Лекция 8. Биогенная миграция (стр. 2 )

Растения, прекращающие поглощать избыточный элемент из почвы при росте его содержания в почве, называются барьерными. Их продуктивность, достигнув максимума при наиболее благоприятном количестве элемента, при его избытке не меняется. Безбарьерные растения, поглощающие элементы по мере роста их содержания в почвах, реагируют на повышение количества элемента в почве сначала ростом продуктивности, а затем ее сокращением и гибелью.

Нередко высокое содержание элемента в среде приводит к различным изменениям в физиологии и морфологии организмов и со временем закрепляются наследственностью, так появляется расы, вариететы и новые виды организмов: цинковая, литиевая, серпентинитовая, селеновая и прочие флоры, распространенные в зонах развития соответствующих пород (естественный отбор на химической основе).

Таким образом, химический состав некоторых организмов позволяет делать заключение о районе происхождения вида и путях его миграции. Например, виды растений, обогащенные хлористым натрием возникли в бессточных областях, на морских побережьях, с высоким содержанием алюминия - на латеритной коре выветривания.

8.3.Биогеохимические параметры отдельных организмов.

предложил ряд параметров, позволяющих выявить тесноту геохимической связи организма и среды. Основными параметрами являются ОСВР и ОСОР.

ОСВР - относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (в одном элементарном ландшафте) характеризует отношение содержания элемента в изучаемом виде растения к его содержанию в эталонном. Выбрав эталонное растение, для каждого элементарного ландшафта можно определить растения концентраторы и деконцентраторы химических элементов. Рубежным считают значение ОСВР равное 2,5. При больших значениях растение является концетратором (интенсивным при ОСВР - более 25, умеренным - при 4,0-25, слабым 2.5 -4,0), при меньших - деконцентратором (интенсивным при ОСВР - меньше 0,004, умеренным - при 0,25-0,04, и слабым 0,4-0,25).

Параметр ОСОР - это отношение содержания элементов в органах растений (содержание элемента в исследуемом органе к содержанию в эталонном). Значения ОСОР могут меняться на два порядка, например ОСОР селена в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30-50, ОСОР молибдена в хвойных деревьях (хвоя: древисина) -3-0,03.

Дефицитные и избыточные элементы. Дефицитными элементами считают элементы, добавление подвижных форм которых увеличивает продукцию живого вещества. Валовое содержание этих элементов может быть достаточным (кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, медь), но форма нахождения в почвах неблагоприятна для усваивания растениями, что приводит к минеральному голоданию. Перевод этих элементов в доступную форму позволяет устранять это голодание. Избыточными считаются такие элементы, удаление которых увеличивает продукцию (хлор, сера, натрий, медь, никель, железо, фтор).

Характеристики интенсивности процессов биологического поглощения.

Для характеристики интенсивности биологического поглощения элементов принято использовать коэффициент биологического поглощения Ах

Ах = Лх/Нх,

где Лх содержание элемента Х в золе растений, Нх - содержание элемента Х в горной породе или почве, кларк литосферы (последнее используется чаще).

При Ах больше 1 - элементы накапливаются в растениях (элементы биологического накопления), при Ах меньше 1 - только захватываются (элементы биологического захвата).

При Ах равном 100n-10n - это элементы энергичного накопления, к ним относятся P, S, Cl, Br, I.

Элементы с Ах равным 10n - n относятся к элементам с сильным накоплением. Это - Ca, Na, K, Mg, Sr, Zn, B, Se. Такие элементы как Mn, F, Ba, Ni, Cu, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra относятся к группе элементов средней интенсивности захвата (Ах равно n-0,1n), а элементы Si, Al, Fe, Ti, Zr, Rb, V, Cr, Li, Nb, Nh, Sc, Be, Cs, Ta, U, W, Sb, Cd - слабого и очень слабого захвата (Ах - 0,0n - 0,00n).

В практике ландшафтно-геохимических исследований используют также коэффициенты, предложенные - РВК и РГК

РВК - растительно - водный корневой коэффициент - отношение содержания химического элемента в золе растений к его содержанию в водном растворе. Его значение колеблется от 102 до 105.

РГК - растительно-газовый некорневой коэффициент, равный отношению содержания химического элемента в золе к его содержанию в воздухе (почвенном или приземном). Его величина колеблется от 104 до 107.

Значения этих коэффициентов свидетельствуют, что наиболее интенсивно элементы поглощаются из газовой фазы, слабее из раствора, еще слабее - из твердой фазы. Главным же источником основных элементов для растений является твердая фаза почв. Только для наиболее растворимых соединений (Cl, SO42-) главным источником служат воды, а для некоторых газообразных соединений (CO2 , NH3) - воздух.

8.4. Разложение органических веществ.

Второй ветвью биологического круговорота является деструкционный цикл, состоящий из процессов разрушения органических соединений и перехода химических элементов из сложных органических соединений в простые минеральные, сопровождающихся выделением энергии.

Процессы разложения начинаются в самых живых организмах и идут параллельно фотосинтезу. Это процессы дыхания, в результате которых часть синтезированного органического вещества разлагается на первичные продукты - диоксид углерода и воду. Но в растениях синтез органических веществ намного превышает их разложение, и в целом, растения накапливают эти вещества. Оставшаяся часть синтезированного вещества - первичная продукция - окисляется постепенно, переходя от одного трофического уровня к другому. Животные, для которых растения являются единственным первоисточником химической энергии, разлагают органические вещества очень интенсивно. Конечными продуктами этого окисления служат также углекислый газ и вода.

Но основные процессы разложения связаны с преобразованием отмерших растительных и животных остатков. В их разложении принимают участие специфическая группа организмов - редуценты - грибы, актиномицеты, бактерии. На последнем этапе мертвые органические остатки разлагаются микроорганизмами (в меньшей степени это происходит путем абиотического окисления). Используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, микроорганизмы превращают белки, жиры и углеводы в простые минеральные соединения, которые возвращаются в атмосферу (углекислый газ, вода и аммиак) и в почву (зольные элементы). Хотя при этом разложении происходит образование новых форм живого вещества в виде тел микроорганизмов, общее количество органического вещества уменьшается, так как основная часть его минерализуется.

Совокупность процессов разложения органических веществ, в ходе которых химические элементы высвобождаются из состава сложных, богатых энергией органических соединений и снова образуют более простые и более бедные энергией минеральные соединения носит название минерализацией органических веществ.

Скорость разрушения органических соединений подчиняется законам географической зональности и растет с увеличением притока солнечной энергии. При недостатке тепла и избытке влаги ежегодный растительный опад не успевает разрушаться и в ландшафте происходит накопление избыточной морт-массы, формируется мощная подстилка и торфяные залежи. В аридных условиях с их высоким энергетическим потенциалом скорость деструкции намного превышает продуцирование и накопление мертвого органического вещества не происходит. Продукционные и деструкционные процессы наиболее сбалансированы в условиях оптимума тепла и влаги.

В зависимости от климатических условий скорость разложения органических соединений существенно различна. Неразложившаяся и полуразложенная часть растительных и животных остатков накапливается. Этот процесс назвала детритогенезом. Его количественные характеристики имеют важное геохимическое значение и характеризуются следующими показателями:

О1- ежегодным растительным опад, О2-зеленой частью опада, О3- лесной подстилкой или войлоком, соотношением О3 и О2 (опадо-подстилочный индекс ОПИ), предложенный Л. Е Родиным и .

ОПИ =О3/О2 *100%

Эти показатели существенно меняются в зависимости от природной зоны. Например, О1 составляет на такырах – 1 ц/га, в арктической тундре 10 ц/га, во влажных тропических лесах 250 ц/га, а О3 – в сухих степях 15 ц/га, во влажных тропических лесах –20ц/га, в кустарничковой тундре – 835 ц/га. Опадо-подстилочный индекс характеризует интенсивность процессов разложения и составляет в кустарничковой тундре 2000 –5000%, сухих степях –100%, влажных тропических лесах – 10%.

При разложении часть органических остатков переходит в почвенный гумус, особенно велика его доля в условиях достатка тепла и небольшого дефицита влаги, т. е. в условиях степей, где запасы гумуса достигают 600-1000т/га. В почвах широколиственных лесов запасы гумуса составляют 300 т/га, таежных лесов - 100 т/га, тундр - 70 т/га. Значения же неразложившихся растительных остатков обратные - в степях 4-10т/га, тайге - 40-50т/га, широколиственных лесах -10-15 т/га. Запасы мертвого органического вещества и запас биомассы в органах растений являются важным резервом питательных веществ, обеспечивающий устойчивость биоты к колебаниям внешней среды в условиях интенсивного абиогенного выноса элементов зольного и азотного питания.

В лесных ландшафтах (в условиях избыточного увлажнения и интенсивного стока и потерь элементов питания) запас зольных элементов в живом веществе и подстилке прочно удерживающей необходимые элементы обеспечивает определенную автономность (высокую степень замкнутости) биологического круговорота. В степях, где растительность не способна аккумулировать запасы живой фитомассы и опад быстро разрушается, резервом минерального питания являются запасы гумуса. Для этих ландшафтов определенную автономность и устойчивость обеспечивают запасы гумуса. Гарантией стабильности для ландшафтов влажных экваториальных лесов, не имеющих ни мощной подстилки, ни запасов гумуса является большая замкнутость биологического круговорота и высокая скорость разложения органических соединений.