Kovalchik_end

занные с ними микроэлементы. В ходе почвообразования выносятся вниз по профилю Ca, Na, K, Mg, Fe, Ni, Cu и др. С органическим веществом почвы связываются Fe, K, Mn, Cu.

Содержание SiО2 в почвах Беларуси изменяется в зависимости от гранулометрического состава, наибольший его процент характерен для почв с минимальным содержанием физической глины. Для оксидов алюминия наблюдается обратная зависимость, больше всего их содержится в почвах на моренных суглинках. Повышенными концентрациями СаО характеризуются дерново-карбонатные почвы, а также дерново-подзолистые на лессах и моренных суглинках. Самыми бедными почвами по количеству СаО являются дерново-подзолистые на эоловых песках. Содержание оксидов Na, K, Mg в почвах всех типов уменьшается с севера на юг Беларуси [3].

Распределение микроэлементов в почвах Беларуси характеризуется значительной изменчивостью в зависимости от генезиса пород. Наиболее высокие концентрации Mn, V, Cr имеют почвы, развитые на озерноледниковых глинах и лессах, а Ni и Cu – на моренных отложениях. Меньше всего микроэлементов содержится в почвах на эоловых и водно-лед- никовых песках.

Рассматривая геохимическую специфику почвенного покрова водосборных бассейнов рек Беларуси, можно заметить, что почвы бассейна Западной Двины выделяются наиболее низким содержанием SiО2 и самыми высокими содержаниями МgO, Al2O3, NaO, из микроэлементов – Cu, Ni, Co, Cr; почвы бассейна Немана – самым высоким содержанием Mn; бассейна Днепра – пониженными значениями МgO и Al2O3, а также Co, V, Cu, Mn. Почвы бассейна Припяти характеризуются очень низкими концентрациями Co, Cr, Mn, Ni.

Практическая работа № 2 (4 часа)

Тема. Кларк почв.

Цель. Раскрыть закономерности концентрации химических элементов в почвах Беларуси на различных иерархических уровнях.

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о среднем содержании 15 химических элементов в почвах Беларуси и почвах, наиболее распространенных в пределах водосборных бассейнов рек Припять, Днепр, Неман, Западная Двина [4], а также кларки этих элементов в почвах мира (варианты заданий в табл. П2 прил. 2).

Основные понятия. Кларк почв, кларки концентрации и рассеяния по отношению к кларкам почв мира, контрастность распределения, водосборная территория.

11

З а д а н и е 1. Нарисовать на миллиметровой бумаге таблицу и занести в нее данные, содержащиеся в индивидуальных заданиях (табл. П2 приложения). Подсчитать кларки концентрации и рассеяния (КК и КР) элементов по отношению к кларкам почв мира, используя следующие формулы:

ККі = Сі/Кі, КРі = Кі/Сі, где Сі – содержание і-го элемента в почве; Кі – кларк і-го элемента в по-

чвах мира. Занести результаты в свободные ячейки той же таблицы.

З а д а н и е 2. Составить геохимические индексы почв путем ранжирования значений КК (по убыванию) и КР (по возрастанию). Записывать ранжированные показатели в виде дроби, где размещены:

yy  возле дроби – элементы с околокларковыми содержаниями (КК, КР 1,0–1,1);

yy  в числителе – элементы с содержаниями выше кларка (КК > 1,1); yy  в знаменателе – элементы с содержаниями ниже кларка (KP > 1,1). Пример записи геохимического индекса почв Беларуси:

Si (1,2)

K, Zr(1,1) Na,Co(1,3)Cu(1,5)Fe(1,6)Ca(1,9)Ni(2)Al(2,2)Ti,V(2,9)Mn(3,4)Cr(5,5)Mg(6,2).

З а д а н и е 3. Построить графики геохимических спектров почв. Геохимический спектр почв Беларуси принимается за эталонный объ-

ект (строится в виде монотонно убывающей линии). Для этого по оси ординат располагаются значения КК (вверх) и КР (вниз) от величины КК(КР) = 1, по оси абсцисс через равные интервалы проставляются символы анализируемых элементов в порядке ранжирования эталонного объекта. Спектры других анализируемых почв имеют вид ломаных линий (пример оформления показан на рис. 1).

З а д а н и е 4. Написать заключение, в котором дать краткую сравнительную характеристику распределения химических элементов: 1) в почвах Беларуси; 2) в почвах в пределах водосборного бассейна (например, р. Днепр); 3) в одной из почв, распространенных в пределах водосборного бассейна, с ответами на вопросы:

а) в почвах преобладает концентрация или рассеяние элементов по сравнению­ с кларком в почвах мира;

б) какова контрастность каждого спектра (разница между крайними значениями КК и КР);

12

в) какие элементы в анализируемой почве характеризуются околокларковыми значениями КК и КР; относятся к концентрирующимся (КК > 1,1), слаборассеивающимся (КР > 1,3), средне- (КР > 3) и высокорассеивающимся (КР > 5);

г) как генезис почвообразующих пород отражается на особенностях химического состава анализируемых почв?

ВОДНАЯ МИГРАЦИЯ

Показатели, характеризующие водную миграцию, в зависимости от применяемых методов расчета объединяются в три группы.

Показатели 1-й группы характеризуют содержание растворенных солей в водах (М – общая минерализация, мг/дм3) и содержание основных ионов (химический состав вод, мг/дм3). К основным ионам относят обычно 7 компонентов солевого состава вод: катионы Ca2+, Mg2+, Na+, K+ и анионы HCO3− (гидрокарбонат-ион), SO42−(сульфат-ион), Cl– (хло- рид-ион).

Содержание ионов определяют с помощью лабораторного гидрохимического анализа и выражают в мг/л (г/л, мг/дм3). Пересчет мг/л

вмг-экв/л дает возможность выразить содержание элементов и соединений в эквивалентной форме, т. е. в химически равноценных единицах, пропорционально которым они вступают в реакцию. Характеристику химического состава вод дают в виде формулы Курлова, где содержание ионов приводится в процент-эквивалентах (%-экв).

Показатели 2-й группы характеризуют балансовые соотношения между приходом и расходом химических элементов в природных системах

впроцессе водной миграции. Основные из таких показателей: Ри (ионный сток) – произведение концентрации химического соединения или

иона в речных водах на величину водного стока реки за год; Ки (коэффициент гидрогеохимической активности) – отношение количества элемента, выносимого стоком, к количеству элемента, поступающего с осадками на данную территорию.

Показатели 3-й группы характеризуют интенсивность водной миграции элементов, их расчет основан на сопоставлении химического состава вод и осадочных пород. Это показатели: Т (талассофильность) – отношение содержания элемента в водах Мирового океана к кларку литосферы; Кx (коэффициент водной миграции) – отношение содержания

13

элемента в минеральном остатке природных вод к его содержанию в горных породах.

Сопоставление состава вод и пород было предложено К. Х. Смитом и развито Б. Б. Полыновым [5]. Открыто, что элементы вымываются из пород с различной скоростью, составлены ряды элементов согласно снижению их водной миграционной активности:

Cl, S > Ca, Na, K, Mg > P, Mn > Fe, Al, Ti > Si.

Было выявлено, что воды не только растворяют минералы горных пород, но и получают элементы, высвобождающиеся в процессе биологического круговорота. Так, калий и натрий близки по своим химическим свойствам, но характеризуются разной интенсивностью водной миграции. Высокая подвижность хлора в водах объясняется не только его химическими свойствами, но и слабой биологической активностью. Калий, наоборот, активно накапливается в растениях и поэтому менее подвижен в водах.

Практическая работа № 3 (4 часа)

Тема. Показатели водной миграции.

Цель. Проанализировать изменение гидрохимической характеристики речных вод по направлению их течения: 1) изменение минерализации и химического состава; 2) изменение интенсивности водной миграции элементов.

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о минерализации и химическом составе атмосферных осадков и речных вод в сопряженных ландшафтах на территории Беларуси (варианты заданий см. в табл. П3 прил. 3).

Основные понятия. Химический состав вод, общая минерализация, формула Курлова, солевой профиль, коэффициент интенсивности водной миграции элемента, ряды миграционной активности элементов.

За д а н и е 1. Нарисовать на миллиметровой бумаге таблицу

изанести в нее данные, содержащиеся в индивидуальных заданиях (см. табл. П3 прил. 3).

Для определения доли каждого иона в солевом составе вод пересчитать содержание ионов в мг-экв/дм3 по формуле

С (мг-экв/дм3) = С (мг/ дм3) . Кп, где С – содержание иона в водах; Кп – коэффициент пересчета (табл. 3).

14

Далее рассчитать процентное содержание ионов в %-экв отдельно для катионов и анионов исходя из равенства

∑мг-экв/дм3 = 100 %.

Вформулу Курлова занести индексы анионов и катионов с их про-

центным содержанием в порядке убывания (%-экв); в нижнем индексе Мх указать общую минерализацию вод, выраженную в г/дм3:

Исходя из данных, представленных в виде формулы Курлова, сформулировать название химического состава вод, соблюдая следующий порядок: yy  в названии используются только катионы и анионы с долей бо-­

лее 25 %;

yy  сначала дается название анионного, затем катионного состава вод; yy  анион и катион с наибольшим весом ставятся на последнее место. Например, воды, для которых выше приведена формула Курлова, имеют гидрокарбонатно-сульфатный магниево-кальциевый химический

состав.

За д а н и е 2. Построить солевой профиль, отражающий изменение ионного состава речных вод по направлению их течения.

На оси абсцисс обозначить виды природных вод: атмосферные осадки – речные воды выше по потоку – речные воды ниже по потоку. По оси ординат вверх от центральной оси последовательно (методом накопитель-

ной диаграммы) отложить содержания анионов, вниз – катионов, выраженные в мг-экв/дм3. Масштаб вертикальной шкалы определять исхо-

дя из максимальной суммы катионов и анионов. Профиль каждого иона

закрасить­определенным цветом: Ca2+ – желтым, Mg2+ – оранжевым, K+ – коричневым, Na+ – черным; HCO3− – голубым, SO42− – синим, Cl− – фиолетовым. Пример построения солевого профиля приведен на рис. 2.

За д а н и е 3. Рассчитать коэффициент интенсивности водной миграции для химических элементов (Ca, Mg, Na, Cl) по формуле

15

K= mx ×100,

x nx × a

где mx – содержание элемента в воде, мг/дм3; nx – кларк этого элемента в литосфере, %; а – минерализация воды, мг/дм3. Результаты расчетов занести в табл. 4.

Занести индексы исследуемых элементов в табл. 5 в соответствии с величиной интенсивности водной миграции.

Рис. 2. Солевой профиль вод: соотношение ионов в ряду атмосферные осадки – речные воды выше и ниже по потоку

16

З а д а н и е 4. Сравнить речные воды выше и ниже по потоку по показателям: минерализация, химический состав речных вод, интенсивность водной миграции элементов.

БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ

«Живое вещество», по определению В.И. Вернадского, – это совокупность всех живущих на планете организмов. Интересен пример, в котором В. М. Гольдшмидт образно показал соотношение между сферами Земли по массе: если представить литосферу в виде каменной чаши весом 10,5 фунтов (4,72 кг), то вода в ней будет гидросферой, монетка – атмосферой, марка, плавающая на поверхности, – биосферой. Тем не менее роль биосферы в перераспределении химических элементов трудно переоценить, поскольку «…на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом» [6].

Высшими растениями суши ежегодно синтезируется более 100 млрд т сухого органического вещества. Зольные элементы и азот составляют в среднем около 5 % этой массы. Значит, можно заключить, что на суше вовлекается в биологический круговорот несколько миллиардов тонн химических элементов в год [7].

В живых организмах встречаются почти все известные химические элементы, но их распространение неравномерно. Основные элементы, слагающие живое вещество: кислород – 70 %, углерод – 18 и водород – 10,5 % [2].

Содержание каждого элемента в живом веществе рассчитывают в трех разных видах единиц: на живую (сырую) массу, на абсолютно сухое вещество или на золу. Результаты расчетов в зависимости от вида единицы различаются в 10–20 раз.

17

Для характеристики биогенной миграции элементов важно определить химический состав организмов, а также интенсивность вовлечения элементов в биологический круговорот.

Кларк живого вещества – это среднее содержание элемента в биосфере. Он не связан пропорциональной зависимостью с кларком литосферы, поскольку живое вещество состоит в большей степени из элементов, образующих газообразные соединения и воду. Если в составе литосферы по массе преобладают слабоподвижные элементы (Si, Al, Fe), то в живом веществе их мало, зато существенно больше биофильных элементов – S, P, Ca, K. Если кислород в литосфере содержится в основном в составе силикатов, то в живом веществе он вместе с водородом образует воду и входит в состав органических соединений.

Наиболее обобщенный показатель интенсивности биогенной миграции элемента – его биофильность (Б), равная отношению кларка элемента в живом веществе к его кларку в литосфере (на сырую массу, т. е. с учетом воды и органических соединений, содержащихся в живых организмах).

Интенсивность поглощения элементов разными сообществами организмов чаще всего определяют через коэффициент биологического поглощения (КБП):

КБП = l / n,

где l – содержание элемента в золе растения; n – его содержание в почве или горной породе, на которых это растение произрастает.

Ранжированные значения КБП образуют ряды биологического поглощения элементов, отражающие особенности биологических циклов элементов на той или иной территории, а также видовые особенности организмов.

Химический состав организмов – важный систематический признак вида. Геохимический портрет живого организма сформировался в ходе эволюции и закрепился наследственностью. Например, виды растений различаются по содержанию одного и того же элемента. Так, содержание Na в клевере составляет 0,02 %, в люцерне – 0,03 %, в солянке – 3,0 %; содержание Si в грибах составляет 0,02 %, в клевере – 0,2 %, в хвоще – 3,0 %, в диатомовых водорослях – 3,0 %.

Химический состав вида несет информацию о центре видообразо­ вания. Исследования ученых выявили, что виды растений, центры про­ исхождения­которых находились в гумидных областях (береза, осина, зеленые мхи и др.), концентрируют преимущественно катионогенные микроэлементы (свинец, цинк, медь) и менее активно поглощают анионогенные (молибден, хром, ванадий). Виды, сформировавшиеся в арид-

18

ных ландшафтах (полынь, солянки и др.), накапливают преимущественно анионогенные микроэлементы. Такие биогеохимические особенности видов закрепляются наследственностью и сохраняются даже при смене условий произрастания.

Однако химический состав вида растений не является постоянным, он может изменяться в пределах инварианта в зависимости от химического состава субстратов, на которых произрастают растения.

Показатель биогеохимическая активность вида (БХА) выражает активность растений к накоплению микроэлементов [8]. Он рассчитывается как сумма коэффициентов биологического поглощения микроэлементов в золе растения:

БХА = ∑ КБП элементов.

Анализ показал, что наибольшая биогеохимическая активность характерна для древесных пород, а из них – для хвойных (сосна). Довольно высоки показатели БХА для растений семейства бобовых и разнотравья. Пониженную биогеохимическую активность к поглощению микроэлементов проявляют осоки и злаки. Иногда показатель БХА рассчитывают отдельно для катионо- и анионогенных элементов, чтобы выявить центры их видообразования.

Практическая работа № 4 (2 часа)

Тема. Показатели биогенной миграции.

Цель. Проанализировать интенсивность биологического поглощения микроэлементов растениями. Выявить видовые особенности накопления элементов растениями, а также сопоставить полученные результаты со средними данными о поглощении элементов растениями суши Земли.

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о среднем содержании микроэлементов в растениях и почвах Беларуси [4], а также ряды интенсивности биологического поглощения химических элементов растениями суши Земли. Варианты индивидуальных заданий – в табл. П4 прил. 4.

Основные понятия. Коэффициент биологического поглощения эле­ ментов, биогеохимическая активность вида растений, ряды био­ло­ги­ ческого­ поглощения, группы элементов биологического накопления

изахвата.

За д а н и е 1. Рассчитать коэффициенты биологического поглощения элементов для четырех видов растений, используя данные табл. П4

19

прил. 4 по формуле КБП = l / n, где l – содержание элемента в золе растения; n – содержание элемента в почве.

З а д а н и е 2. Построить ряды биологического поглощения для четырех исследуемых видов растений, произрастающих на территории Беларуси. Элементы расположить в ряд в порядке убывания величин КБП. Определить биогеохимическую активность вида растений: БХА = ∑КБП. Пример построения рядов биологического поглощения микроэлементов:

Ель Mn (36,6) > Cu (15) > Ni (6,3) > Pb (5) > Co (2,5) > V (0,7) > > Ti (0,2) БХА 66,3.

Рожь Cu (4,5) > Ni (2,2) > Mn (1,6) > Co (1,5) > V (1,1) > Pb (0,9) >

>Ti (0,2) БХА 12.

За д а н и е 3. Распределить химические элементы согласно величине их КПБ по соответствующим группам биологического накопления или захвата (табл. 6).

З а д а н и е 4. Сравнить четыре исследуемых вида растений по показателям БХА и КБП. Сопоставить их ряды биологического поглощения. По интенсивности поглощения микроэлементов сравнить растения между собой и с растениями суши Земли (в среднем).

20