2.5.Геохимические процессы в природных (фоновых) ландшафтах

Все процессы техногенного и антропогенного воздействия на биосферу протекают в границах тех или иных природных ландшафтов. Естественно, что результаты таких воздействий приводят к трансформации природного ландшафта в техногенный или антропогенный. Различие - в разном соотношении природных и антропогенных факторов, влияющих на функционирование ландшафта.

Ландшафтов, не затронутых человеческой деятельностью, на Земле практически нет. Можно в настоящее время выделить лишь ландшафты, слабо затронутые этой деятельностью. Однако природные особенности ландшафта резко проступают во многих культурных ландшафтах и поэтому вполне можно говорить о ландшафтах тайги, степей и т.д.

2.5.1. Геохимия гумидных ландшафтов

2.5.1.1. Влажные тропические леса.

Они распространены на всех материках, кроме Европы, но особенно широко в Южной Америке и Юго-Восточной Азии. Еще шире были распространены влажные тропические леса в прошлые геологические эпохи.

Этот тип гумидного ландшафта, характеризуется величиной радиационного баланса C_R 251 - 334 10⁴ кДж/м² , количеством выпадающих осадков от 1100 до 1600 мм/год, постоянными круглогодовыми высокими положительными температурами. Годовая продуктивность такого ландшафта самая высокая - 32.5 т/га при общем запасе фитомассы 517 т/га. Ежегодно в фитомассе накапливается до 65 10⁴ кДж трансформированной солнечной энергии на каждый квадратный метр площади ландшафта.

Для влажных тропиков характерно обилие видов: если во всей Европе произрастает около 250 видов деревьев, то на о. Ява — более 1500, в африканской гилее — 3000, Амазонии — 4000. Колоссальное количество биологической информации в тропическом лесу связано не только с благоприятными климатическими условиями, но и историческими причинами — эти ландшафты приурочены к областям древней суши, где эволюция непрерывно продолжается многие миллионы лет, начиная с палеогена и даже мезозоя.

Ежегодно во влажных тропиках отмирает большая масса растений, опад достигает первых сотен ц/га, т.е. в несколько раз больше, чем в умеренном поясе (дубравы — 65, средняя тайга — 50 ц/га). Разложение органических веществ тоже протекает быстрее, и в ландшафте практически нет лесной подстилки. По этой же причине гумуса накапливается не больше, чем в почвах умеренной полосы, получающих ежегодно значительно меньше опада. В отличие от лесов умеренного пояса при разложении растительных остатков К, Са, Si быстро выносятся и в мортмассе относительно накапливаются железо и марганец.

Кислые ландшафты влажных тропиков формируются на бескарбонатных породах, бедных кальцием. Разложение большой массы органических веществ обогащает почвенные растворы СО2 и органическими кислотами, причем катионов для их нейтрализации не хватает. Поэтому растворы имеют кислую реакцию и энергично выщелачивают из горных пород подвижные соединения на большую глубину. В первую очередь выносятся Са , Na, Мg, К. Сравнительно быстро выщелачиваются SiO2 силикатов.

При этом почва и кора выветривания относительно обогащаются инертными элементами — Fе в форме гидроксидов, А1, входящим в состав гидроксидов или глинистых минералов, остаточным кварцем. Содержание Fе2О3 может достигать 20—30 и более процентов, А1₂О₃ — 40—50% (против 6—15 и 15—20% в исходных породах).

Богатство почв и коры выветривания гидроксидами Fе придает им красную, оранжевую, желтую окраску. Минералогически это разные формы гидрогетита (НFеО₂Н₂О) и гидрогематита (Fе₂О₃Н₂О). При выветривании резко возрастает также количество химически связанной воды, входящей в состав минералов.

Хотя во влажных тропиках и происходит интенсивный вынос подвижных соединений, особенно катионов, полный их вынос не достигается, так как ему противодействует биологический захват — биогеохимический барьер.

Растения влажных тропиков потребляют за год почти в 5 раз больше химических элементов, чем их выносится с ионным стоком. Следовательно, значительная часть подвижных элементов постоянно "вращается" в биологическом круговороте , что и предохраняет их от выщелачивания, а организмы — от абсолютного минерального голодания: в условиях интенсивного выщелачивания единственная форма нахождения многих химических элементов, надежно защищающая их от выноса, — нахождение в живом веществе. Это важная геохимическая особенность кислых влажных тропиков, резко отличающая их от ландшафтов умеренного пояса.

Все же суммарный эффект обоих процессов резко сдвинут в сторону выноса, и кислое выщелачивание — характерная черта данного класса ландшафтов.

По степени выщелачивания химических элементов в процессе выветривания основных пород они подразделяются Перельман

1. Легкоподвижные (выщелачивание более 80%) – Na, Ca, Mg, P, Mn, Co.

2. Подвижные (выщелачивание от 50 до 80%) – Si, Ni, Zn, Cu, Pb.

3. Малоподвижные (выщелачивание от 30 до 50%) – Cr, V.

4. Устойчивые (выщелачивание менее 30%) – Al, Fe, Ti, Zr.

Геохимия грунтовых вод связана с просачиванием больших масс атмосферных осадков через почву и кору выветривания, которые почти не содержат легкорастворимых веществ. Содержание Са, Мg, Na, К чрезвычайно мало, воды ультрапресные (менее 100 мг/л) гидрокарбонатные или кремнеземные. Грунтовые воды часто относятся к глеевому классу, они обогащены Fе, Мn, мигрирующими в форме бикарбонатов или органических комплексов. В местах выхода таких вод на поверхность или их встречи с кислородными водами возникает кислородный геохимический барьер А6, на котором осаждаются гидроксиды Fе в виде бурых железняков, слоев железистых конкреций, песчаников с железистым цементом.

В нижних частях склонов, речных долинах и озерных котловинах, где грунтовые воды залегают близко от поверхности, формируются лесные болота с кислым оглеением (Н-Fе — класс) и низким рН (менее 4). На щелочных барьерах В6 здесь концентрируется сидерит (FеСО₃), вивианит (Fе₃(РО₄)₂8 Н2О), родохрозит (МnСО₃).

Реки и озера влажных тропиков также характеризуются слабоминерализованными водами, в которых среди растворенных минеральных веществ видное место занимает кремнекислота (воды часто относятся к гидрокарбонатно-кремнеземному классу).

Геохимические особенности кислых влажных тропиков накладывают резкий отпечаток на флору, фауну, сельское хозяйство, здоровье человека. В течение длительной эволюции растения приспособились к низкому содержанию катионов в окружающей среде, в частности Са, стали "кальциефобами" (например, чай) и довольствуются ничтожным количеством этого элемента, избегая почвы, богатые известью. Большинство культурных растений влажных тропиков испытывают дефицит Р, N, К, Са, Мg, В, S, Мn, Zn, Fе, I, Вг.

Хотя растения влажных тропиков и содержат много Fе, этот элемент плохо усваивается человеческим организмом из растительной пищи. Основным источником Fе, является мясо, которого население тропиков потребляет мало. Поэтому широко распространено малокровие, вызванное недостатком Fе в пище.

Недостаток Са сказывается, по-видимому, на росте животных. Так, окапи в экваториальной Африке имеет рост 1,5—2 м, а родственные ему жирафы саванн (много Са!) — около 6 м. Гиппопотам тропических лесов имеет 1,5 м в длину, а гиппопотам саванн — 4 м. Малые размеры характерны и для шимпанзе, кур, собак и других домашних и диких животных кислых экваториальных лесов. Таким образом, животные в кислых ландшафтах приспосабливаются к дефициту элементов уменьшением размеров. Вместе с тем заболевания, обусловленные дефицитом Са (рахит), встречаются редко, так как яркое солнце благоприятствует образованию витамина В, который закрепляет Са и Р в организме.

Содержание Nа в водах и продуктах питания местами настолько мало, что население испытывает в нем острый недостаток. В тропиках человек выделяет до 12 л пота в день, и падение содержания Nа в крови (при сильном потении) вызывает истощение нервной системы, снижение трудоспособности (быстрая утомляемость при физической работе). Особенно бедны Nа ландшафты, удаленные от моря.

В целом ландшафт приобретает кислый характер из-за избытка ионов водорода Н⁺ в поверхностных и грунтовых водах. Этот ландшафт характеризуется очень энергичной водной миграцией химических элементов, которая идет в двух формах - растворенной и коллоидной (в виде металлоорганических комплексов и тонких минеральных взвесей). Накопленная в фитомассе химическая энергия затрачивается на рассеивание химических элементов из ландшафта.Основное количество элементов питания сосредоточено в фитомассе вечнозеленых растений и постоянно обращается в биологическом круговороте.

Ландшафты влажных тропиков кальциевого (Са²⁺) и переходного (Н+ — Са²⁺) классов (маргалитные ландшафты). В районах распространения мергелей, известковистых песчаников, мергелистых известняков, вулканических туфов и других легковыветривающихся пород с подвижным Са формируются своеобразные маргалитные ландшафты. Если скорость выветривания соизмерима со скоростью выщелачивания, кислые органические вещества почв нейтрализуются, и хотя почвы и кора выветривания сильно выветрелы, реакция их нейтральная. Они содержат монтмориллонит (а не каолинит) и обладают значительной емкостью поглощения. Поглощающий комплекс насыщен Са и Мg, почвы окрашены в темный, иногда черный цвет.

Биологическая продуктивность маргалитных ландшафтов высокая. Сходные ландшафты формируются и в дельтах некоторых рек, а также в районах современного вулканизма, где почвы при очередном извержении вулканов обогащаются подвижными элементами за счет вулканических пеплов. Это районы с высоким плодородием почв, развитым сельским хозяйством, высокой плотностью населения (дельта Меконга, вулканические ландшафты о. Ява и т.д.). Именно маргалитные и близкие к ним ландшафты сыграли большую роль в истории цивилизации влажных тропиков, формировании в древности государств на их территории.