Органическое вещество биосферы и почвы
Авторы: Ершов Ю.И.
Качество окружающей среды – одна из важнейших проблем природоведения. Основой этой проблемы является концепция ноосферы, выдвинутая В.И. Вернадским. Все возрастающий уровень антропогенно-техногенных нагрузок на геосферы разных уровней и биосферу требует всесторонних знаний о развитии окружающей среды и роли человеческого фактора в ее эволюции. Одной из важнейших задач в области охраны окружающей среды является не только познание физических, химических и биологических процессов развития всей планеты, но и систематизация знаний об этих процессах.
Изменения биосферы в результате человеческой деятельности (распашка целинных земель, вырубка лесов, осушение болот, создание водохранилищ, добыча полезных ископаемых и т.п.) и природных экзогенных процессов (эрозия, денудация и др.) тесно связаны с нарушением почвенного покрова планеты (педосферы) и его главного компонента – органического вещества.
В последние годы отмечается возросший интерес к исследованию органического вещества почв (ОВП), что объясняется рядом конкретных причин, побудивших написание предлагаемой работы.
Во-первых, органическое вещество в педосфере является основным природным генератором и источником углеродосодержащих газов (прежде всего, СО2), поступающих в атмосферу. Во-вторых, оно нередко является лимитирующим фактором, определяющим биопродуктивность природных и агроэкосистем; от качественного и количественного состава органического вещества зависит поведение загрязнений различного происхождения, формирование противоэрозионной устойчивости и водно-физических свойств почв и т.д. В-третьих, изучение состояния профильного и географического распределения органического вещества актуально для прогнозирования изменений содержания почвенного углерода под влиянием пирогенеза и при иных катастрофических и эволюционных изменениях (планетарных, региональных, локальных) природной среды.
Человеческая деятельность привела к разомкнутости биогеохимического круговорота диоксида углерода (СО2) в наземных экосистемах, следствием чего явился прогрессирующий рост его содержания в атмосфере, что катализирует парниковый эффект и может привести к непредсказуемым последствиям – это в первую очередь необратимые глобальные изменения климата в сторону потепления, в результате которых произойдет таяние ледниковых покровов, многолетней мерзлоты и, как следствие, повышение уровня Мирового океана. Будет нарушена экологическая стабильность планеты. Повышенный интерес к органическому веществу почв определяется также его огромной экологической значимостью в условиях усиливающихся техно- и агрогенных воздействий на экосистемы (биогеоценозы) и биосферу в целом. В этом отношении велика роль педогенного органического вещества как носителя плодородия и компонента биосферы. Изучение ОВП в последние годы приобретает еще большее значение в связи с проблемой возможного глобального изменения климата и природной среды.
Для решения этой проблемы создаются международные и региональные программы (Рамочная Конвенция ООН, Международная геосферно-биосферная программа, фундаментальная отечественная государственная программа "Глобальные изменения природной среды и климата" и др.), проводятся комплексные исследования суши Земли и Мирового океана, международные форумы, разрабатываются прогнозные сценарии климата будущего, публикуется огромное количество научной информации. Все это подчинено одной цели – сохранению и улучшению природных условий на нашей планете. С прогрессирующим увеличением содержания диоксида углерода в атмосфере и ростом концентрации других парниковых газов (метана, оксидов азота и др.) ожидаются глобальные изменения климата, масштабы и темпы которых, по мнению А.Т. Мокроносова, можно сравнить с крупными геологическими и климатическими событиями в истории Земли.
В контексте указанной проблемы особого внимания заслуживает ОВП и его главный компонент – углерод, являющийся важнейшей составной частью биосферного биогеохимического круговорота веществ.
При рассмотрении понятий и терминов, связанных с общетеоретическими аспектами образования ОВП, мы придерживались базовой концепции, заложенной в трудах В.В. Докучаева, С.П. Кравкова, П.А. Костычева, С.А. Ваксмана, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, В.В. Пономаревой, Т.А. Плотниковой, Л.Н. Александровой, В.Р. Волобуева, Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной, А.Д. Фокина, Г. Иенни, Д. Дюшофура, Р. Тейта и др.
Большое значение изучению ОВП (гумуса) придавал основоположник русского почвоведения – В.В. Докучаев, который дал четкое определение понятия "гумус", изучил его состав и экологическое значение, установил основные закономерности накопления гумуса в почвах России в связи с факторами почвообразования и, тем самым, заложил основы современной теории гумусообразования, которые до сих пор не потеряли своей актуальности.
В настоящее время оформилось учение об ОВП с двумя главными научными направлениями: 1) биохимическое (изучение процессов гумификации органического материала и свойств гумусовых кислот) и 2) морфоструктурное, или морфолого-экологическое (познание пространственно-структурной морфологии органических компонентов почвы). Предложены современные понятия, термины, терминологические словосочетания, описания которых изложены в статьях-обзорах (очерков), объединенных по тематике в четыре главы. Термины и понятия, раскрывающие отдельные стороны вопроса и характеризуемые в тексте, но не выносимые в качестве самостоятельных статей, показаны курсивом.
Назначение книги – помочь специалистам-природоведам ориентироваться в используемых в научной литературе терминах и понятиях, касающихся органического вещества почв и биосферы. Особое внимание уделяется понятиям, относящимся к таким компонентам ОВП, как гумус, углерод, подстилка, а также терминам, связанным со структурой биосферы.
Углерод в биосфере и почве
Углерод (С) – активный воздушный и водный мигрант, образующий в биосфере множество органических и минеральных соединений – углеводородов (СО2, СН4, C2H4, С2Н6, СО и др.) и их производных, карбонатов и гидрокарбонатов. Он является главным химическим элементом органического вещества. Углерод в биосфере (педосфере) может находиться в разных фазовых состояниях (твердом, жидком, газообразном), образующих динамическую систему, параметры которой определяются природными и антропогенно-техногенными факторами. Углерод в биосфере представлен наиболее подвижной формой СО2 (диоксид углерода, или углекислый газ).
В истории Земли основным источником СО2 является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Кларковое, или среднее, содержание углекислого газа в атмосфере 0,03 % и в настоящее время оно возрастает, достигая 0,035 %, в земной коре – 0,023, в почвах – 2 %; в биосфере: чистых известняках – 12 %, живом веществе – 18, древесине – 50, каменном угле – 80, нефти – 85 % по объему. В углях, нефти, известняках и других породах содержится около 3 х 1016 т углерода, в атмосфере – 6 х 1011, водах океанов и морей – 4 х 1013, литосфере – 2 х 1017, педосфере (углерод гумуса) – 1,5 х 1012 т. Полный оборот углекислого газа атмосферы Земли через фотосинтез оценивается в 300 лет.
Педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуют в балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Основным источником СО2 в атмосфере служит дыхание почвы, включающее дыхание корней, микроорганизмов и почвенных животных. Например, эмиссия СО2 (в процессе минерализации органического вещества) почвенного покрова в России составляет 3,12 млрд. т/год. Почвенное органическое вещество является хранилищем самых больших запасов (1395,3 Гт) углерода в наземных экосистемах. Таким образом, почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата.
Одной из главных составных частей газовой фазы почвы (почвенного воздуха) является углекислый газ. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного, в нем в 10–100 раз больше СО2. Это связано с тем, что почва поглощает богатый кислородом (21 %) атмосферный воздух и выделяет СО2 (что характерно для процесса дыхания). Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют "дыханием" почвы. По количеству выделенного СО2 можно ориентировочно судить о биологической активности почвы (характеризует интенсивность биологических процессов, протекающих в почве). Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет СО2. При одинаковых условиях (температуре, влажности и т.п.) чем выше содержание органического вещества в почве, тем больше она выделяет СО2. В лесных почвах воздух содержит значительно больше СО2 (за счет дыхания корней растений), чем в пахотных.
Диоксид углерода принимает непосредственное участие в процессах выветривания-почвообразования. Он является важным фактором химического выветривания пород и минералов (например, карбонаты переходят в бикарбонаты и т.п.), влияет на кислотность-щелочность почвенного раствора, увеличивает растворимость фосфатов, усиливает мобилизацию питательных элементов, т.е. переход их в доступное для растений состояние.
Диоксид углерода (непременный компонент атмосферного воздуха) в настоящее время рассматривается как загрязняющее вещество в связи с тем, что за последние десятилетия его поступление в атмосферу в результате сжигания горючих материалов (угля, нефти, газов, сланцев и др.) настолько велико, что не может полностью перерабатываться растениями планеты и растворяться водами Мирового океана.
Планетарный круговорот веществ – процесс перемещения и превращения вещества, неизменно повторяющийся цикл развития в системе земных геосфер (литосфере, гидросфере, атмосфере, педосфере) и, прежде всего, в биосфере. Символом круговорота служит не круг, а циклоида – линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса, т.е. движение (развитие) по спирали, имеющее более или менее выраженный циклический характер. Как отмечает А.И. Перельман, термин "круговорот" нельзя признать удачным, так как он создает впечатление о развитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительности круговорот элементов обратим не полностью, часть веществ из него изымается и фоссилизуется (захоранивается) в биосфере и стратисфере (осадочной оболочке Земли и слоистых вулканических породах) в виде гумуса, пород и минералов (известняков, торфа и др.). В результате системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие.
Круговорот веществ – основное свойство геосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основной механизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т.д.) и энергии (теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические извержения поставляют СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО2, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях. Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (а возможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А.И. Перельманом «геохимическим циклом (круговоротом)», в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматические и биосферные циклы.
Теоретические основы учения о круговороте веществ (химических элементов) были заложены в трудах выдающихся естествоиспытателей – В.И. Вернадского, А.П. Виноградова, Б.Б. Полынова, В.Р. Вильямса. В.И. Вернадский положил начало биогеохимии – науке о геохимической роли организмов; Б.Б. Полынов является основателем геохимии ландшафтов – науки о химическом составе, закономерностях миграции химических элементов в ландшафте; В.Р. Вильямс разработал концепцию большого геологического и малого биологического круговоротов веществ, суть которой составляет комплекс явлений миграции и трансформации веществ в биосфере под влиянием биогенных, абиотических и техногенных факторов. Большой вклад в развитие учения о биологическом круговороте веществ внесли Н.П. Ремезов, Н.П. Ремезов и др., Н.И. Базилевич, Е.И. Шилова, Л.Е. Родин и др., А.А. Титлянова, Н.И. Базилевич и др., Методы..., А.А. Титлянова и др. Круговороту энергии, воды, кислорода, углерода, азота и минеральных веществ посвящен сборник научных трудов иностранных авторов. Геохимические (биогеохимические) аспекты в биосфере раскрываются в работах В.А. Ковды, А.И. Перельмана, М.И. Будыко, М.А. Глазовской, В.В. Добровольского и многих других ученых. В литературе используются понятия "геохимический", "биологический", "биогеохимический", "геологический", "глобальный", "глобальный биологический" круговороты и циклы веществ и отдельных химических элементов. При этом сохраняется неоднозначность определения и понимания объема этих терминов. Так, А.Н. Тюрюканов, В.В. Снакин полагают, что биологический круговорот веществ происходит на организменном уровне и является предметом изучения биохимии, физиологии и т.п., тогда как круговорот веществ в ландшафте (биогеоценозе) протекает при участии как живых организмов, так и абиотических факторов (механическое и физическое воздействие, геохимическая миграция и т.д.). Авторы предлагают определение и разграничение понятий "биологического", "биогенного" (в биогеоценозах) и "биогеохимического" (собственно биосферного) круговоротов. В литературе встречаются термины-словосочетания "биогеохимический круговорот веществ в ландшафте", "круговорот веществ", "круговорот углерода".
Нами предлагаются понятия "биосферный (большой, глобальный, планетарный) биогеохимический круговорот веществ", "малый биогеохимический круговорот веществ" и "ландшафтный (локальный) биогеохимический круговорот веществ", которые могут быть применимы как к суммарному круговороту химических элементов (веществ), так и к круговороту отдельных элементов. Первые два термина-словосочетания понимаются в объеме, тождественном понятиям В.Р. Вильямса: "большой геологический круговорот веществ" и "малый биологический круговорот веществ".
По своей сути эти круговороты являются генетическими, т.е. они связаны между собой единством превращения и переноса вещества и энергии в системе земных геосфер и прежде всего в биосфере, т.е. они представляют собой отдельные звенья громадной цепи природных процессов превращения и переноса вещества на Земле.
Важнейшим моментом в истории углерода планеты является его участие в биогеохимических круговоротах.
Биогеохимические круговороты углерода – комбинация последовательных периодических (в течение суток – миллиардов лет) непрерывных замкнутых процессов превращения, перемещения, распределения, рассеяния и концентрации углерода через косную и органическую природу в биосфере при активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот углерода в биосфере в целом и в конкретном ландшафте – из диоксида углерода в живое вещество и обратно в диоксид углерода – приводится в действие диалектическим единством двух противоположно направленных процессов – фотосинтеза и минерализации. Но часть углерода посредством медленно идущих циклических процессов удаляется, отлагаясь в осадочных породах. Баланс атмосферного углерода определяется биогеохимическими круговоротами, в каждом из которых осуществляются приход и расход СО2.
В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. При этом биологические компоненты ежегодного круговорота углерода значительно превосходят геологические составляющие этого процесса. Содержание углерода в биомассе наземных растений составляет 40–55 %, а по отношению к кларку атмосферы кларк концентрации углерода лежит в пределах 235–300.
В течение четырех лет растения суши и моря усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере, а в течение 300 лет – в гидросфере. За время геологической истории углерод атмосферы и гидросферы, вероятно, многократно участвовал в круговоротах. Однако эти циклы (цикл – законченный круг миграции углерода в биогеохимических круговоротах) необратимы. Часть атомов углерода выводится из круговоротов и отлагается в педосфере, литосфере, гидросфере в форме органических и минеральных соединений (гумуса, торфа, сапропеля, карбонатных осадочных пород и др.). При извержении вулканов, горообразовании и других процессах углерод осадков снова переходит в СО2 и включается в новые циклы. Почва служит связующим звеном между биогеохимическими круговоротами углерода.
Цикл органического углерода определяется реакциями фотосинтеза, ведущими к образованию первичной продукции (новообразование органического вещества растений продуцентов):
СО2 + Н2О = [СН2О] + О2,
где [СН2О] – сокращенное обозначение биомассы, и суммарной реакцией деструкции:
[СН2О] + О2 = СО2 + Н2О (дыхание).
Цикл органического углерода сопряжен с циклом неорганического углерода путем углекислотного выщелачивания изверженных пород и образования осадочных карбонатов по обратной реакции:
Са (НСО3)2 ↔ СаСО3 + СО2 + Н2О.
При этом карбонатное равновесие или устанавливается химически, или катализируется ферментом карбоангидразой. Углекислотное выветривание магматических пород привело к образованию огромных запасов минерального углерода в виде известняков и доломитов.
Скорость изменения массы углерода в атмосфере зависит от интенсивности изъятия его из воздушной оболочки и консервации. Выведение СО2 из круговоротов происходит в результате продукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связывания при образовании карбонатных пород в результате процессов выветривания-почвообразования. В химическом отношении роль СО2 при выветривании сводится к вытеснению из силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов и переводу их в карбонаты. Например, образование каолинита из плагиоклазов, наиболее распространенных силикатных минералов литосферы, описывается реакциями
альбит каолинит
2NaAlSi308 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + 2NaHCO3 + 4SiO2,
анортит каолинит
СаА12SiO2О8 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + Ca (HCO3)2.
Однако кроме силикатных пород углекислотному выветриванию подвержены также осадочные карбонатные породы, взаимодействие которых с атмосферным СО2 идет по реакции
СаСО3 + СО2 + Н2O = Са (НСO3)2.
Связывание атмосферного СО2 при выветривании происходит опосредованно через цикл продукции и деструкции органического вещества почв. В этом отношении почвенный покров является своеобразным химическим реактором, где идут процессы выветривания.
В последние годы проблеме внутриконтинентальной фоссилизации, эмиссии и стока углеродистых неорганических (литогенных и педогенных) соединений, их роли в формировании глобального климата уделяется все большее внимание. B.C. Савенко предложено балансовое уравнение, описывающее скорость изменения массы СО2 в атмосфере в зависимости от интенсивности поступления и выделения его в результате одновременно протекающих процессов:
dmCO2 / dt = –P + D – W + V + Q
где dmCO2 – масса СО2 в атмосфере; Р и W – соответственно количества СО2, выводимые из атмосферы в результате продукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связываемые при образовании карбонатных пород в результате выветривания горных пород; D, V и Q – соответственно количества СО2, поступающие в атмосферу в результате деструкции органического вещества, при вулканических извержениях и сжигании топлива. Знание значений приходных и расходных членов балансового уравнения позволяет количественно моделировать историю СО2 в атмосфере. Общее количество связываемого при выветривании горных пород СО2 в современный исторический период составляет 405 млн. т/год, или в пересчете на углерод – около 1,1 х 1014 гС/год, для плиоцена (2–9 млн. лет назад) – 1,
Качество окружающей среды – одна из важнейших проблем природоведения. Основой этой проблемы является концепция ноосферы, выдвинутая В.И. Вернадским. Все возрастающий уровень антропогенно-техногенных нагрузок на геосферы разных уровней и биосферу требует всесторонних знаний о развитии окружающей среды и роли человеческого фактора в ее эволюции. Одной из важнейших задач в области охраны окружающей среды является не только познание физических, химических и биологических процессов развития всей планеты, но и систематизация знаний об этих процессах.
Изменения биосферы в результате человеческой деятельности (распашка целинных земель, вырубка лесов, осушение болот, создание водохранилищ, добыча полезных ископаемых и т.п.) и природных экзогенных процессов (эрозия, денудация и др.) тесно связаны с нарушением почвенного покрова планеты (педосферы) и его главного компонента – органического вещества.
В последние годы отмечается возросший интерес к исследованию органического вещества почв (ОВП), что объясняется рядом конкретных причин, побудивших написание предлагаемой работы.
Во-первых, органическое вещество в педосфере является основным природным генератором и источником углеродосодержащих газов (прежде всего, СО2), поступающих в атмосферу. Во-вторых, оно нередко является лимитирующим фактором, определяющим биопродуктивность природных и агроэкосистем; от качественного и количественного состава органического вещества зависит поведение загрязнений различного происхождения, формирование противоэрозионной устойчивости и водно-физических свойств почв и т.д. В-третьих, изучение состояния профильного и географического распределения органического вещества актуально для прогнозирования изменений содержания почвенного углерода под влиянием пирогенеза и при иных катастрофических и эволюционных изменениях (планетарных, региональных, локальных) природной среды.
Человеческая деятельность привела к разомкнутости биогеохимического круговорота диоксида углерода (СО2) в наземных экосистемах, следствием чего явился прогрессирующий рост его содержания в атмосфере, что катализирует парниковый эффект и может привести к непредсказуемым последствиям – это в первую очередь необратимые глобальные изменения климата в сторону потепления, в результате которых произойдет таяние ледниковых покровов, многолетней мерзлоты и, как следствие, повышение уровня Мирового океана. Будет нарушена экологическая стабильность планеты. Повышенный интерес к органическому веществу почв определяется также его огромной экологической значимостью в условиях усиливающихся техно- и агрогенных воздействий на экосистемы (биогеоценозы) и биосферу в целом. В этом отношении велика роль педогенного органического вещества как носителя плодородия и компонента биосферы. Изучение ОВП в последние годы приобретает еще большее значение в связи с проблемой возможного глобального изменения климата и природной среды.
Для решения этой проблемы создаются международные и региональные программы (Рамочная Конвенция ООН, Международная геосферно-биосферная программа, фундаментальная отечественная государственная программа "Глобальные изменения природной среды и климата" и др.), проводятся комплексные исследования суши Земли и Мирового океана, международные форумы, разрабатываются прогнозные сценарии климата будущего, публикуется огромное количество научной информации. Все это подчинено одной цели – сохранению и улучшению природных условий на нашей планете. С прогрессирующим увеличением содержания диоксида углерода в атмосфере и ростом концентрации других парниковых газов (метана, оксидов азота и др.) ожидаются глобальные изменения климата, масштабы и темпы которых, по мнению А.Т. Мокроносова, можно сравнить с крупными геологическими и климатическими событиями в истории Земли.
В контексте указанной проблемы особого внимания заслуживает ОВП и его главный компонент – углерод, являющийся важнейшей составной частью биосферного биогеохимического круговорота веществ.
При рассмотрении понятий и терминов, связанных с общетеоретическими аспектами образования ОВП, мы придерживались базовой концепции, заложенной в трудах В.В. Докучаева, С.П. Кравкова, П.А. Костычева, С.А. Ваксмана, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, В.В. Пономаревой, Т.А. Плотниковой, Л.Н. Александровой, В.Р. Волобуева, Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной, А.Д. Фокина, Г. Иенни, Д. Дюшофура, Р. Тейта и др.
Большое значение изучению ОВП (гумуса) придавал основоположник русского почвоведения – В.В. Докучаев, который дал четкое определение понятия "гумус", изучил его состав и экологическое значение, установил основные закономерности накопления гумуса в почвах России в связи с факторами почвообразования и, тем самым, заложил основы современной теории гумусообразования, которые до сих пор не потеряли своей актуальности.
В настоящее время оформилось учение об ОВП с двумя главными научными направлениями: 1) биохимическое (изучение процессов гумификации органического материала и свойств гумусовых кислот) и 2) морфоструктурное, или морфолого-экологическое (познание пространственно-структурной морфологии органических компонентов почвы). Предложены современные понятия, термины, терминологические словосочетания, описания которых изложены в статьях-обзорах (очерков), объединенных по тематике в четыре главы. Термины и понятия, раскрывающие отдельные стороны вопроса и характеризуемые в тексте, но не выносимые в качестве самостоятельных статей, показаны курсивом.
Назначение книги – помочь специалистам-природоведам ориентироваться в используемых в научной литературе терминах и понятиях, касающихся органического вещества почв и биосферы. Особое внимание уделяется понятиям, относящимся к таким компонентам ОВП, как гумус, углерод, подстилка, а также терминам, связанным со структурой биосферы.
Углерод в биосфере и почве
Углерод (С) – активный воздушный и водный мигрант, образующий в биосфере множество органических и минеральных соединений – углеводородов (СО2, СН4, C2H4, С2Н6, СО и др.) и их производных, карбонатов и гидрокарбонатов. Он является главным химическим элементом органического вещества. Углерод в биосфере (педосфере) может находиться в разных фазовых состояниях (твердом, жидком, газообразном), образующих динамическую систему, параметры которой определяются природными и антропогенно-техногенными факторами. Углерод в биосфере представлен наиболее подвижной формой СО2 (диоксид углерода, или углекислый газ).
В истории Земли основным источником СО2 является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Кларковое, или среднее, содержание углекислого газа в атмосфере 0,03 % и в настоящее время оно возрастает, достигая 0,035 %, в земной коре – 0,023, в почвах – 2 %; в биосфере: чистых известняках – 12 %, живом веществе – 18, древесине – 50, каменном угле – 80, нефти – 85 % по объему. В углях, нефти, известняках и других породах содержится около 3 х 1016 т углерода, в атмосфере – 6 х 1011, водах океанов и морей – 4 х 1013, литосфере – 2 х 1017, педосфере (углерод гумуса) – 1,5 х 1012 т. Полный оборот углекислого газа атмосферы Земли через фотосинтез оценивается в 300 лет.
Педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуют в балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Основным источником СО2 в атмосфере служит дыхание почвы, включающее дыхание корней, микроорганизмов и почвенных животных. Например, эмиссия СО2 (в процессе минерализации органического вещества) почвенного покрова в России составляет 3,12 млрд. т/год. Почвенное органическое вещество является хранилищем самых больших запасов (1395,3 Гт) углерода в наземных экосистемах. Таким образом, почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата.
Одной из главных составных частей газовой фазы почвы (почвенного воздуха) является углекислый газ. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного, в нем в 10–100 раз больше СО2. Это связано с тем, что почва поглощает богатый кислородом (21 %) атмосферный воздух и выделяет СО2 (что характерно для процесса дыхания). Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют "дыханием" почвы. По количеству выделенного СО2 можно ориентировочно судить о биологической активности почвы (характеризует интенсивность биологических процессов, протекающих в почве). Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет СО2. При одинаковых условиях (температуре, влажности и т.п.) чем выше содержание органического вещества в почве, тем больше она выделяет СО2. В лесных почвах воздух содержит значительно больше СО2 (за счет дыхания корней растений), чем в пахотных.
Диоксид углерода принимает непосредственное участие в процессах выветривания-почвообразования. Он является важным фактором химического выветривания пород и минералов (например, карбонаты переходят в бикарбонаты и т.п.), влияет на кислотность-щелочность почвенного раствора, увеличивает растворимость фосфатов, усиливает мобилизацию питательных элементов, т.е. переход их в доступное для растений состояние.
Диоксид углерода (непременный компонент атмосферного воздуха) в настоящее время рассматривается как загрязняющее вещество в связи с тем, что за последние десятилетия его поступление в атмосферу в результате сжигания горючих материалов (угля, нефти, газов, сланцев и др.) настолько велико, что не может полностью перерабатываться растениями планеты и растворяться водами Мирового океана.
Планетарный круговорот веществ – процесс перемещения и превращения вещества, неизменно повторяющийся цикл развития в системе земных геосфер (литосфере, гидросфере, атмосфере, педосфере) и, прежде всего, в биосфере. Символом круговорота служит не круг, а циклоида – линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса, т.е. движение (развитие) по спирали, имеющее более или менее выраженный циклический характер. Как отмечает А.И. Перельман, термин "круговорот" нельзя признать удачным, так как он создает впечатление о развитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительности круговорот элементов обратим не полностью, часть веществ из него изымается и фоссилизуется (захоранивается) в биосфере и стратисфере (осадочной оболочке Земли и слоистых вулканических породах) в виде гумуса, пород и минералов (известняков, торфа и др.). В результате системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие.
Круговорот веществ – основное свойство геосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основной механизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т.д.) и энергии (теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические извержения поставляют СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО2, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях. Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (а возможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А.И. Перельманом «геохимическим циклом (круговоротом)», в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматические и биосферные циклы.
Теоретические основы учения о круговороте веществ (химических элементов) были заложены в трудах выдающихся естествоиспытателей – В.И. Вернадского, А.П. Виноградова, Б.Б. Полынова, В.Р. Вильямса. В.И. Вернадский положил начало биогеохимии – науке о геохимической роли организмов; Б.Б. Полынов является основателем геохимии ландшафтов – науки о химическом составе, закономерностях миграции химических элементов в ландшафте; В.Р. Вильямс разработал концепцию большого геологического и малого биологического круговоротов веществ, суть которой составляет комплекс явлений миграции и трансформации веществ в биосфере под влиянием биогенных, абиотических и техногенных факторов. Большой вклад в развитие учения о биологическом круговороте веществ внесли Н.П. Ремезов, Н.П. Ремезов и др., Н.И. Базилевич, Е.И. Шилова, Л.Е. Родин и др., А.А. Титлянова, Н.И. Базилевич и др., Методы..., А.А. Титлянова и др. Круговороту энергии, воды, кислорода, углерода, азота и минеральных веществ посвящен сборник научных трудов иностранных авторов. Геохимические (биогеохимические) аспекты в биосфере раскрываются в работах В.А. Ковды, А.И. Перельмана, М.И. Будыко, М.А. Глазовской, В.В. Добровольского и многих других ученых. В литературе используются понятия "геохимический", "биологический", "биогеохимический", "геологический", "глобальный", "глобальный биологический" круговороты и циклы веществ и отдельных химических элементов. При этом сохраняется неоднозначность определения и понимания объема этих терминов. Так, А.Н. Тюрюканов, В.В. Снакин полагают, что биологический круговорот веществ происходит на организменном уровне и является предметом изучения биохимии, физиологии и т.п., тогда как круговорот веществ в ландшафте (биогеоценозе) протекает при участии как живых организмов, так и абиотических факторов (механическое и физическое воздействие, геохимическая миграция и т.д.). Авторы предлагают определение и разграничение понятий "биологического", "биогенного" (в биогеоценозах) и "биогеохимического" (собственно биосферного) круговоротов. В литературе встречаются термины-словосочетания "биогеохимический круговорот веществ в ландшафте", "круговорот веществ", "круговорот углерода".
Нами предлагаются понятия "биосферный (большой, глобальный, планетарный) биогеохимический круговорот веществ", "малый биогеохимический круговорот веществ" и "ландшафтный (локальный) биогеохимический круговорот веществ", которые могут быть применимы как к суммарному круговороту химических элементов (веществ), так и к круговороту отдельных элементов. Первые два термина-словосочетания понимаются в объеме, тождественном понятиям В.Р. Вильямса: "большой геологический круговорот веществ" и "малый биологический круговорот веществ".
По своей сути эти круговороты являются генетическими, т.е. они связаны между собой единством превращения и переноса вещества и энергии в системе земных геосфер и прежде всего в биосфере, т.е. они представляют собой отдельные звенья громадной цепи природных процессов превращения и переноса вещества на Земле.
Важнейшим моментом в истории углерода планеты является его участие в биогеохимических круговоротах.
Биогеохимические круговороты углерода – комбинация последовательных периодических (в течение суток – миллиардов лет) непрерывных замкнутых процессов превращения, перемещения, распределения, рассеяния и концентрации углерода через косную и органическую природу в биосфере при активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот углерода в биосфере в целом и в конкретном ландшафте – из диоксида углерода в живое вещество и обратно в диоксид углерода – приводится в действие диалектическим единством двух противоположно направленных процессов – фотосинтеза и минерализации. Но часть углерода посредством медленно идущих циклических процессов удаляется, отлагаясь в осадочных породах. Баланс атмосферного углерода определяется биогеохимическими круговоротами, в каждом из которых осуществляются приход и расход СО2.
В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. При этом биологические компоненты ежегодного круговорота углерода значительно превосходят геологические составляющие этого процесса. Содержание углерода в биомассе наземных растений составляет 40–55 %, а по отношению к кларку атмосферы кларк концентрации углерода лежит в пределах 235–300.
В течение четырех лет растения суши и моря усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере, а в течение 300 лет – в гидросфере. За время геологической истории углерод атмосферы и гидросферы, вероятно, многократно участвовал в круговоротах. Однако эти циклы (цикл – законченный круг миграции углерода в биогеохимических круговоротах) необратимы. Часть атомов углерода выводится из круговоротов и отлагается в педосфере, литосфере, гидросфере в форме органических и минеральных соединений (гумуса, торфа, сапропеля, карбонатных осадочных пород и др.). При извержении вулканов, горообразовании и других процессах углерод осадков снова переходит в СО2 и включается в новые циклы. Почва служит связующим звеном между биогеохимическими круговоротами углерода.
Цикл органического углерода определяется реакциями фотосинтеза, ведущими к образованию первичной продукции (новообразование органического вещества растений продуцентов):
СО2 + Н2О = [СН2О] + О2,
где [СН2О] – сокращенное обозначение биомассы, и суммарной реакцией деструкции:
[СН2О] + О2 = СО2 + Н2О (дыхание).
Цикл органического углерода сопряжен с циклом неорганического углерода путем углекислотного выщелачивания изверженных пород и образования осадочных карбонатов по обратной реакции:
Са (НСО3)2 ↔ СаСО3 + СО2 + Н2О.
При этом карбонатное равновесие или устанавливается химически, или катализируется ферментом карбоангидразой. Углекислотное выветривание магматических пород привело к образованию огромных запасов минерального углерода в виде известняков и доломитов.
Скорость изменения массы углерода в атмосфере зависит от интенсивности изъятия его из воздушной оболочки и консервации. Выведение СО2 из круговоротов происходит в результате продукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связывания при образовании карбонатных пород в результате процессов выветривания-почвообразования. В химическом отношении роль СО2 при выветривании сводится к вытеснению из силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов и переводу их в карбонаты. Например, образование каолинита из плагиоклазов, наиболее распространенных силикатных минералов литосферы, описывается реакциями
альбит каолинит
2NaAlSi308 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + 2NaHCO3 + 4SiO2,
анортит каолинит
СаА12SiO2О8 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + Ca (HCO3)2.
Однако кроме силикатных пород углекислотному выветриванию подвержены также осадочные карбонатные породы, взаимодействие которых с атмосферным СО2 идет по реакции
СаСО3 + СО2 + Н2O = Са (НСO3)2.
Связывание атмосферного СО2 при выветривании происходит опосредованно через цикл продукции и деструкции органического вещества почв. В этом отношении почвенный покров является своеобразным химическим реактором, где идут процессы выветривания.
В последние годы проблеме внутриконтинентальной фоссилизации, эмиссии и стока углеродистых неорганических (литогенных и педогенных) соединений, их роли в формировании глобального климата уделяется все большее внимание. B.C. Савенко предложено балансовое уравнение, описывающее скорость изменения массы СО2 в атмосфере в зависимости от интенсивности поступления и выделения его в результате одновременно протекающих процессов:
dmCO2 / dt = –P + D – W + V + Q
где dmCO2 – масса СО2 в атмосфере; Р и W – соответственно количества СО2, выводимые из атмосферы в результате продукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связываемые при образовании карбонатных пород в результате выветривания горных пород; D, V и Q – соответственно количества СО2, поступающие в атмосферу в результате деструкции органического вещества, при вулканических извержениях и сжигании топлива. Знание значений приходных и расходных членов балансового уравнения позволяет количественно моделировать историю СО2 в атмосфере. Общее количество связываемого при выветривании горных пород СО2 в современный исторический период составляет 405 млн. т/год, или в пересчете на углерод – около 1,1 х 1014 гС/год, для плиоцена (2–9 млн. лет назад) – 1,