Концентрация тяжелых металлов и стронция в почвообразующих породах и растительности островов Индийского океана

В экогеосистемы островов из атмосферы

Поступление тяжелых металлов

Важным фактором, влияющим на биогеохимические особенности островной растительности, является поступление определенной группы химических элементов с атмосферными осадками. Это особенно отчетливо обнаруживается при изучении биогеохимии атоллов.

Атолловые рифы образованы в результате деятельности известь-секретирующих мелководных организмов, главным образом коралловых полипов и известковых водорослей. Характерная особенность карбонатно-кальциевых аккумуляций атоллов — их высокая геохимическая чистота. Содержание металлов в атолловых карбонатах от 10 до 100 раз меньше их кларков литосферы. Лишь концентрация одного рассеянного элемента — стронция — сильно превышает кларковое значение.

В табл. 15.2 показано содержание тяжелых металлов и стронция в почвообразующих породах, на которых образованы почвы и развиваются наземные фитоценозы океанических островов. Из данных таблицы следует, что в силикатных субстратах концентрация тяжелых металлов значительно выше, чем в коралловых известняках. Иной характер распределения отмечен для стронция, которого на три математических порядка больше в коралловых известняках и песках, чем в почвообразующих породах островов, сложенных магматическими породами. Столь большое различие содержания металлов в минеральных субстратах островов не сохраняется в растительности.

Таблица 15.2

(по В.В.Добровольскому, 1988)

Химический элемент	Гранитные острова	Коралловые острова
M, мкг/г	а, мкг/г	V, %	М, мкг/г	а, мкг/г	V, %
Почвообразующие породы
Fe	82 600,0	41 000,0		30,0	17,0
Мn	970,0	430,0		3,2	1,5
Zn	100,0	40,0		8,9	2,5
Сu	17,0	13,0		1,7	1,2
Рb	35,0	17,0		0,11	0,1
Ni	3,1	2,0		0,4	0,2
Sr	0,6	—	—	5360,0	2239,0
Растительность
Fe	969,7	696,1		309,6	250,4
Mn	1489,3	1498,3		46,7	45,8
Zn	198,9	100,4		162,9	155,4
Сu	62,6	34,5		31,8	15,3
Pb	8,8	9,5		4,6	3,9
Ni	15,5	10,6		7,7	3,8
Sr	500,9	302,0		2238,9	2187,7

Условные обозначения М — среднее арифметическое; о — среднее квадратичное отклонение; V — коэффициент вариации.

В табл. 15.2 также приведены данные, характеризующие концентрацию тяжелых металлов в растительности атоллов западной части Индийского океана и Сейшельских островов, сложенных магматическими породами. На основании этих данных можно заключить, что в растительности океанических островов выдерживаются закономерности, свойственные составу наземной растительности, хотя имеет место пониженное содержание некоторых тяжелых металлов и накопление таллассофильных элементов, в частности стронция. Сильные различия концентраций тяжелых металлов в карбонатном субстрате коралловых рифов, с одной стороны, и в магматических породах, с другой, в островной растительности сглаживаются. Содержание тяжелых металлов в магматических породах и карбонатном субстрате атоллов различается во многие десятки и сотни раз. Концентрация большей части металлов в растительности атоллов лишь немногим ниже, чем в растительности островов, сложенных магматическими породами. Таким образом, растительность атоллов в сравнении с коралловым субстратом выступает в качестве активного геохимического аккумулятора металлов.

Коэффициенты биологического поглощения металлов растениями силикатных островов близки или несколько ниже значений К_ъ растений континентов. Коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов, рассчитанные по отношению к их концентрациям в атолловом субстрате, имеют значения более 10. При ничтожном содержании металлов в рифогенных карбонатах и интенсивном поглощении их растительностью последняя должна бы полностью растворить за короткий срок низкие атоллы, едва выступающие над уровнем океана. Так как этого не происходит, то, очевидно, поступление тяжелых металлов осуществляется не из рифогенных известняков, а из других источников.

Совершенно другое положение с поглощением стронция. Содержание этого элемента в коралловых известняках и песках значительно больше, чем требуется растениям. Вследствие этого коэффициент биологического поглощения стронция растительностью атоллов меньше единицы, хотя абсолютная концентрация элемента значительно выше, чем в растительности континентов.

Есть основания считать, что химические элементы, содержащиеся в растительности океанических островов, имеют разные источники поступления. Более высокая концентрация железа и особенно марганца в растительности островов, сложенных магматическими породами, обусловлена поступлением указанных металлов из пород. В коралловых известняках этих металлов значительно меньше и соответственно их меньше в растительности атоллов. В то же время концентрация цинка, меди, свинца, никеля в наземной растительности островов, равно как в манграх атоллов и рифов, окаймляющих гранитные острова, довольно близка. Это дает основание предполагать, что перечисленные металлы поступали в растения в основном не из горных пород, а из другого источника, общего как для гранитных, так и для коралловых островов. Таким источником металлов для растительности океанических островов всех типов могут быть только атмосферные осадки.

Имеющиеся данные позволяют предполагать, что содержание тяжелых металлов в океанических атмосферных осадках может обеспечить существующие концентрации металлов в растительности атоллов. По нашим расчетам (с использованием данных А.А.Безбородова и В.Е.Еремеева, 1984; Р.Честера и Дж.Стонера, 1974) на поверхность островов, расположенных в западной части Индийского океана, в течение года из атмосферы осаждаются следующие количества тяжелых металлов (кг/км³):

Химический Поступление в растворимой Поступление с сухими

элемент форме с дождями осаждениями

Железо.............................3,0-9,0 90,0-108,0

Марганец.........................6,0—18,0 9,0—16,0

Медь.................................3,0-9,0 0,3-0,6

Цинк................................7,0-21,0 1,4—1,8

Свинец.............................6,0-18,0 0,4-0,7

Никель.............................1,5-4,5 0,1-0,2

Выяснение происхождения тяжелых металлов, находящихся над океаном в тропосфере, — весьма сложная задача. Носителем металлов может быть тонкая пыль, вынесенная с континентов, выбросы вулканов, брызги и испарения океана.

Исследователи, изучавшие состав океанических аэрозолей (Ви-ленский В. Д. и Миклишанский А. 3., 1976; Честер Р. и Стонер Дж., 1974), высказали предположение, что на контакте океан-тропосфера происходит фракционирование химических элементов и обогащение некоторыми тяжелыми металлами относительно железа. Наши данные подтверждают эти предположения.

Рифообразующие сообщества атоллов наряду с другими типами коралловых островов — одна из наиболее высокопродуктивных морских экосистем. Их справедливо рассматривают как своего рода оазисы, затерянные среди пустынных пространств океана. Например, по данным Ю. Одума, рифовые сообщества атолла Эневеток в 120 раз продуктивнее окружающих сообществ открытого океана. Если ориентироваться на средние значения продуктивности тропического пояса Тихого океана, то контраст будет еще больший. Эффект проявления огромной биологической продуктивности на фоне олиготрофных водных масс океана получил в экологической литературе название главного парадокса кораллового рифа.

Определение биомассы и динамики наземной растительности коралловых островов отсутствует. По аналогии с данными для светлых (листопадных) тропических лесов можно предположить, что значения прироста растительности атоллов находятся в интервале 50—100 ц/га в год, что в 3 — 5 раз меньше продуктивности подводных рифовых биоценозов. При средней зольности наземных растений 5% годовой оборот зольных веществ составит 250 — 500 кг/га. Участие металлов в годовом обороте выражается следующими ориентировочными значениями (мг/м²): железо — 1 — 15; цинк — n; медь — около 1; марганец, никель, свинец — 0,1n. Эти значения соизмеримы с количеством металлов, поступающих на поверхность островов с атмосферными осадками.

Биологический круговорот химических элементов в ландшафтах островов неразрывно связан с процессами, протекающими в почве. Своеобразие атолловых почв обусловлено тем, что их химический состав формируется не столько за счет вещества почвооб-разующей породы, сколько в результате поступления химических элементов извне. Элементы, аккумулированные в спаде растительности, поступают в почву, где осуществляются сложные процессы трансформации. В эти процессы включаются непрерывно выпадающие из тропосферы жидкие и сухие осаждения, компоненты карбонатного субстрата, продукты жизнедеятельности колоний птиц.

Продукты спада быстро измельчаются беспозвоночными, поэтому в составе почвенного органического вещества преобладает мелкий детрит обуглероженных растительных тканей, состоящий преимущественно из частиц меньше 1 мм. Изучение распределения органического детрита показало, что его содержание возрастает по мере уменьшения размера фракций. Почти вся масса частиц меньше 0,001 мм состоит из органического вещества. Инертная часть гумуса в верхнем горизонте профиля достигает 90 %. В активной части гумуса фульвокислоты преобладают над гуминовыми, но растворимые органические кислоты быстро нейтрализуются карбонатными грунтами, в результате чего содержание гумуса резко уменьшается при переходе от гумусового горизонта к нижерасположенным.

Распределение тяжелых металлов по профилю атолловых почв повторяет распределение гумуса: концентрации сильно уменьшаются от гумусовых горизонтов к почвообразующей породе. Запасы тяжелых металлов изменяются в соответствии с изменением запасов гумуса. В то же время концентрация главного микроэлемента коралловых известняков — стронция — в гумусовом горизонте значительно ниже, чем в почвообразующих породах.

Основная масса металлов, содержащихся в почвах атоллов, связана с почвенным органическим веществом, которое играет главную роль в регулировании потоков миграции металлов из почвы. Установлено, что в водный раствор, находящийся в равновесии с гумусовым горизонтом почвы, переходит незначительное количество металлов: единицы микрограммов на 1 г железа и цинка, десятые доли меди, сотые — свинца. При этом истинно растворимые формы, подвергающиеся диализу, составляют около 50 % с некоторыми отклонениями для разных металлов. В результате электродиализа обнаружено, что среди истинно растворимых форм металлов наряду с катионами имеются отрицательно заряженные ионы и электронейтральные частицы. Преобладающая часть истинно растворимых форм железа и цинка представлена электронейтральными частицами. Среди растворимых форм меди около 50 % составляют катионы. Исходя из соотношения миграционных форм, можно предположить, что лишь очень небольшая часть металлов, связанных в органическом веществе почвы, может захватываться растениями. Вероятно, большую часть металлов, захватываемых растительностью атоллов, составляют растворимые формы, поступающие с атмосферными осадками.

Рекомендуемая литература

Добровольский В. В. Глобальные циклы миграции и особенности биологического круговорота тяжелых металлов на океанических островах // Почвоведение. - 1988. - № 7. - С. 102-114.

Добровольский В. В. Биогеохимия атоллов // Природные и антропогенные биогеохимические циклы: Тр. Биогеохимической лаборатории. — М.: Наука, 1990.-Т. 21.-С. 5-34.

Елпатьевский П. В., Таргульян В. О. Геохимические парадоксы коралловых островов Тихого океана // Известия АН СССР. — Сер. геогр. — 1985.-№ 4.-С. 35-46.

Контрольные вопросы

1. Как проявляется влияние Мирового океана на биогеохимические процессы, протекающие на суше?

2. Каковы биогеохимические особенности растений, испытывающих воздействие моря? Концентрация каких рассеянных элементов в составе растений свидетельствует о влиянии моря?

3. В чем заключается биогеохимическая специфика мангров?

4. Каков механизм обеспечения экосистемы коралловых островов тяжелыми металлами?

5. Какие существуют представления о процессах селективного выделения тяжелых металлов с поверхности океана?

6. Какое ориентировочное количество металлов поступает из атмосферы на единицу площади островов?

Дата добавления: 2014-11-20