В продуктах опада деревьев-эдификаторов леса Уокер Бранч,

Теннесси, США(по данным Р.Ван Хука и др.)

Примечание. Числитель — масса металла (г/га); знаменатель — концентрация металла (10^-4%).

По указанной причине время полного возобновления мертвого напочвенного органического вещества (лесной подстилки) и поступивших с ним масс тяжелых металлов неодинаково. Период возобновления массы подстилок в лесных внетропических фитоценозах изменяется от 2 — 3 лет в широколиственных лесах до 7 — 8 лет в хвойных лесах северной тайги. Для полного возобновления масс тяжелых металлов, находящихся в лесных подстилках, требуется в 1,5 — 2 раза больше времени, чем для возобновления органического вещества подстилок. Отмеченная задержка отражается в повышении концентрации всех металлов в нижнем горизонте подстилок по сравнению со свежим спадом.

Неодинаковая прочность связи металлов и различная растворимость органических соединений способствуют неодинаковому возрастанию концентрации разных металлов. Остаточное обогащение наиболее характерно для свинца и никеля, концентрация которых в подстилках по сравнению со свежим спадом увеличивается до 10 раз и более. Цинк и кадмий закрепляются менее прочно, их вынос функционально связан со степенью атмосферного увлажнения и испаряемостью. В субтропических лесных ландшафтах с увлажнением недостаточным или близким к сбалансированному цинк и кадмий могут накапливаться в нижней части лесной подстилки. В лесах суббореального и бореального пояса эти металлы более активно выносятся, благодаря чему их концентрация в нижнем горизонте подстилок редко возрастает более, чем в 1,5 — 2 раза.

По данным Б.Н.Золотаревой (1994), запасы тяжелых металлов в подстилках хвойных и широколиственных лесов бассейна Верхней Оки от 3 до 12 раз превышают массы этих металлов, ежегодно вовлекаемые в биологический круговорот, а время полного возобновления масс в подстилках составляет для меди — 3, цинка — 6, свинца — 8 лет.

Таким образом, напочвенное органическое вещество лесных ландшафтов играет двойственную роль в биосферной геохимии тяжелых металлов. Во-первых, оно служит временным резервуаром, куда выводятся из миграции значительные массы рассеянных металлов. Во-вторых, благодаря образованию специфических водорастворимых органических соединений — фульвокислот, с которыми металлы образуют прочные комплексы, в лесных подстилках начинается перераспределение масс металлов, вовлекаемых в водную миграцию и биологический круговорот.

По особенностям распределения по профилю почв выделяют две группы элементов. Представители первой активно поглощаются лесной растительностью и в то же время относительно прочно связаны в мертвом органическом веществе. Их концентрация в горизонте ао больше, чем в почвообразующей породе. У представителей второй группы концентрация в горизонте ао хотя и повышается по сравнению с горизонтом выноса, но все же не достигает уровня исходной породы. К первой группе относятся марганец, цинк, медь, свинец, никель и некоторые другие элементы, ко второй — титан, цирконий, ванадий, хром. Типичная кривая распределения тяжелых металлов по профилю почв бореальных лесов показана на рис. 12.4.

Степень дифференцированности элементов по генетическим горизонтам почвенного профиля уменьшается по мере снижения гумидности ландшафтов. Тем не менее даже в условиях развития смешанных и мелколиственных лесов изменение концентраций от почвообразующей породы к верхней части профиля почвы хорошо выражено. В.Б.Ильин (1974) показал, что в южной части лесной зоны Западной Сибири имеет место четкая дифференциация металлов в почвах, причем для одних элементов преобладает биогенная аккумуляция, для других — вынос. В частности, в балансе марганца процессы биогенной аккумуляции преобладают над выносом, а в балансе меди отношения обратные.

Закономерности дифференциации элементов в почвах лесов умеренного климата хорошо выдерживаются независимо от гранулометрического состава почвообразующих пород и, следовательно, от абсолютного содержания элементов.

Рис. 12.4 Распределение молибдена по профилю

дерново-подзолистой почвы (Ярославская область)

Дифференциация рассеянных элементов по профилю почв — суммарный итог перераспределения их разных форм. Последние достигают наибольшего разнообразия именно в почвах благодаря различным биогеохимическим процессам. В почве к формам, унаследованным от исходных почвообразующих пород, добавляются биогенные, поступившие с отмершими органами и метаболитами высших растений, почвенной мезофауны и образованные в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.

Разные формы в неодинаковой мере способны к миграции и перераспределению по профилю почвы Элементы, содержащиеся в обломочных минералах, практически стабильны. Элементы, связанные с высокодисперсными глинистыми минералами, перемещаются вместе с ними или принимают участие в процессах сорбции —десорбции. Часть элементов находится в конкрециях и тончайших пленках гидроксидов железа, а также входит в состав специфических почвенных органических соединений.

Определение всех форм рассеянных элементов весьма трудоемко. Тем не менее имеющиеся данные позволяют ориентировочно оценить соотношение главных форм в некоторых почвах

В ландшафтах смешанных лесов Восточно-Европейской равнины наиболее распространены дерново-подзолистые почвы суглинистого состава. В них во фракции в < 1 мкм в наибольшем количестве находятся элементы, активно вовлекающиеся в биологический круговорот и относительно накапливающиеся в лесных подстилках. Медь и молибден в этой фракции составляют 60 — 70 % от общего количества каждого из этих металлов, содержащихся в почве. Металлы, слабо поглощаемые растениями, например хром и ванадий, находятся в высокодисперсной массе почв в меньшем количестве, около 20 — 30%.

В табл. 12.9 использованы данные А.А.Титовой (1970) и Е. Г. Журавлевой (1970) для иллюстрации изменения содержания главных форм меди и кобальта в профиле дерново-подзолистых почв Подмосковья. Содержание легкорастворимых и обменных форм металлов незначительно, всего несколько процентов от их общего количества в почве. Содержание различных органических соединений металлов довольно большое в верхней части профиля, где много гумусовых соединений, но в минеральных горизонтах резко снижается. Очень активно вовлекается в биологический круговорот в ландшафтах Подмосковья медь, менее активно — кобальт. В результате в почвенном гумусе содержание меди в два раза выше по сравнению с более инертным кобальтом. Значительная доля элементов (особенно меди) связана с оксидами железа. Это характерно не только для металлов, но также для мышьяка и некоторых других рассеянных элементов с переменной валентностью.

Таблица 129

Распределение некоторых форм кобальта и меди в дерново-подзолистых почвах Подмосковья, % от общего содержания металла

Избыточное грунтовое увлажнение способствует формированию разного рода глеевых почв. Условиям слабой заболоченности соответствуют подзолисто-глеевые почвы с несколько увеличенной массой лесной подстилки. При более сильном заболачивании на поверхности почвы образуется горизонт торфа, который в болотных почвах достигает значительной мощности. В лесной подстилке подзолов в 2 — 3 раза больше фульвокислот, чем гуминовых, а в торфяном горизонте болотных почв, наоборот, преобладают гуминовые кислоты. Это отражается на более низком значении рН водной экстракции из лесной подстилки подзолов и более энергичной миграции из них элементов.

Концентрации многих металлов в торфяно-болотных почвах часто больше, чем в подзолистых. В болотных почвах также значительно выше относительное содержание элементов, связанных с гуминовыми кислотами, а меди — с фульвокислотами. Соединения меди с фульвокислотами легко вымываются, поэтому в почвенном профиле ниже гумусового горизонта их больше, чем соединений с гуминовыми кислотами. Концентрация металлов, связанных с разными типами органических соединений, в торфяно-болотных и подзолистых почвах соизмерима, но общая масса этих соединений в болотных почвах значительно больше.