К таким элементам относятся калий, магний, натрий, фосфор, сера, частично кальций. Содержание других элементов, входящих в более устойчивые ткани, возрастает в подстилках. Это характерно для металлов кремния и других элементов. В некоторых растениях кремния так много, что он образует фитолитарии – мелкие выделения аморфного оксида кремния (опала), которые также сохраняются в подстилках. Кроме того, многие рассеянные элементы активно сорбируются подстилками благодаря огромной поверхности в единице объема полуразложившегося растительного опада.
Наиболее полные сведения о содержании тяжелых металлов и других рассеянных элементов относятся к органическому веществу торфа. Торф состоит из не полностью (на 20–30%) разложившихся остатков болотных растений. По сравнению с органическим веществом растительности суши в торфе больше устойчивых компонентов (лигнина, битумов).
Существует два типа биогеохимических обстановок торфона-копления. Первая из них характеризуется избыточным увлажнением почв за счет атмосферных осадков, их слабого испарения и затрудненного дренажа на плоских водоразделах. В такой обстановке образуются так называемые верховые болота, в которых основными растениями-торфообразователями являются сфагновые мхи. Воды верховых болот, образованные из атмосферных осадков, имеют низкую минерализацию (30–70 мг/л). Содержание минеральных веществ в сфагновых мхах небольшое, зольность торфа около 3%. Они обогащены кислыми метаболитами сфагновых мхов и водорастворимыми гумусовыми кислотами, их рН 3,5–4,5. В таких условиях скорость накопления торфа близка к 1 мм/год.
Развитие сфагновой растительности поддерживается за счет элементов, освободившихся из частично разложившихся отмерших растений и поступивших с атмосферными осадками. Экосистемы верховых болот обладают высокой степенью геохимической автономности. Происходящие в них биогеохимические циклы массообмена очень слабо связаны с окружающими ландшафтами и открыты лишь для атмосферных миграционных потоков химических элементов. По этой причине зольность торфа верховых болот ниже средней зольности растительности Мировой суши и равна 2,8.
Геохимическая ситуация верховых болот своеобразна. Количество водорастворимых органических веществ в водах верховых торфяников колеблется от 20 до 50 мг/л, фульвокислоты составляют 55%, гуминовые – 10–20% от растворенного органического вещества. Обилие водорастворимых гумусовых соединений способствует образованию комплексных и внутрикомплексных соединений металлов, способных к активной водной миграции. В то же время миграция затруднена плохим дренажем, а торф обладает весьма высокой сорбционной способностью по отношению к металлам и другим рассеянным элементам. Результаты изучения концентрации тяжелых металлов в торфе верховых болот России приведены в табл. 3.
Таблица 3. Средняя концентрация тяжелых металлов в торфе верховых болот, мкг/г
| Металл | Концентрация | |
| в золе | в сухом веществе | |
| Fe | 29000 (16969–204000) | 547 (9 – 7762) |
| Zn | 940 (36–75497) | 26 (0,7 – 50,0) |
| Mn | 700 (20 – 6800) | 18 (0,2 – 128,0) |
| Ni | 180 (16 -721) | 4 (0,34 – 11,6) |
| Cr | 120 (32–500) | 4 (1,2 – 12,5) |
| Pb | 120 (0,1 -2500) | 3 (0,1 –23,0) |
| Cu | 89 (8–335) | 2,2 (0,01 – 4,03) |
| Co | 45 (25,9–259) | 2 (1,2–6,3) |
| Cd | 15,5 (0,85– 120) | 0,65 (0,03–5,0) |
Примечание. В скобках – пределы колебания
Вторая обстановка торфонакопления отвечает условиям низинных болот, приуроченных к отрицательным элементам рельефа. Здесь водонасыщение почвы происходит высокорасположенными грунтовыми водами с нейтральной и даже слабощелочной реакцией (рН 6–8), значительно более минерализованными, чем воды верховых болот. Минерализация вод низинных болот составляет 200 мг/л и более. Это обусловлено выносом химических элементов из почв с водосборной площади. В осадках низинных болот часто образуются скопления карбонатов Са2+, Fe2+, Mn2+, фосфатов Fe2+ и Fe3+, гидроксидов Fe3+ и Мп4+. Растения-торфообразователи представлены гипновыми мхами, осоками, тростником, папоротником, некоторыми кустарниками. Эти растения содержат значительное количество минеральных веществ, поэтому зольность низинного торфа повышается до 10 и иногда до 20%.
Обстановка образования верховых и низинных торфяников иллюстрирует биогеохимическую дифференциацию педосферы, обусловленную разной степенью геохимической автономности или подчиненности отдельных участков. Верховые болота являются примером геохимически автономной экосистемы, независимой от биогеохимических процессов, происходящих на соседних участках. Низинные болота – геохимически подчиненный ландшафт. Состав низинных торфяников формируется под воздействием биогеохимических процессов, происходящих на окружающей территории, откуда выносятся определенные химические элементы. Они поглощаются растениями низинных болот и аккумулируются в их отмирающих органах. По этой причине в растениях-торфообразователях и торфе низинных болот концентрация тяжелых металлов и других рассеянных элементов более высокая, чем в растениях и торфе верховых болот.
В табл. 4 обобщены результаты изучения рассеянных элементов в разных типах торфа северной части европейской территории России. Концентрация почти всех рассеянных элементов возрастает в низинном торфе, исключение составляет цинк, концентрация которого в верховом торфе выше, чем в низинном. Этот факт, обнаруженный во многих местах и отраженный в числовом значении средних концентраций, очевидно, указывает на более слабую фиксацию цинка торфом по сравнению с другими металлами.
Таблица 4. Средняя концентрация рассеянных элементов в торфе лесной зоны европейской территории России, мкг/г сухого вещества
| Химический элемент | Тип торфа | ||||||||
| верховой | переходный | низинный | |||||||
| М, мг/кг | V, % | М | V | М, мг/кг | V, % | ||||
| Ti | 117,9 | 52 | 210,6 | 89 | 283,8 | 72 | |||
| V | з, о | 37 | 6,8 | 48 | 10,8 | 90 | |||
| Сг | 3,7 | 51 | 4,9 | 51 | 7,8 | 36 | |||
| Мпn | 22,1 | 99 | 43,3 | 98 | 124,8 | 93 | |||
| Со | 0,7 | 81 | 0,9 | 73 | 1,3 | 90 | |||
| Ni | 4,0 | 63 | 4,6 | 77 | 7,0 | 44 | |||
| Сu | 3,6 | 8,5 | 4,7 | 95 | 7,5 | 61 | |||
| Zn | 18,4 | 97 | 8,5 | 90 | 11,1 | 72 | |||
| Ga | 1,2 | 57 | 2,7 | 89 | 3,1 | 78 | |||
| Ge | 0,4 | 76 | 0,2 | 95 | 0,6 | 81 | |||
| Zr | 4,2 | 83 | 11,5 | 97 | 17,9 | 64 | |||
| Mo | 0,3 | 77 | 1,1 | 65 | 1,6 | 68 | |||
| Рb | 3,6 | 64 | 4,5 | 98 | 2,3 | 71 | |||
| Ag | 0,1 | 86 | 0,2 | 105 | 0,2 | 73 | |||
| Y | 0,7 | 68 | 2,4 | 48 | 2,2 | 95 | |||
| Sc | 0,1 | 112 | 0,3 | 102 | 0,3 | 84 | |||
| Sr | 19,6 | 53 | 47,5 | 52 | 55,4 | 40 | |||
Примечание. М – среднее содержание, мг/кг; V– коэффициент вариации, %
3. Роль почвы в регулированииуглерод-кислородного массообменав биосфере
Почва характеризуется высокой биогенностью и насыщенностью живыми организмами, их метаболитами, а также мертвым органическим веществом, преимущественно растительного происхождения.
Деструкция растительных остатков производится почвенной мезофауной – многочисленными беспозвоночными, обильно населяющими верхние горизонты почвы, богатые органическим веществом. Количество беспозвоночных в хорошо увлажняемых ландшафтах меняется от 9 до 60 – 70 т/км2 сырой массы, а в некоторых случаях достигает 200 т/км2 (Чернов Ю.И., 1975). Наибольшая часть массы почвенных беспозвоночных приходится на дождевых червей (до 40–50 т/км2) и членистоногих (до 10–30 т/км2). О размахе их деятельности свидетельствуют данные о том, что дождевые черви на 1 км2 лиственного леса могут переработать за сезон всю массу опавших листьев и перемешать продукты деструкции с минеральной массой, в 10 раз большей.
Ответственная роль в глобальной биогеохимии педосферы принадлежит микроорганизмам: бактериям, актиномицетам, грибам, водорослям, простейшим. Огромное количество и видовое разнообразие свидетельствуют, что почва является самой благоприятной средой их обитания. Масса микроорганизмов в поверхностном горизонте почв в несколько раз превышает массу наземных животных и достигает 2–3 т/га. Суммарная живая масса микроорганизмов во всей педосфере, возможно, близка к 10n×109т; сухая биомасса почвенных микроорганизмов согласно данным X. Боуэна равна 7×109 т.