12.3. водная миграция элементов в зоне бореальных и суббореальных лесов

12.3. водная миграция элементов в зоне бореальных и суббореальных лесов

Почвенные (лизиметрические) воды таежных лесов содержЛ значительное количество растворимых гумусовых кислот. В часг ности, величина рН лизиметрических растворов иллювиально-мусовых подзолов северной части Карелии и Кольского полуострова колеблется от 3,8 до 5,5. Концентрация органического углерода максимальна в лизиметрических растворах из подстилок: по данным Н.В.Лукиной и В.В.Никонова (1998) до 100 м/л и выше.

Элементы, мобилизованные благодаря биогеохимическим процессам, происходящим в почве, вовлекаются в водную миграцию поверхностным и грунтовым стоками. Низкая минерализация и присутствие значительного количества растворимых органических соединений особенно отчетливо выражены в таежно-мерзлотных ландшафтах, где зона активного водообмена представлена над-мерзлотными водами и таликовыми участками по долинам рек.

Некоторое количество металлов поступает в грунтовые над-мерзлотные воды с атмосферными осадками. В области распространения таежных хвойных лесов в пределах 60 — 70° с.ш. в месячных пробах атмосферных осадков содержится (мкг/л): марганца — 12; свинца — 4,4; меди — 4,0; никеля — 3,0. В южной части лесной зоны в границах 50 — 60° с.ш. концентрация слабо возрастает (мкг/л): марганца — 20; свинца — 6,0; меди — 5,0; никеля — 3,5. Указанные количества играют скромную роль в массообмене элементов в экогеосистемах южной половины лесной зоны, но ощутимы в ее наиболее северных районах, особенно в области развития многолетней мерзлоты.

Н.Б.Никитина (1973) установила, что в таежно-мерзлотных ландшафтах кристаллических плато и нагорьях Восточной Сибири широко распространены ультрапресные воды. Их минерализация составляет всего 16 — 85 мг/л, а растворенных органических соединений больше, чем минеральных. В составе первых преобладают фульвокислоты. С ними связано присутствие меди, ванадия, никеля, кобальта, свинца, иттрия, бериллия в виде металлоорга-нических комплексных соединений. Концентрация перечисленных элементов повышается с увеличением растворимого органического вещества (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Зависимость концентрации меди от концентрации растворимого

органического вещества в ультрапресных водах таежно-мерзлотных ландшафтов

Восточной Сибири (по Н.Б.Никитиной, 1973)

На обширной площади лесной зоны Евразии в направлении с севера на юг подзолистые и мерзлотно-таежные почвы под хвойными лесами сменяются дерново-подзолистыми под лесами смешанного состава, затем серыми и бурыми лесными почвами под лиственными лесами. Соответственно возрастает минерализация поверхностных вод и уменьшается содержание растворимых органических кислот. Отмеченная закономерность — только общая тенденция, которая нарушается изменением состава прчвообразую-щих пород. Биогеохимические процессы, протекающие в подзолистых почвах, сформированных на песчаных водно-ледниковых и древнеаллювиальных отложениях, способствуют понижению минерализации вод и относительному обогащению их фульво-кислотами. Такая ситуация, в частности, характерна для песчаных низменностей Восточно-Европейской равнины — Мещеры, Белорусского Полесья и др. Распространение покровных суглинков, наоборот, влечет за собой повышение величины рН природных вод и увеличение их минерализации. Тем не менее тенденция к возрастанию концентрации рассеянных элементов в водах по мере уменьшения бореальности ландшафтов хорошо прослеживается в отдельных регионах, в частности в Сибири (табл. 12.10). Возрастание концентрации разных элементов неодинаково, поэтому по мере увеличения общей минерализации изменяется их соотношение. Например, в водах тундровых и северотаежных ландшафтов в наибольшем количестве присутствует цинк, но в ландшафтах смешанных лесов он отступает на третье место после стронция и марганца. Отношение стронций: барий в водах тундровых ландшафтов равно 2,3, в северотаежных — 2,9, в ландшафтах смешанных лесов — 5,5. Отношение медь : галлий соответственно 4,9; 6,1; 8,1.

Таблица 12.10

Средняя концентрация рассеянных элементов в грунтовых водах бореальных и суббореальных ландшафтов Сибири, мкг/л

(по С.Л.Шварцеву, 1978)

Экспериментальное изучение миграционных форм тяжелых металлов в водах лесных ландшафтов показало важное значение комплексных органических соединений металлов, а также частиц коллоидных размеров, не проходящих через полунепроницаемую перегородку типа органических мембран. Формы простых ионов железа, участвующие в водной миграции в северотаежных ландшафтах, имеют подчиненное значение, а органические соединения достигают 80 \% от общего количества водорастворимого металла в почвах. С уменьшением степени бореальности ландшафтов содержание этих форм уменьшается. Заболоченность ландшафта, наоборот, способствует увеличению их содержания.

Имеющиеся факты позволяют предполагать, что интенсивность водной миграции рассеянных элементов в лесных ландшафтах тесно связана с биогеохимической деятельностью микроорганизмов, в частности с образованием в почвах водорастворимых комплексных органических соединений, главным образом фульвокислот и их производных. Благодаря этому процессу в водную миграцию вовлекаются значительные массы рассеянных элементов, особенно тяжелых металлов. В южной части лесной зоны интенсивность вовлечения металлов в водную миграцию уменьшается.

Выше отмечалось, что заболачивание ландшафтов способствует накоплению мертвого органического вещества, увеличению концентрации растворимых органических соединений и связанных с ними элементов. По этой причине коэффициент водной миграции Кв одного и того же элемента в воде болот больше, чем в поверхностных и грунтовых водах незаболоченных, хорошо дренируемых лесных ландшафтов. Сопоставление имеющихся данных по Восточной Сибири показывает, что величина Кв рассеянных элементов в водах верховых болот больше, чем в речных.

В процессе водной миграции происходит закономерное перераспределение рассеянных элементов в элементарных экогеосистемах, последовательно сменяющихся от водораздела к депрессиям рельефа. В зоне бореальных лесов типичными геохимически подчиненными ландшафтами являются низинные болота. Наиболее характерные для лесной зоны миграционные формы металлов, связанные с растворимым органическим веществом, достигают в условиях низинных болот наибольшей концентрации. Более 90 \% железа, близкие количества марганца, меди, цинка, никеля, хрома, ванадия в водах низинных болот присутствуют в форме растворимых органических соединений металлов и коллоидных растворов. Участие каждого рассеянного элемента в геохимическом сопряжении очень индивидуализировано и зависит от свойств их миграционных форм и конкретных ландшафтно-геохимических условий.

В целом в водах низинных болот концентрация большей части тяжелых металлов выше, чем в верховых. Это хорошо видно из данных для болотных вод центральной части Западно-Сибирской низменности (табл. 12.11).

Таблица 12.11

Средняя концентрация рассеянных элементов в водах болот

Западной Сибири, мкг/л (по С.Л.Шварцеву, 1978)

Благодаря высокой концентрации тяжелых металлов в воде болот сильно возрастает захват этих элементов в биологический круговорот и значительно повышается их концентрация в мертвом органическом веществе. В низинных торфяниках Карелии по сравнению с верховыми возрастает концентрация: марганца и цинка — примерно в 2 раза, кобальта — в 3 — 4, молибдена и меди — в 5 —6 раз. В разных районах соотношение концентраций элементов в торфе низинных и верховых болот имеет свои особенности. Выше отмечено, что по мере уменьшения бореальности повышается величина рН природных вод и уменьшается содержание в них растворимых органических соединений. Одновременно с этим снижается контрастность концентраций рассеянных металлов в низинных и верховых торфяниках.

Растения-торфообразователи активно поглощают металлы из грунтовых вод, омывающих неглубоко залегающие залежи руд. В результате образуются биогеохимические аномалии. Используя это явление, финский геохимик М.Сальми предложил метод поиска руд путем анализа торфа. Он обнаружил биогеохимические аномалии меди, свинца, цинка, ванадия и титана в торфяниках вблизи рудных тел, перекрытых ледниковыми отложениями мощностью 10-12м (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Биогеохимическая аномалия в торфе болота Малмисуо,

Финляндия (по М. Сальми, 1955)

Другим распространенным вариантом геохимически подчиненной элементарной экогеосистемы в лесной зоне являются речные поймы. Одна часть взвесей и растворимых соединений, сносимых поверхностным и грунтовым стоками с водораздельных пространств в долины рек, удаляется за пределы района, другая часть продуктов смыва задерживается в поймах. При этом происходит дифференциация химических элементов. В пойменных почвах рек лесной зоны частично задерживаются тяжелые металлы, а хорошо растворимые элементы (натрий, кальций, стронций, бор, литий, фтор) вовлекаются в транзитную миграцию с речными водами и выносятся. В результате в биологический круговорот на поймах вовлекаются дополнительные массы металлов, а в растительности и почве возрастает их концентрация. По этой причине преобладающая часть биогеохимических аномалий в болотах, озерах и речных поймах лесной зоны обусловлена эффектом геохимического сопряжения, а не связана с залежами руд. Такое заключение подтверждено специальными исследованиями в Финляндии. Финский геохимик И.Йлируоканен (1975) обследовал 130 сфагновых болот, из которых в 15 обнаружил биогеохимические аномалии. Лишь часть этих аномалий была связана с рудами, а остальные оказались «ложными», возникшими в результате эффекта геохимического сопряжения.

Рекомендуемая литература

Добровольский В. В., Мельчаков Ю.Л. Динамика массообмена металлов в ландшафтно-геохимических условиях Среднего Урала // Тр. Биогеохимической лаборатории. — М.: Наука, 1990. — Т. 21. — С. 89— 100.

Елпатьевский П. В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. — М.: Наука, 1993. — 253 с.

Казимиров Н.И., Морозова P.M. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. — Л.: Наука, 1973.

Лукина В. В. Питательный режим лесов северной тайги. — Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1998. — 316 с.

Морозова Р. М. Запас, зольный состав лесных подстилок в еловых насаждениях// Почвенные исследования Карелии. — Петрозаводск, 1974. — С. И9-142.

Никонов В. В., Лукина Н.В. Биогеохимические функции лесов на северном пределе распространения. — Апатиты, 1994. — 315 с.

Родин Л.Е., Базилевич Я. И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. — М.-Л.: Наука, 1965. — 251 с.

Структура и функционирование экосистем южной тайги / Под ред. Н. И. Базилевич, А. А.Тишкова. — М.: Ин-т географии АН СССР, 1986. — 298с.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные черты структуры живого вещества бореальных| лесов?

2. Как меняется соотношение живой биомассы и мертвого органического вещества в пределах лесного пояса Северного полушария?

3. Какое глобальное значение имеет аккумуляция органического ве-1 щества в зоне бореальных лесов?

4. Какие зольные элементы в наибольшем количестве захватываются в биологический круговорот в лесных биоценозах?

5. Каков порядок масс тяжелых металлов, захватываемых в биологический круговорот на единице площади бореальных лесов?

6. Каковы главные формы аккумуляции металлов в почвах бореальных лесов?

7. Каковы главные миграционные формы металлов в природных водах пояса бореальных и суббореальных лесов?

Темы для самостоятельной работы

1. Составьте схему массообмена в экосистеме бореального леса с указанием масс главных элементов

2. Определите количество кислорода, находящегося в атмосфере благодаря фиксации углерода в залежах торфа на территории пояса бореальных лесов и суббореальных лесов