11.2. биогеохимия тундры

11.2. биогеохимия тундры

Тундровые ландшафты занимают крайнюю северную полосу материковой суши, контактирующую с морями Арктического бассейна. Климатические условия тундровой зоны дают возможность для большей активности биогеохимических процессов по сравнению с Арктикой. Тундровая растительность состоит из мхов, лишайников, травянистых растений, кустарничков и кустарников. В северных вариантах преобладают мхи и лишайники, на крайнем юге — кустарники. Типичная тундровая растительность имеет мохово-кустарничково-травянистый состав.

Почвенная микрофлора разнообразна; численность микроорганизмов выше, чем в арктических почвах. Количество бактерий колеблется от 500 до 3 500 103 экземпляров в 1 г почвы.

Содержание зольных элементов и азота в биомассе тундровой растительности примерно равно. Среди зольных элементов наибольшие концентрации свойственны кальцию, калию, магнию, фосфору и кремнию. Концентрации других элементов редко превышают 0,1 \%.

Изучение рассеянных элементов в растениях, почвах и рыхлых почвообразующих породах тундровых ландшафтов Кольского полуострова (Добровольский В. В., 1963), полуострова Ямал (Московченко Д. В., 1995), северной части Евразии (Евсеев А. В., 1992), Аляски (Шаклетт X.Т., 1962) показало, что разные систематические группы растений селективно поглощают подавляющую часть тяжелых металлов, в то время как титан, цирконий, иттрий, галлий поглощаются слабо. На рис. 11.1 приведены графики интенсивности поглощения рассеянных элементов распространенными растениями тундры, расположенной на плоских поверхностях Хибинского горного массива (Кольский полуостров). Значения К6 свинца, цинка, олова, никеля и меди на математический порядок больше значений К6 циркония, титана, ванадия.

Рис. 11.1. Интенсивность биологического поглощения металлов

типичными растениями Хибинских тундр (по В.В.Добровольскому,

1963):

1 — лишайники; 2 — мхи; 3 — злаки; 4 — камнеломки

Особенно заметно отражают изменение концентраций металлов камнеломки (представители рода Saxifraga) и мхи (бриофиты). Х.Т. Шаклетт провел детальные биогеохимические исследования в тундровых ландшафтах Аляски и установил, что бриофиты могут выдерживать более высокие концентрации металлов, чем сосудистые растения. Некоторые мхи являются индикатором залежей руд, содержащих повышенное количество меди.

В условиях хорошего дренажа, существующих обычно на положительных элементах рельефа и склонах, формируются кислые бурые тундровые почвы. Для них характерна аккумуляция слаборазложившихся растительных остатков и образование обособленного торфянистого горизонта. Ниже этого горизонта профиль почв мало дифференцирован. В маломощном и плохо выраженном гумусовом горизонте, расположенном под торфяным горизонтом, содержание гумуса около 1 — 2,5\%. В составе гумуса преобладают хорошо растворимые фульвокислоты; рН почв в верхних горизонтах приближается к 5. Кислые почвенные растворы способствуют водной миграции металлов преимущественно в виде комплексных органических соединений.

На территории низменных равнин с затрудненным дренажем в нижней части почвенного профиля устойчиво существуют условия дефицита кислорода. Это способствует формированию тущ рово-глеевых почв с глеевым горизонтом серого цвета. Горизог начинается сразу под торфяно-гумусовым горизонтом и продолжается до поверхности вечной мерзлоты. Иногда между гумусовым горизонтом и оглеенной частью почвенного профиля обоcобляется маломощный горизонт с чередованием серых и ржавых пятен, свидетельствующих об осаждении гелей оксидов Fe3+ и органоминеральных соединений.

Биомасса растительности тундровых экогеосистем возрастает по мере перехода от лишайниково-моховой тундры к кустарничковой от 4,0 — 7,0 до 28,0 — 29,0 т/га сухого вещества. В переходной подзоне лесотундры биомасса превышает 100 т/га. Масса органического вещества, находящегося на поверхности почвы и состоящего из оторфованных растительных остатков, достигает 80 — 90 т/га сухого вещества. В северных вариантах тундры биомасса растительности составляет более 50 \% от суммарной массы растительности и мертвого органического вещества. По направлению к югу это соотношение меняется, и в кустарничковых тундрах биомасса меньше массы растительных остатков. Характерная черта структуры тундровой растительности — сильное преобладание массы подземных органов растений (70 — 80 \%) над массой надземных органов.

Средние данные о распределении масс в самом распространенном типе тундровой растительности — мохово-кустарничковой тундре — согласно данным Л. Е. Родина и Н.И.Базилевич (1965), следующие (т/км2); биомасса — 2800; мертвое органическое вещество — 8300; годовой прирост — 2038; годовой опад — 2027. В биологическом круговороте участвует около 5 т/км2 азота в год.

На основании среднего значения зольности (речь идет об «истинной» зольности, т. е. о количестве элементов, входящих в состав тканей, а не о механической примеси пылевых минеральных частиц, количество которых в растениях некоторых природных зон превышает «истинную» зольность), равного для тундровой растительности 2 \%, и приведенных выше данных о массе годового прироста можно сделать вывод, что растительность мохово-кустарничковой тундры ежегодно захватывает в биологический круговорот около 4,7 т/км2 химических элементов (за исключением азота). Исходя из этого количества и средних значений концентрации рассеянных элементов в годовом приросте суши (см. табл. 2.4), можно рассчитать ориентировочные значения масс некоторых элементов, захватываемых в биологический круговорот (табл. 11.3).

Таблица 11.3

Массы тяжелых металлов и некоторых рассеянных элементов,

вовлекаемые в биологический круговорот

 в мохово-кустарничковой тундре

Массы химических элементов, участвующие в биологическом круговороте на единице площади в тундровых экогеосистемах, не пропорциональны интенсивности поглощения этих элементов растительностью. Вероятно, одни элементы захватываются избирательно (например, цинк и медь), другие — поглощаются растениями пассивно, в зависимости от их содержания в окружающей среде (например, титан, цирконий, ванадий, иттрий).

Рекомендуемая литература

Александрова В. Д. Опыт определения надземной и подземной массы растительности в арктической тундре // Ботанический журнал. — 1958. — Т. 43.-№12.-С. 1748-1761.

Добровольский В. В. Биогеохимия тяжелых металлов в Арктике // Вестник МГУ. Сер. почв. 1995. № 3. С. 3-14.

Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимические особенности нагорных тундр Кольского полуострова// Почвоведение. — 1961. — № 3. — С. 25 —32. ТишковА А. Экосистемы западного побережья Шпицбергена (архипелаг Свальбард) // Известия АН СССР. Сер. геогр. 1993. С. 99102.

Контрольные вопросы

1. Каковы количественные показатели биомассы и продуктивности арктических ландшафтов?

2. Рассмотрите факторы, влияющие на структуру биогеохимических циклов тяжелых металлов в условиях полярного пояса.

3. Каковы биогеохимические особенности тундрового почвообразования''

4. В чем проявляется влияние океана на биогеохимические процессы на арктических островах и побережьях?

Тема для самостоятельной работы

По данным, приведенным в гл 2, рассчитайте максимальные и минимальные количества двух металлов (по выбору), захватывающихся в биологический круговорот в Заполярье.