ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 138
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Вторая группа факторов, способствующих геохимической неоднородности биосферы, связана с неодинаковой интенсивностью вовлечения химических элементов в миграционные процессы в разных экогеохимических системах. Степень интенсивности вовлечения элемента в миграцию характеризуется числовым значением специальных безразмерных коэффициентов — ландшафт-но-геохимических показателей.
Коэффициент водной миграции. Характер атмосферного увлажнения территории не только в значительной мере обусловливает интенсивность биогеохимических процессов, но в сочетании с определенными почвенно-геоморфологическими условиями является важным фактором водной миграции химических элементов на суше, их мобилизации и включения в миграционные циклы различной протяженности.
Определенное количество атмосферной воды, не израсходованное на испарение и транспирацию, стекает по поверхности, вовлекая химические элементы в водную миграцию. Величина стока определяется не только соотношением количества атмосферных осадков и испаряемостью, но и зависит от рельефа, водоустойчивости почвообразующих пород и почв, характера растительности, режима выпадения осадков, климатических условий и др. Водный сток на большей части суши составляет от n10 до (300 — 400)103 м3/км2 в год, в экстрааридньгх областях значительно меньше. Массы химических элементов, вовлекаемые в водную миграцию, также неодинаковы и зависят от всего комплекса природных условий водосборной площади. Величина суммарного годового выноса химических элементов в растворимой форме на равнинах и крупных возвышенностях составляет единицы — десятки тонн, в горных районах — десятки и сотни тонн на квадратный километр. Вынос взвесей (твердый сток) на равнинах соизмерим с массами элементов, мигрирующими в виде растворов, но в условиях пересеченного рельефа превышает их в несколько раз, а в горных областях твердый сток на математический порядок больше выноса растворенных масс.
Наиболее геохимически активными компонентами водного стока являются растворимые формы химических элементов. Интенсивность вовлечения их в миграцию оценивается коэффициентом водной миграции КВ, равным отношению концентрации элемента в сухом остатке воды к его концентрации в почвообразующей породе данного района. Этот показатель не применим к таким циклическим элементам, как хлор, а также к элементам, которые в результате микробиологической деятельности или испарения переходят в газообразную форму и активно мигрируют в атмосфере (сера, иод, ртуть). Для большей части других химических элементов, особенно тяжелых металлов, использование этого коэффициента вполне оправдано.
В каждом конкретном районе химические элементы имеют свою числовую величину КB, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде графиков и гистограмм коэффициентов КB.
Коэффициент биологического поглощения. Как показано в разд. 2.3, интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в биологический круговорот характеризуется коэффициентом биологического поглощения К6, который равен отношению концентрации элемента в золе растений к его концентрации в почвообразующей породе. Для некоторых элементов этот коэффициент дает представление не о захвате их из почвообразующей породы, а о суммарных поступлениях в организм растений из атмосферы и почвы.
Особенно это касается циклических элементов и мигрирующих в газообразной форме. Тем не менее для многих химических элементов рассматриваемый коэффициент служит хорошим показателем интенсивности их вовлечения из почвообразующих пород, почв и содержащихся в них вод в качественно иное состояние — в состав живого вещества.
На фоне общих закономерностей, отмеченных в разд. 2.3, заметно проявляется влияние конкретных природных условий. Так, для таежной растительности характерен резкий контраст степени аккумуляции рассеянных элементов, достигающий трех математических порядков и более, в то время как в других типах растительности этот контраст обычно составляет от 10 до 100 раз. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее — в других. В частности, стронций слабо поглощается растительностью тайги и тундры, а в растительности аридных ландшафтов имеет К6значительно больше единицы. Каждый тип растительности в конкретном местообитании характеризуется своими величинами К5химических элементов.
Следует подчеркнуть, что величина К5не зависит от концентрации элемента в исходной породе, а характеризует интенсивность его вовлечения в биологический круговорот.
Приведенные данные свидетельствуют, что природные пояса и зоны представляют собой сложную мозаику участков, различающихся геохимическими и биогеохимическими особенностями.
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.