Вопрос 5. Биогеохимическая зональность земли

Вопрос 4. Минералообразующая роль живого вещества.

Биогенные процессы

Это формирование рельефа под воздействием живых организмов. Примеры: тропинки в лесах, искори, термитники, плотины, в тропических морях- коралловые рифы (окаймляющие, барьерные и атоллы).

Одной из форм взаимодействия косного и живого вещества является образование минералов, связанное с процессами жизнедеятельности организмов.

В.И. Вернадский со свойственной ему широтой и глубиной охвата явлений подчеркивал глобальное значение живого вещества в образовании различных минералов.

Эти идеи получили дальнейшее развитие в работах по изучению скелетов ископаемых организмов, которые, накапливаясь, образовывали горные породы органогенного происхождения. Невозможно также недооценить роль бактерий в формировании различных минеральных скоплений, а также почв. С течением времени умножались и расширялись знания относительно минералов органического происхождения.

Одно из важных направлений биоминералогии изучает явление минерализации в организме человека в период его становления и при протекании различных заболеваний. Появление минеральных образований в мочевом, желчном пузырях, в почках, а также тончайших кристаллических образований в других органах само по себе является заболеванием, но на ранних стадиях минерализации он не ощущается человеком. Появление минеральных

образований служит сигналом, указывающим на нарушение баланса в организме, нормального функционирования его органов и влечет за собой нарушение обмена веществ со всеми вытекающими последствиями.

Растения и животные оказывают на горные породы как механическое, так и химическое действие.

Механически горные породы разрыхляют различные роющие животные: кроты, суслики, землеройки, сурки. В условиях влажного климата разрушительную роль играют... дождевые черви; в жарких странах — термиты. Говоря о химических процессах разрушения, надо иметь в виду те кислоты, которые выделяются из корневой системы растений в процессе их жизнедеятельности.

В пределах Мирового океана и на суше поступающая солнечная энергия реализуется различным образом. В океане распределение масс живого вещества существенно зависит от характера циркуляции вод, доставляющих элементы питания фотосинтезирующим организмам. Циклонический характер циркуляции обусловливает подъем в поверхностный слой океана глубинных вод, богатых растворимыми формами химических элементов. В результате обеспечивается питанием значительная масса фитопланктона и поддерживается его биогеохимическая деятельность. Антициклональный режим, способствующий слабой перемешиваемости вод и вследствие этого обедненности элементами питания поверхностного слоя воды, обусловливает ограниченное количество фитопланктона и, следовательно, других гидробионтов. Такие районы занимают обширные центральные части океанов.

Другим важным фактором распределения живого вещества в океане служит приуроченность значительных масс организмов к прибрежной зоне шельфа, куда выносятся элементы питания с суши и где толща воды интенсивно перемешивается, непрерывно восполняя убыль элементов в поверхностном слое.

Наконец, в пелагической части Мирового океана имеются области подъема глубинных вод, обогащенных химическими элементами, в которых нуждаются фитопланктонные организмы. К таким районам относятся области экваториальной и антарктической дивергенции. Масса организмов на единице площади в экваториальном поясе Мирового океана благодаря влиянию морских течений почти в 2 раза меньше, чем в арктическом и субантарктическом поясах, и в 10 раз меньше по сравнению с субарктическим.

Продукция фотосинтезирующих организмов на единице площади составляет (т/км²): в открытом океане – 100, в прибрежной зоне и на шельфе – 300, а в районах подъема глубинных вод –2200.
Вследствие названных причин система широтных поясов Мирового океана нарушена, во-первых, конфигурацией материков и обрамляющей их зоной шельфа, и во-вторых, океаническим течениями. Вместе с тем биогеохимическая зональность океана выражена достаточно отчетливо (табл. 4.43). Из представленных в таблице данных следует, что наибольшая масса фитопланктона на единице площади наблюдается в субарктическом и северном умеренном поясах, которые, как известно, обеспечивают две трети мирового улова рыбы. В то же время около 60 % площади поверхности Мирового океана приходится на экваториальный и тропические поясы и благодаря этому, несмотря на небольшую продуктивность единицы площади этой акватории, в этих поясах создается более половины годовой продукции фотосинтетиков океана. В процессе фотосинтеза органического вещества происходит связывание углекислого газа и выделение пропорционального количества свободного кислорода. Наименьшее количестве кислорода продуцируется в арктическом поясе.

На континентах картина биогеохимической зональности выглядит иначе. Казалось бы, интенсивность биологических и биогеохимических процессов на суше в любом случае должна возрастать по мере перехода от менее теплых поясов к более теплым. Однако, лимитирующим фактором использования энергии для химических, физико-химических, биологических процессов служит наличие воды. На поверхности суши от 95 до 99,5 % поступающей энергии расходуется на испарение и транспирацию воды растениями, на биологические процессы – от 0,5 до 5 %, на гипергенное преобразование минералов – сотые и тысячные доли процента. Полнота использования поступающей энергии в перечисленных процессах зависит от степени увлажнения: в засушливых районах показатель использования очень мал, а в хорошо увлажняемых районах достигает 70–80 %.

Распределение атмосферного увлажнения поверхности континентов не повторяет термическую зональность. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают неодинаковую степень увлажнения разных территорий внутри термических поясов, что влечет за собой различную интенсивность водной и биологической миграции химических элементов.

В результате испарения и транспирации основная часть выпавших осадков возвращается в атмосферу. Испаряющаяся влага регулирует тепловой режим, благодаря чему становится возможным существование живых организмов. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов. Этот процесс оценивается количественно с помощью коэффициента относительной увлажненности К_у, который определяется как отношение суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.

Анализ ареалов распространения почв всех типов позволил установить интервалы однотипной относительной увлажненности ландшафтов (табл. 4.44). Первые три интервала характеризуют территории различной степени аридности, три последние – гумидные территории. Интервал относительной увлажненности, характеризуемый коэффициентом 0,75 – 1,25 соответствует территориям с уравновешенным водным балансом.

В условиях одинаковой относительной увлажненности интенсивность миграционных, в том числе биогеохимических, процессов возрастает с увеличением количества поступающей солнечной энергии (радиационного баланса). При низкой относительной увлажненности аридных территорий влияние изменения величины радиационного баланса проявляется слабо. Поэтому биогеохимические процессы в экстрааридных ландшафтах высоких и низких широт имеют некоторые общие черты. В пределах гумидных территорий с увеличением относительной увлажненности влияние величины радиационного баланса возрастает, вследствие чего интенсивность массообмена химических элементов в гумидных ландшафтах тропиков и высоких широт сильно различается. Показатели, отражающие динамику масс органического вещества, синтезируемого основными зональными типами растительности суши, приведены в табл. 4.45.

Величина биомассы не дает представления о продуктивности типов растительности. Для этого необходим показатель годового прироста, ежегодной продукции растительности. Прямой пропорциональности между фитомассой и годовым приростом нет. Третий показатель – опад, т.е. величина ежегодно отмирающего растительного материала. Количество органического вещества, заключенного в опаде и в годовом приросте, очень близки. Эти два показателя характеризуют синтез и деструкцию органического вещества на протяжении года.

Отношение опада к фитомассе показывает, насколько прочно данный тип растительности удерживает синтезированное органическое вещество. В наибольше мере оно удерживается в лесах умеренного климата. Так, в таежных еловых лесах на опад расходуется от 2 до 4 % органического вещества фитомассы, в дубравах – около 1,5 %, во влажных тропических лесах – 5 %, а в растительности степей ежегодно отмирает почти все органическое вещество фитомассы.

Последующая эволюция отмершего органического вещества в разных биоценозах складывается по-разному. В тропических лесах опад быстро деструктурируется, а в лесах умеренного климата не успевает полностью перерабатываться. Поэтому под покровом лесов умеренного климата на почве лежит значительное количество (3000–3500 т/км²) мертвого органического вещества – лесной подстилки. В тропиках масса подстилки на одном квадратном километре в десятки раз меньше. В степях количество мертвого органического вещества – степного войлока – незначительное и уменьшается с повышением сухости климата.

Круговорот углекислого газа и степень выведения углерода из этого цикла в различных растительных формациях характеризуют коэффициентом аккумуляции углерода, который равен отношению количества углерода, связанного на единице площади в процессе годового фотосинтеза, к количеству углерода, выделившегося в виде СО₂ за год за счет разрушения мертвого органического вещества. В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по непосредственному определению продуцирования СО₂ в распространенных растительных формациях, однако ориентировочно считают, что крайние значения коэффициента аккумуляции углерода относятся к влажным тропическим лесам и пустыням (1), с одной стороны, и к тундрам (около 4 – 5), с другой стороны. Все остальные формации характеризуются промежуточными значениями коэффициента.

Соотношение масс углекислого газа, связанного в растительности в процессе фотосинтеза и выделенного из почвы, характеризуется коэффициентом аккумуляции органического вещества, который численно равен отношению массы мертвого органического вещества к массе ежегодного опада. Чем интенсивнее протекает процесс разрушения органического вещества и выделения СО₂, тем меньше величина этого коэффициента (табл. 4.46).

Процесс фотосинтеза органического вещества растениями сопровождается выделением кислорода. Ориентировочные данные по геохимической деятельности основных типов растительности в этом направлении представлены в табл. 4.47. Наибольшей продукцией кислорода отличаются тропические и субтропические леса, наименьшей – пустынная и арктическая растительность. Абсолютная величина продуцирования кислорода не отражает истинный вклад той или иной растительной формации в обогащение атмосферы кислородом. Если в течение года вся масса опада разлагается, то соответственно расходуется весь кислород, выделенный при фотосинтезе прироста. Ясно, что кислород сохраняется в атмосфере только при условии систематического накопления в педосфере мертвого органического вещества. Следовательно, атмосфера обеспечивается кислородом вовсе не за счет самых продуктивных формаций типа тропических лесов. Основными поставщиками свободного кислорода на суше являются ландшафты умеренного и бореального поясов, где вследствие угнетения микробиологических процессов накапливается мертвое органическое вещество.

Дата добавления: 2015-06-27