LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 18
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>



Степные предгорные равнины
Луговые аллювиальные долины
1,0
з,о
4,0 9,0
3,5 6,0
0,8 1,8
10,0 6,0
1,8 1,5
1,0
3,5
0,5 0,6
Коэффициент водной миграции








Степные предгорные равнины
Луговые аллювиальные долины
0,3
3,5
0,1 3,0
1,0
3,3
0,3
2,5
1,0 0,5
4,1 1,2
1,0
1,5
0,2 0,2

Типоморфным элементом служит кальций, а индикаторными — марганец, медь, цинк, молибден, стронций, отчасти свинец и барий. Некоторые химические элементы (титан) в процессе внутриландшафтного обмена ведут себя инертно и не могут относиться к индикаторным. На хорошо дренируемых высоких наклонных равнинах Северо-Восточного Предкавказья происходит свободное проникновение атмосферного воздуxa в почву и почвообразующие породы, вследствие чего в этих ландшафтах имеет место окислительная обстановка. Благодаря периодически высокому стоянию грунтовых вод за счет стока с высоких равнин в луговых ландшафтах существует недостаток кислорода. В результате этого образуются в большей или меньшей степени оглеенные почвы, а в воде повышается концентрация некоторых металлов, в частности марганца. На основании имеющихся данных формула лугового ландшафта имеет вид:

Глобальная система биосферы базируется на циклическом обмене масс химических элементов. Ведущая роль в этой системе принадлежит биогеохимическим процессам. Возможность мобилизации масс химических элементов живым веществом для включения их в циклы массообмена возрастает по мере поступления солнечной энергии от полюсов к экватору. Реализация этой возможности на суше зависит от атмосферного увлажнения. Биогеохимическая мобилизация масс химических элементов может совершаться в полном объеме в соответствии с термическими условиями, а может осуществляться лишь частично из-за дефицита атмосферной влаги. Существование зон и поясов с определенным сочетанием термических условий и атмосферного увлажнения обусловливает зональность биогеохимических процессов.
Внутри зон и поясов на фоне свойственных им биогеохимических закономерностей разные участки имеют свои отличительные особенности. Самой мелкой хорологической единицей биосферы является элементарный ландшафт (элементарная экогеосистема). Как упоминалось в ч. I, интенсивность вовлечения химических элементов в циклическую миграцию в этих системах может быть охарактеризована ландшафтно-геохимическими коэффициентами (Кк, К6, КВ и др.).

Рекомендуемая литература

Базилевич Н.И., Гребенщиков О. С, Тишков А. А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. — М.: Наука 1986.-298с.
Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. — Смоленск: Ойкумена, 2002. — 286 с.
Добродеев О. П., Суепюва П. А. Живое вещество Земли // Проблемы общей физической географии и палеогеографии. — М.: Изд-во МГУ 1976 — С. 26-58.
Одум Ю. Основы экологии. — М.: Мир, 1975. — 742 с.
Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. — М.: Астрея-2000 1999. - 768 с.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы обусловливают биогеохимическую зональность на поверхности Земли?
2. Какие факторы усложняют широтное распределение солнечной энергии в океане? на суше?
3. Как меняется масса живого вещества, приходящаяся на единицу площади суши? Как меняется годовая продуктивность?
4. Какие факторы влияют на биогеохимическую неоднородность биосферы в пределах природных поясов и зон?
5. Что такое элементарная экогеосистема и геохимическое сопряжение?
6. Сопоставьте представления о минералого-геохимической провинции педосферы, биогеохимической аномалии и биогеохимической провинции.

Темы для самостоятельной работы

1. По литературным данным составьте характеристику какой-либо биогеохимической провинции.
2. По литературным данным приведите показатели, характеризующие биогеохимическую аномалию, связанную с рудным месторождением.






Глава 11
БИОГЕОХИМИЯ ПОЛЯРНОГО ПОЯСА

Полярные ландшафты, имеющие более или менее значительную растительность, существуют практически только в Северном полушарии. Они подразделяются на арктические и тундровые. Первые занимают 706Ч103 км2, вторые распространены на большей площади -3756Ч103 км2.

11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов

Условия биогеохимических процессов в Арктике весьма своеобразны. Благодаря суровости климата вегетационный сезон очень короткий; расположение вечной мерзлоты на глубине 40 — 45 см обусловливает небольшой объем почвы, в котором растения могут взаимодействовать с минеральным субстратом. Таким образом, биологический круговорот химических элементов ограничен; во времени и пространстве.
Арктическая суша, представленная островами и архипелагами, находится под сильным воздействием океана. Арктический бассейн отделен материками и выступами дна от теплых вод Тихого и Атлантического океанов. По краю шельфа Евразии от полуострова Чукотка на запад движется холодное Трансарктическое течение; такое же течение вдоль шельфа Северной Америки идет на восток.
У северо-восточной части Гренландии оба течения соединяются в один поток, который устремляется на юг. Около Исландии этот поток встречается с теплым Северо-Атлантическим течением. В районе встречи двух мощных противотечений зарождаются циклоны, которые перемещаются на восток вдоль границы полярных льдов, постепенно отдавая тепло и влагу. Значительная часть влаги выпадает на западное побережье острова Шпицберген, где количество атмосферных осадков составляет 400 мм/год. Восточнее, на Земле Франца-Иосифа, количество осадков равно 200 — 300 мм/год, далее к востоку на Северной Земле — 100 — 200 мм/год. Одновременно с запада на восток понижается зимняя температура воздуха. Столь же суров климат на островах Северо-Американского Арктического архипелага и на северном и северо-западном побережьях Гренландии, где осадков выпадает 100 — 200 мм/год, а температура января от -30 до -38 °С.
Под влиянием климатических условий значительная часть арктической суши превратилась в своеобразную полярную пустыню. Небольшое количество осадков и твердое состояние воды на протяжении 10—11 месяцев в году способствуют появлению признаков, типичных для аридных ландшафтов: щелочная реакция почв (рН 7,5 — 8,0) и даже присутствие карбонатных новообразований.
Наиболее благоприятные условия для развития биогеохимических процессов в западной части Шпицбергена. Благодаря более мягкому и влажному климату участки с растительным покровом занимают большую площадь, чем на других арктических островах. Распространены следующие типы ландшафтных обстановок (Добровольский В. В., 1989). Для широких морских террас, окаймляющих фьорды, и пологих пролювиально-солифлкжционных скоплений у основания горных склонов характерна растительность арктических тундр. Она представлена мхами с примесью лишайников, переплетенными побегами полярной ивы (Salix polaris), с варьирующими количествами разнообразных камнеломок (Saxifmga oppositifolia, S.polaris, S.caespitosa и др.), куропаточьей травы (Drias octopetala), отдельными экземплярами полярных маков, лютиков, лапчатки, крупки, пучками ситников и злаков. На одних участках растительность образует сплошной ковер, на других тяготеет к понижениям, ограничивающим криогенные полигоны. Ковер переплетенных растений, плотно прилегающий к поверхности почвы, образует самый верхний горизонт aq почвенного профиля. Почвы представлены бурыми аркто-тундровыми с профилем типа А/С.
На высоких горных плато (выше 400 — 500 м над уровнем моря) сплошной покров почв и растительности отсутствует, степень покрытия менее 10 %. Среди растений преобладают низкие мхи, растущие на скоплениях мелкозема в центре медальонов или в Понижениях по краям полигонов. На мхах и крупных обломках горных пород растут лишайники. Встречаются отдельные экземпляры ситников и камнеломок. Почвы арктические фрагментарные (грубоскелетные).
На плоских, в разной степени заболоченных днищах ледниковых долин, выходящих в фьорды, растительность в основном состоит из пышных гипновых и сфагновых мхов. На относительно сухих местах среди мхов произрастают Кассиопеи (Cassiope tetragond), пучки злаков и ситников. В этих условиях происходит образование торфа, но его мощность, ограниченная близкой поверхностью многолетней мерзлоты (40 — 45 см), очень невелика. В широких долинах встречаются небольшие термокарстовые озера, по краям которых растут осоки (Carex nordina, C.rupestris), пухонос и пушица (Eriophorum).
Результаты анализа золы растений-торфообразователей (мхов) и торфа показали, что среди зольных элементов преобладает кремний. Его особенно много (до 36,5 % массы золы) в сфагнуме. Второе место занимают железо и алюминий. В процессе торфообразования происходит относительное накопление железа. Как в живых мхах, так и в торфе кальция больше, чем натрия, а калий преобладает над натрием. Обращает внимание значительное количество серы. Во мхах присутствует большое количество механической примеси минеральных частиц — от 40 до 80 % массы золы. Это связано с осаждением тонкого минерального материала, который несут воды тающих ледников, и отчасти с выпадением атмосферной пыли. Содержание механической минеральной примеси в торфе — от 60 до 80 % от массы золы.
Специального обсуждения заслуживают данные о зольности растений. Мнение об очень низкой зольности полярных растений требует некоторого уточнения. Кустистые лишайники, растущие на развалах скал, имеют зольность 1,39 — 2,80 % от воздушно-сухой массы, мхи в этих же условиях — в 2 — 3 раза больше. Зольность листьев полярной ивы от 3,22 до 4,57 %, а растущих рядом камнеломок — от 7,50 до 9,25 %. Еще сильнее различается зольность растений, находящихся в разных условиях обитания. Так, зольность надземной части ситников, собранных на высоком плато Хогфьеллет, равна 6,22 %, а тех же растений, произрастающих в близрасположенной ледниковой долине, — 10,87 %. Зольность мхов на каменистых склонах 5,08 %, на террасе в ледниковой долине — 8,64 %, в заболоченном днище этой же долины - 15,60%.
Высокая зольность растений острова Шпицберген и, вероятно, других районов арктической суши обусловлена механической примесью тонких минеральных частиц, приносимых ветром или оседающих на растениях из талых вод. Поэтому экспериментально определяемая зольность (процент золы от сухого органического вещества) и сумма зольных элементов, входящих в состав тканей растения (процент веществ, извлекаемых 1 н. НС1 из золы), существенно различаются. Как отмечено выше, особенно большое количество механической минеральной примеси содержится в растительности и торфах ледниковых равнин, по которым происходит основной сток талых вод.
В распространенных растениях было определено содержание тяжелых металлов. Установлено, что растения суши отличаются от прибрежных водорослей значительно более высокой концентрацией металлов и более низкой катионов морских солей. Наибольшие концентрации свойственны железу — сотни и тысячи мкг/г сухого растительного вещества, для цинка типичны десятки мкг/г, для меди — единицы мкг/г. Очень большой разброс данных обнаружен для марганца: от единиц до первых сотен мкг/г. На фоне общих закономерносгей заметна геохимическая специализация отдельных систематических групп. Например, для ситников характерна сравнительно высокая концентрация железа (1060—1563 мкг/г) и марганца (250 — 354 мкг/г); для лишайников — свинца (7,8 — 8,3 мкг/г); для ивы полярной — цинка (85,7— 176,2 мкг/г) и меди (5,8 — 8,0 мкг/г). Растения, находящиеся в геохимически подчиненных условиях (в ледниковых долинах), выделяются несколько повышенной концентрацией одного или двух-трех металлов. Особенно повышена концентрация железа, марганца, свинца во мхах, растущих в заболоченных днищах долин. Повышенная концентрация некоторых металлов отмечена также у растений, находящихся в непосредственной близости к берегу. Одновременно в растениях, расположенных у берега, значительно больше катионов морских солей.
Влияние океана не ограничивается переносом тепла и влаги. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляют водорастворимые соли. Снеговые осадки активно «вымывают» аэрозоли. По имеющимся данным, на северном побережье Восточно-Европейской равнины с атмосферными осадками выпадает в среднем 5 т/км2 в год морских солей, на Земле Франца-Иосифа — 3 т/км2 в год. Минерализация снеговых осадков в Арктике близка к 10 мг/л. Следовательно, при количестве осадков 400 мм/год в западных районах острова Шпицберген осаждается около 4 т/км2 морских солей.
В составе океанических аэрозолей преобладают водорастворимые сульфаты и хлориды щелочных и щелочно-земельных элементов. В виде ничтожной, но постоянно присутствующей примеси в них находятся тяжелые металлы. Происхождение примесей до конца не выяснено, но все больше фактов свидетельствует о том, что на значительном удалении от индустриальных центров концентрация металлов определяется природными факторами, а их присутствие в тропосфере такое же естественное явление, как содержание в Мировом океане или в земной коре.
Тяжелые металлы в снеговых осадках и льдах Арктики и Антарктики настойчиво изучаются последние 30 лет. Несмотря на большие трудности, связанные с их ничтожным содержанием, к настоящему времени установлено, что уровни концентрации металлов в снеговых осадках двух полярных областей различаются. Причем это различие обусловлено природными факторами. Результаты изучения геохимиками США разрезов ледников Гренландии свидетельствуют о сопоставимости концентрации металлов в современных и древних осадках. Только для цинка и свинца есть основания предполагать их возрастание в 3 — 4 раза. Существенный вклад океанических аэрозолей можно рассматривать как естественное звено биогеохимических циклов тяжелых металлов.
Поступление океанических аэрозолей имеет особо важное значение в условиях арктических ландшафтов, где взаимодействие растительности с минеральным субстратом затруднено, а гипергенное разложение минералов подавлено. По данным А. В. Евсеева (1988), в снеговом покрове острова Шпицберген следующие концентрации металлов (в мкг/л): Fe — 27,5; Мn — 0,80; Zn — 31,1; Сu - 1,7; Рb - 0,9; Ni - 0,3; Со - 0,3.
Как видно из данных табл. 11.1, концентрации водорастворимых форм, которые могут быть непосредственно вовлечены в биологический круговорот, весьма невелики. Условия арктического климата и близость вечной мерзлоты не только ограничивают взаимодействие растений с минеральным субстратом, но и подавляют процессы гипергенного разрушения минералов. Концентрации форм, которые могут быть мобилизованы под воздействием слабокислых почвенных растворов, в сотни раз превышают таковую для железа и марганца в снеге, для других металлов превышение невелико. Приведенные данные показывают, что атмосферные осадки на острове Шпицберген являются важным источником поступления не только морских солей, но и некоторых металлов.
Поступление морских солей и рассеянных элементов из атмосферных осадков, возможно, сказывается на повышенной концентрации водорастворимых форм щелочных, щелочно-земельных элементов и тяжелых металлов в самом верхнем растительно-торфянистом слое почвы.
Некоторое количество металлов выводится из биогеохимических циклов миграции и закрепляется в отмирающих органах растений и торфе. В ковре плотно переплетенной тундровой, существенно моховой растительности, не отделимой от мертвого органического вещества, происходят сложные процессы трансформации соединений металлов. Соотношения разных форм металлов были изучены на примере форм железа и цинка, содержащихся в растительном покрове и скоплениях торфа в плакорной тундре на низкой террасе Ис-фьорда и в заболоченной западине на этой же террасе (Добровольский В. В., 1990).
Таблица 11.1
Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в рыхлых
отложениях острова Шпицберген, мкг/г


Экстракция
Химический элемент







Fe
Мn
Zn
Сu
Рb
ni
Со
Водная вытяжка







М
5,71
0,54
0,53
0,11
0,05
0,07
0,03
s
4,64
0,28
0,21
0,08

0,08
0,03
V, %
81
52
40
73

107
100
Вытяжка 1 н НС!







М
1266,6
408,8
7,41
4,64
4,23
0,83
1,04
s
949,3
148,0
2,40
2,46
2,23
1,07
0,45
V, %
75
36
32
53
53
129
43

Примечание Обозначения М — среднее арифметическое, а — среднеквадратичное отклонение, V— коэффициент вариации.

На низкой террасе содержание истинно растворимых форм железа и цинка, способных к диализу, составило около 80 % от всех форм, находящихся в растворе. В заболоченной западине в верхнем слое торфа с живыми растениями истинно растворимых форм железа оказалось около 70 %, цинка — 50 %, в нижезалегающем торфе еще меньше. При этом процент истинно растворимых форм органического углерода от растительного слоя к торфяному также уменьшился — на террасе в 2 раза, в заболоченной западине еще больше.
При электродиализе истинно растворимых форм железа установлено, что среди них преобладают электронейтральные соединения. Так как аналогичное распределение имеет место для углерода, можно предположить, что электронейтральные формы представлены молекулами органических соединений, содержащих железо. Среди истинно растворимых форм цинка процент электронейтральных форм несколько меньше, чем заряженных, причем анионы содержатся в большем количестве в верхнем растительном слое.
Полученные данные позволяют заключить, что в верхней части растительно-торфяного покрова арктических тундр острова Шпицберген сосредоточено наибольшее количество истинно растворимых форм металлов. Среди этих форм соотношение положительно и отрицательно заряженных, а также электронейтральных неодинаково для разных металлов. В биологический круговорот вовлекается лишь некоторая часть истинно растворимых форм, главным образом положительно заряженные. Большая часть либо выносится с водным стоком, либо фиксируется в торфе, откуда может быть вновь переведена в подвижное состояние под воздействием кислых метаболитов растений. Концентрация фиксированных в торфе металлов в десятки и сотни раз больше концентрации истинно растворенных форм.
Неодинаковое поглощение металлов растениями обусловливает и неодинаковую интенсивность вовлечения каждого металла в биологический круговорот. Если рассчитать отношение концентрации металлов в растениях к их концентрации в водной вытяжке из почвообразующих пород, то обнаруживается, что наиболее интенсивно растениями захватываются железо и марганец, для которых это отношение равно 100n и 1000n. Для цинка, меди, никеля это отношение имеет порядок 10n. Высокие концентрации железа и марганца не только сохраняются, но и увеличиваются в мертвом органическом веществе.
Систематическое удаление металлов с водным стоком и выделение их из раствора в прочно фиксированное состояние в мертвом органическом веществе постоянно восполняется поступлением новых масс подвижных форм, поддерживающих биологический круговорот и функционирование экогеосистемы арктической тундры в целом. Главными источниками поступления водорастворимых форм металлов служат океанические аэрозоли, выпадающие с атмосферными осадками, и минералы почвообразующих пород, содержащие рассеянные металлы.
Имеющиеся материалы позволяют оценить мигрирующие массы тяжелых металлов в арктических тундрах острова Шпицберген. Исходя из ранее приведенных данных о концентрации металлов в снеге, величина поступления металлов на западном побережье острова Шпицберген для слоя атмосферных осадков 100 мм/год может быть оценена следующим образом (г/год): железа — 27,5; марганца — 0,8; цинка — 31,1; меди — 1,7; свинца — 0,9; никеля — 0,3.
Согласно А.А.Тишкову (1983) в тундровой растительности на низкой террасе в районе Баренцбурга суммарная масса живых растений составляет 2,9 т/га сухого вещества, количество мертвого растительного материала — 9,6 т/га, годовой прирост (продуктивность) — 0,6 т/га. Годовой прирост растительности из разобщенных куртинок ивы полярной (Salix arctikd) на острове Корнуо-лис (Канадский Арктический архипелаг) составляет всего 0,03 т/га. Поданным В.Д.Александровой (1971), наиболее обильная растительность на острове Земля Александры (архипелаг Земля Франца-Иосифа) приурочена к высокой морской террасе (20 — 22 м над уровнем моря). В растительности преобладают мхи и цетрари-евые лишайники. Живая фитомасса равна 1,6 т/га, масса отмерших органов примерно такая же.
На основании приведенных данных и определенных нами средних концентраций тяжелых металлов в тундровой растительности западного побережья острова Шпицберген в табл. 11.2 представлено распределение масс металлов. Поступление металлов с осадками рассчитано на 300 и 400 мм/год в соответствии с количеством осадков на западном побережье острова.
Сопоставляя количество металлов, захватываемых приростом и поступающих с атмосферными осадками, можно заметить, что поступающих с осадками железа и марганца значительно (на математический порядок) меньше, чем их содержится в годовом приросте. В то же время другие металлы, например медь, поступают из тропосферы в таком количестве, что могут обеспечить прирост и, следовательно, нормальное функционирование экогеосисте-мы арктической тундры. Поступление цинка и свинца из тропосферы даже несколько превышает «норму» захвата этих элементов в биологический круговорот. Возможно, этот факт свидетельствует о повышении концентрации указанных металлов в арктической тропосфере. Однако существующее положение не приводит к нарушению функционирования экосистемы. Регулирование миграционных потоков осуществляется в почве путем взаимосвязанных процессов трансформации соединений металлов с образованием их форм, доступных растениям или мигрирующих с водным стоком. Избыточные количества металлов частично фиксируются мертвым органическим веществом, частично удаляются с водным стоком. Судя по концентрации этих металлов в аккумуляциях торфа в заболоченных долинах, значительная часть избыточных масс свинца связывается в мертвом органическом веществе, в то время как цинк преимущественно выносится с водным стоком.
Таблица 11.2
Массообмен тяжелых металлов в экосистеме арктической тундры острова Шпицберген (по В. В Добровольскому, 1989)

Металл
Округленная средняя концентрация в растительности, мкг/г сухого вещества
Масса металла, г/га


Поступление металла с осадками, г/га год


в живой фито-массе
в мертвом органическом веществе
в годовом приросте

Fe
2000,0
5800,0
19200,0
1200,0
82,5- 110,0
Мn
150,0
435,0
1440,0
90,0
2,4-3,2
Zn
60,0
174,0
576,0
36,0
93,3- 124,4
Сu
6,3
18,3
60,5
3,8
5,1 -6,8
Ni
4,3
12,5
41,3
2,6
0,9-1,2
РЬ
3,7
10,7
35,5
2,2
2,7-3,6
Со
1,0
2,9
9,6
0,6
0,9- 1,2

Экогеосистемы заболоченных ледниковых долин, находящиеся в геохимически подчиненном положении по отношению к ландшафтам арктических тундр, получают с поверхностным стоком дополнительное количество элементов минерального питания, в том числе тяжелых металлов. Это способствует увеличению годового прироста в 3 — 4 раза по сравнению с растительностью арктических тундр и соответственному возрастанию масс металлов, вовлекаемых в биологический круговорот. Высокая продуктивность мохово-болотной растительности, в свою очередь, обусловливает накопление значительного количества мертвого органического вещества, обогащенного тяжелыми металлами, особенно железом и марганцем. Запасы металлов в торфе заболоченных долин оцениваются следующими значениями: железа — десятки килограммов на 1 га, марганца — 1 — 2 кг/га, цинка — 100 — 300 г/га, меди, свинца, никеля — десятки граммов на 1 га.

11.2. Биогеохимия тундры

Тундровые ландшафты занимают крайнюю северную полосу материковой суши, контактирующую с морями Арктического бассейна. Климатические условия тундровой зоны дают возможность для большей активности биогеохимических процессов по сравнению с Арктикой. Тундровая растительность состоит из мхов, лишайников, травянистых растений, кустарничков и кустарников. В северных вариантах преобладают мхи и лишайники, на крайнем юге — кустарники. Типичная тундровая растительность имеет мохово-кустарничково-травянистый состав.
Почвенная микрофлора разнообразна; численность микроорганизмов выше, чем в арктических почвах. Количество бактерий колеблется от 500 до 3 500 103 экземпляров в 1 г почвы.
Содержание зольных элементов и азота в биомассе тундровой растительности примерно равно. Среди зольных элементов наибольшие концентрации свойственны кальцию, калию, магнию, фосфору и кремнию. Концентрации других элементов редко превышают 0,1 %.
Изучение рассеянных элементов в растениях, почвах и рыхлых почвообразующих породах тундровых ландшафтов Кольского полуострова (Добровольский В. В., 1963), полуострова Ямал (Московченко Д. В., 1995), северной части Евразии (Евсеев А. В., 1992), Аляски (Шаклетт X.Т., 1962) показало, что разные систематические группы растений селективно поглощают подавляющую часть тяжелых металлов, в то время как титан, цирконий, иттрий, галлий поглощаются слабо. На рис. 11.1 приведены графики интенсивности поглощения рассеянных элементов распространенными растениями тундры, расположенной на плоских поверхностях Хибинского горного массива (Кольский полуостров). Значения К6 свинца, цинка, олова, никеля и меди на математический порядок больше значений К6 циркония, титана, ванадия.


Рис. 11.1. Интенсивность биологического поглощения металлов
типичными растениями Хибинских тундр (по В.В.Добровольскому,
1963):
1 — лишайники; 2 — мхи; 3 — злаки; 4 — камнеломки

Особенно заметно отражают изменение концентраций металлов камнеломки (представители рода Saxifraga) и мхи (бриофиты). Х.Т. Шаклетт провел детальные биогеохимические исследования в тундровых ландшафтах Аляски и установил, что бриофиты могут выдерживать более высокие концентрации металлов, чем сосудистые растения. Некоторые мхи являются индикатором залежей руд, содержащих повышенное количество меди.
В условиях хорошего дренажа, существующих обычно на положительных элементах рельефа и склонах, формируются кислые бурые тундровые почвы. Для них характерна аккумуляция слаборазложившихся растительных остатков и образование обособленного торфянистого горизонта. Ниже этого горизонта профиль почв мало дифференцирован. В маломощном и плохо выраженном гумусовом горизонте, расположенном под торфяным горизонтом, содержание гумуса около 1 — 2,5%. В составе гумуса преобладают хорошо растворимые фульвокислоты; рН почв в верхних горизонтах приближается к 5. Кислые почвенные растворы способствуют водной миграции металлов преимущественно в виде комплексных органических соединений.
На территории низменных равнин с затрудненным дренажем в нижней части почвенного профиля устойчиво существуют условия дефицита кислорода. Это способствует формированию тущ рово-глеевых почв с глеевым горизонтом серого цвета. Горизог начинается сразу под торфяно-гумусовым горизонтом и продолжается до поверхности вечной мерзлоты. Иногда между гумусовым горизонтом и оглеенной частью почвенного профиля обоcобляется маломощный горизонт с чередованием серых и ржавых пятен, свидетельствующих об осаждении гелей оксидов Fe3+ и органоминеральных соединений.
Биомасса растительности тундровых экогеосистем возрастает по мере перехода от лишайниково-моховой тундры к кустарничковой от 4,0 — 7,0 до 28,0 — 29,0 т/га сухого вещества. В переходной подзоне лесотундры биомасса превышает 100 т/га. Масса органического вещества, находящегося на поверхности почвы и состоящего из оторфованных растительных остатков, достигает 80 — 90 т/га сухого вещества. В северных вариантах тундры биомасса растительности составляет более 50 % от суммарной массы растительности и мертвого органического вещества. По направлению к югу это соотношение меняется, и в кустарничковых тундрах биомасса меньше массы растительных остатков. Характерная черта структуры тундровой растительности — сильное преобладание массы подземных органов растений (70 — 80 %) над массой надземных органов.
Средние данные о распределении масс в самом распространенном типе тундровой растительности — мохово-кустарничковой тундре — согласно данным Л. Е. Родина и Н.И.Базилевич (1965), следующие (т/км2); биомасса — 2800; мертвое органическое вещество — 8300; годовой прирост — 2038; годовой опад — 2027. В биологическом круговороте участвует около 5 т/км2 азота в год.
На основании среднего значения зольности (речь идет об «истинной» зольности, т. е. о количестве элементов, входящих в состав тканей, а не о механической примеси пылевых минеральных частиц, количество которых в растениях некоторых природных зон превышает «истинную» зольность), равного для тундровой растительности 2 %, и приведенных выше данных о массе годового прироста можно сделать вывод, что растительность мохово-кустарничковой тундры ежегодно захватывает в биологический круговорот около 4,7 т/км2 химических элементов (за исключением азота). Исходя из этого количества и средних значений концентрации рассеянных элементов в годовом приросте суши (см. табл. 2.4), можно рассчитать ориентировочные значения масс некоторых элементов, захватываемых в биологический круговорот (табл. 11.3).
Таблица 11.3
Массы тяжелых металлов и некоторых рассеянных элементов,
вовлекаемые в биологический круговорот
в мохово-кустарничковой тундре

Химический элемент
Масса, кгДкм2 • год)
Химический элемент
Масса, кгДкм2 • год)
Fe
18,800
V
0,141
Мn
22,600
Рb
0,116
Ti
3,150
Y
0,070
Zn
2,850
Со
0,047
Сu
0,710
Мо
0,043
Zr
0,700
Sn
0,024
Ni
0,188
Ga
0,005
Cr
0,165
Gd
0,003
Средняя зольность, %
Захват суммы зольных элементов, т/(км2 • год)


2,0
4,5

Массы химических элементов, участвующие в биологическом круговороте на единице площади в тундровых экогеосистемах, не пропорциональны интенсивности поглощения этих элементов растительностью. Вероятно, одни элементы захватываются избирательно (например, цинк и медь), другие — поглощаются растениями пассивно, в зависимости от их содержания в окружающей среде (например, титан, цирконий, ванадий, иттрий).

Рекомендуемая литература

Александрова В. Д. Опыт определения надземной и подземной массы растительности в арктической тундре // Ботанический журнал. — 1958. — Т. 43.-№12.-С. 1748-1761.
Добровольский В. В. Биогеохимия тяжелых металлов в Арктике // Вестник МГУ. - Сер. почв. - 1995. - № 3. - С. 3-14.
Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимические особенности нагорных тундр Кольского полуострова// Почвоведение. — 1961. — № 3. — С. 25 —32. ТишковА А. Экосистемы западного побережья Шпицбергена (архипелаг Свальбард) // Известия АН СССР. - Сер. геогр. - 1993. - С. 99- 102.

Контрольные вопросы

1. Каковы количественные показатели биомассы и продуктивности арктических ландшафтов?
2. Рассмотрите факторы, влияющие на структуру биогеохимических циклов тяжелых металлов в условиях полярного пояса.
3. Каковы биогеохимические особенности тундрового почвообразования''
4. В чем проявляется влияние океана на биогеохимические процессы на арктических островах и побережьях?

Тема для самостоятельной работы

По данным, приведенным в гл 2, рассчитайте максимальные и минимальные количества двух металлов (по выбору), захватывающихся в биологический круговорот в Заполярье.





































Глава 12
БИОГЕОХИМИЯ ПОЯСА
ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ЛЕСОВ

Лесные ландшафты холодного и умеренного климата занимают 18,8 млн км2. Вместе с расположенными по периферии субтропической зоны листопадными лесами сбалансированного атмосферного увлажнения и жестколистными лесами сезонного увлажнения эти ландшафты образуют обширный пояс внетропических лесов Северного полушария, площадь которого составляет не менее 20 млн км2, или около 13—14 % территории всей Мировой суши.

12.1. Биологический круговорот элементов
в лесных сообществах

В растительности бореальных и суббореальных лесов сосредоточена значительная часть живого вещества планеты — около 700Ч10бт сухой массы. Биомасса, приходящаяся на единицу площади разных типов лесов, колеблется от 10Ч103 до 30Ч103 т/км2, достигая 40Ч103 т/км2 в восточно-европейских дубравах. Масса прироста (ежегодной продукции) в хвойных северотаежных лесах составляет около 450 т/км2 в год, в хвойных и смешанных лесах южной тайги — 800 т/км2 и более, в широколиственных суббореальных лесах — до 900 т/км2.
Общая биогеохимическая особенность лесных экогеосистем — продолжительное удерживание поглощенных химических элементов в живом веществе и продуктах его отмирания. По этой причине общая биомасса на единице площади лесного фитоценоза от 20 до 50 раз больше массы прироста. Замедленное движение масс элементов в системе биологического круговорота в лесных экоге-осистемах усиливается тем, что основная часть биомассы (около 80 %) находится над почвой, и отмирающие части растений опадают на ее поверхность, образуя обильную лесную подстилку. Н.В.Лукина и В.В.Никонов (1998) на основании результатов многолетних исследований показали, что лесные подстилки служат основным источником питания древесной растительности, в которой сосредоточена преобладающая часть живого вещества бо-реального пояса. Замедленное разложение подстилок является важным фактором регулирования масс химических элементов, мигрируюших в системе биологического круговорота элементов в лесных ландшафтах.
Микробиологическая деятельность в почвах лесов протекает весьма напряженно, причем наряду с бактериями и актиномице-тами важную роль играют грибы, активно разлагающие углеводы, из которых преимущественно состоят продукты опада лесной растительности. Из-за длительного холодного сезона, подавляющего микробиологическую деятельность, полного разрушения опадающих частей растений не происходит. По мере увеличения длительности холодного зимнего сезона масса неразложившихся растительных остатков возрастает с юга на север от 1500 т/км2 сухого органического вещества в широколиственных лесах до 3000 — 3500 т/км2 в северотаежных лесах.
В северных вариантах лесных фитоценозов количество некоторых химических элементов в мертвом органическом веществе лесной подстилки больше, чем в живой биомассе. В смешанных и лиственных лесах количество элементов в подстилке меньше, чем в биомассе, хотя абсолютное значение масс элементов в подстилке весьма большое. Таким образом, кроме значительного количества элементов в живой массе растительности имеется их большой запас в органическом веществе лесных подстилок. Замедленность цикла массообмена в процессе фотосинтеза — деструкции органического вещества обусловливает торможение миграции масс элементов в системе почва—растительность. Заторможенность биологического круговорота элементов усиливается по мере усиления бореальности окружающей среды.
Наряду с древесно-кустарничковой растительностью, поглощающей элементы питания из почвы, в бореально-лесном поясе широко представлена мохово-лишайниковая ассоциация, элементами питания которой служат аэральные мигранты, поступающие в ландшафты с атмосферными осадками.
Неотъемлемой частью зоны бореальных и суббореальных лесов являются болота. В некоторых регионах, например, на территории обширной Западно-Сибирской низменности, ландшафты болот и заболоченных местностей составляют более '/3 всей площади. В ландшафтах болот существует особая биогеохимическая ситуация. Замедленность биологического круговорота масс химических элементов, свойственная всем бореальным экосистемам, достигает предельного выражения в геосистемах болот. В наиболее распространенном типе болотных фитоценозов — сфанговых болотах — годовая продукция составляет примерно 10 % от живой биомассы и доли процента от массы мертвого органического вещества торфа.
Обобщенные данные о распределении и динамике масс живого вещества и азота в типичных фитоценозах лесной зоны Северного полушария приведены в табл. 12.1.
Таблица 121
Распределение и динамика масс живого вещества и азота в распространенных типах растительности лесной зоны России, т/км2 (составлено автором по данным Л. Е. Родина и Н.И Базилевич, 1965)

Структура биологического круговорота
Еловый лес северной тайги
Еловый лес южной тайги
Дубовый
лес
Сфагновое болото южной тайги
Биомасса

<< Пред. стр.

страница 18
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign