Файл: Бакарасов. Экология ландшафтов. Курс лекций .doc

Воздушная миграция химических элементов в ландшафтах Беларуси изучена слабо. Химический состав атмосферы соответствует норме. Состав и количество примеси в атмосфере – величина переменная. Твердые частицы аэрозолей над промышленными районами достигают большей концентрации, чем в местах удаленных от техногенного воздействия (10-50 г пыли на 1 м² в год) (Ковалев, 1972). Атмосферные осадки по минерализации относятся к ультрапресным (40-60 мг/л) гидрокарбонатнокальциевого состава. Они обеспечивают выпадение на поверхность почв и водоемов до 2-3 ц/га солей (Чертко, 1981).

Водная миграция химических элементов. Вода – это главный фактор миграции химических элементов. Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных водных растворах. Состав природной воды зависит от ее происхождения, а также растворимости и состава дренируемых пород.

Концентрация ионов в воде и соотношение катионов и анионов положены в основу классификации вод по химическому составу. По О.А. Алекину (1946), исходя из содержания преобладающих анионов природные воды делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСО₃^-), сульфатные (SО₄^2-), хлоридные (Cl^-). По преобладающему катиону каждый из указанных выше классов делится на три группы: кальциевые, магниевые, натриевые воды.

Свойства воды как среды миграции определяются несколькими типоморфными элементами или ионами (О₂, СО₂, H₂S, H⁺, OH^-, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na²⁺, Fe ²⁺ и др.). Один и тот же элемент в одном ландшафте типоморфен и не типоморфен в другом. Например, железо типоморфно в тундровых и таежных болотных ландшафтах, но мало активно в степных.

В геохимии ландшафтов все элементы классифицируются по их отношению к окислительно-восстановительным и щелочно-кислотным условия среды. Детальная разработка такой классификации сделана А.И. Перельманом, разделившим все элементы по интенсивности водной миграции в различных геохимических обстановках.

Выделяются три типа окислительно-восстановительных условий: окислительные, восстановительные глеевые и восстановительные сероводородные. В последних двух случаях в среде нет свободного кислорода, и обе среды восстановительные, но их свойства в геохимическом отношении весьма различны: глеевая среда благоприятна для миграции многих металлов (железа, марганца и других); в сероводородной среде условия для миграции неблагоприятны в связи с образованием нерастворимых сульфидов.

По щелочно-кислотным условиям все воды делятся на четыре основных класса. Сильнокислые воды содержат свободную серную кислоту, образующуюся при окислении пирита и других дисульфидов. В природных условиях они встречаются в зонах окисления сульфидных месторождений, в угольных шахтах, в вулканических районах. В таких водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе железо, алюминий, цинк, медь и другие.

Кислые и слабокислые воды весьма характерны для тундровых и лесных ландшафтов. Их кислотность связана с разложением органического вещества и поступлением угольной кислоты и других органических кислот. В кислых и слабокислых водах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Слабокислые воды очень широко распространены в верхних горизонтах земной коры.

Нейтральные и слабощелочные воды характерны для лесостепных, степных, полупустынных и пустынных ландшафтов. Степень щелочности зависит от соотношения бикарбоната кальция к его карбонату или же бикарбоната к СО₂. Условия миграции менее благоприятны для большинства металлов, которые здесь осаждаются в форме нерастворимых гидроокислов карбонатов и других солей. Анионогенные элементы (Si, Ge, As, V, U, Mo, Se и др.), напротив, мигрируют в них сравнительно легко. Органические кислоты при разложении органики полностью нейтрализуются СаСО₃ и другими соединениями кальция, магния, натрия и калия, которыми богаты почвы и породы.

Сильнощелочные воды содержат соду. Встречаются они в некоторых лесостепных ландшафтах, в содовых солончаках и др. В содовых водах легко мигрируют кремний, алюминий, молибден и комплексные карбонатные соединения Cu, Zn, Be, V, редких земель иттриевой группы, Se, Zr и др.

Для каждого класса вод характерна своя ассоциация мигрирующих элементов и ассоциация малоподвижных элементов («запрещенная»). Ионный состав вод, минерализация (хлоридные, сульфатные, гидрокарбонатные, пресные, соленные и другие воды) также существенно влияют на условия миграции элементов, но меньше, чем различия в классах вод.

По типоморфным водным (и воздушным) мигрантам, при одновременном учете щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, как отмечалось выше, все воды могут быть разделены на 21 класс. Исходя из классификации можно отметить, что, например, для тундровых ландшафтов весьма характерен кислый глеевый класс водной миграции (ХII), для ландшафтов тайги, хвойно-широколиственных и широколиственных лесов – кислый и кислый переходный к кальциевому (III, IY), для лесостепных и степных – кальциевый (YI) и т.д. В каждом ландшафте формируется свой набор ПТК разных классов водной миграции химических элементов в зависимости от конкретных условий (геологического строения, рельефа, уровня залегания и состава грунтовых вод и т.д.).

В 1917 г. американский ученый Смит разработал метод количественной оценки интенсивности водной миграции элементов, состоящий в сопоставлении среднего состава речных вод с составом горных пород. Таким путем была установлена последовательность выноса отдельных элементов при выветривании. Сопоставляя средний химический состав литосферы со средним химическим составом минеральной части рек, Б.Б. Полынов (1956) показал, что элементы в воде обладают различной степенью подвижности. А.И.Перельман (на основе идей Б.Б. Полынова) предложил использовать для характеристики миграционной способности коэффициент водной миграции, равный отношению содержания элемента Х в минеральном остатке воды к его содержанию в горных породах дренируемых этими водами. Расчетная формула для К_х имеет следующий вид: К_х = м_х х 100/а х n_х , где м_х – количество элемента в водах, дренирующих породу, г/л; n_х – количество того же элемента в в породе, дренируемой водами, %; а – сумма минеральных веществ, растворенных в оде, г/л.

Чем больше К_х, тем сильнее элемент выщелачивается из пород, тем интенсивнее его водная миграции. Используя данный коэффициент, можно сравнивать между собой интенсивность миграции распространенных и редких элементов. К_х характеризует водную миграцию в целом, он зависит не только от физико-химической, но и от биогенной миграции.

А.И.Перельман для оценки интенсивности водной миграции (в окислительной и восстановительной сероводородной обстановке) предложил использовать следующие четыре градации коэффициента водной миграции: 1) очень сильная миграция К_х nх10 - nх100 (хлор, бор, бром, йод); 2)сильная миграция К_х 1-n - nх10(n <2) (кальций, натрий, магний, магний, железо, цинк, стронций и др.); 3) средняя миграция К_х 0,1-n - nх10(n<5) (калий, фосфор, свинец, литий, кремний и др.); 4) слабая и очень слабая миграция 0,0n и меньше – алюминий, титан, платина, олово, цирконий и др.

Отношение коэффициентов водной миграции одного элемента в разных ландшафтах (или в разных частях ландшафта) позволяет судить о контрастности этого элемента. Одни элементы обладают высокой контрастностью (цинк, уран), другие – низкой. Малоконтрастные элементы везде или энергично (сера, хлор) или очень слабо (цирконий, торий и др.) мигрируют. Если отношение близко к единице или равно ей, контрастность миграции элемента сравниваемых ландшафтов не выражена. Чем больше коэффициент контрастности К_к отличается от единицы, тем выше контрастность миграции данного элемента в разных ландшафтах.

Водная миграция химических элементов в ландшафтах Беларуси имеет определяющее значение. Килая реакция среды и промывной водной режим создают предпосылки для растворения минералов, разложения органических веществ и миграции химических элементов в коллоидной, ионной и суспензионной форме. Геохимические барьеры (механический, биологический окислительный, восстановительный и др) задерживают миграцию химических, способствуя концентрации и синтезу устойчивых минеральных и органических веществ. Максимальный модуль ионного стока, который характеризует активность химической денудации, характерен для центральной (44,3 т/км²) и северной (42,7 т/км²) провинций, минимальной – для южной (24.6 т/км²). Агрессивность воды в ландшафтах Беларуси по отношению к породе определяется растворимым углекислым газом (1,1-19,4 мг/л) и наличием кислот. В зимний период растворение пород прекращается, водная миграция химических элементов минимальная. Максимального уровня водная миграция химических элементов достигает в период паводков, половодий весенне-летне-осенний период.

Водная миграция химических элементов в системе почва – порода осуществляется преимущественно вглубь по профилю. В результате происходит обеднение почвы в подзолистом горизонте и аккумуляция их в иллювиальном горизонте, а также в коре выветривания (Чертко, 1981).

3.2.3. Биогенная миграция химических элементов в ландшафтах

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂S и др.) обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем которое действовало в биосфере в течении геологической истории. Это положение А.И.Перельман предложил называть законом В.И. Вернадского.

Образование живого вещества из неорганических соединений окружающей среды происходит преимущественно в результате фотосинтеза зеленых растений. Из СО₂ и Н₂О под влиянием хлорофилла или другого пигмента, играющего роль катализатора, и солнечной энергии зеленые растения синтезируют углеводы и другие органические соединения. Одновременно в результате разложения воды выделяется свободный кислород. С позиции геохимии ландшафта особенно существенно, что при фотосинтезе возникает сильный окислитель – свободный кислород и сильные восстановители – различные органические соединения. В то время как исходные вещества фотосинтеза - СО₂ и Н₂О – на земной поверхности без участия организмов не являются ни окислителями, ни восстановителями. При фотосинтезе атомы С, О, Н заряжаются энергией и становятся геохимическими аккумуляторами.

Углеводы и другие продукты фотосинтеза, передвигаясь из листьев в стебли и корни, вступают в сложные реакции, в ходе которых создается все разнообразие органических соединений растений. Однако растения состоят не только из углерода, водорода и кислорода, но также из азота, фосфора, калия, кальция, железа и других химических элементов, которые они получают в виде сравнительно простых минеральных соединений из почвы или водоемов. Поглощаясь растениями, эти элементы входят в состав сложных богатых энергией органических соединений (азот и сера – в белки, фосфор – в нуклеопротеины и т.д.) и также становятся геохимическими аккумуляторами. Этот процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений. Благодаря биогенной аккумуляции элементы из воды и воздуха переходят в менее подвижное состояние, т. е. их миграционная способность понижается. Все остальные организмы – животные, подавляющая часть микроорганизмов и бесхлорофильные растения (например, грибы) являются гетеротрофами, т.е. они не способны создавать органические вещества из минеральных. Органические соединения, необходимые для построения их тела и как источник энергии, они получают от зеленых растений.

Синтез органического вещества протекает не только путем использования зелеными растениями лучистой энергии Солнца. Известны бактерии, которые используют для этой цели энергию, выделяющуюся при окислении некоторых неорганических соединений. Такой процесс создания органических веществ называется хемосинтезом.

Кларки живого вещества впервые наметил В.И. Вернадский, более точно - А.П. Виноградов и другие ученые. Кларки живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов. Однако здесь нет прямой зависимости. Живое вещество в основном состоит из четырех элементов: О (70 %), С (18 %), Н (10,8 %) и азота (0,3 %), в сумме составляющих 98,8 %. Организмы – это кислородные существа. Живое вещество богато водой. Некоторые животные (медузы и др.) содержат почти 100 % воды, менее богаты водой млекопитающие, но в них ее более 60 %. В живых организмах обнаружены почти все элементы Периодической системы, но кларки большинства из них очень малы. Многие микроэлементы выполняют в организмах важные физиологические функции (например, йод). Главной особенностью истории живого вещества В.И. Вернадский считал его образование из газов и превращение после смерти снова в газы (СО₂, NH₃, N₂, Н₂О и т. д.). Малоподвижные элементы, как правило, слабо захватываются организмами. Например, в литосфере много Al (8,05 %), а в живом веществе мало - Al (0,005 %).

Кларки концентрации в живом веществе А.И. Перельман назвал биофильностью. Наиболее энергично концентрируются в живом веществе С (биофильность 7800), слабее N (160), Н (70), О (1,5), Cl (1,1). У остальных элементов биофильность меньше единицы. Наименее биофильны алюминий, железо, никель.

Живое вещество избирательно поглощает и накапливает некоторые химические элементы. Поэтому очень важно изучать состав минеральной части живого вещества, т.е. состав золы. Содержание большинства элементов в золе значительно отличается от их среднего содержания в земной коре, т.к. растения избирательно поглощают элементы. Интенсивность поглощения характеризуется отношением количества элемента в золе растений к его количеству в почве или горной породе. Этот предложенный Б.Б. Полыновым показатель А.И. Перельман назвал коэффициентом биологического поглощения А_х:

А_х=l_х/n_х, где l_х – содержание элемента в золе растений, n_х – в горной породе или почве на которой произрастает данное растение, кларк литосферы.

Б.Б.Полынов по величине этого коэффициента построил ряды биологического поглощения для главных химических элементов, А.И.Перельман уточнил эту классификацию. Получилось 4 группы элементов, характеризующихся различной интенсивностью использования живыми организмами: от энергичного накопления до очень слабого захвата. В зависимости от величины А_х химические элементы разделены следующим образом: элементы биологического накопления (А_х>1) и биологического захвата (А_х<1). Элементы каждого ряда в свою очередь делятся на две группы: элементы первого ряда на групы энергичного накопления (фосфор, сера, хлор, бром, йод) и сильного накопления (кальций, калий, натрий, магний, цинк, бор, селен, стронций). Элементы второго ряда разделены на группу среднего накопления (марганец, фтор, барий, никель, медь, галлий, кобальт, свинец, олово, мышьяк, молибден, ртуть, серебро, радий) и слабого и очень слабого накопления (кремний, алюминий, железо, цирконий, рубидий, ванадий, хром, литий, иттрий, ниобий, торий, скандий, бериллий, цезий, тантал, уран, вольфрам, кадмий, сурьма). Место, занимаемое тем или иным элементом в зависимости от величины А_х в ряду биологического поглощения, зависит от местообитания растений. Например, для солянок, произрастающих в ландшафтах пустынь, хлор относится к элементу энергичного накопления, а для сосны в таежных ландшафтах – к элементу среднего или слабого захвата. Предложены и другие коэффициенты интенсивности биологического поглощения.