Глобальный цикл углерода. Влияние хозяйственной деятельности человека на массообмен углерода

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере находится 2450·109 т углекислого газа, что соответствует 668·109 т углерода; масса углерода в атмосфере по состоянию на 1983 г. составляла 728·109 т. В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперсных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО3–, СО32– и СО2.

Средняя концентрация растворимого органического вещества в океане оценивается в 1,5 мг/л органического углерода (Сорг), концентрация дисперсного взвешенного органического вещества значительно ниже – около 0,02 мг/л Сорг. Учитывая объем Мирового океана, можно считать, что в нем содержится примерно 2100·109 т Сорг. Наряду с углеродом, входящим в состав органических соединений, в океане присутствует углерод, находящийся в карбонатной системе (Ск), главным образом в составе гидрокарбонат-иона НСО3–. Средняя концентрация НСО3– в океане равна 143 мг/л, общая масса – 196 000·109 т. В этой массе содержится 38 600·109 т Ск.

Основная масса живых организмов находится на суше и в пересчете на сухое вещество составляет 2500·109 т. Это значение характеризует массу растений Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества. Есть основания полагать, что в результате деятельности человека масса природной растительности суши сократилась на 25 % и составляет 1880·109 т. Средняя концентрация углерода в сухом веществе растительности суши равна 46%, следовательно, масса углерода в растительности суши до ее нарушения человеком составляла 1150·109 т, а в настоящее время около 865·109 т.

В океане в биомассе организмов-фотосинтетиков сосредоточено 1,7·109 т Сорг Кроме того, в океане существует значительная масса организмов-консументов, в которой связано 2,3·109 т Сорг. В целом, количество углерода, находящегося в живых организмах океана, составляет доли процента от количества, которое сосредоточено в массе растений Мировой суши.

На суше, в педосфере, имеется значительное количество неживого органического вещества: слабо разложенных растительных остатков, образующих лесные подстилки и скопления торфа, а также почвенного гумуса. Масса подстилок близка к 200·109 т. торфа – 500·109 т. Во всем неживом органическом веществе Мировой суши связано около 2500·109 т углерода. В океане средняя концентрация растворимого органического вещества около 1,5 мг/л, взвешенного – 0,02 мг/л. Соответственно масса растворенного Сорг равна 2055·109 т, масса Сорг взвешенного – 27·109 т.

Обобщая изложенные сведения, можно заключить, что наименьшее количество углерода находится в атмосфере, несколько больше – в живом веществе суши, еще больше – в неживом органическом веществе педосферы. Значительная масса углерода содержится в океане в составе гидрокароонатов – в 10 раз больше, чем в живом веществе, атмосфере и педосфере вместе.

Главной формой нахождения углерода в земной коре является Ск. Средняя концентрация карбонатного углерода на порядок превышает концентрацию органического. Это имеет место для земной коры в целом и ее главных слоев: осадочного, гранитного и базальтового, а также для основных типов коры: континентального, субконтинентального и океанического. Соотношение масс Ск: Сорг, составляет около пяти и несколько возрастает в океанической коре из-за высокого процента карбонатных осадков.

Главным резервуаром углерода служит осадочная толща земной коры (стратисфера). Концентрация Ск и Сорг в осадочной оболочке на порядок выше, чем в гранитном и базальтовом слоях земной коры. Несмотря на то, что объем осадочной оболочки составляет всего 1/10-ю часть земной коры, в осадочной толще сосредоточено 75 % массы Ск и 75 % массы Сорг. Основная масса Сорг представлена рассеянным органическим веществом. Концентрированные скопления Сорг в виде залежей нефти и каменных углей имеют подчиненное значение. В месторождениях нефти находится 0,2·1012т, каменного угля – 6·1012 т углерода. В сумме это на три порядка ниже массы углерода рассеянного органического вещества, содержащегося в осадочной оболочке. Общая картина распределения масс углерода в биосфере выглядит следующим образом:

Закономерности распределения углерода в земной коре показывают, что существуют две главные группы форм нахождения углерода: карбонатные и органические соединения. Следует подчеркнуть, что и те и другие биогенны. Карбонаты небиогенного происхождения – довольно редкое исключение из общего правила (например, вулканические карбонатиты). Связующим звеном между карбонатами и органическими соединениями служит СО2, который является необходимым исходным материалом как для фотосинтеза органического вещества, так и для образования карбонатов организмами.

В процессе жизнедеятельности организмов происходит определенное фракционирование изотопного состава углерода СО2. Этот процесс был предсказан В.И. Вернадским (1926) задолго до получения первых экспериментальных данных. Масса земного углерода состоит из двух стабильных изотопов 12С и 13С и исчезающе малых количеств 14С (радиоактивный с периодом полураспада 5730 лет).

Соотношение 12С : 13С варьирует в разных природных объектах от 88 до 94. В живом веществе оно составляет около 90,5, в углекислом газе атмосферы и гидросферы – 89,5, в карбонатных отложениях – примерно 88,6. Более точной характеристикой изотопного состава углерода служит относительный прирост 13С:

Стандартом служит эталон PDB: углерод карбоната кальция Belemnitella americana позднемелового возраста из формации PD со значением 13С :12С = 1123,72·10–5 Значение δ13С со знаком плюс соответствует относительному увеличению содержания изотопа 13С, со знаком минус – его уменьшению в исследуемом образце по сравнению со стандартом.

При действии главного звена фотосинтеза – фермента рибу-лозобисфосфаткарбоксилазы – происходит более быстрое поглощение легкого изотопа 12С и вследствие этого обогащение им углерода органического вещества. Особенно активно это происходит под влиянием микробиологических процессов. По этой причине метан микробиологического происхождения максимально обогащен легким изотопом. Так как фотосинтезируемое органическое вещество захватывает 12С, кароонаты обогащены тяжелым изотопом 13С.

В обобщенном виде можно считать, что углерод СО2, выделяемый из мантии при дегазации, имеет δ13С = –5 ‰, углерод органического вещества δ13С = –25 ± 5 ‰. углерод осадочных карбонатов δ13С = 0,0 ± 2,5 ‰. Соотношение изотопов углерода в осадочной оболочке соответствует соотношению масс Ск и Сорг. Таким образом, изучение изотопного состава углерода в осадочных породах разного возраста, во-первых, свидетельствует о том, что ассимиляция СО2 при фотосинтезе происходила однотипно на протяжении по крайней мере 3,7 млрд лет. Следовательно, этот процесс, осуществляющийся универсальным для всех продуцентов ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилазой, воспроизводился всеми поколениями фотосинтетиков с момента их появления. Во-вторых, результаты изучения изотопного состава и распределения масс Ск и Сорг хорошо согласуются. На протяжении длительного отрезка времени происходило закономерное распределение исходного СО2 между процессами фотосинтеза и карбонатообразования. При этом более 80 % углерода, поступавшего в атмосферу при дегазации мантии, связывалось в карбонатах.

Карбонатообразование и фотосинтез следует рассматривать как два генеральных процесса в глобальной деятельности живого вещества на протяжении последних 3 – 3,5 млрд лет. Соотношение масс Ск и Сорг является весьма важным показателем, который характеризует «лимит роста» живого вещества на разных этапах геологической истории. Соотношение масс карбонатного и органического углерода закономерно уменьшалось на протяжении последних 1,6 млрд лет. В толще осадков верхнего протерозоя (1600 – 570 млн лет) отношение Ск : Сорг равно 18, в осадочной толще палеозоя (570 – 400 млн лет) – 11, в осадках мезозоя (235 – 66 млн лет) – 5,2, кайнозоя – 2,9. Неуклонное возрастание относительного содержания органического вещества во взвесях, выносимых реками с древней суши, свидетельствует о прогрессирующем увеличении продуктивности наземных фотосинтезирующих организмов и постепенном усилении роли растительности Мировой суши в глобальной фиксации углерода СО2.

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

Вопрос 38