ЛЕКЦИЯ 10 ГЕОХИМИЯ ПОЧВЕННГО ПОКРОВА (ПЕДИСФЕРЫ
advertisement
ЛЕКЦИЯ 10 ГЕОХИМИЯ ПОЧВЕННГО ПОКРОВА (ПЕДИСФЕРЫ) Почва является венчающим слоем литосферы. Образует пусть не сплошной, пусть в дырах, но, тем не менее, плащ, покрывающий поверхность всех континентов за исключением разве Антарктиды, но когда там оно была также. Своеобразие почвы как геологического тела заключается в том, что она в целом является продуктом как корообразования, те. по сути это элювий, но в большей степени это продукт жизнедеятельности живых организмов. Поэтому почву и относят не просто к геологическим образованиям, но к биокосным, т.е смешанным. Почвы отличаются разнообразием не только в зависимости от климатической зональности, но даже в пределах небольшой территории с разным рельефом и увлажнением заметно меняются ее свойства, в том числе и химический состав. В почве как в аккумуляторе в конечном счете и накапливается солнечная энергия, проводниками которой служат живые организмы. А расходуется она опять таки для жизнедеятельности растений, микроорганизмов, замыкая, таким образом, вещественно-энергетический или геохимический круговорот геосфер планеты, в результате чего она ведет себя в целом как единая целостная система, недаром некоторые фантасты и считали ее своеобразным живым организмом. Компонентный состав почвы сложен: минералы, органические остатки, живые организмы, вода, газы. Все биокосные системы (почвы, илы, коры выветривания и т.д.) имеют много общих геохимических черт. Это относится к процессам десульфуризации, оглеения, окисления сульфидов, засоления, огипсования, карбонатизации и др. Во всех биокосных системах земной коры происходит тесное взаимодействие горных пород с природными водами в близких термодинамических условиях. Это определяет некоторые общие особенности физико-механической миграции в них, которая складывается из двух противоположно направленных процессов – выветривания и цементации. Миграция элементов при выветривании, в свою очередь, также складывается из двух противоположных процессов – выщелачивания из пород и минералов водных (Ca, Mg, K, Na и др.) и присоединения воздушных (О, Н – в виде Н2О, Н+ и ОН-, СО2 и др.) мигрантов. Для второй группы процессов – цементации наиболее характерна аккумуляция ранее выщелоченных на других участках водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшение пористости и, соответственно, увеличение плотности пород. В результате могут образоваться различные конкреции, а также ожелезненные, карбонатизированные, огипсованные и др. горизонты. Таким образом, выветривание и цементация представляют собой две стороны единого процесса миграции: первый порождает второй. Но соотношение между этими процессами в каждой конкретной биокосной системе неодинаково. Выветривание особенно интенсивно протекает в почвах, где многие первичные минералы подстилающих пород неустойчивы. В почвах возникают и геохимические барьеры, приводящие к цементации и образованию глинистых, гипсовых и других иллювиальных горизонтов. ОСОБЕННОСТИ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ Все биокосные системы земной коры богаты свободной энергией, являются неравновесными и отличаются дифференцированностью в пространстве ( разделяются на различные горизонты), в них формируется окислительно-восстановительная и кислотно1 щелочная зональность. разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы выделяют в почвенные растворы СО2, органические кислоты и другие высокоактивные химические соединения. Чем больше разлагаются органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Таким образом, почвы – это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы. Корни растений, как насос, перекачивают некоторые химические элементы (Р, S, Ca, K, многие микроэлементы) из нижних горизонтов в верхние. В результате такой биогенной аккумуляции создается возможность обогащения этими элементами верхних горизонтов почв и улучшения среды существования следующих поколений высших растений. Биогенное накопление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и др. редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-е годы прошлого столетия В.М. Гольдшмидт. Позднее эти же явления были обнаружены и в других типах почв. Поглощая катионы, корни выделяют Н+, а поглощая анионы – ОН-. Таким образом, в результате минерального питания растений в почве непрерывно поступает ион Н+ - важный фактор выветривания. В почвах, в отличие от кор выветривания, постоянно действует двоякий механизм вертикального перераспределения вещества. Поглощение растениями химических веществ идёт из всего объёма почвы (частью и из подпочвенных слоёв), а аккумулируются они лишь в верхнем слое, где происходит накопление растительных остатков. В то же время, наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, идёт и общая для почв и кор выветривания нисходящая миграция водных растворов. Часть веществ ими выщелачивается, переносясь из верхних горизонтов в более низкие. Поэтому реальное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов (элювиальных, коллювиальных и пролювиально-делювиальных) определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В результате почва разделяется на горизонты с различными условиями, каждый из которых представляет свою физикохимическую систему (усложнение структуры). В верхнем горизонте могут господствовать кислые условия, в нижнем – щелочные; в верхнем окислительные, в нижнем – восстановительные (не говоря уже о менее значимых различиях). В верхней части почвы при этом может преобладать концентрация элементов или их вынос. Совокупность горизонтов образует почвенный профиль, для которого характерны зоны выщелачивания и определенные геохимические барьеры. Иное распределение элементов наблюдается в солончаках, болотных, луговых и иных супераквальных (надводных) почвах низин. В них наряду с биогенной аккумуляцией и выщелачиванием происходит накопление химических элементов из грунтовых вод. Эти почвы также расчленяются на горизонты. В болотных почвах это торфяные и глеевые горизонты, в солончаках – солевые. Таким образом, почвообразование приводит к дифференциации элементов – сравнительно однородная по химическому составу горная порода превращается в неоднородный почвенный профиль со многими горизонтами. Таким образом, в почве накапливается не только энергия, но и информация. Минеральное и органическое вещество педосферы Органическое вещество почвы состоит из слабоизмененных остатков растений, продуктов их измельчения и первоначального преобразования мезофауной и микроорганизмами. А также из специфических почвенных органических веществ. В органическом веществе почв различают три главные группы компонентов: 2 1 группа – грубый гумус – слаборазложившиеся остатки преимущественно растительного происхождения, образующие лесные подстилки и степной войлок. 2 группа – модер – остатки, образующие черное рыхлое вещество, в котором только под микроскопом видно, что оно состоит из измельченных и сильно измененных растительных остатков, обильно пропитанных новообразованными органическими соединениями. 3 группа – собственно гумус - почвенные органические образования, не обнаруживающие следов строения растительных тканей. Это аморфные скопления от хорошо прозрачных светло-желтых до почти непрозрачных темно-бурых. В одних почвах гумусовые вещества равномерно распределены в объеме, а в других склеивают мелкие минеральные частицы, образуя гумус типа мулль. Торфообразование Но все упомянутые группы почвенного органического вещества образуются лишь в условиях хорошей аэрации. На заболоченных участках при длительном переувлажнении деятельность мезофауны и аэробных микроорганизмов резко подавляется, в связи с чем преобразование растительных остатков существенно замедляется. В этих условиях из остатков гидрофильных растений, главным образом, мхов, образуется торф. Отличительными признаками торфа являются: слабая разложенность растительных остатков и волокнистое строение (благодаря преобладанию мхов среди растений-торфообразователей). Органическое вещество почвы, состоящее из торфяных компонентов называется гумусом типа мор. Об интенсивности переработки растительных остатков мезофауной и микроорганизмами в почвенный гумус можно судить по соотношению мертвого органического вещества на поверхности почвы и его ежегодного поступления. По данным Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич это соотношение наиболее высоко (90) в тундровых ландшафтах, так как в суровых условиях тундры жизнедеятельность почвенной мезофауны и микроорганизмов настолько подавлена, что полная переработка годового растительного опада растягивается на целых 90 лет и биологический круговорот химических элементов здесь сильно заторможен. В степных ландшафтах это соотношение уменьшается до 1-1,5, т.е полное преобразование ежегодного опада происходит в течение одного-двух лет. В пустынях это происходит еще быстрее, т.к. растительные остатки на почве там практически отсутствуют. В почве таежных лесов полная переработка растительных остатков происходит за 7-8 лет, в широколиственных лесах умеренного пояса – за 2-3 года, во влажных же экваториальных лесах – непрерывно в течение года. Но столь быстрое разложение органических остатков происходит лишь при условии свободного газообмена почвы с атмосферой. Там же, где органическое вещество насыщено водой (например, в болотах), газообмен затруднен. Это практически полностью подавляет жизнедеятельность аэроробных микроорганизмов и почвенной мезофауны и приводит к образованию торфа. Замедлению процесса разложения способствует и постоянное присутствие в торфяных водах растворимых органических соединений с антисептирующими свойствами. В результате – полуразложившиеся остатки растений сохраняются в торфяных залежах тысячи лет. Накоплению торфа способствуют условия холодного и влажного климата. Время, необходимое для образования почвенного покрова Оценить время полного возобновления почвенного гумуса можно с помощью определения абсолютного возраста вещества гумуса по изотопу 14С с периодом полураспада 5678 лет. По данным В.В. Добровольского обновление гумуса в верхнем 3 горизонте современных почв происходит за 300-500 лет. В более глубоких горизонтах процесс обновления происходит значительно медленнее и гумусовые вещества имеют возраст в несколько тысяч лет. Это связано с большей насыщенностью живыми организмами верхнего горизонта почв. Одновременно с уменьшением численности микроорганизмов уменьшается вниз по разрезу почвы и количество гумуса. Как показываю определения радиоуглеродного возраста, наименее устойчивые компоненты гумуса минерализуются за срок около 500 лет. Для минерализации более устойчивых компонентов гумуса, сохраняющихся в нижней части профиля, требуются тысячи лет. Высоко устойчивые соединения гуминовых веществ с тонкодисперсными глинистыми минералами могут сохраняться десятки и сотни тысяч лет и при переотложении почвенного материала входят в состав осадочных пород и пополняют фонд рассеянного органического углерода осадочной оболочки Земли. Свойства органических компонентов Почвенный гумус как правило сосредоточен в верхнем горизонте почв, но мощность этого горизонта, количество и состав гумуса в разных типах почв сильно различаются. Важно знать, что основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин – комплекс сильно полимеризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, тесно связанных с тонкодисперсными минеральными частицами. Между всеми перечисленными компонентами существуют переходы. Гуминовые кислоты не растворяются в воде, но хорошо растворяются в щелочных растворах. С некоторыми металлами эти кислоты способны образовывать сложные внутрикомплексные соединения – хелаты (железа, алюминия и т.д.). Фульвокислоты растворяются в воде, причем такие растворы обладают сильнокислой реакцией (рН=2,6-2,8). Комплексные соединения фульватов могут активно мигрировать в природных водах даже в такт их физико-химических условиях, где свободные катионы металлов неизбежно выпали бы в осадок. Селективное соединение рассеянных металлов с водорастворимыми компонентами гумуса (фульвокислотами) или с гелями гуминовых кислот имеет очень важное геохимическое значение как для вовлечения этих металлов в миграционные циклы, так и для выведения их из миграционных процессов и закрепления (депонирования) в почве. Миграция веществ в почвах Таким образом, гумус почв играет двоякую геохимическую роль. С одной стороны, он выступает как источник азота и некоторых других элементов, освобождающихся из органического вещества в результате деятельности микроорганизмов и необходимых для развития высших растений. С другой стороны, гумусовые кислоты и их производные активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере., то есть гумус почв является важнейшей частью механизма регулирования миграционных потоков в педосфере. Из 1 кв. м подстилки, залегающей на подзолистой почве под ельником, ежегодно выносится до 4 кг органического углерода и до 84 мг оксида железа, связанного с растворимым органическим веществом. Из подстилки под дубовым лесом на черноземе 4 выносится гораздо меньше органического углерода – всего до 80 мг и связанного с органическим веществом железа – до 10 мг! Это означает, что микроорганизмы подзолистой почвы при переработке подстилки активно продуцируют растворимые фульвокислоты, а микроорганизмы чернозема способствуют образованию водонерастворимых гелей гуминовых кислот и гуматов кальция. Химические элементы, содержащиеся в наименее устойчивых тканях растений, быстро удаляются из вещества лесных подстилок. Это калий, магний, натрий, фосфор, сера, частично кальций. Содержание же элементов, входящих в более устойчивые ткани, наоборот, возрастает в лесных подстилках. Это металлы, кремний и др. В некоторых растениях кремния так много, что он образует фитолитарии – мелкие выделения опала (аморфного оксида кремния). Кроме того, многие рассеянные элементы активно сорбируются подстилками благодаря огромной поверхности в единице объема полуразложившегося растительного опада. А масса органического углерода в педосфере (включая углерод залежей торфа, и лесных подстилок) по данным В.В. Добровольского с учетом данных других исследователей, близка к 25х1011 т. Это более чем в 2 раза превышает массу углерода во всей существующей растительности суши! Между всеми рассмотренными нами формами органического вещества в почвах существуют постепенные переходы. Микроорганизмы и их геохимическая роль Основная роль в биогеохимии педосферы принадлежит микроорганизмам – бактериям, актиномицетам, грибам, водорослям, простейшим. Огромное их количество и видовое разнообразие свидетельствуют о том, что именно почвам является наиболее благоприятной средой их обитания. Масса микроорганизмов в поверхностном горизонте почв в несколько раз превышает массу наземных животных и достигает 2-3 тонн на гектар (или – тонн на квадратный километр!) Суммарная живая масса всех микроорганизмов педосфере по оценкам различных исследователей близка к 1010 тонн. Автотрофные бактерии-нитрификаторы в результате биохимического окисления недоступного для высших растений аммиака на протяжении лишь одного года образуют сотни килограммов на гектар доступных для растений нитратов. Азотофиксирующие бактерии, обладающие способностью поглощать и связывать молекулярный азот из атмосферы аккумулируют в педосфере до 200х106 тонн в год. Особо важное значение имеет деятельность гетеротрофных бактерий, окисляющих органическое вещество до конечного продукта – углекислого газа. Не менее важная роль принадлежит актиномицетам и грибам, которые разрушают наиболее устойчивые компоненты растительных остатков – клетчатку и лигнин. Таким образом, основная масса углекислого газа, образующаяся на суше, есть результат жизнедеятельности микроорганизмов, насыщающих педосферу. Почвенная атмосфера Почва обладает высокой пористостью. Суммарный объем пор и пустот в верхнем горизонте почвы составляет до 70% от общего объема. Поэтому в газообмене между педосферой и приземным слоем тропосферы принимают участие огромные массы. Если учесть, что в теплое время года полная смена почвенного воздуха происходит несколько 5 раз в сутки, то на протяжении года в движение между почвой и атмосферой вовлекаются миллиарды кубических километров (даже не метров!) газов. Благодаря активной жизнедеятельности микроорганизмов, состав почвенного воздуха и атмосферы сильно различается. В почвенном воздухе в десятки и сотни раз больше углекислого газа, но значительно меньше, чем в атмосфере кислорода. Содержание молекулярного азота примерно одинаковое. Почвенный воздух сильно обогащен парами воды, насыщенность которыми близка к 100%., а также разнообразными летучими органическими и неорганическими биогенными соединениями. Почвенная микрофлора играет весьма важную роль в регулировании выделения из почвы газов, находящихся в атмосфере в очень небольшом количестве. В том числе газов, поступающих из глубинных слоев земной коры. Среди глубинных газовых эманаций постоянно присутствуют углеводороды, образующие в процессе метаморфизма осадочных горных пород, содержащих рассеянное органическое вещество. Постоянный поток рассеянных углеводородов перехватывается аэробными бактериями, которые окисляют эти газы. Жизнедеятельность аэробных бактерий обеспечивает отсутствие в приземном воздухе таких углеводородов как гептан и пропан, активно выделяющихся из залежей нефти и газа. Возрастание в почвенном воздухе содержания углеводородов сопровождается увеличением численности бактерий, окисляющих углеводороды. То есть в природе действует своеобразный биогеохимический фильтр. Таким образом, почва является не только огромным резервуаром природных газов, но также служит по выражению Г.А. Заварзина «идеальным приспособлением» для трансформации (изменения) их состава. Анаэробные организмы являются продуцентами газов из разлагающихся растительных остатков. Специфические аэробные бактерии. Окисляющие водород. Метан. Разнообразные соединения серы, не выпускают эти ядовитые газы из почвы в атмосферу. Таким образом, в почве происходит почти замкнутый круговорот перечисленных выше газов, а в атмосферу поступает преимущественно углекислый газ. В педосфере смыкаются обе ветви грандиозного углерод-кислородного цикла массообмена, функционирование которого является главным условием существования биосферы. С одной стороны, почва обеспечивает продуктивность фотосинтезирующих растений суши, связывающих диоксид углерода в органическое вещество и при этом выделяющих свободный кислород. С другой стороны, в почве происходит разрушение отмершего органического вещества, его биохимическое окисление до углекислого газа и возвращение последнего в атмосферу. Таким образом, педосфера играет роль центрального звена в глобальном углерод-кислородном цикле и наряду с океаном выполняет функции регулятора геохимического режима атмосферы. Микробиологическое разрушение органического вещества в почве является главным источником выделения углекислого газа из педосферы. Вторым по значению источником служит выделений углекислого газа корнями растений («корневое дыхание») Итак, миграционный цикл массобмена углерода в системе атмосфера-растительность суши – педосфера – атмосфера не полностью замкнут, благодаря выведению некоторого количества углерода из миграционного цикла и консервации этого элемента в составе мертвого органического вещества. Несмотря на сравнительно небольшую часть массы углерода, выбывающую из глобального биогеохимического цикла, незамкнутость этого цикла имеет очень важные последствия. Наличие неразложившихся растительных остатков в составе лесной подстилки и торфа, а также почвенного гумуса обусловливает 6 присутствие в атмосфере свободного кислорода. Причем кислород сохраняется лишь потому, что он не был израсходован микроорганизмами на биохимическое окисление мертвого органического вещества. Возраст почвенного покрова и предпосылки его появления Появление почв было предопределено образованием первых наземных фитобиоценозов, положивших начало циклической биогенной миграции на суше. Согласно геологическим данным это произошло 350-400 млн. лет назад. Основной метод – изучение реликтовых почв в современных ландшафтах. Особенно много таких реликтов может содержаться в ландшафтах областей с длительной историей развития во внутриконтинентальных условиях, к которым относится и Восточная Сибирь (в отличие, скажем, от Западной Сибири, в относительно недавние геологические времена полностью или частично заливавшейся мелководным морем). Изучение реликтов в этих случаях важно и для познания современных процессов в ландшафте, так как эти реликты могут оказывать на них существенное влияние. К таким реликтам относятся: реликтовые почвы и педоседименты (осадки, образовавшиеся за счёт переотложения почвенного материала, который сохранил часть свойств, приобретенных при почвообразовании); химизм почв, как мы уже знаем, отражает обстановку их формирования древние коры выветривания (примеры – латериты, известковистые коры выветривания); Живое вещество, создав почвенный покров, преодолело ограниченность ресурсов азотноуглеродного, водного, воздушного минерального питания. Синтез высокодисперсных глинистых минералов обеспечил в почвах высокую поглотительную способность, тем самым закрепляя соединения азота, фосфора, кальция, калия. Еще более интенсивное накопление макроэлементов ( углерода, азота, фосфора, кальция, серы, калия) и микроэлементов (йода, цинка, меди, кобальта, селена и др.) наблюдается в ходе биогенной аккумуляции в форме гумусово-органических соединений. Роль живого вещества в процессах выветривания и почвообразования непрерывно возрастает, т.к. количество возникающих за единицу времени организмов непрерывно растет. Возрастает и разнообразие форм организмов. Итак, роль почвы в развитии биосферы: 1. Буфер, обеспечивающий устойчивость существования биогеноценоза; 2. Фильтр, участвующий в регулировании состава природных вод и почвенного воздуха; 3. Аккумулятор энергии (гумусообразование) и химических элементов (биогенное накопление); 4. Биопротектор, связывающий часть загрязняющих веществ путем перевода их в недоступные для живых организмов формы; 5. Источник информации о геохимических процессах в прошлом и настоящем. 7 Биогеохимические циклы тяжелых металлов Тяжелыми металлами обычно называют химические элементы, имеющие атомную массу более 50 единиц. Несмотря на сравнительно низкую распространенность этих элементов в природе, они оказывают большое влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Многие из них оказывают выраженное токсическое действие на живые организмы. Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее токсичными являются следующие 9 элементов: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta. Польские ученые провели ранжирование тяжелых металлов по потенциалу загрязнения на 4 группы. К группе элементов с очень высоким потенциалом загрязнения отнесены кадмий, ртуть, свинец, медь, таллий, олово, хром, сурьма, серебро, золото. К группе элементов с высоким потенциалом загрязнения относятся висмут, уран. Молибден, барий, марганец, титан, железо, селен, теллур. К группе элементов со средним потенциалом загрязнения относятся фтор, бериллий, ванадий, рубидий, никель, кобальт, мышьяк, германий, индий, цезий, вольфрам. Элементы со слабым потенциалом загрязнения – стронций, цирконий, лантан, ниобий. Как видно, 4 металла из первой группы (с очень высоким потенциалом загрязнения) – свинец, ртуть, кадмий и хром В известной степени каждый крупный город является причиной возникновения биогеохимических аномалий, в том числе и опасных для человека. Классы опасности химических загрязняющих веществ Классы опасности 1 2 3 Химическое загрязняющее вещество Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, 3,4-бенз(а)пирен Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон По степени опасности в санитарно-эпидемиологическом отношении почвы населенных мест могут быть разделены на следующие категории по уровню загрязнения: чистая, допустимая, умеренно опасная, опасная и чрезвычайно опасная. Общеизвестно, что накопление свинца и цинка происходит в зонах интенсивного движения автотранспорта, вдоль автострад и в индустриальных центрах. Почвы в сельской местности содержат в 10-20 раз меньше свинца, чем почвы городов. Свинец обладает способностью накапливаться в органическом веществе почв. Доступность тяжелых металлов растениям зависит от вида растений, почвенных и климатических условий. У каждого вида растений концентрации тяжелых металлов могут варьировать в различных частях и органах, а также зависят от возраста растений. К почвенным факторам, существенно влияющим на доступность для растений тяжелых металлов относятся: гранулометрический состав, реакция среды почвы,, содержание органического вещества, катионообменная способность и дренаж. В более тяжелых почвах меньшая опасность возможной адсорбции растениями избыточного (токсичного) количества тяжелых металлов. С повышением рН почвенного раствора возрастает вероятность образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов. Сложилось мнение, 8 что для снижения до минимума доступности токсичного металла в почве необходимо поддерживать рН не ниже 6,5. Металлы могут образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, и поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса металлы менее доступны для поглощения растениями. Обменная емкость катионов зависит, главным образом, от содержания и минералогического состава глинистой части почв и содержания в них органического вещества. Чем выше обменная емкость катионов, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжелым металлам. Избыток воды в почве способствует появлению в ней металлов с низкой валентностью в более растворимой форме. Приоритетные загрязнители биосферы – ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь. Увеличение их концентрации в воде, почве, воздухе и биоте является прямым показателем опасности для животных и человека. В природе часто возникают ситуации, когда в почве значительно больше каких либо химических элементов (одного или нескольких), чем требуется растению и наоборот.Химический элемент, находящийся в недостаточном количестве для нормального развития растения, называется дефицитным. Добавление подвижных форм дефицитных элементов в среду увеличивает продукцию живого вещества. В разных условиях к дефицитным элементам чаще всего принадлежат азот, фосфор, калий, фтор, бор, йод, медь и многие другие микроэлементы. Чаще всего в дефиците – именно подвижные формы элемента, хотя валовое содержание элемента в почве может быть достаточно высоким. Это обусловлено влиянием внешних факторов геохимической среды: ее кислотностью (щелочностью), величиной окислительно-восстановительного потенциала, присутствием других элементов. Избыток элементов в геохимической среде также может сдерживать развитие растений и снижать их урожайность. Элементы, удаление которых из среды увеличивает продукцию живого вещества, называются избыточными. Чаще всего это хлор, сера, натрий, медь, никель, железо, фтор, алюминий и др. Таким образом, один и тот же элемент может быть дефицитным в одних условиях и избыточным в других. Резкий дефицит или избыток элементов в среде может приводить к серьезным заболеваниям растений, животных и человека. Такие болезни А.П. Виноградов назвал биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения – биогеохимическими провинциями. Многие тяжелые металлы очень токсичны. Но хорошо известно, что марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден и другие тяжелые металлы в малых концентрациях необходимы растениям. Диапазон содержаний тяжелых металлов в природе очень велик. Например, по данным В.В. Ковальского, в почвоообазующих породах содержание меди может различаться в 30-60 раз, цинка в 25-170 раз, кобальта – в 2000 раз, марганца – в 20 раз, стронция – в 200 раз, молибдена в 5 раз. При среднем содержании меди в почвах, равном 2,5х10-3%, ее количество в различных почвах может отличаться в 1500 раз! Если же принять во внимание и почвы, подверженные техногенному загрязнению, - то даже в несколько тысяч раз. Содержание цинка может меняться в почвах в 1000 раз. 9 Биогеохимическая провинция – это область на поверхности Земли, отличающаяся содержанием химических элементов в почвах, водах и других средах. Как считал В.В Ковальский эти примеры свидетельствуют о геохимической неоднородности (мозаичности) биосферы. При этом живые организмы поглощают из среды все доступные химические элементы, образующие растворимые соединения, или активно превращают нерастворимые соединения в доступные формы.Отсюда вытекает необходимость биогеохимического районирования биосферы. Термин «биогеохимическая провинция» был введен в науку в 1938 году А.П. Виноградовым. Следует иметь в виду, что содержание химических элементов в пределах каждой биогеохимической провинции может быть как выше, так и ниже биологического оптимума.В настоящее время, когда природные и техногенные миграционные потоки веществ образуют единый техно-биогеохимичекий поток, многие ученые объединяют биогеохимические, техногенные и геохимические аномалии в техно-биогеохимические провинции.На территории СНГ существуют биогеохимические провинции с дефицитом йода в почвах и кормах; дефицитом и избытком фтора в питьевой воде; избытком и дефицитом меди в почвах; дефицитом кобальта, бора, избытком стронция и т.д. Таким образом, биогеохимические провинции с пониженным содержанием отдельных элементов связаны с особенностями состава почвообразующих пород. Биогеохимические провинции с повышенным содержанием элементов обычно формируются в районах рудных месторождений. Кроме того, повышенные концентрации некоторых элементов могут быть обусловлены выбросами промышленных предприятий и автотранспорта. Ранее мы отмечали, что биогеохимические эндемии обусловлены избытком или недостатком тех или иных химических элементов. Давайте кратко рассмотрим влияние концентраций некоторых элементов на живые организмы. Медь. В концентрациях свыше 60мг/кг токсична для живых организмов. Но есть культуры, нуждающиеся в повышенных количествах этого элемента. Например, чай, который может накапливать меди до 15 мг/кг сухого вещества. При резком недостатке меди (менее 6-15х10-4%) нарушаются процессы метаболизма растений, они заболевают: засыхают листья, задерживается развитие корневой системы, проявляется хлороз, у злаков не формируются колосья, у фруктовых деревьев – желтеют листья. У животных наблюдаются анемии, заболевания костной системы. Но и при избыточных количествах меди также наблюдаются анемии, возможны поражения печени. На переизбыток меди растения также реагируют хлорозом, как и на недостаток. Цинк. В больших количествах (более 7х10-3%) токсичен для растений, так как наблюдается угнетение процессов окисления. Недостаток цинка (3х10-3%) приводит к задержке или прекращению роста большинства растений. Заболевают паракератозом свиньи. Марганец. У многих растений при недостатке марганца (менее 4х10-2%) снижается усвояемость йода, Большинство растений при дефиците марганца накапливает железо. У животных и человека развиваются заболевания костной системы, возможно развитие зобной болезни. 10 Избыток марганца, особенно в кислых почвах, (более 30х10-2%) приводит к уменьшению содержаний железа в растениях и вызывает у них хлороз, проявляющийся в пятнистости листьев. Бор. Недостаток бора оказывает влияние только на растения, так как животным этот элемент не нужен. При содержании бора в почвах менее 6х10-4% растения, как правило, погибают. Заболевание начинается с гибели точки роста, отмирания корней, у свеклы недостаток бора вызывает гниль сердечка. Избыток бора ( более 30х10-4%) вызывает заболевания животных и человека (борные энтериты). Кобальт. Недостаток кобальта в почве (менее 7х10-4%) приводит к развитию у растений заболевания – безлепестковая анемона. Систематический недостаток кобальта в пище животных и человека также приводит к тяжелым нарушениям и даже вызывает тяжелые заболевания, обусловленные недостатком витамина В12. Эти заболевания выражаются в разрушении волосяного покрова, нарушении функции печени, приводящем к развитию анемии и малокровия. Молибден. Остро реагирует на недостаток молибдена (до 1,5х10-4%) клевер. Животные, питающиеся растениями, выросшими на почвах с недостатком молибдена, болеют анемией, так как в их организме наблюдается накопление меди. Наоборот, избыток молибдена в кормах является причиной недостатка меди в организме животных и приводит к развитию молибденоза. При недостатке кальция в пище животных высокое содержание молибдена приводит к развитию заболевания – эндемическая атаксия (поражается желудочно-кишечный тракт) и человек страдает эндемической подагрой – заболеванием суставов. Свинец. Содержится в почвах в небольших количествах (Кларк – 1,6х10-3%). Повышенное количество свинца обнаруживается в почвах промышленных зон, особенно вдоль автомагистралей. Повышенное содержание свинца в почвах приводит к накоплению его в растениях. Повышение концентрации свинца в пищевых продуктах свыше 10-4% вызывает токсические явления. Поражаются все органы, но наиболее сильно – нервная система. Для человека токсичной считается суточная доза более 0,35 мг. Нейтрализовать свинец в организме человека можно высокими дозами аскорбиновой кислоты, а предотвратить поступление свинца в растения – внесением ме6ди в почву. Йод. Недостаток этого элемента в пище вызывает заболевание эндемичным зобом. Обусловлено это тем, что йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы. Хотя бы один раз в 30-50 дней организм должен получать новые порции йода в количестве 10-15 мг на каждые 70 кг массы тела. Если йод поступает в организм в меньших количествах, щитовидная железа начинает увеличиваться в размерах и образуется зоб. Это заболевание может сопровождаться резким ухудшением умственных способностей. Причем болезнь может поразить человека в любом возрасте. Если же йода не хватает в пище грудного ребенка, то это может вызвать развитие слабоумия, причем кретинизм сопровождается ухудшением деятельности сердца, теряется слух, зрение, слабеют мышцы, наступает стадия идиотии. В настоящее время многие территории Земли относятся к эндемическим по йоду. В России дефицит йода проявляется в Центральноевропейском регионе, Восточной Сибири, на Урале, Северном Кавказе и Крайнем Севере. 11 Для предотвращения этих заболеваний в районах с недостатком йода в почвах необходимо вводить в пищу небольшие порции этого элемента. Однако, здесь необходимо проявлять осторожность, т.к. избыток йода также может привести к заболеванию – базедовой болезни (увеличение щитовидки, пучеглазие, сердцебиение). Следует иметь в виду, что во время хранения йодированной соли потери йода составляют 15-20% в месяц. Фтор. Недостаток фтора приводит к развитию кариеса, т.к. постепенно разрушается эмаль (в которую входит 0,02% фтора). У некоторых организмов наблюдается деформация костей, их повышенная хрупкость и переломы. Повышение содержаний фтора может привести к нарушению функций щитовидной железы. При избытке фтора в пище и воде также возникают заболевания зубов – флюороз (разрушение эмали). У животных наблюдаются явления, усиливающие выделение из организма йода, при этом тормозится активность некоторых ферментов. Установлено, что оптимальной суточной дозой для взрослых людей является 0,6-1,5 мг фтора. Для некоторых животных эта доза может быть выше (до 20 мг на 1 кг массы). Сверх этих норм фтор и его соединения токсичны. Вдыхание воздуха, содержащего более 0,5 мг/л действует на людей отравляюще, а 0,8 мг/л – смертельно. Средство первой помощи при отравлении фторидами -2% раствор хлорида кальция. Техногенное загрязнение почвы. Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании вещества, различных химических элементов, выполняет функции органического а также энергии. Почвенный покров биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Загрязнение почвенного покрова ртутью (с ядохимикатами и отходами промышленных предприятий), свинцом (при выплавке свинца и от автотранспорта), железом, медью, цинком, марганцем, никелем, алюминием и другими металлами (вблизи крупных центров черной и цветной металлургии), радиоактивными элементами (в результате выпадения осадков от атомных взрывов или при удалении жидких и твердых отходов промышленных научно-исследовательских институтов, атомной энергии), стойкими предприятий, атомных связанных станций или с изучением и использованием органическими соединениями, применяемыми в качестве ядохимикатов. Они накапливаются в почве и воде и, главное, включаются в экологические пищевые цепи: переходят из почвы и воды в растения, в животных, и в итоге переходят в организм человека с пищей. Неумелое и бесконтрольное 12 использование любых удобрений и ядохимикатов приводит к нарушению круговорота веществ в биосфере. Весьма существенное влияние на состояние почв оказывает загрязнение атмосферы, природных вод, связанное с сельскохозяйственным производством Основными источниками загрязнения в этом случае являются: 1) отходы животноводства; 2) эрозия почв; 3) применение удобрений; 4) остаточные количества пестицидов Пестициды Пестициды (от лат. pestis — зараза и caedo — убиваю) (ядохимикаты), химические препараты для борьбы с сорняками (гербициды), вредителями (инсектициды, акарициды, зооциды и др.), болезнями (фунгициды, бактерициды и др.) культурных растений. В группу пестицидов включают дефолианты, десиканты, роста растений. Большинство регуляторы пестицидов - синтетические органические вещества. При систематическом применении стойких высокотоксичных пестицидов, особенно в завышенных дозах, наблюдается загрязнение ими окружающей среды, что приводит к уничтожению полезных насекомых, птиц, рыб, зверей, а также отравлению людей непосредственно пестицидами или продуктами, в которых они способны накапливаться. Загрязнение почв нефтью в местах её добычи, переработки, транспортировки и распределения превышает фоновое в десятки раз. В радиусе 10 км от Владимира в западном и восточном направлениях содержание нефти в почве превышало фоновое значение в 33 раза. Фтором загрязнены почвы вокруг Братска, Новокузнецка, Красноярска, где максимальное его содержание превышает региональный средний уровень в 4-10 раз. Таким образом, интенсивное развитие промышленного производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение её качества. Сильное загрязнение почвы тяжёлыми металлами вместе с зонами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного угля, нефтепродуктов, приводят к ее закислению, выщелачиванию гумуса, изменению состава микроэлементов и возникновению в конечном счете так называемых band land (дурных земель) и техногенных пустынь. В почве всегда присутствуют канцерогенные (химические, физические, биологические) вещества, вызывающие опухолевые заболевания у живых организмов, в 13 т. ч. и раковые (кадмий, цинк). Основными источниками регионального загрязнения почвы канцерогенными веществами являются выхлопы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий, продукты нефтепереработки. Вывоз промышленных и бытовых отходов на свалки ведёт к загрязнению и нерациональному использованию земельных угодий, создаёт реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, росту транспортных расходов и безвозвратной потере ценных материалов и веществ. 14