Добровольский В.В. Основы биогеохимии

Подождите немного. Документ загружается.

Fe 34,0 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 К

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 К

металлов указывают, что наиболее активно

вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка

(К

> 10), а также молибдена, кадмия и меди, К

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

221

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 организмов

3. Какими причинами можно объяснить повышенную концентрацию металлов в

аэрозолях по сравнению с развеиваемыми ветром горными породами?

222

4. Какое значение для массообмена металлов в биосфере имеют процессы

биометилизации

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,

223

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/км

): 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

224

Показатели биогеохимической деятельности фотосинтезирующих

организмов в географических поясах Мирового океана

Географический пояс

Живая

биомасса,

т/км

Продуктивност

ь (живая

масса),

т/(км

• год)

Поглощение

СО

т/(км

• год)

Выделение

т/(км

• 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

/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/км

в год, в экваториальном — 210 т/км

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 %.

225

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 К

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 Х

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

226

Биологическая продуктивность основных зональных типов

растительности, т/км

(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/км

) 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 СО

за год из почвы в атмосферу за счет

разрушения мертвого органического вещества. Ориентировочно можно

227

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 К

, который численно

равен отношению массы мертвого органического вещества к массе опада. Чем

энергичнее протекает процесс разрушения органического вещества и

выделения СО

, тем меньше значение этого коэффициента:

Природная зона К

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,

228

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

229

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

230