LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 17
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

27,4
963,0
65,0
0,132
47,3
Мn
35,0
0,41
20,5
4,0
0,176
0,99
Zn
5,2
0,82
5,86
0,90
0,240
4,40
Сu
1,3
0,28
1,51
0,11
0,141
0,77
Ni
0,34
0,12
1,58
0,18
0,057
0,33
Сг
0,31
0,041
2,46
0,19

0,16
V
0,26
0,040
2,30
0,25

0,33
Рb
0,21
0,041
2,87
0,040
0,44
0,011
Со
0,086
0,011
1,51
0,038

0,110
Мо
0,085
0,037
0,057
0,004

0,220
Cd
0,008
0,009
0,013
0,0006

0,055
Hg.
0,002
0,003

0,0008

0,017

Наибольшее количество металлов мигрирует в системе большого биологического круговорота, происходящего благодаря фотосинтезу растительности суши и деструкции отмирающего органического вещества беспозвоночными и микроорганизмами педосферы. Значительные массы металлов выносятся в составе речных взвесей, но этот материал почти полностью уходит в осадки при поступлении пресных вод в систему Мирового океана.
Вовлечение тяжелых металлов в биологический круговорот на суше сопровождается селективной дифференциацией их масс. Пропорциональность между количеством металлов в земной коре и относительной интенсивностью их поглощения растительностью при этом отсутствует. Коэффициент биологического поглощения К6 растительности суши для большинства металлов составляет от 1 до 9, для цинка, молибдена и серебра — больше 9, для железа, ванадия и хрома — меньше 1. В результате селективного поглощения металлов в биомассе растительности заметно изменяются соотношения металлов, существующие в земной коре. Особенно сильно уменьшается соотношение железа с другими металлами. Биологический круговорот и дифференциация металлов, осуществляемые фотосинтетиками океана, имеют свои особенности. Массы металлов, проходящие в течение года через биологические круговороты на суше и в океане, соизмеримы, но их соотношение неодинаково. Растительность Мировой суши захватывает больше марганца и свинца, фотосинтезирующие организмы океана — больше молибдена и кобальта.
С суши в океан с речным стоком выносятся крупные массы водорастворимых и фиксированных во взвесях форм металлов. Значения коэффициента водной миграции КВ металлов указывают, что наиболее активно вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка (КВ > 10), а также молибдена, кадмия и меди, КВ которых от 2 до 9. Фиксированные во взвесях формы железа, марганца, хрома, ванадия, свинца, кобальта выносятся в количестве 97— 98% общей массы выносимых с речным стоком металлов. Кроме того, в океан выносятся ветром значительные массы металлов, фиксированных на пылевых частицах.
В свою очередь, с акватории воздушными массами переносятся водорастворимые формы металлов. Этот процесс недостаточно изучен, и данные по переносу масс отдельных металлов отсутствуют. Тем не менее очевидно, что миграционный поток масс тяжелых металлов с океана на сушу значительно меньше, чем в обратном направлении. По этой причине годовые циклы металлов в системе суша — океан сильно незамкнуты. Значительные массы металлов накапливаются в воде морей и океанов и уходят в осадки. Повторное вовлечение металлов из осадочных толщ в циклы массообмена происходит по мере развития тектонических циклов. При этом мобилизация металлов из осадочных пород часто более затруднена, чем из глубинных кристаллических пород.
С поверхности океана в атмосферу выделяются газообразные органические соединения металлов. Как отмечено в гл. 3, высшие растения выделяют летучие органические соединения (терпены, изопрены), содержащие металлы. Еще большие массы металлов выделяются в воздух в составе газообразных метаболитов бактерий. Особо важную роль играют процессы биометилизации металлов. Ветром в тропосферу захватываются мелкие почвенные частицы, также содержащие металлы. Все перечисленные формы металлов входят в состав аэрозолей и вымываются атмосферными осадками.
В системе массообмена в биосфере педосфера играет роль глобального регулятора движения масс тяжелых металлов. В процессе трансформации органического вещества поступившие в почву металлы входят в состав легкоподвижных комплексных соединений и одновременно прочно закрепляются в устойчивых компонентах почвенного гумуса. Наиболее прочно закрепляется ртуть, которая образует весьма устойчивые комплексы с функциональными группами гумусовых кислот. Прочно связывается свинец, менее прочно медь, слабее — цинк и кадмий.
Тесная сопряженность миграционных циклов тяжелых металлов, а также регулирующая роль педосферы обеспечивают высокую устойчивость биосферы по отношению к поступлению дополнительных масс металлов природного или техногенного происхождения.

Рекомендуемая литература

Добровольский В. В. Глобальные циклы миграции тяжелых металлов // Развитие идей В.И.Вернадского в геологических науках. — М.: Наука, 1991.-С. 86-96.
Свинец в окружающей среде / Отв. ред. В.В.Добровольский — М.: Наука, 1987. - 180с.
Цинк и кадмий в окружающей среде / Отв. ред. В. В.Добровольский — М.: Наука, 1992. - 199с.

Контрольные вопросы

1. Каковы роль и особенности тяжелых металлов в биосфере?
2. Перечислите основные процессы миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Какова роль в этих процессах живых организмов7
3. Какими причинами можно объяснить повышенную концентрацию металлов в аэрозолях по сравнению с развеиваемыми ветром горными породами?
4. Какое значение для массообмена металлов в биосфере имеют процессы биометилизации9
5. Рассмотрите биогеохимию свинца и цинка. Чем они отличаются?
6. Перечислите общие черты глобальных циклов и распределения масс тяжелых металлов в биосфере.

Темы для самостоятельной работы

1. Рассчитайте отношения масс элементов, вовлекаемых в биологический круговорот и выносимых в растворимой форме с суши (см. табл. 7.8).
2. Постройте ряд по убыванию значений и сделайте выводы об избирательности захвата масс разных элементов живым веществом суши.
























Часть III
БИОГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЗОН

Глава 10
ЗОНАЛЬНОСТЬ
БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Главным источником энергии для всех, в том числе биогеохимических, процессов на поверхности Земли служит лучистая энергия Солнца. Закономерное уменьшение энергии от экватора к полюсам создает предпосылки для образования системы циркумполярных 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.

10.1. Биогеохимическая зональность
океана и суши

Реализация поступающей солнечной энергии в пределах океана и на суше принципиально различается. Распределение масс живого вещества в океане в значительной мере зависит 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 значительную 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, следовательно, всех других организмов. Такие районы занимают обширные центральные части океанов.
Другой важный фактор распределения живого 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.
В пелагической (открытой) части Мирового океана есть области подъема глубинных вод, обогащенных химическими элементами, необходимыми фитопланктонным организмам. Таковы области экваториальной и антарктической дивергенции. Благодаря влиянию морских течений в экваториальном поясе Мирового океана масса организмов на единице площади почти в 2 раза меньше, чем в арктическом и субантарктическом поясах, и в 10 раз меньше по сравнению с субарктическим. По данным О. П.Добродеева и И. А. Суетовой (1976), продукция фотосинтезирующих организмов на единице площади составляет (т/км2): в открытом океане — 100, в прибрежной зоне и на шельфе — 300, в районах подъема глубинных вод — 2200.
В силу перечисленных причин 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. Общая картина распределения биогеохимической деятельности в разных поясах Мирового океана представлена в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Показатели биогеохимической деятельности фотосинтезирующих
организмов в географических поясах Мирового океана

Географический пояс
Живая биомасса,
т/км2
Продуктивность (живая масса),
т/(км2 • год)
Поглощение СО2,
т/(км2 • год)
Выделение
О2
т/(км2 • год)
Арктический
60
830
160
120
Субарктический
360
3190
620
450
Северный умеренный
250
2480
480
350
Северный субтропический
70
1290
250
180
Северный тропический
30
990
190
140
Экваториальный
40
1450
280
210
Южный тропический
20
910
180
130
Южный субтропический
30
970
190
140
Южный умеренный
50
1020
200
140
Субантарктический
70
910
180
130
Антарктический
60
1480
290
210
Среднее значение для Мирового океана *
50
1180
230
170

*Средние значения указаны с учетом площадей поясов.

Как следует из приведенных данных, наибольшая масса фотосинтезирующих организмов (фитопланктона) на единице площади характерна для субарктического и северного умеренного поясов. Не случайно именно эти пояса обеспечивают 2/з мирового улова рыбы. В то же время суммарная площадь экваториального и тропических 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.
Процесс фотосинтеза органического вещества сопровождается выделением кислорода. Его наименьшее количество продуцируется в арктическом поясе — 120 т/км2 в год, в экваториальном — 210 т/км2 в год. Пропорционально выделившимся массам кислорода происходит связывание масс углекислого газа.
Иная картина биогеохимической зональности на материках. На первый взгляд, интенсивность биологических и биогеохимических процессов на суше должна возрастать от менее теплых к более теплым поясам. Но использование энергии для химических, физико-химических, биологических процессов возможно лишь при наличии воды. Согласно В.Р.Волобуеву (1974), на поверхности суши основная часть энергии расходуется на испарение и транспирацию воды растениями (от 95 до 99,5 %). Затраты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5 %, большей частью около 1 %. На гипергенное преобразование минералов расходуются сотые и тысячные доли процента всей энергии. Полнота использования поступающей солнечной энергии в перечисленных процессах зависит от степени увлажнения: в засушливых районах показатель использования очень мал, в хорошо увлажняемых районах он достигает 70 — 80 %.
Атмосферное увлажнение на суше не повторяет термическую зональность. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают неодинаковую степень увлажнения разных территорий внутри термических поясов. Это влечет за собой различную интенсивность водной и биологической миграции элементов.
Основная часть выпавших осадков в результате испарения и транспирации возвращается в атмосферу. Испаряющаяся влага регулирует тепловой режим, что делает возможным существование живых организмов. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов. Для количественной оценки этого процесса используется коэффициент относительной увлажненности Кг Коэффициент в своем первоначальном виде был предложен В.В.Докучаевым и Н.Г.Высоцким; в настоящее время он определяется как отношение суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.
В. Р. Волобуев (1974) проанализировал ареалы распространения почв всех типов и установил следующие показатели однотипной относительной увлажненности ландшафтов:

Области равного увлажнения Ху
Крайне сухие............................................................. 0,20
Сухие..........................................................................0,20-0,40
Умеренно сухие.........................................................0,40 — 0,75
Умеренно влажные...................................................0,75— 1,20
Влажные.....................................................................1,20—1,95
Очень влажные.......................................................... 1,95 — 2,90
Особо влажные.......................................................... 2,90

Первые три величины характеризуют территории различной степени аридности, три последние — гумидные области. Относительная увлажненность, характеризуемая коэффициентом, равным 0,75— 1,20, соответствует области с уравновешенным водным балансом.
В условиях одинаковой относительной увлажненности интенсивность миграционных, в том числе биогеохимических, процессов в экосистемах возрастает с увеличением поступающей солнечной энергии (радиационного баланса). При низкой относительной увлажненности аридных территорий влияние изменения величины радиационного баланса проявляется слабо. Поэтому биогеохимические процессы в экстрааридных ландшафтах высоких и низких широт имеют общие черты. Иное положение в пределах гумидных территорий, где с увеличением относительной увлажненности возрастает влияние величины радиационного баланса. Вследствие этого интенсивность массообмена химических элементов в гумидных ландшафтах тропиков и высоких широт сильно различается. В табл. 10.2 приведены данные, характеризующие динамику масс органического вещества, синтезируемого основными зональными типами растительности суши.
Таблица 10.2
Биологическая продуктивность основных зональных типов
растительности, т/км2 (по П.Е. Родину, Н.И.Базилевич, 1965)

Тип растительности
Биомасса
Прирост
Опад
Лесная подстилка (или степной войлок)
Арктические тундры
500
100
100
350
Кустарничковые тундры
2800
250
240
8350
Ельники северной тайги
10 000
450
350
3000
Ельники южной тайги
33000
850
550
3500
Дубравы
40 000
900
650
1500
Степи луговые (остепненные луга)
2500
1370
1370
1200
Сухие степи
1000
420
420
150
Пустыни полукустарничковые
430
120
120

Саванны (Гана)
6660
1200
1150
130
Вечно влажные тропические леса
50 000
3250
2500
200

Величина биомассы не дает представления о продуктивности типов растительности. Для этого необходимы показатели годового прироста, ежегодной продукции растительности. Прямой пpoпopциональности между фитомассой и годовым приростом нет. Третий показатель — опад, т. е. величина ежегодно отмирающего растительного материала. Количества органического вещества, заключенные в спаде и годовом приросте, очень близки. Эти показатели характеризуют синтез и деструкцию органического вещества на протяжении года.
Отношение спада к фитомассе показывает, насколько прочно данный тип растительности удерживает синтезированное органическое вещество. Очевидно, что в наибольшей мере оно удерживается в лесах умеренного климата. В таежных еловых лесах на опад расходуется от 2 до 4 % органического вещества фитомассы, в дубравах — около 1,5 %. Во влажных тропических лесах в опад уходит значительно больше — 5 %, в растительности степей ежегодно отмирает почти все органическое вещество фитомассы.
Дальнейшая эволюция отмершего растительного материала в разных биоценозах неодинакова. Опад в тропических лесах быстро разрушается, а в лесах умеренного климата не успевает полностью перерабатываться. Поэтому под покровом умеренных лесов на почве лежит значительное количество (3000-—3500 т/км2) мертвого органического вещества, так называемая лесная подстилка. В тропиках это количество в десятки раз меньше. В степях количество мертвого органического вещества незначительное и уменьшается с увеличением аридности климата.
Круговорот углекислого газа и степень выведения углерода из этого цикла в различных растительных формациях мира можно характеризовать коэффициентом аккумуляции углерода, который равен отношению углерода, связанного на единице площади в процессе годового фотосинтеза, к количеству углерода, выделившегося в составе СО2 за год из почвы в атмосферу за счет разрушения мертвого органического вещества. Ориентировочно можно считать, что крайние значения этого коэффициента относятся к влажным тропическим лесам и пустыням (1), с одной стороны, и к тундрам (около 4 — 5) — с другой. Остальным формациям отвечают промежуточные значения.
Некоторое представление о соотношении углекислого газа, связанного в процессе фотосинтеза в растительности и выделенного из почвы, дает коэффициент аккумуляции органического вещества К0, который численно равен отношению массы мертвого органического вещества к массе опада. Чем энергичнее протекает процесс разрушения органического вещества и выделения СО2, тем меньше значение этого коэффициента:

Природная зона К0
Северная тайга и тундра ................................................... > 10
Южная тайга......................................................................5—10
Широколиственные леса умеренного пояса.................. 2 — 5
Степи умеренного пояса.................................................. 1 — 2
Пустыни, влажные тропические леса................................ < 1

В процессе синтеза органического вещества растения выделяют кислород. Наибольшая продукция кислорода соответствует тропическим и субтропическим лесам, наименьшая — пустынной и арктической растительности. Абсолютная величина продуцирования кислорода не дает истинного представления о вкладе той или иной растительной формации в обогащение атмосферы кислородом. Если в течение года вся масса опада разлагается, то соответственно расходуется весь выделенный при фотосинтезе прирост кислорода, который сохраняется в атмосфере только при условии систематического накопления в педосфере мертвого органического вещества. Следовательно, атмосфера обеспечивается кислородом не за счет деятельности самых продуктивных формаций типа тропических лесов. Основные «поставщики» свободного кислорода на суше — ландшафты умеренного и бореального поясов, где вследствие подавленности микробиологических процессов происходит накопление мертвого органического вещества.
Вовлечение масс химических элементов в биологический круговорот из почвы в разных ландшафтах столь же неодинаково, как и массообмен газов. Так, например, в луговых черноземных степях до вмешательства человека в биологическом круговороте участвовало более 2 ц/га зольных элементов ежегодно, а в южнотаежных лесах — в 5 раз меньше.



10.2. Геохимическая неоднородность
биосферы и природных зон

При рассмотрении биосферы как целостной системы необходимо оперировать статистически допустимыми усредненными значениями, характеризующими состав отдельных компонентов биосферы: земной коры, океана, педосферы и др. В то же время состав каждого конкретного, реально существующего природного объекта (горной породы, речной воды, почвы в определенном месте) обязательно имеет отличия от состава аналогичных объектов в другом месте. Геохимическая неоднородность пространства биосферы является ее характерным свойством, тесно связанным с биологическим разнообразием. Очевидно, что природные зоны и пояса также геохимически неоднородны, хотя их пространство объединено системой биогеохимических циклов массообмена, обусловленной определенными гидротермическими условиями.
Геохимическая неоднородность биосферы обусловлена двумя группами факторов. Первая группа связана с колебаниями концентрации химических элементов и форм их нахождения в составных частях биосферы: земной коре, гидросфере, газовой оболочке. Даже в мобильной, постоянно перемешивающейся среде тропосферы содержание химических элементов на разных участках меняется в десятки и сотни раз. Достаточно вспомнить рассмотренный в разд. 3.2 феномен повышенных концентраций биогенных летучих соединений металлов в приземном слое воздуха над залежами руд или устойчивые ореолы газовых эманации над центрами вулканизма. Еще заметнее выражена неоднородность состава среды Мирового океана. Области разной солености и факелы высоких концентраций тяжелых металлов в морской воде над глубоководными гидротермами настолько устойчивы, что возможно их детальное картирование.
Геохимическая неоднородность наиболее отчетливо представлена на поверхности земной коры в связи с неодинаковым составом горных пород. Контрасты пород разного состава отчасти нивелируются толщей рыхлых отложений, на которых образованы почвы. Эти отложения сформированы за счет денудации и переотложения продуктов выветривания как местных горных пород, так и обломков, принесенных издалека. В зависимости от соотношения местных и принесенных обломков и особенностей их состава содержание химических элементов в толще рыхлого покрова закономерно меняется.
Большая часть переотложенных продуктов выветривания состоит из мелких обломков величиной от 0,01 до 1 мм, принесенных из разных районов Как видно на рис. 10.1 в северной половине Восточно-Европейской равнины преобладают обломки минералов, принесенные из области Балтийского кристаллического щита (Карелия, Финляндия, Кольский полуостров) В Заволжье и Приуралье обломочный материал поступил с Уральских гор В почвах Украины много обломков минералов, слагающих породы Украинского кристаллического массива Особенности минералогического и химического состава горных пород областей сноса сильно влияют на состав почв Так, среди обломков, принесенных с территории Карелии, много кварца, а в массе обломков, поступивших с хребтов Средней Азии, больше галогенных силикатов (полевых шпатов, слюд и др ), чем кварца На Урале очень распространены так называемые зеленокаменные горные породы, содержащие много эпидота, актинолита, хлорита Среди них наиболее устойчив эпидот Поэтому им обогащены наносы, на которых образованы почвы Приуралья

Рис 10 1 Минералогические провинции покровных четвертичных отложений Восточно-Европейской равнины (по В В Добровольскому, 1964)
I — Кольско Карельская, II — Прибалтийско-Архангельская, /// — Центрально-русская, IV — Украинская, V— Волжско-Донская, VI — Приуральская, VII — Затиманская, VIII — Предкавказская, IX — Предкарпатская, 1 — границы провинций, 2 — граница максимального оледенения, 3 — граница первого верхне четвертичного оледенения, 4 — северная граница сплошного распространения третичных отложений, 5 — плошади близкого расположения кристаллических пород, 6 — площади концентрации кварца и пониженного содержания рассеянных химических элементов, 7 — горы
Изменение в составе почвообразующих пород сказывается на составе почв, поверхностных и грунтовых вод, а также растений Например, на территории Эстонского плато рыхлые почвообра-зующие породы насыщены обломками известняков ордовикского возраста, слагающих цоколь плато Обилие карбонатов кальция способствует образованию темных дерново-карбонатных почв, а не подзолистых, как в соседних районах В естественной растительности распространены нуждающиеся в большом количестве кальция широколиственные деревья и травянистая растительность, а не хвойные леса, доминирующие в соседних с востока районах
Местные отклонения концентрации химического элемента в почвообразующих породах от общепланетарных величин характеризуются значениями кларка концентрации — Кк (см разд 1.3)
Концентрация большей части рассеянных элементов, особенно металлов, в рыхлых покровных отложениях ниже, чем в гранитном слое земной коры Это вполне закономерно, так как покровные отложения образованы многократно переотлагавшимися продуктами выветривания, из которых часть химических элементов вынесена В то же время существуют региональные геохимические особенности, обусловленные составом горных пород, обломки которых слагают покровные отложения Так, в почвообразующих породах Северного Казахстана относительно повышена концентрация титана, свинца и меди, на Устюрте — стронция, на Восточно-Европейской равнине — циркония, в Приуралье — меди и кобальта
В разд 5.5 упоминались данные X Шаклетта, согласно которым почвы и рыхлые отложения западных штатов США отличаются более высокой концентрацией тяжелых металлов, а расположенные к востоку от 96° з д — более высокой концентрацией элементов, характерных для кристаллических пород докембрийского фундамента (Nb, Zr и др ) Таким образом, покров рыхлых отложений и сформированные на нем почвы делятся на обширные минерала-го-геохимические провинции. В качестве примера на рис. 10.1 показана карта минералого-геохимических провинций почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины.
Внутри провинций выделяются площади распространения отложений, обогащенных высокодисперсными глинистыми минералами, и площади, покрытые песчаными отложениями. Каждый минерал — это носитель рассеянных элементов с определенными уровнями их концентрации. В песках Восточно-Европейской равнины преобладают обломки кварца, в которых концентрации всех химических элементов, кроме кремния, очень низкие. В глинистых минералах, слагающих фракцию частиц величиной менее 0,001 мм, концентрация многих рассеянных элементов повышена. Наши исследования показали, что на территории европейской части России в суглинистых отложениях больше, чем в песках: ванадия — от 1,0 до 1,5 раз; меди — от 1,5 до 3,2; никеля — от 1,3 до 2,2; галлия — от 1,4 до 2,5; титана — от 1,2 до 2,2; кобальта — от 1,9 до 2,0 раз. Кроме того, в суглинистых почвах и почвообразующих породах значительно больше элементов, находящихся в сорбированном состоянии, что очень важно для участия этих элементов в биологическом круговороте.
Колебания концентрации элементов в коренных горных породах и рыхлых покровных отложениях детерминируют геохимическую неоднородность биосферы суши независимо от деятельности живых организмов. В то же время геохимическая мозаич-ность педосферы и рыхлого покрова континентов является важным фактором развития органического мира. В какую бы сторону ни было направлено отклонение концентрации химического элемента — в сторону повышения или понижения от кларкового значения — оно должно отражаться на биологическом круговороте элементов и составе местных живых организмов. В первую очередь это относится к растениям, которые непосредственно связаны с минеральным веществом почв и отражают колебания его состава.
Вторая группа факторов, способствующих геохимической неоднородности биосферы, связана с неодинаковой интенсивностью вовлечения химических элементов в миграционные процессы в разных экогеохимических системах. Степень интенсивности вовлечения элемента в миграцию характеризуется числовым значением специальных безразмерных коэффициентов — ландшафт-но-геохимических показателей.
Коэффициент водной миграции. Характер атмосферного увлажнения территории не только в значительной мере обусловливает интенсивность биогеохимических процессов, но в сочетании с определенными почвенно-геоморфологическими условиями является важным фактором водной миграции химических элементов на суше, их мобилизации и включения в миграционные циклы различной протяженности.
Определенное количество атмосферной воды, не израсходованное на испарение и транспирацию, стекает по поверхности, вовлекая химические элементы в водную миграцию. Величина стока определяется не только соотношением количества атмосферных осадков и испаряемостью, но и зависит от рельефа, водоустойчивости почвообразующих пород и почв, характера растительности, режима выпадения осадков, климатических условий и др. Водный сток на большей части суши составляет от nЧ10 до (300 — 400)Ч103 м3/км2 в год, в экстрааридньгх областях значительно меньше. Массы химических элементов, вовлекаемые в водную миграцию, также неодинаковы и зависят от всего комплекса природных условий водосборной площади. Величина суммарного годового выноса химических элементов в растворимой форме на равнинах и крупных возвышенностях составляет единицы — десятки тонн, в горных районах — десятки и сотни тонн на квадратный километр. Вынос взвесей (твердый сток) на равнинах соизмерим с массами элементов, мигрирующими в виде растворов, но в условиях пересеченного рельефа превышает их в несколько раз, а в горных областях твердый сток на математический порядок больше выноса растворенных масс.
Наиболее геохимически активными компонентами водного стока являются растворимые формы химических элементов. Интенсивность вовлечения их в миграцию оценивается коэффициентом водной миграции КВ, равным отношению концентрации элемента в сухом остатке воды к его концентрации в почвообразующей породе данного района. Этот показатель не применим к таким циклическим элементам, как хлор, а также к элементам, которые в результате микробиологической деятельности или испарения переходят в газообразную форму и активно мигрируют в атмосфере (сера, иод, ртуть). Для большей части других химических элементов, особенно тяжелых металлов, использование этого коэффициента вполне оправдано.
В каждом конкретном районе химические элементы имеют свою числовую величину КB, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде графиков и гистограмм коэффициентов КB.
Коэффициент биологического поглощения. Как показано в разд. 2.3, интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в биологический круговорот характеризуется коэффициентом биологического поглощения К6, который равен отношению концентрации элемента в золе растений к его концентрации в почвообразующей породе. Для некоторых элементов этот коэффициент дает представление не о захвате их из почвообразующей породы, а о суммарных поступлениях в организм растений из атмосферы и почвы.
Особенно это касается циклических элементов и мигрирующих в газообразной форме. Тем не менее для многих химических элементов рассматриваемый коэффициент служит хорошим показателем интенсивности их вовлечения из почвообразующих пород, почв и содержащихся в них вод в качественно иное состояние — в состав живого вещества.
На фоне общих закономерностей, отмеченных в разд. 2.3, заметно проявляется влияние конкретных природных условий. Так, для таежной растительности характерен резкий контраст степени аккумуляции рассеянных элементов, достигающий трех математических порядков и более, в то время как в других типах растительности этот контраст обычно составляет от 10 до 100 раз. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее — в других. В частности, стронций слабо поглощается растительностью тайги и тундры, а в растительности аридных ландшафтов имеет К6 значительно больше единицы. Каждый тип растительности в конкретном местообитании характеризуется своими величинами К5 химических элементов.
Следует подчеркнуть, что величина К5 не зависит от концентрации элемента в исходной породе, а характеризует интенсивность его вовлечения в биологический круговорот.
Приведенные данные свидетельствуют, что природные пояса и зоны представляют собой сложную мозаику участков, различающихся геохимическими и биогеохимическими особенностями.

10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
экогеосистема) как основная
хорологическая единица биосферы Мировой
суши

Изложенные факты показывают, как сильно меняется концентрация химических элементов в горных породах и почвах, насколько различны массы элементов, мигрирующих в поверхностных водах разных территорий и захватываемых в биологический круговорот в разных типах растительности. Неоднородность состава и строения биосферы особенно характерна для природной среды суши: всей Мировой суши, каждого континента и региона. Все более дробно разделяя территорию, можно выделить участки, в пределах которых выдерживается относительная однородность: одинаковые рельеф и горная порода, сходный микроклимат, однотипные почвы и растительность. Такой участок, являющийся хорологической (пространственной) единицей биосферы суши, был назван Б. Б. Полыновым (1956) элементарным ландшафтом. Для целей биогеохимии его можно рассматривать как самую мелкую хорологическую единицу биосферы Мировой суши и одновременно как элементарную экогеохимическую систему.
Элементарный ландшафт — самый мелкий природно-территориальный комплекс, в котором все компоненты (почвообразующие породы, почвы, поверхностные и грунтовые воды, живые организмы, воздух) связаны циклическими процессами обмена вещества. Селективная мобилизация химических элементов происходит благодаря биогеохимической деятельности организмов. Элементарные ландшафты (элементарные экогеосистемы) в свою очередь связаны между собой потоками масс элементов, переносящихся через атмосферу или посредством водной миграции по поверхности суши. По характеру межландшафтных связей выделяются две группы элементарных ландшафтов.
Внутриландшафтный массообмен между компонентами элементарной экогеосистемы, расположенной на возвышенных участках рельефа, происходит относительно независимо от соседних элементарных ландшафтов. Массообмен с окружающей территорией поддерживается только посредством переноса масс через тропосферу. Такие элементарные ландшафты называются геохимически автономными.
Главная черта всех циклических процессов массообмена химических элементов в биосфере — от глобальных до происходящих внутри элементарной эколого-геохимической системы — их незамкнутость. Поэтому массы элементов, выходящие из того или иного цикла массообмена в автономном ландшафте, переносятся поверхностными или грунтовыми водами в соседние ландшафты, находящиеся на более низких уровнях рельефа. Эта связь имеет лишь одно направление и осуществляется посредством миграционного потока масс. Элементарные ландшафты, систематически получающие с водным стоком дополнительное количество элементов, называются геохимически подчиненными.
Вынесенные из автономных ландшафтов массы химических элементов включаются в биогеохимические процессы, происходящие в геохимически подчиненных экогеосистемах. Связь массопо-током серии элементарных ландшафтов, находящихся на разных уровнях рельефа, получила название геохимического сопряжения. Это явление очень широко распространено. Примером может служить геохимическая связь низинных и верховых торфяников, рассмотренная в разд. 4.3. В результате геохимического сопряжения в поймы рек лесной зоны поступают дополнительные массы доступных для растений соединений азота, фосфора, калия, кальция, многие рассеянные элементы, вынесенные с площади водосбора реки. В степях на дне мелких депрессий рельефа формируются небольшие округлые конкреции оксидов железа и марганца, образованные за счет выноса этих элементов из окружающих ландшафтов. В тропиках, на низких, заболачиваемых в период дождей равнинах аналогичным путем формируются мощные латеритные плиты.
Огромное влияние оказывает геохимическое сопряжение на биологический круговорот. В растительности подчиненных ландшафтов содержание зольных элементов в несколько раз больше, чем в автономных. В некоторых случаях концентрация поступающих в результате геохимического сопряжения химических элементов настолько повышается, что это имеет отрицательные последствия. Во Вьетнаме обильные атмосферные осадки, выпадающие в горных районах, способствуют активному выщелачиванию фтора из горных пород. Этот элемент поступает в поверхностные воды, причем концентрация его небольшая и не влияет на здоровье населения горных районов. Стекающие на приморские равнины речные и грунтовые воды интенсивно испаряются, в результате чего концентрация фтора сильно возрастает, превышает допустимый уровень и вызывает многочисленные заболевания: от разрушения эмали зубов до острых форм флюороза у населения низких приморских равнин.
Типоморфные и индикаторные элементы. Геохимическое сопряжение осуществляется благодаря водной миграции и разные химические элементы оказывают неодинаковое влияние на этот процесс. Наиболее важную роль играют газообразные соединения элементов — углекислый газ, кислород, сероводород, — образующиеся в процессе жизнедеятельности организмов. Растворяясь в природных водах, газы определяют окислительно-восстановительные условия, которые контролируют растворимость многих химических элементов, главным образом металлов. В поймах рек, заболоченных депрессиях рельефа и других подобных геохимически подчиненных ландшафтах в восстановительной среде, при наличии в воде сероводорода происходит образование нерастворимых сульфидов железа и некоторых других металлов. В бескислородной среде, не содержащей сероводорода, но богатой углекислотой, большая часть этих металлов активно мигрирует. В кислородсодержащей окислительной среде металлы переходят в предельно окисленные формы, которые для железа, марганца, кобальта и некоторых других элементов также нерастворимы.
Весьма важное значение имеют элементы, в большом количестве растворяющиеся в поверхностных и почвенных водах и обусловливающие кислотно-щелочные условия. Это влияет на растворение или выпадение в осадок других элементов. Такие элементы называют типоморфными.
Чтобы элемент мог быть типоморфным, во-первых, его должно быть много. Поэтому типоморфными обычно являются главные химические элементы. Во-вторых, элемент должен находиться в такой форме, которая допускает его переход в растворимое состояние. Например, в некоторых ландшафтах очень много кварца. Кремний, входящий в прочную и устойчивую структуру этого минерала, с трудом освобождается, поступает в водный раствор в небольшом количестве и не может оказывать сильного воздействия на состав вод и растений, хотя его в ландшафте очень много. В-третьих, типоморфный элемент должен обладать способностью накапливаться в подчиненном ландшафте. Если элемент транзитно мигрирует, то его участие в геохимическом сопряжении весьма ограниченно. Например, значительные массы ионов хлора весьма активно мигрируют как в автономных, так и в подчиненных ландшафтах таежно-лесной зоны, не оказывая существенного влияния на геохимическое сопряжение. Но в пустынях в результате сильной испарительной концентрации ионы этого элемента часто играют ведущую роль в геохимическом сопряжении ландшафтов.
Рассеянные элементы, принимающие участие в биологической или водной миграции, не могут быть типоморфными из-за небольшого содержания. В то же время они характеризуют процесс внутриландшафтного перераспределения, имеют важное значение как микроэлементы. Поэтому их можно называть индикаторными. Рассеянные металлы имеют кларк менее 0,01 %. Когда их концентрация возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с обычной, эти элементы могут играть роль типоморфных. Такие случаи бывают на выходах рудных месторождений, где содержание металлов сильно увеличено.
Биогеохимическая формула элементарного ландшафта. Существование и функционирование элементарной экогеосистемы возможно только благодаря обмену и перераспределению химических элементов. Следовательно, систему можно описать, если количественно выразить интенсивность перераспределения химических элементов между компонентами ландшафта.
Элементарный ландшафт имеет исходный запас химических элементов, содержащихся в почвообразующей породе. Содержание каждого элемента оценивается величиной кларка концентрации Кк. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в водную миграцию и биологический круговорот. Эти миграции количественно характеризуются показателями перераспределения химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью (Кб) и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой (КВ).
Исходя из сказанного, любой элементарный ландшафт может быть охарактеризован биогеохимической формулой, имеющей вид неправильной дроби. На месте целого числа указывается типоморфный элемент, в скобках после него — растворенный в воде газ. В числителе указываются индикаторные рассеянные элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше коэффициента водной миграции, в знаменателе — элементы с обратными соотношениями Кб и КВ. Таким образом, выделяются две основные для данного ландшафта группы индикаторных элементов, способствующие геохимическому сопряжению: первая — наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая — в водную миграцию. Для отличия автономного элементарного ландшафта от подчиненного в формуле последнего возле типоморфного элемента ставится знак «*».
Формула

обозначает автономный элементарный ландшафт — ландшафт высоких предгорных равнин, в котором перераспределение химических элементов происходит при наличии большого количества ионов кальция в поверхностных водах и свободного доступа кислорода, т.е. в слабощелочной окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются молибден, медь, цинк, марганец, а в поверхностные и грунтовые воды интенсивно поступает стронций.
На территории Северо-Восточного Предкавказья луговые ландшафты аллювиальных долин находятся в геохимическом подчинении по отношению к автономным ландшафтам предгорных высоких равнин (табл. 10.3).
Таблица 10.3
Значения ландшафтно-геохимических коэффициентов автономных и подчиненных ландшафтов Северо-Восточного Предкавказья

Ландшафт
Химический элемент








Мn
Сu
Zn
Pb
Mo
Sr
Ba | Ti

Коэффициент биологического поглощения






<< Пред. стр.

страница 17
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign