Имя материала: Основы биогеохимии

Автор: В.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ

12.3. водная миграция элементов в зоне бореальных и суббореальных лесов

 

Почвенные (лизиметрические) воды таежных лесов содержЛ значительное количество растворимых гумусовых кислот. В часг ности, величина рН лизиметрических растворов иллювиально-мусовых подзолов северной части Карелии и Кольского полуострова колеблется от 3,8 до 5,5. Концентрация органического углерода максимальна в лизиметрических растворах из подстилок: по данным Н.В.Лукиной и В.В.Никонова (1998) до 100 м/л и выше.

Элементы, мобилизованные благодаря биогеохимическим процессам, происходящим в почве, вовлекаются в водную миграцию поверхностным и грунтовым стоками. Низкая минерализация и присутствие значительного количества растворимых органических соединений особенно отчетливо выражены в таежно-мерзлотных ландшафтах, где зона активного водообмена представлена над-мерзлотными водами и таликовыми участками по долинам рек.

Некоторое количество металлов поступает в грунтовые над-мерзлотные воды с атмосферными осадками. В области распространения таежных хвойных лесов в пределах 60 — 70° с.ш. в месячных пробах атмосферных осадков содержится (мкг/л): марганца — 12; свинца — 4,4; меди — 4,0; никеля — 3,0. В южной части лесной зоны в границах 50 — 60° с.ш. концентрация слабо возрастает (мкг/л): марганца — 20; свинца — 6,0; меди — 5,0; никеля — 3,5. Указанные количества играют скромную роль в массообмене элементов в экогеосистемах южной половины лесной зоны, но ощутимы в ее наиболее северных районах, особенно в области развития многолетней мерзлоты.

Н.Б.Никитина (1973) установила, что в таежно-мерзлотных ландшафтах кристаллических плато и нагорьях Восточной Сибири широко распространены ультрапресные воды. Их минерализация составляет всего 16 — 85 мг/л, а растворенных органических соединений больше, чем минеральных. В составе первых преобладают фульвокислоты. С ними связано присутствие меди, ванадия, никеля, кобальта, свинца, иттрия, бериллия в виде металлоорга-нических комплексных соединений. Концентрация перечисленных элементов повышается с увеличением растворимого органического вещества (рис. 12.5).

          

 

Рис. 12.5. Зависимость концентрации меди от концентрации растворимого

органического вещества в ультрапресных водах таежно-мерзлотных ландшафтов

Восточной Сибири (по Н.Б.Никитиной, 1973)

 

На обширной площади лесной зоны Евразии в направлении с севера на юг подзолистые и мерзлотно-таежные почвы под хвойными лесами сменяются дерново-подзолистыми под лесами смешанного состава, затем серыми и бурыми лесными почвами под лиственными лесами. Соответственно возрастает минерализация поверхностных вод и уменьшается содержание растворимых органических кислот. Отмеченная закономерность — только общая тенденция, которая нарушается изменением состава прчвообразую-щих пород. Биогеохимические процессы, протекающие в подзолистых почвах, сформированных на песчаных водно-ледниковых и древнеаллювиальных отложениях, способствуют понижению минерализации вод и относительному обогащению их фульво-кислотами. Такая ситуация, в частности, характерна для песчаных низменностей Восточно-Европейской равнины — Мещеры, Белорусского Полесья и др. Распространение покровных суглинков, наоборот, влечет за собой повышение величины рН природных вод и увеличение их минерализации. Тем не менее тенденция к возрастанию концентрации рассеянных элементов в водах по мере уменьшения бореальности ландшафтов хорошо прослеживается в отдельных регионах, в частности в Сибири (табл. 12.10). Возрастание концентрации разных элементов неодинаково, поэтому по мере увеличения общей минерализации изменяется их соотношение. Например, в водах тундровых и северотаежных ландшафтов в наибольшем количестве присутствует цинк, но в ландшафтах смешанных лесов он отступает на третье место после стронция и марганца. Отношение стронций: барий в водах тундровых ландшафтов равно 2,3, в северотаежных — 2,9, в ландшафтах смешанных лесов — 5,5. Отношение медь : галлий соответственно 4,9; 6,1; 8,1.

 

Таблица 12.10

Средняя концентрация рассеянных элементов в грунтовых водах бореальных и суббореальных ландшафтов Сибири, мкг/л

(по С.Л.Шварцеву, 1978)

 

 

 

Химический элемент

Ландшафты

Химический элемент

Ландшафты

тундры

северной тайги

смешанных лесов

тундры

северной тайги

смешанных лесов

Zn

23,0

31,8

39,5

As

0,73

0,99

4,15

Sr

21,3

26,3

163,0

Zr

0,68

1,28

2,27

Mn

12,3

17,9

55,6

Mo

0,64

0,92

1,28

Ва

10,04

9,1

29,4

V

0,50

0,88

1,45

Li

3,97

6,09

19,0

Ga

0,35

0,49

0,63

Cr

2,52

2,16

4,02

Sn

0,22

0,50

0,77

Ti

2,34

4,64

21,9

Co

0,40

0,24

0,61

Ni

1,91

1,63

5,29

U

0,30

0,34

0,01

Pb

1,88

1,16

2,88

Ag

0,21

0,37

0,20

Cu

1,70

2,98

5,11

Be

0,02

0,04

0,18

 

Экспериментальное изучение миграционных форм тяжелых металлов в водах лесных ландшафтов показало важное значение комплексных органических соединений металлов, а также частиц коллоидных размеров, не проходящих через полунепроницаемую перегородку типа органических мембран. Формы простых ионов железа, участвующие в водной миграции в северотаежных ландшафтах, имеют подчиненное значение, а органические соединения достигают 80 \% от общего количества водорастворимого металла в почвах. С уменьшением степени бореальности ландшафтов содержание этих форм уменьшается. Заболоченность ландшафта, наоборот, способствует увеличению их содержания.

Имеющиеся факты позволяют предполагать, что интенсивность водной миграции рассеянных элементов в лесных ландшафтах тесно связана с биогеохимической деятельностью микроорганизмов, в частности с образованием в почвах водорастворимых комплексных органических соединений, главным образом фульвокислот и их производных. Благодаря этому процессу в водную миграцию вовлекаются значительные массы рассеянных элементов, особенно тяжелых металлов. В южной части лесной зоны интенсивность вовлечения металлов в водную миграцию уменьшается.

Выше отмечалось, что заболачивание ландшафтов способствует накоплению мертвого органического вещества, увеличению концентрации растворимых органических соединений и связанных с ними элементов. По этой причине коэффициент водной миграции Кв одного и того же элемента в воде болот больше, чем в поверхностных и грунтовых водах незаболоченных, хорошо дренируемых лесных ландшафтов. Сопоставление имеющихся данных по Восточной Сибири показывает, что величина Кв 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 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 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

 

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 |