11.1. биогеохимия арктических ландшафтов

11.1. биогеохимия арктических ландшафтов

Условия биогеохимических процессов в Арктике весьма своеобразны. Благодаря суровости климата вегетационный сезон очень короткий; расположение вечной мерзлоты на глубине 40 — 45 см обусловливает небольшой объем почвы, в котором растения могут взаимодействовать с минеральным субстратом. Таким образом, биологический круговорот химических элементов ограничен; во времени и пространстве.

Арктическая суша, представленная островами и архипелагами, находится под сильным воздействием океана. Арктический бассейн отделен материками и выступами дна от теплых вод Тихого и Атлантического океанов. По краю шельфа Евразии от полуострова Чукотка на запад движется холодное Трансарктическое течение; такое же течение вдоль шельфа Северной Америки идет на восток.

У северо-восточной части Гренландии оба течения соединяются в один поток, который устремляется на юг. Около Исландии этот поток встречается с теплым Северо-Атлантическим течением. В районе встречи двух мощных противотечений зарождаются циклоны, которые перемещаются на восток вдоль границы полярных льдов, постепенно отдавая тепло и влагу. Значительная часть влаги выпадает на западное побережье острова Шпицберген, где количество атмосферных осадков составляет 400 мм/год. Восточнее, на Земле Франца-Иосифа, количество осадков равно 200 — 300 мм/год, далее к востоку на Северной Земле — 100 — 200 мм/год. Одновременно с запада на восток понижается зимняя температура воздуха. Столь же суров климат на островах Северо-Американского Арктического архипелага и на северном и северо-западном побережьях Гренландии, где осадков выпадает 100 — 200 мм/год, а температура января от -30 до -38 °С.

Под влиянием климатических условий значительная часть арктической суши превратилась в своеобразную полярную пустыню. Небольшое количество осадков и твердое состояние воды на протяжении 10—11 месяцев в году способствуют появлению признаков, типичных для аридных ландшафтов: щелочная реакция почв (рН 7,5 — 8,0) и даже присутствие карбонатных новообразований.

Наиболее благоприятные условия для развития биогеохимических процессов в западной части Шпицбергена. Благодаря более мягкому и влажному климату участки с растительным покровом занимают большую площадь, чем на других арктических островах. Распространены следующие типы ландшафтных обстановок (Добровольский В. В., 1989). Для широких морских террас, окаймляющих фьорды, и пологих пролювиально-солифлкжционных скоплений у основания горных склонов характерна растительность арктических тундр. Она представлена мхами с примесью лишайников, переплетенными побегами полярной ивы (Salix polaris), с варьирующими количествами разнообразных камнеломок (Saxifmga oppositifolia, S.polaris, S.caespitosa и др.), куропаточьей травы (Drias octopetala), отдельными экземплярами полярных маков, лютиков, лапчатки, крупки, пучками ситников и злаков. На одних участках растительность образует сплошной ковер, на других тяготеет к понижениям, ограничивающим криогенные полигоны. Ковер переплетенных растений, плотно прилегающий к поверхности почвы, образует самый верхний горизонт aq почвенного профиля. Почвы представлены бурыми аркто-тундровыми с профилем типа А/С.

На высоких горных плато (выше 400 — 500 м над уровнем моря) сплошной покров почв и растительности отсутствует, степень покрытия менее 10 \%. Среди растений преобладают низкие мхи, растущие на скоплениях мелкозема в центре медальонов или в Понижениях по краям полигонов. На мхах и крупных обломках горных пород растут лишайники. Встречаются отдельные экземпляры ситников и камнеломок. Почвы арктические фрагментарные (грубоскелетные).

На плоских, в разной степени заболоченных днищах ледниковых долин, выходящих в фьорды, растительность в основном состоит из пышных гипновых и сфагновых мхов. На относительно сухих местах среди мхов произрастают Кассиопеи (Cassiope tetragond), пучки злаков и ситников. В этих условиях происходит образование торфа, но его мощность, ограниченная близкой поверхностью многолетней мерзлоты (40 — 45 см), очень невелика. В широких долинах встречаются небольшие термокарстовые озера, по краям которых растут осоки (Carex nordina, C.rupestris), пухонос и пушица (Eriophorum).

Результаты анализа золы растений-торфообразователей (мхов) и торфа показали, что среди зольных элементов преобладает кремний. Его особенно много (до 36,5 \% массы золы) в сфагнуме. Второе место занимают железо и алюминий. В процессе торфообразования происходит относительное накопление железа. Как в живых мхах, так и в торфе кальция больше, чем натрия, а калий преобладает над натрием. Обращает внимание значительное количество серы. Во мхах присутствует большое количество механической примеси минеральных частиц — от 40 до 80 \% массы золы. Это связано с осаждением тонкого минерального материала, который несут воды тающих ледников, и отчасти с выпадением атмосферной пыли. Содержание механической минеральной примеси в торфе — от 60 до 80 \% от массы золы.

Специального обсуждения заслуживают данные о зольности растений. Мнение об очень низкой зольности полярных растений требует некоторого уточнения. Кустистые лишайники, растущие на развалах скал, имеют зольность 1,39 — 2,80 \% от воздушно-сухой массы, мхи в этих же условиях — в 2 — 3 раза больше. Зольность листьев полярной ивы от 3,22 до 4,57 \%, а растущих рядом камнеломок — от 7,50 до 9,25 \%. Еще сильнее различается зольность растений, находящихся в разных условиях обитания. Так, зольность надземной части ситников, собранных на высоком плато Хогфьеллет, равна 6,22 \%, а тех же растений, произрастающих в близрасположенной ледниковой долине, — 10,87 \%. Зольность мхов на каменистых склонах 5,08 \%, на террасе в ледниковой долине — 8,64 \%, в заболоченном днище этой же долины 15,60\%.

Высокая зольность растений острова Шпицберген и, вероятно, других районов арктической суши обусловлена механической примесью тонких минеральных частиц, приносимых ветром или оседающих на растениях из талых вод. Поэтому экспериментально определяемая зольность (процент золы от сухого органического вещества) и сумма зольных элементов, входящих в состав тканей растения (процент веществ, извлекаемых 1 н. НС1 из золы), существенно различаются. Как отмечено выше, особенно большое количество механической минеральной примеси содержится в растительности и торфах ледниковых равнин, по которым происходит основной сток талых вод.

В распространенных растениях было определено содержание тяжелых металлов. Установлено, что растения суши отличаются от прибрежных водорослей значительно более высокой концентрацией металлов и более низкой катионов морских солей. Наибольшие концентрации свойственны железу — сотни и тысячи мкг/г сухого растительного вещества, для цинка типичны десятки мкг/г, для меди — единицы мкг/г. Очень большой разброс данных обнаружен для марганца: от единиц до первых сотен мкг/г. На фоне общих закономерносгей заметна геохимическая специализация отдельных систематических групп. Например, для ситников характерна сравнительно высокая концентрация железа (1060—1563 мкг/г) и марганца (250 — 354 мкг/г); для лишайников — свинца (7,8 — 8,3 мкг/г); для ивы полярной — цинка (85,7— 176,2 мкг/г) и меди (5,8 — 8,0 мкг/г). Растения, находящиеся в геохимически подчиненных условиях (в ледниковых долинах), выделяются несколько повышенной концентрацией одного или двух-трех металлов. Особенно повышена концентрация железа, марганца, свинца во мхах, растущих в заболоченных днищах долин. Повышенная концентрация некоторых металлов отмечена также у растений, находящихся в непосредственной близости к берегу. Одновременно в растениях, расположенных у берега, значительно больше катионов морских солей.

Влияние океана не ограничивается переносом тепла и влаги. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляют водорастворимые соли. Снеговые осадки активно «вымывают» аэрозоли. По имеющимся данным, на северном побережье Восточно-Европейской равнины с атмосферными осадками выпадает в среднем 5 т/км2 в год морских солей, на Земле Франца-Иосифа — 3 т/км2 в год. Минерализация снеговых осадков в Арктике близка к 10 мг/л. Следовательно, при количестве осадков 400 мм/год в западных районах острова Шпицберген осаждается около 4 т/км2 морских солей.

В составе океанических аэрозолей преобладают водорастворимые сульфаты и хлориды щелочных и щелочно-земельных элементов. В виде ничтожной, но постоянно присутствующей примеси в них находятся тяжелые металлы. Происхождение примесей до конца не выяснено, но все больше фактов свидетельствует о том, что на значительном удалении от индустриальных центров концентрация металлов определяется природными факторами, а их присутствие в тропосфере такое же естественное явление, как содержание в Мировом океане или в земной коре.

Тяжелые металлы в снеговых осадках и льдах Арктики и Антарктики настойчиво изучаются последние 30 лет. Несмотря на большие трудности, связанные с их ничтожным содержанием, к настоящему времени установлено, что уровни концентрации металлов в снеговых осадках двух полярных областей различаются. Причем это различие обусловлено природными факторами. Результаты изучения геохимиками США разрезов ледников Гренландии свидетельствуют о сопоставимости концентрации металлов в современных и древних осадках. Только для цинка и свинца есть основания предполагать их возрастание в 3 — 4 раза. Существенный вклад океанических аэрозолей можно рассматривать как естественное звено биогеохимических циклов тяжелых металлов.

Поступление океанических аэрозолей имеет особо важное значение в условиях арктических ландшафтов, где взаимодействие растительности с минеральным субстратом затруднено, а гипергенное разложение минералов подавлено. По данным А. В. Евсеева (1988), в снеговом покрове острова Шпицберген следующие концентрации металлов (в мкг/л): Fe — 27,5; Мn — 0,80; Zn — 31,1; Сu 1,7; Рb 0,9; Ni 0,3; Со 0,3.

Как видно из данных табл. 11.1, концентрации водорастворимых форм, которые могут быть непосредственно вовлечены в биологический круговорот, весьма невелики. Условия арктического климата и близость вечной мерзлоты не только ограничивают взаимодействие растений с минеральным субстратом, но и подавляют процессы гипергенного разрушения минералов. Концентрации форм, которые могут быть мобилизованы под воздействием слабокислых почвенных растворов, в сотни раз превышают таковую для железа и марганца в снеге, для других металлов превышение невелико. Приведенные данные показывают, что атмосферные осадки на острове Шпицберген являются важным источником поступления не только морских солей, но и некоторых металлов.

Поступление морских солей и рассеянных элементов из атмосферных осадков, возможно, сказывается на повышенной концентрации водорастворимых форм щелочных, щелочно-земельных элементов и тяжелых металлов в самом верхнем растительно-торфянистом слое почвы.

Некоторое количество металлов выводится из биогеохимических циклов миграции и закрепляется в отмирающих органах растений и торфе. В ковре плотно переплетенной тундровой, существенно моховой растительности, не отделимой от мертвого органического вещества, происходят сложные процессы трансформации соединений металлов. Соотношения разных форм металлов были изучены на примере форм железа и цинка, содержащихся в растительном покрове и скоплениях торфа в плакорной тундре на низкой террасе Ис-фьорда и в заболоченной западине на этой же террасе (Добровольский В. В., 1990).

Таблица 11.1

Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в рыхлых

отложениях острова Шпицберген, мкг/г

Примечание Обозначения М — среднее арифметическое, а — среднеквадратичное отклонение, V— коэффициент вариации.

На низкой террасе содержание истинно растворимых форм железа и цинка, способных к диализу, составило около 80 \% от всех форм, находящихся в растворе. В заболоченной западине в верхнем слое торфа с живыми растениями истинно растворимых форм железа оказалось около 70 \%, цинка — 50 \%, в нижезалегающем торфе еще меньше. При этом процент истинно растворимых форм органического углерода от растительного слоя к торфяному также уменьшился — на террасе в 2 раза, в заболоченной западине еще больше.

При электродиализе истинно растворимых форм железа установлено, что среди них преобладают электронейтральные соединения. Так как аналогичное распределение имеет место для углерода, можно предположить, что электронейтральные формы представлены молекулами органических соединений, содержащих железо. Среди истинно растворимых форм цинка процент электронейтральных форм несколько меньше, чем заряженных, причем анионы содержатся в большем количестве в верхнем растительном слое.

Полученные данные позволяют заключить, что в верхней части растительно-торфяного покрова арктических тундр острова Шпицберген сосредоточено наибольшее количество истинно растворимых форм металлов. Среди этих форм соотношение положительно и отрицательно заряженных, а также электронейтральных неодинаково для разных металлов. В биологический круговорот вовлекается лишь некоторая часть истинно растворимых форм, главным образом положительно заряженные. Большая часть либо выносится с водным стоком, либо фиксируется в торфе, откуда может быть вновь переведена в подвижное состояние под воздействием кислых метаболитов растений. Концентрация фиксированных в торфе металлов в десятки и сотни раз больше концентрации истинно растворенных форм.

Неодинаковое поглощение металлов растениями обусловливает и неодинаковую интенсивность вовлечения каждого металла в биологический круговорот. Если рассчитать отношение концентрации металлов в растениях к их концентрации в водной вытяжке из почвообразующих пород, то обнаруживается, что наиболее интенсивно растениями захватываются железо и марганец, для которых это отношение равно 100n и 1000n. Для цинка, меди, никеля это отношение имеет порядок 10n. Высокие концентрации железа и марганца не только сохраняются, но и увеличиваются в мертвом органическом веществе.

Систематическое удаление металлов с водным стоком и выделение их из раствора в прочно фиксированное состояние в мертвом органическом веществе постоянно восполняется поступлением новых масс подвижных форм, поддерживающих биологический круговорот и функционирование экогеосистемы арктической тундры в целом. Главными источниками поступления водорастворимых форм металлов служат океанические аэрозоли, выпадающие с атмосферными осадками, и минералы почвообразующих пород, содержащие рассеянные металлы.

Имеющиеся материалы позволяют оценить мигрирующие массы тяжелых металлов в арктических тундрах острова Шпицберген. Исходя из ранее приведенных данных о концентрации металлов в снеге, величина поступления металлов на западном побережье острова Шпицберген для слоя атмосферных осадков 100 мм/год может быть оценена следующим образом (г/год): железа — 27,5; марганца — 0,8; цинка — 31,1; меди — 1,7; свинца — 0,9; никеля — 0,3.

Согласно А.А.Тишкову (1983) в тундровой растительности на низкой террасе в районе Баренцбурга суммарная масса живых растений составляет 2,9 т/га сухого вещества, количество мертвого растительного материала — 9,6 т/га, годовой прирост (продуктивность) — 0,6 т/га. Годовой прирост растительности из разобщенных куртинок ивы полярной (Salix arctikd) на острове Корнуо-лис (Канадский Арктический архипелаг) составляет всего 0,03 т/га. Поданным В.Д.Александровой (1971), наиболее обильная растительность на острове Земля Александры (архипелаг Земля Франца-Иосифа) приурочена к высокой морской террасе (20 — 22 м над уровнем моря). В растительности преобладают мхи и цетрари-евые лишайники. Живая фитомасса равна 1,6 т/га, масса отмерших органов примерно такая же.

На основании приведенных данных и определенных нами средних концентраций тяжелых металлов в тундровой растительности западного побережья острова Шпицберген в табл. 11.2 представлено распределение масс металлов. Поступление металлов с осадками рассчитано на 300 и 400 мм/год в соответствии с количеством осадков на западном побережье острова.

Сопоставляя количество металлов, захватываемых приростом и поступающих с атмосферными осадками, можно заметить, что поступающих с осадками железа и марганца значительно (на математический порядок) меньше, чем их содержится в годовом приросте. В то же время другие металлы, например медь, поступают из тропосферы в таком количестве, что могут обеспечить прирост и, следовательно, нормальное функционирование экогеосисте-мы арктической тундры. Поступление цинка и свинца из тропосферы даже несколько превышает «норму» захвата этих элементов в биологический круговорот. Возможно, этот факт свидетельствует о повышении концентрации указанных металлов в арктической тропосфере. Однако существующее положение не приводит к нарушению функционирования экосистемы. Регулирование миграционных потоков осуществляется в почве путем взаимосвязанных процессов трансформации соединений металлов с образованием их форм, доступных растениям или мигрирующих с водным стоком. Избыточные количества металлов частично фиксируются мертвым органическим веществом, частично удаляются с водным стоком. Судя по концентрации этих металлов в аккумуляциях торфа в заболоченных долинах, значительная часть избыточных масс свинца связывается в мертвом органическом веществе, в то время как цинк преимущественно выносится с водным стоком.

Таблица 11.2

Массообмен тяжелых металлов в экосистеме арктической тундры острова Шпицберген (по В. В Добровольскому, 1989)

Экогеосистемы заболоченных ледниковых долин, находящиеся в геохимически подчиненном положении по отношению к ландшафтам арктических тундр, получают с поверхностным стоком дополнительное количество элементов минерального питания, в том числе тяжелых металлов. Это способствует увеличению годового прироста в 3 — 4 раза по сравнению с растительностью арктических тундр и соответственному возрастанию масс металлов, вовлекаемых в биологический круговорот. Высокая продуктивность мохово-болотной растительности, в свою очередь, обусловливает накопление значительного количества мертвого органического вещества, обогащенного тяжелыми металлами, особенно железом и марганцем. Запасы металлов в торфе заболоченных долин оцениваются следующими значениями: железа — десятки килограммов на 1 га, марганца — 1 — 2 кг/га, цинка — 100 — 300 г/га, меди, свинца, никеля — десятки граммов на 1 га.