Лекция 8. Биогенная миграция (стр. 3 )

Таким образом, процесс минерализации обогащает ландшафт свободной энергией, носителем которой являются природные воды. Они приобретают большую активность и выполняют огромную химическую работу. Наличие свободной энергии делает ландшафт неравновесной системой, но, несмотря на это, она сохраняет длительное время свой облик. Это объясняется не термодинамическим равновесием, а стационарностью процессов, протекающих в ландшафте. Устойчивость ландшафта связана с тем, что расходуемый избыток энергии непрерывно восполняется из среды в количестве, компенсирующем ее снижение в ландшафте. Таким образом, биогенный ландшафт - саморазвивающаяся саморегулирующаяся неравновесная стационарная (устойчивая) система (, ,1999).

Деструкционный цикл имеет ряд специфических особенностей:

1. Минерализация направлена на уменьшение сложности и разнообразия системы, уменьшение количества сложной биологической информации за счет увеличения неорганической.

2. Разложение органических соединений характеризуется, в отличие от процессов их образования, повторяемостью во времени и пространстве. Например, болотные воды с большим содержанием растворенных органических соединений и интенсивной миграцией железа и марганца характерны для влажных тропических условиях современности и предшествующих эпох (палеозоя и мезозоя). Живое же вещество этих эпох различно. В то же время в одну эпоху в разных природных зонах химизм природных вод, определяемый процессами разложения органических соединений одинаков (слабоминерализованные и богатые растворенным органическим веществом воды гумидных ландшафтов, и слабощелочной кислородный класс вод семиаридных ландшафтов). Таким образом процессы разложения и связанные с ними водная миграция однообразнее процессов образования живого вещества. Как бы ни были разнообразны живые организмы, после смерти их остатки превращаются в одни и те же простые минеральные соединения –диоксид углерода и воду, а также вещества гумусового типа.

Процессы минерализации играют существенную роль в формировании геохимических характеристик ландшафта. В результате минерализации происходит биогенное перераспределение химических элементов, формирование специфических биогенных минералов, изменение химического состава вод ландшафта.

Основная масса живого вещества сосредоточена над почвой или в верхнем гумусовом горизонте, здесь же происходит минерализация отмерших остатков. Поэтому после минерализации в верхней части почвенного профиля накапливаются биофильные элементы, коэффициент биологического поглощения которых больше 1. Поглощение элементов корнями растений происходит из всей почвы. Таким образом, растения играют роль насоса, перераспределяющего химические элементы путем извлечения биофильных элементов из всей почвенной толщи и аккумуляции их в верхнем горизонте. Этот механизм является отрицательной обратной биокосной связью в ландшафте, способствующей стабилизации как почвы, так и всего ландшафта в целом.

Минерализация сопровождается формированием двух групп биогенных минералов. Минералы первой группы входят в состав клеточных выделений, скелета, панциря, раковин и т. д. Эти минералы имеют органоморфную структуру, т. е. сохраняют форму тех клеток, в которых они возникли. Эти минералы носят название «биолитов». После смерти живого организма, биолиты поступают в илы, почвы, где теряют свою органоморфную структуру и приобретают землистый облик. Например, в верхних слоях аллювиальных отложений сохраняются раковины пресноводных моллюсков, в нижних – они превращаются в скопления порошкообразной углекислой извести, частично сохраняющей форму раковин. В тканях многих растений содержатся кристаллики кальцита (древесина, землистые выделения на поверхности листьев, известковистый материал в клеточной ткани), которые при разложении обогащают почвы кальцием. Для растений и диатомовых водорослей степей, горных лугов характерно накопление опаловых (Si2 nH2O) телец – фитолитариев. После разложения растительных остатков опал теряет воду, органоморфную структуру, превращается в халцедон, переосаждается и обогащает почву двуокисью кремния (вторичным кварцем).

Другая группа биогенных минералов возникает вне тел организмов из продуктов их жизнедеятельности. Многочисленные исследования (, ) как примитивных почв высокогорий, так и хорошо развитых почвенных профилей доказывают, что тонкодисперсная (глинистая) часть почв в значительной части образовалась за счет разложения остатков организмов, т. е. глинистые минералы почв имеют биогенное происхождение. Вероятно, этим объясняется единство глинистых минералов в почвах, сформированных на различных горных породах.

Таким образом, в процессе разложения и дальнейшей минерализации происходит синтез специфических органических соединений – гумуса, специфических минеральных соединений –глинистых минералов, а также выделение простейших неогранических соединений. Эти процессы приводят к перераспределению химических элементов в литогенной основе ландшафта. Поглощение химических элементов из почв происходит из всего почвенного профиля. Разложение же органических соединений – в основном в верхнем горизонте. Здесь после минерализации аккумулируются те химические элементы, которые

Разложение органического вещества в значительной степени определяет формирование химического состава грунтовых вод. В грунтовые воды поступают диоксид углерода, выделяющийся при дыхании подземных частей растений и подземной фауны, органические кислоты и их соли, а также органоминеральные комплексы и минеральные соединения азота, фосфора и серы, образующиеся из продуктов разложения. Состав катионов в грунтовых водах отражает их биофильность. Например, в большинстве ландшафтов (в их водах) кальций преобладает над магнием, так как коэффициент биологического поглощения кальция больше, чем магния, и в продуктах минерализации его больше, следовательно, его больше поступает в грунтовые воды. В целом, в ландшафтах с мощным накоплением органического вещества состав речных вод слабо зависит от вмещающих пород. Происходит как бы усреднение химического состава вод, они становятся более однообразными, например. Во всех ландшафтах влажного климата они пресные гидрокарбонатно-кальциевые. Наоборот, в ландшафтах, бедных жизнью (пустыни, сухие степи) - состав вод зависит от состава вмещающих пород и их растворимости. Здесь могут быть сульфатные, местами и хлоридные воды, а среди катионов возрастает роль магния и натрия.

Таким образом, в разных ландшафтах в формировании химического состава вод принимают участие как биохимические, так и физико-химические процессы, протекающие одновременно. Эти процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены. В первом случае, химический элемент, прежде чем попасть в ландшафтные воды проходит через тело организма и поступает в воду из живого или мертвого органического вещества, а во втором случае имеет место растворение минералов, ионный обмен и другие реакции, в которых организмы выступают лишь как фактор, влияющий на растворяющую способность воды. Обе категории процессов развиты во всех ландшафтах. Но в одних ведущее значение имеет первая, в других - вторая.

Показатели интенсивности процессов разложения.

Об интенсивности разложения органических веществ хорошее представление дает опадо-подстилочный индекс - отношение подстилки (О3 ) к зеленой части опада (О2 )

8.5. Биогеохимический круговорот (БИК)

Биогеохимический цикл - один из главных звеньев функционирования ландшафта. В его основе - продукционный процесс (образование органического вещества первичными продуцентами - зелеными растениями, которые извлекают диоксид углерода из атмосферы, зольные элементы и азот - с водными растворами из почвы) и процесс разрушения органических веществ, перехода химических элементов из органических соединений в минеральные, сопровождающиеся выделением энергии.

Эти противоположные процессы - биогенная аккумуляция и минерализация образуют единый биологический круговорот атомов (БИК). БИК связан с всесторонней деятельностью организмов - их ростом, размножением, питанием, дыханием, гибелью и разложением их остатков. Особенности биогеохимического круговорота обусловлены свойствами живого вещества, которое является аккумулятором и трансформатором солнечной энергии, создавая запасы свободной энергии в процессе своего размножения. Живое вещество представлено системами, в которых химические реакции протекают с большой скоростью благодаря деятельности биологических катализаторов - ферментов. Например, через 15 секунд поглощенный листовой пластиной диоксид углерода уже обнаруживается в соединениях, возникающих при фотосинтезе.

Основная часть фитомассы после отмирания разрушается, органические остатки минерализуются микроорганизмами и конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (СО2 и другие летучие соединения) и в почву (зольные элементы и азот).

Процессы созидания и разрушения не всегда сбалансированы - часть ее (в среднем 1%) может выпадать из круговорота на более менее длительное время и аккумулироваться в почвах (в виде гумуса и в осадочных породах).

Биологический круговорот характеризуется многими показателями, которые характеризуют следующие параметры:

·  взаимоотношения биоценоза как целого с другими блоками геосистемы,

·  зависимость биогенных потоков и биологической продуктивности от географических факторов,

·  закономерности их проявления на региональном и локальном уровнях,

·  степень замкнутости или открытости биологического круговорота и его роль во внутреннем механизме функционирования ландшафта и его внешних связях.

С этих позиций важнейшими показателями являются:

запасы биомассы (преимущественно фитомассы) и величина годичной продуктивности,

количество опада и аккумулированного мертвого органического вещества (обычно используют отношения этих показателей).

Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенностями отдельных видов Общая закономерность состоит в том, что у аналогичных жизненных форм (древесных, травянистых) запасы биомассы тем больше, чем выше теплообеспеченность и чем ближе к оптимуму соотношение тепла и влаги. Наибольшими запасами биомассы (фитомассы) характеризуется лесная растительность (она способна накапливаться в течение многих десятилетий и даже столетий). Максимальные запасы присущи лесам из долго живущей секвойи вечнозеленой.