Добровольский В.В. Основы биогеохимии

Подождите немного. Документ загружается.

хорошо дренируемых лесных ландшафтов. Сопоставление имеющихся данных

по Восточной Сибири показывает, что величина К

рассеянных элементов в

водах верховых болот больше, чем в речных.

В процессе водной миграции происходит закономерное

перераспределение рассеянных элементов в элементарных экогеосистемах,

последовательно сменяющихся от водораздела к депрессиям рельефа. В зоне

бореальных лесов типичными геохимически подчиненными ландшафтами

являются низинные болота. Наиболее характерные для лесной зоны

миграционные формы металлов, связанные с растворимым органическим

веществом, достигают в условиях низинных болот наибольшей концентрации.

Более 90 % железа, близкие количества марганца, меди, цинка, никеля, хрома,

ванадия в водах низинных болот присутствуют в форме растворимых

органических соединений металлов и коллоидных растворов. Участие каждого

рассеянного элемента в геохимическом сопряжении очень

индивидуализировано и зависит от свойств их миграционных форм и

конкретных ландшафтно-геохимических условий.

В целом в водах низинных болот концентрация большей части тяжелых

металлов выше, чем в верховых. Это хорошо видно из данных для болотных

вод центральной части Западно-Сибирской низменности (табл. 12.11).

Таблица 12.11

Средняя концентрация рассеянных элементов в водах болот

Западной Сибири, мкг/л (по С.Л.Шварцеву, 1978)

Химический

элемент

Верховые

болота

Низинные

болота

Химический

элемент

Верховые

болота

Низинные

болота

Мn 41,90 52,50 Ti 2,65 1,10

Zn 5,73 9,86 Pb 0,60 0,89

Ва 11,50 9,23 Ni 0,66 0,72

Сu 0,55 1,20 V 0,10 0,19

Благодаря высокой концентрации тяжелых металлов в воде болот сильно

возрастает захват этих элементов в биологический круговорот и значительно

повышается их концентрация в мертвом органическом веществе. В низинных

торфяниках Карелии по сравнению с верховыми возрастает концентрация:

марганца и цинка — примерно в 2 раза, кобальта — в 3 — 4, молибдена и меди

— в 5 —6 раз. В разных районах соотношение концентраций элементов в торфе

низинных и верховых болот имеет свои особенности. Выше отмечено, что по

мере уменьшения бореальности повышается величина рН природных вод и

уменьшается содержание в них растворимых органических соединений.

Одновременно с этим снижается контрастность концентраций рассеянных

металлов в низинных и верховых торфяниках.

Растения-торфообразователи активно поглощают металлы из грунтовых

вод, омывающих неглубоко залегающие залежи руд. В результате образуются

биогеохимические аномалии. Используя это явление, финский геохимик

М.Сальми предложил метод поиска руд путем анализа торфа. Он обнаружил

биогеохимические аномалии меди, свинца, цинка, ванадия и титана в

271

торфяниках вблизи рудных тел, перекрытых ледниковыми отложениями

мощностью 10-12м (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Биогеохимическая аномалия в торфе болота Малмисуо,

Финляндия (по М. Сальми, 1955)

Другим распространенным вариантом геохимически подчиненной

элементарной экогеосистемы в лесной зоне являются речные поймы. Одна

часть взвесей и растворимых соединений, сносимых поверхностным и

грунтовым стоками с водораздельных пространств в долины рек, удаляется за

пределы района, другая часть продуктов смыва задерживается в поймах. При

этом происходит дифференциация химических элементов. В пойменных почвах

рек лесной зоны частично задерживаются тяжелые металлы, а хорошо

растворимые элементы (натрий, кальций, стронций, бор, литий, фтор)

вовлекаются в транзитную миграцию с речными водами и выносятся. В

результате в биологический круговорот на поймах вовлекаются

дополнительные массы металлов, а в растительности и почве возрастает их

концентрация. По этой причине преобладающая часть биогеохимических

аномалий в болотах, озерах и речных поймах лесной зоны обусловлена

эффектом геохимического сопряжения, а не связана с залежами руд. Такое

заключение подтверждено специальными исследованиями в Финляндии.

Финский геохимик И.Йлируоканен (1975) обследовал 130 сфагновых болот, из

272

которых в 15 обнаружил биогеохимические аномалии. Лишь часть этих

аномалий была связана с рудами, а остальные оказались «ложными»,

возникшими в результате эффекта геохимического сопряжения.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Добровольский В. В., Мельчаков Ю.Л. Динамика массообмена металлов в

ландшафтно-геохимических условиях Среднего Урала // Тр. Биогеохимической лаборатории.

— М.: Наука, 1990. — Т. 21. — С. 89— 100.

Елпатьевский П. В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-

техногенных геосистемах. — М.: Наука, 1993. — 253 с.

Казимиров Н.И., Морозова P.M. Биологический круговорот веществ в ельниках

Карелии. — Л.: Наука, 1973.

Лукина В. В. Питательный режим лесов северной тайги. — Апатиты: Кольский

научный центр РАН, 1998. — 316 с.

Морозова Р. М. Запас, зольный состав лесных подстилок в еловых насаждениях//

Почвенные исследования Карелии. — Петрозаводск, 1974. — С. И9-142.

Никонов В. В., Лукина Н.В. Биогеохимические функции лесов на северном пределе

распространения. — Апатиты, 1994. — 315 с.

Родин Л.Е., Базилевич Я. И. Динамика органического вещества и биологический

круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. —

М.-Л.: Наука, 1965. — 251 с.

Структура и функционирование экосистем южной тайги / Под ред. Н. И. Базилевич,

А. А.Тишкова. — М.: Ин-т географии АН СССР, 1986. — 298с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы основные черты структуры живого вещества бореальных| лесов?

2. Как меняется соотношение живой биомассы и мертвого органического вещества в

пределах лесного пояса Северного полушария?

3. Какое глобальное значение имеет аккумуляция органического ве-1 щества в зоне

бореальных лесов?

4. Какие зольные элементы в наибольшем количестве захватываются в биологический

круговорот в лесных биоценозах?

5. Каков порядок масс тяжелых металлов, захватываемых в биологический круговорот

на единице площади бореальных лесов?

6. Каковы главные формы аккумуляции металлов в почвах бореальных лесов?

7. Каковы главные миграционные формы металлов в природных водах пояса

бореальных и суббореальных лесов?

ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Составьте схему массообмена в экосистеме бореального леса с указанием масс

главных элементов

2. Определите количество кислорода, находящегося в атмосфере благодаря фиксации

углерода в залежах торфа на территории пояса бореальных лесов и суббореальных лесов

273

ГЛАВА 13

БИОГЕОХИМИЯ ВНЕТРОПИЧЕСКИХ

СТЕПЕЙ И ПУСТЫНЬ

Внетропический аридный пояс занимает около 20 % Мировой суши.

Основную часть этой территории составляют внутри-континентальные регионы

Евразии и отчасти Северной Америки. На территории, расположенной в

условиях недостаточного увлажнения с коэффициентом К

< 1,0—1,2,

сформированы разнообразные экогеосистемы степей и пустынь. Аридный

внетропичес-кий пояс включает суббореальные зоны (степную, сухостепную и

пустынную) общей площадью 9,2310

км

, а также субтропические

кустарниково-степную и пустынную зоны, площадь которых равна 7,0410

км

13.1. 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 районах со сбалансированным или слабо

дефицитным атмосферным увлажнением (К

= 1,0 — 0,75) до вмешательства

людей были распространены луговые разнотравные степи, чередовавшиеся с

участками широколиственных лесов. С усилением континентальное™ климата

луговые степи Евразии сменяются разнотравно-типчаково-ковыльными и

типчаково-ковыльными. На всей территории естественная растительность

частично уничтожена в результате хозяйственной деятельности населения,

частично заменена вторичной. Годовому количеству атмосферных осадков

около 350 мм и менее соответствуют сухие степи: полын-но-типчаково-

ковыльные и полынно-типчаковые. По мере усиления аридности относительное

содержание полукустарничков, главным образом полыней, увеличивается. В

полупустынных и пустынных районах к ним добавляется солянковая

растительность. Величина фитомассы аридных ландшафтов значительно

уступает лесным и составляет в степях от 1000 до 2500 т/км

сухого

органического вещества, в пустынях — от 0,4 до 2 — 3 т/км

(в экосистемах

экстрааридных пустынь Центральной Азии). Суммарная масса растительности

аридной территории суббореального и бореального поясов в десятки раз

меньше лесной.

Зольность растений засушливых ландшафтов примерно в 2 раза выше,

274

чем в гумидных. Несмотря на то, что фитомасса аридных ландшафтов на один-

два математических порядка меньше лесных, величина биологического

круговорота в тех и других вполне соизмерима, а в луговых степях даже

больше. Структура биологического круговорота в главных типах аридных

экогеосистем показана в табл. 13.1.

Характерная биогеохимическая особенность, свойственная всем

растительным сообществам степей и пустынь, — более интенсивный

массообмен по сравнению с растительностью лесной зоны. Суммарная масса

ежегодного прироста достигает значения биомассы в степях за 2 — 3 года, в то

время как в лесных сообществах — за 25 — 50 лет. При этом интенсивность

массообмена максимальна в северных (луговых) степях и постепенно

уменьшается по мере усиления аридности. Количество ежегодно вовлекаемых в

биологический круговорот химических элементов (включая азот) в северных

степях составляет 55 — 58% от количества элементов в биомассе, в сухих

степях — 45 — 47 %, в полукустарничковых пустынях — менее 35%.

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 луговых степях надземная часть

растительности превышает 30 %, в сухих степях равна 15 %, в пустынях — 13

%. По причине того, что надземная часть ежегодно отмирает и возобновляется

почти полностью, а масса корней лишь на '/з, относительное значение массы

прироста в луговых степях значительно больше, чем в пустынях.

Таблица 13.1

Распределение масс азота и суммы зольных элементов

в распространенных типах растительности степей и пустынь

(по Л. Е. Родину и Н.И.Базилевич, 1965)

Тип

Содержание

в биомассе,

т/км

Ежегодный захват

растительностью,

т/(км

• год)

Ежегодный возврат

в почву с спадом,

т/(км

• год)

азота зольных

элементов

азота зольных

элементов

азота зольных

элементов

Степи луговые 27,4 90,9 16,1 52,1 16,1 52,1

Степи сухие 10,3 24,2 4,5 11,6 4,5 11,6

Пустыни

полукустарничковые

6,1 12,4 1,8 4,1 1,8 4,1

Количество зольных элементов в биомассе умеренно засушливых степей

составляет около 60 т/км

, засушливых степей Казахстана и Алтая — 25 т/км

полукустарничковой пустыни плато Устюрт — 10 т/км

. Годовой захват

зольных элементов растительностью засушливых степей в среднем составляет

от 10 до 30 т/км

, в пустыне — около 4 т/км

. Средняя зольность прироста

(продукции) засушливых степей — 3,5 — 4,0 %, полукустарничковых пустынь

— около 4 %. На основании этих данных были определены ориентировочные

количества рассеянных элементов, захватываемые в биологический круговорот

275

в сухих и засушливых степях и пустынях (табл. 13.2). Полученные результаты

дают возможность объективно оценить порядок масс рассеянных элементов,

участвующих в биологическом круговороте в распространенных

внетропических аридных фитоценозах.

В конкретных ландшафтах под влиянием местных геохимических

условий концентрация элементов в растениях и, следовательно, их количество,

вовлекаемое в биологический круговорот, могут сильно отклоняться от

рассчитанных. Например, содержание селена в растительности некоторых

засушливых районов США (плато Колорадо) 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, чем это указано

в табл. 13.2. В большем количестве мигрирует также стронций, концентрация

которого в золе растительности аридных ландшафтов значительно выше, чем в

растительности суши в целом.

Таблица 13.2

Массы рассеянных элементов, вовлекаемые в биологический

круговорот в аридных ландшафтах, кг/км

• год

Химический элемент

Типчаково-

ковыльные и

полынно-типчаково-

ковыльные степи

Полынно-биюр-

гунные пустыни

Fe 40,0 - 120,00 16,00

Мn 41,0 -123,00 16,40

Sr 7,0 - 21,00 2,80

Ti 6,5-19,50 2,60

Zn 6,0 - 18,00 2,40

Ва 5,0 - 15,00 1,80

Сu 1,6 - 4,80 0,64

Zr 1,5 - 4,50 0,60

Ni 0,4- 1,20 0,16

Cr 0,35- 1,05 0,14

V 0,30 - 0,90 0,12

Pb 0,25- 0,75 0,10

Co 0,10 - 0,30 0,04

Mo 0,10 - 0,30 0,04

Sn 0,05 - 0,15 0,02

Ga 0,01 - 0,03 0,004

Cd 0,007 - 0,02 0,003

Средняя зольность, % 3,5-4,0 4,0

Захват суммы зольных

элементов, т/(км

• год)

10,0 - 30,0 4,0

Степные растения обладают хорошо выраженными индивидуальными

биогеохимическими особенностями. В качестве примера в табл. 13.3 приведены

данные М.Д. Скарлыгиной-Уфимцевой и соавторов (1976) о концентрации

276

рассеянных элементов в типичных растениях степной зоны. Участок отбора

образцов представляет собой мелкосопочную денудационную поверхность,

покрытую маломощными щебнистыми плейстоценовыми отложениями.

Количество осадков 380 мм/год, годовая испаряемость в 2 раза превышает эту

величину. Образцы отобраны в пределах распространения однотипных

коренных пород — вулканитов кислого состава.

Таблица 13.3

Концентрация рассеянных элементов в надземной части степных

растений Южного Урала, мкг/г золы

Химический

элемент

Ковыль Типчак Мятлик Полынь Вероника

Мn 1650,0 250,0 922,0 975,0 650,0

Ti 250,0 934,0 265,0 242,0 900,0

Sr 200,0 131,0 141,0 404,0 250,0

Ва 215,0 210,0 — 47,0 35,0

Zn 750,0 278,0 150,0 273,0 550,0

Pb 110,0 94,0 41,6 33,0 110,0

Сu 35,0 26,0 28,0 175,0 40,0

V 20,0 21,0 15,0 20,0 —

Ni 8,0 14,1 13,3 9,5 16,5

Ag 0,6 0,4 0,4 0,4 —

Несмотря на одинаковые условия, различие в аккумуляции

микроэлементов разными растениями вполне очевидно. В ковыле (Stipa rubens)

установлены наибольшие концентрации марганца и свинца; в типчаке (Festuca

sulcata) — титана и цинка; в полыни (Artemisia marschalliand) — меди; в

веронике (Veronica incana) — никеля. Биогеохимические особенности

изученных растений, справедливые для данного участка, на участке с другими

ландшафт-но-геохимическими условиями соответственно изменяются.

Вариации концентраций весьма значительны. Обнаружены случаи

нормального, логнормального и сложного распределения.

Для оценки суммарного эффекта биогеохимической деятельности

растительного покрова большой интерес представляет состав не отдельных

родов растений, а групп, образующих основную массу растительности степей.

Такими группами являются злаки, бобовые, разнотравье. Каждая из них

различается уровнями концентрации элементов. При изучении состава этих

групп в степной зоне Среднерусской возвышенности Л.Е.Савельева (1979)

установила, что в злаках больше титана, ванадия, никеля, в разнотравье —

свинца и бария, в бобовых — стронция (табл. 13.4).

Таблица 13.4

Концентрация рассеянных элементов в золе основных групп

растений степной зоны Среднерусской возвышенности, мкг/г

Химический элемент Бобовые (клевер) Злаки Разнотравье

Тi 203,6 627,8 490,6

Мn 550,0 1092,3 1093,3

Sr 1616,7 458,8 971,4

277

Ва 341,7 255,0 792,9

Ni 20,5 35,0 26,1

Pb 14,9 19,2 20,9

Zr 10,0 13,6 20,9

V 9,1 50,6 31,4

Концентрация многих рассеянных элементов в корнях и надземной части

травянистой растительности неодинакова. В корневой массе трав концентрация

тяжелых металлов обычно выше, чем в надземных органах. В условиях ореолов

рассеяния рудных месторождений, наоборот, более высокая концентрация

многих металлов (меди, молибдена, серебра, свинца) чаще бывает в надземных

органах.

По мере усиления аридности в растительном покрове степей постепенно

сокращаются и исчезают представители разнотравья, в сухих степях

уменьшается количество злаков и возрастает удельное значение ксерофильных

полукустарничков, появляются растения-солянки. Одновременно

увеличивается зольность растений. Это обусловлено не только более высокой

концентрацией главных зольных элементов в тканях, но также налетом тонкой

пыли, которая неотделима от растений. В луговых степях зольность надземной

части трав меньше, чем их корней, в засушливых степях — примерно

одинакова, в пустынях зольность корней меньше, чем надземных органов.

Зольность корневой и надземной частей полыней в степях Южного Урала и

Северного Казахстана около 7— 10 %, в Закаспийских пустынях надземная

масса имеет зольность 12— 16 %, корни — 8 — 9 %. У солянок эта разница еще

более контрастна. Однако высокая зольность не влечет за собой повышения

уровней концентрации большей части микроэлементов. В пустынях, как и в

степях, растения проявляют биогеохимическую индивидуальность. В

растительном покрове пустыни Устюрт (Добровольский В.В., 1961) основную

роль играют полынь (Artemisia terrae albae) и биюргун (Anabasis salsa). На

щебнистых участках развиты заросли боялыча (Salsola anbuscula). Наиболее

высокая концентрация большинства элементов обнаружена в полыни, хотя

количество зольных элементов (главным образом водорастворимых солей) в

биюргуне в 2 раза выше. Только стронций образует повышенные концентрации

в солянках. В корнях полыни и биюргуна установлена более высокая

концентрация марганца, меди, молибдена, стронция — элементов,

принимающих весьма активное участие в биологической миграции. В

надземной части больше титана, ванадия, циркония, слабо участвующих в

биологической миграции. Возможно, что их присутствие частично обусловлено

примесью тонкой силикатной пыли, о которой говорилось выше.

Несмотря на варьирование количества солей и силикатных пылевых

частиц, в составе растений аридных ландшафтов ясно обнаруживается

избирательное поглощение рассеянных элементов. Расчеты коэффициентов

биологического поглощения К

показывают, что в степной и пустынной

растительности в равной мере сказывается действие общих биогеохимических

закономерностей. Наиболее активно вовлекаются в биологический круговорот

стронций, медь, молибден, цинк. Величина их К

устойчиво превышает

единицу. Очень слабо поглощаются титан, цирконий, ванадий. Значение их К

278

часто опускается ниже 0,1.

Графики, характеризующие интенсивность биологического поглощения

элементов степной растительностью, приведены на рис. 13.1. Общее

увеличение концентрации зольных элементов в растениях при переходе от

степных ландшафтов к пустынным не меняет соотношение величины К

микроэлементов.

Рис 131 Интенсивность биологического поглощения металлов

растениями, характерными для северных степей Среднерусской возвышенности

(по Л Е Савельевой, 1979)

I — надземная часть 1 — клевер, 2 —- злаки, 3 — разнотравье, II — корни 4 — клевер, 5 — злаки, 6

— разнотравье

13.2. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО

КРУГОВОРОТА В ЭКСТРААРИДНЫХ ПУСТЫНЯХ

Значительный научный, а в недалеком будущем, возможно, и

практический интерес представляют биогеохимические процессы,

происходящие в наименее благоприятных для жизни условиях экстрааридных

пустынь. Такие пустыни занимают огромное пространство в центре

суперконтинента Евразии. Одной из наиболее суровых пустынь Центральной

Азии является Гоби. В ее западной части обычно выпадает атмосферных

осадков от 20 до 50 мм/год при испаряемости 1250 мм/год Поверхность

279

пологих предгорных склонов (бэлей) и межгорных равнин покрыта плотным

каменистым панцирем. Панцирь, образованный щебнем метаморфических и

вулканических горных пород с блестящей черной глазурью «пустынного

загара», способствует ощущению полной безжизненности местности.

Примерно раз в 7—10 лет до Гоби доходят несущие влагу воздушные массы и

здесь выпадают обильные дожди. Их результатом являются многочисленные

мелкие ложбины (сайры), рассекающие поверхность гамады (каменистой

пустыни) на отдельные вытянутые участки.

Большая часть пустыни Гоби покрыта редкой растительностью,

состоящей из кустарников и полукустарничков. Среди кустарников

преобладает черный саксаул (Haloxylon ammodendrori), эфедра Пржевальского

(Ephedra Przewalskii), парнолистник (Zygophyllum xanthoxylon), реамюрия

(Reamuria soongorica); среди полукустарничков — баглур (Anabasis brevifoha),

симпегма (Sympegma regeln). На периферии пустынной зоны появляются злаки

(Stipaglareosa), луки (Allium mongolicum) и др. На крайнем юге, в области

распространения экстрааридных ландшафтов участки каменистой пустыни

полностью лишены растительности или несут очень редкие экземпляры

ильинии (lljinia regelii) — 1,3 экземпляра на 100 м

(Казанцева Т. И., 1986). В

мелких сайрах, расчленяющих поверхность гама-ды, растут отдельные

экземпляры саксаула и эфедры.

Установлено, что в промытых бидистиллированной водой растениях

экстрааридных ландшафтов концентрация щелочных, ще-лочно-земельных

элементов и железа измеряется десятыми и сотыми долями процента; марганца,

цинка, стронция и частично хрома — значениями 10п мкг/r; меди, никеля и

ванадия — п мкг/г; свинца и кобальта — как правило, менее 1 мкг/г сухой

массы растений. Необходимо учитывать, что элементы распределяются по

органам растений неодинаково. Концентрация натрия в зеленых органах

значительно выше, чем в стволах кустарников и стеблях полукустарничков, в

которых выше концентрация кальция. Распределение стронция, железа и

марганца аналогично кальцию: большие значения приурочены к стволам и

стеблям. Распределение других тяжелых металлов сложнее. Более высокие

концентрации цинка установлены в стеблях ильинии и стволе саксаула, но в

эфедре концентрация этого металла выше в листьях. Максимальные

концентрации меди обнаружены в листьях кустарников (эфедры и саксаула), но

в ильинии большие значения относят к стеблям.

Интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в

биологический круговорот показана на рис. 13.2. Наибольшие значения К

рассчитанные для ежегодно нарастающей зеленой массы растений пустынь

Заалтайской Гоби, обнаружены для цинка (до 20 — 40) и натрия (до 15); для

стронция, хрома, меди, никеля и ванадия К

равен от 1 до 10; для железа и

марганца К

< 1.

При сопоставлении значения К

продукции растительности всей суши

(см. табл. 2.4) и изученных растений видно, что главные ценозообразователи

экстрааридных пустынь Заалтайской Гоби (саксаул и ильиния) отличаются

большей интенсивностью поглощения натрия и отчасти магния и стронция. Это

280