Еловых лесов Карелии, мкг/г золы

Примечание. М— среднее арифметическое; V — коэффициент вариации.

На концентрацию отдельных металлов оказывает влияние состав коренных пород. Наши исследования показали, что на участках близкого расположения диабазов в хвое и коре елей больше никеля и ванадия, чем на выходах гранитогнейсов. Подобные различия невелики и часто остаются незамеченными из-за влияния других факторов. В частности, на участках залегания диабазов, перекрытых маломощными рыхлыми отложениями, повышенная концентрация никеля и ванадия обнаружена только в елях, а в листьях и стеблях кустарничков не установлена. Возможно, это связано с менее глубокой корневой системой кустарничков по сравнению с глубоко проникающими корнями ели. Опытные работы во многих районах лесной зоны показали, что покров ледниковых отложений мощностью в несколько метров нивелирует уровни концентрации рассеянных металлов на обширных площадях.

Выяснение структуры биологического круговорота и установление уровней концентрации рассеянных элементов в возобновляемых органах растений дает возможность ориентировочно оценить биогеохимическую миграцию масс этих элементов. Соответствующие данные приведены в табл. 12.6. Установлено, что на площади 1 км² елового леса древесная растительность ежегодно поглощает из почвы несколько килограммов цинка и бария, сотни граммов меди, свинца, стронция, циркония, десятки граммов никеля, ванадия, кобальта. Растительность кустарничков захватывает массы металлов на порядок меньше. Одновременно происходит выведение почти такого же количества металлов из живой биомассы елового леса.

Таблица 12.6

Структура биологического круговорота масс рассеянных элементов в фитоценозе елового леса, кг/км²

Определение коэффициентов биологического поглощения К_ь показало, что независимо от состава коренных кристаллических пород и мощности рыхлых отложений интенсивность поглощения каждого элемента устойчиво выдерживается. Интенсивно поглощаются цинк, марганец, медь, свинец, значения К₅ которых от 2 — 3 до 20 — 30. Слабо поглощаются никель и кобальт, К₆ которых близок к единице. Очень слабо поглощаются титан, ванадий, К_ъ которых меньше единицы.

Интенсивность вовлечения рассеянных элементов в биологический круговорот не зависит от их концентрации в горных породах. На рис. 12.1 изображены графики К§ для хвои и коры ели, кустарничков, гипновых мхов. Конфигурация графиков однотипна, независимо от того, на породах какого состава — диабазах или гнейсах — располагаются лесные фитоценозы. В то же время разные растения поглощают одни и те же элементы с неодинаковой интенсивностью. В частности, мхи лучше аккумулируют слабо поглощаемые элементы (титан, цирконий, ванадий), чем деревья и кустарнички.

Рис. 12.1. Интенсивность биологического поглощения металлов

растительностью еловых лесов Карелии, растущих на выступах

диабазов (I) и гнейсов (II):

/ — кора ели, 2 — хвоя ели, 3 — гипновые мхи, 4 — листья и тонкие ветви черники

Масса опада елового леса возраста 150 лет равна 400 — 550 т/км². Если бы все вещество опада сохранялось, то за 100 лет могло бы накопиться около 50 000 т/км² растительных остатков. Но масса лесной подстилки изученных лесов составляет всего (2 — 3)×10³т/км², т.е. всего несколько процентов от количества отмершего органического вещества, которое поступило на поверхность почвы на протяжении 100 лет. В лесной подстилке содержатся значительные массы тяжелых металлов: цинка, свинца и меди — тысячи килограммов на 1 км², никеля — сотни килограммов, кобальта и олова — десятки килограммов. Под воздействием микробиологических процессов происходит деструкция отмершего органического вещества и мобилизация рассеянных элементов, значительная часть которых вновь вовлекается в биологический круговорот.

На территории Карелии широко распространены болота. Биогеохимия лесных и болотных фитоценозов сильно различается. Сухая биомасса болот изученного региона без учета единичных деревьев составляет 700— 1100 т/км². Это почти в 10 раз меньше биомассы лесов.

Прирост болотной растительности около 350 т/км², что в 2 раза меньше, чем в лесах. Разрушение отмершего растительного материала происходит значительно медленнее, чем в лесах. Масса торфа, накопленная за 100 лет, составляет не менее 20 % органического вещества, образованного в болотных ландшафтах. Это почти в 10 раз больше, чем процент мертвого органического вещества, сохраняющегося в лесах.

При разложении органического вещества железо, тяжелые металлы и некоторые другие рассеянные элементы накапливаются в слабопроточных водах и их концентрация в растениях повышается. По этой причине, несмотря на меньшую величину опада по сравнению с лесами, в болотных фитоценозах в биологический круговорот вовлекаются равные, а в некоторых случаях даже большие массы рассеянных элементов. На площади в 1 км² растительность болот ежегодно захватывает цинк, барий, свинец и титан в количестве нескольких килограммов; медь, цирконий, хром, никель и ванадий — сотни граммов; кобальт — десятки граммов.

Болотные и лесные ландшафты связаны взаимопереходами в виде зарастающих деревьями засыхающих болот и заболачиваемых лесов. Нарастание заболоченности проявляется в уменьшении биомассы фитоценоза, усилении роли моховой растительности в биологическом круговороте и увеличении концентрации железа и некоторых тяжелых металлов.

Биологический круговорот в широколиственных лесах южной периферии лесной зоны.В направлении на юг от северной границы бореальных лесов происходит постепенное уменьшение гумидно-сти природных условий и сокращение холодного зимнего сезона, затрудняющего биогеохимические процессы. Соответственно изменяется флористический состав лесных фитоценозов и геохимическая специализация растений-доминантов. Хвойные леса сменяются смешанными, а затем лиственными. Место кустарничков и мхов занимает травянистая растительность, значение которой возрастает с севера на юг. По мере усиления активности биогеохимических процессов увеличивается биомасса, годовая продукция и опад, но в то же время уменьшается масса мертвого органического вещества. Одновременно происходят изменения в химическом составе растений и в соотношении масс химических элементов, мигрирующих в системе биологического круговорота.

В районах со сбалансированным соотношением количества атмосферных осадков и эвапотранспирации с коэффициентами увлажнения 0,75—1,20 (см. разд. 10.1) располагаются широколиственные леса. Южную периферию обширной зоны бореальных и субборе-альных лесов Евразии образуют дубовые леса. Они обладают наибольшей биомассой и годовой продукцией среди лесных сообществ рассматриваемой зоны. В то же время масса мертвого органического вещества, находящегося на поверхности почвы, уменьшается по сравнению с хвойными лесами в 2 — 3 раза. При заболачивании процессы деструкции растительных остатков замедляются и масса подстилки возрастает.

Изменения в химическом составе растительности сводятся к следующему. Содержание азота в главном компоненте опада — листьях — примерно вдвое больше, чем в хвое таежных лесов. Сумма зольных элементов в листьях колеблется от 3,5 до 5%, составляя в среднем около 4 % массы сухого вещества. Увеличивается по сравнению с хвоей концентрация кальция (от 0,5 до 4 %), калия (от 0,15 до 2%), кремния, хотя концентрация этого элемента сильно варьирует. Согласно Л. Е. Родину и Н.И. Базилевич (1965) соотношение масс поглощаемых элементов отвечает следующей схеме: C > N > K > Si = Mg = P = S > Al = Fe = Mn.

Содержание азота в биомассе дубовых лесов достигает 90 — 120 т/км², сумма зольных элементов значительно превышает количество азота и составляет 200 — 300 т/км² (есть данные и о более высоких значениях). В приросте (годовой продукции) содержится 8—10 т/км² азота и 20 — 25 т/км² зольных элементов. В листьях сосредоточено 70 —80 % массы поглощаемых элементов, а в опадающих листьях — 80 — 90 % массы элементов, выводимых из биологического круговорота. Возврат азота с продуктами спада составляет 4—7 т/км², зольных элементов — 18 — 20 т/км².

Коллектив венгерских ученых под руководством П.Якуша, работая по программе «Человек и биосфера», детально изучил распределение и динамику масс химических элементов в заповедном дубовом лесу в районе г. Эгер (Северная Венгрия). Главной древесной породой является дуб скальный (Qvercus petraea), составляющий 78 % массы деревьев, 22 % приходится на дуб серый (Quercus cerris). Кустарники представлены преимущественно кленом полевым и кизилом обыкновенным, травы — злаками, представителями родов осока, ежа и мятлик.

Масса (т/км²): деревьев — 24 103,4; кустарников — 654,2; травянистой растительности — 61,8; мхов — 4,8. В годовой продукции деревья играют главную роль, синтезируя 1078,4 т/км² в год органического вещества, кустарники — 169,8; травы — 41,3; мхи — 0,16. Структура массы фитоценоза и годового прироста| показана на рис. 12.2; распределение масс химических элементов в биомассе и приросте обобщено в табл. 12.7. Среди зольных элементов в наибольшем количестве в биомассе присутствует кальций, аккумулирующийся не только в листьях, но и в древесине стволов и ветвей. В приросте доминирует калий. Массы тяжелых металлов, вовлекамые в биологический круговорот, примерно соответствуют их ориентировочному среднему значению для сообществ дубовых лесов суббореального климата. Исключением является марганец, аномально большие массы которого присутствуют как в биомассе, так и в годовой продукции. Возможно, что этот феномен связан с региональными ландшафтно-геохи-мическими особенностями.

Рис. 12.2. Структура фитомассы (1) и годовой продукции (2)

дубового леса Северной Венгрии (по П.Якушу, 1985)

Таблица 12.7