Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

печенности территории), выраженный в калориях или джоулях на квадратный сантиметр в год. Он соотносится со вторым фактором – годовым количеством осадков (r) на той же площади. Для достижения единообразия соотносимых параметров берется не абсолютное количество осадков в миллиметрах, а его энергетический эквивалент – Lr (L – скрытая теплота парообразования), т. е. сумма тепла, необходимая для испарения годового количества осадков r. Полученный из соотношения двух энергетических величин третий показатель К = R/(Lr) назван радиационным индексом сухости. Таким образом, любая природная географическая зона представляется функцией от r и R.

Наименьшим значениям индекса сухости соответствуют наиболее влажные ландшафтные зоны, которые отмечаются главным образом в высоких широтах, где испаряемость очень мала (например, заболоченная тундра). Наибольшие величины индекса сухости относятся к условиям пустынь и полупустынь, где испаряемость максимальна.

Сравнение карт радиационного индекса сухости с геоботаническими и почвенными картами показало, что расположение изолиний индекса сухости хорошо согласуется с размещением основных географических зон. Наименьшим индексом сухости (до 1/3) соответствует тундра, значениям индекса от 1/3 до 1 – лесная зона, от 1 до 2 – степная зона, больше 2 – полупустынная и больше 3 – пустынная зона.

Для определения облика конкретной ландшафтной зоны необходим учет и К, и R: если величина К определяет тип ландшафтной зоны, то величина R – конкретный характер и облик зоны. В системе координат, где по одной оси отложена тепловая энергетическая база – радиационный баланс (R), а по другой – условие увлажнения, т. е. радиационный индекс сухости (К), укладывается все разнообразие зон и ландшафтов Земли.

Например, К>3 во всех случаях указывает на тип пустынных ландшафтов, но в зависимости от величины R, т. е. от количества тепла, облик пустыни меняется: при R = 0–50 ккал/см2 в год – это пустыня умеренного климата, при R = 50–75 – пустыня субтропическая и при R>75 – пустыня тропическая.

Если К близок к единице, это значит, что между теплом и влагой существует соразмерность: осадков выпадает столько, сколько может испариться. Такой индекс обеспечивает биокомпонентам бесперебой-

61

ность процессов испарения и транспирации, а также аэрации грунтов. Отклонение К по обе стороны от единицы создает диспропорции: при недостатке влаги (К>1) нарушается бесперебойное течение процессов испарения и транспирации, при избытке влаги (К<1) – процессов аэрации почвы; и то, и другое сказывается на биокомпонентах отрицательно.

Можно заключить, что многообразие ландшафтной сферы и биологическая продуктивность тем выше, чем ближе значение индекса сухости к единице, а при равных значениях индекса – тем выше, чем больше годовой радиационный баланс. Значение Периодического закона географической зональности двоякое: 1) подчеркнута характерная черта зональности – ее периодичность; 2) установлены ориентировочные количественные показатели для проведения границ ландшафтных зон.

Контрольные вопросы

1.Развитие представлений о закономерностях дифференциации ландшафтной оболочки Земли.

2.Общие сведения о геофизических и геохимических градиентах, лежащих в основе ландшафтной дифференциации.

3.Гидротермический режим как ведущий фактор формирования ландшафтов.

4.Закономерности динамики теплового и водного режима земной поверхности.

5.Широтная и долготная дифференциация ландшафтов и факторы их обусловливающие.

6.Долготная дифференциация ландшафтов, ее причины. Опосредованность гидротермического режима атмосферной циркуляцией.

7.Высотно-поясная дифференциация ландшафтов и ее причины. Значение высоты горной системы, ее широтного положения, экспозиции склонов в определении поясного спектра ландшафтов.

8.Суть Периодического закона географической зональности. Провести аналогию с периодической системой химических элементов.

62

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Беручашвили Н.Л. Геофизика ландшафта. – М.: Высшая школа, 1990. – 287 с.

2.Дьяконов К.Н. Геофизика ландшафта. Метод балансов. – М.:

Изд-во МГУ, 1988. – 95 с.

3.Дьяконов К.Н. Геофизика ландшафта: биоэнергетика, модели, проблемы. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 96 с.

6.Калесник С.В. Общие географические закономерности Земли. –

М.: Мысль, 1970. – 285 с.

7.Мильков Ф.Н. Ландшафтная сфера Земли. – М.: Мысль, 1970. –

207 с.

Дополнительная

1.Арманд Д.Л. Наука о ландшафте. – М.: Мысль, 1975. – 286 с.

2.Бобков А.А., Селиверстов Ю.П. Землеведение: учебник для вузов. – М.: Академический проект, 2006. – 537 с.

3.Будыко М.И. Глобальная экология.– М.: Мысль, 1977.– 327 с.

4.Дювиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека / пер.

сфранц. – М.: Прогресс, 1973. – 269 с.

5.Исаченко А. Г., Шляпников А.А. Природа мира: Ландшафты. –

М.: Мысль, 1989. – 504 с.

6.Мильков Ф.Н. Ландшафтная сфера Земли. – М.: Мысль, 1970. –

207 с.

7.Мир географии: География и географы. Природная среда / Редкол.: Рычагов Г.И. и др. – М.: Мысль, 1984. – 367 c.

8.Небел Б. Наука об окружающей среде: как устроен мир. В 2-х т. /

пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – Т 1. – 424 с.

9.ОдумЮ.Основыэкологии/пер.сангл.– М.:Мир,1975.–740с.

10.Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. В 2-х т. /

пер. с англ. – М.: Мир, 1990. Т. 1–2. – 348 с.

11.Сладкопевцев С.А. Землеведение и природоведение. – М.: Высшая школа, 2005. – 357 с.

12.Уткин А.И. Теплота сгорания как экологическая мера. – Вопросы биоценологии и географии: Доклады на третьем ежегодном чте-

нии памяти академика В.Н. Сукачева. – М.: Наука, 1986. – С. 13–60. 13. Хильми Г.Ф. Основы физики биосферы. – Л.: Гидрометеоиз-

дат, 1966. – 298 с.

63

ЧАСТЬ II. ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА 1. Геохимия ландшафта как наука

1.Геохимия ландшафта – отрасль ландшафтоведения, изучающая ландшафт на атомарном уровне.

2.Основные принципы и понятия геохимии ландшафта.

3.Практическое приложение геохимии ландшафта.

Геохимия ландшафта представляет собой относительно новое научное направление, сложившееся в 40-х годах XX века на стыке геохимии и физической географии. У географии она заимствовала объект

ввиде ландшафта, а у геохимии – метод исследования. Предметом ее исследования стала миграция и аккумуляция химических элементов и соединений в ландшафтах различного генезиса. В становлении этой науки отразились характерные тенденции XX века – развитие наук об атомах и «атомистический подход» в изучении природных процессов, с одной стороны, и возникновение новых научных направлений на границах различных отраслей знания, с другой.

Основателем геохимии ландшафта как самостоятельного научного направления является выдающийся отечественный ученый Б.Б. Полынов, который в своих работах 40–50-х годов сформулировал руководящие идеи и важнейшие положения новой дисциплины. Его предшественниками, сделавшими первые подходы к изучению геохимии ландшафта

в20-х и начале 30-х годов, были советские учёные В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман.

Творческое обобщение накопленных сведений по геохимии ландшафта, систематическое изложение содержания и начало чтения этой новой дисциплины на географическом факультете МГУ с 50-х годов осуществлено А.И. Перельманом, учеником Б.Б. Полынова. К тому времени четко определились основные идеи, вокруг которых строилось из-

64

ложение: идея круговоротов атомов в ландшафте и биосфере в целом, ведущая роль живого вещества в миграции атомов, связь геохимии элементов с их кларками, историзм, представления о геохимических барьерах, принципы геохимической классификации элементов.

Установление кругового, циклического движения атомов химических элементов, охватывающего все наружные оболочки Земли – одно из замечательных открытий геохимии. Благодаря циклической миграции атомов осуществляется обмен веществ и энергии между земной корой, гидросферой и атмосферой. В этом процессе биологическому звену принадлежит ведущая роль, проявляющаяся в биологическом круговороте атомов, образовании и разложении органических веществ.

Благодаря фотосинтезу солнечная энергия на Земле превращается в действенную химическую энергию. Об огромной напряженности фотосинтеза свидетельствуют следующие подсчеты ученых: за время существования жизни вся вода Мирового океана не менее 300 раз прошла через биогенный цикл. Свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн раз. Любой живой организм в первую очередь состоит из углерода, кислорода, водорода и азота, т. е. тех химических элементов, из которых сложены водная и воздушная оболочки Земли.

Поэтому естественно, что в процессе жизнедеятельности живые организмы пропускают через себя огромные количества газовых и водных компонентов и воздействуют на установление новых химических равновесий, на появление новых состояний вещества в атмосфере и гидросфере. Геохимической деятельности «живого вещества» (термин акад. В.И. Вернадского), этой высокоорганизованной формы материи, действующей на поверхности земной коры, в нижних слоях атмосферы и в Мировом океане, обязаны своим образованием современная атмосфера и почвенный покров, возникновение особой оболочки – биосферы. Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского утверждает: биогенное происхождение всей земной поверхности свидетельствует о том, что жизнь – созидающая сила на планете. Серьезные нарушения этой силы, в том числе уничтожение видов, могут привести к непредсказуемым последствиям.

65

Важным принципом геохимии ландшафта является историзм, подразумевающий существование в каждом ландшафте реликтовых, консервативных и прогрессивных частей. Изучение геохимических особенностей ландшафтов прошлых геологических эпох составляет содержание исторической геохимии ландшафта. Она применяется при поисках полезных ископаемых, в здравоохранении.

Как и любая наука, геохимия ландшафта оперирует своими понятиями и терминами. К трактовке общего с физической географией предмета исследования – ландшафта – она также имеет свой подход. Ландшафт – категория физико-географического деления, рассматриваемая как основная единица и основной объект ландшафтного исследования. В нем в качестве структурных морфологических подразделений ландшафтоведы выделяют по восходящей фации, урочища и местности. Геохимия оперирует понятиями «элементарный ландшафт» и «геохимический ландшафт». «Элементарный ландшафт» геохимиков примерно соответствует фации ландшафтоведов. Для урочищ и местностей, принятых в ландшафтоведении, в геохимииландшафта нет аналогов.

Под фацией в ландшафтоведении понимается наименьшая природная геосистема, первичная функциональная ячейка ландшафта, аналогичная клетке в организме. Это – участок земной поверхности с однородностью литогенной основы, почвы, водного режима, растительного сообщества, микроклимата, приуроченный к одному элементу рельефа. В экологии сходное значение имеет термин «биогеоценоз». Геохимия ландшафта в понятие «элементарный ландшафт» вкладывает, прежде всего, геохимическое содержание, представляя его как совокупность физико-химических условий среды, определяющих характер миграции и аккумуляции химических элементов. Если географы при изучении ландшафта главное внимание обращают на климат, рельеф, почвы, растительность, воды ландшафта, то геохимики исследуют его с точки зрения миграции атомов. Поэтому болото предстает как железный ландшафт, черноземная степь – кальциевый, пустыня – натриевый, хлорный, серный и т. д.

В своем типичном проявлении элементарный ландшафт должен представлять один определенный элемент рельефа, сложенный одной

66

породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным типом растительности. Поскольку этим требованиям не могут удовлетворять большие территории, элементарный ландшафт обычно занимает небольшие площади. В то же время в нем нет каких-либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Поэтому, например, пятно солончака размером в 10 кв. м является элементарным ландшафтом, так как известны солончаки размером в десятки и сотни раз больше.

Наименьшая площадь, на которой представлены все компоненты данного элементарного ландшафта, называют площадью его выявления. Элементарные ландшафты (элювиальный, супераквальный, субаквальный, по классификации А.И. Перельмана), сменяющие друг друга от местного водораздела к местной депрессии, связанные между собой миграцией вещества, представляет собой геохимически сопряженный ряд – геохимический ландшафт.

Другими словами, геохимический ландшафт – это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией химических элементов. Для каждого геохимического ландшафта характерен свой особый круговорот атомов, особая водная и воздушная миграция химических элементов. Все его части – водоразделы, склоны, долины и т. д. – связаны между собой миграцией атомов. Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное сочетание элементарных ландшафтов называется геохимиче-

ским сопряжением.

Формирование геохимического ландшафта обеспечивается взаимодействием трех факторов – климата, зависимого от географического положения, геологического строения и рельефа.

В основу геохимической классификации ландшафтов положены особенности миграции химических элементов. Все геохимические ландшафты А.И. Перельман делит по доминирующему фактору миграции на 6 таксономических уровней (группа, тип, семейство, класс, род, вид). На первом уровне они делятся на абиогенные, биогенные и техногенные. В зависимости от преобладающего вида миграции выделяют три основных ряда элементарных ландшафтов: 1) абиогенные ланд-

67

шафты, для которых характерна только механическая и физикохимическая миграция (центральные районы Антарктиды, Гренландия, высокогорные ледники и снега); 2) биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции; 3) антропогенные ландшафты, свойства которых определяются техногенной миграцией (зоны интенсивного земледелия и промышленного производства, где формируются искусственные геохимические аномалии).

Значение знаний о геохимии ландшафта возрастает в связи с нарастающей тенденцией преобразования природных ландшафтов в техногенные. Современный размах стихийной производственной деятельности человека создает опасность для биосферы как среды существования человека. Регулирование планетарной геохимической деятельности человека возможно на основании изучения законов геохимии. Обеспечение растущих потребностей общества в минеральном сырье, рациональное использование почв и природных ресурсов суши и океана, контроль состояния окружающей среды – все эти крупные проблемы современности не могут быть решены без знаний о геохимии ландшафта.

Освоение этой дисциплины предполагает знание основ геологических, географических, химических и биологических наук. Сюда входят представления о физических и магнитных свойствах Земли, внутренних и внешних процессах, изменяющих ее поверхность, минералах и горных породах, их генезисе, свойствах, классификации, а также о географической оболочке Земли в целом и ее составляющих – литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере.

Контрольные вопросы

1.Геохимия ландшафта как пограничная наука, краткие сведения об истории ее становления.

2.Предмет и методы геохимии ландшафта.

3.Основополагающие принципы геохимии ландшафта.

4.Понятия «элементарный ландшафт» и «геохимический ландшафт».

5.Практическое приложение геохимии ландшафта.

68

РАЗДЕЛ 2. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ВЕЩЕСТВА ЛАНДШАФТА

ТЕМА 2. Химические элементы в ландшафтной сфере

1.Средний химический состав земной коры. Понятие о кларках.

2.Классификация химических элементов в соответствии с их кларками.

3.Главные и второстепенные элементы земной коры.

4.Закономерности в распределении кларков.

5.Типоморфные элементы, их роль в ландшафте.

Основным источником вещества для ландшафта служит литосфера, гидросфера и атмосфера, состоящие из 92 природных элементов (не учтены элементы, полученные искусственным путем). Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их перемещением – миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения химических элементов только миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание кислорода велико, а золота и платины мало. Очевидно, существует какая-то закономерность распространенности химических элементов, которая может быть выявлена лишь при анализе чисел среднего химического состава земной коры. Эти числа впервые были установлены в начале ХХ века и по предложению А.Е. Ферсмана в 1933 г. названы кларками в честь американского ученого Ф. Кларка (1889), посвятившего более 40 лет своей жизни решению данной научной проблемы.

Кларк – число, выражающее среднее содержание химических элементов в земной коре по отношению к ее общей массе. При этом содержание элемента в каждой точке земной коры не должно полностью совпадать с его кларком: кларк – средняя величина.

Различают кларки весовые (в %, в г/т, г/кг или г/г) и атомные (в % от числа атомов). Когда говорится, что кларк кремния в земной коре 29,5, это значит, что таково его среднее содержание в процентах. Кларки неоднократно проверялись различными методами, и средний химический состав доступной для исследования части литосферы установлен довольно точно. В табл. 1 приведены кларки элементов в земной коре. Как видно, величины кларков различаются в миллиард раз: от 47 % для кислорода до 43×10-8 % для золота (для рения – 7×10-8 %, еще ниже содержание радия и некоторых других элементов).

69

Таблица 1 Кларки элементов земной коры в порядке их убывания

(по А.П. Виноградову, 1962)

70