Имя материала: Основы биогеохимии

Автор: В.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ

10.3. элементарный ландшафт (элементарная  экогеосистема) как основная хорологическая единица биосферы мировой суши

 

Изложенные факты показывают, как сильно меняется концентрация химических элементов в горных породах и почвах, насколько различны массы элементов, мигрирующих в поверхностных водах разных территорий и захватываемых в биологический круговорот в разных типах растительности. Неоднородность состава и строения биосферы особенно характерна для природной среды суши: всей Мировой суши, каждого континента и региона. Все более дробно разделяя территорию, можно выделить участки, в пределах которых выдерживается относительная однородность: одинаковые рельеф и горная порода, сходный микроклимат, однотипные почвы и растительность. Такой участок, являющийся хорологической (пространственной) единицей биосферы суши, был назван Б. Б. Полыновым (1956) элементарным ландшафтом. Для целей биогеохимии его можно рассматривать как самую мелкую хорологическую единицу биосферы Мировой суши и одновременно как элементарную экогеохимическую систему.

Элементарный ландшафт — самый мелкий природно-территориальный комплекс, в котором все компоненты (почвообразующие породы, почвы, поверхностные и грунтовые воды, живые организмы, воздух) связаны циклическими процессами обмена вещества. Селективная мобилизация химических элементов происходит благодаря биогеохимической деятельности организмов. Элементарные ландшафты (элементарные экогеосистемы) в свою очередь связаны между собой потоками масс элементов, переносящихся через атмосферу или посредством водной миграции по поверхности суши. По характеру межландшафтных связей выделяются две группы элементарных ландшафтов.

Внутриландшафтный массообмен между компонентами элементарной экогеосистемы, расположенной на возвышенных участках рельефа, происходит относительно независимо от соседних элементарных ландшафтов. Массообмен с окружающей территорией поддерживается только посредством переноса масс через тропосферу. Такие элементарные ландшафты называются геохимически автономными.

Главная черта всех циклических процессов массообмена химических элементов в биосфере — от глобальных до происходящих внутри элементарной эколого-геохимической системы — их незамкнутость. Поэтому массы элементов, выходящие из того или иного цикла массообмена в автономном ландшафте, переносятся поверхностными или грунтовыми водами в соседние ландшафты, находящиеся на более низких уровнях рельефа. Эта связь имеет лишь одно направление и осуществляется посредством миграционного потока масс. Элементарные ландшафты, систематически получающие с водным стоком дополнительное количество элементов, называются геохимически подчиненными.

Вынесенные из автономных ландшафтов массы химических элементов включаются в биогеохимические процессы, происходящие в геохимически подчиненных экогеосистемах. Связь массопо-током серии элементарных ландшафтов, находящихся на разных уровнях рельефа, получила название геохимического сопряжения. Это явление очень широко распространено. Примером может служить геохимическая связь низинных и верховых торфяников, рассмотренная в разд. 4.3. В результате геохимического сопряжения в поймы рек лесной зоны поступают дополнительные массы доступных для растений соединений азота, фосфора, калия, кальция, многие рассеянные элементы, вынесенные с площади водосбора реки. В степях на дне мелких депрессий рельефа формируются небольшие округлые конкреции оксидов железа и марганца, образованные за счет выноса этих элементов из окружающих ландшафтов. В тропиках, на низких, заболачиваемых в период дождей равнинах аналогичным путем формируются мощные латеритные плиты.

Огромное влияние оказывает геохимическое сопряжение на биологический круговорот. В растительности подчиненных ландшафтов содержание зольных элементов в несколько раз больше, чем в автономных. В некоторых случаях концентрация поступающих в результате геохимического сопряжения химических элементов настолько повышается, что это имеет отрицательные последствия. Во Вьетнаме обильные атмосферные осадки, выпадающие в горных районах, способствуют активному выщелачиванию фтора из горных пород. Этот элемент поступает в поверхностные воды, причем концентрация его небольшая и не влияет на здоровье населения горных районов. Стекающие на приморские равнины речные и грунтовые воды интенсивно испаряются, в результате чего концентрация фтора сильно возрастает, превышает допустимый уровень и вызывает многочисленные заболевания: от разрушения эмали зубов до острых форм флюороза у населения низких приморских равнин.

Типоморфные и индикаторные элементы. Геохимическое сопряжение осуществляется благодаря водной миграции и разные химические элементы оказывают неодинаковое влияние на этот процесс. Наиболее важную роль играют газообразные соединения элементов — углекислый газ, кислород, сероводород, — образующиеся в процессе жизнедеятельности организмов. Растворяясь в природных водах, газы определяют окислительно-восстановительные условия, которые контролируют растворимость многих химических элементов, главным образом металлов. В поймах рек, заболоченных депрессиях рельефа и других подобных геохимически подчиненных ландшафтах в восстановительной среде, при наличии в воде сероводорода происходит образование нерастворимых сульфидов железа и некоторых других металлов. В бескислородной среде, не содержащей сероводорода, но богатой углекислотой, большая часть этих металлов активно мигрирует. В кислородсодержащей окислительной среде металлы переходят в предельно окисленные формы, которые для железа, марганца, кобальта и некоторых других элементов также нерастворимы.

Весьма важное значение имеют элементы, в большом количестве растворяющиеся в поверхностных и почвенных водах и обусловливающие кислотно-щелочные условия. Это влияет на растворение или выпадение в осадок других элементов. Такие элементы называют типоморфными.

Чтобы элемент мог быть типоморфным, во-первых, его должно быть много. Поэтому типоморфными обычно являются главные химические элементы. Во-вторых, элемент должен находиться в такой форме, которая допускает его переход в растворимое состояние. Например, в некоторых ландшафтах очень много кварца. Кремний, входящий в прочную и устойчивую структуру этого минерала, с трудом освобождается, поступает в водный раствор в небольшом количестве и не может оказывать сильного воздействия на состав вод и растений, хотя его в ландшафте очень много. В-третьих, типоморфный элемент должен обладать способностью накапливаться в подчиненном ландшафте. Если элемент транзитно мигрирует, то его участие в геохимическом сопряжении весьма ограниченно. Например, значительные массы ионов хлора весьма активно мигрируют как в автономных, так и в подчиненных ландшафтах таежно-лесной зоны, не оказывая существенного влияния на геохимическое сопряжение. Но в пустынях в результате сильной испарительной концентрации ионы этого элемента часто играют ведущую роль в геохимическом сопряжении ландшафтов.

Рассеянные элементы, принимающие участие в биологической или водной миграции, не могут быть типоморфными из-за небольшого содержания. В то же время они характеризуют процесс внутриландшафтного перераспределения, имеют важное значение как микроэлементы. Поэтому их можно называть индикаторными. Рассеянные металлы имеют кларк менее 0,01 \%. Когда их концентрация возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с обычной, эти элементы могут играть роль типоморфных. Такие случаи бывают на выходах рудных месторождений, где содержание металлов сильно увеличено.

Биогеохимическая формула элементарного ландшафта. Существование и функционирование элементарной экогеосистемы возможно только благодаря обмену и перераспределению химических элементов. Следовательно, систему можно описать, если количественно выразить интенсивность перераспределения химических элементов между компонентами ландшафта.

Элементарный ландшафт имеет исходный запас химических элементов, содержащихся в почвообразующей породе. Содержание каждого элемента оценивается величиной кларка концентрации Кк. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в водную миграцию и биологический круговорот. Эти миграции количественно характеризуются показателями перераспределения химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью (Кб) и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой (КВ).

Исходя из сказанного, любой элементарный ландшафт может быть охарактеризован биогеохимической формулой, имеющей вид неправильной дроби. На месте целого числа указывается типоморфный элемент, в скобках после него — растворенный в воде газ. В числителе указываются индикаторные рассеянные элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше коэффициента водной миграции, в знаменателе — элементы с обратными соотношениями Кб и КВ. Таким образом, выделяются две основные для данного ландшафта группы индикаторных элементов, способствующие геохимическому сопряжению: первая — наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая — в водную миграцию. Для отличия автономного элементарного ландшафта от подчиненного в формуле последнего возле типоморфного элемента ставится знак «*».

Формула

обозначает автономный элементарный ландшафт — ландшафт высоких предгорных равнин, в котором перераспределение химических элементов происходит при наличии большого количества ионов кальция в поверхностных водах и свободного доступа кислорода, т.е. в слабощелочной окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются молибден, медь, цинк, марганец, а в поверхностные и грунтовые воды интенсивно поступает стронций.

На территории Северо-Восточного Предкавказья луговые ландшафты аллювиальных долин находятся в геохимическом подчинении по отношению к автономным ландшафтам предгорных высоких равнин (табл. 10.3).

Таблица 10.3

Значения ландшафтно-геохимических коэффициентов автономных и подчиненных ландшафтов Северо-Восточного Предкавказья

 

 

Ландшафт

Химический элемент

Мn

Сu

Zn

Pb

Mo

Sr

Ba | Ti

Коэффициент биологического поглощения

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.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 |