Практические аспекты геохимии ландшафта

Миграция элементов в сельскохозяйственных ланд­шафтах пустынь тесно связана с активным изменением химического состава почвы путем освобождения ее от избыточных элементов. Комплекс агромелиоративных мероприятий предусматривает промывку почвы от легко-растворимых солей, орошение, а также внесение недо­стающих питательных веществ в виде минеральных и органических удобрений. При орошении происходит из­менение в метаболизме веществ на атомарном, молеку­лярном, клеточном и экологическом уровне (В. М. Бо­ровский, 1978).

На атомарном уровне протекают процессы, связанные с переменой валентности элементов, перестройкой элек­тронных оболочек атомов и образованием соединений с новыми свойствами, т. е. явление окисления — восста­новления атомов вещества. Восстановительная геохими­ческая обстановка создается, например, в ходе выращи­вания риса, на стадии прорастания, когда участок затап­ливается водой на длительное время. В результате про­исходит восстановление железа, серы, марганца, азота в соединениях. Восстановление серы в сульфатах и бел­ковых соединениях при щелочной реакции среды приво­дит к образованию сероводорода, который вступает в ре­акцию с двухвалентным железом с образованием нера­створимого сернистого железа. При этом сероводород в свободном состоянии действует на рис как ингибитор, недостаток железа также приводит к замедлению роста н развития риса. При восстановлении нитратов образу­ются газообразные соединения, которые улетучиваются и обедняют азотом почву, а следовательно, и растения риса.

Изменение водно-солевого режима и солевого балан­са почвы происходит на молекулярном уровне. В процес­се миграции солей при орошении действуют геохимиче­ские барьеры: химический, коллоидный, биологический, термодинамический. Например, прослойка гипса в поч­вах препятствует проникновению содовых растворов из почвы в грунтовые воды, а при испарении — подъему их в почву. Термодинамический барьер проявляется при ко­лебании температуры. На растворимость сульфида на­трия в отличие от хлоридов влияет понижение темпера­туры. Поэтому, если промывать почвы холодными вода­ми, хлориды выносятся быстрее, чем сульфаты. Обмен­ные реакции, связанные с коллоидным барьером, приводят к изменению состава и количества в почве лег­корастворимых солей.

В процессах, протекающих на клеточном уровне, при­нимают участие микроорганизмы. При орошении усили­вается рост и размножение микроорганизмов, в резуль­тате чего ускоряется гумификация растительных остат­ков и накопление азота. Однако при монокультуре возникает переутомление почвы из-за накопления микро­флорой токсических соединений. Водоросли, обнаружен­ные на рисовых полях, способствуют подщелачиванию среды; на такырах водоросли в период затопления выде­ляют слизь, которая закрывает поры, препятствующие проникновению воды и произрастанию высших растений. Процессы, протекающие на клеточном уровне, имеют связь с окислительно-восстановительными процессами и участием микроорганизмов в переносе электронов.

Отложения ила, формирование микрорельефа и мик­роклимата, биологический круговорот в агроценозах протекают на экологическом уровне.

В ландшафтах пустынь и полупустынь суббореально­го пояса повышено содержание бора, цинка, часто строн­ция, относительно высокое содержание молибдена, низ­кое— иода, меди, иногда кобальта. В некоторых райо­нах возможен избыток нитритов и нитратов, в таких слу­чаях может быть выделена эндемия метгемоглобинемии. В Прикаспийской низменности наблюдается эндемия борного энтерита у человека и животных. Избыток мо­либдена вызывает симптомы подагры, избыток цинка влияет на морфологическую изменчивость растений. Не­которые горные провинции обогащены литием. Выделены также провинции медной, йодной и цинковой недостаточ­ности.

В ландшафтах пустынь и полупустынь суббореально­го пояса перспективны все геохимические методы поис­ков полезных ископаемых. Поскольку корневая система некоторых растений на песчаных породах достигает глу­бины 16—20 м, хорошие результаты может дать биогео­химический метод. Отбор проб почв в данных ландшаф­тах проводится у поверхности. Применение, гидрохими­ческого метода ограничено весьма редкой гидрографиче­ской сетью. Атмогеохимический метод перспективен в ландшафтах пустынь при наличии тектонических трещин.

Пустыни холодного пояса и высокогорных районов

В северном полушарии пустыни холодного пояса рас­пространены на островах Северного Ледовитого океана, в южном — в Антарктиде и некоторых прилегающих ост­ровах. Пустыни высокогорных районов встречаются в юрах практически всех климатических поясов.

Гидротермические условия. В ландшафтах холодного пояса в течение года господствует отрицательная темпе­ратура, а короткий летний период характеризуется рез­ким колебанием температур в течение суток. Температу­ра самого холодного месяца близка к нулю или отрица- тельная, среднегодовая колеблется в основном от —10 до — 20°. Температурный режим разных регионов не одина­ков, но имеет общие черты. В арктических пустынях за год выпадает не более 150 мм осадков, на севере Грен­ландии — 25—100 мм, в антарктической пустыне — 200— 400 мм. Осадки выпадают преимущественно в виде сне­га, летом в более теплых районах — в виде дождя. В ус­ловиях низких температур величина испарения и испа­ряемость совпадают и составляют 250—400 мм в год. Почвогрунты, если они не покрыты льдом, оттаивают у поверхности. Миграция химических элементов незначи­тельна, поскольку вода находится преимущественно в твердом состоянии. На ровных участках ландшафта во­да застаивается, образуя мелкие озера или заболочен­ные массивы.

Кора выветривания и почвы. Низкие температуры с высокой амплитудой колебания и вечная мерзлота соз­дают условия для физического разрушения пород с об­разованием рухляка вследствие частых превращений воды. На Северной Земле фазовые превращения воды за июль—август происходят 70—80 раз. В пустынях жар­кого пояса резкие колебания положительных темпера­тур также приводят к механическому разрушению поро­ды и освобождению элементов. В пустынях разных поя­сов геохимические процессы с участием воды и углекис­лого газа протекают медленно и оставляют следы в виде корочек, налетов («пустынного загара») на скалах и камнях. По данным М. А. Глазовской (1958), состав ко­рочек в Антарктиде железистый или железисто-марган­цовистый, имеются кальцитовые и гипсовые налеты. В оазисе Бангера и на Земле Королевы Мод встречают­ся налеты соединений меди. Геохимические процессы активизируются участием биохимических (деятельность лишайников и водорослей).

Почвообразовательные процессы слабо выражены. Профиль почв грубообломочный и маломощный, такие почвы относят к скелетным, или зачаточным. Вследствие слабого выноса продуктов гипергенного преобразования, слабого разложения незначительной части массы орга­нических остатков и низкого содержания кислых про­дуктов распада реакция почвы слабокислая или ней­тральная. В почвах содержится достаточно Fe, Mn, Са, Mg, в районах, прилегающих к побережью морей или океанов,— Na, С1. Диатомовые водоросли служат после отмирания источником аккумуляции кремния. В полиго­нальных почвах полярных пустынь органическое вещест­во накапливается в трещинах (до 3—5%). Источником его является растительный детрит и плазма микроорга­низмов. В составе грубого гумуса содержание фульвокис-|от и гуминовых кислот примерно одинаковое. В местах | нездования птиц происходит отложение помета, такие участки почв относят к орнитогенным. На площади 1 км² пингвины вносят за год до 10 т органического вещества. Мхи, лишайники получают элементы питания за счет вы­ветривания пород, с атмосферными осадками, при мине­рализации отмирающего органического вещества.

Химический состав почвенного мелкозема в поляр­ных пустынях зависит от состава породы. Это видно из • равнения валового химического состава минеральных почвогрунтов, золы торфа. Элювий кристаллических сланцев по сравнению с карбонатной породой содержит больше оксидов алюминия, железа, калия, натрия. Зола торфа концентрирует оксиды алюминия, железа, фосфо­ра, серы. Геохимическая обстановка в полярных пусты­нях слабоокислительная. Миграция химических элемен­тов задерживается на механическом и биогенном барь­ерах.

Воды в холодных пустынях представлены в основном твердой фазой. В Антарктиде жидкий сток происходит примерно с 1% площади всего континента, в Арктике — С 60% площади островов. Все водотоки временные и образуются при положительных температурах, поэтому водная миграция химических элементов выражена сла­бо. Озера разнообразны по концентрации солей и терми­ческому режиму: пресные, слабосолоноватые и соленые.

Растительность в Антарктиде представлена пятнами н 1 плитных лишайников, в более теплых местах — дер-ппнками кустистых лишайников и мхов. В низких широ­тах появляются отдельные цветковые растения. В Арк­тике растительность богаче: травянистые растения, мхи, лишайники. В обоих полярных районах встречаются во­доросли, грибы, бактерии. Водоросли на тающих снегах образуют формации красного, зеленого, желтого, пур­пурного цвета. Фауна полярных пустынь бедна и насчи­тывает несколько сотен видов. Преобладают простей­шие, коловратки, клещи, насекомые, круглые черви.

Продуктивность растительных сообществ в ландшаф­тах полярных пустынь самая низкая и по величине мо­

гдествами жарких пустынь. Биомасса растений обычно не превышает 1 ц/га. Химический состав лишайников и водорослей примерно такой же, что и в растениях уме­ренных широт, но зольность их низкая. Общее содержа­ние азота и зольных элементов в лишайниках около 1,3— 4,0%. Из них преобладает азот, магний, кальций, крем­ний, калий. У некоторых видов отмечено накопление алю­миния (1,3) и железа (до 0,2%). Содержание зольных элементов в листьях цветковых растений 4—6%, азота — 3—4%. Элементы Si, Al, Fe распределяются в органах цветковых растений по акропетальному типу, Са, К, Mg, Р, Na, С1 — по базипетальному. Распределение азота по органам равномерное. Холодные пустыни высокогорных ландшафтов

Пустыни высокогорных районов покрыты снегом, льдом или представлены россыпью грубообломочных камней с накипными лишайниками на поверхности. Сне­га и льды являются осадочными горными породами, при их таянии происходит отложение пылеватых частиц. В самых чистых льдах гор Средней Азии количество мел­козема колеблется от 0,5 до 2 г/л. Лед содержит пузырь­ки воздуха, которые освобождаются при таянии и дела­ют воду агрессивной. Реакция тающего снега и льда в среднем рН 6,6—7,4, в Гренландии — рН 4,9—6,6. Встре­чающиеся в трещинах льда минеральные зерна с пузырь­ками воздуха в результате гидролиза преобразуются в пылеватые частицы, которые сохраняют химический со­став первоначальной породы. Преобразование минера­лов и пород на поверхности льда и снега осуществляют водоросли, грибы, бактерии, но их мало.

Снега и льды имеют неодинаковый химический состав. В высокогорных районах Кавказа преобладают гидро-карбонатно-натриевые воды, Средней Азии — гидрокар­бонатно-кальциевые. Твердые частицы, пыль, химические элементы привносятся в ледники и снежники ветром и атмосферными осадками. При таянии снега на ровных участках ежегодно накапливается до 9 т/га минеральной массы, что приводит к формированию мощных (1—2 м) мелкозернистых отложений, близких к лессовидным (А. Г. Назаров, 1974).

Высокогорные холодные пустыни характеризуются i у.пм климатом и сильным испарением в связи с высокой инсоляцией. Фотосинтез и дыхание растений здесь интен-I нвнее, чем на равнине. Крахмала в растениях образует-I я мало, но много накапливается сахара, синтезируется НИтамин С. Биомасса зависит от типов растительных со­обществ и может колебаться от 0,5 до 220 ц/га. Химиче-СКИЙ состав и распределение элементов по органам, а ракже структура биомассы примерно такие же, как и в соответствующих сообществах равнинных пустынь. Раз-

южение органического вещества протекает медленно, интенсивность биологического круговорота слабее, чем в жарких пустынях. Низкие температуры способствуют об-разованию труднорастворимой соли натрия (Na₂S0₄-

IOH2O), поэтому в депрессиях рельефа местами форми­руются засоленные почвы. Минерализация речных вод местами повышенная. Озера часто соленые, иногда с на­личием сероводорода. Дефицитными элементами в ланд­шафте являются свободный кислород и иод. В почве и породе накапливаются Са, Р, S, Со, Mn, Си, РЬ. В ланд­шафтах холодных пустынь могут быть выделены следу­ющие классы водной миграции: кальциевый, кальциево-Iнатриевый, соленосный.