Закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов в ландшафтах

Аккумуляция химических элементов в аридных ландшафтах часто происходит на испарительных и сорбционных геохимических барьерах.

Основные геохимические черты аридных ландшафтов определяются лимитирующим фактором - дефицитом влаги. Поэтому, в отличие от гумидных ландшафтов, где носителем химической энергии являются поверхностные и грунтовые воды, аридные ландшафты - системы со значительно меньшей рассеивающей способностью. Для них, из-за нейтрализации (поглощения) значительной части выделяющейся при разложении живого вещества химической энергии характерны процессы аккумуляции химических элементов. Элементы питания растений не рассеиваются из ландшафта, почвы обычно богаты питательными веществами.

Пустынные ландшафты.

Пустыни из всех ландшафтов отличаются самым низким годовым количеством осадков, менее 200 мм/год. Годовое количество солнечной энергии довольно велико (45 - 75 ккал/см2), и при достаточном увлажнении такое количество солнечной энергии формирует ландшафты тропических и вечнозеленых лесов. Недостаточное увлажнение ландшафта приводит к относительно малому количеству фитомассы - от 2 до 60 т/га, мортомассы разлагается практически полностью, образование гуминовых веществ не происходит. Полное разложение мортомассы приводит к высвобождению элементов питания, а непромывной режим - к отсутствию их дефицита. Поэтому удельная продуктивность пустынного ландшафта значительно выше, чем, например, удельная продуктивность тропического ландшафта - 20 - 25 %.

Пустынные ландшафты чаще всего образуются как результат деградации (иссушения) других ландшафтов - степных, саванн, тропических лесов.

Большую роль здесь часто играет антропогенный фактор - вырубка лесов, выпас скота, деградация и разрушение почвенного слоя при нерациональном ведении сельского хозяйства.

Геохимия пустынного ландшафта - это геохимия щелочного (содового) ландшафта. Небольшое количество фитомассы и влаги приводит к формированию окислительной обстановки в ландшафте и преобладанию соединений элементов в их высшей форме окисления (Fe³⁺, U⁴⁺, S^VI).

Воды пустынных ландшафтов имеют щелочную реакцию и сильно минерализованы (хлоридно - карбонатно - сульфатно - натриевые), основные формы миграции химических элементов - сложные и комплексные многозарядные анионы (CrO₄^2-, MoO₄^2-, MnO₄^-, [UO₂(CO₃)₃] ₄^-). В целом геохимия пустынного ландшафта мало связана с живым веществом и определяется в основном абиогенными природными факторами.

Химические элементы и их соединения в воздушной среде мигрируют в виде двух форм:

· растворенной, входящей в состав главной фазы природной среды (воздуха);

· взвешенной, представляющей собой непостоянную, механически перемещаемую дисперсную фазу, нестабильную по составу и объемам.

Пространственно-временные особенности поведения химических элементов в этих двух формах обусловлены разными причинами и имеют свою специфику.

Концентрация растворенных загрязняющих веществ регулируется процессами разбавления, а также сорбционного химического взаимодействия (растворение в воде).

Для взвесей концентрация связанных с ними загрязняющих веществ обусловлена их содержанием в дисперсной фазе, количеством дисперсной фазы и скоростью их осаждения, связанной с размерами взвешенных частиц и скоростью воздушного потока.

Многочисленные исследования по оценке фоновой поставки взвешенных веществ из атмосферы на земную поверхность, показывают сильную вариабельность значений. Это обусловлено наличием струйных течений (каналов миграционных потоков) и зон конвергенции, определяющих в совокупности три типа переноса взвешенного материала:

• локальный (в пределах ландшафтов);
• тропосферный (в пределах материков);
• стратосферный (в пределах биосферы Земли).

По источнику образования атмосферные пылевые частицы можно разде­лить на пять категорий:

· пылевые частицы, выдуваемые с континентов (по всей вероятности,
их средний химический состав близок к составу лёсса);

· пылевые частицы растворимых солей, выдуваемые с поверхности океа­нов и морей;

· пыль вулканических извержений;

· пылевые частицы внеземного происхождения;

· пылевые частицы антропогенного (техногенного) происхождения.

По имеющимся данным можно составить количественное представление о массе пылевых частиц, присутствующих в атмосфере. Р. Гаррелс и Ф. Маккензи [Б,58] оценивают среднее количество пыли на всю массу тропосферы это составляет 10,5 ×10¹² г (10,5 млн. т) пыли. Общее количество пыли, попадающей в Мировой океан из стратосферы и тропосферы, оценивается этими авторами значением 60 млн.т/год (в том числе 54 млн.т/год за счет пыльных бурь).

Пылевые частицы внеземного происхождения, представляющие собой частицы космической пыли железо-никелевого и оливин-пироксенового состава, по расчетам Дж. Т. Уоссона и др. [Б, 340], ежегодно выпадают на земную к количестве 10^-3 г/м² .

Об элементах, связанных с морским происхождением судят по составу атмосферных осадков. При удалении от океана на сотни километром, содержание хоридов натрия и калия, а также иода снижается в десять и более раз.

Фоновые выпадения взвешенных веществ на земную поверхность для различных районов характеризуются следующими значениями [ 6 ]:

· плато Колорадо (США) - 100 кг / км² × сутки

· Новая Зеландия - 5 кг/ км² × сутки

· Антарктида - 1 кг/ км² × сутки

· Арктика - 0.006 - 0.06 кг/ км² × сутки

Для Европейской территории России природный фон по пылевым выпадениям оценивается величиной 10 кг/км²×сутки при флуктуациях от 6 до 20 кг/км²×сутки. Для горно-промышленных районов Урала фоновые пылевые выпадения характеризуются величиной 40 - 60 кг/ км² × сутки.

По химическому составу потоки вещества, поступающие из атмосферы, также варьируются в зависимости от природно-климатических условий. Для территории России данные по составу пылевых выпадений приведены в табл.2.2 [ 10 ].

Таблица 2.2. Состав пылевых выпадений из атмосферы для различных природно - климатических зон России

Элемент	Тип миграции	Природно-климатическая зона
		тундровая	лесная	степная
		Плотность выпадения, т/км2× год
K	Фоновый Техногенный	0.14 - 0.34 0.02	0.45 - 1.3 0.1	0.6 - 0.7 0.3 - 2
Na	Фоновый Техногенный	0.54 - 2.2 0.1	0.7 - 2.7 0.25 - 1	1.5 - 2.5 0.25 - 1
Ca	Фоновый Техногенный	0.71 - 1.3 0.1	0.8 - 3.4 0.6 - 1	2.1 - 4 0.45
Mg	Фоновый Техногенный	0.21 - 0.62 0.001	0.27 - 1.15 0.01	0.7 - 1.7 0.05
S	Фоновый Техногенный	0.15 - 0.25 0.2 - 0.9	1 - 2.5 1 - 5	3 - 4 2 - 50
Cl	Фоновый Техногенный	0.5 - 3 0.1	0.5 - 3 0.2 - 0.5	1.5 - 4.5 0.5 - 1
Si	Фоновый Техногенный	0.2 - 0.7 -	2.1 - 4.2 -	5.2 -
Al	Фоновый Техногенный	0.04 - 0.3 0.01	1 - 2 0.1	0.15 - 1.5
Fe	Фоновый Техногенный	0.06 - 0.15 0.15	0.6 - 1 0.2	0.5 - 1 0.2 - 1
Сумма	Фоновый Техногенный	2.55 - 11.1 0.68 - 1.68	7.44 - 21.27 2.49 - 7.94	16.1 - 24.6 4.04 - 57.14

Из приведенной таблицы, что для 9 наиболее распространенных химических элементов наблюдается зависимость химического состава атмосферного миграционного потока от природно - климатических условий. Практически для всех контролируемых элементов увеличивается плотность выпадения при переходе от тундровой к степной зоне. Обращает на себя внимание довольно значительная доля техногенного давления (особенно для серы S), соизмеримая с природным поступлением элементов из атмосферы. Наблюдаемое повышенное техногенное давление для степной зоны связано с более высокой концентрацией в ней промышленности.

При оценке содержания химических элементов в пылевых выпадениях из атмосферы следует иметь в виду, что соотношение природной (фоновой) и техногенной составляющей довольно динамично.

Увеличение в составе атмосферного аэрозоля почвенного материала, характерного для летнего времени, увеличивает общую массу взвеси, но и снижает в ней массовую долю "техногенных " химических элементов.

В биосферных заповедниках, т.е. в эталонных фоновых условиях, большинство тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg,), а также Sb, As, Br, Se - являющиеся индикаторами техногенного загрязнения, находятся в атмосфере, главным образом, в растворенном состоянии (в паро-газовой фазе) [ 11,12 ].

В районах расположения промышленных источников выбросов в атмосферу роль взвесей как источников загрязнения атмосферы тяжелыми металлами резко возрастает.

При анализе особенностей образования техногенных геохимических аномалий за счет выпадений из атмосферных миграционных потоков очень важно знать формы нахождения химических элементов, т.е. соотношение растворенной и взвешенной форм.

Как показывают многочисленные исследования, практически для всех химических элементов на относительно удаленных и сравнительно чистых территориях в выпадениях из атмосферы преобладают растворимые формы. Близ источника выброса с увеличением общей массы выпадающей пыли и степени концентрации в ней элементов резко уменьшается доля растворимых форм. Последнее обстоятельство приводит к длительной устойчивости почвенных техногенных аномалий из-за низкой скорости вымывания нерастворимых форм тяжелых металлов.

Таким образом, формирование техногенных потоков и ореолов рассеивания при атмосферной миграции химических элементов во многом связано с характером распределения твердых взвешенных частиц и формами нахождения химических элементов.

Это касается прежде всего территории, обрамляющей источники выбросов (ближняя зона), наиболее опасной с позиций геохимического загрязнения. По результатам натурных исследований установлено, что в атмосферных выпадениях вблизи источника выброса фиксируется лишь 20 - 30% массы выброса. Остальная часть его рассеивается атмосферными миграционными потоками, поступает в региональные и глобальные миграционные циклы, создавая "фоновое" загрязнение объектов биосферы [13 ].

В результате атмосферной миграции техногенных загрязнений возможны два принципиально различных типа нагрузки химических элементов на земную поверхность: