Біологічний кругообіг металів
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Мы рассмотрели две группы процессов, происходящих с рассеянными металлами на поверхности Земли. Во-первых, освобождение металлов из кристаллических структур минералов, переход их в подвижное состояние и участие в водной миграции. Во-вторых, перераспределение металлов в продуктах выветривания. У читателя может сложиться впечатление, что эти две группы процессов и определяют поведение рассеянных металлов на поверхности Земли. Но это далеко не так.
Огромное количество металлов захватывается живым веществом в особый вид миграции. Под живым веществом В. И. Вернадский подразумевал суммарное количество всех живых организмов на нашей планете, производящих в совокупности геохимическую работу.
Общая масса живого вещества на Земле выражается величиной h•1012т. Основная часть живого вещества сосредоточена на суше, где его суммарный вес, по данным советского геохимика-почвоведа Н. И. Базилевич, составляет 2,5•1012 т (в пересчете на сухое органическое вещество). Живое вещество Мирового океана, согласно подсчетам академика А. П. Виноградова, равно 5•109 т (сухого органического вещества).
Общее количество живого вещества на суше слагается тремя главными группами организмов: фитомассой, образованной высшими растениями, зоомассой и массой микроорганизмов. Основное значение имеет фитомасса, вес которой Н. И. Базилевич оценивает в 2,5 триллиарда сухого органического вещества. Вес животных и микроорганизмов, вместе взятых, не превышает 1 % от веса растительности. Таким образом, именно высшие растения определяют масштабы биологической миграции химических элементов на суше.
Высшие растения являются мощным генератором органического вещества. Растительность суши синтезирует более 230 млрд. т сухого органического вещества ежегодно. При этом 74% продуцируется наземной растительностью, а остальные 26% — растительными организмами моря, преимущественно планктоном.
Вещество растений в основном состоит из углерода, водорода и кислорода. В меньшем количестве, но совершенно обязательной частью является азот, а также многочисленные химические элементы, которые после сгорания органического вещества остаются в виде золы. Их так и называют — зольные элементы.
Хотя растения на протяжении всей жизни поглощают из почвы определенные химические элементы, их накопление не беспредельно. Значительная часть этих элементов концентрируется в отмирающих органах растений, которые опадают на почву. Количество отмирающего растительного материала (опада) не так мало, как это может показаться. Если бы отмирающие части растений не разрушались, то уже через сотню лет величина мертвого органического вещества могла бы превысить величину живой массы самых густых лесов. Вся растительность оказалась бы погребенной под продуктами опада. Этого не происходит вследствие энергичного микробиологического разрушения растительных остатков.
При разрушении растительных остатков поглощенные химические элементы освобождаются и значительная их часть вновь захватывается растениями. Так происходит закономерная циклическая миграция зольных элементов в системе почва — растение — почва, получившая название биологического круговорота. Конечно, в биологический круговорот захватывается не все количество химических элементов, поступивших с опадом. Частично они задерживаются в почве и удаляются с фильтрующими водами. В свою очередь, растения поглощают химические элементы из почвенных и грунтовых вод. Таким образом, биологическая и водная миграция тесно связаны.
Как велик биологический круговорот? Какое количество зольных элементов ежегодно вовлекается в миграцию в системе почва — растение — почва? Лучший способ ответа на этот вопрос — сравнение. Для создания годовой продукции наземной растительности поглощается 2,7 млрд. т зольных элементов. Если вспомнить, что годовой ионный сток со всей суши составляет 2,5 млрд. т, то можно сделать вывод, что суммарный итог геохимической деятельности живых организмов не только не успевает, но и превышает водную миграцию.
Интенсивность участия химического элемента в биологическом круговороте оценивается величиной коэффициента биологического поглощения (Кб). Этот коэффициент равен отношению содержания химического элемента в золе растений к его содержанию в почвообразующей породе, в которой сосредоточен исходный запас минеральных веществ.
Для растительности всей суши в целом коэффициенты Кб можно рассчитать, исходя из среднего содержания металлов в золе наземной растительности и величины их кларков. Эти данные приведены в табл. 4.
Ознакомившись с приведенными данными, нетрудно заметить некоторые особенности рассеяния металлов в живом веществе.
Прежде всего отметим, что металлы, играющие роль главных элементов, то есть содержащиеся в земной коре в количестве более 1 % каждый, характеризуются невысокой интенсивностью биологического поглощения. Величина Кб железа 0,21, алюминия — еще меньше. Это, по-видимому, связано с тем, что этих металлов так много, что их поступление в растения в необходимом количестве хорошо обеспечено.
Что касается металлов, находящихся в горных породах в рассеянном состоянии, то интенсивность их поглощения очень неодинакова и изменяется в 1000 раз. Наиболее интенсивно поглощаются растениями и, следовательно, активно вовлекаются в биологический круговорот цинк, молибден, марганец и медь. В золе растений они содержатся в большем количестве, чем в земной коре. Некоторые рассеянные металлы умеренно поглощаются растительностью. Таковы никель, кобальт, ванадий и свинец. Их содержание в золе примерно такое же, как в земной коре. Наконец, есть металлы, которые поглощаются слабо (титан) и очень слабо (цирконий, ртуть). Они содержатся в золе в 100 раз меньше по сравнению с земной корой.
Разумеется, данные табл. 4 дают обобщенное представление об интенсивности биологического поглощения металлов. Мы рассматривали условную «среднюю» золу и средний состав земной коры. В действительности условия произрастания растений многообразны и столь же разнообразны растительные группировки. Численная величина коэффициента биологического поглощения одного и того же металла в разных биоценозах неодинакова. Однако в любом случае такие металлы, как цирконий и титан, будут поглощаться значительно менее интенсивно, чем молибден и цинк. Эта закономерность может нарушаться лишь тогда, когда тот или иной металл присутствует не в рассеянном состоянии, а сконцентрирован в сотни и тысячи раз больше кларка.
Чтобы сравнить теоретические данные из табл. 4 с реальными значениями коэффициента биологического поглощения, приведем конкретный пример. Автор изучил геохимию рассеянных металлов в ландшафтах закаспийских пустынь. Годовое количество осадков здесь редко превышает 200 мм. Невысокое плато, ровное как стол, покрыто редкой порослью кустиков полыни и соленосного растения биюргуна. В этих условиях выпадающие осадки не могут промывать почвенно-грунтовую толщу, она едва промачивается на глубину около метра. Исследования позволили установить, что интенсивность поглощения рассеянных металлов как растениями-солянками, так и полынью подчиняется определенной закономерности. Наиболее интенсивно поглощаются молибден, марганец, медь, никель. Очень слабо поглощаются цирконий, а также ванадий и титан. Кривые коэффициента биологического поглощения рассеянных металлов этой крупной пустынной растительностью приведены на рис. 3. Важно подчеркнуть, что величины Кб рассчитаны исключительно на конкретных данных, путем определения содержания металлов не только в местных растениях, но и в местных почвообразующих породах.
Интенсивность биологического поглощения рассеянных металлов растительностью закаспийских пустынь…
Совсем иные условия в карельской тайге. Здесь выпадает более 500 мм атмосферных осадков в год. Вода насыщает весь ландшафт: она сочится по коре деревьев, хлюпает под ногами, наполняет лужи на поверхности почвы, энергично промывает ее на большую глубину. Растительность представлена еловым лесом, под которым расстилается покров мха и поросль кустиков черники.
Трудно найти что-нибудь более непохожее, чем закаспийская пустыня и северотаежный лес! Но интенсивность поглощения рассеянных металлов растительностью принципиально одинакова. Так, например, растения карельской тайги слабо поглощают те же металлы, что и растения пустыни: цирконий, титан, ванадий. Интенсивно поглощают, как и в Закаспии, марганец, медь, никель.
Рис. 4 интересен также тем, что в нем сопоставлена интенсивность поглощения рассеянных металлов одними и теми же растениями, но произрастающими на горных породах, которые заметно отличаются своим составом и содержанием этих металлов. В диабазах значительно больше меди, цинка, никеля, чем в гнейсах, а в последних больше циркония и титана, но это принципиально не меняет направленность поглощения металлов, и в первом, и во втором случае она остается однотипной.
Формирование элементарного состава почвы как результат совмещения биологического и геологического круговоротов химических элементов
Рассеянные металлы с неодинаковой интенсивностью вовлекаются в биологический круговорот. Имеется определенная закономерность поглощения металлов, общая для всех типов наземной растительности. В то же время геохимическая специфика каждого биоценоза неповторима. Это проявляется в неодинаковой численной величине Кб одного и того же металла в разных растениях и растительных группировках. Так, например, Кб меди в таежных мхах на диабазах около 4, а на гнейсах несколько менее 3, в травах подмосковных лугов — 2, а тропических саваннах Восточной Африки — 1,5. Изучая процессы рассеяния металлов в растительном покрове суши, мы снова и снова встречаемся с диалектическим единством общих закономерностей и четких индивидуальных особенностей каждого типа растительности, каждого растения.