Воскресенье, 26.09.2021
Функциональная экология
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » 2017 » Май » 1 » УЧАСТИЕ ЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
18:24
УЧАСТИЕ ЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

УЧАСТИЕ ЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

А.С.Керженцев

В последние десятилетия современная геология стала успешно развивать новое перспективное направление – биоминералогию. Первые серьёзные работы по биоминералам в 1970-е годы подготовили Г. Гениш, Ф.В. Чухров, И.Н. Крылов, С.Н. Серебряков, Ю.А. Жданов, Я.М. Самойлов, Н.П. Юшкин, А.Г. Жабин, В.А. Лучинина. В начале нынешнего века целую серию работ опубликовали Н.П. Юшкин, А.А. Баренбаум, Ю.Н. Водяницкий, А.А. Каздым, А.Г. Расулов, А.Ю. Розанов, Т.В. Литвинова, В.Г. Кузнецов [см. обзор Кузнецов, 2015].

Участие почв в формировании осадочных пород на материковых равнинах отмечали в начале прошлого века: Л.С. Берг, С.С. Неуструев, П.С.Коссович, А.Е.Ферсман, Б.Б. Полынов, Б.Л. Личков [см. обзор Керженцев, 2017]. Теория почвенного генезиса лессов тогда не получила признания из-за отсутствия понятного описания механизма формирования седиментов в процессе почвообразования.

Функциональная экология в процессе изучения механизма функционирования экосистем обнаружила феномен утилизации отходов их метаболизма с помощью процессов гумификации и минерализации (Рис. 1). Поскольку цикл метаболизма экосистем замкнут на 99% (Горшков, 1995), то отходы метаболизма не превышают 1% годовой продукции. Эти потери компенсируются атмосферными, в том числе метеоритными выпадениями и продуктами выветривания горных пород. В замкнутом на 99% цикле метаболизма экосистем процессы синтеза и распада биомассы строго уравновешены. Если пренебречь потерями метаболизма 1%, которые компенсируются атмосферными выпадениями, то экосистему можно считать замкнутой системой.

Рис. 1. Круговорот элементов и утилизация отходов метаболизма экосистемы.
Условные обозначения: 1. стадии превращения отмершей биомассы; 2. поступление веществ в биомассу; 3. утилизация свободных элементов, не усвоенных фитоценозом; АВ – атмосферные выпадения (аэрозоли, метеоритные вещества, продукты выветривания; ФК – фульвокислоты гумуса; ГК – гуминовые кислоты; СД – минеральные седименты.

Фитоценоз синтезирует биомассу с помощью солнечной энергии из элементов минерального питания (ЭМП), которые высвобождает педоценоз из отмершей биомассы. Почвенная биота превращает отмершую биомассу (опад) сначала в подстилку, выделяя при этом ЭМП. Фитоценоз усваивает только их часть, а потенциально токсичный избыток неусвоенных ЭМП подвергается гумификации – временной консервации ЭМП до их востребования фитоценозом. Растения, испытывающие дефицит питания, с помощью корневых выделений провоцируют вспышку численности почвенной микрофлоры, которая быстро «съедает приманку» и переключается на питание гумусом, высвобождая из него минеральные элементы. Эти элементы также усваиваются фитоценозом частично, а их потенциально токсичный избыток подвергается процессу биокристаллизации - безопасному для биоты захоронению в литосфере в форме седиментов осадочных пород. Каждый тип экосистем образует свой характерный тип седиментов: степные экосистемы отлагают лессы, лесные экосистемы умеренного пояса – покровные суглинки, тропические и субтропические лесные экосистемы – латериты. Этим объясняется географическая зональность «почвообразующих» пород, отмеченная геологами и почвоведами в начале прошлого века.

Накопление продуктов биокристаллизации в геологическом масштабе времени формирует слои осадочных пород. В результате накопления осадков они погружаются в земную кору и превращаются в метаморфические породы, а при дальнейшем погружении в мантию Земли они переплавляются в магматические породы, которые потом выносятся на земную поверхность тектоническими процессами.

По мнению В.И.Вернадского [цит по А.В.Лапо, 1987, С. 140]: «Количество биогенного вещества, переходящего в ископаемое состояние, очень невелико по отношению к годичной продукции живого вещества. У углерода, например, оно составляет для биосферы в целом 0,05%, для Мирового океана – 0,4% (0,7% для подводных окраин и 0,1% для пелагеали). Такого рода ничтожные доли вещества, ускользающего из биологического круговорота благодаря переходу в ископаемое состояние, слагают биогенное вещество метабиосферы».

В.И.Вернадский [1980, с.215] писал: «Если количество живого вещества теряется перед косной и биокосной массой биосферы, то биогенные породы (т.е. созданные живым веществом) составляют огромную часть ее массы, идут далеко за пределы биосферы. Учитывая явление метаморфизма, они превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы. Гранитная оболочка Земли есть область былых биосфер» (рис.2).

Рис. 2. Схема  формирования осадочных пород  континентальными и океанскими экосистемами.

Мы рассчитали количество биогенного вещества биосферы, переходящего в ископаемое состояние на основе данных из книги [Тарко А.М., 2005, табл.4.3, с.107-111]. Суммарная годичная продукция фитомассы – 171,5 ГтС/год. (1 Гт = 109т). Суммарная годичная продукция океана 60-72 ГтС/год. Поскольку указанная масса ГтС составляет всего 40% фитомассы, мы вычислили 100% фитомассы и от нее уже рассчитали количество седиментов по оценке В.И.Вернадского для углерода.

Годичная продукция углерода наземной фитомассы 171,5 Гт/год, океана – 72 Гт/год. Продукция фитомассы суши составляет - 428,75 Гт/год, океана - 180,0 Гт/год.

Переход годичной продукции в ископаемое состояние (по Вернадскому): для биосферы – 0,05%, для океана – 0,4%, в том числе для шельфа – 0,7%, для открытого океана – 0,1%. Ежегодное отложение седиментов составило:

  • для суши. 428,75 Гт/год Х 0,05% = 0,21 Гт/год;
  • для океана. 180,0 Гт/год Х 0,4% = 0,72 Гт/год; в том числе:
  • для шельфа. 180,0 Гт/год Х 0,7% = 1,26 Гт/год.;
  • для пелагиали. 180 Гт/год Х 0,1% = 0,02 Гт/год.

Максимум седиментов (1,26 Гт) откладывается в зоне океанского шельфа, минимум в открытом океане (0,02 Гт). Континентальные экосистемы откладывают среднее количество седиментов - 0,21 Гт в год.

В таблице 4.3 книги А.М.Тарко [2005, с. 107-111] приведены данные годичной продукции (в ГтС/год) для типичных экосистем мира на площади каждого типа экосистем, которую мы преобразовали в фитомассу. Затем рассчитали количество седиментов при двух вариантах условий выпадения: 1% и 0,05% годичной продукции. В итоге на учтенной площади экосистем биосферы (105,48 млн.км2) при величине отходов метаболизма 1% (исходя из степени замкнутости 99%), ежегодно выпадает в осадок 14,839 Гт седиментов. По варианту В.И.Вернадского переход в ископаемое состояние составляет 0,05% от годичной продукции, поэтому ежегодные выпадения седиментов составили 0,742 Гт. Разница составляет три порядка.

Эти предварительные расчеты нуждаются в уточнении на основе современных данных о продуктивности континентальных и океанских экосистем, о площади, занятой каждым типом экосистем. В данном случае мы хотели подчеркнуть сам факт существования биогенных континентальных осадков на материковых равнинах, о которых писали наши классики в начале прошлого века: Л.С.Берг, С.С.Неуструев, П.С.Коссович, А.А.Роде, Р.С.Ильин, Б.Л.Личков и другие,

Другой способ расчета скорости седиментации нам предоставил глубокий разрез, заложенный в урочище «Ямская степь» заповедника Белогорье для участников съезда почвоведов в августе 2016 года [Керженцев, Остроумов, 2017], Этот разрез вскрыл почвенно-грунтовую толщу до глубины 650 см и обнажил четкую границу между окончанием последнего Осташковского оледенения и началом голоцена (рис.3). Нижние 230 см толщи накопились под непосредственным влиянием ледника, а верхние 420 см уже после его отступления в период голоцена. Если считать, что голоцен продолжается 10-12 тыс.лет, то средняя скорость седиментации 0,04 см/год или 40 см в 1000 лет. Вслед за отступлением ледника на данной территории менялись зональные типы экосистем (Берг, 1913). Самый нижний от границы темно-бурый слой бескарбонатного суглинка мощностью 50 см (420-370 см) накопился в течение 1200 лет существования лесотундровых и северотаежных экосистем, которые образовались на этой территории вслед за отступлением ледника. Вышележащий более светлый слой 370-320 см (50 см) сформировался за 1200 лет экосистемами хвойных лесов, поселившихся здесь в результате удаления ледника и его климатического шлейфа. Следующий слой 320-260 см (60 см) за 1500 лет накопили экосистемы широколиственных лесов, пришедших на смену хвойных, а слой 260-220 см (40 см) за 1000 лет образовали экосистемы лесостепей. После этого 5500 лет назад на данной территории установились условия, характерные для черноземных степей, которые сохранились до сих пор. За истекший период 5500 лет экосистемы черноземных степей отложили лессовую толщу общей мощностью 220 см, которая продолжает нарастать и сейчас со средней скоростью 0,04 см/год или 40 см за 1000 лет, поднимая вверх обновляемый с постоянной скоростью, а потому стабильной мощности гумусовый профиль чернозема [Личков, 1945; Ковда, 1971; Ковда и др., 1990].

Рис. 3. Глубокий разрез в урочище "Ямская степь" заповедника Белогорье.

Какие из приведенных выше данных больше соответствуют действительности, покажет время и новые специальные исследования. Однако уже эти предварительные расчеты позволяют однозначно ответить на ряд до настоящего времени спорных вопросов: 1) континентальные осадочные породы на материковых равнинах образуются в результате естественных процессов утилизации отходов метаболизма экосистем путем биокристаллизации седиментов; 2) благодаря постоянному накоплению массы подпочвенных седиментов, почвы растут вверх, сохраняя стабильную мощность постоянно обновляемого в стационарном режиме генетического профиля; 3) погребенные предметы, объекты, исторические памятники погружаются в толщу осадочных пород по мере их накопления в процессе утилизации отходов метаболизма экосистем со средней скоростью 0,04 см/год или 40 см за 1000 лет.

Разные типы экосистем, вероятно, обладают разной скоростью седиментации. Это предстоит узнать будущим исследователям, поскольку от скорости седиментации зависит оценка времени существования на данном месте экосистемы, отложившей слой седиментов данной мощности. Тогда календарь природы, зашифрованный в разноцветных горизонтах геологического разреза или обнажения, сложенный отходами метаболизма континентальных или морских экосистем, будет прочитан с точностью до сотни лет (рис.4).

Рис.4. Осадочные породы континентальных и океанских экосистем.

Условные обюозначения: 1. Пелагиаль. 2. Фотический слой океана и фитоценозы суши с полосой мангровых зарослей. 3. Гумусовый профиль почв и донные илы сапропели. 4. Осадочные породы. 5. Метаморфические породы, 6. Магматические породы.

Список литературы

  1. Берг Л.С. К вопросу о смещении климатических зон в послеледниковое время. Почвоведение, 1913. №4, с.1-26.
  2. Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. Тр. БИОГЕЛ ГЕОХИ АН СССР, 1980. вып.16.
  3. Керженцев А.С. Породообразующая роль биоты. Вестник РАН, 2017. т.87, № 6, с.57-63.
  4. Керженцев А.С., Остроумов В.Е. Оценка скорости континентального осадконакопления при формировании белгородской почвенно-осадочной последовательности. Теоретическая и прикладная экология, 2017, №2. с.47-51.
  5. Ковда В.А. Основы учения о почвах. В 2-х томах. М.:Наука, 1973. т.1. с 111.
  6. Ковда В.А., Бугровский В.В., Керженцев А.С., Зеленская Н.Н. Модель трансформации органического вещества в почве для количественного изучения функции почвы в экосистемах. Докл. АН СССР. 1990. т.312, №3. с.759-762.
  7. Кузнецов В.Г. Литология микробиолитов. Вестник РАН, 2015. т.85, №12. с. 1092-1102. Лапо А.В. Следы былых биосфер. М.: Знание, 1987.208 с.
  8. Личков Б.Л. Современный литогенезис на материковых равнинах. Известия АН СССР, серия географическая и геофизическая. 1945. т.1Х, № 5-6. с. 547-564.
  9. Тарко А.М. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. Математическое моделирование. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005. 232 с.

 

Просмотров: 606 | Добавил: Slav | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Календарь
«  Май 2017  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031
Архив записей
Ссылки
  • Группа ВКОНТАКТЕ
  • Лекции по функциональной экологии
  • Метаболизм биосферы - вечный двигатель жизни
  • Новости экологии
    А.С. Керженцев © 2021
    Обращение к пользователям