Биогеохимия арктических ландшафтов

Биогеохимия арктических  ландшафтов

Условия биогеохимических процессов  в Арктике весьма своеобразны. Благодаря  суровости климата вегетационный  сезон очень короткий; расположение вечной мерзлоты на глубине 40 — 45 см обусловливает  небольшой объем почвы, в котором  растения могут взаимодействовать  с минеральным субстратом. Таким  образом, биологический круговорот химических элементов ограничен; во времени и пространстве.

Арктическая суша, представленная островами  и архипелагами, находится под  сильным воздействием океана.

Под влиянием климатических условий  значительная часть арктической  суши превратилась в своеобразную полярную пустыню. Небольшое количество осадков  и твердое состояние воды на протяжении 10—11 месяцев в году способствуют появлению признаков, типичных для  аридных ландшафтов: щелочная реакция  почв (рН 7,5 — 8,0) и даже присутствие карбонатных новообразований.

Наиболее благоприятные условия  для развития биогеохимических процессов  в западной части Шпицбергена. Благодаря  более мягкому и влажному климату  участки с растительным покровом занимают большую площадь, чем на других арктических островах. Распространены следующие типы ландшафтных обстановок (Добровольский В. В., 1989). Для широких  морских террас, окаймляющих фьорды, и пологих пролювиально-солифлкжционных скоплений у основания горных склонов характерна растительность арктических тундр. Она представлена мхами с примесью лишайников, переплетенными побегами полярной ивы, с варьирующими количествами разнообразных камнеломок, куропаточьей травы, отдельными экземплярами полярных маков, лютиков, лапчатки, крупки, пучками ситников и злаков. На одних участках растительность образует сплошной ковер, на других тяготеет к понижениям, ограничивающим криогенные полигоны. Ковер переплетенных растений, плотно прилегающий к поверхности почвы, образует самый верхний горизонт aq почвенного профиля. Почвы представлены бурыми аркто-тундровыми с профилем типа А/С.

На плоских, в разной степени  заболоченных днищах ледниковых долин, выходящих в фьорды, растительность в основном состоит из пышных гипновых и сфагновых мхов. В этих условиях происходит образование торфа, но его  мощность, ограниченная близкой поверхностью многолетней мерзлоты (40 — 45 см), очень  невелика. В широких долинах встречаются  небольшие термокарстовые озера, по краям которых растут осоки, пухонос и пушица.

Результаты анализа золы растений-торфообразователей (мхов) и торфа показали, что среди зольных элементов преобладает кремний. Его особенно много (до 36,5 % массы золы) в сфагнуме. Второе место занимают железо и алюминий. В процессе торфообразования происходит относительное накопление железа. Как в живых мхах, так и в торфе кальция больше, чем натрия, а калий преобладает над натрием. Обращает внимание значительное количество серы. Во мхах присутствует большое количество механической примеси минеральных частиц — от 40 до 80 % массы золы. Это связано с осаждением тонкого минерального материала, который несут воды тающих ледников, и отчасти с выпадением атмосферной пыли. Содержание механической минеральной примеси в торфе — от 60 до 80 % от массы золы.

Влияние океана не ограничивается переносом  тепла и влаги. С воздушными массами  переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляют водорастворимые соли. Снеговые осадки активно «вымывают» аэрозоли. По имеющимся данным, на северном побережье Восточно-Европейской равнины с атмосферными осадками выпадает в среднем 5 т/км² в год морских солей, на Земле Франца-Иосифа — 3 т/км² в год. Минерализация снеговых осадков в Арктике близка к 10 мг/л. Следовательно, при количестве осадков 400 мм/год в западных районах острова Шпицберген осаждается около 4 т/км² морских солей.

В составе океанических аэрозолей  преобладают водорастворимые сульфаты и хлориды щелочных и щелочно-земельных элементов. В виде ничтожной, но постоянно присутствующей примеси в них находятся тяжелые металлы. Происхождение примесей до конца не выяснено, но все больше фактов свидетельствует о том, что на значительном удалении от индустриальных центров концентрация металлов определяется природными факторами, а их присутствие в тропосфере такое же естественное явление, как содержание в Мировом океане или в земной коре.

Поступление океанических аэрозолей  имеет особо важное значение в  условиях арктических ландшафтов, где  взаимодействие растительности с минеральным  субстратом затруднено, а гипергенное разложение минералов подавлено. По данным А. В. Евсеева (1988), в снеговом покрове острова Шпицберген следующие концентрации металлов (в мкг/л): Fe — 27,5; Мn — 0,80; Zn — 31,1; Сu - 1,7; Рb - 0,9; Ni - 0,3; Со - 0,3.

Поступление морских солей и  рассеянных элементов из атмосферных  осадков, возможно, сказывается на повышенной концентрации водорастворимых форм щелочных, щелочно-земельных элементов и тяжелых металлов в самом верхнем растительно-торфянистом слое почвы.

Некоторое количество металлов выводится  из биогеохимических циклов миграции и закрепляется в отмирающих органах  растений и торфе. В ковре плотно переплетенной тундровой, существенно  моховой растительности, не отделимой  от мертвого органического вещества, происходят сложные процессы трансформации  соединений металлов. Соотношения разных форм металлов были изучены на примере  форм железа и цинка, содержащихся в  растительном покрове и скоплениях торфа в плакорной тундре на низкой террасе Ис-фьорда и в заболоченной западине на этой же террасе (Добровольский В. В., 1990).

На низкой террасе содержание истинно  растворимых форм железа и цинка, способных к диализу, составило  около 80 % от всех форм, находящихся  в растворе. В заболоченной западине в верхнем слое торфа с живыми растениями истинно растворимых  форм железа оказалось около 70 %, цинка  — 50 %, в нижезалегающем торфе еще меньше. При этом процент истинно растворимых форм органического углерода от растительного слоя к торфяному также уменьшился — на террасе в 2 раза, в заболоченной западине еще больше.

Систематическое удаление металлов с  водным стоком и выделение их из раствора в прочно фиксированное  состояние в мертвом органическом веществе постоянно восполняется поступлением новых масс подвижных форм, поддерживающих биологический круговорот и функционирование экогеосистемы арктической тундры в целом. Главными источниками поступления водорастворимых форм металлов служат океанические аэрозоли, выпадающие с атмосферными осадками, и минералы почвообразующих пород, содержащие рассеянные металлы.

Имеющиеся материалы позволяют  оценить мигрирующие массы тяжелых  металлов в арктических тундрах  острова Шпицберген. Исходя из ранее  приведенных данных о концентрации металлов в снеге, величина поступления  металлов на западном побережье острова  Шпицберген для слоя атмосферных  осадков 100 мм/год может быть оценена  следующим образом (г/год): железа — 27,5; марганца — 0,8; цинка — 31,1; меди — 1,7; свинца — 0,9; никеля — 0,3.

Сопоставляя количество металлов, захватываемых  приростом и поступающих с  атмосферными осадками, можно заметить, что поступающих с осадками железа и марганца значительно меньше, чем их содержится в годовом приросте. В то же время другие металлы, например медь, поступают из тропосферы в таком количестве, что могут обеспечить прирост и, следовательно, нормальное функционирование экогеосистемы арктической тундры. Поступление цинка и свинца из тропосферы даже несколько превышает «норму» захвата этих элементов в биологический круговорот. Возможно, этот факт свидетельствует о повышении концентрации указанных металлов в арктической тропосфере. Однако существующее положение не приводит к нарушению функционирования экосистемы. Регулирование миграционных потоков осуществляется в почве путем взаимосвязанных процессов трансформации соединений металлов с образованием их форм, доступных растениям или мигрирующих с водным стоком. Избыточные количества металлов частично фиксируются мертвым органическим веществом, частично удаляются с водным стоком. Судя по концентрации этих металлов в аккумуляциях торфа в заболоченных долинах, значительная часть избыточных масс свинца связывается в мертвом органическом веществе, в то время как цинк преимущественно выносится с водным стоком.

Биогеохимия тундры

Тундровые ландшафты занимают крайнюю  северную полосу материковой суши, контактирующую с морями Арктического бассейна. Климатические условия  тундровой зоны дают возможность  для большей активности биогеохимических процессов по сравнению с Арктикой. Тундровая растительность состоит  из мхов, лишайников, травянистых растений, кустарничков и кустарников. В северных вариантах преобладают мхи и  лишайники, на крайнем юге — кустарники. Типичная тундровая растительность имеет мохово-кустарничково-травянистый состав.

Почвенная микрофлора разнообразна; численность микроорганизмов выше, чем в арктических почвах. Количество бактерий колеблется от 500 до 3 500 103 экземпляров  в 1 г почвы.

Содержание зольных элементов  и азота в биомассе тундровой  растительности примерно равно. Среди  зольных элементов наибольшие концентрации свойственны кальцию, калию, магнию, фосфору и кремнию. Концентрации других элементов редко превышают 0,1 %.

Изучение рассеянных элементов  в растениях, почвах и рыхлых почвообразующих  породах тундровых ландшафтов Кольского  полуострова (Добровольский В. В., 1963), полуострова Ямал (Московченко Д. В., 1995), северной части Евразии (Евсеев А. В., 1992), Аляски (Шаклетт X.Т., 1962) показало, что разные систематические группы растений селективно поглощают подавляющую часть тяжелых металлов, в то время как титан, цирконий, иттрий, галлий поглощаются слабо.

В условиях хорошего дренажа, существующих обычно на положительных элементах  рельефа и склонах, формируются  кислые бурые тундровые почвы. Для  них характерна аккумуляция слаборазложившихся растительных остатков и образование  обособленного торфянистого горизонта. Ниже этого горизонта профиль  почв мало дифференцирован. В маломощном и плохо выраженном гумусовом  горизонте, расположенном под торфяным горизонтом, содержание гумуса около 1 — 2,5%. В составе гумуса преобладают хорошо растворимые фульвокислоты; рН почв в верхних горизонтах приближается к 5. Кислые почвенные растворы способствуют водной миграции металлов преимущественно в виде комплексных органических соединений.

На территории низменных равнин с затрудненным дренажем в нижней части почвенного профиля устойчиво  существуют условия дефицита кислорода. Это способствует формированию тущ рово-глеевых почв с глеевым горизонтом серого цвета. Горизонт начинается сразу под торфяно-гумусовым горизонтом и продолжается до поверхности вечной мерзлоты. Иногда между гумусовым горизонтом и оглеенной частью почвенного профиля обоcобляется маломощный горизонт с чередованием серых и ржавых пятен, свидетельствующих об осаждении гелей оксидов Fe³⁺ и органоминеральных соединений.

Биомасса растительности тундровых  экогеосистем возрастает по мере перехода от лишайниково-моховой тундры к кустарничковой от 4,0 — 7,0 до 28,0 — 29,0 т/га сухого вещества. В северных вариантах тундры биомасса растительности составляет более 50 % от суммарной массы растительности и мертвого органического вещества. По направлению к югу это соотношение меняется, и в кустарничковых тундрах биомасса меньше массы растительных остатков. Характерная черта структуры тундровой растительности — сильное преобладание массы подземных органов растений (70 — 80 %) над массой надземных органов.

Средние данные о распределении  масс в самом распространенном типе тундровой растительности — мохово-кустарничковой тундре — согласно данным Л. Е. Родина и Н.И.Базилевич (1965), следующие (т/км²); биомасса — 2800; мертвое органическое вещество — 8300; годовой прирост — 2038; годовой опад — 2027. В биологическом круговороте участвует около 5 т/км² азота в год.

На основании среднего значения зольности (речь идет об «истинной» зольности, т. е. о количестве элементов, входящих в состав тканей, а не о механической примеси пылевых минеральных  частиц, количество которых в растениях  некоторых природных зон превышает  «истинную» зольность), равного для  тундровой растительности 2 %, и приведенных  выше данных о массе годового прироста можно сделать вывод, что растительность мохово-кустарничковой тундры ежегодно захватывает в биологический  круговорот около 4,7 т/км² химических элементов (за исключением азота).

Массы химических элементов, участвующие  в биологическом круговороте  на единице площади в тундровых  экогеосистемах, не пропорциональны интенсивности поглощения этих элементов растительностью. Вероятно, одни элементы захватываются избирательно (например, цинк и медь), другие — поглощаются растениями пассивно, в зависимости от их содержания в окружающей среде (например, титан, цирконий, ванадий, иттрий).

ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ 

Климат пустынь можно рассматривать  как результат деградации (иссушения)

различных климатов, в котором сохраняется  режим атмосферных осадков исходного 

климата (Э. Мартонн). Известны пустыни с зимним максимумом осадков и бездожным

летом, напоминающие по режиму осадков  районы со средиземноморским климатом

(Сирия, Ирак, Средняя Азия), пустыни,  где осадки более или менее  равномерно 

распределяются по временам года, аналогично влажному умеренному климату 

(Казахстан), пустыни с летним  максимумом осадков, как в муссонных  областях 

(Гоби). Общим для всех пустынь  является малое абсолютное количество  осадков. 

Понятие о пустынной деградации можно распространить и на ландшафт в целом.

Пустыни --- это ландшафт с малой  биологической информацией, ослабленными

биотическими и водными связями, но с интенсивными прямыми воздушными связями.

Все это уменьшает централизацию, упорядоченность и самоорганизацию,

устойчивость ландшафта.

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 только с иссушением климата, но и