Современные проблемы физической географии и ландшафтоведения. Учебное пособие (курс лекций)

мелиоративных районов. Изучались ландшафты влажных субтропиков, процессы выветривания.

Б.Б. Полынов разрабатывает методологию нового научного направления, формулирует его задачи, намечает оригинальные методы исследования (сопряженный анализ миграции элементов). Сам Б.Б. Полынов и некоторые его ученики употребляли термин геохимический ландшафт. Однако, по мнению Ф.Н. Милькова, точнее говорить о геохимии ландшафта, т.к. речь идёт о геохимических особенностях географических ландшафтов, а не о чём-то новом, отличном от них.

Б.Б. Полынов подошел к классификации элементарных ландшафтов, исходя из оценки условий миграции химических элементов и идеи сопряженности элементарных ландшафтов (фаций), т.е. связи миграционными потоками серии элементарных ландшафтов. На основе этих показателей, Б.Б. Полынов выделил три большие группы элементарных ландшафтов: 1) элювиальные; 2) субаквальные; 3) супераквальные.

Элювиальные (от лат.eluvio – вымываю) ландшафты формируются на повышенных элементах рельефа при глубоком залегании уровня грунтовых вод, не оказывающих влияния на почвы и растительность. Преобладает вынос элементов с помощью воды и механического перемещения вниз по склону. Характерны прямые нисходящие водные связи. В элювиальных почвах происходит вмывание растворимых веществ и образование иллювиальных горизонтов. Извне вещество в ландшафт поступает лишь из атмосферы (осадки, пыль), боковой приток с поверхностными и грунтовыми водами отсутствует.

Супераквальные (от лат. super – над, aqua – вода) ландшафты формируются на пониженных элементах рельефа, в условиях близкого залегания грунтовых вод, которые по капиллярам могут подниматься до корнеобитаемого слоя. Для них, кроме поступления веществ из атмосферы характерен приток химических элементов с твердым и жидким стоком из соседних элювиальных ландшафтов. Поэтому в супераквальных ландшафтах химический состав наносов, почв, золы растений зависит не только от подстилающих пород, но главным от химического состава грунтовых вод, формирующихся в областях стока за счет выноса ряда веществ из элювиальных ландшафтов.

31

Избыток относительно подвижных элементов, сбрасываемых из элювиальных ландшафтов, сказывается и на облике почв и на характере и сложение растительных сообществ. Часто растения здесь находятся в условиях избытка некоторых подвижных химических элементов. Поэтому развиваются специфические биоценозы с организмами, приспособленными для жизни в условиях большого количества подвижных элементов.

Например, на жестких водах формируются богатые карбонатами луговые почвы с растительностью, изобилующей различными видами бобовых растений. На водах с избыточным содержанием кремния развиваются ландшафты низменных тростниковых или камышовых болот или зарослей хвоща – растений, потребляющих особенно большое количество кремнезема.

Субаквальные (от лат. sub – под, aqua – вода) ландшафты делятся на 2 существенно различные группы: 1) субаквальные ландшафты морей и океанов; 2) континентальные субаквальные ландшафты.

Для континентальных субаквальных ландшафтов характерна тесная генетическая связь с элювиальными ландшафтами, находящимися в бассейне водо- и солесбора. Основной способ привноса вещества – поступление его с твердым и жидким стоком. Почвы данных ландшафтов непрестанно погребаются под новыми наносами, представляющими материал, сносимый из соседних элювиальных ландшафтов. Вместе с водой в водоем поступают все новые и новые порции выносимых из элювиальных ландшафтов подвижных элементов. Именно эти элементы с наибольшей миграционной способностью накапливаются в почвах дна водоемов, что вызывает формирование специфичных биоценозов.

Своеобразны в субаквальных ландшафтах процессы разложения органических остатков, протекающие в анаэробных условиях и сопровождающиеся образованием сапропелей (илов). В зависимости от степени проточности водоема, богатство организмами на его дне и в придонных слоях создаются или окислительные или восстановительные условия. Они меняют миграционную способность химических элементов.

Три основные группы элементарных ландшафтов, выделенные Б.Б. Полыновым, далеко не исчерпывают всего разнообразия реально существующих элементарных ландшафтных единиц. Это

32

разнообразие обусловлено углами наклонов, величиной, абсолютной и относительной высотой различных элементов рельефа. Элювиальные ландшафты склонов, где возможен привнос элементов твердого и жидкого стока, находятся в существенно иных условиях, чем элювиальные ландшафты плоских водораздельных поверхностей. Условия миграции веществ у подножья склона иные, чем в его верхних частях; ландшафты поймы, периодически подвергающиеся затоплению нельзя отнести к типичным супераквальным, они испытывают попеременно то субаквальный, то супераквальный режим; супераквальные и субаквальные ландшафты замкнутых бессточных бассейнов отличаются от им подобных, находящихся в условиях проточных грунтовых и поверхностных вод.

Таким образом, возникла необходимость кроме основных выделить дополнительные группы элементарных ландшафтов. М.А. Глазовская предложила более подробную схему ландшафтногеохимической классификации подгрупп элементарных ландшафтов на основе различного характера выноса и привноса химических элементов и различного направления перемещение элементов.

Группа элювиальных ландшафтов включает следующие подгруппы:

А) Автономные элювиальные ландшафты (Э) – приурочен к плоским водораздельным участкам. Привнос элементов идет из атмосферы, а вынос происходит преимущественно в вертикальном направлении, боковой приток элементов отсутствует. Эти элювиальные фации независимы от окружающих, они геохимически автономны.

Б) Трансэлювиальные ландшафты (ТЭ) – занимают выпуклые вершины и верхние, более крутые выпуклые части склонов. Для них характерен привнос элементов не только из атмосферы, но и с боковым твердым и жидким стоком. Вынос элементов совершается не только в вертикальном направлении, но и вдоль склона в связи с осыпанием, оползанием материала и перемещением поверхностных и внутрипочвенных вод с растворенными в них веществами. Здесь остается маломощный, часто грубообломочный элювиально-делювиальный материал, в котором сохраняются лишь наименее подвижные при данных биоклиматических условиях продукты выветривания и почвообразования.

В) Трансаккумулятивные ландшафты (ТА) – нижние части вогнутых склонов и подножий. Это область не только выноса, но и

33

частичной аккумуляции продуктов твердого и жидкого стока. Здесь более мощны и более мелкоземисты рыхлые отложения, в них частично накапливаются выносимые из автономных элювиальных и трансэлювиальных фаций химические элементы и их соединения, подвижные в данных условиях.

Например, в условиях степного мелкосопочника Казахстана или Забайкалья в почвах и наносах трансаккумулятивных фаций накапливаются карбонаты кальция, в то время как в автономных элювиальных и трансэлювиальных фациях почвы бескарбонатны. Территории, издавна используемые в земледелии, часто характеризуются наличием в нижних частях склонов террасовидных уступчиков, целиком образованных снесенным в результате ускоренной эрозии гумусовым горизонтом почв. Это особые трансаккумулятивные фации, хорошо маркируемые и формами рельефа и почвами с необычной мощностью гумусового горизонта.

Г) Аккумулятивно-элювиальные ландшафты (ТАЭ) – приурочены к замкнутым понижениям, но с хорошим дренажем и глубоким залеганием грунтовых вод. Приносимые в депрессию твердые вещества аккумулируются здесь. Что касается подвижных водорастворимых соединений, то они могут лишь частично задерживаться в почвенном профиле благодаря явлениям сорбции. Большая часть их при избыточном поверхностном увлажнение выносится в глубокие части вертикального профиля ландшафта, часто до грунтовых вод. Примером аккумулятивно-элювиальных фаций могут быть степные западины, замкнутые котловины среди песков, замкнутые понижения.

В пределах группы субаквальных ландшафтов выделяются две основные подгруппы, отличающиеся по условиям притока и оттока веществ:

•ряд аквальных фаций замкнутых бессточных водоемов;

•ряд трансаквальных фаций рек и проточных озер.

Подобное же разделение проводится и в группе супераквальных ландшафтов. Здесь выделяется ряд супераквальных фаций, связанных со стоячими или очень слабо проточными водами, и ряд транссупераквальных фаций, в образовании которых участвуют проточные воды с активным водообменом.

34

2. Биогеохимический цикл и биологическая продуктивность

Биогеохимический цикл, или "малый биологический круговорот", – одно из главных звеньев функционирования геосистем. В основе его – продукционный процесс, т.е. образование органического вещества первичными продуцентами – зелеными растениями, которые извлекают двуокись углерода из атмосферы, зольные элементы и азот – с водными растворами из почвы.

Важнейшие показатели биогенного звена функционирования: запасы фитомассы и величина годичной первичной продукции, а также количество спада и аккумулируемого мертвого органического вещества. Для оценки интенсивности круговорота используются производные показатели: отношение чистой первичной продукции к запасам фитомассы, отношение живой фитомассы к мертвому органическому веществу и др. Для характеристики вклада биоты в функционирование геосистем особенно важны биогеохимические показатели: количество элементов питания, потребляемых для создания первичной биологической продукции (емкость биологического круговорота) и их химический состав, возврат элементов в связи со спадом, и закрепление в истинном приросте, накопление в подстилке, потеря на выходе из геосистемы и степень компенсации на входе.

Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенностями различных видов.

С величиной первичной биологической продуктивности непосредственно связана емкость биологического круговорота веществ. Хотя количество вовлекаемого в оборот минерального вещества зависит от биологических особенностей различных видов, размещение этих видов в значительной мере подчинено географическим закономерностям.

Деятельность живых организмов в ландшафте. Геохимия рассматривает не отдельный живой организм, а всю их совокупность – живое вещество. Согласно закону Вернадского миграция элементов в биосфере осуществляется либо при непосредственном участии живого вещества, либо в обстановке, созданной в результате жизнедеятельности организмов. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов.

Живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную энергию, а затем – в кинетическую энергию геохи-

35

мических процессов. Живые организмы являются также агентами сортировки и перераспределения атомов. Они изменили химический состав земной коры.

Миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами: 1) образованием живого вещества из элементов окружающей среды; 2) разложением органических веществ. В совокупности эти процессы образуют биологический круговорот атомов.

Изымая из атмосферы углекислый газ и, насыщая ее кислородом, растения частично изменяют состав надземной атмосферы. Поглощая нитраты, фосфаты, калий и другие дефицитные элементы, они уменьшают их содержание в поверхностных водах. Растения выделяют различные летучие органические соединения фитонциды, которые обладают бактерицидными свойствами. Эти вещества могут служить активаторами физиологических процессов у животных.

Функции живого вещества в биосфере (В.И. Вернадский):

1.газовая – производство кислорода;

2.концентрационная – накопление углерода и других элемен-

тов;

3.окислительная – создание кислой среды (кислород) при жизнедеятельности;

4.восстановительная – выделение метана, аммиака, сероводорода при разложении;

5.биохимическая – рост биомассы.

Живые организмы в основном состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Поэтому нет прямой пропорциональности между составом живого вещества и земной коры в целом. Содержание кислорода равно 70 %, углерода 18 %, водорода 10,5 %, азота 0,3 %.

Химический состав конкретного ландшафта может существенно отличаться от среднего химического состава живого вещества Земли. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком последнего. Химический же состав организмов зависит от их природы (систематического положения) и геохимических особенностей ландшафта. Живое вещество, особенно растения, является биогео-

36

химическим барьером, на котором концентрируются воздушные и другие мигранты.

Образование и разложение органического вещества. Жи-

вое вещество образуется в процессе фотосинтеза растениямиавтотрофами. Фотосинтез осуществляется в зеленом луче при участии хлорофилла за счет энергии солнечных лучей. При фотосинтезе происходит разложение нейтральных воды и углекислого газа (углекислый газ поступает из атмосферы, почвенного воздуха, водоемов) на сильный окислитель кислород и водород, который восстанавливает углекислый газ и идет на синтез органических соединений (сильные восстановители).

Углерод и водород органических соединений, а также выделившийся свободный кислород “зарядились” солнечной энергией, поднялись на более высокий энергетический уровень – стали геохимическими аккумуляторами. Углеводы и другие продукты участвуют в растениях в образовании сложных органических соединений.

Растения также поглощают из окружающей среды (почвы, водоема) такие химические элементы, как фосфор, калий, кальций, азот и др. В растениях поглощенные элементы входят в состав сложных, богатых энергией органических соединений (нуклеопротеидов и др.). Этот процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений.

Все остальные организмы являются гетеротрофными, т. е. они не способны создавать органические вещества из минеральных и получают их от растений. Образование живого вещества – процесс, идущий с уменьшением энтропии (увеличением упорядоченности). Однако это не противоречит 2-му закону термодинамики, т. к. система не замкнута, снаружи энтропия существенным образом увеличивается. С образованием живого вещества также увеличивается сложность информации, возникает новый ее вид – биологическая информация.

Биомасса (Б) – общая масса живого вещества в том или ином ландшафте. Продукция (П) – биомасса, которая продуцируется за год. Обе эти величины измеряются в центнерах сухого вещества на гектар. Биомасса на 98% представляет собой массу растений.

Соотношение ежегодной продукции и биомассы обычно выражается коэффициентом Родина-Базилевич:

37

Ж ПБ 100%

По значениям этого коэффициента ландшафты разделяются на пять групп:

1.Лесные ландшафты – характерно накопление большого количества биомассы (тысячи ц/га), Ж = 10n. Наземная фитомасса значительно превышает подземную. Характерны интенсивные прямые водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами. Создается фитоклимат. Высока самоорганизация и устойчивость. Ярко выражен водораздельный центр ландшафта.

2.Степи, луга, саванны – биомасса гораздо меньше (до 300– 400 ц/га), ежегодная продукция часто не меньше, чем в лесах, таким образом Ж = n. Запасы гумуса в 10-20 раз превышают биомассу. Основная масса живого вещества сосредоточена под поверхностью почвы. Прямые водные связи менее совершенны, ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь почва-раститель- ность. Самоорганизация и устойчивость ниже. Часто бицентрическая система – водораздельный центр ослаблен, есть второй центр

вречных долинах.

3.Пустыни – небольшие значения П и Б. Прямые водные связи сильно ослаблены. Отдельные природные тела почти независимы. Резко выражены прямые воздушные связи. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшим разнообразием, самоорганизацией, устойчивостью.

4.Тундровые ландшафты – незначительная биомасса (10– 100-и ц/га), низкая продукция. По интенсивности прямых водных связей и величине Ж близки к лесам; по размерам биомассы, развитию обратных биокосных связей – к степям и лугам; по разнообразию, самоорганизации, устойчивости, развитию прямых воздушных связей – к пустыням.

5.Примитивные пустыни (такыры, скалы с лишайниками и др.) – биомасса мала (иногда менее 1 ц/га), величина Ж различна. Очень низкая мощность ландшафта; низкие разнообразие, самоорганизация, устойчивость.

Разложение органических веществ. Наряду с биогенной ак-

кумуляцией в ландшафте протекают процессы разрушения органических веществ, перехода химических элементов из органических соединений в неорганические.

38

Совокупность процессов разложения органических веществ называется минерализацией. При этом выделяется энергия – в виде тепла и в виде энергии, идущей на совершение химической работы (в основном природными водами).

Количество мертвых органических веществ в ландшафте является важным геохимическим параметром, складывающимся из нескольких показателей: общее количество органических остатков; ежегодный растительный опад (от 1 ц/га – в такырах до 250 ц/га во влажных тропиках и 765 ц/га в тугаях); лесная подстилка и степной войлок (от 15 ц/га в сухих степях и 20 ц/га во влажных тропиках до 835 ц/га в кустарничковой тундре); гумус (от 1000 ц/га в тайге до 8000 ц/га в луговых черноземных степях).

Интенсивность биологического поглощения характеризу-

ется следующими коэффициентами:

1. Коэффициент биологического поглощения (ПолыновПерельман) – отношение количества элемента в золе растений и его количества в горной породе или почве:

AX lX . nX

По значениям этого коэффициента Перельман выделял элементы очень интенсивного накопления (P, S, Cl, I, Br), элементы среднего и интенсивного накопления (B, Ge, Zn, Ca, Mg, K, Na, Sr), элементы среднего накопления и сильного захвата (Mo, Cu, Ag, Mn, Pb, Ba, F и др.) и элементы очень слабого и слабого захвата (Cr, V, Si, Ti, Al, Fe, Cd и др.). При АХ > 1 элементы накапливаются в растениях, а при AX < 1 – только захватываются. Живые организмы сильно различаются по значениям коэффициента биологического поглощения (он зависит от того, сухое или влажное вещество и т. д.).

2. Биофильность элементов: отношение количества элемента в золе растений к его кларку в земной коре:

AX lX . kX

3. Коэффициент биогеохимической подвижности – отношение содержания элемента в сухом веществе к его содержанию в почве в подвижной форме.

39

BX mX . pX

4. Коэффициенты РПК (растительно-почвенный), РВК (расти- тельно-водный) и РГК (растительно-газовый) – отношение содержания элемента в сухом веществе к содержанию в твердой фазе почвы, в водной фазе, в газах почвы. Наиболее сильно поглощение из газовой фазы, наименее – из твердой, поэтому РГК > РВК > РПК (на порядки).

Большинство природных ландшафтов относится к биокосным системам, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны и взаимообусловлены. Биологический круговорот химических элементов является важнейшим фактором, связывающим между собой все компоненты ландшафта. Основы учения о роли живых организмов в миграции атомов в ландшафтах и биосфере в целом заложил В.И. Вернадский.

Вывод по лекции. Сформировано представление о механических и тепловых взаимодействиях в планетарных физикогеографических процессах. Закрепили представление о геохимических закономерностях. Рассмотрели классификацию элементарных ландшафтов Б.Б. Полынова, исходя из оценки условий миграции химических элементов и идеи сопряженности элементарных ландшафтов (фаций), т.е. связи миграционными потоками серии элементарных ландшафтов. На основе этих показателей, Б.Б. Полынов выделил три большие группы элементарных ландшафтов: элювиальные, субаквальные, супераквальные. Выявили связь величины первичной биологической продуктивности непосредственно с емкостью биологического круговорота веществ, которое, в значительной мере подчинено географическим закономерностям: деятельность живых организмов в ландшафте, образование и разложение органического вещества, интенсивность биологического поглощения.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы объект и предмет, методы изучения геохимии ландшафта?

2.Основные этапы развития геохимических исследований в нашей стране?

40