Глобальный цикл калия

Калий вместе с другими щелочными и щелочноземельными элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. К входит в состав наиболее распространенных силикатов: полевых шпатов, амфиболов, пироксенов, слюд. В гранитном слое масса калия 198×10¹⁵ т, в осадочном – 38,2×10¹⁵ т, кларк в земной коре – 2,5%. При гипергенной перестройке кристаллохимических структур силикатов большая часть калия остается в составе новообразованных глинистых материалов, поэтому калий прочнее удерживается в пределах Мировой суши, чем кальций и натрий. И все же частичное высвобождение ионов калия происходит и свободные ионы вовлекаются в водную миграцию, а также активно адсорбируются дисперсным минеральным веществом и поглощаются высшими растениями.

Калий играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен углеводов, азота, фосфора, усиливает образование сахаров в листьях и передвижение их в другие органы. Кроме того, К улучшает поступление воды в клетки растений и понижает процесс испарения, тем самым увеличивая устойчивость растений к засухе. Поэтому калий активно поглощается растениями и его кларк в живом веществе такой же высокий, как у азота, 0,3%. В растительности Мировой суши до активного воздействия на нее человека содержалось около 25×10⁹ т калия, в сухой биомассе фотосинтетиков океана – 0,176×10⁹ т. Масса калия, связанная в мертвом органическом веществе биосферы, в несколько раз меньше, чем в живом веществе, и составляет (3-6)× 10⁹ т.

В океане содержится 0,53×10¹⁵ т элемента в форме растворенных ионов.

В биологический круговорот на суше ежегодно вовлекается около 1,8×10⁹ т калия, в океане – 1,2×10⁹ т. Освобождающаяся из системы биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется педосферой, частично вовлекается в водную миграцию. Ежегодно с континентальным водным стоком в океан поступает более 61×10⁶ т калия в виде свободных ионов и 283×10⁶ т – в составе взвесей. Калий активно мигрирует в системе поверхность океана – атмосфера – поверхность океана в составе аэрозолей.

Глобальный цикл натрия

Натрий – один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса элемента выпадает на последних стадиях магматической кристаллизации и частично остается в постмагматических растворах. Натрий легко освобождается из структур гипогенных силикатов при выветривании кристаллических пород. Кларк литосферы – 2,5%, масса натрия в гранитном слое земной коры равна 165×10¹⁵ т, в осадочной оболочке – 26,7×10¹⁵ т.

Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого аниона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,7×10¹⁵ т.

Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым выносится 0,19×10⁹ т ионов этого элемента, столько же выносится в составе взвесей. Преобладание растворимого катиона Na⁺ в биосфере обусловливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, в которых он связан эквивалентными соотношениями с анионами Cl^-, SO₄^2- и отчасти с HCO₃^1-. В педосфере натрий играет важную роль в процессах катионного обмена. Высокое содержание натрия в поглощенном комплексе почв способствует образованию солонцов. Натрий принимает активное участие в засолении почв, в которых он образует соли с Cl^-, SO₄^2-. Масса натрия в педосфере пока не определена количественно. Несмотря на активное участие в континентальном галогенезе, огромная аккумуляция натрия в океане характеризует его как типичный талассофильный элемент.

В организмах соли натрия имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания. В биомассе суши содержится 3×10⁹ т натрия, в океанической биомассе – на 2 порядка меньше. Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются, поэтому масса натрия в неживом органическом веществе и гумусе педосферы невелика – около (0,2-0,3)×10⁹ т.

В структуре глобального биологического круговорота натрия ярко проявляется его талассофильность. На суше в биологический круговорот вовлекается 0,2×10⁹ т, а в океане – около 4,410⁹ т натрия.

ЗОНАЛЬНОСТЬ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Главный источник энергии для всех, в т.ч. и биогеохимических, процессов на поверхности Земли служит лучистая энергия Солнца. Закономерное уменьшение этой энергии от экватора к полюсам создает предпосылки для образования системы термических поясов, различающихся энергообеспеченностью и соответственно распределением масс живого вещества и его годовой продукции. Однако на эту тенденцию накладывается влияние разнообразных факторов, осложняющих структуру природной зональности. Реализация поступающей солнечной энергии в пределах Мирового океана и на суше принципиально различается.

БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ ОКЕАНА

Распределение масс живого вещества в океане зависит, во-первых, от характера циркуляции вод, содержащих элементы питания фотосинтезирующих организмов. Циклонический режим циркуляции способствует подъему глубинных вод, богатых растворимыми формами химических элементов, в поверхностный слой океана. Это обеспечивает питанием массу фитопланктона и поддерживает его активную биогеохимическую деятельность. Антициклональный режим благодаря слабой перемешиваемости и вследствие этого бедности элементами питания поверхностного слоя воды обусловливает ограниченное количество фитопланктона и всех других организмов. Такие районы занимают обширные центральные части океанов.

Второй важный фактор распределения вещества в океане – приуроченность крупных масс организмов к прибрежной зоне шельфа, куда сносятся элементы питания с суши и где толща воды активно перемешивается, непрерывно восполняя убыль элементов в поверхностном слое.

Наконец, в пелагической (открытой) части Мирового океана есть области подъема глубинных вод, обогащенных химическими элементами, необходимыми фитопланктонным организмам. Продукция фотосинтезирующих организмов на единице площади составляет (т/км²): в открытом океане – 100, в прибрежной зоне и на шельфе – 300, а в районах подъема глубинных вод – 2200.

Таким образом, система широтных поясов Мирового океана нарушена, во-первых, конфигурацией материков и обрамляющей их зоной шельфа, во-вторых, океаническими течениями. Несмотря на это, биогеохимическая зональность океана выражена вполне отчетливо. Наибольшая масса фитопланктона на единице площади характерна для субарктического и северного умеренного пояса. Не случайно именно эти пояса обеспечивают 2/3 мирового улова рыбы. В то же время суммарная площадь экваториального и тропического поясов занимает около 60% всей поверхности океана. Поэтому, несмотря на небольшую продуктивность единицы площади этой акватории, более половины годовой продукции фотосинтезирующих организмов Мирового океана создается в этих поясах.