Р

Геохімічний обіг у ландшафті

ечовини, що складають ландшафт, не є нерухомими – вони постійно переміщуються у ньому, вступають у хімічні реакції, переходять з однієї геомаси в іншу, акумулюються в певних геогоризонтах тощо. Й хоча особливості цих процесів залежать від властивостей хімічних елементів і сполук, існують й загальні закономірності їх потоків і поведінки у ландшафті. Загальна схема потоків мінеральних речовин у ландшафтному комплексі наведена на рис. 25.

Рисунок 25. Схема потоків мінеральних речовин у ландшафтному комплексі:

1 – ландшафтно-геохімічні бар’єри; 2 – мінеральні речовини, що нагромаджуються на бар’єрах; 3 – осадові галогенні породи; 4 – водоносний горизонт з мінералізованими водами.

R – надходження речовин з атмосферними опадами; D – те ж з пилом; DR – вимивання дощами речовин, затриманих листяної поверхнею; P – розчинення солей галогенних порід; S – надходження речовин з поверхневим стоком; IW – те ж з боковим притоком ґрунтових вод; AW– винесення речовин з боковим відтоком ґрунтових вод; M – мінеральні речовини опаду; V – низхідний потік речовин з водним розчином; K – поглинання речовин коренями рослин; F – транспортування речовин рослиною; A – нагромадження речовин на ландшафтно-геохімічних бар’єрах; W – висхідний потік речовин з водним розчином; SS – винесення речовин поверхневим стоком.

Основні джерела надходження речовин до ландшафтного комплексу пов'язані з їх надходженням разом із атмосферними опадами та пилом (R і D на рис. 26), вивітрювання первинних мінералів гірських порід W, розчинення солей осадових порід S, а також в результаті господарської діяльності людини A.

З атмосферними опадами на поверхню Землі щорічно потрапляє 1800 млн т, або 12 т/км², розчинних речовин, а на територію України 7, 3 млн т, або 12,1 т/км². Найбільше цим шляхом надходить сірки (в південних регіонах України – до 2,6 т/км²), трохи менше – кальцію та азоту. За рахунок осаду пилу з атмосфери до ландшафтів щорічно надходить до 10 т/км² речовин, а в промислових регіонах – у десятки разів більше.

Крім атмосферного поповнення запасів мінеральних речовин, незначна їх кількість надходить до ландшафтних комплексів в результаті вивітрювання первинних мінералів. Значно більше солей може потрапляти до ландшафтів внаслідок розчинення галогенних порід. Звичайно, це можливо у ландшафтах, де породи галогенної формації залягають близько до поверхні. В Україні такими регіонами є Передкарпаття, Закарпаття, Дніпровсько-Донецька западина, Донбас.

Мінеральні речовини, що надійшли до ландшафтного комплексу, можуть знаходитись у вигляді його резервного фонду або здійснювати кругообіг у ньому. Резервний фонд складають речовини, які знаходяться у нерухомих формах, а також легкодоступні речовини, що накопичені в ландшафтному комплексі в надмірних кількостях, через що вся їх маса не може бути охоплена кругообігом.

Кругообіг мінеральних речовин у ландшафті зумовлений двома головними чинниками – потоком води та синтезом і розкладом органічної речовини. Ці дві групи процесів О. Ферсман назвав гідро- та біогенезом.

Роль води як чинника міграції речовин полягає не тільки в її мобільності у ландшафті, а й в тому, що у водному середовищі відбувається переважна більшість хімічних реакцій. Потік води у ландшафті супроводжується процесами розчинення, вилужування, іонного обміну, адсорбції, в результаті чого хімічні елементи та їх сполуки з певних геомас переходять до водного розчину й далі переміщуються з ним. Внаслідок випаровування вологи, кристалізації, сорбції та інших гідрогенних процесів з водного розчину випадають мінеральні речовини й акумулюються у певних геомасах. Слід також мати на увазі, що практично тільки з водним розчином мінеральні речовини з ґрунту можуть потрапити до рослин і далі взяти участь у міграції біогенним шляхом.

Ступінь рухомості хімічних елементів і сполук у ландшафті є різним. Він визначається фізико-хімічними, термодинамічними та іншими умовами геогоризонту, крізь який проходить міграція речовини. При цьому практично в усіх ландшафтних комплексах у їх геогоризонтній структурі виділяються суміжні геогоризонти, які істотно відрізняються один від одного за цими умовами. тут різко змінюються умови міграції різних речовин – одні з них випадають з розчину і концентруються на цій межі, інші мігрують вниз менш інтенсивно і концентруються частково, ще інші можуть й не реагувати на зміну умов міграції.

В геохімії ландшафту місця, де різка зміна умов міграції призводить до накопичення елементів, називаються ландшафтно-геохімічними бар’єрами. Залежно від параметрів, значення яких різко змінюються на бар’єрі, виділяють їх різні типи. При цьому на кожному з типів бар’єрів накопичується характерна асоціація хімічних елементів (табл. 3). В різних типах ландшафтів кількість і склад ландшафтно-геохімічних бар’єрів неоднакові. Так, у лісових ландшафтах Україні переважають кислі та глейові бар’єри, у степових – лужні та випаровувальні.

Таблиця 3. Типи ландшафтно-геохімічних бар’єрів

(за М. Глазовською, 1988, О. Перельманом, 1989)

Тип бар’єру	Елементи, що накопичуються на бар’єрі
	дуже токсичні	менш токсичні
Кислий в окислювальному середовищі	Pb, As, Se	Mn, Mo, Ni, V
Кислий у відновлювальному середовищі	As, Se, Pb, Cd, Hg	Mo, V, Ni. Cu, Zn, Co
Лужний в окислювальному середовищі	Pb, Cd, Hg, Sr	Mn, Mg, Zn, Cu, Mo
Лужний у відновлювальному середовищі	Pb, Sr, As	Zn, Cu, Ni, Co
Глейовий	Se, As	U, V, Ni, Co
Сорбційний	As, Cs, Sr	P, S, Mo, V, Cu
Механічний	Cd, Sr, Pb, Cs, Hg	Cu, Ni, Zn
Випаровувальний	Se, As, Cs	Na, Cl, Zn, Mg

Крім типу ландшафтно-геохімічного бар'єру, важливо також враховувати його положення у вертикальній структурі ландшафтного комплексу. Так, бар’єри, розміщені у ґрунті нижче його кореневмісного шару, можуть відігравати позитивну роль – токсичні елементи, що тут накопичуються, рослинами споживатися не можуть і водночас цей бар’єр перешкоджає досягненню токсичними елементами ґрунтових вод, лімітуючи їх забруднення. Такий бар’єр виконує функцію консерватора ("кладовища") забруднень у ландшафтах. натомість бар’єри, розташовані в межах кореневмісного шару ґрунту, можуть бути вкрай небезпечними для рослин.

Напрямок гідрогенних потоків мінеральних речовин у ландшафтному комплексі відповідає напрямку потоків вологи у ньому. При переважанні низхідних потоків речовини можуть виноситися за межі ґрунту й досягати рівня ґрунтових вод. Внаслідок цього ґрунти розсолюються, а при інтенсивних потоках вологи (наприклад, при зрошенні) у ґрунтах легкого механічного складу може навіть утворитися дефіцит поживних елементів. Проте частіше хімічні елементи накопичуються на ландшафтно-геохімічних бар’єрах, що може призвести до токсичного забруднення ґрунтів та підґрунтя. При висхідних потоках вологи внаслідок фізичного випаровування ґрунтових вод вміст солей у ґрунті зростає, що поступово призводить до його засолення.

Важливим чинником міграції речовин у ландшафті є життєдіяльність рослин. Встановлено, що практично всі хімічні елементи, що містяться в географічній оболонці, необхідні рослинам і споживаються ними. З цих елементів незамінними є лише деякі – N, P, K, s, Ca, Mg (вони споживаються рослинами у великій кількості, тому називаються макроелементами), а також Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, B та Cl (мікроелементи – споживаються рослинами у менших кількостях). Основним шляхом надходження цих елементів до рослин є їх поглинання коренями з ґрунту, оскільки безпосередньо з атмосфери до листя рослин хімічні елементи переходять у мізерних кількостях. Корінь здобуває мінеральні речовини з ґрунту декількома способами – шляхом поглинання іонів з ґрунтового розчину, обмінного поглинання сорбованих іонів (віддає іони H⁺ та HCO₃^-, а замість них отримує іони поживних речовин), розчинення зв’язаних запасів мінеральних речовин (виділяючи органічні кислоти, корінь вивільняє з хімічно зв’язаного стану елементи, зокрема й важкі метали, а потім легко поглинає їх) та ін.

Протягом року фітоценозом поглинається значна маса мінеральних речовин, причому вона істотно залежить від типу ландшафту. Так, тундрові та лісотундрові ландшафти поглинають протягом року 21,7 т/га азоту, тоді як степові ландшафти – 208 т/га, кальцію ландшафти тундри поглинають 8,6, а ландшафти степу – 177 т/га. Частина цієї маси елементів (F на рис. 26) залишається у річному прирості фітомаси, а частина F_m разом із фітомасою, що поїдається травоїдними тваринами, переходить до наступного трофічного рівня і далі мігрує по трофічній мережі аналогічно потокам енергії. Частина мінеральних елементів з фітоценозу надходить до атмосфери внаслідок транспірації Т, разом із хімічними виділеннями рослин (вони називаються фітонцидами) P_h та з пилком K. З досліджень, проведених поблизу Валдайського озера, відомо, що ліс південної тайги за рік перекачує в атмосферу близько 8 т/км² речовин, причому з пилком – 4,7 т/км².

Більша частина мінеральних речовин, накопичена фітоценозом протягом року, повертається до ґрунту з річним опадом Z. Ця кількість може становити 80 – 90% річної маси накопичених рослинами речовин. Завдяки цьому рослинність виконує у ландшафті важливу роль у замиканні потоків мінеральних речовин, тобто у їх організації в кругообіг). Це дає змогу ландшафтному комплексу неодноразово протягом року використовувати мінеральні речовини в продуційному процесі та утримувати їх від вимивання низхідними потоками вологи за межі кореневмісного шару ґрунту.

Антропогенна діяльність людини порушує збалансований у природних ландшафтах обіг мінеральних речовин. за рахунок цієї діяльності поверхня суходолу щорічно збагачується на мільйони тон такими елементами, як P, Ti, Cu, Mn, Zn, Pb, на десятки тисяч тон – Rb, H, Zr. Атмосферні забруднення можуть проникати безпосередньо до рослин внаслідок їх газообміну, осаду на поверхні листя та пагонах. при тривалій дії навіть невисоких концентрацій забруднень у рослин виникають хронічні пошкодження – пригнічення фотосинтезу, порушення росту, відмирання клітин тощо. Різні види рослин неоднаково реагують на атмосферна забруднення. Найбільш чутливі до них лишайники, з дерев – ялина (до дії HF, SO₂, HCl), сосна ( до HF, NH₃, SO₂), горіх (HF, NH₃), береза (HCl). Стійкими вважаються туя, деякі види дубів, кленів, граб.

Потрапляючи на поверхню ґрунту, забруднюючі речовини включаються у вертикальні потоки й при цьому можуть змінити їх налагоджений механізм. Це відбувається внаслідок того, що чимало забруднюючих речовин здатні руйнувати ландшафтно-геохімічні бар’єри, або створювати нові. В останньому випадку можливе різко токсичне забруднення ґрунтів, що вкрай небезпечно для рослин. Із їх забруднення починається забруднення всієї трофічної мережі ландшафту. Причому накопичення токсичних речовин у живих організмах збільшується з кожним наступним трофічним рівнем (рис. 26). Тому навіть незначна концентрація забруднюючих речовин у рослинах може викликати токсикацію тварин вищих трофічних рівнів.

Рисунок 26. Піраміда біомас (а) та концентрації забруднень (б) на трофічних рівнях (за Г. Вудвелом, 1967):

I – IV – трофічні рівні; 1 – біомаса; 2 – логарифм концентрації забруднень.

Завдяки діяльності живих організмів забруднення залучаються до кругообігу мінеральних речовин й вивести їх з ландшафту стає вкрай складно. Однак ландшафти мають певні механізми, які дозволяють їм знешкодити забруднення, або вивести за свої межі. сукупність цих механізмів називається самоочищенням ландшафтів. Головні групи процесів, які його забезпечують пов'язані з виносом забруднень за межі ландшафтного комплексу ґрунтовими водами, вітром і з врожаєм; зв’язуванням забруднень у важкодоступні (зокрема нерозчинні) форми; розкладом токсичних речовин на сполуки та елементи, які не є небезпечними для живих організмів.