ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 111
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
Согласно полученным данным, с атмосферными осадками поступает (кг/км2-год): кальция — 1474; магния — 180; калия — 423; натрия — 139; фосфора — 114; железа — 7; цинка — 14. Массы главных элементов, поступающих из атмосферы, по отношению к их массам, вовлекаемым в биологический круговорот, составляют от 20 % (кальций) до 4,5 % (калий) — 2,5 % (железо). Вместе с тем некоторые тяжелые металлы (например, цинк) поступают из атмосферы в количестве, соизмеримом с их массами, вовлекаемыми в биологический круговорот.
Возможно, что указанная в табл. 12.7 масса элементов, содержащихся в корневой системе деревьев, занижена вследствие того, что самые мелкие корни специально не изучались. Такие исследования, проведенные в смешанном лесу Уокер Бранч в штате Теннеси (США), показали, что в самых мелких корнях сосредоточено около 80 % всей массы металлов, находящихся в корневой системе деревьев. Причина этого явления не установлена, но можно предполагать, что это связано с аккумуляцией металлов в ризосфере или на активной периферии корневых волосков.
Общая картина распределения масс свинца и цинка в древесной растительности леса Уокер Бранч, состоящего из дуба, гиккори, сосны и желтого тополя, приведена на рис. 12.3. Территория находится примерно на 35° с.ш.
Pb Zn
Толщина корней
< 0,5см 0,5-2,0 см > 2,0 см Всего
а ... 75 20 6 99
б .. 200 46 11 257
в ….58 11 5 69
г ..95 17 7 109
Толщина корней
< 0,5см 0,5-2,0 см > 2,0 см Всего
а ... 190 88 37 276
б .. 280 110 43 433
в .. 320 88 31 408
г ...470 77 43 590
Рис. 12.3. Распределение масс свинца и цинка в древесной растительности листопадного леса Восточного Теннесси, США, г/га (составлено автором по данным Р.Ван Хука, У.Харриса и Г.Хендерсона, 1977): а — каштановый дуб; б — гиккори (сагуа)\ в — сосна; г — желтый тополь
Лес существует в условиях сбалансированного атмосферного увлажнения при величине атмосферных осадков около 1500 мм/год. Как следует из данных рис. 12.3, основная часть массы металлов, находящихся в деревьях, сосредоточена в стволах и мелких корнях.
Завершая анализ распределения масс тяжелых металлов в структуре лесных фитоценозов, следует обратить внимание на то, что закономерности этого распределения зависят от степени атмосферного увлажнения: по мере усиления гумидности ландшафтов происходит возрастание величины (%) масс металлов, содержащихся в стволах деревьев.
12.2. Биогеохимические особенности
почв пояса внетропических лесов
Почвы лесных ландшафтов при всем их разнообразии имеют общие черты, обусловленные близким характером происходящих в них биогеохимических процессов. В результате замедленного биологического круговорота на поверхности почв залегает слой слаборазложившихся продуктов спада — лесная подстилка (горизонт А0). 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. Сбалансированное соотношение атмосферных осадков и испарения сопровождается лишь периодическим промачиванием почв, имеющих вследствие этого слабощелочную реакцию.
Для всех типов почв лесных ландшафтов характерна аккумуляция элементов питания в лесной подстилке, под которой расположен горизонт их выноса. Еще ниже концентрация элементов постепенно увеличивается вплоть до почвообразующей породы. Некоторые элементы в отдельных типах почв образуют горизонт слабоповышенной концентрации под горизонтом выноса. В иллювиальных подзолах тайги это связано с выпадением органических соединений и гидроксидов железа, в которых фиксируются тяжелые металлы и близкие им рассеянные элементы. В кислых бурых и дерново-подзолистых почвах лиственных лесов проявляется эффект лессиважа — вымывание высокодисперсных частиц из верхней части профиля и осаждение их в средней. С дисперсными частицами перемещаются адсорбированные элементы.
Дифференциация тяжелых металлов между исходной породой и лесной подстилкой проявляется не только в подзолистых почвах таежных лесов Европы и Северной Америки, но также в почвах таежно-мерзлотных ландшафтов Восточной Сибири.
В почвах листопадных субтропических лесов со сбалансированным режимом атмосферных осадков и жестколиственных лесов, существующих в условиях сезонно-аридного (средиземноморского) климата, дифференциация металлов по профилю выражена слабее, но их аккумуляция в лесных подстилках очевидна.
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 отличается от верхнего более высоким содержанием азота, лигнина и суммы зольных элементов.
Американские исследователи провели изучение некоторых тяжелых металлов в лесной подстилке листопадного леса в восточной части штата Теннесси, США. Из данных табл. 12.8 следует, что содержание рассеянных тяжелых металлов в разложившемся опаде всех деревьев-эдификаторов свинца больше почти в 2 раза, цинка — в 2 — 3 раза по сравнению со свежим спадом. По-видимому, тяжелые металлы образуют достаточно прочные связи с устойчивыми компонентами спада (лигнином и т.п.) и новообразованными органическими соединениями (белками микроорганизмов и др.). В результате этого 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.
Таблица 12.8
Распределение концентраций (10
4
%) и масса (г/га) свинца и цинка
в продуктах опада деревьев-эдификаторов леса Уокер Бранч,
Теннесси, США (по данным Р.Ван Хука и др.)
Древесная порода | Свежий опад (А0|) | Частично разложившийся опад | ||
Рb | Zn | Рb | Zn | |
Каштановый дуб | 190/27 | 290/42 | 940/51 | 2000/110 |
Гиккори | 290/25 | 420/48 | 630/35 | 2200/125 |
Сосна | 340/31 | 610/56 | 580/37 | 930/59 |
Тополь желтый | 200/31 | 380/56 | 320/42 | 980/130 |
Примечание. Числитель — масса металла (г/га); знаменатель — концентрация металла (10-4%).
По указанной причине время полного возобновления мертвого напочвенного органического вещества (лесной подстилки) и поступивших с ним масс тяжелых металлов неодинаково. Период возобновления массы подстилок в лесных внетропических фитоценозах изменяется от 2 — 3 лет в широколиственных лесах до 7 — 8 лет в хвойных лесах северной тайги. Для полного возобновления масс тяжелых металлов, находящихся в лесных подстилках, требуется в 1,5 — 2 раза больше времени, чем для возобновления органического вещества подстилок. Отмеченная задержка отражается в повышении концентрации всех металлов в нижнем горизонте подстилок по сравнению со свежим спадом.
Неодинаковая прочность связи металлов и различная растворимость органических соединений способствуют неодинаковому возрастанию концентрации разных металлов. Остаточное обогащение наиболее характерно для свинца и никеля, концентрация которых в подстилках по сравнению со свежим спадом увеличивается до 10 раз и более. Цинк и кадмий закрепляются менее прочно, их вынос функционально связан со степенью атмосферного увлажнения и испаряемостью. В субтропических лесных ландшафтах с увлажнением недостаточным или близким к сбалансированному 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.
По данным Б.Н.Золотаревой (1994), запасы тяжелых металлов в подстилках хвойных и широколиственных лесов бассейна Верхней Оки от 3 до 12 раз превышают массы этих металлов, ежегодно вовлекаемые в биологический круговорот, а время полного возобновления масс в подстилках составляет для меди — 3, цинка — 6, свинца — 8 лет.
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.
По особенностям распределения по профилю почв выделяют две группы элементов. Представители первой активно поглощаются лесной растительностью и в то же время относительно прочно связаны в мертвом органическом веществе. Их концентрация в горизонте ао больше, чем в почвообразующей породе. У представителей второй группы концентрация в горизонте ао хотя и повышается по сравнению с горизонтом выноса, но все же не достигает уровня исходной породы. К первой группе относятся марганец, цинк, медь, свинец, никель и некоторые другие элементы, ко второй — титан, цирконий, ванадий, хром. Типичная кривая распределения тяжелых металлов по профилю почв бореальных лесов показана на рис. 12.4.
Степень дифференцированности элементов по генетическим горизонтам почвенного профиля уменьшается по мере снижения гумидности ландшафтов. Тем не менее даже в условиях развития смешанных и мелколиственных лесов изменение концентраций от почвообразующей породы к верхней части профиля почвы хорошо выражено. В.Б.Ильин (1974) показал, что в южной части лесной зоны Западной Сибири имеет место четкая дифференциация металлов в почвах, причем для одних элементов преобладает биогенная аккумуляция, для других — вынос. В частности, в балансе марганца процессы биогенной аккумуляции преобладают над выносом, а в балансе меди отношения обратные.
Закономерности дифференциации элементов в почвах лесов умеренного климата хорошо выдерживаются независимо от гранулометрического состава почвообразующих пород и, следовательно, от абсолютного содержания элементов.