Массообмен тяжелых металлов в экосистеме арктической тундры острова Шпицберген (по В. В Добровольскому, 1989)

Экогеосистемы заболоченных ледниковых долин, находящиеся в геохимически подчиненном положении по отношению к ландшафтам арктических тундр, получают с поверхностным стоком дополнительное количество элементов минерального питания, в том числе тяжелых металлов. Это способствует увеличению годового прироста в 3 — 4 раза по сравнению с растительностью арктических тундр и соответственному возрастанию масс металлов, вовлекаемых в биологический круговорот. Высокая продуктивность мохово-болотной растительности, в свою очередь, обусловливает накопление значительного количества мертвого органического вещества, обогащенного тяжелыми металлами, особенно железом и марганцем. Запасы металлов в торфе заболоченных долин оцениваются следующими значениями: железа — десятки килограммов на 1 га, марганца — 1 — 2 кг/га, цинка — 100 — 300 г/га, меди, свинца, никеля — десятки граммов на 1 га.

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. На рис. 11.1 приведены графики интенсивности поглощения рассеянных элементов распространенными растениями тундры, расположенной на плоских поверхностях Хибинского горного массива (Кольский полуостров). Значения К₆ свинца, цинка, олова, никеля и меди на математический порядок больше значений К₆ циркония, титана, ванадия.

Рис. 11.1. Интенсивность биологического поглощения металлов

типичными растениями Хибинских тундр (по В.В.Добровольскому,

1963):

1 — лишайники; 2 — мхи; 3 — злаки; 4 — камнеломки

Особенно заметно отражают изменение концентраций металлов камнеломки (представители рода Saxifraga) и мхи (бриофиты). Х.Т. Шаклетт провел детальные биогеохимические исследования в тундровых ландшафтах Аляски и установил, что бриофиты могут выдерживать более высокие концентрации металлов, чем сосудистые растения. Некоторые мхи являются индикатором залежей руд, содержащих повышенное количество меди.

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. Горизог 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 переходной подзоне лесотундры биомасса превышает 100 т/га. Масса органического вещества, находящегося на поверхности почвы и состоящего из оторфованных растительных остатков, достигает 80 — 90 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). Исходя из этого количества и средних значений концентрации рассеянных элементов в годовом приросте суши (см. табл. 2.4), можно рассчитать ориентировочные значения масс некоторых элементов, захватываемых в биологический круговорот (табл. 11.3).

Таблица 11.3