книги из ГПНТБ / Якушевская, И. В. Микроэлементы в природных ландшафтах учеб. пособие

В живом веществе океана фиксируется огромное количест­ во элементов и еще больше элементов участвует в сменяющих друг друга биологических круговоротах. Скорость биологиче­ ских круговоротов в океане чрезвычайно велика, особенно бак­ терий, что отражается в огромном разрыве между величинами биомассы и продуктивности.

Часть элементов, вовлеченных в состав живого вещества, теряется при процессах минерализации, осаждается и может не принимать в дальнейшем участие в жизненных циклах.

Очевидно, более реальное представление о масштабах дея­ тельности организмов можно составить сравнением полученно­ го материала с величинами вовлечения тех же элементов в биологический круговорот суши. При расчетах для континен­ тов мы использовали данные по продуктивности из работы Дювиньо П. (1968), равные 53-106 т, а по биомассе Вернадско-

7 о

го В. И. (1940) и Ковды В. А. (1967) — 4 -101 2 т. Следует ого­ вориться, что величины продуктивности сильно занижены, так как при их вычислении не принимали во внимание продуктив­ ность микроорганизмов почвенных животных, скорость био­ логического круговорота которых очень велика. Среднее со­ держание микроэлементов в организмах суши принимали рав­ ным: Fe — 10-2 %, Си — 2-10-4 %, J — 10-5 %-

Получен следующий порядок цифр:

Таким образом, в составе живого, вещества суши удержи­ вается, несмотря на меньшую биомассу, больше элементов, чем в водных организмах (на 1—4 порядка), что обусловлено бо­ лее высокими кларками элементов в организмах суши, а это в свою очередь определяется большими концентрациями микро­ элементов в почвах, по сравнению с водами.

Организмы способны поглощать лишь подвижные формы микроэлементов, именно в этой форме происходит участие элементов в процессах биологического круговорота и в этой же форме происходит миграция элементов в водах. В этой связи сопоставление количества элементов, вовлекаемых в био­ логический круговорот на суше с выносом их реками, дает представление о потерях подвижных компонентов с континен­ тов, а разница в количестве элементов, принесенных реками и поглощенных живым веществом гидросферы, свидетельствуют о потерях биосферой в целом. Последнее утверждение, конеч­ но, следует принимать с большой поправкой.

Используя данные Коновалова Г. С. (1959) о ежегодном выносе микроэлементов реками СССР и зная соотношения ми­ рового речного стока и стока Советского Союза (Льво­ вич М. Н., 1964), мы рассчитали общий суммарный вынос мик­ роэлементов, принимая, что потери микроэлементов со всех континентов одинаковы (что, естественно, очень условно).

Получены следующие показатели: для меди — 4 • 105 т/год, йода — 3,- 105 т, бора — 5- 10s т. Все элементы в составе био­ массы суши удерживаются в большем количестве, чем выно­ сятся (для отдельных ландшафтов данные получаются проти­ воположные).

71

Для большинства микроэлементов наблюдается высокая лрямая корреляция между количеством их в материнских поро­ дах и почвах (г — от + 0,6 до + 0,9). Исключение составляют биогенные элементы (марганец, бор, кобальт), но и то не во всех почвах. При значительном содержании этих элементов в породах коэффициент корреляции повышается. В целом об­ щ а я закономерность соответствия уровня содержания микро­ элементов в породах и почвах проявляется довольно четко (рис. 9).

Рис. 9.

Относительное распределение микроэлементов по про­ филю почв (содержание элемента в породе принято

за а)

В пределах распространения одной и той же кары выветри­ вания варьирование в содержании микроэлементов в почвах может быть значительным, изменяясь в зависимости от меха­ нического состава, местных особенностей пород, растительно­ сти и свойств почв.

Даже в пределах одного типа и подтипа почв происходят существенные колебания в уровне микроэлементов. Для раз­ ных элементов степень варьирования их в почвах различна. Наиболее изменчиво содержание в почвах марганца, бора, наи­ менее— молибдена и йода.

В убывающей степени их варьирования в почвах микроэле­ менты могут быть расположены в следующий ряд:

Мп > В > (Си, Zn, Ni, Со, V, Сг) > Mo > J •(Элементы, заключенные в скобках, могут меняться местами в

;73

зависимости от почв, но наиболее часто встречается приве­ денная в ряду последовательность) (Зьгрин Н. Г., 1968).

Наибольшая пестрота в уровне микроэлементов присуща почвам подзолистым, где велико разнообразие пород и рас­ тительности. По мере перехода к южным зонам коэффициент варьирования снижается в связи с большей однородностью по­ род и меньшими колебаниями в содержании гумуса.

Варьирование концентрации микроэлементов в зональных почвах в пределах зон достигает больших величин 30—60%. Для почв одного типа и подтипа на однородных породах коэф­ фициент варьирования снижается до 18—40%. И на небольшой территории в пределах одной почвенной разновидности степень варьирования колеблется от 20 до 10%.

Колебания в содержании микроэлементов в одном и том же подтипе почв, в зависимости от породы и от характера рас­ тительности, могут быть проиллюстрированы следующими при­ мерами. Содержание Си в дерново-подзолистых почвах на пес­ ках 4 мг/кг, на суглинках 12, на глинах 40; Zn соответственно

в содержании микроэлементов, общая закономерность в рас­ пределении их, определяемая зональностью пород и почв, про­ ступает через все многочисленные отклонения.

Это обстоятельство позволяет наметить ряд биохимических провинций, характеризующихся определенным уровнем мик­ роэлементов в почвах, провинций, где возможно ожидать де­ фицита или избытка отдельных микроэлементов.

74

Теоретические основы учения о биогеохимических провин­ циях были заложены А. П. Виноградовым и более полно раз­ работаны В. В. Ковальским (рис. 10). В. В. Ковальский выде­ ляет:

А. Биологические зоны и зональные провинции (в которых комбинируются признаки зон по концентрациям и соотноше­ ниям химических элементов).

I . Таежно-лесная нечерноземная зона.

Биологические реакции организмов определяются недостат­ ком кальция, фосфора, калия, кобальта, Си, J, В; достатком— Мп и Zn, относительным избытком Sr. Почвы — кислые.

По всей зоне распространены провинции:

1) Бедные Со, в тканях и молоке животных снижено со­ держание Со и витамина B i 2 .

Эндемии — акобалтозы, гипо- и авитаминозы В ! 2 (овцы,, реже — крупный рогатый скот, редко — лошади, свиньи).

2)Бедные Си — ослаблен синтез окислительных фермен­ тов; гемосидероз, эндемические анемии (овцы, крупный рога­ тый скот, реже — другие виды).

3)Бедные J — нарушен синтез гормонов щитовидной же­ лезы; эндемическое увеличение щитовидной железы; эндеми­ ческий зоб (все виды домашних животных, человек).

4)Бедные С а и Р—нарушен обмен веществ в костной ткани; эндемическое заболевание костно-суставной системы (чаще молодняк животных).

5)Бедные Си и Со (чаще распространены на торфяных почвах) ослаблен синтез В12 и окислительных ферментов. Энде­

мические акобальтозы.гипо- и авитаминозы В 1 2 , осложненныенедостатком Си (овцы, крупный рогатый скот).

6)Бедные J и Со (районы Ярославской области, Марийской АССР и др.). Нарушение синтеза гормонов щитовидной желе­ зы усиливается недостатком Со (все виды животных, человек).

7)Обогащенные стронцием, бедные Са (р-ны Читинской к Амурской областей). Эндемическое нарушение формирования костной ткани; уровская болезнь (животные, человек).

П.Лесостепная и степная черноземные зоны.

Биологические реакции определяются достатком Са, Со,. Си, J, иногда недостатком К, Мп, часто Р.

Почвы — нейтральные, слабощелочные. Обычно не встре­ чаются биологические реакции, характерные для других зон. Эндемическое увеличение щитовидной железы и зоб встреча­ ются у животных на серых лесных почвах, в поймах рек и- на выщелоченных черноземах.

I I I . Сухостепная, пустынная и полупустынная зоны. Биологические реакции определяются повышенным содер­

жанием сульфатов, часто — бора, иногда -^-молибдена, недос­ татком меди, марганца, в некоторых случаях — избытком нитратов.

75

Почвы нейтральные и щелочные.

Распространенные провинции:

1) Бедные медью, богатые сульфатами и молибденом (районы Терско-Сулакской низменности, Узбекистана, Кулундинской степи); понижена активность окислительных фермен­ тов; демиэлинизация центральной нервной системы, нарушена координация движений, судоро-ги; параличи, энзоотическая атаксия, параплегия (ягнята, реже — козлята, телята).

2)Богатые бором (Прикаспийская низменность, Кулундинская степь); понижена активность амилазы и, частично, про­ теина пищеварительного тракта; нарушено выделение бора почками; эндемические энтериты, часто пневмонии (овцы, вер­ блюды, человек).

3)Богатые нитратами (пустыни Средней Азии). Эндемиче­ ская метгемоглобинемия.

IV. Горные зоны.

Биологические реакции разнообразны и определяются из­ менчивой концентрацией и соотношением многих химических элементов.

Распространенные провинции с недостатком йода, кобальта и других элементов; эндемическое увеличение щитовидной же­ лезы, зоб, гипо- и авитаминоз Bi 2 (различныевиды животных, человек).

Б. Азональные биохимические провинции, признаки которых не соответствуют характеристике зон.

Встречаются провинции: 1) Богатые кобальтом (некоторые районы Азербайджанской ССР); усиленный синтез В|2.

2) Богатые медью (районы Башкирии), эндемическая ане­ мия, сопровождающаяся перерождением печени (овцы).

3) Богатые молибденом (например, Анкованская провинция в Армении); повышен синтез кеантинокеифазы, повышено со­ держание мочевой кислоты в крови и моче; эндемия молибде­ новой подагры (человек), молибденовского токсикоза (живот­ ные).

4) Богатые никелем (районы Актюбинской области). Отло­ жения никеля в эпидермальных тканях, особенно — в рогови­

в Армении), обогащение свинцом организма человека и живот­ ных; эндемические нервные заболевания (дефалгии, миалгии

идр.).

6)Богатые железом; нарушено окостенение, наблюдается деформация костей, (сужение полости костно-мозгового канала; эндемический флюороз (животные, человек).

7)Бедные фтором; снижено содержание фтора в эмали и дентине зубов; эндемический кариоз зубов (животные, чело­ век),.-

77

8) Бедные марганцем; понижена активность фоофатазы, •фоофорилазы, изолимонной дегидразы; эндемический перозис бптицы).

В пределах каждой провинции имеются почвы с нормальны­ ми кларками микроэлементов и с повышенными или понижен­ ными, по сравнению с фоновым содержанием. Кроме пестроты пород и колебаний в свойствах почв, в этом повинен и процесс перераспределения микроэлементов по 'Компонентам элемен­

тельная аккумуляция элементов, принесенных с поверхностным и внутрипочвенным стоком и с почвенно-грунтовыми водами (рис. 11). В еще более сильной степени эта аккумуляция вы­ ражена в подчиненных гидроморфных ландшафтах обширных низин и пойм и в аквальных ландшафтах озер. В поймах рек накладывается еще процесс механической аккумуляции микро­ элементов из паводковых вод.

Обогащение подчиненных ландшафтов макро- и микроэле­ ментами и обеспеченность влагой определяют большой размах биологического круговорота и, как следствие, интенсивное по­ глощение микроэлементов живым и мертвым органическим веществом.

Поймы больших рек — это своеобразные ловушки-фильтры на пути миграции элементов. Все, что не удерживается в педоофере водораздельных пространств, поступает в поймы, где большая часть принесенного материала поглощается.

Поскольку миграционная 'способность отдельных элементов тесно связана с внешними условиями, то количество и набор микроэлементов, поступающих в поймы рек различных зон, не одинаковы. Характер микроэлементов отражает зональные чер­ ты почвообразовательного процесса водораздельных про­ странств. В речных шоймах таежной зоны поглощаются и накапливаются элементы семейства железа; в степных усло­ виях — более подвижные микроэлементы: стронций, бор, мо-

78

либден (таблица 34), в сухостепных и пустынных — бор, йод, молибден, возможно литий, рубидий.

Процесс аккумуляции микроэлементов в пойменных ланд­ шафтах выражен в наибольшей степени в крупных равнинных речных системах, бассейны которых сложены четвертичными отложениями. Например, в поймах рек: Волги, Оки, Клязьмы, Москвы-реки, Кокшаги, Дона, Припяти, Днепра.

Контрастность перераспределения микроэлементов может сильно снижаться при слабой дренированности водоразделов при резком различии в механическом составе почв сопряжен­ ных ландшафтов и гори возникновении на пути миграции эле­ ментов геохимических барьеров в виде глинистых, карбонатных прослоек, органогенных пород и т. д. В первом случае (слабая дренированность водоразделов) ослабевает местный сток с во-

79