Объем в часах
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
Тема: Классификация биогенных ландшафтов 1. Классификация биогенных ландшафтов. 2. Три аспекта геохимической деятельности организмов. Закон Вернадского. 1 Классификация биогенных ландшафтов Важным показателем характеризующим биологический круговорот вещества является соотношение между ежегодной продукцией и биомассой: П1: Б1. По этому показателю четко выделяется пять групп ландшафтов. Группа А. Ландшафты с максимальной аккумуляцией солнечной энергии, лишь незначительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических процессов. Это лесные ландшафты, в которых биомасса в десятки раз превышает ежегодную продукцию (Б измеряется тысячами ц/га, П – десятками и сотнями). Под пологом деревьев создается микроклимат, состав атмосферы меняется. Преобладающая часть живого вещества, как правило, расположена над поверхностью почвы: масса стволов и листьев намного превышает массу корней. В лесных ландшафтах наиболее резко проявлена способность организмов создавать среду своего обитания, они интенсивно преобразуют окружающую среду. Для ландшафтов группы А характерна высокая когерентность – интенсивные прямые совершенные водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами, ярко выражен водораздельный центр. Ландшафт отличается сложностью и устойчивостью. Биокосные отрицательные обратные связи проявляются слабо. Группа В. Ландшафты со средним накоплением солнечной энергии, биомассой в сотни и десятки ц/га, значительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических процессов. Это степные, луговые и частично саванновые ландшафты. Ежегодная продукция (П) в данной группе значительна и местами не уступает группе А. В связи с этим Б : П на порядок меньше, чем в лесах. Запасы гумуса в 10 – 20 раз превышают биомассу. Роль организмов в создании среды обитания и, в частности, в создании микроклимата меньше. Основная масса живого вещества часто сосредоточена под поверхностью почвы, т.е. масса корней больше массы надземных органов растений. Прямые водные связи менее совершенны, чем в группе А, в частности, ослаблены связи почва – грунтовые воды. Ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь: почва – растительность. Роль водораздельного центра ослаблена, в речных долинах создается второй центр ландшафта, часто более важный (“бицентрическая система”). Самоорганизация и устойчивость ландшафтов ниже, чем в группе А. Группа С. Это ландшафты тундр и особенно верховых болот со средним и малым накоплением солнечной энергии и медленным ее превращением в энергию геохимических процессов. Биомасса в них составляет десятки и сотни центнеров на гектар, ежегодная продукция низкая. Способность растений улучшать среду обитания выражена слабо. По интенсивности прямых водных связей и величине Б : П тундры ближе к лесной группе, а по размерам биомассы, развитию обратных биокосных связей – к степям и лугам. Большое значение имеют прямые воздушные связи. Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие и напоминают пустыни. Группа D. Ландшафты среднего и малого накопления солнечной энергии и малого ее влияния на энергию геохимических процессов. Таковы многие ландшафты пустынь, для которых характерны небольшие Б и П, низкая когерентность. Прямые водные связи ослаблены, отдельные природные тела почти независимы друг от друга (элювиальная почва – грунтовые воды и т.д.). Резко выражены прямые воздушные связи. Это ландшафты с наименее совершенной, наиболее расшатанной связью. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшими разнообразием,самоорганизацией, устойчивостью. Группа Е. Ландшафты с крайне малым накоплением солнечной энергии — ничтожной биомассой. К этой группе относятся такыры, шоровые солончаки, скалы, покрытые лишайниками, и другие примитивные пустыни. Биомасса здесь местами менее 1 ц/га, отношение Б : П различно. Организмы неглубоко проникают в толщу литосферы (мощность ландшафта низкая). Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие. Формирование ландшафтов А, В, С и D групп в основном определяется климатом, в связи с чем важнейшая закономерность их размещения – зональность (лесная, степная, тундровая, пустынная и прочие зоны). Однако в ряде случаев развитие групп обусловлено другими факторами, наблюдается незональное размещение (например, верховые болота в таежной зоне, шоровые солончаки – в пустынной и т.д.). Границы между А, В и С группами резкие (контрастные), а между В, D и Е – постепенные (размытые), не всегда точно определяемые. С этим, например, связаны методические сложности разграничения сухих степей и пустынь, выделение таких “переходных образований”, как “полупустыни”. Группы ландшафтов состоят из типов с разной величиной Б и П. Так в группе А четко выделяются влажные тропики, широколиственные леса, таежные ландшафты. Для создания определенной массы живого вещества необходима особая структура биоценоза, качественно своеобразное сочетание видов животных и растений. Поэтому выделенные типы ландшафтов в общем отвечают типам растительного покрова, а также типам ландшафтов физико-географических классификаций. Для формирования типов ландшафтов характерны строго определенные (“квантованные”) уровни ежегодной продукции живого вещества. Выход за пределы уровней означает переход в другой тип. Поэтому границы между типами резкие. Вместе с тем изменение факторов формирования типов – тепла и влаги происходит постепенно. Следовательно, несмотря на то, что факторы формирования ландшафтов изменяются постепенно и могут принимать любые значения (непрерывное распределение), возможны лишь вполне определенные, четко ограниченные друг от друга (“квантованные”) типы ландшафтов. Благодаря самоорганизации, относительной самостоятельности ландшафта, способности к саморегулированию некоторые вариации тепла и увлажнения в пределах типа не влияют на тип растительного покрова. Поэтому неоднократные попытки представить все типы растительного покрова и ландшафтов как функцию физического состояния системы, игнорируя природу процессов образования живого вещества, методологически несостоятельны. В отдельных случаях, напротив, подобное соответствие возможно. Типы делятся на отделы (в группах А и В по величине К = lgП : lgБ), а в пределах отделов по величине Б и П выделяются три основных семейства ландшафтов: северное, среднее и южное. В таежном типе это северная, средняя и южная тайга. В тундровом типе – северная тундра (арктическая), средняя (мохово-лишайниковая) и южная (кустарниковая). В типе сухих степей – северное семейство на темнокаштановых почвах и южное – на светлокаштановых. Некоторые типы состоят из четырех и пяти семейств, но в общем их число невелико: возможности варьирования Б и П в пределах типа ограничены, выход за известные пределы приводит к коренной перестройке структуры ландшафта, к переходу его в другой тип. Критерии выделения семейств подлежат уточнению. Как и для типов главный фактор формирования семейств – климат, главная закономерность размещения – зональность. Они образуют подзоны в пределах ландшафтных зон. Для семейств и классов геохимических ландшафтов, принадлежащих к одному типу, несмотря на различия величин Б и П, нередко характерно постоянство отношения lgП : lgБ, которое обозначается символом К (А.И. Перельман). Особенно наглядна эта зависимость в группе лесных ландшафтов. Так, для влажных тропиков данный коэффициент равен 0,64 0,66. Известно, что в гилее условия для лесной растительности благоприятнее, чем в манграх, в связи с засоленностью последних, восстановительной средой в почвах. Это находит отражение в резком различии биомассы (6000 и 1300 ц/га) и ежегодной продукции (270 и 100). Однако коэффициент К (lgП : lgБ) одинаков и равен 0,64. Это позволяет относить гилею и мангры к одному типу геохимических ландшафтов – влажным тропикам. Таким образом, в рассматриваемом случае коэффициент К имеет систематическое значение. Для ландшафтов широколиственных лесов характерна меньшая величина К, чем для влажных тропиков. В этом типе “закономерность К” не столь явна, как при сравнении гилеи и мангров – Б и П не столь контрастны, а К не столь постоянен. Тип “ландшафты широколиственных лесов” включает в себя несколько следующих единиц геохимической систематики – отделов. Например, ландшафты широколиственных лесов европейской России и Дальнего Востока относятся к разным отделам. Возможно, в данном случае коэффициент “К” служит для выделения не типа, а отдела. Для таежных ландшафтов характерна еще меньшая величина К, порядка 0,50 – 0,55. Здесь особенно мала величина П, в то время как Б может быть близка и к широколиственным лесам и даже к влажным тропикам. Рассмотрим ландшафты тайги европейской России, для которых характерна та же закономерность, что и для влажных тропиков – различия Б и П при близких значениях К. Так, в северной, средней и южной тайге величины Б и П резко различны, но К близки (табл. 3.2). Это и дает основание относить рассматриваемую тайгу к одному отделу, а ее северные, средние и южные представители — к разным семействам в пределах отдела. Так на примере влажных тропиков, широколиственных лесов и тайги наметился объективный геохимический количественный критерий выделения в пределах лесной группы и ее типов ландшафтов следующего таксона – “отдела ландшафта”. В ландшафтах группы В – саваннах, степях, лугах и травяных болотах коэффициент К значительно выше, чем в лесных ландшафтах, т.к. ежегодная продукция не намного меньше биомассы (К более 0,70, часто более 0,90). В какой степени этот коэффициент пригоден для выделения отделов менее ясно, чем для группы А. Коэффициент К в ландшафтах группы С – тундрах и верховых болотах также проявляется на уровне отделов. Для группы D – пустынь систематическое значение коэффициента К не установлено. 2 Три аспекта геохимической деятельности организмов. Закон Вернадского. Геохимическая деятельность организмов имеет, таким образом, следующие аспекты: 1. Организмы как непосредственные концентраторы элементов, в результате деятельности которых образуются горные породы с органоморфной структурой и текстурой: угли, коралловые известняки, диатомиты, торф и др. 2. Живое вещество как фактор, определяющий физико-химические условия миграции элементов в данной биокосной системе – почве, ландшафте, водоносном горизонте и т.д. (восстановительная среда в местах гниения органических веществ, резко окислительная в зоне фотосинтеза водных растений и т.д.). 3. Суммарный эффект деятельности живого вещества за геологическую историю. Организмы выступают в качестве важнейшего фактора миграции элементов, определяющего всю геохимию земной коры – формирование кислородной атмосферы, образование известняков, гранитов и других горных пород. Первый аспект признавался всегда, роль второго часто недооценивалась, а третий был установлен только исследованиями В.И. Вернадского. Именно он показал, что миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2 , СО2 , Н2S и т.д.) обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет данную биокосную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в течение геологической истории. Это положение было предложено именовать законом Вернадского (формулировка А.И. Перельмана). Лекция № 9 Тема: Геохимия почв 1. Отличие элювиальных почв от коры выветривания. 2. Геохимическая структура почв. 1 Отличие элювиальных почв от коры выветривания Почва – верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биогенную миграцию при участии растений, животных и микроорганизмов. Это область наивысшей геохимической энергии живого вещества. «Именно здесь, в почвах, – писал Б.Б. Полынов, – наиболее сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которого в дальнейшем образуются новые породы. Но в то же время в почвах в наибольшей степени сосредоточены и те процессы, совокупность которых обуславливает эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и приспособление организмов к изменяющимся условиям их жизни, создаются многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших организмов и высших растений». Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы поставляют в почвенные растворы СО2, органические кислоты и другие химически высокоактивные соединения. Чем больше разлагается органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Почвы – это особенно неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы. Основная масса растений расположена над почвой или в ее верхнем горизонте, где сосредоточены самые толстые корни. Поглощение химических элементов происходит из всей массы почвы, в том числе и из более глубоких горизонтов, в которых располагаются наиболее тонкие и разветвленные корни. Поэтому после минерализации растительных остатков в верхнем горизонте почв аккумулируются те элементы, коэффициент биологического поглощения которых превышает единицу. Чем больше Ах, т.е. чем интенсивнее растение поглощает элементы, тем больше и биогенная аккумуляция их в верхнем горизонте. Наибольшее биологическое накопление характерно для Р и S, Ах которых превышает 100. Биогенным путем накапливаются также Са, К, Mn и многие редкие элементы. Таким образом, растение как своеобразный насос перекачивает химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Это механизм отрицательной обратной биокосной связи, способствующий стабилизации почвы. Накапливая биогенным путем Р, S, Са и другие жизненно важные элементы, растения улучшают условия своего существования, создают наиболее благоприятную для себя среду. Биогенное накопление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и других редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-х годах В.М. Гольдшмидт. Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх в элювиальных почвах, наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэтому реальное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В подзолистых, черноземных, каштановых и других почвах биогенная аккумуляция и выщелачивание протекают с различной интенсивностью. В верхней части почвы может преобладать или концентрация элементов, или вынос. В результате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Имеются почвы, в которых верхний горизонт кислый, нижний – щелочной, в верхнем горизонте господствует окислительная среда, в нижнем – восстановительная и т.д. Так, богатство почв свободной энергией определило чрезвычайно резкую дифференциацию химических элементов по профилю, огромный рост разнообразия (информации). В результате почвообразования верхний горизонт литосферы мощностью 1 – 2 м расчленяется на горизонты (А0, А1, А2, В1, В2 и т.д.), причем каждый из них представляет собой особую физико-химическую систему. Сказанным определяется отличие элювиальной почвы от расположенной под ней коры выветривания, в которой за счет растворов, поступающих из почвы, также развивается выветривание минералов и выщелачивание подвижных соединений. Однако в коре нет биогенной аккумуляции элементов под влиянием растений. Следовательно, по процессам выветривания минералов и выщелачиванию подвижных соединений почва и кора выветривания едины, что в прошлом нередко приводило к отождествлению почвы и коры выветривания. Принципиальное отличие почвы от коры состоит в биогенной аккумуляции элементов под влиянием растительности, которая отсутствует в коре. 2 Геохимическая структура почв Химический состав почв в значительной степени зависит от состава почвообразующих пород. Однако в процессе почвообразования происходит перераспределение отдельных химических элементов по профилю почв. Изучая почвы важно знать не только содержание химических элементов в верхнем почвенном горизонте, но и его геохимическую структуру. Важнейшим показателем, характеризующим радиальную структуру почвенного покрова, является коэффициент радиальной дифференциации (R), представляющий собой отношение содержания химического элемента в том или ином генетическом горизонте почвы (Cг.п.) к его содержанию в почвообразующей породе (Cп.о.п.): R = Cг.п. / Cп.о.п. Данный показатель позволяет судить о накоплении (R > 1,0) или выносе (R < 1,0) химических элементов в каждом горизонте почвенного профиля, по сравнению с почвообразующими породами. В зависимости от величины коэффициента радиальной дифференциации микроэлементы объединяются в группы, характеризующиеся разным уровнем накопления или выноса, что позволяет в первом приближении судить о радиальной почвенно-геохимической структуре элементарного ландшафта. Лекция № 10 Тема: ГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРЫ 1. Газовый состав атмосферы. 2. Загрязнение атмосферы 1 Газовый состав атмосферы Атмосфера - это газовая оболочка земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами. На уровне моря сухой воздух (за вычетом паров воды) содержит 78,09 % N и 20,95 объемных процентов О, т.е. атмосфера имеет азотно-кислородный состав, и этим она принципиально отличается от атмосфер других планет. Третий главный компонент тропосферы – Ar (0,93 %). В тропосфере также содержится водяной пар (0, – 4 %), СО2 (0,03 %). Значительно меньше оксидов N, NH3, O3, H2, CH4, He, Kr, Xe, Rn, Hg и т.д. Так, содержание Nе равно 1.10-3, СН4 – 2.10-3, Не – 5,2.10-4, Н2 – 5.10-5, Rn – 10-21 объемных процента. Очень мало содержание трития – Т (3Н). Роль газов в ландшафте зависит от их кларков и химической активности. Активные элементы с высокими кларками образуют ведущие газы – О2, СО2, водяной пар Н2О, Н2S. Растворяясь в водах, они определяют условия миграции многих элементов, становятся “геохимическими диктаторами”. Поэтому по составу ведущих газов именуются важнейшие геохимические обстановки в водах – окислительная, сероводородная и т.д. Большинство газов в силу химической инертности (N2, Ar) или низкого содержания (G2, H2Se и т.д.) не относятся к ведущим. Газы образуются в результате физико-химических, биогенных и техногенных процессов. Хотя происхождение современной атмосферы в основном обязано биогенной миграции, а тропосфера и атмосфера – это биокосные системы, все же ведущую роль в ней играют физико-химические и механические процессы, особенно круговорот воды и движение воздушных масс. Постоянный приток солнечной энергии определяет исключительную динамичность и неравновесность атмосферы. К физико-химическим процессам относится огромное число реакций образования СО2, водяного пара, Н2S и других газов. К этой группе процессов относятся и радиоактивный распад U, Th и К, генерирующий Не, Ar и Rn, а также ядерные реакции, возникающие в атмосфере под действием космических лучей. Почти весь О2, N2, СН4, а также часть СО2, H2S, многие другие газы – биогенны. С техногенезом связано образование большого количества СО2, SО2, NO2 и прочих газов. Существенное влияние на состав атмосферы оказывает вулканизм. Вулканы поставляют Н2О и СО2, а также Н2, СО, N2, SO2, Cl2, H2S, HCl, B(OH) 3, NH3, CH4 и другие газы. В течение года действующие вулканы выделяют в атмосферу миллионы тонн HF и HCl. В вулканических ландшафтах идут “кислые дожди” с рН 2,4 – 2,5 и минерализацией до 250 мг/л. В стратосфере и мезосфере в результате фотохимических реакций образуется озон: О2 + О = О3. Его общая масса невелика и при нормальном давлении (105 Па) составила бы слой мощностью лишь 1,7 – 4,0 мм. Но и такое количество задерживает губительную коротковолновую радиацию Солнца. Поэтому жизнь на земной поверхности могла развиться только после образования озонового экрана (в начале PZ?). Рост антропогенных выбросов оксида углерода, метана, оксидов азота ведет к увеличению концентрации озона в приземной атмосфере. Подземная атмосфера ландшафта – почвенный и грунтовых воздух по составу значительно отличается от надземной: в ней больше СО2, часто выше влажность, иное содержание микрокомпонентов. СО2 образуется за счет дыхания корней, животных, микроорганизмов, его содержание колеблется от 0,15 до 0,65 %, может достигать 2 % и более. Между подземной и надземной атмосферами существует постоянный газообмен, подчиняющийся законам диффузии. За счет такого “дыхания почвы” в атмосферу поступает СО2, обогащающий приземные слои воздуха. Почвенный воздух тайги, тундр, степей, пустынь и других ландшафтов различается по количеству СО2, Н2О, микрокомпонентов. Так, в гумидных болотах повышено содержание СН4 (“болотный газ”), солончаках и аридных болотах – Н2S, в других ландшафтах N2O, NH3 и прочих газообразных продуктов бика. Ландшафты на разных горных породах также имеют разный почвенный и грунтовый воздух: на участках развития гранитоидов и радиоактивных руд он обогащен Rn, на участках развития нефтеносных пород и углей – углеводородами (главным образом СН4), на некоторых рудных месторождениях – парами Hg. На основе изучения состава подземной атмосферы ландшафта ищут урановые руды, нефть и другие ископаемые. По зонам разломов, рифтам, через вулканы осуществляется миграция в ландшафты глубинных газов. Их выделение иногда приводит к катастрофическим последствиям. Например, в 1986 г. на берегах озер Ниос (Камерун) погибло более 1700 человек в результате выброса со дна озера удушливых газов (в основном СО2). Придонные слои воды и после катастрофы были насыщены СО2 (30 %). Происхождение СО2 связывают с магматическими процессами. Велико влияние подземной атмосферы на эксплуатацию рудников и шахт. Так, при отработке угольных залежей в шахтах накапливается СН4, смесь которого с воздухом в определенных пропорциях взрывоопасна. Еще опаснее в шахтах смесь воздуха с водородом. В последние десятилетия влияние антропогенных процессов на изменение состава газов атмосферы стало не только сопоставимым с природными процессами, но по ряду параметров уже превосходит их. Можно выделить два направления в воздействии антропогенных факторов на атмосферу: первое - извлечение определенных газов и второе - поступление в атмосферу различных веществ. 2 Загрязнение атмосферы Атмосферный воздух является основным источником получения в свободном состоянии О2, N2, Ne, Ar, Кr, Хе. Благодаря довольно быстрому перемешиванию воздуха и обычно комплексному его использованию, этот процесс при изучении загрязнения атмосферы часто не отмечается вообще. Однако в условиях полупустынных ландшафтов и при преимущественном извлечении кислорода (это чаще всего бывает на металлургических комбинатах) рассматриваемая техногенная деятельность оказывает существенное влияние на уменьшение содержания этого газа в составе атмосферы. Основные техногенные источники загрязнения атмосферы могут быть объединены в три группы. К первой группезагрязнителей относятся те, которые образуют загрязняющие вещества в результате сжигания топлива, – авиация, автомобильный, морской (речной) и частично железнодорожный транспорт. Считается, что в настоящее время при сжигании топлива наибольшее загрязнение атмосферы связано с автомобильным транспортом. Основными загрязняющими веществами, поступающими в атмосферу при сжигании топлива, в целом можно считать следующие: углекислый газ (СО2); оксид углерода (СО); несгоревшие углеводороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты); сернистый (SO2) и серный (SO3) ангидрид, переходящий в присутствии воды или ее паров в кислоту (Н2SO4); оксиды азота (NO и NO2); сажи, представляю щи е собой несгоревшие частицы топлива; дымы (аэродисперсные системы); пыль. К второй группе загрязнителей относятся промышленные предприятия. Все промышленные выбросы в атмосферу можно разделить на следующие виды: разнообразную пыль (химические элементы в минеральной форме); дымы (дисперсная форма); запахи; газообразные соединения и отдельные химические элементы; компоненты с фотохимическим эффектом. В составе пыли чаще всего преобладают SiO2, Al2O3, CaO, C, K2O, Na2O, PbO, ZnO, SeO2, As2O3, MgO, Fe2O3. Дымы, а точнее аэросуспензии, чаще всего представлены отрицательно заряженными частицами СаО, ZnО, МgО, Fе2О3 и положительно заряженными SiO2, Р2О5, С. Газообразная составляющая выбросов в большинстве случаев содержит СО2, СО, SО2, SО3, NO, NО2, NH3, реже встречаются повышенные концентрации Сl, НF. Неприятные запахи, характерные для предприятий нефтяной промышленности, часто обусловлены присутствием в газах меркаптанов (тиоспиртов): СН3–S–Н (метилмеркаптан), С2Н5–S–Н (этилмеркаптан). Могут быть запахи, связанные с фенолом (С6Н5ОН), акролеином СН2 и рядом других органических соединений. Третья группаисточников загрязнения связана с процессами утилизации бытовых и промышленных отходов. В эту группу входят зоны захоронения отходов и различные мусоросжигающие установки. от последних в атмосферу поступает наибольшее в этой группе количество загрязняющих веществ. Вещества, поступающие в атмосферу при использовании установок, представлены в основном альдегидами, углеводородами, органическими кислотами, СО, NO, NO2, SO2, SO3, NН3, пылью. Лекция № 11 |