Биогеохимические циклы элементов в биосфере

Рассматриваются циклы элементов (углерод, кислород, азот) непрерывно, на протяжении всей геологической истории выделявшихся из вещества Земли в виде газов и формирующих атмосферу Земли. В то же время эти элементы в основном образуют живое вещество биосферы, из них состоят ткани организмов суши и моря. Живое вещество играет ведущую роль в циклической миграции этих элементов в биосфере.

Циклы элементов, поступивших в результате дегазации мантии Цикл углерода. Резервуары углерода в биосфере. В атмосфере находится 2450•10⁹ т углекислого газа, что соответствует 700•10⁹ т углерода.

В океане углерод присутствует в двух формах (помимо живого вещества): в составе органического вещества (С_орг), растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперсных частиц и в составе взаимосвязанных минеральных ионов карбонатной системы (С_к): НСО₃^-, СО₃^2- и СО₂.

Средняя концентрация растворенного органического вещества в океане оценивается в 1,5 мг/л С_орг., концентрация дисперсного взвешенного органического вещества около 0,02 мг/л. Учитывая объем океана, можно считать, что в нем содержится 2055•10⁹ т растворенного С_орг и 27•10⁹ т взвешенного С_орг, что в сумме составляет 2100•10⁹ т С_орг. Кроме того, в океане находится углерод карбонатной системы: главным образом, в виде НСО₃^-. Средняя концентрация НСО₃^- равна 143 мг/л, общая масса гидрокарбонатов 196 000•10⁹ т. В этой массе содержится 38 500•10⁹ т С_к.

Общая масса живого вещества суши оценивается в 2500•10⁹ т с.в., предполагают, что в результате деятельности человека она сократилась на 25% и в настоящее время достигла 1880•10⁹ т с.в., или около 900•10⁹ т С_орг. В биомассе фотосинтетиков океана сосредоточено 1,7•10⁹ т С_орг (данные 1988 г.), в массе консументов океана связано 2,3•10⁹ т С_орг. На суше в педосфере имеется значительное количество неживого органического вещества:

• · лесная подстилка с массой 200•10⁹ т;
• · торф с массой 500•10⁹ т;
• · гумус с массой 2400•10⁹ т.

Во всем неживом органическом веществе суши содержится 1500•10⁹-1600•10⁹ т С_орг.

Обобщив эти данные, можно сказать, что наименьшее количество углерода находится в атмосфере, несколько больше в живом веществе суши, еще больше в неживом органическом веществе педосферы. Значительная часть углерода связана в составе растворенного и взвешенного органического вещества океана. Наибольшая часть углерода содержится в составе гидрокарбонатов океана — в 10 раз больше, чем в живом веществе, атмосфере и педосфере вместе. Приведенные данные, конечно, являются ориентировочными и отражают современный уровень наших знаний.

В земной коре основная форма нахождения углерода — С_к, она на порядок превышает концентрацию С_орг. Главным резервуаром углерода (75% С_орг и 75% С_к) служит осадочная оболочка земной коры. Концентрация углерода в осадочных породах на порядок выше, чем в гранитном и базальтовом слоях литосферы. Основная масса С_орг представлена рассеянным органическим веществом. Концентрированные скопления С_орг в виде залежей нефти, каменных углей имеют подчиненное значение: нефть — 0,2•10¹² т, каменный уголь — 6•10¹² т. В сумме их масса на три порядка ниже массы углерода рассеянного органического вещества осадочной оболочки.

Карбонатные и органические соединения земной коры имеют биогенное происхождение. Связующим звеном между ними является СО₂ — материал для фотосинтеза и образования биогенных карбонатов (известковые скелеты организмов). Карбонаты небиогенного происхождения — довольно редкое исключение из общего правила (например вулканические карбонатиты).

В процессе жизнедеятельности организмов происходит определенное фракционирование изотопного состава углерода. Масса углерода состоит из стабильных изотопов ¹²С и ¹³С (¹⁴С радиоактивен и его мало). Соотношение ¹²С и ¹³С в природных объектах варьирует от 88 до 94, в живом веществе составляет около 90,5, в СО₂ атмосферы и гидросферы — 89,5, в карбонатных отложения примерно — 88,6.

В процессе фотосинтеза происходит более быстрое поглощение легкого изотопа и обогащение им органического вещества, особенно под влиянием микробиологических процессов. Карбонаты же обогащаются тяжелым изотопом. Соотношение изотопных форм углерода одинаково в осадочных породах разного возраста на протяжении 3,7 млрд. лет. На протяжении длительного времени происходило закономерное распределение исходного СО₂ между фотосинтезом и образованием карбонатов. При этом более 80% углерода, поступающего в атмосферу при дегазации мантии, связывалось в карбонатах.

Карбонатообразование и фотосинтез имеют общую направленность на удаление из атмосферы СО₂, непрерывно поступающего из мантии. Возможно, что эти процессы являются частью глобального механизма поддержания невысокой концентрации СО₂ в атмосфере, что имеет важное значение в связи с так называемым «парниковым» эффектом.

Миграция масс углерода в биосфере Глобальный биогеохимический цикл углерода состоит из двух крупных миграционных потоков более низкого ранга.

Первый биогеохимический поток углерода включает связывание углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и новое образование СО₂ при разрушении органического вещества животными и микроорганизмами.