Биогеохимия биоты в природных ландшафтах и зоне геотехногенеза (стр. 6 )

Выявленные особенности распределения мышьяка в почвообразующих породах указывают на то, что источником мышьяка в почвах являются горные породы геологического субстрата, в которых мышьяк является примесью, но основным носителем аномальных концентраций служит арсенопирит и скородит. По сути дела мышьяк в составе его минералов-носителей имеет остаточную природу.

Для района исследования характерно отсутствие настоящих почв (кроме фонового участка). Почвы представляют собой щебнистые, хрящеватые горные почвы, часто не имеющие гумусового и иллювиального горизонтов в профиле. К таким относятся изученные почвы Т. 7, 8.1 – 8.3, здесь выявлено увеличение концентраций мышьяка в почвах по сравнению с почвообразующей породой. Почвы же Т. 1 – 4 и Т. 14.1, содержат мышьяка больше чем почвообразующие породы, что связано с особенностями его геохимического поведения и процессами почвообразования. Существенные различия в содержании мышьяка в почвообразующих горных породах и почве Т. 5.1 и 5.2. и Т.9, можно объяснить следующим образом. Мышьяковая минерализация на участках наблюдения в Т. 5.1. представлена арсенопиритом, тогда как в Т. 5.2. арсенопиритом и скородитом, а в Т. 9. в основном скородитом. Скородит является геохимически устойчивым минералом и практически не подвержен изменениям в процессе гипергенеза, так как он является его продуктом, вследствие чего мышьяк не мигрирует в почву. При формировании почв, происходит их обогащение мышьяком за счет отсутствия выноса.

Рис. 1. Содержание мышьяка в почвообразующих горных породах, почве и техноземах на разных участках района. Т. 1 – 9 – Шерловогорское месторождение, Т. 10 – 10.5. – карьер Шерловогорского ГОКа, Т. 11. – Северный отвал, Т. 12. – 12.3. – хвостохранилище, Т.14.1 – фоновый участок.

Пространственное распределение мышьяка на территории района обусловлено закономерностями развития второго этапа становления месторождения, с которым связано формирование олово-полиметаллического месторождения Сопка Большая. По функционировавшим рудопроводящим каналам обогащенные мышьяком флюиды проникали в системы трещин в районы участков Т. 5.1. – 5.2. и Т. 9. Участки, расположенные вдали и гипсометрически выше от источника мышьяк-содержащих флюидов характеризуются относительно невысокими содержаниями мышьяка в горных породах и почвах.

Мышьяк в древесных растениях

Растительный кларк мышьяка составляет 0,1 мг/кг [7], 0,3 мг/кг [5]. Концентрации мышьяка в растениях на не загрязненных почвах по данным [2] – 0,01 – 5 мг/кг, по А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас [4] они варьируют в пределах 0,009 – 1,5 мг/кг.

Среднее содержание мышьяка в древесных растениях района в целом не превышает мировых фоновых значений. Различия заметны для разных участков района (табл. 2, рис. 2). Боярышник кроваво-красный, растущий на месторождении захватывает больше мышьяка, чем боярышник, растущий на геотехногенных массивах и на фоновом участке. Однако береза проявляет иную тенденцию. Максимум мышьяка был отмечен для березы с геотехногенных массивов (рис.2).

Таблица 2

Среднее содержание мышьяка в древесных растениях на разных участках

Участок	Название растения	x, мг/кг	Min, мг/кг	Маx, мг/кг	σ	V, %	n
Месторождение	Боярышник кроваво-красный	3,07	Ниже НПО	16,36	4,43	144	360
Береза плосколистная	1,58	Ниже НПО	6,07	1,45	92	420
Геотехногенные массивы	Боярышник кроваво-красный	0,53	Ниже НПО	0,89	0,52	98	45
Береза плосколистная	1,99	0,5	8,33	2,1	106	195
Фоновый участок	Боярышник кроваво-красный	0,19	Ниже НПО	0,65	0,17	95	225
Береза плосколистная	0,68	0,01	6,01	1,46	215	240

Рис. 2. Мышьяк в древесных растениях Шерловогорского горнорудного района.

Выводы

Таким образом, высокие концентрации мышьяка в почвообразующих горных породах и почвах Шерловогорского горнорудного района связаны со становлением и развитием Шерловогорской рудомагматической системы. Почвы района наследуют высокие содержания мышьяка от почвообразующих горных пород в рамках процессов почвообразования и геотехногенеза, но содержание его в них, в основном выше, чем в горных породах.

Древесные растения Шерловогорского горнорудного района проявляют различные тенденции захвата мышьяка в зависимости от вида и места произрастания растения. В целом, древесные растения района проявляют некую барьерность по отношению к высоким, порой ураганным содержаниям мышьяка в почве и техноземах. Это может указывать как на наличие у растения защитных механизмов, так и на нахождение в почве труднодоступных для растений форм мышьяка.

Литература

1. Геологические исследования и горно-промышленный комплекс Забайкалья: История, современное состояние, проблемы, перспективы развития. К 300-летию основания Приказа рудокопных дел [Текст] / [и др.]; отв. ред. док. геол.-мин. наук. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. – 574 с.

2. Гамаюрова в экологии и биологии. М.: Наука, 1993. – 208 с.

3. , , А, , Голубева исследования в районе Шерловогорского горнорудного район //Труды I всероссийского симпозиума с международным участием «Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий» и VII всероссийских чтений памяти акад. «Современное минералообразование» 7–10 ноября 2006, г. Чита, Россия. – С. 114 – 118.

4. Кабата- Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ – М.: Мир, 1989. – 439 с.

5. Карпачевский почвоведение М.: ГЕОС, 2005. – 336 с.

6. Месторождения Забайкалья в 2 кн. / Главн. ред. академик РАН . Чита – Москва, 1995.

7. Минеральное сырье. Краткий справочник; под ред. ; сост.: , , . М.: , 1999. – 23 с.

БИОГЕОХИМИЯ ЗЕЛЕНЫХ МХОВ ГОРНОТУНДРОВЫХ ЛАНДШАФТОВ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт ДВО РАН, Анадырь, Россия, [e-mail]

BIOGEOCHEMISTRY BRYIDEA MOUNTAIN TUNDRA LANDSCAPE: ECOLOGICAL AND GEOLOGICAL ASPECTS

O. D. Tregubov

North-Easterly complex research institute of the FEB to RAS, Anadyr, Russia, *****@***ru

Questions of the use Bryidea are discussed in report in biogeochemical of the studies. The main attention is accented on biological and ecological particularity accumulation moss chemical element. The Brought limited and recommendations on use moss in geological searching for and monitoring environment.

Введение

Среди растений ландшафтов северного полушария подкласс бриевых или зеленых мхов занимает доминирующее положение, как самый распространенный компонент растительных сообществ и сильный эдификатор среды. Бриевые также самые многочисленные изо мхов – 24600 видов, произрастающих от полупустынь до арктических тундр [8]. Два этих свойства делают зеленые мхи универсальным объектом биогеохимических исследований.

Современные представления о геохимии зеленых мхов, как и о большинстве моховых, сводятся к их сидерофильности и высокой способности концентрировать тяжелые металлы. Это хорошо укладывается в схемы геохимической эволюции биосферы и позволяет использовать мхи для картирования атмогеохимических аномалий [3]. Другое биогеохимическое направление изучения мхов связано породообразующей ролью их органических остатков в образовании торфа и угля [1]. В настоящем докладе внимание к зеленым мхам акцентировано на их экологических свойствах и возможности использования бриевых в геологических поисках и мониторинге загрязнения горнорудных территорий.

Экологические аспекты

Повсеместное распространение мхов указывает их присутствие в различных растительных сообществах – фитоценозах. Иначе говоря, трудно найти ландшафт, местность или урочище в лиственных лесах, тайге, тундрах равнин и гор, где бы зеленые мхи отсутствовали полностью. Это означает, что группа распространенных видов зеленых мхов образует в своей совокупности трансконтинентальный синузию пригодную для изучения и сравнительного анализа ландшафтов различного уровня и масштаба. Этот простой вывод, по сути, позволяет рассматривать зеленые мхи как отдельную депонирующую среду в составе живых организмов Земли.

По терпимости видов к внешним условиям среды зеленые мхи группируют в ксерофиты, мезофиты, гигрофиты (увлажнение), криофиты (морозоустойчивость), галофиты (засоление) [1]. В связи с этим закономерен вопрос о видовых и групповых отличиях мхов в накоплении химических элементов (ХЭ). Решить его позволяет взаимопроникновение зеленых мхов разных видов и экологических групп в фитоценозах отличных по местоположению в ландшафте. В ходе исследований нами были опробованы и проанализированы виды мхов в составе фитоценозов Анадырской низменности и Канчаланских гор (здесь и далее практические примеры приведены по данным исследований автора гг. в Анадырском районе Чукотского АО): Polytrichym strictum, Dicranum elongatum, Dicranum angustum, Aulacomnium turgidum, Pleurozium schreberi, Dicranoweisia crispula, Hylocomnium splendens Dicranoweissia crispula, Dicranum elongatum (Политрихум, Плерозиум, Дикранум, Алкомниум и т. д.) [4, 6]. По результатам параллельных спектральных анализов проб золы мхов, преимущественно ксерофитов и гигрофитов, отобранных с одной точки, установлены различия в накоплении большей части спектра определяемых элементов не более чем в 1,1-1,2 раза, в то время как накопление ХЭ мхами из удаленных мест разнятся в 10 раз. Таким образом, индивидуальные различия мхов в концентрировании металлов находятся на уровне погрешностей опробования и лабораторного анализа.

Другой важный экологический аспект экологии зеленых мхов связан с их эдификаторными свойствами – способностью преобразовывать окружающую и вмещающую их среду. Для мхов это повышение увлажнения почв, их термостатирование и закисление, повышение содержания обменных оснований и поддержание восстановительных условий среды. Механизмы этих процессов известны [2]. Это снижение испарения, медленное разложение растительных остатков с образованием органических кислот, снижение температуры в результате теплоизоляции почв и горных пород. В условиях субарктики именно зеленые мхи в составе кочкарных и пятнистых тундр отвечают за формирование и сохранность специфичных низкотемпературных, глеевых, слабокислых условий среды. При механических нарушениях моховой дернины происходит почти мгновенное растепление мерзлых пород, интенсивно окисляется торфянистая подстилка, усиливается дренаж, идет нейтрализация кислой среды почв.

Данная способность мхов принципиальным образом влияет на биогеохимические свойства. Например, на тип и пределы толерантности мхов к различным ХЭ, на коэффициенты биологического и относительного поглощения (табл. 1), (рис. 1) [5].

Таблица 1

Эколого-геохимические характеристики синузии зеленых мхов Канчаланских гор (содержание в золе растений микроэлементов n х 10-4 %, Fe, Mn, Ca, Mg - %)

Химический элемент	Экологический оптимум	Верхний предел оптимума	Нижний предел оптимума	Верхний предел толерантности	Нижний предел толерантности
Ag	0,34	0,52	0,29	1,75	0,11
B	17,3	22,4	14,7	34,3	13,8
Ca	11,7	14,6	9,15	22,5	3,1
Cr	11,8	15,8	9,5	29	< 2,2
Cu	11,2	17,3	8,1	41	7,4
Fe	1,7	3,07	1,58	6,5	1,3
Mg	1,4	2,01	1,06	3,8	0,7
Mn	0,2	0,29	0,17	0,6	0,08
Mo	0,61	1,06	0,45	3,14	0,4
Ni	3,5	9,26	2,99	27,3	2,7
Pb	8,9	14,7	7,02	31	4,4
Sn	1,42	1,85	1,1	3,2	0,4
Zn	81	123,3	59,1	386	48

Регулируя условия среды, зеленые мхи управляют внутренним поглощением сидерофилов и литофилов, особенно ХЭ группы железа, а также отчасти меди и молибдена в широком диапазоне их концентраций в окружающей среде. То есть биогеохимические аномалии B, Fe, Mn, Ni, Ca, Mg могут быть никак не связанны с литогеохимическими аномалиями или атмогеохимическими потоками, а являться результатом внутренних биологических, ценотических (взаимоотношение растений) процессов.

Рис. 1. КБП зеленых мхов и парная корреляция с химическим составом почв.

Напротив, накопление большинства халькофильных и щелочноземельных элементов зелеными мхами не регулируется. Однако при достижении максимума концентраций в среде цинка, свинца, кадмия, висмута, мышьяка степень накопления их мхами относительно почв и горных пород уменьшается, а сами они деградируют. Вероятно, что одной из причин токсичности для зеленых мхов халькофилов является увеличение в среде их спутника серы. Параллельно с деградацией зеленых мхов уменьшаются их возможности в накоплении биогенных элементов из числа сидерофилов и литофилов, что фиксируется образованием отрицательных аномалий Ca, B, Mn.

Геологические аспекты

В геологии биогеохимические свойства зеленых мхов обычно рассматриваются с точки зрения возможности поиска рудных месторождений и индикации среды на предмет загрязнения воздуха атмосферы и почв тяжелыми металлами. Большое значение здесь имеют интразональность и неприхотливость зеленых мхов к условиям различных местообитаний, а также биологическая индивидуальность на уровне подкласса высших растений в части концентрирования металлов. Действительно, из депонирующих сред (экзогенных отложений, почв, снега, покрытосеменных и голосеменных растений, лишайников), используемых в качестве объектов картирования зеленые мхи, пожалуй, самый универсальный индикатор для геохимического районирования и картирования в масштабе провинции, области, района (1: 5 000 000-200 000). Об этом свидетельствует и мировой опыт выделения биогеохимических провинций. Картирование геологических структур более крупного масштаба (1:50 000-25 000), как правило, требует учета ландшафтно-геохимических условий точек опробования. При детальных исследованиях к описанию почвенного профиля, типа растительного покрова, кислотно-щелочных и окислительных условий следует добавить характеристику микро - и мезорельефа, экзогенных и криогенных процессов, структуры фитоценоза. Собранная таким образом информация поможет разбраковать вторичные и смещенные биогеохимические аномалии, ввести поправочные коэффициенты, например, для поверхностно-элювиальных ландшафтов с мощным торфяным покровом (верховое болото).

Зачастую применение традиционных литогеохимических методов поисков затруднительно или вовсе невозможно, как например, в условиях арктоальпийского рельефа среднегорий Чукотки. На коллювиальных склонах и водоразделах мелкозем в достаточном количестве отсутствует, а литохимические ореолы в подножьях гор имеют сложное эрозионно-аккумулятивное происхождение. При этом в этих не составляет труда найти «подушку» зеленых мхов ксерофитов или мезофитов и провести биогеохимическое картирование гористой местности (Dicranoweissia crispula, Dicranum elongatum, Hylocomnium splendens, Polytrichum gen, Hygrohypnum gen.) [6]. Для данной, экологически обусловленной группировки мхов характерна высокая зольность, 25-35 – летний возраст зрелых колоний, произрастание на жестко стоящем основании (крупные глыбы), что все в целом способствует выявлению и достаточно определенной территориальной фиксации геохимических аномалий. Сравнительный анализ биогеохимических и литогеохимических ореолов показал, что вторые смещены вниз по течению относительно первых по рудогенным элементам на 0,5-2,5 км, особенно в верхней части ручьев. Наибольшее смещение отмечено у литохимических аномалий Cu и Mo [6].

Внутренние биологические и экологические свойства зеленых мхов важны для интерпретации биогеохимических полей и аномалий. При всем разнообразии источников и механизмов формирования геохимических аномалий зеленых мхов (космогенные, атмогенные, гидрогенные и др.) накопленный эмпирический материал позволяет считать наиболее важными из них литогенные и биогенные. Под биогенными источниками и механизмами имеется в виду избирательность мхов в поглощение или рассеивание типоморфных ХЭ из числа сидерофилов и литофилов. Существует ряд признаков позволяющих планировать биогеохимические поиски, оценить участие биогенной компоненты в формировании геохимических аномалий, помочь в их разбраковке и уточнении границ.

1. Для картирования литогеохимических ореолов халькофилов перспективны фитоценозы с разреженным растительным покровом, для выделения атмогеохимических ореолов халькофилов и литофилов предпочтителен сомкнутый растительный покров с развитым почвенным горизонтом.

2. Сукцессионные (производные от нарушенных) фитоценозы мало пригодны для выявления по зеленым мхам достоверных литогеохимических ореолов по биогенным и по токсичным для растительности ХЭ (B, Zn, Cu, Mo, Fe, Mn, Pb, Cd, As и др.).

3. Зеленые мхи не пригодны для выделения контрастных биогеохимических аномалий халькофилов на участках с обильной сульфидной минерализацией. Оптимальный масштаб исследований 1: .

4. Отрицательные биогеохимические аномалии биогенных ХЭ, в первую очередь B, Ca, Mg, Mn, совпадают по контуру с положительными аномалиями халькофильных элементов (Pb, Ag), но существенно превосходят их по контрастности.

5. Положительные биогеохимические аномалии B, Zn, Cu, Mo приуроченные к нетипичным для местности урочищам и фациям, например крутинам кустарников или злаковым лужайкам чаще всего имеют биогенное происхождение и могут быть игнорированы при выделении геохимических ореолов.

Выводы

Таким образом, зеленые мхи во многом недооценены как объект прикладных биогеохимических исследований. Так же, можно говорить о существовании предубеждений в отношении биогеохимических поисков и биогеохимического мониторинга окружающей среды, обусловленных кажущейся сложностью биологического разнообразия объекта исследований. Вопрос о видовой индивидуальности химического состава растений требует детальной проработки для каждого класса, подкласса и отдела в иерархии царства растений.

Особого внимания заслуживает фитоценологическое направление биогеохимических исследований, когда микроэлементный состав растений обусловлен стадией сукцессии растительного покрова, структурой фитоценоза и трансформацией геохимического ландшафта в целом [7]. Учет влияния биологических и экологических факторов на формирование биогеохимических аномалий позволит повысить эффективность и информативность геохимических исследований.

Литература

1. Алексеенко геохимия: Учебник. – М.: «Логос», 20с.

2. , , и др. Геофизика и антропогенные изменения ландшафтов Чукотки – М.: Наука, 1987. – 271 с.

3. Птицын геохимия. – Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2006. – 180 с.

4. Трегубов урбанизированных ландшафтов Чукотки. – Магадан: МПО СВНЦ ДВО РАН, 1997. – 120 с.

5. Трегубов -статистические методы в фитогеохимии на примере тундр Анадырской низменности // Геоэкологические исследования на Северо-Востоке. – Магадан: МПО СВНЦ ДВО РАН, 1999. – С. 210-223

6. , Вербецкий биогеохимических методов поисков в условиях арктоальпийского рельефа (Чукотка) // Материалы рег. научно-практической конференции (Билибинские чтения) «Геология и металлогения Северо-Востока Азии на рубеже тысячелетий, Магадан, 2001.

7. Об устойчивости тундр к техногенному воздействию и глобальным изменениям среды // Вестник ДВО РАН. № 4, 2010. – С. 79-89.

8. Хржановский общей ботаники (систематика, элементы экологии и географии растений) – М.: «Высшая школа», 1976. – 480 с.