 |
|
|
Биогеоценология. Биосфера. Почвы |
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ И ИХ РОЛЬ В МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ЗЕМЛИ
|
Смотрите также:
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
Среди новых географических дисциплин, возникших за последние 15—20 лет, особое место занимает геохимия ландшафтов. Рождение этой дисциплины произошло в нашей стране, и создателем ее явился наш соотечественник Б.Б. По- лынов. Теоретической предпосылкой нового раздела географии явились работы классиков естествознания В.В. Докучаева и его ученика В.И. Вернадского. Успехи ландшафтоведения за последние годы немало способствовали разработке учения о геохимии ландшафта. Выход монографии А.И. Перельмана «Геохимия ландшафта» [2] представляет собой закономерный успех молодой науки.
Насущной проблемой современной науки является познание закономерностей миграции химических элементов в почвах, биогеоценозах, ландшафтах и водоемах. В ее решении заинтересованы сельское хозяйство (микроудобрения и другие аспекты) и медицина (вопросы эндемических заболеваний и коммунальная гигиена), поисковая геология (геохимические методы поисков) и курортология, а также большой круг исследователей и практиков, работающих над вопросами защиты населения от радиационной опасности.
Для познания процессов развития географической оболочки Земли значительный интерес представляет исследование геохимической связи между сушей и океаном. Эта связь возникла в результате общности и сопряженности геологических и геохимических процессов, протекавших или протекающих под воздействием живых организмов. В этом смысле можно говорить о геохимическом круговороте веществ между сушей и океаном, охватывающем географическую оболочку в целом.
Этот геохимический круговорот элементов совершается в геохимических ландшафтах, т.е. в таких хорологических структурах, которые характеризуются общностью и сопряженностью процессов миграции химических элементов. Миграция химических элементов в ландшафте представляет собой совокупность многообразных процессов поглощения и вытеснения атомов или их соединений почвами, грунтами, природными водами и организмами, сопровождающихся перемещением элементов в ландшафте. Многообразные процессы, в которых участвуют атомы в каждой точке ландшафта, объединяются стоком в широком смысле этого понятия. Сток является необходимым условием миграции атомов в ландшафте и в целом в географической оболочке. В зависимости от напряженности ландшафтно- геохимических процессов и направления стока миграция элементов в ландшафте может привести либо к концентрированию, либо к рассеиванию атомов. Эффект концентрирования или рассеивания целесообразно устанавливать на основании сравнения содержания того или иного элемента в конкретной точке ландшафта с его средним содержанием в ландшафте — ландшафтным кларком.
Общность процессов миграции атомов в ландшафте определяется общностью факторов геохимической миграции (биологических, климатических, геологических, гидрологических, почвенных и др.). Роль различных факторов в миграции атомов не одинакова, однако существенно то, что все факторы постоянно участвуют и влияют на геохимические процессы, протекающие в ландшафте.
На любом участке суши сток может быть охарактеризован его составом, объемом и вектором. Однотипность или разнотипность стока может служить важнейшим критерием для объединения геохимических ландшафтов в иерархическую систему, т.е. явиться основой для классификации геохимических ландшафтов. Под однотипностью стока в ландшафтно-геохимическом смысле следует понимать существование сравнительно однородной структуры стока, т.е. сохранение определенного соотношения между объемом жидкого и твердого стока, а также сходство в химическом составе каждого вида стока. Вектор стока определяет сопряженность геохимических ландшафтов и, следовательно, наряду с составом и объемом стока является важным классификационным критерием.
По мере формирования твердого и жидкого стока и его прохождения по сопряженным геохимическим ландшафтам происходят изменения в объеме и химическом составе природных вод. Каждое такое изменение отражает всю совокупность процессов превращения веществ в ландшафте. Необходимо отметить два типа изменений в химическом составе вод дренируемых ландшафтов.
Первый путь изменений — это постепенное нарастание или убывание концентрации тех или иных химических элементов по мере прохождения вод по однородной в ландшафтно-геохимическом смысле территории. Характер этих изменений зависит от многих условий (тип биогеоценоза, состояние растительного покрова, условия погоды, зональные особенности территории и т.д.). При этом, чем больше и разнообразнее по геолого-геоморфологической структуре территория, тем сильнее изменение в химическом составе исходных растворов, поступивших в ландшафт. Второй путь изменений состава вод представляет собой резкое нарушение их химизма на границе с другим геохимическим ландшафтом, причем эти границы выступают как геохимические рубежи или барьеры, препятствующие выносу веществ из одного ландшафта в другой.
Двум формам стока (твердому и жидкому) соответствуют различные барьеры. Миграция веществ в составе твердого стока определяется главным образом гидродинамическим фактором и в меньшей степени определяется биологическими, химическими и физико-химическими особенностями водной среды. Это хорошо показано в работах Н.М. Страхова [6] и его школы. Миграция веществ в жидком стоке в основном контролируется многообразными процессами поглощения и вытеснения веществ почвами, грунтами и организмами с последующим растворением и переносом их, т.е. определяется совокупностью факторов, игравших второстепенную роль при формировании твердого стока. Поэтому геохимические барьеры для веществ, мигрирующих преимущественно в составе твердого стока, представляют собой различные преграды, нарушающие гидродинамику потока (снижение скоростей потока вследствие изменения рельефа ложа потока или сечения потока, изменения в объеме стока и ряд других причин). Геохимические барьеры для веществ, мигрирующих в жидком стоке, представляют собой участки, резко отличающиеся по своим химическим, физическим, физико-химическим и биологическим свойствам от свойств выше расположенной водосборной площади.
Геохимические барьеры — это зоны резко повышенных концентраций тех или иных химических элементов по сравнению с ландшафтным кларком. Причины и механизмы концентрирования могут быть различными в разных ландшафтах. Некоторые из этих механизмов рассмотрены в монографии Перельмана].
Для правильного понимания геохимического круговорота между сушей и океаном определенный интерес представляет предлагаемая автором общая схема расположения ландшафтно-геохимических барьеров. Расположение геохимических барьеров на пути миграции химических элементов лучше всего рассмотреть на примере волжского и донского бассейнов. За исходную точку миграции элементов можно принять любой из участков песчаной дюны, покрытой лесом в зандровых полесьях, широко распространенных в бассейнах Волги и Дона.
Биологический круговорот элементов в рассматриваемых биогеоценозах характеризуется высокой напряженностью. Это показано исследованиями Н.П. Ремезова [4] и его сотрудников. Несмотря на это, вынос химических элементов природными водами в соседний ландшафт невелик. Дело в том, что элементы, вовлеченные в биологический круговорот, прочно удерживаются в нем, и лишь малая доля от всей массы подвижных веществ попадает в грунтовый поток. Это определяется, с одной стороны, захватом этих элементов в биологический круговорот и образованием аккумулятивных гумусовых горизонтов, а с другой — формированием иллювиальных горизонтов и ортзандовых прослоек в лесных почвах, представляющих собой своеобразные экраны, не допускающие сильного выноса элементов в почвенно-грунтовый поток.
Проведенные в ряде мест комплексные исследования закономерностей формирования стока в лесах и на лугах подтверждают этот вывод. Наблюдения за формированием стока в лесах Воронежского заповедника, проведенные Ремезовым, показали, что количества выносимых водами элементов из того или иного типа леса во много раз меньше количества зольных элементов и азота, вовлеченных в биологический круговорот. Эти данные приведены в табл. 1.
Таблица 1 Соотношение между поступлением элементов с спадом и выносом их с внутрипочвенным стоком в дубняке осоково-снытьевом (1953—1960 гг.) По материалам Н.П. Ремезова) Si Al ОС Г Mg* А Г S* N П оступает с спадом за 1 год (Среднее за 7 лет) кг/га 28,7 4,2 77,1 9,2 з1,9 7,3 4,5 41,3 Выносится со стоком за год (Среднее за 7 лет) кг/га 0,05 0,37 2,14 0,11 0,2 0,002 0,02 0,43 Данные по магнию и сере являются средними за три года (1958—1960 гг.)
Соотношения между поступлением элементов с опадом и выносом их с внутрипочвенным стоком в 1955—1956 гг. сложились таким образом, что и в дубняке, и в осиннике вынос типичных биофилов (калия, фосфора, азота и кальция) был сведен к минимуму. Более полные данные (за 7 лет) подтвердили этот факт.
Биологический круговорот под разными типами леса складывается не одинаково; соответственно не одинаков и состав стока из-под разных типов леса. Это убедительно показано наблюдениями Ремезова над составом вод ручьев, дренирующих тот или иной тип леса. Воды ручьев, бассейн которых лежит в пределах только дубовых, осиновых и сосновых лесов, резко отличаются друг от друга, особенно по содержанию кальция (табл. 2). Состав воды р. Усманки, на водосборе которой распространены разные типы леса, характеризуется промежуточным положением между составом вод ручьев дубового и соснового лесов.
Таблица 2 Наименование ручьев и характер водосбора Si А1 Са К P S N Крутовский ручей, дубняковый 3, 9 77 43 , 7 3, 8 0,1) 0, 84 8, 0 Придорожный ручей, дубняковый 3, 9 7о 474 4, 2 0,1 0, 33 6,1 Черепахинский ручей, осиновый 3, 2 6,7 27о 3, 3 0,1 0,57 8, 4 Усманский ручей, сосновый 3, 4 5 , 2 1,0 3,7 0, о7 1о6 8, 6 р. Усманка, смешанный 2,7 6, 0 26, 5 4, 0 0, 09 150 7о
Приведенные данные показывают, что внутри биогеоценоза (в биоценозе и биотопе) создаются условия для максимального задерживания элементов. Небольшая доля веществ, выносимых внутрипочвенным стоком, отражает природу и обмен веществ в биогеоценозе. Совокупность превращений веществ в разных биогеоценозах одного ландшафта приводит к формированию стока определенного состава, свойственного только данному ландшафту. Литературных данных, посвященных этому вопросу, недостаточно, так как проблема эта нова и сложна. Можно надеяться, что предпринятые широкие комплексные биогеоценологические исследования в разных природных зонах обогатят наши знания о миграции веществ в биогеоценозах.
Несмотря на прочное удерживание химических элементов в биогеоценозе, часть элементов все же поступает в почвенно-грунтовые воды, которые движутся в направлении от водораздела в сторону долины реки.
Поскольку ландшафты зан- дровых полесий представляют собой комплекс чередующихся в пространстве песчаных гряд и заболоченных межгривных западин, то первой ландшафтно-геохи- мической преградой на пути почвенно-грунтовых вод, выносящих растворенные вещества, является зона контакта песчаной дюны с заболоченной западиной. Этот первый ландшафтно-геохимический барьер географически соответствует границам фаций или урочищ.
По химическим, физико-химическим и биологическим особенностям заболоченные западины резко отличаются от соседних песчаных гряд. Песчаный субстрат грив представляет собою субстрат, бедный запасами элементов зольного питания растений. В результате застоя вод в западине происходит заболачивание почвы, сопровождающееся торфообразованием. По мере развития болота слой торфа нарастает, достигая в некоторых местах мощности в 2—3 м. Первоначальная разница в высоте между вершиной песчаной гривы и соседней западины составляла 1— 4 м; в результате торфообразования эта разница сильно уменьшается, а в ряде случаев заболачивание захватывает и поверхность песчаной гривы, приводя к смене биоценоза. Нарастание торфяной толщи приводит к захвату почвенно-грунто- вого потока все большего сечения и, следовательно, все большая масса растворенных в воде веществ приходит в соприкосновение с торфяными слоями.
По физико-химическим и физическим свойствам торф и торфяные почвы резко отличаются от песчаных подзолистых почв. Песчаный субстрат подзолистых почв хорошо проницаем для воды и воздуха. Поэтому в этих почвах, как правило, господствуют окислительные процессы, движение потока почвенно-грунтовых вод значительно. В торфах и торфяных почвах движение почвенно-грунтового потока резко замедляется вследствие низкой фильтрационной способности торфа, участок постоянно увлажнен. В болоте господствуют восстановительные процессы, в результате которых почвы оглеены.
Сокращенные результаты химического анализа вод временных ручьев и р. Усмавки (среднее за 6 лет), по материалам Н.П. Ремезова, мг/л Таким образом, песчаная грива представляет собой один элементарный ландшафт, а болото — другой, при этом зона контакта между ними является резко
выраженной физико-химической границей. Естественно, что в этой пограничной зоне происходят резкие изменения в химическом составе почвенно-грунтовых вод дренируемых песчаных гряд. Об этом можно судить как по сравнительному составу вод на песчаной гриве и в болоте, так и по тем отложениям минеральных соединений, какие наблюдаются в периферийной зоне болота (болотная железная руда, отложения фосфорнокислых солей в виде вивианита, отложения карбоната кальция и железа в виде известкового туфа и сидерита и т.д.). В зоне контакта формируются почвы, несущие черты геохимической аккумуляции (перегнойно-желези- сто-глеевые и торфянисто-железисто-глеевые, перегнойно-карбонатные оглеен- ные).
Все рассмотренное позволяет считать зону контакта песчаной гривы с заболоченной межгривной западиной, расположенной на одном геоморфологическом уровне (водораздел или терраса), первым геохимическим барьером на пути выноса веществ в дренажную сеть или в постоянно действующий поток. Значение этого барьера необычайно велико, ибо в нем задерживается огромная масса веществ, мигрирующих в ландшафте. Первый ландшафтно-геохимической барьер густой сетью покрывает всю площадь зандровых полесий. «Паутина» первого геохимического барьера представляет собой основную преграду выносимым из ландшафта веществам.
Несмотря на огромную заградительную роль первого ландшафтно-геохимического барьера, грунтовый поток, дренирующий водораздельные ландшафты, все же выносит небольшую часть растворенных веществ в область поймы. И снова на пути потока, несущего с водораздела растворенные вещества, встает крупный ландшафтно-геохимический барьер — притеррасные поймы, сопутствующие рекам на всем их протяжении. Притеррасные поймы — это аккумулятивные части ландшафта, географически соответствующие границам урочищ и ландшафтов. Показателем «заградительной» роли притеррасных болот в таежной зоне могут служить многочисленные отложения болотной руды, трепела, вивианита, известкового туфа, а в южных широтах к ним приурочены аккумуляции легкорастворимых солей. В 1955 г. автор настоящей статьи специально изучал роль притеррасных болот в поглощении растворенного в воде кислорода и на основании этого особо подчеркнул их заградительную роль в процессах миграции веществ в ландшафтах.
Изменение содержания растворенного кислорода при прохождении почвенно- грунтовых вод от водораздела к пойме р. Москвы
В табл. 3 приведено распределение растворенного кислорода в водах по мере прохождения их по разным частям ландшафта. Из этих данных следует, что на контакте песчаной надпойменной террасы р. Москвы с притеррасным болотом происходит полное поглощение растворенного в грунтовых водах кислорода, что существенно отражается на химизме этих вод. Автор считает, что опресненность вод рек Русской равнины в значительной степени обусловлена многочисленными природными фильтрами — ландшафтно-геохимическими барьерами, стоящими на пути движения элементов в почвенно-грунтовом потоке.
Распределение растворенного кислорода в водах по мере прохождения их по разным частям ландшафта
Поступление веществ в русловой поток, казалось бы, гарантировало транзитный сток растворенных веществ в море. Однако мощные биологические фильтры в виде пресноводных фито- и зооценозов поглощают огромные количества веществ и сводят транзитный сток к минимуму. Этот процесс осаждения веществ в водах рек и водоемах многообразен и состоит из биологического поглощения организмами, адсорбции органическими и минеральными коллоидами и ряда других явлений. В этом смысле русла рек с их биологическими и физико-химическими процессами могут рассматриваться как своеобразный подвижный ландшафтно- геохимический барьер.
Последним ландшафтно-геохимическим барьером на пути растворенных веществ, выносимых в море, являются дельта и шельфовая область моря. Кроме механической осадки вещества в этих областях, огромная роль удержания вещества в биологическом круговороте принадлежит фито- и зоопланктону, а также бентосу и другим обитателям моря. Достаточно сказать, что основная масса биологической продукции Каспия сосредоточена в придельтовой области Волги.
Таким образом, из огромной массы веществ, ежегодно растворяющихся в ландшафтах Волжского бассейна, до моря доходит ничтожно малая часть. Это обусловлено многочисленными ландшафтно-геохимическими барьерами, стоящими на пути потока растворенных веществ. Эффективность «заградительной» роли таких барьеров обусловлена многими факторами, из которых биологический имеет выдающееся значение. Существование многих механизмов концентрирования химических элементов из растворов определяет геохимическое разнообразие этих барьеров.
Аналогичную картину можно нарисовать и для веществ, мигрирующих в твердом стоке, но ландшафтно-геохимические барьеры в этом случае будут иные. Твердый сток обусловлен многими причинами (рельеф, петрографический состав пород, климат, облесенность территории, агрикультурное состояние почв и т.д.). Говоря о барьерах твердому стоку, следует отметить, что они носят чисто механический характер. Первыми преградами твердому стоку служат многочисленные конусы выноса, делювиальные шлейфы и т.д. Вторыми более мощными преградами являются аккумулятивные участки речных пойм. Это главным образом прирусловые и центральные области пойм. Последним принадлежит особо важная геохимическая роль, как барьерам на пути твердого стока. Об этом свидетельствует тот факт, что транзитный сток взвешенных частиц реками центра Европейской части СССР составляет всего 2,4%. Если представить, что в гидрографическом отношении Европейская часть СССР сильно расчленена, то станет ясной роль пойменных ландшафтов как основных ландшафтно-геохимических преград на пути движения веществ с материка в океан. Особое место в аккумулятивных пойменных ландшафтах занимают широкие поймы низовьев рек и дельта Волги.
Такова кратко схема расположения ландшафтно-геохимических барьеров для жидкого и твердого стока веществ, мигрирующих в географической оболочке от материка к морю. Значение ландшафтно-геохимических барьеров в грандиозном геохимическом процессе миграции веществ велико. Их исследование заслуживает пристального внимания, так как от заградительной силы этих барьеров зависит уровень разнообразного (в том числе и радиоактивного) загрязнения наших почв и водоемов.
Предложенная схема — первый опыт анализа этого вопроса в общей форме. Дальнейшие исследования и конкретизация материала для разных природных зон и ландшафтов помогут более глубокому познанию геохимии ландшафтов нашей страны и разработке ряда эффективных мер по усилению или уменьшению заградительной и «очистительной» роли природных ландшафтно-геохими- ческих барьеров. Одной из очередных задач в этой области является разработка классификации этих барьеров, оценка их общей и дифференциальной емкости по отношению к конкретным химическим элементам, а также установление таксономического уровня барьеров в общей системе географических и ландшафтно- геохимических понятий.
Автор приносит глубокую благодарность В.А. Ковде, а также сотрудникам лаборатории биофизики Института биологии УФАН СССР за ценные замечания и добрые советы.
Литература
1. Вернадский В.И. Избр. произв. — М., 1960. Т. 1 и 5. 2. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. — М., 1961. 3. Полынов Б.Б. Избр. тр. — М.—Л.: Изд. АН СССР, 1956. 4. Ремезов Н.П. Разложение лесной подстилки и круговорот элементов в дубовом лесу // Почвоведение. 1961. №7.
|
|
К содержанию книги: Статьи Тюрюканова по биогеоценологии
|
Последние добавления:
Происхождение и эволюция растений
Биографии ботаников, биологов, медиков