водораздельных болотных систем (Васюганское болото).
Рассмотрим влияние болот на сток с речных водосборов. Болотные экосистемы отличаются от суходольных земель в естественном состоянии повышенным в большинстве случаев испарением. Различия наиболее велики в южных засушливых районах (за год они соизмеримы с нормой стока) и постепенно уменьшаются в северном направлении. Снижение нормы годового стока в относительном выражении тем больше, чем больше площадь озер и болот по отношению к площади всего бассейна, оно может быть оценено по уравнению водного баланса при наличии данных об испарении с разных типов местности.
Болота всех типов, обладая определенной регулирующей емкостью, как и леса, способствуют уменьшению пиков половодий. Наибольшее снижение стока при одинаковой степени заболоченности наблюдается, если на водосборе распространены болотные массивы с озерно-болотными комплексами и сильно обводненными микроландшафтами, а также в районах развития низинных болот (юг равнины). Наименьшее снижение стока дают выпуклые верховые болотные массивы с микроландшафтами средней обводненности и развитой по окрайкам ручейковой сетью, которая обеспечивает быстрый сброс талых вод с болота.
Равномерность распределения стока воды по территории внутри года зависит, в том числе, и от болот. Так, болота зоны многолетней мерзлоты и верховые болота не могут накапливать воду в многоводный период года. Лучшей способностью аккумулировать воду обладают низинные и переходные болота, накапливающие и пропускающие через торфяную залежь значительные массы воды.
Таким образом, болота на водосборе способствуют снижению речного стока по сравнению с незаболоченными бассейнами в естественном состоянии. Верховые болота с микроландшафтами средней и слабой обводненности характеризуются относительно высоким стоком в половодье и низкой меженью, наиболее неравномерным распределением водности внутри года. Если на водосборе развиты сильно обводненные водораздельные озерноболотные массивы или, в южных районах, низинные болота, то речной сток более спокоен, амплитуда колебаний водности внутри года менее значительна. В итоге следует вывод, что болота в естественном состоянии не играют водоохранной (в количественном отношении) и водорегулирующей ролей по отношению к речному стоку.
9.4. Геохимическая функция
Формирование болот в наиболее пониженных элементах рельефа обусловливает систематическое поступление в них разнообразных растворимых и твердых продуктов с поверхностного слоя коры выветривания. Поступление веществ на болота осуществляется с атмосферными, паводковыми, поверхностными и подземными водами, а также с аэрозольными частицами. Преобладание того или иного пути обусловливается геоморфологическими особенностями болот и окружающих территорий,
192
гранулометрическим и минералогическим составами горных пород, химическим составом питающих болота вод, генетическими стадиями развития болот – низинной, переходной или верховой, а также особенностями условий миграции каждого химического элемента, поступающего на болота.
Главными геохимическими процессами в неосушенных болотах являются синтез новых веществ, перераспределение химических элементов внутри торфяных залежей, концентрация и аккумуляция химических элементов, поступающих в болотные экосистемы извне, геохимический вынос химических элементов за пределы болот (рис. 109). Основными механизмами реализации этих процессов являются органоминеральные взаимодействия, физикохимические взаимодействия и превращения, биологическая аккумуляция и биологическое разрушение минеральных, органических и органоминеральных веществ.
Геохимическая обстановка в болотной среде во многом обусловлена наличием в торфяных залежах органических веществ – гуминовых кислот, фульвокислот, промежуточных продуктов гумификации, лигнина, целлюлозы, гемицеллюлозы, белков, карбоновых кислот, альдегидов, флавоноидов и многих других, содержащих функциональные группы: карбоксильные, карбонильные, спиртовые и фенольные гидроксилы, сульфогруппы,
Рис. 109. Основные геохимические процессы в болотной среде
аминогруппы и т. п. Взаимодействие органических и минеральных веществ в торфяных залежах осуществляется по механизмам ионного обмена, комплексообразования, растворения, пептизации, осаждения, коагуляции, агрегации, поверхностнойсорбцииидругим.
Образование в болотной среде растворимых или нерастворимых органоминеральных веществ зависит от того, с какими органическими соединениями взаимодействуют минеральные вещества. Гуминовые кислоты, лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза торфа малорастворимы или нерастворимы в воде, а фульвокислоты и органические кислоты типа уксусной, пропионовой, яблочной, лимонной, щавелевой и т. п. хорошо растворимы. При взаимодействии минеральных веществ с нерастворимыми в воде органическими компонентами торфа происходит концентрирование и удерживание химических элементов в торфяных залежах, а при взаимодействии с водорастворимыми – миграция по торфяным залежам и геохимический вынос за пределы болот.
193
Наряду с этим в болотной среде могут образовываться и концентрироваться минеральные вещества без взаимодействия с органическими соединениями, за счет физико-химических превращений при изменении окислительно-восстановительных условий, рН среды или при взаимодействии разных минеральных веществ.
Биологические механизмы обеспечивают концентрирование биогенных элементов в живых организмах, высвобождение химических элементов из отмерших болотных растений и перевод их в реакционноспособные формы.
Всовокупности все вышеназванные механизмы обеспечивают протекание
вболотах геохимических процессов, указанных на рис. 109.
Синтез новых веществ. Наибольшее влияние на ход геохимических процессов оказывает синтез гуминовых веществ из негумифицированных тканей отмерших организмов, главным образом болотных растений.
Взависимости от особенностей молекулярной структуры и геохимической обстановки гуминовые вещества обладают как свойством концентрирования и аккумуляции многих химических элементов, так и свойством их растворения и транспорта за пределы болот. Эти свойства характерны для всех гуминовых веществ планеты и являются важнейшим инструментом глобального, регионального и местного перераспределения химических элементов в земной коре.
Вболотах осуществляется синтез многих минералов таких, как гетит, гидрогетит, вивианит, кальцит, гипс и др. Органоминеральные вещества формируются в болотной среде при взаимодействии минеральных и органических веществ с образованием растворимых или нерастворимых соединений, например соединений железа, марганца, урана, германия с лигнином, гуминовыми кислотами или фульвокислотами.
Перераспределение химических элементов в торфяных залежах обусловлено способностью болотных вод, обогащенных органическими соединениями, обеспечивать растворимость имеющихся и поступающих в торфяные залежи минералов. В болотах химические элементы находятся в виде комплексов простых и комплексно-гетерополярных солей, коллоидов и твердых частиц минералов. Болотная среда способна активно преобразовывать твердые и растворенные продукты коры выветривания, так как здесь одновременно действует комплекс химических, физических и биологических факторов, определяющих активную переработку поступивших на болота минералов. Эта особенность болотной среды очень важна с геохимической точки зрения.
Колебания уровней грунтовых вод и испарение с болот обеспечивают подтягивание вод из нижних слоев в верхние, а фильтрация воды, наоборот, обеспечивает передвижение растворенных веществ вниз по профилю торфяных залежей. Помимо этого в торфяных залежах существуют горизонтальные потоки, а нередко и водные «жилы». Благоприятные условия для протекания окислительных процессов в поверхностных слоях торфяных залежей сменяются благоприятными условиями для протекания восстановительных процессов в глубине торфяных залежей.
Всовокупности эти процессы обеспечивают перенос растворенных
194
веществ из одних частей торфяных залежей в другие, а смена физикохимических условий среды обеспечивает многократно повторяющиеся процессы осаждения, растворения и переотложения минеральных веществ в разных частях торфяных залежей. Наиболее обычными и легко наблюдаемыми примерами могут быть временные отложения карбонатов и сульфатов кальция на поверхностях подсохших участков болот, которые при определенных условиях могут снова растворяться и переноситься с водными потоками в другие части торфяных залежей.
Рассматривая условия формирования химического состава и качества болотных, речных и подземных вод и роль болот в этом процессе, необходимо учитывать соподчиненность ландшафтов в речном бассейне. Верховые болота – это элювиальные геохимически автономные, а низинные – аккумулятивные геохимически подчиненные ландшафты. В последних состав торфа и болотных вод формируется в результате притока веществ с поверхностными и подземными водами с более высоко расположенных участков местности. Одновременно торфяные болота являются сложными комплексными геохимическими барьерами как линейного, так и площадного типа.
Примером такого перераспределения веществ на территории может служить ландшафтный профиль, в нижней части которого в результате поверхностного и внутризалежного стока образуется болотный ручей с индивидуальным гидрохимическим составом воды (рис 110).
Рис. 110. Ландшафтный профиль с болотами: 2 – уровень болотных вод. Виды торфа: 3 –- низинный осоковый, 4 – низинный древесно-осоковый, 5 – низинный хвощовый, 6 – переходный древесно-сфагновый, 7 – переходный древесно-травяной, 8 – фускум-торф, 9 – магелланикум-торф, 10 – верховой комплексный, 11 –- сфагновый мочажинный, 12 – верховой сосново-пушицевый
Поступление болотных вод в реки и в ниже расположенные водоносные горизонты способствует понижению рН, жесткости и концентрации главных ионов в воде, увеличению содержания органического вещества, железа, марганца и некоторых других микроэлементов.
Болотные экосистемы способны аккумулировать большой спектр загрязняющих веществ из атмосферы. Торфяные болота, будучи кислым восстановительным поверхностным геохимическим барьером с очень высокой сорбционной емкостью, накапливают такие токсичные техногенные элементы,
195
как мышьяк, селен, свинец, кадмий, ртуть и другие, консервируя их на многие годы и выводя из круговорота веществ в биосфере.
Будучи растворенными, химические соединения движутся вместе с болотными водами по профилям торфяных залежей и, попадая в другие окислительно-восстановительные условия, образуют осадки. В качестве примера можно привести весьма распространенный процесс миграции растворенного в воде ферробикарбоната Fe(HCО3)2 из нижних слоев торфяных залежей к поверхности, что особенно характерно для засушливых сезонов. В окислительной обстановке ферробикарбонат переходит в гидроокись двухвалентного железа Fe(OH)2, которая выпадает в осадок и окисляется до ферригидратов, трансформируясь в гетит и гидрогетит. Так могут формироваться отложения болотных железных руд, залегающих в болотах в виде линз площадью до нескольких гектаров и толщиной до нескольких десятков сантиметров. Прежде такие отложения использовались в практических целях, и при Петре I в России производилось большое количество черных металлов из болотных руд.
В перераспределении биогенных элементов в торфяных залежах существенная роль принадлежит живым организмам. Например, отчетливо видна их роль в перераспределении соединений фосфора. Фосфор является обязательным компонентом многих фосфорсодержащих соединений, входящих в состав живых организмов: фитина, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, липопротеидов и других веществ, имеющих эфирные связи фосфорной кислоты С—О—Р, расщепление которых осуществляется ферментативным путем. Из таких соединений только микроорганизмы могут высвободить фосфор и трансформировать его в реакционно-способные минеральные формы. Надо полагать, что образование вивианитов и других железофосфатов (керчениты, сидериты и т. д.) в торфяных залежах было бы невозможно без участия на определенных стадиях живых организмов.
Не менее существенна роль живых организмов в перераспределении по торфяным залежам соединений кальция, серы и многих микроэлементов.
Концентрация и аккумуляция химических элементов. Для торфяных болот весьма типичны процессы концентрации и аккумуляции химических элементов, привносимых на болота извне, таких как кальций, железо, магний, фосфор, уран, германий и др. Являясь геохимическими барьерами, торфяные залежи концентрируют и удерживают многие химические элементы в количествах, на несколько порядков больших по сравнению с содержанием этих же элементов в поступающих на болота водах. Так, коэффициенты обогащения гуминовых кислот различными катионами составляют около 10 000. Коэффициенты обогащения торфа ураном и германием также составляют 10 000, поэтому многие месторождения этих элементов сформировались там, где была возможность контактов природных вод, содержащих уран или германий, с органическим веществом. На характер сорбции влияют ботанический состав, степень разложения и кислотность торфа.
Вынос химических элементов за пределы болот осуществляется
196