Кругообіг і міграція хімічних елементів на Землі

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 5617

Як відомо, основою динамічної рівноваги і стійкості біосфери є кругообіги речовин і перетворення енергії, які складаються з багатьох процесів. Причому окремі циклічні процеси являють собою послідовний ряд змін речовини в процесі міграції, що відповідає тимчасовому стану рівноваги. Кругова міграція може відбуватися на обмеженому просторі та протягом нетривалого часу, а може охоплювати усю зовнішню частину планети та величезні періоди. При цьому малі кругові рухи входять у більш великі, які у своїй сукупності складаються в колосальні геохімічні цикли. Величезне число атомів безперервно залучається у ці міграційні потоки й вільно виходять з них.

Кругообіг речовин на Землі складається з кругообігу окремих хімічних елементів. Саме кругообіг забезпечує тривалість і сталість існування життя, тому що без нього, навіть у масштабах усієї Землі, запаси необхідних елементів були б швидко вичерпані. Крім того, кругообіг забезпечує багатократність процесів та явищ, їх високу сумарну ефективність у разі обмеженого обсягу вихідної речовини, яка бере участь у цих процесах. Кругообіги речовин визначаються як біогеохімічні кругообіги, оскільки елементи насамперед проходять через гірську породу, ґрунт, воду, а в органічних молекулах — через живі організми. Характерною особливістю «великого» геологічного кругообігу речовини є його переважно горизонтальний напрям. Він відбувається між сушею та морем.

Кругообіги можуть розрізнятися як за характером, так і за масштабом процесів, що розглядаються в них. В останньому випадку важливо розрізняти біогеоценотичні кругообіги, що відносно швидкоплинні і відображають міграцію елементів, що постійно відбувається, між складовими частинами біогеоценозів (БГЦ), і геохімічні кругообіги з набагато більшим періодом, що відповідають віковій міграції біогенних елементів в межах геохімічних ландшафтів. Ці два рівні відповідають "обмінному" і "резервному" фондам, які виділяє в кругообігах Ю. Одум. Іноді розглядають проміжні рівні, наприклад "біогеохімічний".

Класифікація кругообігів за характером процесів, що проходять в них, в загальних рисах відповідає класифікації відповідних їм . М.А. Глазовська запропонувала ділити кругообіги на "інтенсивні компенсовані", коли відбувається нормальна циркуляція елементу, і на "загальмовані некомпенсовані", коли цикл "буксує" і елемент накопичується в одній з ланок. В останньому випадку кругообіг не може бути стійким і трансформується в ході сукцесії в інший тип.

Інша класифікація базується на виділенні основного елементу, який визначає темп кругообігу (Л.Є. Родін, Н.І. Базилевич). Треба відзначити, що кругообіги кожного біогенного елементу мають специфічні риси, але в кожному БГЦ можна виділити основні елементи, циркуляція яких має визначальне значення для динаміки біогеоценозу (відповідно до принципу Лібіха, що розуміється в широкому сенсі). Це може бути Нітроген, кальцій, Силіцій, хлор.

Біологічний кругообіг, як складова «великого» геологічного кругообігу речовин, має особливе значення у формуванні обліку поверхні землі, її біосфери й самого життя. Закон біологічного кругообігу елементів вважається одним із основних законів геохімії ландшафтів. Цей закон зводиться до наступного: міграція більшості хімічних елементів в ландшафті являє собою кругообіг, в ході якого елемент багаторазово входить у склад живих організмів («організується») і виходить із них («мінералізується»). Ці кругообіги в залежності від елементів і ландшафтів відрізняються різною тривалістю і ніколи не бувають зворотними: ландшафт не повертається в попередній стан, а набуває деякі нові властивості. Сам поступовий розвиток ландшафту в значному ступені відбувається через систему подібних кругообігів. Біологічний кругообіг в значній мірі залежить від фізико-географічних особливостей даної місцевості.

Інтенсивність біогенної міграції характеризується коефіцієнтом біологічного поглинання (біоконцентрації) або біоакумуляції. Коефіцієнт біологічного поглинання (КБП) – це відношення вмісту певного елементу в золі, тобто мінеральній частині конкретного живого організму, до вмісту цього ж елементу в ґрунті (рідше гірській породі). Він визначається за формулою:

Кбп = с_росл./С_{вал. ґрунт} (1.3)

де с_росл. – вміст елементу в золі рослини; С_{вал. ґрунт} – валовий вміст елементу в ґрунтах (породах), на яких виростає рослина.

Порівняння речовинного складу золи рослин проводять двояко: використовують як еталон або кларки літосфери, або місцеві кларки в породах і ґрунтах. Перши іноді називають кларком концентрації в рослинах (ККР), а не коефіцієнтом біологічного поглинання. Очевидно, значення отриманих коефіцієнтів і складені на їх основі ряди біологічного поглинання не будуть ідентичні. У загальному випадку невідповідність I роду – ККР>Кбп – особливо явно повинна виявлятися при дослідженні ландшафтів в межах родовищ, коли місцеві кларки в породах набагато перевищують їх вміст в літосфері. Розбіжності II роду – ККР<Кбп – будуть особливо помітні, коли розглядаються рослини ландшафтів, що формуються на породах, різко збіднених на елементи, наприклад, на кварцових пісках.

Інформативність геохімічних показників залежно від способу проведення розрахунку неоднакова. Так, аналіз ККР дозволяє виявити особливості біологічного поглинання елементів рослинами різного систематичного положення; визначає порядок величин, що характеризують їх речовинний склад і приблизні співвідношення між елементами; виділяє елементи, що необхідні для життя рослин і практично не захоплюються ними. Обчислення Кбп дає можливість конкретизувати ці загальні уявлення стосовно умов ландшафтів, що вивчаються, і підкреслити місцеві риси біологічного поглинання, виявити регіональну біогеохімічну специфіку рослин. Зіставлення отриманих даних несе додаткову інформацію по біогенній міграції елементів в ландшафтах.

Для кількісного виразу загальної здатності виду до концентрування мікроелементів запропонований спеціальний показник – біогеохімічна активність виду (БХА), що визначається як сума коефіцієнтів біологічного поглинання окремих елементів:

БХА = ∑КБП (1.4)

або

БХА = ∑ККР. (1.5)

При інтерпретації розрахункових даних БХА необхідно враховувати, що оскільки всі розрахунки проведені на золу рослин, мова йде саме про їх біогеохімічну активність, а не про біохімічну активність живих організмів. Неможливість механічного перенесення цих висновків на функціонування рослини пов'язана з тим, що кількісні співвідношення між хімічними елементами в золі рослин або при перерахунку на суху речовину не відповідають їх процентним співвідношенням в живих організмах.

За допомогою БХА наочно виявляються основні відмінності в інтенсивності залучення елементів в біологічний кругообіг рослинами різних систематичних груп. Крім того, використання сумарного показника дозволяє виявити підвищене (знижене) накопичення елементів якою-небудь рослиною, яке часто не виявляється при вивченні КБП окремих елементів. Інший аспект аналізу БХА (особливо розрахованого за величинами КБП) – загальна оцінка інтенсивності біогенної акумуляції елементів в умовах конкретних ландшафтів.

коефіцієнти біологічного поглинання не є константою. Вони можуть змінюватися залежно від пори року, фази вегетації, віку рослини, властивостей ґрунту тощо. Залежить поглинання елементу з ґрунту і від виду рослин. КБП характеризує вибірковість поглинання хімічних елементів рослинами з ґрунту.

Таблиця 1.2 – Ряди біологічного поглинання (за О.І.Перельманом)

Коефіцієнти біологічного поглинання об'єднуються в ряди, в яких елементи розташовуються в порядку зменшення енергії поглинання їх рослинами. Зазвичай вони зображаються в таблицях або у вигляді системи нерівностей по убуванню КБП, коли в чисельник виносяться символи хімічних елементів, а в знаменник – його величини. Всі елементи за інтенсивністю біологічного поглинання можна розділити на 2 групи. До першої відносяться ті, концентрація яких в золі більша, ніж в земній корі, тобто КБП>1. Ці елементи «накопичуються» живою речовиною (йде вибіркове «перекачування» елементів з ґрунту), причому P, S, Cl, Br, I – енергійно, а Ca, Na, K, Mg і ін. – сильно (табл. 1.2).

Решта елементів, у яких КБП<1, лише «захоплюються», причому одні – середньо, інші – слабко і дуже слабко. Необхідно враховувати, що це усереднені дані, і у окремих видів величини КБП сильно варіюють.

Ступінь доступності елементів в ґрунті для рослин і здатність їх органів накопичувати мікроелементи визначається шляхом використання рослинно-ґрунтового коефіцієнта (РґК), який визначається як співвідношенням вмісту елементу в рослині до вмісту його рухомих форм в ґрунті в перерахунку на повітряно-суху вагу ґрунту:

РґК= с_росл./С_{рух. ґрунт} (1.6)

з накопиченням елементів живими організмами пов'язана поява біогеохімічних бар'єрів. До кількісних характеристик цих бар'єрів відносяться біофільність і коефіцієнт біологічного поглинання КБП, про який вже йшла мова.

Біофільність — це відношення середнього вмісту хімічного елементу в живій речовині до його кларка в земній корі. Велика біофільність відмічається у С (780), N (160), Н (70), О (1,5) і Cl (1,1), мінімальна, – у Al, Fe, Tl.

Для кількісної характеристики біологічного кругообігу О.І. Перельман запропонував використовувати два показники: 1) ємність біологічного кругообігу – максимальна кількість хімічних елементів у ландшафті, що знаходяться одночасно у складі живої речовини (його загальна маса); 2) швидкість біологічного кругообігу – максимальна кількість органічної речовини, яка утворюється і розкладається за одиницю часу. Ще одним показником ступеня деградації підстилки може бути її зольність.

Окремі дослідники по різному розуміють сутність поняття “ємність поглинання”. Так, Н.І. Казиміров і Р.Н. Морозов під ємністю розуміють кількість елементів, які переміщуються у біогеоценотичній системі, що складається з виносу елементів з ґрунту на утворення приросту рослин і повернення їх у ґрунт із ґрунтовими водами та опадом і вмісту доступних форм елементів у лісовій підстилці. В.П. Корнєв, з метою демонстрування ролі лісової підстилки в біологічному кругообігу, вперше обрав за одиницю ємності кругообігу об’єм циклу, що являє собою суму елементів в опаді та лісовій підстилці в кг/га або % від загального запасу елементів кругообігу (від ємності).

Для оцінки інтенсивності та напряму біологічного кругообігу речовин в екосистемах використовують також індекс інтенсивності кругообігу органо-мінеральних речовин або опадо-підстилковий коефіцієнт (ОПК) – співвідношення вмісту елементу у підстилці і опаді зеленої маси, величина якого дає можливість характеризувати швидкість обертання елемента в системі ґрунт–рослина, свідчить про життєвість та ступінь стійкості екосистеми. Збільшення величини ОПК свідчить про гальмування кругообігу речовин у екосистемах.

В залежності від величини цих показників встановлені чотири основних типи біологічного кругообігу.

1. Лісовий, що характеризується великою ємністю, великою та середньою швидкістю кругообігу.

2. Степовий, лучний та пустельний відрізняється середньою та низькою ємністю та великою швидкістю кругообігу.

3. Тундровий, що визначається середньою та низькою ємністю та дуже малою швидкістю (загальмований кругообіг).

4. Примітивно-пустельний, якому властива низька ємність та велика швидкість кругообігу.

Біологічні кругообіги частіше за все порушуються у результаті невідповідності між кількістю речовин, що потрапляють у середовище, та можливостями організмів до їх розкладання або концентрування. В результаті людської діяльності накопичення речовин сягає величезних об’ємів. Принципова різниця між природнім кругообігом та кругообігом урбоекосистеми полягає в тому що:

- в схемі біологічного кругообігу елементів в біогеоценозах, що знаходяться під впливом антропогенної діяльності, з’являється ланка викидів у повітряний басейн від промислових підприємств, автотранспорту тощо;

- рослини мають здатність поглинати елементи, що містяться у викидах підприємств, безпосередньо з атмосфери, це значить, що природна частина біологічного кругообігу в умовах антропогенного впливу збільшується ще на одну ланку – поглинання елементів з атмосфери рослинами;

- в результаті діяльності людини змінюється також витратна частина біологічного кругообігу, тут урбоекосистему можна порівняти з агроекосистемою, тобто, видаляється відповідна частина біомаси з кругообігу;

- полютанти негативно впливають на ґрунтову мікро- і мезофауну, яка відіграє важливу роль у зміні фізичних властивостей підстилки – в процесі її послідовного руйнування;

- забруднення середовища гальмує процеси розкладання органічної речовини і уповільнює кругообіг поживних елементів.

Знання кількісних та якісних характеристик кругообігу елементів та міграції, їх ритму, інтенсивності, послідовності дає змогу прогнозувати поведінку речовин і елементів у біосфері, і, як наслідок цього, – швидкість та масштаби формування біологічної продукції.

Під міграцією речовин на земній поверхні розуміють усі форми їх переміщення, розподілу і накопичення. Виділяють 4 основних типи міграції: механічна, фізико-хімічна, біогенна і техногенна.

механічна міграції обумовлена роботою річок, течій, вітру, льодовиків, вулканів, тектонічних сил та інших факторів. Показник механічної міграції залежить від клімату, геологічної будови місцевості і рельєфу. В механічній міграції велику роль відіграють еолові процеси.

Фізико-хімічна міграція – це переміщення, перерозподіл хімічних елементів в земній корі та на її поверхні. Фізико-хімічна міграція обумовлюється такими процесами як дифузія, розчинення, осадження, сорбція, десорбція тощо.

Міграція речовин в значній мірі визначається геохімічними бар’єрами. Поняття геохімічного бар'єру чітко сформульовано О.І. Перельманом. За його даними, це такі ділянки зони гіпергенезу, на яких на короткій відстані відбувається різке зменшення інтенсивності міграції, що приводить до концентрування хімічних елементів. геохімічні бар'єри утворюються в різних частинах ландшафту – на контактах порід різного складу, в крайових зонах боліт, в нижніх частинах схилів, поблизу й на обочинах доріг тощо. Причини формування геохімічних бар'єрів різні: зміна фізико-хімічних умов (рН, окисно-відновного потенціалу і інших чинників), сорбція, випаровування, зменшення швидкості потоку води тощо. Для характеристики геохімічних бар’єрів використовують такі показники як градієнт бар’єру і його контрастність.

Градієнт бар’єру (G) характеризує зміну геохімічних показників m (t, P, Eh, pH тощо) в напрямку міграції хімічних елементів

G = (m₁ – m₂)/l, (1.7)

де m₁ – значення геохімічного показника до бар’єру; m₂ – значення геохімічного показника після бар’єру; l – ширина бар’єру.

Контрастність бар’єру (S) характеризується співвідношенням величин геохімічних показників в напрямку міграції до і після бар’єру:

S = m₁/m₂ (1.8)

Біогенна міграція – одна з найбільш складних форм міграції, зумовлена сукупною життєдіяльністю живих організмів. Біогенна міграція є складовою загальної міграції хімічних елементів у біосфері, усі переміщення яких підлягають законам динамічної рівноваги та мають циклічний характер. Біологічний кругообіг має переважно вертикальний напрям міграції і відбувається за участю живої речовини. Інтенсивність біогенної міграції характеризується коефіцієнтом біологічного поглинання (біоконцентрації) або біоакумуляції.

техногенна міграція. Залучення хімічних елементів до циклів техногенної міграції в результаті господарської діяльності людини характеризує ряд показників. Серед них слід зазначити технофільність (T), яка розраховується за формулою:

T = В/К (1.9)

де В – щорічний видобуток елементу (у тоннах), К – його кларк в літосфері.

Технофільність можна розраховувати для окремої країни, групи країн, всього світу. Природно, вона дуже динамічна. Зростання технофільності свідчить про збільшення інтенсивності залучення елементу, що вивчається, в техногенну міграцію в порівнянні з іншими (якщо порівнюється технофільність різних елементів) або в координаті часу (якщо порівнюється технофільність одного і того ж елементу в різні періоди). В даний час найбільш технофільним елементом є С, що відображає величезну важливість енергії; найменш технофільні Y, Ga, Cs, Th.

Технофільність елементів коливається в мільйони разів, тоді як контрасти кларків складають мільярди. Отже, техногенез веде до зменшення геохімічної контрастності ноосфери (в порівнянні з біосферою і земною корою). При техногенезі накопичуються найбільш технофільні елементи: людство «перекачує» на земну поверхню з глибин елементи рудних родовищ. В результаті в порівнянні з природним культурний ландшафт збагачується Pb, Hg, Cu, Sn, Sb і іншими елементами.

Інший аспект пов'язаний з оцінкою ступеня небезпеки елементів, що залучаються при техногенезі в природне середовище, для живої речовини в біосфері. Для її кількісної характеристики введене поняття деструкційної активності елементів техногенезу (Д):

Д = Т/Б (1.10)

де Т і Б – технофільність і біофільність (кларк концентрації в живій речовині) хімічного елементу. Цей показник також непостійний в часі і може рости із збільшенням видобутку елементу. Чим більше технофільність елементу і менше його біофільність, тобто чим більше величина деструкційної активності, тим більш небезпечніший він для живої речовини. В даний час максимальну деструкційну активність має Гідраргірум; до елементів з дуже низькою деструкційною активністю відносяться такі біофіли як кальцій, магній, калій.

Кількісною характеристикою антропогенного залучення хімічних елементів в їх глобальні цикли є «фактор мобілізації» або «фактор техногенного збагачення» (EF), який розраховується як відношення техногенного потоку хімічного елемента до його природного потоку. У цілому баланс елемента в екосистемі може бути як позитивним, так і негативним. Утворюються зони концентрації тих чи інших елементів і зони збіднення, що відображається на хімізмі ґрунтів і ґрунтового покриву загалом.