Лекция 22 Основы биогеохимии

Биогеохимия полярного пояса

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 обуславливает небольшой объем почвы, в котором растения могут взаимодействовать с минеральным субстратом.

Арктическая суша, представленная островами и архипелагами, находится под сильным взаимодействием океана. 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: щелочная реакция почв (рН 7,5-8,0) и присутствие карбонатных новообразований.

Распространены следующие типы ландшафтных обстановок. Для арктических тундр растительность представлена мхами с примесью лишайников, с разнообразными камнеломок, лютиков, лапчатки, крупки, пучками ситников и злаков. Результаты анализа золы растений – мхов и торфа показали, что среди зольных элементов преобладает кремний (до 36,5% массы золы). Второе место занимают железо и алюминий. В процессе торфообразования происходит накопления железа. Как в живых мхах, так и в торфе кальция больше, чем натрия, а калий преобладает над натрием. Также преобладает сера. 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 с выпадением атмосферной пыли. Особенно повышена концентрация железа, марганца, свинца во мхах.

Влияние океана не ограничивается переносом тепла и влаги. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляет водорастворимые соли. Снеговые осадки активно “вымывают” аэрозоли. В составе океанических аэрозолей преобладают водорастворимые сульфаты и хлориды щелочных и щелочно-земельных элементов, в которых находятся тяжелые металлы. Поступление морских солей и рассеянных элементов из атмосферных осадков, сказывается на повышенной концентрации водорастворимых форм и тяжелых металлов в верхнем слое почв. Некоторое количество металлов выводиться из биогеохимических циклов миграции и закрепляется в отмирающих органов растений торфа.

Биогеохимия тундры.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.

Содержание зольных элементов и азота в биомассе примерно равно. Среди зольных элементов наибольшие концентрации свойственны кальцию, калию, магнию, фосфору и кремнию.

Рассеянные элементы в растений, почвах и ландшафтов, показало, что разные систематические группы растений селективно поглощают подавляющую часть тяжелых металлов.

Некоторые мхи являются индикатором залежей руд, содержащих повышенное количество меди. В условиях хорошего дренажа, формируются кислые бурые тундровые почвы, для них характерно аккумуляция слаборазложившихся растительных остатков и образования торфянистого горизонта. А на территории с затрудненным дренажем существуют условия дефицита кислорода. Это способствует формированию тундрово-глеевых почв с глеевым горизонтом серого цвета.

Биогеохимия пояса внетропических лесов. Биологический круговорот элементов в лесных сообществах. В растительности бореальных и суббореальных лесов сосредо­точена значительная часть живого вещества планеты. Общая биогеохимическая особенность лесных экогеосистем — продолжительное удерживание поглощенных химических элемен­тов в живом веществе и продуктах его отмирания. Замедленное движение масс элементов в системе биологического круговорота в лесных экогеосистемах усиливается тем, что основная часть биомассы (около 80%) находится над почвой, и отмирающие части растений опадают на ее поверхность, образуя обильную лесную подстилку. Лесные подстилки слу­жат основным источником питания древесной растительности, в которой сосредоточена преобладающая часть живого вещества бореального пояса. Замедленное разложение подстилок является важ­ным фактором регулирования масс химических элементов, мигрирующих в системе биологического круговорота элементов в лес­ных ландшафтах. Микробиологическая деятельность в почвах лесов протекает весьма напряженно, 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.

Неотъемлемой частью зоны бореальных и суббореальных ле­сов являются болота. В ландшафтах болот существует особая биогеохимическая ситуация. Замедленность биологического круговорота масс хими­ческих элементов, свойственная всем бореальным экосистемам, достигает предельного выражения в геосистемах болот.

Сумма зольных элементов в разных органа деревьев заметно различается. Зольность хвои и тонких веток хвойных деревьев бореальных лесов почти в 10 раз больше зольности древесины стволов.

Биогеохимические особенности почв пояса. Почвы лесных ландшафтов обусловлены близким характером происходящих в них биогеохимические процессы. В результате замедленного био­логического круговорота на поверхности почв залегает слой слаборазложившихся продуктов опада — лесная подстилка. Преобладание атмосферных осадков над испарением и присут­ствие легкорастворимых гумусовых кислот, образующихся при разложении растительных остатков микроорганизмами, среди которых важную роль играют грибы, способствуют формирова­нию кислых, систематически промываемых почв. Для всех типов почв лесных ландшафтов характерна аккумуля­ция элементов питания в лесной подстилке, под которой распо­ложен горизонт их выноса. В подстилках ненарушенных лесных фитоценозов выделяются два горизонта: свежий опад, лежащий на поверхности почвы, и находящийся под ним частично разложившийся и уплотненный опад. Химический состав нижнего горизонта лесной подстилки отливается от верхнего более высоким содержанием азота, лиг­нина и суммы зольных элементов. Металлы накапливаются в ниж­ней части лесной подстилки, откуда захватываются в биологический круговорот после разрушения связи с органическими веще­ствами или вымываются в составе растворимых органических со­единений, главным образом фульвокислот.

Неодинаковая прочность связи металлов и различная раство­римость органических соединений способствуют неодинаковому возрастанию концентрация разных металлов. Остаточное обога­щение наиболее характерно для свинца и никеля, концентрация которых в подстилках по сравнению со свежим опадом увеличивается до 10 раз и более. Цинк и кадмий закрепляются менее проч­но. В субтропических лесных ландшаф­тах цинк и кадмий могут накапливаться в нижней части лесной подстилки. В лесах суббореального и бореального пояса эти металлы более активно выносятся, благодаря чему их концентрация в ниж­нем горизонте подстилок редко возрастает более, чем в 1,5 —2 раза.

Таким образом, напочвенное органическое вещество лесных ландшафтов играет двойственную роль в биосферной геохимии тяжелых металлов. Во-первых, оно служит временным резервуа­ром, куда выводятся из миграции значительные массы рассеян­ных металлов. Во-вторых, благодаря образованию специфичес­ких водорастворимых органических соединений — фульвокислот, с которыми металлы образуют прочные комплексы, в лесных под­стилках начинается перераспределение масс металлов, вовлекае­мых в водную миграцию и биологический круговорот.

Биогеохимия внетропических степей и пустынь

Биологический круговорот элементов в аридных растительных сообществах. Растительность аридных ландшафтов представлена преимущественно травами, кустарничками и кустарниками, в составе которых по мере усиления засушливости увеличивается количество ксерофитных и эфемеровых форм. На территории аридного пояса в природном растительном покрове преобладают травянистые фитоценозы. В полупустынных и пустынных районов преобладает солянковая растительность. Зольность растений засушливых ландшафтов примерно в 2 раза выше, чем в гумидных. Характерная биогеохимическая особенность, свойственная всем растительным сообществам степей и пустынь, — более интенсивный массообмен по сравнению с растительностью лесной зоны. Уменьшение интенсивности массообмена в системе биологического круговорота от хорошо увлажняемых степных ландшафтов к наиболее засушливым пус­тынным связано с особенностями распределения надземных и подземных органов растений. В конкретных ландшафтах под влиянием местных геохимиче­ских условий концентрация элементов в растениях и, следова­тельно, их количеству, вовлекаемое в биологический круговорот, могут сильно отклоняться от рассчитанных. Например, удержа­ние селена в растительности некоторых засушливых районов США таково, что кормовые травы оказываются ядо­витыми для скота. В областях активной вулканической деятельно­сти аридные условия способствуют активному накоплению фтора и некоторых других элементов. В подобных случаях в биологиче­ском круговороте участвуют значительно большие массы элемен­тов. В большем количестве мигрирует также стронций, концентрация которого в золе растительности аридны ландшафтов значительно выше, чем в растительности суши в целом.

Биогеохимические особенности почв. Почвы аридных ландшафтов, характеризуются высокой биогенностъю. Огромное количество беспозвоночных быстро измель­чает и перерабатывает растительные остатки и перемешивает их с минеральным веществом почвы. Также существенно меняется соотноше­ние групп микроорганизмов. Общий уровень концентрации рассеянных элементов в почвах степей и пустынь обусловлен их содержанием в почвообразующих породах. Наряду с этим в пустынных почвах возрастает от­носительное значение водорастворимых форм. Основными факторами аккумуляции водорастворимых норм элементов в поверхностном горизонте почв пустынь являются ис­парительная концентрация и транспирация растений. Кроме того, повышенная щелочность почв засушливых ландшафтов способствует мобилизации тонких минеральных и органических суспензий. Этим объясняется присутствие в водных экстракциях из пустынных почв циркония, титана, галлия, иттрия и близких им элементов.

Биогеохимия морских островов.

Массоперенос солей. Наиболее очевидным геохимическим воздействием моря на сушу является массоперенос морских солей на прибрежную террито­рию. В то же время мно­гочисленные данные свидетельствуют, что с удалением от берега моря концентрация растворимых солей в атмосферных осадках быстро уменьшается. При этом убывание по­ступающих масс химических элементов происходит очень быст­ро, возможно, в нелинейной зависимости от расстояния. Следо­вательно, на континентах влияние массопереноса морских солей ограничено узкой прибрежной полосой и не распространяется на внутриконтинентальные области. Иная ситуация существует на не­больших островах, вся территория и биота которых находятся под воздействием массопереноса с моря. По этой причине биогеохи­мические процессы массообмена на островах обладают специфи­ческими особенностями.

Важное значение имеет не только непосредственное поступление солей на поверхность почвы, но и аккумуляция их растительностью.

Поступление тяжелых металлов. Важным фактором, влияющим на биогеохимические особен­ности островной растительности, является поступление опреде­ленной группы химических элементов с атмосферными осадками. Химические элементы, содержа­щиеся в растительности океанических островов, имеют разные источники поступления. Более высокая концентрация железа и особенно марганца в растительности островов, сложенных маг­матическими породами, обусловлена поступлением указанных ме­таллов из пород. В коралловых известняках этих металлов значи­тельно меньше и соответственно их меньше в растительности атол­лов. В то же время концентрация цинка, меди, свинца, никеля в наземной растительности островов, равно как в манграх атоллов и рифов. Таким источником металлов для растительности океа­нических островов всех типов могут быть только атмосферные осадки. Выяснение происхождения тяжелых металлов, находящихся над океаном в тропосфере, — весьма сложная задача. Носителем металлов может быть тонкая пыль, вынесенная с континентов, выбросы вулканов, брызги и испарения океана.

Биологический круговорот химических элементов в ландшаф­тах островов неразрывно связан с процессами, протекающими в почве. Своеобразие атолловых почв обусловлено тем, что их хими­ческий состав формируется не столько за счет вещества почвообразующей породы, сколько в результате поступления химических элементов извне. Элементы, аккумулированные в опаде раститель­ности, поступают в почву, где осуществляются сложные процес­сы трансформации. В эти процессы включаются непрерывно вы­падающие из тропосферы жидкие и сухие осаждения, компонен­ты карбонатного субстрата, продукты жизнедеятельности коло­ний птиц. Продукты распада быстро измельчаются беспозвоночными, по­этому в составе почвенного органического вещества преобладает мелкий детрит.