ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ И ПОЧВЫ

Ершов Ю.И.

Предисловие

 

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) - 1,8 х 1014 гС/год.

Преобладающая часть атомов углерода земной коры сосредоточена в известняках и доломитах (минеральный, или неорганический углерод). Отношение захороненного углерода (103 ГтС) в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах (107 ГтС) составляет 1:4. По отношению к устойчивому углероду осадочных пород с геохимическим временем фоссилизации Г.А. Заварзин предложил использовать величину нетто-геосферной продукции (НГП) (по аналогии с нетто-биомной продукцией) - образование устойчивого углерода с длительным временем пребывания в резервуаре. Время, в течение которого происходило накопление углерода в литосфере, очень велико и сравнимо с временем существования биосферы.

Особое место в современных биогеохимических циклах углерода занимают сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа и др.), лесные пожары, вырубка лесов, распашка земель и т.п., связанные с деятельностью человека. В результате в атмосферу возвращается около 1,5 млрд. т углерода, т.е. примерно столько же, сколько его ежегодно связывается в ходе выветривания (образование СаСО3 и других минералов). Увеличение содержания СО2 в атмосфере может нарушить природное равновесие биогеохимических циклов углерода и привести к усилению парникового эффекта, а следовательно, и к потеплению климата на планете, поскольку важнейшим газом (после водяного пара), нагревающим атмосферу, является углекислый газ.

Биогеохимические круговороты углерода протекают в пространстве и времени. По длительности (периодичности) и пространственному развитию можно выделить относительно короткие (часы - тысячи лет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогеохимический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода). В пространственном отношении первые протекают в широком спектре экосистем (ландшафтов) разных уровней, второй - охватывает всю биосферу. Малый и ландшафтный биогеохимические круговороты (циклы) углерода развиваются на фоне большого биогеохимического круговорота (цикла) и являются его составной частью.

В биогеохимических круговоротах углерода особо важная роль принадлежит почве, поскольку она служит важнейшим накопителем органического вещества, представленного органическими остатками и гумусом, которые служат одновременно и аккумулятором, и донором СО2. Педосфера, являясь одной из главных фаз биосферного круговорота, выполняет в отношении углерода следующие функции: резервуара для стока и трансформации атмосферного углерода, ассимилированного при фотосинтезе наземной растительностью; генератора и аккумулятора устойчивых соединений углерода в форме гумуса и карбонатов; генератора и источника подвижных соединений и бикарбонатов в виде углеродосодержащих газов (прежде всего СО2) и водорастворимых органических соединений и бикарбонатов.

Педогенный углерод, включаясь в воздушные и водные миграционные потоки, связывает биоту, атмосферу, гидросферу, литосферу в единый биосферный биогеохимический круговорот веществ.

Выявление функций педосферы в ландшафтных и биосферных биогеохимических циклах углерода имеет большое значение для прогнозирования изменения запасов углерода в почвах в результате возможных планетарных изменений климата, а также различных антропогенно-техногенных воздействий.

Ландшафтный биогеохимический круговорот углерода - миграция, распределение, рассеяние и концентрация углерода, осуществляющиеся на литологически однородном участке земной поверхности (части географической оболочки Земли) от элювиальных ландшафтов к супераквальным и субаквальным (аквальным), представляющем сложную биокосную систему, в которой почва, кора выветривания, континентальные отложения, фунтовые и поверхностные воды, растительность, животный мир, приземный слой атмосферы тесно между собой связаны миграцией атомов углерода. Между компонентами ландшафта существуют радиальные, или вертикальные (между атмосферой, растительным и животным миром, почвами, горными породами, подземными и поверхностными водами), и латеральные, или горизонтальные (между соседними геосистемами разных рангов), миграции углерода.

Природный ландшафтный биогеохимический круговорот углерода складывается из его абиогенной (физико-химической, механической) и биогенной (фотосинтез, разложение органического вещества и т.д.) миграции. На данном типе круговорота акцентируется внимание при решении локальных и региональных задач, связанных с циклами и балансом углерода, при изучении элювиальных (автономных), трансэлювиальных (транзитных), супераквальных и субаквальных элементарных геохимически сопряженных ландшафтов. Вертикальная мощность ландшафта измеряется слоем, в котором наиболее активно взаимодействуют все отдельные среды.

Малый биогеохимический круговорот углерода - динамическая геохимическая система превращения живого вещества, в которой происходит беспрерывный круговорот углерода при участии растений, животных и микроорганизмов. В круговороте участвуют почва (педосфера), растительность и атмосфера, которые объединены механизмом прямой и обратной связи (почва ↔ растительность ↔ атмосфера).

Главные компоненты, обеспечивающие малый биогеохимический круговорот углерода (как и ландшафтный круговорот): продуценты (все зеленые растения, производящие органическое вещество из неорганических составляющих), консументы (все группы животных, паразитарные формы грибов, растения-паразиты) и редуценты (в первую очередь бактерии и грибы, превращающие органические остатки в неорганические вещества). Малый биогеохимический круговорот углерода проявляется в относительно коротком цикле (часы - сотни лет) и связан со сложным взаимодействием химических, биохимических и биологических процессов, которые контролируются сложным комплексом природно-экологических (биотой, климатом и т.д.) и антропогенных факторов. Малый биогеохимический круговорот углерода развивается на фоне биосферного биогеохимического круговорота и в экосистемах (биогеоценозах) протекает совместно с ландшафтным круговоротом, хотя и в разных формах, и с разной интенсивностью. Малый и ландшафтный биогеохимические круговороты углерода являются наземными круговоротами, так как они охватывают экосистемы суши.

Биосферный биогеохимический круговорот углерода - непрекращающийся процесс миграции, распределения, рассеяния и концентрации углерода в системе "верхние слои литосферы - океан - нижняя часть атмосферы", соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов, наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.-1 (современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.-4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов - наземного и морского (океанического).

Распределение СО2 между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата.

По данным А.С. Исаева и Г.Н. Коровина, в 1980-е годы концентрация СО2 в атмосфере поднялась в среднем на 1,4 мг/л в год, что соответствует 3,3 Гт, или 1015 гС/год. Годовой уровень обмена углерода между поверхностью Земли и атмосферой составляет 225 ГтС/год, что примерно в 30 раз превышает количество СО2, связанного с антропогенными выбросами. Около 80 % (или 60 % СО2 суши) пула углерода сосредоточено в северной циркумполярной области (тундра, тайга, леса, луга), тропических и субтропических лесах. В бореальных лесах, 2/3 которых сосредоточены в России, содержится более 40 % СО2 суши. Три четверти запасов углерода циркумполярного Севера сосредоточены в лесных регионах, составляющих более 1500 млн. га суши (10 % поверхности Земли). Основная часть этого пула находится в виде отмершего органического вещества в поверхностном слое торфяных и лесных почв. По отношению к массе углерода коэффициенты фоссилизации органического углерода составляют: в глубоководных частях океана - 0,06 %, на шельфе - около 1, в озерах на континентах (в виде сапропеля) - 3,5, в болотах - 8,6 %. Содержание органического углерода в детрите и гумусе педосферы достигает 2104 х 1012 кгС, что в 2,9 раза превышает его массу в атмосфере (728 х 1012 кгС) и в 3,8 раза выше, чем в биомассе наземной растительности (560 х 1012 кгС). Океан поглощает более 4 ГтС/год, из них более 2 ГтС/год приходится на долю биоты океана.

Итак, указанные типы биогеохимических круговоротов углерода во многом принципиально сходны. Они связаны между собой механизмами переноса углерода в пределах биосферы, которые совершаются с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. Различия заключаются в основном в масштабах, темпах и сроках завершения цикла. Биосферный биогеохимический круговорот протекает несопоставимо медленнее, чем ландшафтный и малый круговороты. Два последних направлены главным образом на аккумуляцию и удержание углерода в экосистемах (биогеоценозах). Любое нарушение почвенного покрова приводит к потере органического углерода, что порождает глубокие изменения в сложившихся биогеохимических потоках углерода в геосферах. В этом и состоит одна из важнейших глобальных экологических функций педосферы.

Потери органического углерода вызваны обработкой земли, лесными пожарами, рубками леса, гибелью лесов в результате болезней и инвазии насекомых, а также промышленными загрязнениями. По данным А.С. Исаева и Г.Н. Коровина, по масштабам воздействия на углеродный бюджет лесных экосистем Европейской России основная роль принадлежит рубкам, а в Азиатской России - лесным пожарам, вредным насекомым и болезням. Размеры пулов СО2 в лесах России и масштабы его годичного депонирования в ближайшие один-два десятилетия будут определяться двумя основными факторами - лесными пожарами и промышленными рубками. Повышение продуктивности и улучшение структуры ("омоложение") лесов, расширение площадей покрытых лесом земель приведут к увеличению депонирования углерода лесной растительностью, что важно для сбалансированности биогеохимических круговоротов СО2.

Принцип Ле Шателье в приложении к биогеохимическому круговороту углерода. Принцип Ле Шателье гласит, что изменения в равновесных системах происходят в направлении, противодействующем внешнему воздействию (в химии это положение обосновывается термодинамикой и носит название принципа тормозящего противодействия). Иными словами, всякое отклонение от стационарного состояния вызывает в системе процессы, возвращающие ее в исходное состояние. Принцип Ле Шателье распространяется на любые системы с обратной (отрицательной) связью ("обобщенный принцип Ле Шателье"), когда результат процесса ослабляет его и стабилизирует систему, восстанавливает ее исходное состояние. Например, при остывании магмы кристаллизуются минералы, образование которых сопровождается выделением тепла, противодействующим понижению температуры. В эпоху вулканизма в атмосферу выделяется огромное количество СО2, благоприятствующее фотосинтезу и потеплению климата. Это усиливает угле- и карбонатообразование, приводит к изъятию значительной части газа из атмосферы и восстановлению ее исходного состояния. Длительное существование природной биоты в окружающей среде означает, что такая система устойчива по отношению к внешним воздействиям и подчиняется принципу Ле Шателье, приводящему к процессам, компенсирующим эти воздействия.

Таким образом, принцип Ле Шателье позволяет определить направление процесса при изменении внешних условий под воздействием как природных, так и антропогенно-техногенных факторов (давление, температура, концентрация и т.п.).

Биота океана подчиняется принципу Ле Шателье и поглощает примерно половину углерода, поступающего в океан из атмосферы, компенсируя нарастание концентрации углерода в атмосфере вследствие хозяйственной деятельности человека. Океан поглощает более 4 ГтС/год, из них более 2 ГтС/год приходится на долю биоты океана. Континентальная биота, возмущенная человеком, не только потеряла способность компенсировать вносимые в атмосферу возмущения, но и сама стала одним из главных источников эмиссии СО2, т.е. биота суши перестала подчиняться принципу Ле Шателье. Естественная (невозмущенная) биота обеспечивает замкнутость биогеохимического круговорота углерода, поддерживает постоянные запасы С+ и С- в окружающей среде в результате совпадения объемов биологического синтеза и разложения. Количественно степень замкнутости круговорота углерода можно характеризовать величиной разомкнутости, равной разности потоков синтеза и разложения, деленной на поток синтеза. В агроценозах, сильно возмущенных человеком, незамкнутость круговорота всегда выше десятков процентов, после прекращения возмущения разомкнутость быстро уменьшается до 1 % в течение нескольких десятков лет, а выход на фоновый уровень незамкнутости (до сотых долей процента) происходит за сотни лет после многократных сукцессии растительности. Если фоновый уровень разомкнутости не достигается - начинается разрушение окружающей среды. Биогеохимический круговорот близок к замкнутости в тропиках, но заметно разомкнут в умеренных широтах.

Концепция принципа тормозящего противодействия Ле Шателье применима к почвенному покрову планеты. Педосфера, сильно возмущенная человеком (огромные размеры пашни - 1,5 млрд. га), стала одним из главных источников выбросов (за счет дегумификации) СО2 (около 1000 млрд. т), т.е. сильно возмущенный почвенный покров нарушает принцип Ле Шателье. Происходит резкое изменение круговорота веществ, в том числе резко меняется биогеохимический цикл углерода - наблюдается его разомкнутость, а, следовательно, начинается разрушение окружающей среды, требующее искусственно обеспечить возможность реализации принципа Ле Шателье, что проблематично.

Итак, устойчивым и подчиняющимся принципу Ле Шателье можно считать биогеохимический круговорот, в котором все циклы углерода замкнуты (точнее, почти замкнуты). Природные биогеохимические циклы органического углерода сопряжены с циклами неорганического углерода и других элементов-биофилов, которые составляют сущность биогеохимической системы или, по образному выражению Г.А. Заварзина, "биогеохимической машины планеты", обеспечивающей устойчивость окружающей среды. Разомкнутость биогеохимического цикла углерода, связанная с возмущенной человеком педосферой и биотой, приводит к дополнительному накоплению СО2 в атмосфере, который катализирует парниковый эффект, что может привести к изменению природной среды и климата.

Практическая реализация принципа Ле Шателье в приложении к биогеохимическому круговороту углерода сводится к сохранению природной биоты и рациональному использованию земель, способных обеспечить справедливость этого принципа по отношению к глобальному (субглобальному, региональному, локальному) возмущению природной среды.

"Парниковый эффект" атмосферы - явление, подобное тому, которое наблюдается в парниках (теплицах, оранжереях) для выращивания растений. Суть его состоит в том, что безоблачная атмосфера подобно стеклу (полиэтилену) в парниках довольно слабо задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности, способствуя тем самым сохранению тепла в атмосфере. Полиэтилен поглощает как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию. В атмосфере полной аналогии этому явлению не наблюдается, тем не менее, понятие "парниковый эффект" прочно вошло в мировую литературу. Этот термин связан с геоэкологическими проблемами и, в первую очередь, с глобальными изменениями природной среды и климата.

Основной фактор парникового эффекта в атмосфере - водяной пар. В значительной степени эффект зависит также от углекислого газа (СО2), диоксида азота (N2O), метана (СН4), хлорфторуглеродов (СlOХ) и некоторых других газов, которые называются "парниковыми", с увеличением содержания которых может повыситься температура воздуха. Содержание СO2 в атмосфере составляет 0,035 % по объему. На долю остальных парниковых газов приходится 3 х 10-4 %. Внимание к данному вопросу усилилось в связи с быстрым ростом количества сжигаемого топлива и разрушением человеком биоты и пропорциональным им увеличением концентрации СО2, которое должно выражаться в повышении среднегодовой температуры у поверхности Земли. По данным Г.О. Голицина, Г.А. Макбейна, без парниковых газов температура у земной поверхности, которая сейчас составляет ~15 °С, была бы более чем на 30 °С ниже. Иными словами, без парниковых газов в атмосфере Земли воцарился бы вечный холод, а жизнь была бы проблематичной.

Средняя температура у земной поверхности определяется интенсивностью солнечной радиации, приходящей на Землю. Количество солнечной радиации, отражаемой обратно в космос, зависит от облачности, состава атмосферных золей и альбедо земной поверхности, которое в свою очередь определяется растительностью, влажностью почвы, снежным покровом и количеством излучения атмосферы, поступающего к земной поверхности. Последняя величина зависит от содержания парниковых газов, которые в основном прозрачны для солнечной радиации, но поглощают тепловое излучение земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Нагревающаяся атмосфера излучает тепло, что приводит к дополнительному нагреванию земной поверхности.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО2) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО2) и катализирует парниковый эффект. При этом в атмосфере остается только 35-45 % СО2, образующегося при сжигании топлива, остальная часть углекислого газа поглощается океаном (главным образом, его холодными участками) и растительностью (с увеличением концентрации СО2 в атмосфере активнее идет процесс фотосинтеза).

По мнению многих ученых, в XX в. содержание СО2 в воздухе нижней части атмосферы увеличилось с 0,028 % в 1956 г. до 0,034 % в 1985 г. Предполагается, что к началу XXI столетия среднеглобальная температура приземного слоя воздуха увеличится на 1-2 °С по сравнению с доиндустриальным периодом, а к 2025 г. - на 2-3 °С. Рост концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере и связанное с ним возможное планетарное потепление климата отмечают многие исследователи. По данным зарубежных исследователей, в конце XXI в. дополнительное накопление СО2 в воздухе приведет к повышению планетарной температуры на 3 °С, при этом повышение температурного режима по широте (от экватора к полюсам) может составить 7-8 °С в средних широтах и 12 °С на полюсах. Это приведет к аридизации климата и расширению площадей засушливых областей. Удвоение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению температуры у поверхности Земли на 1,5-4,0 °С.

Влияние глобального потепления климата оценивается специалистами по-разному: негативное - катастрофические последствия, позитивное - повышение эффективности сельского хозяйства, продуктивности лесов и т.д., сбалансированное - положительные и отрицательные экологические последствия могут уравновесить друг друга. Большинство исследователей полагают, что изменение климата повлечет за собой катастрофические для природы последствия.

Снижение выбросов парниковых газов возможно путем использования альтернативной энергетики, снижения энергоемкости и общей мощности хозяйственной деятельности человека, а также восстановления естественных лесов.

Предполагаемые глобальные изменения климата окажут определенное влияние на состояние почвенного покрова. В связи с этим перед почвоведами встала новая задача - выяснить роль почвенного покрова в формировании газового состава атмосферы и его участия в биогеохимических круговоротах (циклах) углерода, азота, метана на разных по масштабу территориях континентов, а также дать прогноз будущей эволюции почв для разных уровней возможных изменений почвенного покрова - глобального, регионального и локального. Почва (и особенно ее органическое вещество) является одним из важнейших источников углерода в атмосфере, что во многом определяет формирование парникового эффекта. Как известно, эволюция почв тесно связана с характером функционирования органического вещества, которое очень чутко реагирует на происходящие в экосистемах изменения. Поэтому при изучении ОВП одной из актуальных задач является выявление скорости и направленности почвообразования под влиянием человеческой деятельности.

Сток (фиксация) углерода - связывание (поглощение) углерода из атмосферы наземными и водными экосистемами биологическим (преимущественно фотосинтез) или химическим (образование карбонатов) путем. Наиболее крупными резервуарами углерода являются педосфера, биомы, гидросфера, литосфера. Так, например, ежегодный сток углерода в экосистемы России составляет 5 + 0,5 млрд. т, или почти 10 % глобального стока в наземные экосистемы за счет нетто-продукции, оцениваемой как разность между ассимиляцией углекислоты и дыханием растений, а сток углерода в древесину составляет 45 млн. т. Сток может быть только текущей ассимиляцией углерода при фотосинтезе. С позиции почвоведения, определение стока углерода для почв является первоочередной задачей в изучении углеродных биогеохимических циклов. Только зная сток, можно определить величину антропогенной эмиссии и прогнозировать изменения почв и почвенного покрова при усилении парникового эффекта.

Депо углерода - хранилища различных соединений углерода в природных экосистемах (геосистемах). Например, в лесных экосистемах (биогеоценозах) основным депо углерода являются: живые растения (фитомасса), подстилка (детрит), почвенный гумус. В отдельные депо углерода иногда выделяют надземную (зеленая фитомасса, подстилка) и подземную (живые и мертвые подземные органы) части биогеоценоза. В педосфере могут быть выделены депо углерода гумуса и депо углерода почвенных карбонатов, в литосфере - депо минеральных соединений углерода и т.д.

Пул (запас) углерода природный - совокупность отдельных депо и связанных с ними потоков углерода, имеющих накопительную тенденцию (фитомасса, фитодетрит, гумус). Пулы углерода, имеющие антропогенно-техногенное происхождение (лесные пожары, рубки, сгоревшее топливо и т.д.), могут быть только расходными. Таким образом, понятия "депо" и "пул" не являются синонимами. Число пулов будет больше числа депо, так как первые объединяют только депонирующие углерод структуры, тогда как вторые представлены дополнительно и затратными структурами (главным образом, антропогенными).

Потоки углерода - разнонаправленные в экосистемах, связывающие отдельные депо потоки углерода в твердой, жидкой и газообразной фазах. Одни и те же потоки углерода в системе сопряженных депо для одного из потоков являются выходом, для другого - входом, т.е. имеют разные знаки при одинаковых количественных значениях. Потоки углерода, свойственные отдельным депо, обособлены в пулы С. Каждому потоку углерода соответствует обычно один или несколько элементарных процессов, протекающих в экосистемах и сочетающихся с трансформацией органического вещества. Схемы депо, пулов и потоков углерода в лесных экосистемах детально отражены в работе А.И. Уткина. Годовой поток диоксида углерода из почв России составляет 4293,0 млн. т.

Эмиссия (высвобождение) углерода - интегральный газообразный поток углерода с земной поверхности в атмосферу. Эмиссия углерода объединяет два главных потока: биогенный (природный), связанный с дыханием зеленых растений и почвенных организмов (грибов, бактерий, животных), и антропогенно-техногенный, обусловленный распашкой земель, лесными пожарами, сгоранием топлива и т.д. Определяется как приходная (со знаком "+") статья углерода в резервуар атмосферы. Главную часть в природной эмиссии парниковых газов представляет дыхание почвы, включающее дыхание почвенных микроорганизмов и корней.

Эмиссия углерода от пожаров в бореальных лесах России оценивается в пределах от 35,0 до 93,0 МтС/год и может достигать 150,0 МтС/год, что эквивалентно промышленному выбросу (128,0-340,0 МтС/год). Уменьшение эмиссии углерода может достигаться за счет снижения горимости лесов и ограничения инвазии вредных насекомых, сокращения потерь древесины при ее заготовке и переработке.

Продукция углерода - образование СО2 в результате биогенных и абиогенных процессов в почве. Продукция СО2 в почве - в значительной степени интегральный показатель, включающий в себя дыхание корней и почвенных организмов (бактерий, грибов, почвенных животных). Основной вклад в продукцию углерода (более 90 %) вносят микроорганизмы и корни растений.

Дыхание почвы - ритмичный газообмен между почвой и атмосферой, происходящий в результате расширения-сжатия почвенного воздуха при колебании температуры почвы или изменениях атмосферного давления, а также выделения (эмиссии) и поглощения углерода почвой, связанных с метаболической активностью корней растений, почвенных микроорганизмов и фауны, участвующих в трансформации органического материала и ассимиляции углерода. Часто термин "дыхание почвы" употребляется только для обозначения процесса выделения углекислоты, хотя это не вполне корректно.

Дыхание почвы - это разнонаправленные потоки газообразных соединений в системе почва-атмосфера. При дыхании организмов происходит процесс окисления органических веществ, при котором конечным акцептором электронов является молекулярный кислород. Чаще всего при дыхании происходит распад органического вещества до углекислоты и воды:

(СН2О) + О2 ↔ СО2 + Н2О.

Иногда дыхание идет с образованием промежуточных продуктов окисления (органических кислот, спиртов и др.). В результате дыхания освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов.

Продуцирование углекислого газа (дыхание почвы) является одной из важнейших функций почвы. Планетарная газовая функция почвенного покрова, включая потоки СО2 в системе почва ↔ атмосфера, заключается в регулировании химического состава атмосферы и гидросферы, т.е. лежит в основе биосферного круговорота газов.

Почвенное дыхание сегодня создает баланс с продукцией органического углерода, примерно в 5-8 раз превышая объем промышленных выбросов СО2 в атмосферу топливно-энергетического комплекса России (антропогенная эмиссия углерода на территории России составляет 500-600 млн. т). Дыхание почвы - постоянная величина с колебаниями до 2-3 раз для.разных почв. Оно протекает как в период биологической активности, так и после вегетационного периода (до 30 % СО2 выделяется после окончания вегетации).

Первичная продукция углерода составляет 100-120 х 1015 гС/год, дыхание почвы, примерно равное чистой первичной продукции (при квазистационарности в биосфере), - 50-75 х 1015 гС/год). Дыхание почв России оценивается в 3,12 ГтС/год.

Дыхание биогеоценоза - поток в атмосферу углерода (естественная эмиссия СО2), обусловленный жизнедеятельностью всех групп организмов (автотрофных - сосудистые растения, мхи, лишайники, водоросли; гетеротрофных - бактерии, грибы, животные) и осуществляющийся на однородном участке земной поверхности с определенным составом живых (биоценозов) и косных-биокосных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва, водная толща и т.п.) компонентов, объединенных ландшафтным биогеохимическим круговоротом веществ.

Биогеохимический баланс углерода - соотношение между притоком углерода в экосистему и его оттоком из нее за определенный отрезок времени. Он слагается из приходных и расходных статей. Углеродный баланс экосистемы характеризует чистый углеродный поток (NF), представляющий собой сумму валовой первичной продукции и валового дыхания как разнонаправленных потоков. Величина первичной продукции ("импорт" углерода из атмосферы в экосистему) обозначается знаком "-", величина дыхания ("экспорт" углерода из экосистемы) - знаком "+". При этом используются такие понятия, как "положительный углеродный баланс" (тождественно выражению "источник углерода"), "отрицательный углеродный баланс" (эквивалентно понятию "сток углерода"), "чистый сток" (синоним - "чистая продукция экосистемы").

Балансовые блок-схемы пулов и основных потоков углерода подробно разработаны А.И. Уткиным. Баланс углерода при почвообразовании определяется биоклиматическими условиями и положением почв в рельефе в соответствии с закономерностями геохимического сопряжения, т.е. в каком элементарном геохимическом ландшафте (элювиальном, трансэлювиальном и т.д.) формируется почва. Например, поступление углерода с опадом растений в пустынях составляет менее 1 тыс. кг/га, а в лесах влажного тропического климата - более 14 тыс. кг/га. В почве элювиального геохимического ландшафта расходные статьи баланса могут быть больше приходных, в почве транзитно-аккумулятивного ландшафта - наоборот. Количество углерода, захваченного растениями в биологический круговорот и возвращаемого ими почве, в среднем на порядок больше по сравнению с тем количеством углерода, которое поступает в почву и удаляется из нее абиогенным путем (эоловые процессы, седиментогенез, вулканическая деятельность, лесные пожары, жидкий сток и т.д.).

Углеродный баланс при почвообразовании может быть положительным, отрицательным и нулевым. Углерод педосферы в целом имеет положительный баланс. Углерод поступает в почвенную оболочку Земли преимущественно из атмосферы в процессе жизнедеятельности зеленых растений и накапливается главным образом в торфяных горизонтах, лесной подстилке, степном войлоке и гумусовых горизонтах. Биогенная аккумуляция углерода всегда положительна.

Отрицательный баланс обусловлен превышением уровня выноса углерода над уровнем его привноса. Подобный баланс складывается в почвах на горных эродированных склонах, в пахотных почвах, подзолистом горизонте и т.д. Пахотным почвам всех типов (даже черноземам!) свойствен отрицательный баланс гумуса. В черноземах за последние 30-40 лет содержание гумуса сократилось на 30 %.

Нулевой баланс характерен для почв, в которых вынос и приток углерода скомпенсированы.

В зависимости от продолжительности можно выделить несколько форм баланса углерода: 1) вековой, имеющий геологическую продолжительность и связанный биосферным биогеохимическим круговоротом; 2) периодический (циклический), охватывающий отрезки времени порядка 11-25 лет; 3) годичный.

Баланс углерода может служить диагностическим признаком изменений характера экосистемы и почвообразования (эволюции почв).

Характерное время пребывания углерода в почве - время полного обновления углерода. Для определения возраста органического вещества (гумуса) применяется радиоуглеродный метод, который позволяет датировать гумус как современных, так и ископаемых почв. Для определения радиоуглеродного органического вещества используется концепция "характерного времени", сущность которой в следующем: отрезок времени, необходимый для того, чтобы данное тело (признак, процесс), развивающееся под влиянием определенной стационарной комбинации факторов среды, пришло в равновесие или квазиравновесное состояние с этими факторами. В случае изменения факторов характерным временем тела (признака, процесса) можно считать время релаксации (возвращения к равновесию) к новому состоянию факторов.

Характерные времена гумусового профиля исчисляются сотнями и тысячами лет. Например, горизонты А0-А2 арктического подбура имеют радиоуглеродный возраст 3700 лет, возраст дерново-подзолистых и серых лесных почв - современный (первые сотни лет), черноземов - 1000 лет; гумусовые горизонты песчаных почв имеют более молодой возраст, чем те же суглинистой гранулометрии.

Характерные времена "жизни" углерода в различных депо лесных биогеоценозов России исчисляются от 1 года до 10 тыс. лет: фитомасса - 1...20-300 (до 600-700); лесная подстилка с разделением по трем слоям сверху вниз: 1...10, 6-10...100, 5-100...200-700, оторфованные подстилки - 1000; сухостой - 10... 100 (250); валеж (при отсутствии низовых пожаров) - 100...300-500; гумус и торф - от 500-600 до 10 000. Время обновления запасов почвенного гумуса увеличивается от низких широт к высоким. В квазистационарных биоклиматических условиях массы новообразованного и минерализующегося гумуса примерно сбалансированы. Скорость деструкции (разложения) сухостоя и валежа древесных пород в целом замедляется в ряду: мягколиственные, хвойные, твердолиственные. Лидирующей по длительности пребывания углерода в депонированном состоянии следует считать лиственницу, поскольку она долговечна, а древесина ее стойка к гниению. Установлено, что предельный возраст лиственницы в Сибири составляет 486-919 лет.

По данным О.А. Чичаговой, скорость обновления углерода (г/кг/год) уменьшается в ряду от дерново-подзолистых почв к серым лесным и черноземам, составляя соответственно 4,3; 1,6 и 0,7 в слое 0-20 см и резко уменьшается в слое 20-100 см до 0,20; 0,06 и 0,25 соответственно.

Период полного обновления гумуса верхних горизонтов подзолистых почв составляет 80-300 лет, черноземов - 350-1000, серой лесной почвы - 280 лет. При этом в серой лесной почве и черноземе типичном наибольшая скорость круговорота углерода характерна для фульвокислот 1а фракции - 100 лет; круговорот углерода лабильного (подвижного) гумуса и неспецифических соединений составляет соответственно 110 и 150 лет. Неспецифические соединения, подвижный гумус и фульвокислоты фракции 1а служат доступным источником углерода.

По времени пребывания 14С определяют относительный и абсолютный возраст почв. Так, И.П. Герасимов разделил почвенный углерод на "биологически активный" и "биологически инертный". Первый является показателем скорости биогеохимического круговорота и относительного возраста почв, второй - показателем абсолютного возраста почв или древних этапов почвообразования, следы которых сохранились в виде реликтовых элементов. Установлено, что радиоуглеродный возраст гумуса всех почв увеличивается с глубиной по профилю, что связано с содержанием биологически инертного, или реликтового, углерода, который выбыл из биогеохимического круговорота.

По данным разных авторов, радиоуглеродный возраст гуминовых веществ верхних горизонтов почв (0-20 см) варьирует от современного до 100-2000 лет, в средней части (до глубины 50 см) он датируется 2000-3000 лет, в нижней части почвенных профилей - 4000-6000 лет и более. В широтно-зональном ряду почв возраст гумусовых веществ увеличивается с юга на север, что обусловлено низкой скоростью минерализации и трансформации гумусовых веществ в условиях короткого периода биологической активности почв в высоких широтах.

 

Источник:

Ершов Ю.И. Органическое вещество биосферы и почвы. - Новосибирск: Наука, 2004. - 104 с.