Мощь деревьев: каменноугольный период

Каменноугольный период получил такое название потому, что в это время образовались значительные залежи угля – результат деятельности древних лесных экосистем. Про уголь знают многие. Но кроме мощных пластов угля, результатом является также значительное преобразование геохимических круговоротов в земных ландшафтах.

Первые деревья появились в позднем девоне (383-359 млн. лет назад) и соответственно появились древнейшие лесные экосистемы. http://geoecograph.blogspot.com.by/2015/10/Rastitelnyj-pokrov-glavnoe-uslovie-sushhestvovanija-sovremennyh-landshaftov.html

Появляются деревья – резко увеличивается биомасса. В современной биосфере 99% биомассы – фитомасса, в которую значительный вклад вносят деревья.

Увеличивается биомасса – увеличивается емкость биологического круговорота, т.е. количество химических элементов, вовлекаемых в биологический круговорот, соответственно, возрастает воздействие биоты на литосферу.

Появление наземной растительности и рост фитомассы отразились на составе атмосферы: содержание кислорода увеличивается с 14-15% в начале девона до 17-18% в конце девона. Содержание углекислого газа, наоборот, уменьшается с 0,4% в начале девона до 0,25% в конце девона.

В каменноугольном периоде (359-299 млн. лет назад) содержание кислорода в атмосфере значительно выросло с 15-20% до 30-35%, а содержание углекислого газа, наоборот, снизилось с 0,3-0,4% до 0,05%.

Два миллиарда лет понадобились микроорганизмам для того, чтобы содержание кислорода стало около 1% от современного, еще 1,5 млрд. лет ушло на увеличение содержания кислорода до 10-15% от современного. Чтобы увеличить концентрацию в 2 раза растениям суши потребовалось всего лишь несколько десятков млн. лет.

На основе результатов исследования угленосных отложений Восточной и Западной Европы были выявлены три типа палеоэкосистем:

а) приморские болотные низины – сообщества с доминированием лепидодендронов и каламитов (лепидофитовые леса);

б) возвышенные, умеренно влажные местообитания – сообщества с доминированием семенных и настоящих папоротников;

в) относительно сухие местообитания – сообщества с доминированием хвойных и семенных папоротников.

Лепидодендрон – древовидное растение, высотой более 30 м, диаметром до 2 м.

Каламит – хвощеобразное растение, высотой до 10 (иногда до 20) м.

Кордаит – высокое (более 30 м) дерево с крупными листьями (до 1 м), предок хвойных.

Типичная лесная экосистема каменноугольного периода – лепидофитовый лес.

Лепидофитовые леса были широко распространены на континенты, который называют Лавруссия (или Еврамерия). Они имели крайне своеобразную экологическую структуру, представляли собой неглубокие (первые метры) переполненные органическими остатками водоемы, а формировавшие эти леса высокоствольные (до 40 м) древообразные плауны и хвощи были гелофитами, стоящими «по колено в воде».

Это не были болота современного типа, где деревья вырастают поверх торфяника. В каменноугольном лесу корневые системы лепидофитов (стигмарии) располагались ниже торфоподобной органической массы, а сами деревья прорастали сквозь нее и многометровый слой «валежника». Основные фотосинтезирующие поверхности этих древовидных споровых составляли не листья, а периодически опадающая толстая зеленая кора («коропадные» леса).

Лепидофитные леса характеризуются большими запасами биомассы и высокой продуктивностью. Фитомасса, вероятно, могла достигать 2000-3000 т/га (т.е. в несколько раз выше, чем в экваториальных лесах Амазонии – рекордсменах современной биосферы).

В этой крупной подстилке существовала богатая фауна членистоногих, среди которых встречались гиганты до метра длиной. Растительноядные многоножки были основными потребителями опавшей листвы и коры.

Лепидофитные леса-водоемы занимали низменные приморские побережья, где первоначально господствовали цианобактериальные и водорослевые маты (http://geoecograph.blogspot.com.by/2014/06/Stromatolity-sledy-drevnejshih-ekosistem.html), а затем заросли риниофитов (http://geoecograph.blogspot.com.by/2015/10/Rastitelnyj-pokrov-glavnoe-uslovie-sushhestvovanija-sovremennyh-landshaftov.html).

В этих приморских бассейнах (паралических) шли основные процессы углеобразования. Предполагается, что у лепидофитов естественное выпадение подроста происходило не на ранних стадиях его роста (как в современных лесах), а на поздних (т.е. практически одновременно отмирала значительная часть фитомассы). Эти неритмические поступления большого количества мертвой органики (то пусто, то густо) создавали проблемы с ее утилизацией.

С другой стороны, противоэрозионные свойства этой растительности, по сравнению с современной, были весьма слабы. Водоразделы продолжали размываться почти столь же интенсивно, что и прежде. Признаком слабого развития растительности на водоразделах являются очень частые прижизненные захоронения деревьев вместе с их корневыми системами. Причина – быстрый вынос массы осадков (типа селевого потока), которая «заживо» погребает растения. В итоге большой отпад фитомассы при высокой эрозии (обеспечивает быстрое захоронение) приводил к тому, что значительная масса неокисленного органического углерода безвозвратно уходила из экосистемы и превращалась в запасы каменного угля.

На каменноугольный период приходится 30% мировых запасов угля. Угленосные отложения отмечаются на платформах, в краевых прогибах, межгорных прогибах, во внутриконтинентальных бассейнах, в приморских низменностях, мелководных заливах. Крупнейшие угольные месторождения: Донецкий, Карагандинский, Кизеловский, Подмосковный, Экибастузский, Кузнецкий, Минусинский, Тунгусский, Астурийский, Уэльский, Кентский, Рурский, Франко-Бельгийский, Силезский и другие бассейны Евразии. В США – Аппалачский, Мичиганский, Иллинойский и Пенсильванский бассейны.

Впечатляют гигантские толщи угля, вскрытые в карьерах... Это же сколько фитомассы здесь спрессовано!? Это же какая толща торфа была! Нынешние болота с 5-10 метрами торфа - просто карлики.

Такая активная деятельность лесных палеоэкосистем стала главной причиной повышения содержания кислорода в атмосфере и последовавших за этим изменений климата - началось покровное оледенение Гондваны (южного континента).

Высокая продуктивность и большой объем «отходов», вероятно, стали, наряду с климатическими пертурбациями (похолодание и оледенение во второй половине каменноугольного периода), причиной смены этих лесных экосистем более «экономными» лесами с более замкнутым биологическим круговоротом. Предполагается, что карбоновые леса аккумулировали в своей мощной фитомассе значительное количество химических элементов – кальция, фосфора, азота и др. Мертвая органика, не разлагаясь, захоранивалась в больших объемах в земной коре. Соответственно из биологического круговорота изымались биогенные элементы – кора выветривания и почвы становись все беднее и беднее этими полезными химическими элементами. Кроме того, высокое содержание кислорода в атмосфере - высокая вероятность пожара. Можно предполагать, что гигантские пожары, бушевавшие в это время, также могли сыграть свою роль в дестабилизации карбоновых лесных экосистем.