, т/год              «5 • 103

Индустриальные поступления С, т/год              5 • 109

Антропогенно-бытовые поступления С,              т/год              5 • 109

Годичный возврат углерода в атмосферу, т              2,6 • 1011

Годичный сток углерода в океан, т              п • 109

Ежегодный прирост С02 в атмосфере, ppm              1 -1,5 * Данные заимствованы из работ Успенского, Bolin, Kempe, Woodwell и др.

кислотами. Эти кислоты образуют геохимически подвижные (растворимые) соединения железа, алюминия, марганца, меди, цинка и многих других элементов. Благодаря этому коренным образом изменилось поведение многих металлов в почвах, способность к их выносу и накоплению.

Вывод углекислоты из атмосферы, образование, перенос и осаждение углекислых солей, возникающих при выветривании изверженных пород, был усилен участием организмов (рис. 13, 14). Но этот процесс не сопровождался освобождением кислорода и его накоплением в атмосфере. История кислорода в земной атмосфере связана с фотосинтезом и длительным выключением органических веществ из наземных биогеохимических циклов.

Совместное влияние процессов углекислого выветривания, фотосинтеза и образования захороненных масс карбонатов и органического вещества на планете усиливалось несколько раз в периоды оживления вулканизма, когда содержание двуокиси углерода в воздухе значительно увеличивалось (Ронов, 1978). Однако, достигнув максимума (совпадавшего с максиму-

Рис. 13. Предполагаемая история атмосферного кислорода и двуокиси углерода (Руттен, 1973)

1 — уровень С02, 2 — уровень Оа, 3 — главные циклы горообразования />

Рис. 14. Связь вулканизма, образования СОа карбонатов и накопления органических ископаемых в эволюции Земли (Ронов, 1978)

мом образования магматических пород), оба процесса снижали интенсивность по мере вывода из атмосферы масс двуокиси углерода в виде известняков и углей. Главными экстракторами С02 из атмосферы на геологически длительные периоды были океан и моря (осаждение карбонатов и органики, приносимых с континентов), гумусированный аллювий рек, донные отложения озер и растущие залежи торфов в болотах и дельтовых низменностях. После кембрия было пять крупных циклических процессов и два ослабленных (рис. 14). Процессы связывания углерода получали максимально выраженное/ накопление карбонатов и захоронения органики в осадочных породах в периоды океанических трансгрессий на сушу (Малиновский, 1982). В отдельные периоды при этом концентрация С02 опускалась до 100 ppm, но в периоды интенсивного вулканизма поднималась до 900 ppm (Малиновский, 1982). Общая направленность вела к уменьшению концентрации С02 в атмосфере в конце третичного периода и колоссальному накоплению в литосфере углерода органических веществ и масс карбонатов.

Первые примитивные растения появились на суше около 450 млн. лет назад, а около 350 млн. лет назад растения стали завоевывать сушу и менять атмосферу (Ward, Dubos, 1972). Последовательное развитие на суше

Рис. 15. Запасы и движение углерода на планете (USA Dep. of Energy, 1У/у) Квадраты — резервуары С • 109 т, стрелки — потоки С • 109 т/год

мощного покрова псилофитов, папоротников, хвощей, плаунов, голосеменных, покрытосеменных (в особенности древесных форм) в геологическом времени сопровождалось образованием антрацита, каменного угля, бурого угля, торфов (Таусон, 1947) и соответственно накоплением кислорода в атмосфере. Оба процесса снижали относительный и абсолютный уровень концентрации углекислоты в атмосфере и способствовали повышению концентрации кислорода.

Таким образом, фотосинтез и образование органических веществ и карбонатов, захоронение их на многие миллионы лет, защита их от разложения привели к созданию современной атмосферы с низкой концентрацией углекислоты. За время биологической фазы существования Земли создалась кислородная атмосфера (20% кислорода) с содержанием двуокиси углерода около 280—290 ppm. Это была среда, в которой появился человек. Как показано на рис. 15, концентрация С02 в 1977 г. достигла в атмосфере 335 ppm. Ее основные запасы сосредоточены в океане (38 400 • 109 т) и в земной коре (12 000 • 109 т).

В среднем живое вещество суши содержит в расчете на сухую массу 40—50% углерода, который также изъят из атмосферы. Биомасса суши составляет не более 1013 т. Общая масса живого и мертвого наземного и внутрипочвенного органического вещества суши составляет 4682 • 109 т (Speidel, Agnew, 1982). Таким образом, до п • 1012 т углерода связано в живом и мертвом органическом веществе и в почвенном покрове. Примерно столько же углерода органики присутствует в растворенной форме в водах океана. Надо отметить неточность всех этих величин. Они расходятся у разных авторов на один-полтора порядка. Наиболее исчерпывающий обзор количественных показателей к балансу углерода был составлен ЭМ. Галимовым (1968).

По оценкам зарубежных ученых (Baes, Goeller, 1976; Bolin et al., 1979) и нашим сопоставлениям, в сумме биосфера и ее живое вещество, т.е. тот механизм, который связывает углерод и космическую энергию, содержат

/?//ел*л, л/л//. лет.

Рис. 16. Распределение углерода в компонентах, литосферы и биосферы (OAK National Laboratory USA)

в каждый данный период в своей биомассе лишь менее 1% всего количества углерода, поступившего из земной мантии в атмосферу (рис. 16)[III]. Но кдк поразительно эффективен был и остался этот механизм, преобразовавший безжизненную планету в современную Землю — мать всего живого и прекрасного!

Появление значительных количеств биогенного кислорода в атмосфере и в стратосфере в дальнейшем способствовало возникновению озонового экрана, защищающего живые организмы от губительного действия космических лучей (главным образом ультрафиолетовых). Ныне кислород интенсивно потребляется индустрией, транспортом, в быту человека. На все формы сжигания топлива, на металлургическую и химическую продукцию и на дополнительное окисление различных отходов ежегодно расходуется до 10—20 • 109 т кислорода. Ежегодная фотосинтетическая продукция кислорода составляет 120—190 • 109 т. Таким образом, ежегодный дополнительный расход кислорода, вызванный антропогенными факторами, составляет не менее 10—16% от его биогенного образования. Есть основание для тревоги и принятия мер по сохранению нормального содержания кислорода в атмосфере.

Та часть кислорода, которая связывается в карбонатах или в органическом веществе, уходящем в континентальные или в морские осадки, выключается на сотни, тысячи и миллионы лет из атмосферы и биосферы. Необратимо связываются значительные массы кислорода в процессах вы

ветривания минералов, на окисление добываемых металлов и сульфидов, на интенсивное глинообразование и на гидратацию окислов и глин. Все эти процессы усилились в настоящее время на планете, но количественно они еще не уточнены.

Мнения ученых расходятся в оценке опасности дефицита кислорода в биосфере. Большинство американских исследователей считают, что этот вопрос неактуален. Советские исследователи А.А. Ничипорович (1972а, б),

А.С. Оканенко (1972) неоднократно подчеркивали, что путем увеличения общеземного коэффициента использования физиологически активной радиации (КПД ФАР) с 0,2—0,5 до 1—2% можно решить проблему воспроизводства необходимого количества кислорода. Успехи современной агрономии, генетики, агрохимии и мелиорации почв позволяют рассчитывать на значительно большее реальное повышение КПД ФАР в будущем — до 5-8%.

Почвенный покров суши и мелководий, обогащенный энергией, био- фильными элементами, влагой и гумусом[IV], как шозоновый экран, играет роль защиты и оптимизирует условия существования живого вещества. Продолжительность существования органических веществ в почвах (их цикл от синтеза до минерализации) в среднем составляет около 300—500 и до 1000 лет. Отдельные фракции гумусовых веществ в почвах имеют возраст до 2000 лет.

Озоновый щит в стратосфере и почвенный экран на суше — важнейшие общепланетарные условия существования и воспроизводства живого вещества и жизни на Земле. Сохранение этих условий является неотложной задачей человечества в настоящем и будущем. Эти задачи могут и должны решаться на основе рационального расширения площади и растущей биологической продуктивности экологических систем лесного, сельского и водного хозяйства.