Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
Продукцию и деструкцию выражают обычно в единицах массы органического углерода, синтезируемого или разлагаемого в единицу времени. Это связано с тем, что органические вещества, входящие в состав живых организмов, имеют относительно постоянное соотношение химических элементов. Содержание органического углерода в биомассе составляет в среднем 10%. При синтезе 1 г органического углерода биоты поглощается (а при разложениии — выделяется) 42 кДж энергии. Продукция или деструкция 1 т органического углерода в год соответствует поглощению или выделению энергии мощностью 1,3 кВт. При этом под мощностью биоты следует понимать ее продукцию, выраженную в энергетических единицах.
Биота способна создавать локальные концентрации биогенов в окружающей среде, намного отличающиеся от концентрации во внешней среде, где живые организмы не функционируют, только в том случае, если потоки синтеза и разложения органических веществ, приходящиеся на единицу земной поверхности (продуктивность и деструктив-ность), превосходят геофизические потоки переноса биогенов.
Например, почва, где физические потоки биогенов значительно меньше биологической продуктивности, обогащена органическими веществами и необходимыми для растений неорганическими соединениями по сравнению с низлежащими слоями земной поверхности, где живые организмы отсутствуют. Следовательно, локальные концентрации биогенов в почве регулируются биологически.
Ё открытом Океане концентрации всех растворенных неорганических соединений биогенов изменяются в несколько раз от поверхности 22
Океана до глубины порядка сотен метров. Это связано с тем, что фотосинтез органических веществ протекает в поверхностном слое воды1 куда проникает солнечный свет. Разложение же органических веществ может происходить на любой глубине. В результате концентрация углекислого газа в глубине в несколько раз выше, чем у поверхности. Поверхностная же концентрация СО2 находится в равновесии с атмосферой.
Если жизнь в Океане прекратится, концентрации неорганического углерода на глубине и у поверхности уравняются и это приведет к многократному увеличению концентрации СО2 в атмосфере. Связано это с тем, что запас растворенного в воде неорганического углерода в виде бикарбонатных ионов, находящихся в равновесии с СО2, почти на два порядка больше, чем в атмосфере. Увеличение концентрации С02 в атмосфере в несколько раз не изменит концентрации неоргани-ческого углерода в глубине Океана. Многократное же увеличение концентрации СО2 в атмосфере приведет к катастрофическим изменениям климата (см. § 4.5). Следовательно, биота Океана регулирует атмосферную концентрацию СО2 и тем самым сохраняет приземную температуру в оптимальных для жизни пределах.
Измерения концентрации углерода в пузырьках воздуха, содержа-щихся в ископаемых льдах Антарктиды и Гренландии, показали; что концентрация С02 в атмосфере оставалась постоянной в пределах погрешности измерений в течение последних нескольких тысяч лет, а по порядку величины сохранялась постоянной на протяжении сотен тысяч лет. В то же время биологический оборот биогенных запасов углерода в биосфере (отношение запасов органического и неорганического углерода в биосфере к первичной продукции) исчисляется временами порядка десятков лет. Другими словами, при наличии только синтеза органических веществ в отсутствие их разложения весь неорганический углерод биосферы был бы переведен в органические соединения в течение нескольких десятилетий. Аналогично, при наличии только разложения в отсутствии синтеза весь органический углерод биосферы исчез бы за десятки лет. Тот факт, что концентрация С02 в атмосфере сохраняет порядок величины за время, в ДО4 раз большее времени оборота биогенного запаса углерода, свидетельствует о совпадении глобальных среднегодовых потоков биологического синтеза и разложения органических веществ с точностью до четырех значащих цифр, т.е. компенсируют друг друга с относительной точностью порядка
Помимо короткого биосферного цикла круговорота углерода существует геологический цикл, продолжительность которого составляет 100 тыс. лет.
23
В общем виде биогеохимический цикл углерода представляет собой сложный процесс, который можно рассматривать в двух различных временных шкалах. Отложение в осадочных породах и окисление органической материи составляют по геологической временной шкале 100 млн. лет, тогда как время жизни атмосферного СОг — всего 22 года.
Соответственно круговорот углерода в биосфере, включая ископаемое топливо, можно представить следующей схемой:
СО
М_* со2 ^ н,о ^
НСОз+ Н+
Ископаемое топливо |0}
Почвенный и водный гумус, растворенное и взвешенное органическое вещество, донные отложения
СаСОз
Осадочные породы
Здесь {О} — окислительный эквивалент кислорода ({О} = 1/г 0'2 = = {20Н} - Н20).
Имеется также приток в биосферу неорганического углерода за счет вулканической деятельности, дегазации мантии. Неорганический углерод выводится из биосферы за счет образования осадочных пород. Разность между выбросами и отложениями составляет чистый поток неорганического углерода в биосферу. Этот чистый поток имеет тот же порядок величины, что выбросы и отложения. Другими словами, выбросы и отложения неорганического углерода не скоррелированы и не компенсируют друг друга. Отношение современного запаса неорганического углерода в биосфере к его чистому геофизическому потоку имеет порядок 100 тыс. лет. Это означает, что за время порядка 1 млрд. лет этот запас должен был бы возрасти в 10 000 раз, чего не произошло. Это связано с тем, что в биосфере существует компенсирующий процесс накопления органического углерода в осадочных породах и в виде ископаемого углерода.
