Закон биологического круговорота элементов

При формировании ландшафта происходит биогенная аккумуляция минеральных соединений из почвы и атмосферы и образование органического вещества. Если органическое вещество не аккумулировать, то очень скоро все химические элементы перейдут в органические соединения живых или мертвых организмов, в результате чего из атмосферы исчезнет углекислый газ, а из почвы такие элементы, как фосфор, калий и др. Элементы, находящиеся в органических соединениях, недоступны для питания растений. Такой ландшафт по оценке ак. Вильямса мог бы существовать не более 3 лет.

Если бы в ландшафте протекали только процессы разрушения органического вещества, то очень скоро все органическое вещество было бы разложено до минеральных соединений (углекислый газ, простые соли, вода), т. е. в ландшафте опять-таки исчезла бы жизнь.

Закон биологического круговорота хим. элементов сводится к следующему: миграция большинства химических элементов в элементарном ландшафте представляет собой круговорот, в ходе которого элемент многократно поступает в живые организмы («организуется») и выходит из них («минерализуется»). Следует подчеркнуть, что в биологический круговорот в момент времени запускается малая часть биомассы 5-10%.

Противоположные процессы – биогенная аккумуляция и минерализация не протекают изолированно, они вместе синхронно образуют единый биологический круговорот элементов в ландшафте. В зрелом и сбалансированном ландшафте поступление вещества и разложение его одинаковы по объему, т.е. аккумуляция – минерализация = нулю. За отрезок времени (год) интенсивность поступления должна быть равна интенсивности разложения.Всякое нарушение круговорота элементов приводит к дисбалансу в окружающей среде.

Биологический круговорот характеризуется следующими показателями:

I. Емкость биологического круговорота: 1 – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества ландшафта, биомасса (в ц/га);2– структура биомассы (соотношение зеленой части, многолетней надземной части, корней, животных, микроорганизмов и т. д.).

II. Скорость биологического круговорота количество живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени: 1– ежегодный абсолютный прирост биомассы (в ц/га) и его структура; 2 – ежегодный относительный прирост (в % от биомассы); 3 – ежегодный абсолютный опад (в ц/га) и его структура; 4 – ежегодный относительный опад (в % от биомассы).

Эти показатели должны дифференцироваться для отдельных химических элементов (количество азота, фосфора, калия, кальция и др. в биомассе, приросте, опаде и т. д.).

Дефицитные и избыточные хим. элементы.Емкость и скорость биологического круговорота во многом определяются содержанием в ландшафте дефицитных и избыточных элементов. Дефицитными называются такие элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт ускоряет биологический круговорот, повышает его емкость. В большинстве случаев недостает именно подвижных форм, в то время как общее (валовое) содержание элемента в ландшафте может быть достаточно велико. К дефицитным относятся О, N, Р, К, Са, Mg, Сu, Со, J, F, Mo, Zn, Mn и другие элементы.

Избыточными называются такие элементы, удаление которых из ландшафта ускоряет биологический круговорот, повышает его емкость. К избыточным относятся Cl, S, Na, Cu, Ni, Fe, F и другие элементы.

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Под геохимическими барьерами обычно понимаются участки земнойкоры, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение миграционной способности химических элементов, ведущее к их накоплению. Применительно к поверхности Земли нередко говорят о ландшафтно-геохимическихбарьерах. В геологическую литературу термин введен А.И. Перельманом в 1961 г.

Итак, зоны резкого уменьшения миграционной способности каких-либо химических элементов сопровождаются их осаждением из раствора и концентрации. Большая часть промышленных месторождений образовалась на древних или современных геохимических барьерах. В зависимости от факторов рудоотложения различают: физико-химические, механические, биогеохимические барьеры.

В общем случае геохимические барьеры оказываются приуроченными к узким пограничным зонам, в которых контактируют две существенно различающиеся по условиям миграции химических элементов геохимические обстановки. Геохимические барьеры по своему смыслу возникают и «работают» только тогда, когда через них осуществляется перенос химических элементов,который в зоне барьера оказывается резко затрудненным. Контакты геохимических обстановок, через которые не осуществлялся перенос вещества, можно представить себе как потенциальные геохимические барьеры, для реализации которых не возникло минимально необходимых условий.

Среди геохимических барьеров по масштабам проявления А.И. Перельман различает макро-, мезо- и микробарьеры. Примером макробарьеров могут быть зоны смешения пресных речных и соленых морских вод в речных эстуариях и в придельтовой зоне морских бассейнов, имеющие ширину до сотен и тысяч метров и являющиеся зонами осаждения многих поступающих с континента компонентов как в виде механической взвеси, так и в растворенном состоянии. В результате слипания коллоидных частиц здесь формируются выраженные зоны выпадения органических соединений, глинистых частиц и многих микроэлементов. Не менее грандиозные области геохимического противоречия возникают в зонах апвеллинга местах смешения холодных и более богатых СО₂ и некоторыми химическими элементами глубинных восходящих океанических вод с более теплыми и бедными СО₂ прибрежными водами.

К мезобарьерам А.И. Перельмаи относит, например, краевые части болот, где от выщелоченных на водоразделах и склонах химических элементов «разгружаются» стекающие с них поверхностные и грунтовые воды.

Примером микробарьера может быть отложения гидроксидов железа на месте выхода на поверхность родниковых вод, обогащенных двухвалентным железом.

Эффективность барьера.Осаждение химических элементов на геохимическом барьере в основном вызвано изменением геохимических показателей, таких как температура, давление, pH и Eh среды, обусловленное различием в химическом составе и физических, физико-химических свойствах пород до (m₁) и после барьера (m₂).

Рис. 1. Принципиальная схема геохимического барьера: I — протяженность барьера в направление миграции; m₁и m₂ - геохимические параметры среды до барьера и после него

Эффективность функционирования геохимиче­ского барьера связана с такими его характеристика­ми как градиент и контрастность.

Градиент барьера G понимается как скорость нарастания изменений параметров среды в направ­лении миграционного потока:

Контрастность барьера S характеризуется отношением величин геохимических показателей в направлении миграционного потока до барьера и после него:

Эффективность работы барьера увеличивается с ростом его градиента и контрастности. Масштабы накопления в значительной степени связаны с протяженностью барьера как в направлении миграционного потока, так и вдоль фронта барьера.

По стабильности своего положения в пространстве геохимические барьеры могут быть, по меньшеймере, двух типов: неподвижные и подвижные.

Неподвижный барьер имеет фиксированное положение в пространстве зон различных по одному или нескольким характеристикам геохимических сред. Проходя через барьер, поток теряет те или иные химические элементы, которые осаждаются в определенных зонах за барьером.

Подвижный барьер возникает тогда, когда происходит изменение самой среды в результате движения потока и процесса осаждения. Например, породы имеют восстановительную обстановку, а фильтрационный поток окислительную. Поток будет окислять породы и граница барьера будет смещаться в направлении восстановительной среды. В соответствии с этим направлением будет перемещаться положение геохимического барьера. При этом, неподвижные при восстановительных условиях вещества (Fe, UO₂) приобретают подвижность и попадают во фронт потока и перемещаются, попадая опять в восстановительную среду, где и осаждаются. Происходит «наступление» окислительной обстановки, что вызывает растворение одних веществ, их перенос в область отложения к переднему краю (фронту) барьера и в тоже время отложение с ними электрохимически связанных других веществ.

Потенциальный барьер – барьер m₁ и m₂ контрастно различаются, но поток вещества через барьер отсутствует.

Чаще всего на геохимическом барьере происходит осаждение и накопление нескольких элементов (минералов). Причем, области осаждения сдвинуты так, что возникает эпигенетическая зональность их отложения. Например, для рассмотренного выше примера накопления на подвижном барьере урана характерно формирование зональности вида (от тыла к фронту) селен —уран —молибден.

А.И. Перельман различал два типа геохимических барьеров: природные и техногенные. По способу образования среди тех и других он выделял по три класса барьеров: механические, физико-химические и биогеохимические. Наиболее простыми среди них являются механические, наиболее сложными биогеохимические.