Лекция № 9. Классификация биогенных ландшафтов
Классификация биогенных ландшафтов
Количество живого вещества
В живом веществе ландшафта абсолютно преобладает фитомасса она в 700 – 800 раз превышает зоомассу и массу микроорганизмов. Так как зоомасса составляет незначительный процент биомассы, во всех дальнейших расчетах используются данные только о фитомассе.
Подавляющая часть фитомассы сосредоточена на материках, где она распределена крайне неравномерно: ее много в тропических лесах (6500 ц/га), меньше в южной тайге (около 3000 ц/га), еще меньше в черноземных степях (около 100 ц/га) и совсем мало в некоторых пустынях. Большая часть живого вещества представлена лесами (82 % от фитомассы суши), среди которых преобладают леса тропиков. Фитомасса океана составляет лишь 0,007 % от всей фитомассы. По количеству живого вещества на 1 га океан близок к пустыням, но и в нем есть сгущения жизни, к которым относятся, например, коралловые рифы, Саргассово море, выходы термальных вод, зона апвеллинга – подъема к поверхности глубинных вод, богатых Р и другими биоэлементами.
Важным геохимическим параметром является и ежегодная продукция живого вещества П. На материках средняя годичная продукция фитомассы равна 115 ц/га, в океане – 17 (для планеты в целом – 45). В океане годичная продукция живого вещества П в 3000 раз больше фитомассы Б (на суше П
Группа А. Ландшафты с максимальной аккумуляцией солнечной энергии, лишь незначительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических процессов. Это лесные ландшафты, в которых биомасса в десятки раз превышает ежегодную продукцию (Б измеряется тысячами ц/га, П – десятками и сотнями). Под пологом деревьев создается микроклимат, состав атмосферы меняется. Преобладающая часть живого вещества, как правило, расположена над поверхностью почвы: масса стволов и листьев намного превышает массу корней. В лесных ландшафтах наиболее резко проявлена способность организмов создавать среду своего обитания, они интенсивно преобразуют окружающую среду. Для ландшафтов группы А характерна высокая когерентность – интенсивные прямые совершенные водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами, ярко выражен водораздельный центр. Ландшафт отличается сложностью и устойчивостью. Биокосные отрицательные обратные связи проявляются слабо.
Группа В. Ландшафты со средним накоплением солнечной энергии, биомассой в сотни и десятки ц/га, значительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических процессов. Это степные, луговые и частично саванновые ландшафты. Ежегодная продукция (П) в данной группе значительна и местами не уступает группе А. В связи с этим Б : П на порядок меньше, чем в лесах. Запасы гумуса в 10 – 20 раз превышают биомассу. Роль организмов в создании среды обитания и, в частности, в создании микроклимата меньше. Основная масса живого вещества часто сосредоточена под поверхностью почвы, т.е. масса корней больше массы надземных органов растений. Прямые водные связи менее совершенны, чем в группе А, в частности, ослаблены связи почва – грунтовые воды. Ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь: почва – растительность. Роль водораздельного центра ослаблена, в речных долинах создается второй центр ландшафта, часто более важный (“бицентрическая система”). Самоорганизация и устойчивость ландшафтов ниже, чем в группе А.
Группа С. Это ландшафты тундр и особенно верховых болот со средним и малым накоплением солнечной энергии и медленным ее превращением в энергию геохимических процессов. Биомасса в них составляет десятки и сотни центнеров на гектар, ежегодная продукция низкая. Способность растений улучшать среду обитания выражена слабо. По интенсивности прямых водных связей и величине Б : П тундры ближе к лесной группе, а по размерам биомассы, развитию обратных биокосных связей – к степям и лугам. Большое значение имеют прямые воздушные связи. Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие и напоминают пустыни.
Группа D. Ландшафты среднего и малого накопления солнечной энергии и малого ее влияния на энергию геохимических процессов. Таковы многие ландшафты пустынь, для которых характерны небольшие Б и П, низкая когерентность. Прямые водные связи ослаблены, отдельные природные тела почти независимы друг от друга (элювиальная почва – грунтовые воды и т.д.). Резко выражены прямые воздушные связи. Это ландшафты с наименее совершенной, наиболее расшатанной связью. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшими разнообразием,самоорганизацией, устойчивостью.
Группа Е. Ландшафты с крайне малым накоплением солнечной энергии — ничтожной биомассой. К этой группе относятся такыры, шоровые солончаки, скалы, покрытые лишайниками, и другие примитивные пустыни. Биомасса здесь местами менее 1 ц/га, отношение Б : П различно. Организмы неглубоко проникают в толщу литосферы (мощность ландшафта низкая). Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие.
Формирование ландшафтов А, В, С и D групп в основном определяется климатом, в связи с чем важнейшая закономерность их размещения – зональность (лесная, степная, тундровая, пустынная и прочие зоны). Однако в ряде случаев развитие групп обусловлено другими факторами, наблюдается незональное размещение (например, верховые болота в таежной зоне, шоровые солончаки – в пустынной и т.д.).
Границы между А, В и С группами резкие (контрастные), а между В, D и Е – постепенные (размытые), не всегда точно определяемые. С этим, например, связаны методические сложности разграничения сухих степей и пустынь, выделение таких “переходных образований”, как “полупустыни”.
Группы ландшафтов состоят из типов с разной величиной Б и П. Так в группе А четко выделяются влажные тропики, широколиственные леса, таежные ландшафты. Для создания определенной массы живого вещества необходима особая структура биоценоза, качественно своеобразное сочетание видов животных и растений. Поэтому выделенные типы ландшафтов в общем отвечают типам растительного покрова, а также типам ландшафтов физико-географических классификаций.
Для формирования типов ландшафтов характерны строго определенные (“квантованные”) уровни ежегодной продукции живого вещества. Выход за пределы уровней означает переход в другой тип. Поэтому границы между типами резкие. Вместе с тем изменение факторов формирования типов – тепла и влаги происходит постепенно. Следовательно, несмотря на то, что факторы формирования ландшафтов изменяются постепенно и могут принимать любые значения (непрерывное распределение), возможны лишь вполне определенные, четко ограниченные друг от друга (“квантованные”) типы ландшафтов.
Благодаря самоорганизации, относительной самостоятельности ландшафта, способности к саморегулированию некоторые вариации тепла и увлажнения в пределах типа не влияют на тип растительного покрова. Поэтому неоднократные попытки представить все типы растительного покрова и ландшафтов как функцию физического состояния системы, игнорируя природу процессов образования живого вещества, методологически несостоятельны. В отдельных случаях, напротив, подобное соответствие возможно.
Типы делятся на отделы (в группах А и В по величине К = lgП : lgБ), а в пределах отделов по величине Б и П выделяются три основных семейства ландшафтов: северное, среднее и южное. В таежном типе это северная, средняя и южная тайга. В тундровом типе – северная тундра (арктическая), средняя (мохово-лишайниковая) и южная (кустарниковая). В типе сухих степей – северное семейство на темнокаштановых почвах и южное – на светлокаштановых. Некоторые типы состоят из четырех и пяти семейств, но в общем их число невелико: возможности варьирования Б и П в пределах типа ограничены, выход за известные пределы приводит к коренной перестройке структуры ландшафта, к переходу его в другой тип. Критерии выделения семейств подлежат уточнению. Как и для типов главный фактор формирования семейств – климат, главная закономерность размещения – зональность. Они образуют подзоны в пределах ландшафтных зон.
Для семейств и классов геохимических ландшафтов, принадлежащих к одному типу, несмотря на различия величин Б и П, нередко характерно постоянство отношения lgП : lgБ, которое обозначается символом К (А.И. Перельман). Особенно наглядна эта зависимость в группе лесных ландшафтов. Так, для влажных тропиков данный коэффициент равен 0,64 0,66. Известно, что в гилее условия для лесной растительности благоприятнее, чем в манграх, в связи с засоленностью последних, восстановительной средой в почвах. Это находит отражение в резком различии биомассы (6000 и 1300 ц/га) и ежегодной продукции (270 и 100). Однако коэффициент К (lgП : lgБ) одинаков и равен 0,64. Это позволяет относить гилею и мангры к одному типу геохимических ландшафтов – влажным тропикам. Таким образом, в рассматриваемом случае коэффициент К имеет систематическое значение.
Для ландшафтов широколиственных лесов характерна меньшая величина К, чем для влажных тропиков. В этом типе “закономерность К” не столь явна, как при сравнении гилеи и мангров – Б и П не столь контрастны, а К не столь постоянен. Тип “ландшафты широколиственных лесов” включает в себя несколько следующих единиц геохимической систематики – отделов. Например, ландшафты широколиственных лесов европейской России и Дальнего Востока относятся к разным отделам. Возможно, в данном случае коэффициент “К” служит для выделения не типа, а отдела.
Для таежных ландшафтов характерна еще меньшая величина К, порядка 0,50 – 0,55. Здесь особенно мала величина П, в то время как Б может быть близка и к широколиственным лесам и даже к влажным тропикам. Рассмотрим ландшафты тайги европейской России, для которых характерна та же закономерность, что и для влажных тропиков – различия Б и П при близких значениях К. Так, в северной, средней и южной тайге величины Б и П резко различны, но К близки (табл. 3.2). Это и дает основание относить рассматриваемую тайгу к одному отделу, а ее северные, средние и южные представители — к разным семействам в пределах отдела. Так на примере влажных тропиков, широколиственных лесов и тайги наметился объективный геохимический количественный критерий выделения в пределах лесной группы и ее типов ландшафтов следующего таксона – “отдела ландшафта”.
В ландшафтах группы В – саваннах, степях, лугах и травяных болотах коэффициент К значительно выше, чем в лесных ландшафтах, т.к. ежегодная продукция не намного меньше биомассы (К более 0,70, часто более 0,90). В какой степени этот коэффициент пригоден для выделения отделов менее ясно, чем для группы А.
Коэффициент К в ландшафтах группы С – тундрах и верховых болотах также проявляется на уровне отделов. Для группы D – пустынь систематическое значение коэффициента К не установлено.
2 Три аспекта геохимической деятельности организмов. Закон Вернадского.
Геохимическая деятельность организмов имеет, таким образом, следующие аспекты:
1. Организмы как непосредственные концентраторы элементов, в результате деятельности которых образуются горные породы с органоморфной структурой и текстурой: угли, коралловые известняки, диатомиты, торф и др.
2. Живое вещество как фактор, определяющий физико-химические условия миграции элементов в данной биокосной системе – почве, ландшафте, водоносном горизонте и т.д. (восстановительная среда в местах гниения органических веществ, резко окислительная в зоне фотосинтеза водных растений и т.д.).
3. Суммарный эффект деятельности живого вещества за геологическую историю. Организмы выступают в качестве важнейшего фактора миграции элементов, определяющего всю геохимию земной коры – формирование кислородной атмосферы, образование известняков, гранитов и других горных пород.
Первый аспект признавался всегда, роль второго часто недооценивалась, а третий был установлен только исследованиями В.И. Вернадского. Именно он показал, что миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2 , СО2 , Н2S и т.д.) обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет данную биокосную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в течение геологической истории. Это положение было предложено именовать законом Вернадского (формулировка А.И. Перельмана).
Тема: Геохимия почв
1. Отличие элювиальных почв от коры выветривания.
Источник статьи: http://studopedia.su/10_37836_lektsiya—.html
Лекция 18. История развития ландшафтной оболочки Земли
История развития ландшафтной оболочки Земли.
Общие закономерности геохимической эволюции биосферы и ландшафтов.
Во многих регионах ландшафты пережили сложную историю, развиваясь непрерывно в течение миллионов и десятков миллионов лет. За это время неоднократно менялись климат и тектонические условия, эволюционировал органический мир. В этой связи важны идеи о первых этапах развития ландшафтов, о реликтовых признаках в ландшафтах, циклах формирования коры выветривания. Еще в 1925 г. ученый писал, что в каждом ландшафте имеются реликтовые части — наследие былых геологических эпох, иных климатических и тектонических условий. Изучая эти реликты, можно восстановить историю ландшафта, лучше понять его современное состояние. Поэтому историзм — один из важнейших методологических принципов геохимии ландшафта
Необратимая эволюция земной коры, биосферы и ландшафтов. В ходе геологической истории увеличивалась мощность гранитного слоя, разрастались платформы, уменьшался объем и мощность вулканогенных формаций, возрастала относительная роль поднятий, континентального осадконакопления, наземного вулканизма, кислых интрузий и, соответственно, уменьшилось значение опусканий, морского осадкообразования, подводного вулканизма и основных интрузий. Наиболее резкие изменения произошли в биосфере. Так, в докембрии не было высших растений, только в девоне появились лесные ландшафты, в неогене — степи, в четвертичном периоде — тундры. По , эволюция систем земной коры направлена в сторону увеличения сложности и разнообразия. В более ранние эпохи дифференциация биосферы была меньше. По , в ходе геологической истории росло разнообразие химических типов природных вод. В наибольшей степени увеличение разнообразия и сложности характерны для эволюции жизни: организмы становились сложнее, число видов увеличивалось (водоросли — покротосеменные, одноклеточные животные — млекопитающие). Разнообразнее и сложнее становились почвы, илы, ландшафты.
Развитие земной коры и биосферы в сторону увеличения сложности и разнообразия, т. е. роста негэнтропии (уменьшения энтропии), естественно, не происходило самопроизвольно. Для этого был необходим непрерывный приток энергии — в первую очередь солнечной, но также радиоактивной и другой. Это определило неравновесность биосферы, ее богатство свободной энергией. Напомним, что главный механизм превращения солнечной энергии в химическую — биологический круговорот атомов — бик.
Увеличение сложности и разнообразия биосферы не было монотонным — в отдельные эпохи происходили скачки в накоплении неорганической и биологической информации. В «критические эпохи» вымирали большие систематические группы растений и животных, существовавшие в течение десятков миллионов лет, быстро развивались отдельные систематические группы. Так, в начале кембрия в морях резко возросло число видов беспозвоночных, в конце мезозоя вымерли крупные ящеры, в начале палеогена бурно развились млекопитающие.
Периодичность развития земной коры, биосферы и ландшафтов. Повторение в геологической истории складчатости, горообразования, влажного и сухого климата придавало геохимическим процессам разных эпох общие черты. Однако эти процессы развивались на фоне общего необратимого прогрессивного развития земной коры и биосферы, в связи с чем полной повторяемости не было. Поэтому символом периодичности служит не круг, а, как подчеркнул , циклоида — линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса. Продолжительность каледонского, герцинского и альпийского тектоно-магматических циклов в общем отвечает галактическому году — времени обращения Солнца вокруг центра Галактики, равному примерно 180—220 млн. лет. С этими циклами коррелирует и периодичность в биосфере. Выделяют и более короткие тектонические циклы продолжительностью 88 млн. лет ± 22; 44 млн. лет ± 11; 22 млн. лет; 5,5 млн. лет ± 2 и т. д. Установлены и периодические изменения климата 400 000 ± 50 000; 200 000 ± 50 000; 45 000 ± 25 000; 11 000 ± 8 000 лет.
Каждый крупный цикл развития биосферы в фанерозое характеризовался в начальных и завершающих стадиях регрессиями морей, горообразованием, широким развитием аридных и семиаридных ландшафтов, сокращением биомассы, количества органического углерода в осадках, а также карбонатонакопления в морях. Это нижний кембрий, силур — нижний девон, верхняя пермь — средний триас, неоген-четвертичный. В такие эпохи усиливалась динамика подземных вод, увеличивалась мощность зоны активного водообмена, роль окислительных нейтральных и щелочных процессов. Роль живого вещества уменьшалась (). При тектонических поднятиях кора выветривания смывалась, и на земную поверхность выходили коренные породы, богатые Са, Mg и Nа, руды, содержащие тяжелые и радиоактивные металлы. Сухой климат не способствовал выносу подвижных элементов, и организмы находили в почвах и водах значительное количество металлов, подвергались более сильному радиоактивному облучению. Условия минерального питания резко менялись, и это не могло не отразиться на эволюционном процессе. Высокое содержание Са, Р, К благоприятствовало жизни, повышенное содержание в районах рудных месторождений Cu, Pb, Zn и других металлов могло быть вредным. Роды и виды, приспособившиеся в условиях предшествующей влажной эпохи к бедному минеральному питанию, частично вымирали, частично приспосабливались к новым условиям. Эпохи горообразования, развития карбонатной коры выветривания, вероятно, были эпохами качественных изменений эволюционного процесса, «взрыва видообразования», возникновения новых видов, родов, семейств. Это были эпохи хорошего минерального питания животных и растений, хорошего развития скелета. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также оказывало влияние на эволюцию.
Срединные стадии биосферных циклов отмечены крупными трансгрессиями морей, пенепленизацией рельефа, смягчением и увлажнением климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в осадках, энергичным вулканизмом и поступлением СО2 в атмосферу (ордовик, верхний девон — карбон, мел-палеоген). Это эпохи уменьшения мощности зоны активного водообмена, усиления роли кислых и кислых глеевых процессов. Организмы слабо обеспечивались Са, К и Nа, встречали в окружающей среде мало тяжелых металлов и радиоактивных элементов. Эволюция в срединные стадии, очевидно, происходила качественно по-иному, чем в эпохи горообразования.
Проблема «вулканизм и жизнь» издавна привлекала внимание. Еще в ХIХ в. С. Аррениус писал, что прекращение вулканизма означало бы конец жизни, а Г. Шухерт связывал обилие жизни с количеством СО2 в атмосфере. В начале ХХ в. утверждал, что энергичное поступление СО2 в атмосферу в эпохи вулканизма вело к развитию растительности (усилению фотосинтеза) и накоплению углей. Между вулканизмом и геохимией биосферы существует следующая связь:
поступление СО2 в атмосферу при извержениях — усиление фотосинтеза и энергичное разложение органических остатков — формирование мощной коры выветривания и вынос из нее металлов — углеобразование в болотах — интенсивное оглеение в болотах и миграции Fe — осаждение сидеритов и образование белых каолиновых глин — накопление карбонатных осадков в морях ().
, и рассмотрели историю СО2 и О2 в атмосфере фанерозоя. Изучение литологических формаций мира показало связь между объемом вулканитов и массой карбонатных осадков, с которой связано количество СО2 в атмосфере. Авторы построили кривую изменения содержания СО2, которое преимущественно колебалось от 0,1 до 0,4%. С этим связывают преобладание теплых климатов — «парниковый эффект». В неогене содержание СО2 резко уменьшилось и началось похолодание. Знание количества органического углерода в осадочных породах континентов позволило рассчитать и содержание О2 в былых атмосферах.
В каледонском цикле максимальное содержание обоих газов было в ордовике,
в герцинском — в нижнем карбоне,
в альпийском — верхней юре и нижнем мелу;
минимальные содержания приходятся на нижний кембрий, нижний девон и средний триас. С изменением химического состава атмосферы авторы связывают эволюцию организмов.
Катастрофические космические факторы в истории биосферы. Л. Альварес и другие исследователи обнаружили в осадочных породах многих районов земного шара (возрастом 65 млн. лет назад) аномалию иридия. С этой границей мезозоя и кайнозоя связана исключительно резкая перестройка фауны, гибель около 75% видов животных, в том числе динозавров. Причина «великого мелового вымирания» давно привлекает внимание, высказывались различные гипотезы, но ни одна из них не была доказана. Кларк Jr в литосфере континентов равен 2.10-8%, но в пограничном слое его содержание оказалось выше в десятки и сотни раз. Обогащены Jr и каменные метеориты (4,8.10-5%). Это послужило основанием для гипотезы о столкновении Земли на границе мела и палеогена с астероидом диаметром 10 км. Подобная космическая катастрофа должна была привести к сильному запылению атмосферы, резкому кратковременному похолоданию и вымиранию фауны. С возрастом иридиевой аномалии в осадках в общем совпадает и формирование мировой рифтовой системы.
О гипотезе Альвареса высказывались и критические замечания: смена фауны происходила быстро только в геологическом смысле, т. к. она охватывает миллионы лет, аномалии Jr обнаружены также в газах вулкана Килауэа на Гавайских островах и т. д.
Иридиевые аномалии установлены также на границе венда и кембрия (570 млн. лет), перми и триаса (248 млн. лет), в туроне (90 млн. лет), среднем — позднем эоцене (40 млн. лет), в торфе 1908 г. в районе так называемой тунгусской катастрофы. В некоторых погребенных слоях установлены аномалии осмия, изотопного состава О и С.
Многие геологи полагают, что бомбардировка земной поверхности метеоритами происходила на протяжении всей истории Земли, ее следами служат астроблемы — кольцевые структуры типа кратеров, обнаруженные в штате Аризона (США), на о. Саарема в Эстонии, в Восточной Сибири и других регионах. Образовавшиеся при ударе породы — импактиты нередко также обогащены Jr. Л. Норман, Н. Прайс полагают, что удары крупных метеоритов приводили к формированию кольцевых структур радиусом более 1000 км. Ударные кольцевые структуры хорошо выявляются космическими съемками. Геохимия ландшафтов астроблем пока не изучена, это актуальная задача науки.
Эволюция ландшафтно-геохимических условий отчетливо разделяется на 3 главнейших этапа: 1) условно абиогенный (катархей), 2) биогенный (архей-кайнозой), 3) техногенный (современный). Каждый этап состоит из стадий, а они — из геохимических эпох.
Этот этап в значительно степени является гипотетическим, ибо возраст древнейших горных пород и находок древнейших организмов или продуктов их обмена веществ почти совпадают – около 3,5 млрд лет. Возраст земной коры оценивается около 4,5 млрд. лет, и абиогенный этап занимает 1 млрд. лет. Этот этап характерен для Марса и других планет земной группы, но для Земли гипотетичен, так как возраст древнейших горных пород и находок древнейших организмов или продуктов их обмена веществ почти совпадает. Магматизм в катархее был примитивным базальтовым, который определял состав атмосферы и гидросферы. Атмосфера содержала двуоокись углерода, углекислый газ, азот, хлороводород, фтороводород, водород и другие газы. Иным был и первичный океан. Для этого периода характерны господство восстановительной среды в атмосфере и водах, высокая миграционная способность Fe и Mn и низкая S. Для этого этапа предполагают широкое распространение вулканизма и преобладание на суше основных лав. Предполагается, что метеоритная бомбардировка приводила к образованию астроблем, аналогичных кратерам Луны, Меркурия и Марса. При ударной дегазации земной поверхности, как показали эксперименты и , из пород могли выделяться H2O, CO2, SO2, N2, O2, H2, CO, H2S, COS, CS2, HCN. По мнению этих авторов, данные газы участвовали в создании ранней атмосферы и гидросферы планеты. Свободный кислород в ней не накапливался из-за его участия в окислительных реакциях, а водород — из-за диссипирования в космос. Таким образом, в гипотетических катархейских абиогенных ландшафтах преобладала восстановительная среда, в них, вероятно, формировались коры выветривания и континентальные отложения, но почв еще не было. Геохимические различия между ландшафтами были невелики, и поверхность материков представляла монотонную безжизненную пустыню.
Биогенный этап. Возникновение этих ландшафтов связано с проблемой возникновения жизни, которая решается неоднозначно. Этот этап принято подразделять на три подэтапа: восстановительный, окислительный и окислительно-восстановительный.
1.Восстановительный подэтап — стадия развития биогенных восстановительных ландшафтов занимает период в 1200 млн. лет (3,4 – 1,4 млрд. лет назад, архей, нижний протерозой, низы рифея). Возникновение биогенных ландшафтов тесно связано с проблемой происхождения жизни, которая решается неоднозначно. Полагают, что органические соединения в углистых хондритах и лунных породах возникли в космических условиях. Эти соединения могли синтезироваться и в первичной земной коре: из СН4, NН3, СО2 под влиянием нейтронов и протонов космических лучей, электрических разрядов, коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивного излучения и других источников энергии могли создаваться сложные органические соединения. В 50-х годах С. Миллер (США), пропуская электрический разряд в системе СН4 — NН3 — Н2О, синтезировал мочевину, муравьиную кислоту и формальдегид. Позднее были синтезированы аминокислоты — основа жизни. Следовательно, ранее 4 млрд. лет назад гидросфера вполне могла содержать РОВ (растворенные органические вещества). В этом «первичном бульоне», по гипотезе —Д. Холдейна, и зародилась жизнь. Абиогенный синтез аминокислот и других органических соединений мог происходить и в гидротермах вулканических ландшафтов. Согласно этой гипотезе, первые организмы питались готовыми органическими соединениями «бульона», органического фотосинтеза в то время не было. Небольшое количество О2 в атмосфере, возможно, возникало за счет фотодиссоциации воды. Однако этот сильный окислитель все время должен был расходоваться на окисление минералов. Наряду с приведенными построениями предполагался занос жизни из космоса в виде спор бактерий, высказаны и другие гипотезы.
Возникшие в первичном океане первые организмы были гетеротрофами и питались готовыми органическими соединениями. Сотни миллионов лет жизнь на Земле была строго ограничена в своем распространении. Губительные ультрафиолетовые лучи определяли безжизненность земной поверхности и верхнего слоя водоемов (до глубин в 10 м). Примитивная жизнь, по гипотезе голландского ученого М. Руттена, была представлена бентосными организмами, обитавшими на дне озер, в прибрежных участках морей и океанов на глубине свыше 10 м. Таким образом, первые биогенные ландшафты были субаквальными. Возникшая биосфера была без органического фотосинтеза. Следы сине-зеленых водорослей и бактерий обнаружены в породах с возрастом в 3,5 млрд. лет. Установлена биогенная природа углерода, хотя в архейских породах он присутствует в форме графита.
На преобладающей части суши господствовали абиогенные ландшафты, в которых преобладали восстановительные условия, в основном глеевая среда. В результате интенсивного вулканизма атмосфера была богата углекислым газом, что определяло высокую миграционную подвижность железа и марганца и их вынос из кор выветривания в форме бикарбонатов.
За счет фотодиссоциации воды в атмосфере могло содержаться некоторое количество кислорода и озона (по расчетам американского геохимика Г. Юри – до 0,001 современного количества), но оно полностью расходовалось на окисление минералов. О господстве восстановительной среды в ландшафтах свидетельствуют пиритовые пески, железорудные формации типа железистых кварцитов и золото-урановые конгломераты, характерные для раннего докембрия. В ландшафтах господствовала глеевая среда, контрастность оксилительно-восстановительных условий была меньше современной, не было ни столь низких значений Еh потенциала как в болотах и солончаках, ни столь высоких как в реках, корах выветривания.
Специфические геохимические условия этого периода определили многие особенности геохимии современных ландшафтов и биохимии живых организмов. Известно, что в литосфере сильные катионы преобладают над сильными анионами. Натрий, калий, кальций и магний в сумме составляют 9,83%, а элементы, образующие сильные анионы – хлор, сера, фосфор, ванадий и азот – лишь 0,17%. Такое соотношение определяет преобладание катионов над анионами (не считая ОН-) в растворах первичных почв, т. е. развитие сильно щелочной глеевой среды. Организмы примитивных пустынь рифея поглощали все растворимые вещества, и в их телах могла создаться вредная для жизни резко щелочная среда. В ходе борьбы с этим неблагоприятными условиями постепенно эволюционным путем мог сформироваться механизм обратной отрицательной связи – способность поглощать сильные анионы в десятки раз сильнее, чем сильные катионы, и тем самым нейтрализовывать щелочную реакцию внутри организма. Возможно этими же причинами объясняется амфолитоидная природа многих белков и других органических соединений, их «буферная способность» понижать очень высокий или поднимать очень низкий рН. Вероятно, постепенно, эволюционным путем на основе механизма обратной связи создавалась и кислая природа гумуса, которая обеспечивала связывание части катионов в почвах и усреднение реакции. Таким образом, предполагают, что различная интенсивность биологического поглощения катионов и анионов, амфолитоидная природа белка, кислая реакция гумуса сформировались уже на первых этапах формирования ландшафта как результат приспособления жизни к условиям окружающей среды. Это свойство живого вещества закрепилось наследственностью, хотя в современных ландшафтах они утратили свое приспособительное значение. Таким образом, жизнь в момент своего возникновения в еще большей степени, чем сейчас зависела от химических и термодинамических свойств окружающей среды. Свойства среды в то время во многом определяли химический состав организмов и их геохимические функции. В дальнейшем эволюция организмов протекала в тесном взаимодействии со средой, причем постепенно стало развиваться обратное воздействие организмов на среду.
Сопоставление с современными водорослями и бактериями позволяет предполагать, что докембрийские организмы накапливали, наряду с кислородом, углеродом и водородом, очень многие элементы, в том числе кремний, железо, стронций, иод, кальций, алюминий. Но последние накапливали только определенные группы организмов. Количество этих групп уменьшается при переходе от низших форм к высшим. До настоящего времени все организмы накапливают азот, кислород, углерод, водород. Но по мере развития живых организмов, их совершенствования, количество накапливающихся элементов уменьшалось. Например, среди позвоночных нет концентраторов, которые накапливают кремний, железо, стронций, иод. В процессе эволюции организмы освободились от присущих им ранее геохимических функций, но соответствующие элементы продолжают выполнять в их телах определенные физиологические функции –железо в гемоглобине, йод – в щитовидной железе и т. д. Таким образом, жизнь в докембрии пробовала различные варианты бика, вовлекала в биогенную миграцию различные элементы, пока в ходе эволюции не возник оптимальный бик, свойственный современным ландшафтам
2.Окислительный подэтап — стадия развития окислительных биогенных ландшафтов, связанная с обогащением атмосферы кислородом, длилась около 1200 млн. лет и завершилась 400 млн. лет назад (рифей, нижний палеозой). Хотя начало фотосинтеза обычно датируется 1700-2000 млн. лет назад, но его появление не привело сразу же к насыщению атмосферы кислородом. Проведенные исследования показывают (Л. Беркнер, Л. Маршалл, ), что насыщение атмосферы кислородом произошло лишь в рифее (т. е. 1200 млн. лет назад). Есть расчеты, говорящие о том, что окислительная атмосфера возникла уже 2200 млн. лет назад. Лишь когда содержание кислорода составило 0,01 современного количества, жизнь могла полностью освоить озера и верхние горизонты океана, но суша еще оставалась безжизненной. В водоемах появились организмы, способные дышать кислородом, кроме бентоса стал развиваться планктон. При содержании кислорода 0,1 от современного количества, возник озоновый экран, способный защищать жизнь на поверхности суши. Появилась наземная флора. Это произошло, возможно, в начале силура (400 млн. лет назад). Но возможно образование кислорода шло быстрее и суша начала осваиваться жизнью еще в докембрии.
Особенности развития растительного покрова определяют подразделение этой стадии на два этапа: примитивные рифейские пустыни и примитивные нижнепалеозойские пустыни.
Примитивные рифейские пустыни. Геологические данные середины рифея свидетельствуют об активных окислительных процессах (формирование красноцветных толщ и появление сульфатов). Биологический круговорот был в это время примитивный, и осуществлялся простейшими животными, водорослями и бактериями. Атмосфера содержала еще много углекислого газа, что определяло высокую растворимость карбонатов кальция, воды были недонасыщены этим соединением и животные, вероятно, не могли концентрировать карбонаты кальция в своем теле. Этим объясняет отсутствие известкового скелета у докембрийских беспозвоночных. Накопление СаСО3 в это время осуществлялось только морскими синезелеными водорослями, которые отложили огромные толщи известняков, очистив тем самым атмосферу от СО2, содержание которого было в начале кембрия даже меньше современного. Это привело к массовому развитию в начале кембрия беспозвоночных с известковым и фосфатным скелетом.
В ландшафтах докембрия отсутствовали большие массы мертвого органического вещества, так как мы не знаем угольных месторождений этого возраста. Исходя из этого можно предположить, что в ландшафте отсутствовала восстановительная обстановка и в автономных и подчиненных ландшафтах господствовала окислительная среда.
На Земле в это время существовала дифференциация ландшафтов, связанная с зональностью и другими факторами (орография, оледенения). Однако, примитивность биологического круговорота определяла большое геохимическое однообразие ландшафтов. Основная часть территории суши была занята монотонной окислительной пустыней, в полярных районах господствовали абиогенные ландшафты.
Примитивные нижнепалеозойские пустыни. (0,7-0,4 млрд. лет) Нижний палеозой (кембрий, ордовик, силур) характеризуются развитием высших наземных растений – псилофитов, первых плаунов и папоротников. Это были небольшие кустарники, растущие в сырых местообитаниях. В кембрии возникает фауна с известковым, фосфатным и кремнистым скелетом. Их появление объясняют уменьшением содержания углекислого газа. Уменьшение этого газа могло привести к похолоданию и оледенению.
В силуре появились первые наземные животные – скорпионы, многоножки.
Автономные ландшафты оставались примитивными пустынями, а в подчиненных формировались более разнообразные псилофитовые ландшафты. Но и в автономных и в подчиненных ландшафтах господствовали окислительные условия. Геохимическая контрастность была еще очень низка. В автономных ландшафтах восстановительные геохимические барьеры, задерживающие молибден, свинец, медь и другие металлы, отсутствовали. А в подчиненных ландшафтах к концу этого периода накапливается большое количество органического вещества, которое поглощает часть элементов, выносимых из кор выветривания и в водоемах, в илах создаются восстановительные глеевые условия и глеевые барьеры.
Каледонский орогенез обусловил резкую дифференциацию климата, что привело к горизонтальной климатической дифференциации ландшафтов (разделению на сухие и влажные пояса) и формированию высотной поясности.
3.Окислительно-восстановительный подэтап — стадия развития окислительно-восстановительных биогенных ландшафтов 400 млн. лет – современный период (вторая половина палеозоя, мезозой, кайнозой). Окислительно-восстановительная стадия развития начинает формироваться с девона. В подчиненных ландшафтах накопление органического вещества приводит к развитию восстановительных условий. В автономных ландшафтах по-прежнему сохраняется окислительная среда, т. е. происходит дифференциация геохимических условий. В дальнейшем развитие биологического круговорота привело к возникновению восстановительных условий даже в некоторых автономных ландшафтах (тундра, верховые болота, мерзлотная тайга).
Окислительно-восстановительная стадия самая короткая, но самая изученная. Ее принято подразделять на три периода.
Геохимические ландшафты второй половины палеозоя (400-250 млн. лет назад). Начало девона отмечено регрессиями морей, широким распространением аридных климатов, красноцветных отложений, низким содержанием углекислого газа и кислорода в атмосфере. Но все же содержание углекислого газа было больше современного (0,087%). Усиление вулканизма в среднем и верхнем девоне привело в карбоне к обогащению атмосферы углекислым газом (самое высокое содержание за весь фанерозой) и максимуму кислорода. Это вызвало «взрыв видообразования». В дальнейшем содержание углекислого газа колебалось, а содержание кислорода уменьшалось, достигнув минимума в верхней перми и триасе. Основные событие этого периода – смена псилофитовой растительности на более высокоорганизованную папоротникообразную и формирование первых лесных ландшафтов. В подчиненных ландшафтах также возникает новый тип ландшафта – лесные болота. Наибольшего развития эти ландшафты получили в карбоне. Сформировалась «вестфальская флора», представленная плаунами, папоротниками и хвощами, которые имели высоту несколько десятков метров и ширину стволов в 1-2 м. Подчиненную роль в этих лесах играли примитивные голосеменные. В автономных ландшафтах интенсивно протекал бик, ежегодно разлагалось большое количество органического вещества, определяя кислую реакцию почвенных растворов и глубокое разложение подстилающих пород. Формировались мощные каолиновые коры выветривания. Существовали, вероятно, все основные классы ландшафтов влажных тропиков кислый (автономные ландшафты), кислый глеевый (подчиненные лесные болота), Са-класс (на известняках) и натриево-сероводородный (мангры). В болотах шло интенсивное оглеение, вынос железа и марганца.
Накопление огромной массы органических веществ привело к усилению процессов кислого выщелачивания и минеральному голоданию. Биологический круговорот привел к противоречию между световым и минеральным питанием растений, растения сами стали ухудшать условия своего существования. Это противоречие послужило очевидно, одной из движущих сил эволюции – естественный отбор действовал в направлении преодоления этого противоречия. В конце перми многие папоротникообразные вымерли, уступив место голосеменным растениям (гингковые, хвойные, цикадовые).
В этот период, наряду с влажнотропической вестфальской зоной существовали две влажноумеренные зоны: тунгусская и гондванская, где бик отличался меньшей интенсивностью, арктической флоры не было. На материке Гондвана располагались аридные районы с примитивными пустынями.
Геохимические ландшафты мезозоя – верхней перми, триаса юры и нижнего мела (250 –100 млн. лет назад). Основной особенностью этого периода была дальнейшая дифференциации и усложнение ландшафтной оболочки Земли. Большую площадь занимали мезофитные влажные тропики с господством голосеменных. Геохимическое сопряжение было прежним – автономные ландшафты с окислительной средой и мощной кислой корой выветривания и подчиненные ландшафты с лесными болотами и восстановительной глеевой обстановкой. Хвойные растения имеют малую зольность, поэтому в лесных автономных ландшафтах биогенная аккумуляция водных мигрантов была очень слабая, что приводило к интенсивному их выщелачиванию. Таким образом, сохранялась негативная тенденция палеофита – условия существования растений ухудшались, плодородие понижалось, почвы выщелачивались, оподзоливались.
Наряду с влажными тропиками в этот период были распространены влажные умеренные и аридные районы. В последних еще преобладали примитивные пустыни.
Геохимические ландшафты кайнозоя – (100 млн. лет –современная эпоха). В середине мела произошло очередное изменение растительного покрова: часть голосеменных растений вымерла и им на смену пришли покрытосеменные с их более совершенным биком. В районах влажного тропического климата сформировались кайнофитные влажные тропики. Покрытосеменные растения содержат много фосфора, кальция, их зольность выше. Эти растения интенсивно выкачивали корнями из нижних горизонтов (из больших объемов почвы) необходимые элементы и после разложения растительных остатков эти элементы накапливались в верхних горизонтах почвы и включались в бик. Таким образом, развился механизм обратной связи, растения стали сами улучшать среду своего обитания. Этот тип бика назван прогрессивным, в отличие от существовавшего ранее, консервативного. Хотя покрытосеменные растения с большей энергией поглощали минеральные вещества из почвы, полностью противостоять кислому выщелачиванию они не могут.
Качественно новым явлением в геохимии ландшафтов является освоение покрытосеменными растениями аридных районов, где до сих пор преобладали примитивные пустыни. Возник бик степей и саванн, отличающийся быстротой. Быстрая смена поколений у трав создала возможность ускорения эволюции и формировались более экономичные ландшафты, в которых создавалось оптимальное соотношение продуктивности и биомассы..
Большое влияние на развитие ландшафтов оказал альпийский орогенез и четвертичное оледенение. Появились новые типы ландшафтов – тундровые, верховые болота, альпийские луга, широкое распространение получили степи и пустыни.
В межледниковые эпохи климат становился теплее и влажнее, тропический пояс расширялся, субтропические и умеренные сокращались и сдвигались к полюсам. В ледниковые эпохи наступало похолодание и тропический пояс сужался, остальные пояса сдвигались к экватору. С чередованием климатических эпох связано неоднократное смещение границ ландшафтных зон. Поэтому современные почвы, флора и фауна содержат геохимические реликты других зональных ландшафтов.
Таким образом, поступление в биосферу солнечной энергии и ее преобразование в энергию химических процессов привело за время геологической истории к концентрации и прогрессивной дифференциации химических элементов. Дифференциация привела к увеличению разнообразия биосферы, т. е. к росту информации – это получило название закона прогрессивного развития биосферы.
Культурный (современный) этап. Культурная стадия уже заняла господствующее положение, хотя в отдельных районах все еще широко распространены биогенные и абиогенные ландшафты, что отражает основные этапы развития геохимических ландшафтов на протяжении геологической истории. Техногенез приводит к включению в ландшафты все новых химических элементов с низкой биофильностью, что вызывает существенные изменения в геохимии ландшафтной оболочки, к ее дальнейшему усложнению. Антропогенное воздействие приводит к формированию особой категории ландшафтов – антропогенных ландшафтов.
Направленность и периодичность в развитии ландшафтов. В ходе геологической истории происходило направленное и необратимое развитие ландшафтов, выражающееся в качественном изменении типов миграции элементов (абиогенный, биогенный, культурный этапы), в росте биологической информации, усложнении биологического круговорота и повышении биологической продуктивности (примитивно-пустынные ландшафты – лесные ландшафты), эволюции организмов, приводящее ко все более разнообразным и совершенным круговоротам.
Важным показателем прогрессивного развития ландшафтов является соотношение продуктивности и биомассы (показателем которого является коэффициент однородности ландшафтов). Чем выше К, тем больше ежегодной продукции живого вещества на единицу биомассы, тем экономичнее работает ландшафт. По мере эволюции растительного покрова величина К возрастала. Предполагают, что псилофитовые ландшафты имели К = 0,30, вестфальские лесные ландшафты карбона – 0, 40, современные голосеменные (хвойные) имеют К = 0,54, влажные тропические леса – 0,64, а степи и саванны0,84-0,85.
В прошлые геологические эпохи сухие периоды неоднократно чередовались с влажными, и соответственно менялись такие процессы как испарительная концентрация, кислое выветривание. Неоднократно повторявшиеся орогенные эпохи (с сильно расчлененным горным рельефом) характеризовались сходством водной миграции химических элементов. Следовательно, в ходе геологической истории периодически повторялись некоторые черты миграции химических элементов, что создает общие черты геохимических ландшафтов разных эпох. Поэтому для водной миграции элементов характерна периодичность, хотя никогда не достигалось тождество разных эпох. Биогенная миграция не подчинялась периодичности, так как она тесно связана с направленным непереодическим процессом эволюции организмов. Так как основные особенности ландшафтов определяются биологическим круговоротом, то понятно, что в целом периодичность в развитии ландшафтов отсутствует.
На развитие ландшафтов существенное влияние оказывало чередование тектонических и климатических эпох. В геологической истории Земли можно выделить три периодически повторявшихся сочетания тектонической активности и климатических условий, которые вызывали три типа структуры ландшафтной оболочки.
1 тип структуры характеризуется тектонически спокойным режимом, положительным балансом тепла, отсутствием оледенения, увеличением влажности и ослаблением климатической дифференциации. Это способствовало интенсивному химическому выветриванию, образованию мощной коры выветривания. Вместе с тем, обилие осадков приводило к развитию энергичных процессов эрозии. В условиях тектонически спокойного режима формировался сглаженный и однообразный равнинный рельеф. В растительном покрове господствовали лесные формации. Этот тип структуры господствовал на Земле дважды: в среднем и позднем девоне и раннем карбоне – первый раз и большую часть мезозоя до начала позднемеловой и кайнозойской складчатости.
Следующий за ним 2 тип структуры характеризовался значительной дифференциацией рельефа, связанной с первыми стадиями эпохи орогенеза. Развитие вулканизма приводило к повышению содержания СО2 в атмосфере, что наряду с положительным тепловым балансом вызывало дальнейшее потепление и увлажнение климата (максимальные значения обоих показателей) и еще большую его унификацию на равнинах. Вместе с тем, появление горных хребтов вызвало вертикальную дифференциацию климатов и возникновение высотной ландшафтной поясности, что привело к интенсивному расчленению рельефа и значительной дифференциации растительного покрова. Он становится богаче, возникают новые группы и более разнообразные формы.
Второй тип был характерен для среднего и начала позднего карбона (первый этап) и позднего мела, палеогена и миоцена (второй этап).
3 тип структуры возникает в условиях интенсивных горообразовательных процессов (заключительной стадии орогенеза) и сильно расчлененного рельефа. Вулканизм ослабевает и уменьшается поступление углекислого газа. Это приводит к понижению температуры воздуха, усилению меридиональной циркуляции атмосферы и резкой дифференциацией климатических условий и, следовательно, почвенного и растительного покровов и ландшафтных зон. На Земле образуются обширные области холодных и жарких пустынь. Третий тип структуры ландшафтных зон был также дважды и был приурочен к позднему карбону и перми и концу плиоцена и четвертичному периоду.
Чередование структуры ландшафтной оболочки носило ритмический характер. Но сходство между циклами было лишь по форме и ходу развития. Данная схема отражает наиболее общие тенденции и направления в развитии оболочки, которые наблюдались на земном шаре относительно синхронно. Но пространственная неоднородность земной поверхности предопределяет, что изменения во времени должны быть неодновременными от места к месту. Это доказывается и имеющимся палеогеографическим материалом. Например, древнее оледенение в разных районах земли начиналось и заканчивалось не одновременно, воздымание гор приводило к аридизации одних районов и переувлажнению других. Таким образом, палеогеографические данные констатируют, что в один и тот же момент времени разные территории могут находиться в различных фазах одинаково направленного эволюционного процесса. Пространственная неравномерность развития ландшафтной оболочки получила название метахронности () или гетерохронности ()
Источник статьи: http://pandia.ru/text/80/149/5882.php
