Основы биогеохимии

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.

Рекомендуемые материалы

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.

Вам также может быть полезна лекция "Понятие об организации".

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.