Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

Некоторое представление о соотношении углекислого газа, связанного в процессе фотосинтеза в растительности, и выделенного из почвы, дает величина коэффициента аккумуляции органического вещества К_о, который численно равен отношению массы мертвого органического вещества к массе опада. Чем энергичнее протекает процесс разрушения органического вещества и выделения СО₂, тем меньше величина этого коэффициента:

Северная тайга и тундра……………………………………. 10 и более

Южная тайга……………………………………………………. 5—10

Широколиственные леса умеренного климата…… 2—5

Степи умеренного климата……………………………….. 1—2

Пустыни, влажные тропические леса………………… менее 1

В процессе синтеза органического вещества растения выделяют кислород. Результаты этой стороны геохимической деятельности основных типов растительности показаны в табл. 31.

Таблица 31

Продуцирование кислорода в распространенных биоценозах суши

Наибольшая продукция кислорода соответствует тропическим и субтропическим лесам, наименьшая – пустынной и субарктической растительности. Абсолютная величина продуцирования кислорода не дает истинного представления о вкладе той или иной растительной формации в обогащение атмосферы кислородом. Если в течение года вся масса опада разлагается, то соответственно расходуется весь выделенный при фотосинтезе прироста кислород, который сохраняется в атмосфере только при условии систематического накопления в педосфере мертвого органического вещества. Как показал О.П. Добродеев (1976), атмосфера обеспечивается кислородом вовсе не за счет деятельности самых продуктивных формаций типа тропических лесов. Основные «поставщики» свободного кислорода на суше – ландшафты умеренного и субарктического пояса, где вследствие подавленности микробиологических процессов происходит накопление мертвого органического вещества.

Таблица 32

Азот и зольные элементы в распространенных типах растительности, ц/га (по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич)

Вовлечение масс химических элементов в биологический круговорот из почвы в разных ландшафтах не менее контрастно, чем обмен газов. В луговых черноземных степях до вмешательства человека в биологическом круговороте участвовало более 2 ц/га зольных элементов ежегодно, а в южно-таежных лесах – в 5 раз меньше. Зато в биомассе южной тайги содержится зольных элементов в 2 раза больше. Неодинакова также концентрация химических элементов, содержащихся в растительной массе различных ландшафтов.

Как видно из данных табл. 32, почти во всех типах растительности сумма зольных элементов в 2–3 раза превышает количество азота. Исключение составляет тундровая растительность, в которой количество азота и зольных элементов примерно одинаково. Это обусловлено спецификой биологического круговорота в областях с низкими температурами. Среди зольных элементов в спаде таежных лесов преобладают кальций и калий, содержащиеся в количестве 20–30 % от суммы элементов каждый, а на втором месте стоят кремний, и магний. В широколиственных лесах сильно возрастает концентрация кальция, масса которого превышает сумму всех других элементов. В степной растительности среди зольных элементов больше всего кремния, содержание которого в опаде превышает 50 % от суммы элементов, а содержание азота, кальция и калия колеблется от 20 до 30 %. В пустынной растительности кальция более 50 % и сильно возрастает концентрация натрия и хлора (более 20 % каждого).

Содержание рассеянных элементов меняется в еще более сильной степени, однако не так закономерно, как для перечисленных элементов. Исключение составляет стронций, концентрация которого возрастает по мере усиления аридности ландшафтов. Менее отчетливо эта тенденция выражена для молибдена, бора, фтора, еще менее – для цинка.

Как показано в главе IV, интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в биологический круговорот характеризуется коэффициентом биологического поглощения К_б, который равен отношению концентрации элемента в золе растений к их концентрации в почвообразующей породе. Следует иметь в виду, что для некоторых элементов этот коэффициент дает представление не о захвате их из почвообразующей породы, а о суммарном поступлении 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 извлечения из почвообразующих пород и почв и перехода в качественно иное состояние в живом веществе.

Обобщение большого фактического материала позволило обнаружить, что имеется группа элементов, которые усиленно поглощаются всеми растениями. К ним относятся марганец, цинк, молибден, медь, серебро и некоторые другие. Величина их К_б всегда больше единицы. Другая группа элементов, как правило, настолько слабо поглощается растениями, что величина их К_б составляет десятые и сотые доли. Таковы цирконий, титан, галлий, ванадий. Наконец, есть элементы, содержащиеся в золе растений примерно в таком же количестве, как в почве. Их К_б около единицы. Отмеченные закономерности имеют определенное физическое и эволюционное обоснование.

Важно отметить, что на фоне этих общих закономерностей сильно проявляется влияние конкретных географических условий. Так, для таежной растительности характерен резкий контраст степени аккумуляции рассеянных элементов, достигающий 1000 раз и более, в то время как в других типах растительности этот контраст обычно составляет от 10 до 100. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее – в других. В частности, стронций очень слабо поглощается растительностью тайги и тундры, а в растительности аридных ландшафтов имеет К_б значительно более единицы. Каждый тип растительности в каждом конкретном местообитании характеризуется своими величинами К_б химических элементов.

Следует подчеркнуть, что величина К_б не зависит от концентрации элемента в исходной породе, а показывает направленность его перераспределения в природном комплексе, характеризует его обмен между компонентами ландшафта. В качестве примера рассмотрим кривые К_б еловых лесов Карелии (рис. 21). Концентрация элементов определялась в одинаковых объектах: в чернике, мхе, коре и хвое ели. Однако изученные участки леса располагались на разных горных породах: гнейсах и диабазах. Хотя концентрация рассеянных металлов в этих породах отличается довольно сильно, характер кривых К_б однотипен.

Элементарный ландшафт и его геохимическая формула

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 как неодинаков биологический круговорот в разных типах растительности. Геохимическая неоднородность географической оболочки – только одно из проявлений общей неравномерности ее состава и строения. Неоднородно строение океана и суши. Африка не похожа на Евразию, Северная Америка на Южную. Внутри континента выделяются большие области и зоны, ясно различающиеся между собой. Все более дробно разделяя территорию, мы наконец выделим участки, в, пределах которых все будет однородно: одинаковые рельеф и горная порода, один и тот же микроклимат, однотипные почвы и растительность. Это и будет пространственной единицей географической оболочки на суше, которая называется элементарным ландшафтом (Б.Б. Полынов), или элементарной ландшафтно-геохимической системой (М.А. Глазовская).

Рис. 21. Интенсивность биологического поглощения некоторых химических элементов растительностью еловых лесов Карелии, растущих на выступах диабазов (верхний график) и гнейсов (нижний график)

1 – кора ели; 2 – хвоя ели; 3 – гипновые мхи; 4 – листья и тонкие ветви черники

Как капля морской воды отражает состав океана, так элементарный ландшафт отражает структуру всей географической оболочки. Он состоит из многих частей (компонентов): из горной породы, почвы, насыщающих ее микроорганизмов, растений, животных. Есть атмосфера, откуда приходят живительные дожди, вода которых омывает почву и выносит растворимые соединения. Растения выделяют в атмосферу кислород и захватывают СО₂, а из почвы – зольные элементы. Микроорганизмы разлагают мертвое органическое вещество, выделяют в атмосферу СО₂ и освобождают зольные элементы, которые вновь вовлекаются в биологический круговорот. Все происходит, как в целостной географической оболочке. Разница в том, что планетарная оболочка огромна и ее компоненты не остаются постоянными: меняются состав горных пород и почв, климатические условия и типы растительности, а в элементарном ландшафте компоненты сохраняют свою однородность. Связь всех компонентов в одно целое, в единую ландшафтно-геохимическую систему осуществляется путем обмена вещества и энергии, что проявляется в виде миграции химических элементов.

Итак, элементарный ландшафт – самый мелкий природно-территориальный комплекс, в котором все компоненты этого комплекса (почвообразующие породы, почвы, воды, живые организмы, атмосфера) связаны обменом вещества и энергии. Разумеется, в компонентах этой системы также происходят самые разнообразные частные процессы обмена химических элементов – от обменных сорбционных и химических реакций до обмена веществ в каждом живом организме, – но они не связывают компоненты в единый комплекс.

Главная черта всех циклических процессов миграции химических элементов в географической оболочке – от глобальных до ограниченных элементарным ландшафтом – их незамкнутость. Поэтому элементы, освободившиеся из одного цикла, посредством водной миграции могут связывать целую серию элементарных ландшафтов, расположенных на последовательно понижающихся уровнях рельефа. Это связь однонаправленная, осуществляемая в виде миграционного потока, и выносимые путем водной миграции массы лишь в очень слабой степени могут компенсироваться возвратом через атмосферу.

Процессы внутриландшафтной миграции химических элементов на наиболее возвышенных участках рельефа совершаются сравнительно независимо от окружающей местности. Поэтому такие элементарные ландшафты называются автономными. Вынесенные из них химические элементы включаются в циклические процессы, протекающие в нижерасположенных ландшафтах, которые поэтому называются геохимически подчиненными. Связь миграционным потоком вещества серии элементарных ландшафтов получила название геохимического сопряжения.

Это явление очень широко распространено. В результате геохимического сопряжения на поймах рек накапливается азот, кальций, фосфор, калий, многие рассеянные элементы, вынесенные с площади водосбора реки. На дне степных западин вырастают горошины-конкреции оксидов железа и марганца, которые образованы за счет выноса этих элементов из окружающих ландшафтов. В тропических странах в период дождей низменные равнины превращаются в непроходимые болота. Стекающие с высоких плато воды выносят железо, иногда алюминий и более редкие металлы – титан, хром, ванадий, никель, кобальт, медь, цинк. В сухой период вода спадает и в почве на небольшой глубине от поверхности накапливаются гидроксиды железа и алюминия, обогащенные рассеянными металлами. Из года в год повторяется этот процесс, и в конце концов на небольшой глубине образуются мощные железистые плиты. Пройдут века, рыхлый слой почвы смоют дожди, и на поверхность выступят бурые панцири латеритов, бронирующие от размыва обширные площади.

Огромное влияние оказывает геохимическое сопряжение на биологический круговорот. В растительности подчиненных ландшафтов содержание зольных элементов в несколько раз больше, чем в автономных. Торф низинных болот содержит так много минеральных веществ, что зола в нем нередко составляет 30 %. Фосфор, выносимый из окружающих почв, концентрируется в низинных болотах в таком количестве, что возникают скопления белого вивианита Fe₃[РО]₂8Н₂О. Частично окисляясь, он превращается в минерал красивого ярко-голубого цвета – бета-керченит.

В некоторых случаях концентрация поступающих в результате геохимического сопряжения химических элементов настолько повышается, что это имеет отрицательные последствия. В Юго-Восточной Азии 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. 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.

В силу того, что геохимическое сопряжение осуществляется благодаря водной миграции, 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 обусловливают их окислительно-восстановительные условия, которые контролируют растворимость некоторых химических элементов, главным образом металлов. В восстановительной среде, при наличии в воде сероводорода, происходит образование нерастворимых сульфидов железа, цинка, меди, свинца, никеля, кобальта, серебра, кадмия, ртути. 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 также нерастворимы. Конечно, сказанное относится к миграции простых ионов, а металлы в значительной мере переносятся в виде комплексных органических соединений.

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, определяет тип миграции. Поэтому такие элементы называют типоморфными. Поясним их значение примером. В степях, где типоморфным является кальций, в воде растворено много ионов этого элемента. Поэтому воды жесткие, имеют слабо щелочную реакцию (рН = 7–8,5). В такой среде плохо мигрируют катионы металлов. Поверхность крупных гумусовых молекул и глинистых частиц насыщена сорбированными ионами кальция, в результате частицы скоагулированы в прочные агрегаты. Это препятствует процессам вымывания. В итоге почва содержит много рассеянных элементов и обладает высоким плодородием. В растениях много кальция и микроэлементов, а травоядные животные не ощущают недостатка в минеральных солях. А.И. Перельман удачно назвал типоморфные элементы «геохимическими диктаторами», так как они обусловливают поведение других элементов.

Чтобы элемент мог быть типоморфным, во-первых, его должно быть много. Поэтому типоморфными обычно являются главные химические элементы, имеющие большой кларк. Во-вторых, элемент должен находиться в такой форме, которая допускает его переход в растворимое состояние. Например, в почве некоторых ландшафтов очень много кварца, но кремний, входящий в прочную и устойчивую структуру этого минерала, с трудом освобождается, поступает в воду 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 натрия весьма активно мигрируют как в автономных, так, и в подчиненных ландшафтах таежно-лесной зоны, не имея существенного значения для геохимического сопряжения. Но в пустынях в результате сильной испарительной концентрации этот элемент часто играет ведущую роль в геохимическом сопряжении ландшафтов.

Рассеянные элементы, принимающие участие в биологической или водной миграции, не могут играть роли типоморфных из-за небольшого содержания. В то же время они характеризуют процесс внутриландшафтного перераспределения, имеют важное значение как микроэлементы. Поэтому их называют индикаторными. Кларк рассеянных элементов менее 0,1–0,01 %. 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.

Существование элементарного ландшафта, иными словами стационарное состояние этой открытой системы, возможно только благодаря непрерывному обмену, перераспределению химических элементов. Следовательно, сущность этой системы можно выразить, если измерить внутриландшафтный обмен вещества, т. е. количественно определить интенсивность перераспределения химических элементов между компонентами ландшафта.

Элементарный ландшафт, как система, имеет исходный запас химических элементов, содержащихся в почвообразующей породе. Исходное содержание каждого элемента оценивается величиной кларка концентрации. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в миграцию. Основными ее формами является биологический круговорот и водная миграция. Поэтому необходимо количественно оценить перераспределение химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой. Это достигается определением коэффициентов, которые численно и объективно показывают взаимосвязь между отдельными компонентами элементарного ландшафта.

Исходя из сказанного, любой элементарный ландшафт может быть охарактеризован особой геохимической формулой, имеющей вид неправильной дроби. На месте целого числа записывается 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 К и К_в. Таким образом выделяются две основные для данного ландшафта группы индикаторных элементов: первая – наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая – более активно захватываемые в водную миграцию, способствующие геохимическому сопряжению. Для различия автономного элементарного ландшафта от подчиненного в формуле последнего над типоморфным элементом ставится знак*.

Формула

означает, что имеется автономный элементарный ландшафт, 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 водах особенно энергично накапливается и мигрирует стронций.

Рассмотрим конкретный пример, относящийся к территории северо-восточного Предкавказья. В этом районе луговые ландшафты аллювиальных долин находятся в геохимическом подчинении по отношению к автономным ландшафтам предгорных высоких равнин. Типоморфным элементом служит кальций, а индикаторными – марганец, медь, цинк, молибден, стронций, отчасти свинец и барий. Некоторые химические элементы в процессе внутриландшафтного обмена ведут себя инертно и не могут относиться к индикаторным. В качестве их представителя в табл. 33 приведен титан.

Таблица 33

Ландшафтно-геохимические коэффициенты автономных и подчиненных ландшафтов северо-восточного Предкавказья

На хорошо дренируемых высоких равнинах происходит свободное проникновение атмосферного воздуха в почву и почвообразующие породы, следствием чего в этих ландшафтах установилась окислительная остановка. Благодаря периодическому высокому стоянию грунтовых вод за счет стока с высоких равнин, в луговых ландшафтах имеет место 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:

Формула степного ландшафта высоких предгорных равнин приведена выше.

Рассчитав отношение между концентрациями одного и того же химического элемента в однотипных компонентах автономного и подчиненного ландшафтов, мы получим коэффициент сопряженности (К_с). Он показывает, насколько выше концентрация типоморфного и индикаторных элементов, которые наиболее интенсивно вовлекаются в водную миграцию, в подчиненном ландшафте. Например, для рассматриваемых сопряженных ландшафтов величина К_с для кальция в водах составляет 1,1, а для стронция в растительности —1,5.