Геохимический подход в изучении ритмики морфологических единиц ландшафта

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКА- ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ, №1, 2017

УДК 379.85 Токарев А. А. [Токаrev А. А.], Шальнев В. A. [Shalnev V. А.]

ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ РИТМИКИ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ ЛАНДШАФТА

Geochemical approach in the study of rhythm morphological landscape units

В статье рассматривается влияние временного фактора на геохимические показатели содержания тяжелых металлов и влажности почвенного и растительного компонентов элементарных ландшафтов (фаций). Выявляются особенности сезонной ритмики для лесных фаций Верхнеегорлыкского культурно-природного ландшафта типичных лесостепей, рассматриваются основные виды травянистой растительности. Прослеживаются зависимости изменения среднемесячной температуры воздуха и влажности почвы. Исследуется динамика содержания гумуса в почве. Сравниваются графики динамики показателей содержания некоторых химических элементов по разным точкам, а также на одной точке в пределах вертикальной структуры распространения элемента меди. Полученные данные с использованием геохимического подхода дают возможность понимать сложные проблемы функционирования природных геосистем ранга фации как целостных образований, их устойчивость, ритмические и динамические закономерности, а также возможные тенденции эволюционного развития.

The article examines the impact of temporary factors on geochemical indicators of heavy metal content and moisture of soil and vegetation components of elementary landscapes (fades). Identified features of seasonal rhythm for forest facies Verhneegorlykskogo cultural-natural landscape of typical forest-steppes, examines main types of herbaceous vegetation. Are traced dependence changes of mean monthly air temperature and soil moisture. Investigated dynamics of humus in the soil. Compared graphics of dynamic indicators content of some chemical elements at different points. Compared graphics of dynamic indicators content the copper element spread in vertical structure by one point. The data obtained with using a geochemical approach make it possible to understand the complex problems of the functioning of natural geo-systems rank facies as whole formations, their stability, and dynamic rhythmic laws and possible trends of evolutionary development.

Ключевые слова: динамика ландшафтов, сезонная ритмика, геохимический подход, ландшафт, геохимия, тяжелые металлы. Key words: dynamics of landscape, seasonal rhythms, geochemical approach, landscape, geochemistry, heavy metals.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время динамика геосистем стала центральной и актуальной проблемой географической науки. Создание теории взаимодействия процессов, определяющих нормальное существование геосистем как целостных образований и пределов их жизнеспособности в изменяющихся условиях, стало той фундаментальной задачей, которая приобрела важное прикладное значение. Знание этих вопросов позволяет решать проблемы прогнозирования функционирования геосистем, их динамических закономерностей и эволюционных тенденций.

Мерой любого состояния геосистемы выступает его длительность [1]. Внутришдовые состояния ещё носят название ритмики. Изучение этих вопросов является важным для понимания структуры ландшафта. «Любой ландшафт, - писал C.B. Калесник, отличается от другого не только характером сочетания рельефа, почв, растительности и других компонентов, но и их характером ритмики» ([2], стр. 447).

Ритмика, ритмические процессы являются элементами функционирования любой природной геосистемы. Они могут проходить в относительно равные промежутки времени и приводить к изменению состояния отдельных компонентов геосистемы в течение года. Такие ритмические процессы называются «циклическими» и отражают устойчивое или инвариантное состояние, которое не переходит из одного серийного состояния в другое. Понятие «инвариант» введено в географию В.Б. Сочавой. «Инвариантными являются свойства геосистемы (любого ранга), остающиеся практически неизменными в процессе трансформации, т.е. изменения, под влиянием внешних воздействий. Каждый из инвариантов в конце концов подвергается преобразованиям, но не в порядке динамики, а в процессе эволюционного развития...» Инвариантом ландшафта выступает его вертикальная, горизонтальная и временная структура [3].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Традиционными методами изучения ритмики ландшафтов являются наблюдения за сменой процессов в течении года: теплооборота, влашоборота (в атмосфере и в почве) и вегетации растительности (через фе-нофазы). Изучение годовой ритмики проводилось с применением методов геохимических исследований в течение 2012-2013 годов с ежемесячным взятием образцов на контрольных площадках в рамках катеннош ряда фаций доминантных урочищ на примере Верхнеешрлыкского ландшафта. Результаты лабораторных исследований сравниваются с результатами исследований В.А. Шальнева в 1963-1964 годах [4].

Верхнеешрлыкский культурно-природный ландшафт типичных лесо-степей располагается в водораздельной зоне бассейнов рек Егорлыка, Кубани и Калауса [5]. Диапазон абсолютных высот 450-800 м. Природные функции, круговороты вещества и энергии сохраняет компонентная подсистема, но обогащается на плакорных участках ландшафта антропогенным круговоротом, незначительно загрязняющим природную среду. Природные подсистемы ландшафта находятся в удовлетворительном состоянии с коэффициентом антропогенного нарушения 0,5.

Климат умеренно-тёплый и умеренно-влажный со средними годовыми температурами воздуха 8,9-9,0°С, при средних температурах января -3,5 °С и июля 19-21°С. Во второй половине марта начинается вегетационный период с переходом температуры рубежа +5 °С. Переход рубежа +10 °С - полная

вегетация наступает во 2-й декаде апреля. Но заморозки иногда наблюдаются в мае (10.05.1952). Вегетационный период продолжается 165-175 дней. Гидротермический коэффициент составляет 1,5. Коэффициент увлажнения приближается к 1,0. Среднегодовое количество осадков 600-620 мм, испаряемость 600-650 мм. На июнь-август приходится максимум испаряемости (110-150 мм), осадков - на май-июнь (90-120 мм). К^ снижается до 0,3-0,4 в июле-августе, минимальные величины относительной влажности до 30%. В первой декаде ноября с переходом средних суточных температур через +5° С вегетационный период заканчивается. С конца сентября - начала октября можно наблюдать первые редкие заморозки (25.09.1941). В ландшафте безморозный период длится в среднем 260-270 дней.

Оптимальное соотношение тепла и влаги (Кувл= 1,0) определило произрастание лесостепной растительности. На склонах останцовых массивов и в верховьях долин рек сохранились крупные леса - Тёмный, Лопатин, Татарский, Мамайский, Русский. В последнем проводились геохимические исследования. Они часто занимают окраины плакоров. Преобладают буково-гра-бовые и дубово-ясеневые леса. Под лесами сформировались серые лесные почвы. Русский лес произрастает в пределах Ставропольских высот. Основу естественного древостоя составляют граб кавказский (Carpinus caucasicus), ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior), клёны полевой (Acer campestre) и остролистный (Acer platanoides), дуб черешчатый (Quercus гоЪиг), реже дуб скальный (Quercus petraea) и бук восточный (Fagus orientalis).

Естественные фитоценозы в первичных и вторичных лесах близки к состоянию динамического равновесия, что выражается в устойчивости состава и сбалансированности фаз травянистой растительности, которые при большом видовом разнообразии образуют группы с разными сроками вегетации, последовательно сменяющие друг друга в ходе годовых циклов. Фенологически этот феномен проявляется в регулярной смене красочных аспектов цветущих злаков и трав с ранней весны до поздней осени [7]. Особенно хорошо выражены смены цветущих растений весной. То, что травянистые растения в лесах быстро и сравнительно пышно развиваются до полного распускания листвы на деревьях, имеет биологический смысл, ведь они должны закончить цикл своего развития до наступления затенения, когда условия их жизни значительно ухудшаются вследствие недостатка света.

Обычно в начале марта, а иногда и раньше, с наступлением весенней оттепели начинают цвести одни из ранневесенних растений - подснежник кавказский (Galanthus caucasicá) и птицемлечник дугообразный (Ornithogalum arcuatum). Цветение подснежника продолжается до конца марта-начала апреля. Спустя примерно 8-12 дней начинает зацветать пролеска сибирская (Scilla siherica), собачий зуб (Erythronium caucasicum) или кандык, фиалка душистая (Viola odorata) и белая (Viola alha), вероника плющелист-ная (Verónica hederifolia), будра плющевидная (Glechoma hederaceaj и Петров

крест (Lathraea squamaria). Яркий голубой ковёр аспектирующей пролески продолжается примерно до середины апреля.

На смену пролескам появляется хохлатка Маршалла (Corydalis marschalliana), которая образует почти сплошной серо-жёлтый фон. Местами, но довольно часто, добавляется светло-фиолетовый аспект хохлатки кавказской (Corydalis caucasica). Также в это время цветёт толстостенка крупнолистная (Pachyphragma macrophyllum), гусиный лук (Gagea lutea), морозник кавказский (Helliborus caucasica). Затем появляется светлолиловый аспект зу-бянки пятилистной (Dentaria quinquefolia). К её аспекту добавляется желтый аспект ветреницы лютичной (Anemone ranunculoides). Их цветение продолжается до начала мая.

В мае цветёт незабудка редкоцветная (Myosotis sparsciflora), начинает цвести ландыш кавказский (Convallaria transcaucasica) и купены. Перловник выбрасывает метёлки. Во второй половине мая начинается массовое цветение вечерницы сибирской (Hesperis sihirica), мятлика борового (Роа nemoralis), перловника пестрого (Melica picta), птицемлечника дугообразного, птицемлечника Воронова (Ornitogallum woronowii), окопника крупно цветкового (Symphitum grandiflorum), мерингии (Moerhringia trinervia) и др.

В июне появляется белый аспект сныти (Aegopodium podagraria) со значительной примесью жёлтого фона желтушника золотистого (Erisimum aureum). Из других растений в это время заметное участие в образовании лесного травостоя принимают герань Роберта (Geranium robertianum), чистец лесной (Stachys sylvatica), вика заборная (Vicia sepium), шлемник высокий (Scutellaria altissima) и гравилат городской (Geum игЪапит). Цветение сыти и желтушника длится до конца июня. В течение второй половины лета и осени продолжают развиваться генеративные органы многих луковичных. В целом противоречия в ландшафте осенью сглаживаются, и выявить их труднее, чем в другие сезоны года; эрозионные процессы протекают вяло, отмирают вегетирующие органы травянистой растительности и вступают в стадию «покоя» древесные породы.

Биологические формы движения в зимний период протекают вяло. Происходит медленное увеличение размеров генеративных органов у луковичных; уже в январе под снежным покровом появляются листья и стебли фиалки душистой. На примере пролески сибирской можно наглядно проследить взаимосвязь различных форм движения в зимний период. Изменение физических форм движения (уменьшение радиационного баланса и температур) влечёт за собой смену как механических форм движения (пролеска при помощи втягивающих корней начинает «погружаться» в почву, иногда углубляясь на 0,5-1,0 м), так и биологических («погружаясь» в почву, пролеска «создает» вокруг себя постоянный термический режим, и генеративные органы продолжают развиваться даже зимой) [7].

Геохимический метод является относительно молодым в изучении ритмики ландшафтов. Смена геохимического состава почв напрямую связана

с функционированием ландшафта - устойчивой последовательностью постоянно действующих процессов передачи энергии, вещества и информации в ландшафтах, обеспечивающей сохранение того или иного характерного для значительного отрезка времени состояния ландшафта [4].

Особенности ритмики рассматриваются в рамках четырёх фаций, которые формируют типичный для данного ландшафта катенный ряд элементарных ландшафтов Б.Б. Полынова:

Точка № 1. Фация плакоров, сложенная среднесарматскими известняками и эоловыми суглинками, с грабово-ясеневыми лесами на серых лесных почвах. В подросте преобладает клён, в подлеске бузина и бересклет.

Точка № 2. Фация окраин плакоров, сложенная среднесарматскими известняками и эоловыми суглинками, с дубово-ясенево-кленовыми лесами на деградированных чернозёмах. В подросте преобладает клён двух видов (полевой и остролистный), в подлеске - боярышник и бересклет.

Точка № 3. Фация крутых склонов балки западной экспозиции, сложенные песками, с ясенево-дубовыми лесами на недоразвитых почвах. В подросте преобладает клён и дуб, в подлеске - бузина и боярышник.

Точка № 4. Фация днища речной балки, сложенной ясеновскими глинами, с грабовыми лесами на серых лесных почвах. В подросте преобладают клён и граб, в подлеске - боярышник.

Почвенные образцы отбирались с глубины 5-10 см (горизонт А) и 50-60 см. (горизонт С), уровень влажности измерялся на лабораторном анализаторе влажности, определение содержания гумуса в почве проводилось по методике «РП-002 Определение общего гумуса мокрым сжиганием по И.В. Тюрину». Лабораторная обработка почвенных образцов осуществлялась согласно «Методике выполнения измерений массовой доли меди, свинца, кадмия и цинка в пробах почв, донных отложениях, растениях и пищевых продуктах» на «Полярографе АВС-1.1». На графиках показаны усреднённые данные почвенных проб за два года наблюдений (2012-2013) на одних и тех же точках наблюдения в один и тот же день каждого месяца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

При анализе влажности почвенного покрова отмечается падение влажности при росте средней температуры (рис. 1).

В зимне-весенний период влага в почве накапливается благодаря увеличившемуся количеству выпадающих осадков и низкому уровню солнечной радиации. Самой высокой влажность почв в этот период была на точке № 1. В летние и осенние месяцы её показатели сопоставимы с почвами других фаций. Повышенная влажность характерна для днища балки, где почвы формируются на глинистых породах. Самые низкие показатели на окраине плакора (№ 2) и крутом склоне, сложенном песками (№ 3).

№1 №2 №3 №4

Рис. 1.

Влажность почвы горизонта А в 2012-2013 гг.

Точка 1. Горизонт А

Точка 2. Горизонт А

Точка 3. Горизонт А

Точка 4. Горизонт А

Рис. 2.

Влажность почвы горизонта А в 1963 и 2012 г.

мг/кг

150_ 130 110 90

№2 №3 №4

Рис. 3. Содержание свинца в горизонте А по месяцам года.

При сравнении влажности почвы в разные годы можно отметить, что за 50 лет произошло общее снижение влажности по всем точкам (рис. 2). Наибольший уровень влажности был зафиксирован в образце точки № 1 в апреле 2013 года - 64,12 %. В апреле 1963 эти показатели достигали 69%.

Содержание гумуса колеблется незначительно. Рост наблюдается в весенний период. В течение лета его содержание уменьшается, а зимой с наступлением холодов не изменяется.

В динамике содержания свинца не наблюдается каких-либо резких колебаний (рис. 3). Наибольшее его содержание отмечено в пределах склоновой фации (№ 3) и днище долины (№ 4). Здесь показатели достигают 130-140 мг/ кг, что может быть объяснено ролью материнской породы (глины и пески) Отмечается небольшой зимний максимум в пределах 3-6 мг/кг Самые высокие показатели приходятся на февраль. Некоторый аномальный рост показателей отмечен в сентябре в пределах трёх фаций (№ 1,3 и 4) и снижение показателей у фации окраины плакора (№ 2).

Динамика содержания кадмия имеет другую специфику, чем свинца (рис. 4). Здесь рост показателей дают осенние месяцы. Особенно сентябрь для фаций склона балки (№ 3) и днища долины (№ 4). Для склона балки высокие показатели сохраняются также в ноябре и декабре. У плакорных фаций (№ 1 и № 2) сезонные колебания показателей прослеживаются слабо. Небольшой рост отмечается в зимние месяцы (на 0,1-0,2 мг/кг) с постепенным снижением в летний сезон. Меньше всего кадмия содержится в почве окраины плакора (№ 2) - до 0,44-0,57 мг/кг, что значительно ниже, чем в почве других фаций. Это связано с активными процессами вымывания на окраине плакора.

Рис. 5. Содержание меди в горизонте А по месяцам года.

Ритмика показателей меди по сезонам года имеет свою специфику (рис. 5). Наибольшая её концентрация наблюдаются у фации днища долины (№ 4), т.е. в нижней части катенного ряда. Самые высокие показатели здесь отмечаются в зимний сезон (более 35 мг/кг) с аномалией в сентябре до 38,4 мг/кг и постепенным снижением данных к концу лета и осенью

мг/кг

35

Рис. 6. Содержание цинка в горизонте А по месяцам года.

Рис. 7. Содержание меди в вертикальной структуре фации №1.

(октябрь-ноябрь). У остальных фаций показатели концентрации меди более низкие и колеблются в пределах 16-21 мг/кг. В целом рисунок графика меди на всех точках наблюдения повторяет графики свинца, но с более чёткой динамики концентрации меди в зимние месяцы и значительным её падением к концу лета.

Концентрация цинка в изучаемых фациях по сезонам года во многом напоминает графики содержания меди. Максимум концентрации цинка, как и свинца и меди, приходятся на зимний ритм и частично в начале весны (рис. 6). Однако есть свои отличия, связанные с фацией днища долины (№ 4), где отмечаются очень высокие концентрации (31-38 мг/кг) в пределах горизонта А. Для других фаций эти данные колеблются в пределах 19-24 мг/кг. Очень близкие показатели содержания химических элементов у фаций плакора (№ 1) и днища долины (№4). Самые низкие у фации окраины плакора (№ 3).

Вертикальная структура распределения меди рассматривается на примере фации типичных плакоров (№ 1) (рис. 7). Максимальная концентрация элемента отмечена в горизонте А. В годовом графике небольшой рост показателей приходится на зимний сезон и начало весны. Самые низкие величины содержания меди в почвенных горизонтах приходятся на август и сентябрь. В горизонте С сезонные ритмические колебания меди коррелируются с графиком горизонта А. В то же время содержание меди в этом горизонте резко падает до 9-11 мг/кг в разные сезоны года. Самые низкие величины содержания меди отмечены в растительном компоненте в марте, сентябре и октябре. Меняется здесь и годовой ритм накопления химического элемента. Рост величин приходится на конец осени и зиму с небольшим падением показателей в летний сезон и начало осени.

ВЫВОДЫ

Изучение геохимических особенностей доминантных фаций Верхнеешрлыкского ландшафта позволили получить интересные данные о сезонной ритмике:

1. Годовые показатели сезонной ритмики тяжёлых металлов кореллируются с влажностью почвы в горизонте А. Зимой, когда влажность почвы достигает 40-60 %, показатели меди, цинка и свинца самые высокие. Исключением является кадмий. С мая и до конца лета его показатели немного снижаются вместе с показателями влажности.

2. Сезонная динамика проявляется и в величинах отдельных элементов тяжёлых металлов исследуемых фациальных комплексов. Так, максимальные показатели величин 2л\ присущи только фациям типичных плакоров (№ 1) и днища балки (№4). Самые низкие показатели у фации окраины плакора (№ 2). Медь больше накапливается в почве фации днища балки (№ 4), а в остальных фациях её показатели значительно снижены.

3. Изучение содержания меди в вертикальной структуре фации типичного плакора (№ 1) показало большие различия в

концентрации этого элемента в её отдельных компонентах. Самые высокие показатели отмечены в почвенном горизонте А (18-23 мг/кг). В горизонте С эти данные по месяцам года уже колеблятся в пределах 8-12 мг/кг. Небольшие величины получены и для травянистой растительности. Это 5,1-5,3 мг/кг, т.е. в 4 раза меньше, чем в горизонте А. С другой стороны, в сезонной ритмике меди в почвенных горизонтах А и С имеется много общего. Рост показателей концентрации меди начинается во второй половине осеннего ритма с небольшим их ростом в зимний сезон. При «утилизации» осеннего опада древесной растительности основная масса элемента меди остаётся в горизонте А. Горизонт С, являясь основным «донором» для древесной растительности (здесь располагается большая часть корневой системы), имеет небольшой возвратный коэффициент миграции элемента меди. Содержание меди в травянистой растительности по сезонам года изменяется мало, в пределах 0,1-0,3 мг/кг. Минимум приходится на весенние месяцы (начало активного вегетационного сезона) с небольшим ростом величин в летние месяцы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Исаченко ПА. Концепция многолетней динамики ландшафтов и вызовы времени // Вопросы географии. №138. 2015.

2. КалесникС.В. Основы общего землеведения//Учпедгиз, 1955.

3. Охрана ландшафтов. Толковый словарь. М.: Прогресс, 1982.

4. Шальнев В.А. Некоторые черты ритмики ландшафтов Ставропольской возвышенности (на примере Верхне-Егорлыкского ландшафта) // Известия Всесоюзного географического общества. №101. 1969.

5. Каторгин И.Ю., Шкарлет К.Ю., Седых Р.Ю. Геоинформационный анализ экологической стабильности бассейна реки Ташла// Наука. Инновации. Технологии. Научный журнал Северо-Кавказского федерального университета. Выпуск № 3. Ставрополь, 2015. 178 с.

6. Савельева В.В. Природа города Ставрополя: учебное пособие / В.В. Савельева. Ставрополь: Ставропольсервисшкола, 2002. 192 с.

7. Скрипчинский В.В., Вл.В. Скрипчинский. Годичные циклы развития некоторых луковичных и корневищных растений Ставропольской флоры. Матер, по изуч. Ставроп. края, в. 10. Ставрополь, 1960.

REFERENCES

1. Isachenko G.A. Koncepciya mnogoletnei dinamiki landshaftov i vyzovy vremeni (The concept of long-term dynamics of landscapes and challenges of the times) // Voprosy geografii. № 138. 2015.

2. Kalesnik S.V. Osnovy obshego zemlevedeniya (Fundamentals of general earth science)// Uchpedgiz, 1955.

3. Ohrana landshaftov (Landscape protection). Tolkovyi slovar'. M.: Progress, 1982.

4. Shal'nev V.A. Nekotorye cherty ritmiki landshaftov Stavropol'skoi vozvyshennosti (na primere Verhne-Egorlykskogo landshafta) (Some features of the rhythmic landscapes of the Stavropol height (on the example of the Verhne-Egorlykskaya landscape) // Izvestiya Vsesoyuznogo geograficheskogo obshestva. № 101. 1969.

5. Katorgin I.Yu., ShkarletK.Yu., Sedyh R.Yu. Geoinformacionnyianaliz ekologicheskoi stabil'nosti basseina reki Tashla (Geoinformation analysis of ecological stability of a river basin of Tashla) // Nauka. Innovacii. Tehnologii. Nauchnyi zhurnal Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta. V. № 3. Stavropol, 2015. 178 p.

6. Savel'eva V.V. Priroda goroda Stavropolya: uchebnoe posobie (The nature of the city of Stavropol: Tutorial). Stavropol': Stavro-pol'servisshkola, 2002. 192 p.

7. Skripchinskii V.V., VI.V. Skripchinskii. Godichnye cikly razvitiya nekotoryh lukovichnyh i kornevishnyh rastenii Stavropol'skoi flory (Annual cycles of some bulbous and rhizomatous plants of Stavropol flora) // Mater, po izuch. Stavrop. kraya, v. 10, Stavropol', 1960.