Лекция Введение в науку Геохимия ландшафта как самостоятельное научное направление сформировалась в нашей стране в 40-х годах ХХ века

Биомасса в тайге в 5 раз меньше, чем в тропиках. Более половины биомассы представлено древесиной, состоящей из клетчатки (около 50 %), лигнина (20-30 %), гемицеллюлозы (более 10 %), в меньшей степени из смол, дубильных веществ, других органических соединений.

Число видов высших растений почти вдвое меньше, чем в широколиственных лесах. Зеленая часть составляет не менее 3 % от биомассы (часто 5-7). По этому показателю тайга ближе к влажным тропикам (8%), чем к широколиственным лесам (1 %).

Для тайги характерна низкая зольность прироста: в северной тайге ниже 1,5 %, в средней и южной – 1,6 – 2,5 %. Т.о. хвойные деревья беднее золой, чем лиственные. Особенно важны различия зольности хвои и листьев, т.к. хвоя играет ведущую роль в опаде деревьев (более 50 %). Зольность хвои – 2-3,5%, листьев широколиственных пород – 5-8%. В хвое большую роль играет SiO2 и меньшую Са. Клеточный сок хвои ели, сосны и лиственницы содержит свободные органические кислоты, его рН 4,5-6,5; рН таежных трав нередко кислый. Характерная особенность таежного ландшафта – кислая среда.

С опадом в тайге ежегодно возвращается значительно меньше водных мигрантов, чем в широколиственных лесах. Если в дубравах этот показатель близок к 200 кг/га, в ельниках южной тайги – 85, в северной – 52 кг/га. Для тайги характерен азотный тип химизма бика. В холодной тайге разложение органических веществ протекает медленнее, чем в широколиственных, микроорганизмы работают не так энергично, время их деятельности в году короче, некоторые группы бактерий отсутствуют. Масса подстилки в 10 раз превышает опад зеленой части.

В растительном опаде елового леса эквиваленты кислотных органических соединений в десятки раз превышают эквиваленты катионов золы и азота, дающих основания. Низкое содержание сильных оснований (Са, Mg, Na, K) в золе при отсутствии их подвижных форм в горных породах обуславливает кислый характер почвенных растворов: часть органических кислот существует в свободной форме, обеспечивая кислую реакцию лесной подстилки и верхних горизонтов почвы.

В тайге минерализация и гумификация ослаблены, энергично идет образование фульвокислот. Нейтрализация фульвокислот происходит за счет Fe и Al почвенных минералов.

Главное геохимическое отличие бика тайги от бика широколиственных лесов в соотношении биомассы и продуктивности, в меньшей скорости разложения органических веществ, меньшем количестве водных мигрантов, вовлекаемых в бик и поступающих с опадом, более кислом характере продуктов разложения, меньшей роли биокосной отрицательной обратной связи.

В зависимости от степени континентальности, истории геологического развития и проявления многолетней мерзлоты таежный тип на территории Евразии разделен на несколько отделов:

1. Приокеаническая тайга (Прибалтика, запад Белоруссии, Скандинавия)

2. Умеренноконтинентальная тайга (европейская Россия)

3. Континентальная сибирская тайга (без многолетней мерзлоты)

4. Континентальная и резкоконтинентальная сибирская мерзлотная тайга

5. Приокеаническая (тихоокеанская) мерзлотная тайга (побережье Охотского моря ).

6. Приокеаническая (тихоокеанская) тайга без мерзлоты (Сахалин, Камчатка, Курилы, Приморье)

Показатели бика лесных ландшафтов

В степях преобладают растения с исторически сложившимися химическими особенностями: злаки, сложноцветные, маревые и др. Многие виды отсутствуют. Например, в луговых степях почти нет мхов и лишайников.

Ежегодный прирост биомассы и опад в степях в таких же количествах как и в лесах умеренного пояса. В степях преобладают многолетние травы. Однако большая часть создаваемого ежегодного надземного органического вещества отмирает каждый год, в значительной степени гумифицируется и минерализуется. В результате в почве накапливается много гумуса, содержание его составляет 800 т/га против 100-200 т таежном ландшафте.

Т.о. бик в степях отличается меньшей емкостью, чем в лесных, но большей скоростью: значительное количество химических элементов успевает пройти в течение года через живое вещество, прирост и опад составляет 35-55% от биомассы.

Выделяются три основных типа степных ландшафтов:

1. 
   черноземные степи,
   
2. 
   сухие (каштановые) степи,
   
3. 
   субтропические степи.
   

По сравнению с растительностью лесной зоны умеренных широт степные растения содержат больше водных мигрантов (золы), чем лесные. Состав золы зависит от систематического положения растений. Зола бобовых содержит много К (15-40 % К2О в золе) и Са (12-30 % СаО), в золе злаков много кремнезема (50-60 %), много хлора, натрия и серы. Железа и алюминия степные растения содержат мало.

1. 
   умеренноконтинентальные степи (европейские),
   
2. 
   континентальные (западносибирские),
   
3. 
   резкоконтинентальные (восточносибирские).
   

Тип черноземных степей расчленяется на ряд семейств, соответствующих почвенно-растительным подзонам: луговые степи на мощных и выщелоченных черноземах, злаковые степи на обыкновенных черноземах.

Тип сухих степей является переходным между черноземными степями и пустынями. Между черноземными и сухими степями нет четких различий. Для сухих степей типична комплексность почвенно-растительного покрова: наиболее часто встречается сочетание каштановых почв с солонцами, в некоторых районах солонцы преобладают. Помимо типичных солонцов широко развиты каштановые солонцеватые почвы.

На территории России и Казахстана распространены 2 отдела сухих степей – континентальные (Европейско-западно-сибирско-казахстанские) и резкоконтинентальные сухие степи с длительным промерзанием почв.

Субтропические степи широко распространены в Передней Азии и Северной Африке. Главная особенность бика субтропических степей – напряженность и скорость. Ежегодная продукция близка к биомассе.

Характерно резкое преобладание окислительных условий в почвах, окислительно-восстановительная зональность ближе к пустыням. Первичные минералы здесь энергично выветриваются, происходит оглинение почвенного профиля.

Для субтропических степей характерны ландшафты Са-класса. Грунтовые воды в автономных ландшафтах равнин формируются под влиянием испарительной концентрации, местами они высокоминерализованы и имеют сульфатно-хлоридно-натриевый состав. При близком залегании от поверхности они засоляют почву.

Субтропические степи Средней Азии включают три семейства: 1. с наименее интенсивным биком – на светлых сероземах, самые засушливые (пустынные субтропические степи); 2. со средним биком – на типичных сероземах (типичные); 3. с биком максимальной интенсивности (крупнотравные субтропические степи на темных сероземах, коричневых и других почвах).

БИК в горных лугах, тундре, тайге степях

Пустыни — это ландшафт с малой биологической информацией, ослабленными биотическими и водными связями, но с интенсивными прямыми воздушными связями.

Для пустынь характерны своеобразные саксауловые леса, травянистые, кустарниковые и полукустарниковые сообщества. Это позволяет рассматривать различные пустыни как результат уменьшения Б и П (деградации) лесов, степей, лугов и саванн. Пустынная деградация связана не толь ко с иссушением климата, но и с похолоданием (полярные пустыни) и засолением (солонцы и солончаки в степях).

Биомасса в пустынях обычно составляет 10-15 ц/га. Ежегодная продукция колеблется в пределах 5-15 ц/га, возрастая до 50 ц/га в саксауловых пустынях. Соотношение между Б и П меняется сильно.

Для пустынной флоры характерна ин­тенсивная биогенная аккумуляция Nа, С1, S а также К и Р, причем первые три элемента накапливаются в надземных органах, а Р и К — в подземных. Общее содержание золы выше, чем в степных ра­стениях. Содержание Si, Fе и А1 в золе очень мало, они имеют низкие коэффи­циенты биологического поглощения. Щелочные и щелочно­земельные металлы вовлекаются в бик энергичнее, чем в степях. Галофиты от­личаются высоким содержанием К, С1 и Nа, иногда S и Мg. Так как в золе кор­ней много Са, К, Р, то эти элементы в результате бика ежегодно возвращаются в пустынную почву.

Концентрация в надземных органах Nа, С1 и S, по Л.Е. Родину, имеет приспособительное значение: при развеваний отмерших надземных органов растения избавляются от части этих избыточных элементов.

По абсолютному количеству раститель­ного опада (О,) и отношению опада к био­массе пустыни не отличаются от других ти­пов ландшафтов. Специфична для пустынь ничтожная роль в биомассе зеленых однолетних органов растений.

В резкоокислительной среде пустынь разложение их остатков протекает интен­сивно, органические вещества быстро минерализуются и гумус почти не накапливается. Этим пустыни отличаются от черноземных степей, лесов и тундры. Древесные остатки, напротив, сохраняются долго, консервируясь в сухом климате. Согласно Базилевич и Родину, в бике пустынь преобладае азотный тип химизма. В солончаковый пустынях — хлоридный тип химизма (С1 > На). Таким образом, в пустынях бик: протекает быстро, зеленая органическая масса мала, органические вещества или минерализуются, или консервируются, но почти не гумифицируются. Преобладающая часть живого вещества сосредоточена под землей. К пустынной группе относят 4 типа ландшафта, которые описываются в порядке увеличения прогрессивности бика – роста величины К (соотношение П/Б):

1. полярные пустыни,

2. высокогорные пустыни,

3. суббореальные пустыни,

4. субтропические (средиземноморские) пустыни.

По биомассе и ежегодной продукции эта группа близка к степям, по соотноше­нию Б и П — к тайге, по некоторым информационным показателям — к пусты­ням.

Тундра — продукт холодного климата, точнее — холодного лета со сред­ней температурой самого теплого месяца не более +10°С. На равнинах Евра­зии и Северной Америки она образует самостоятельную ландшафтную зону, в горах — особый высотный пояс.

В равнинной тундре бик развивается в условиях длинного полярного дня. Биомасса в тундре колеблется в широких пределах — от 40 до 300 ц/га, большая ее часть сосредоточена в корнях (70—80%). Ежегодный прирост (П) составляет 10 ц/га для арктической тундры и 25 — для кустарничковой, т.е. по величине близок к сухим степям и пустыням.

Большую роль играют мхи и лишайники. Флора тундры содержит меньше водных мигрантов, чем аналогичные роды и виды в тайге и других зонах. Особенно мало золы в лишайниках (1,3—4%), в которой преобладаtn SiO2. Несколько богаче золой мхи, в некоторых тра­вах (хвощи) до 10—15% золы. У большинства растений зольность 1,5—2%. Мхи богаты Fе, местами Мп и Аl.

Из-за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре проте­кает медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют или же работают очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку и др.). Это ведет к накоплению органических веществ на поверхности и в почве. В подстилке накапливается 25—835 ц/га при ежегодном опаде 0,п—50 ц/га. Отношение под­стилки к опаду, характеризующее интенсивность разложения растительных остатков, колеблется от 100 до 17. По этому показателю тундра ближе к тайге (п), чем к степям и пустыням (0,п) (таблица 11.2). По биомассе, ежегодной продукции, соотношению подземной и надземной частей тундра ближе к аридным ландшафтам. Но малая биомасса степей и пустынь связана с недостатком воды (реже — избытком солей), в тундре — недостатком тепла. В тундрах, сухих степях и пустынях произрастают близкие жизненные формы — кустар­ники и кустарнички. Разложение органических веществ в тундре, напротив, резко отличается от аридных ландшафтов и аналогично северной тайге. Об этом говорит накопление большого количества подстилки, важное участие в бике А1, Fе, Мп. Генетическая близость тундры и тайги определяет их сход­ство по соотношению Б и П величине К (табл. 11.2). Низкая интенсивность бика и связанная с этим низкая самоорганизация определяют малую устойчивость ландшафта к антропогенному воздействию.

На территории России в тундровом типе выделяется 5 отделов:

1. Умеренно-континентальные тундры без многолетней мерзлоты (запад Кольского полуострова).

2. Умеренно-континентальные и континентальные тундры с многолетней мерзлотой (европейская Россия и Западная Сибирь).

3. Резкоконтинентальные тундры с многолетней мерзлотой (Восточная Сибирь).

4. Приокеанические и океанические мерзлотные тундры (Чукотка, Охотское побережье, часть Камчатки и др.).

5. Приокеанические тундры без многолетней мерзлоты (Командоры, юг Камчатки, Курилы и др.).

ПРИМИТИВНО-ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ

Эти ландшафты распространены в различных климатических условиях, но наибольшую площадь занимают в полярных районах, пустынях и высокогорьях. Биомасса мала, основную роль в бике играют водоросли и микроорганизмы, частично лишайники и грибы. Высшие растения отсутствуют или число крайне ограничено. Некоторые примитивно-пустынные ландшафта можно рассматривать как результат деградации ландшафтов других групп под влиянием ухудшения условий существования организмов: понижения температуры, увеличение сухости, засоленности. Так, в сухих степях увеличения засоленности почв приводит к образованию шоровых солончаков, лишенные высшей растительности. Понижение температуры в начале ледникового периода привело к образованию полярных пустынь.

Современные абиогенные ландшафты. В природных условиях центральных частей Антарктиды, Гренландского ледяного щита, наиболее высоких вершин Гималаев и других хребтов бик не возможен. Эти ландшафты отно­сятся к абиогенному ряду. Отсутствие бика не исключает продукты всей био­сферы Земли — кислородной атмосферы, известняков и других осадочных пород. Для таких абиогенных ландшафтов характерна важнейшая особенность всех земных ландшафтов — взаимопроникновение атмо-, лито- и гидросфе­ры. Главнейшее значение имеют агрегатные преобразования воды: водяной пар жидкая вода лед. Возможны и другие химические процессы, но число их невелико, реакции относительно просты. Энергетика абиогенных ландшафтов примитивна, их однообразие говорит о малом количестве ин­формации самой простой ее формы — неорганической информации.

Антропогенное воздействие на ландшафты. Источники воздействия. Техногенные геохимические аномалии.


Антропогенное воздействие на ландшафты

Техногенез – совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человека, уже значительно изменивших и продолжающих изменять геохимическую обстановку в биосфере. В геохимическом аспекте техногенез включает:

1) извлечение химических элементов из природной среды и их концентрацию;

2) перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых веществ;

3) рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде. Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.

Степень использования элемента по отношению к его содержанию в литосфере называют технофильностью элемента. Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, C, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Cu, Sn, Mo, Hg.

М. А. Глазовская – автор представления о технобиологических пространственных физико-географических единицах, обладающих сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Была разработана схема районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза по основным показателям:

• 
  частота штилей,
  
• 
  величина стока,
  
• 
  величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ радиация, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ),
  
• 
  число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение).
  

• 
  энергия и время разложения растительного опада,
  
• 
  щелочно-кислотные условия,
  
• 
  окислительно-восстановительные условия.