Картографирование условий латеральной миграции химических элементов

УДК 528.945.(470./6) М.Д. Богданова

КАРТОГРАФИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЛАТЕРАЛЬНОЙ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Введение. Латеральная миграция химических элементов относится к базовым понятиям геохимии ландшафтов. Она имеет существенное значение в перераспределении природных и техногенных потоков веществ в ландшафтах [4, 5, 7]. Характер миграционных процессов и их интенсивность определяют геохимическую структуру ландшафта, степень геохимической сопряженности почв и элементарных ландшафтов в каскадных ландшафтно-геохимических системах. На явлениях латеральной миграции в значительной степени основан закон Полынова: "Потоки вещества в ландшафтах имеют системообразующее значение и определяют их геохимическую структуру".

Радиальная и латеральная миграция химических элементов (природных и техногенных) в ландшафтах могут быть объектами почвенно-геохимического и ландшафтно-геохимического картографирования в разных масштабах. Почвенно-геохимические карты отражают в основном условия радиальной миграции как более изученной и определенной. Латеральная миграция в силу своих внутренних особенностей и факторов относится больше к сфере ландшафтно-геохимического картографирования, существенно более сложного и многофакторного.

Состояние вопроса. Латеральная миграция представляет собой поверхностное и внутри почвенное перемещение вещества по склону, включающее как твердый сток, так и миграцию в растворах и суспензиях. Латеральная миграция протекает под действием различных природных процессов: механическое перемещение твердых масс с гравитационными, осыпны-ми и другими склоновыми процессами, солифлюк-ция, эоловый перенос. Но главный механизм латеральной миграции как твердых частиц, так и растворов — это водная, физико-химическая миграция; она часто сочетается с биогеохимическими процессами.

Латеральная миграция протекает как на поверхности почвы с микроручейковым, склоновым стоком, так и с подподстилочными водами в пределах верхних 10—20 см или с более глубоким внутрипочвен-ным и грунтовым стоком (в толще 0,5—1,5 м). Во втором случае глубина определяется проницаемостью субстрата и наличием водоупора, например текстурного горизонта в почвах, отложений более тяжелого гранулометрического состава, мерзлоты и др.

Опыт картографирования условий латеральной миграции невелик. На мелкомасштабных почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических картах условия латеральной миграции, как правило, даются второстепенным слоем информации (таблица). Впервые сведения о латеральной миграции были представлены на карте "Геохимические условия миграции

микроэлементов в почвах Срединного региона" [18] в виде оценки геохимической контрастности окислительно-восстановительных (О В) и кислотно-основных (КО) условий по катене, обусловленных степенью сложности структуры почвенного покрова, с обозначением типов латеральных геохимических барьеров и их сочетаний. На карте показаны обстановки с тремя степенями контрастности (неконтрастные при одинаковых или близких КО и О В условиях; контрастные при смене ОВ либо КО условий; резко контрастные при смене как КО, так и ОВ условий в сопряженных по рельефу почвах).

Другой аспект этих процессов представлен на карте "Условия миграции в почвах Алтайского края" [1]; здесь отражены литолого-геоморфологические условия миграции, обусловливающие соотношение латеральных и радиальных миграционных потоков: уклоны поверхности и проницаемость пород, на основании чего выделены ситуации, благоприятные для вертикальной или вертикально-боковой миграции.

На "Почвенно-геохимической карте СССР" [15] условиям латеральной миграции уделено больше внимания. Природа латеральной миграции определяется типом рельефа и основными факторами дифференциации: криогенезом, гидроморфностью, галоге-незом, а также литогенными особенностями почво-образующих пород. Показаны также ведущие латеральные барьеры и их сочетания. Степень контрастности условий латеральной миграции была определена по составу и структуре почвенного покрова. На почвенно-геохимической карте, составленной для Экологического атласа России [20], показаны типы латеральных барьеров и их сочетания.

Таким образом, картографирование условий латеральной миграции сводится к показу катен как основной формы ландшафтно-геохимической организации почв и элементарных ландшафтов с присущими им почвенными и склоновыми процессами и миграционными потоками [11]. Основные проблемы картографирования катен в значительной мере связаны, во-первых, с многофакторностью этих процессов и, во-вторых, с различными подходами к типизации катен.

Методологические подходы. Теоретически возможны два направления изучения латеральных миграционных потоков и последующего их картографирования.

Первое направление фактологическое, когда изучаются химический состав потоков, массообмен, состав лизиметрических вод, распределение химических элементов по катене, накопления на латеральных геохимических барьерах и определяются коэффици-

Параметры оценки условий латеральной миграции и способы ее картографического отображения на

почвенно-геохимических картах

Параметры Карты

Геохимические условия миграции микроэлементов в почвах Срединного региона, 1:2 500 ООО, 1979 Условия миграции и аккумуляции веществ в почвах, 1:1 500 000, Атлас Алтайского края, 1978 Почве нно-геохимическая карта СССР, 1:8 000 000, 1992 Почвенно-геохимическая обстановка, 1:20 000 000, Экологический атлас России, 2002

Ландшафтные Рельеф Формы Штриховка

Уклоны Штриховка

Породы Проницаемость Штриховка

Почве нно-геохимические КО и ОВ условия Штриховка Штриховка Штриховка

Латеральные геохимические барьеры Значки Значки Штриховка

Факторы дифференциации Штриховка

енты латеральной дифференциации. Например, П.П. Воронковым [2] изучен макрокомпонентный химический состав склоновых потоков на разной глубине по сезонам и составлены соответствующие карты. Согласно его исследованиям, основные миграционные внутрипочвенные потоки связаны с поч-венно-поверхностными и почвенно-грунтовыми водами, о чем свидетельствует изменение их химического состава в течение теплого времени года.

В работе [21] были проведены прямые измерениях выноса и аккумуляции веществ в автономных и подчиненных позициях. На основании полученных результатов выделены: 1) транформационные катены (без потерь веществ, а только с их перераспределением), 2) катены выщелачивания (с потерями веществ), 3) аккумулятивные (с накоплением веществ).

В региональных ландшафтно-геохимических работах на основании анализа содержания микроэлементов в почвах фоновых ландшафтов и накопления их на геохимических барьерах изучается фоновая геохимическая структура ландшафта, рассчитываются коэффициенты латеральной дифференциации. На основании этих сведений возможно картографирование определенных аспектов латеральной миграции в крупном масштабе, но такого опыта пока нет.

Второе направление — интерпретационное, т.е. анализ факторов, условий и их переосмысление с позиций направленности и интенсивности миграции. В мелкомасштабном почвенно-геохимическом картографировании имеется достаточно большой опыт таких работ, но он относится главным образом к процессам радиальной миграции. Рассмотрим основные аспекты интерпретационного подхода к картографированию условий латеральной миграции. Так как процессы латеральной миграции относятся одновременно к почвенным и ландшафтным явлениям, то при их анализе для целей картографирования и выборе параметров целесообразно использование различных подходов к систематике почвенно-геохимичес-ких катен. Можно выделить две группы классификаций, пригодных для этих целей: почвенно-генетичес-кие и ландшафтно-геохимические.

В географии почв разработаны географо-генети-ческие подходы к систематизации катен, изучены их строение, факторы дифференциации, что важно для анализа геохимических условий миграции веществ. Эти подходы основаны главным образом на учении о структуре почвенного покрова В.М. Фридданда [19]. Выделенные им группы почвенных комбинаций (комплексы, пятнистости, сочетания, вариации, мозаики и ташеты), их разделение на открытые и замкнутые основаны на изучении факторов дифференциации и генетических связях почв — компонентов катен, контрастности и сложности почвенного покрова. Все это дает ценную информацию для изучения миграционных процессов в катенах и их картографирования. Комплексы, пятнистости, сочетания и вариации характеризуются определенной генетической связью компонентов, регулярностью почвенных ареалов. С точки зрения геохимических процессов это может свидетельствовать о степени геохимической подчиненности почв и тесноте геохимических связей. Особенно важны для характеристики латеральной миграции принципиально различные взаимосвязи миграционных процессов в комплексах и сочетаниях. В сочетаниях миграционные потоки однонаправленные, почвы подчиненных позиций находятся под преимущественным влиянием компонентов ландшафтов автономных позиций. В комплексах направленность миграционных потоков двусторонняя: в субаридных условиях поверхностный и внутрипоч-венный сток направлены к микропонижениям, вместе с этим происходит подтягивание растворов из микрозападин к повышениям; в тундровых комплексах криогенные процессы способствуют перемешиванию и сглаживанию геохимических различий. В результате в обоих случаях имеет место взаимовлияние всех компонентов. В мозаиках и ташетах генетическая связь между компонентами отсутствует или очень слабая, что часто связано с неоднородностью литоло-гического состава почвообразующих пород, т.е. с ге-теролитностью катен.

Введенный В.М. Фриддандом показатель сложности почвенного покрова, основанный на доле ин-

тразональных почв в составе почвенного покрова зон n подзон, можно учитывать для определения контрастности геохимических условий латеральной миграции и наличия латеральных геохимических барьеров. Геометрические характеристики почвенных комбинаций, особенно такие сведения, как замкнутость (западинных форм) и открытость (линейных и древовидных форм), их масштаб и размеры дают материал для пространственного анализа и картографирования путей миграции и аккумуляции веществ в ландшафтах.

На иных принципах основана систематика катен И.С. Урусевской [17]. Предложенная ею почвенно-гео-графическая классификация основана на учете компонентного состава почвенного покрова и главных факторов его дифференциации по типам почвенных округов внутри почвенных зон и подзон Нечерноземной зоны РСФСР. В почвенных округах особенности структуры почвенного покрова определяются рельефом и почвообразующими породами. В характеристике катен учитываются закономерности смены почв по мезорельефу и главные факторы их дифференциации (свойства пород, эрозионные процессы, характер увлажнения). Всего она выделила и описала 35 типов катен и предложила несколько уровней группировки. Названия катен даются по номенклатуре почв, например автономно-гидроморфные болотно-глеепод-золистые, подчиненно-гидроморфные дерново-подзолисто-болотные. Хотя прямые геохимические характеристики не приводятся, но сведения о составе почвенного покрова и ландшафтных условиях позволяют снимать слои информации и интерпретировать их как факторы латеральной миграции веществ.

В геохимии ландшафтов подходы к классификации катен основаны на учете ландшафтных и почвен-но-геохимических условий миграции. Один из первых вариантов подразделения катен, предложенный М.А. Глазовской [6], основан на зависимости геохимических сопряжений от типов и форм миграции веществ, на основании чего выделены две большие группы: с преобладанием химического стока и с преобладанием механического сноса. В первой группе почвенно-геохимические сопряжения дифференцированы в зависимости от типа водного режима и соотношения атмосферного и грунтового увлажнения. Во второй группе критерием разделения на типы служит характер склоновых процессов. Такой подход к определению механизмов дифференциации и сопод-чиненности почв по катене может быть использован при картографировании крупных регионов с принципиально различными механизмами латерального соподчинения почв.

Н.С. Касимовым и O.A. Самоновой [11] разработана многоуровневая структурно-генетическая классификация катен, основанная на широком спектре ландшафтных и почвенно-геохимических факторов. В ней нашла отражение многофакторность условий миграции. Для целей мелкомасштабного почвенно-геохимического картографирования наиболее информативны и удобны уровни: семейство (миграционная

структура, обусловленная строением рельефа, литологией, характером поверхностного, внутрипочвен-ного и грунтового стока) — класс (дифференциация щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий в системе автономный ландшафт — подчиненный ландшафт) — род (степень геохимической контрастности катен).

Таким образом, рассмотренные подходы к систематике катен отражают, с одной стороны, разнообразие и многофакторность условий латеральной миграции, а с другой — возможность использовать разнообразные параметры для пространственного анализа и оценки интенсивности этих явлений. В целом можно выделить два подхода: анализ ландшафтных, "внешних" по отношению к почве факторов и использование собственно почвенно-геохимических характеристик. Безусловно, такое деление условно, но оно облегчает анализ параметров. При этом для картографирования выбор таксономического уровня и соответствующих ему параметров должен определяться в первую очередь масштабом, размером, сложностью и разнообразием картографируемой территории, а также кондиционностью исходных материалов.

Карта "Условия латеральной миграции химических элементов и соединений в почвах". На основании обобщения опыта почвенно-геохимического картографирования, анализа различных подходов к классификации катен, учета факторов латеральной миграции нами была составлена карта условий латеральной миграции веществ на европейской территории России (масштаб 1:4 ООО ООО). Принцип построения карты представлен на схеме (рисунок). На ней отражены природные факторы миграции — почвенно-геохимические и ландшафтные, исходные параметры, базовые и вспомогательные карты как основные источники информации.

Рассмотрим основные ландшафтные ("внешние" по отношению к почвам) факторы процессов латеральной миграции и возможности картографической интерпретации.

Климат определяет зональную специфику миграции веществ вообще и латеральной в частности. Непосредственно влияют на миграционные процессы в почвах количество и распределение осадков по сезонам, а также продолжительность безморозного периода. На процессы латеральной миграции сильно влияет и характер выпадения осадков, так как сильные ливневые осадки слабо фильтруются в почву и вызывают активные процессы плоскостной эрозии, а также сток талых вод по мерзлой почве. Следовательно, эта часть осадков практически не участвует в процессах внутри почвенной миграции.

Рельеф определяет интенсивность водообмена между автономными и подчиненными позициями. Направленность процессов, т.е. соотношение радиальной или латеральной миграции, зависит от мор-фометрических параметров катен — длины и крутизны склонов (в сочетании с проницаемостью субстрата).

Условия латеральной миграции

Характеристики ЛМ

Базовые карты

Исходные параметры

Природные факторы

Принципы, источники и этапы составления карты "Условия латеральной миграции химических элементов и соединений"

Роль почвообразующих пород многоплановая. Гранулометрический состав, структура, сложение существенно влияют на проницаемость, интенсивность и направленность миграционных процессов, определяют глубину основных внутрипочвенных миграционных потоков.

Большое значение имеет наличие водоупора в виде плотных пород или мерзлоты. Кроме того, породы определяют литогеохимический фон, на котором протекают миграционные процессы, обусловливают образование монолитных и гетеролитных катен.

Растительный покров и интенсивность биологического круговорота веществ относятся к дополнительным факторам миграции. Наиболее существенны сведение естественной растительности и распашка, в результате чего происходит перераспределение стока дождевых вод, значительная часть осадков стекает по поверхности почвы, вызывая поверхностный смыв и уменьшая количество влаги, участвующей во внутри-почвенной миграции.

Среди почвенно-геохимических факторов определяющее значение имеют кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия, характер их изменения по катене, а также наличие на пути миграционного потока разнообразных геохимических барьеров и их сочетаний. Латеральные геохимические барьеры формируются в сопряженных ландшафтах на границе контрастных геохимических обстановок между различными ландшафтами при миграции веществ в субгоризонтальном (латеральном) направлении [7, 10].

При составлении карты было принято несколько ограничений. Учитывая первый опыт карты подобного рода и мелкий масштаб, были выбраны наиболее универсальные характеристики этих процессов, обеспеченные достаточным картографическим материалом на изучаемую территорию. Из всех процессов субгоризонтального перемещения веществ рассматривается только водная внутрипочвенная латеральная миграция. Не анализируются поверхностный механический снос, плоскостная эрозия, эоловые, криогенные и другие процессы склонового перемещения масс. Исключены из анализа долины и дельты рек со сложными флювиальными процессами, наложенными на латеральные процессы, а также морские побережья и марши.

Для пространственного отображения условий и потенциальной интенсивности процессов латеральной миграции были выбраны наиболее информативные факторы. В отличие от большинства почвенно-геохимических карт здесь большое внимание уделено оценке роли климата. В качестве основного показателя использовался коэффициент увлажнения, который косвенно отражает количество влаги, участвующей в миграционных процессах, определяя потенциальные возможности водной миграции. Для характеристики продолжительности миграционных процессов использовался параметр длительности безморозного периода в почвах [12, 16].

Роль рельефа оценивалась по показателю степени расчленения. Выделено три типа территорий с разной интенсивностью водообмена между автономными и

подчиненными позициями, связанными с глубиной расчленения рельефа [8].

Для оценки соотношения радиальной и латеральной миграции почвообразующие породы анализировались с точки зрения их проницаемости; были выделены три большие группы: 1) с провальной и высокой проницаемостью, обеспечивающей преобладание радиальных миграционных потоков; 2) со средней, в условиях которой оба направления миграции более или менее равнозначны; 3) с низкой, с преобладанием латеральных потоков. Данные о почвообразующих породах взяты главным образом с почвенных карт [13, 14].

Среди почвенно-геохимических факторов использованы окислительно-восстановительные и кислотно-основные условия. Окислительно-восстановительные подразделяются на три общепринятых типа (окислительные, О; переменные окислительно-восстановительные, ОВ; восстановительные, В). Они детализированы в зависимости от диапазона и тенденций их изменений по катене от автономных позиций к подчиненным. Например, для катен дерново-подзолистые — дерново-подзолисто-глеевые почвы изменение условий направлено от окислительных к окислительно-восстановительным (О ^ ОВ). Для катен подзолистые — подзолисто-болотные — болотные низинные эти условия меняются более контрастно и их диапазон шире: от окислительных через переменные окислительно-восстановительные к восстановительным (О ^ ОВ ^ В). Отмечен еще следующий вариант смены условий: от верхового болота с восстановительной обстановкой — через подзолисто-болотную почву (или подзол иллювиально-гумусовый) на склоне с окислительно-восстановительным режимом — к низинному болоту (В ^ ОВ ^ В). Такое разделение условий позволяет полнее представить характер изменений параметра и установить наличие соответствующих геохимических барьеров.

Кислотно-основные характеристики представлены в широких градациях с учетом изменений по катене и радиальному профилю: сильнокислые — кислые, кислые — слабокислые, нейтральные (слабокислые — слабощелочные) и слабощелочные — щелочные и т.д.

Степень геохимической контрастности характеризуется количеством латеральных геохимических барьеров, их разнообразием и емкостью, что обусловлено составом и сложностью почвенного покрова. Для анализа состава и структуры почвенного покрова были использованы почвенные карты России; при этом учитывались все сопутствующие разности почв, отраженные на карте не только контуром, но и вне-масштабным знаком. Среди латеральных барьеров выделены следующие: щелочные, кислые, глеевые, кислородные, сорбционные (хемосорбционный и сор-бционно-седиментационный), карбонатные, биогеохимические, мерзлотные. В каждом контуре выявлены сочетания ведущих латеральных барьеров и на качественном уровне оценена их емкость: малая (1),

средняя и высокая (2). Например, в характерной для средней тайги катене: подзолистые типичные — подзолисто-болотные — болотные низинные (П—ПБ— Б") выделяются следующие барьеры: глеевый (2), биосорбционный (2). Если в автономных позициях расположено верховое болото, то в катене еще имеют место окислительный (2), щелочной (1) барьеры.

Кроме емкости барьеров представляется целесообразным отражать встречаемость барьеров. В тех случаях, когда сопутствующие почвы на почвенной карте отражены только единичными значками, можно говорить о локальных барьерах, связанных с этими почвами.

При учете структуры почвенного покрова основное внимание было уделено показу почвенных комплексов. Во-первых, это микрокатены, миграция в которых идет на расстоянии нескольких метров; во-вторых, для них характерны двухсторонние миграционные потоки или вообще отсутствуют определенные тренды миграции. Выделено два типа комплексов: для тундровых комплексов характерны процессы криотурбации, пучения, излияния, приводящие к сглаживанию геохимических контрастов и в определенной степени препятствующие процессам латеральной миграции; для аридных комплексов характерны двусторонние потоки, осложненные эоловыми и зоогенными процессами, барьеры в них могут быть двухсторонними. На большей части картографируемой территории преобладают сочетания, геохимические особенности миграции в которых составляют главное содержание карты. Особенности катен в мозаиках и ташетах отражаются специфическим набором геохимических барьеров.

Как принято для синтетических почвенно-геохи-мических карт, легенда карты построена по матричному принципу. Такая форма отличается наглядностью и позволяет совместить несколько независимых параметров. Одно основание легенды (столбцы) отражает условия миграции, связанные с зональными факторами. Они слагаются из оценки потенциальной интенсивности и продолжительности процессов миграции в сочетании с основными почвенно-геохимическими условиями — кислотно-основными и окислительно-восстановительными. Второе основание (строки) раскрывают локальные литолого-геоморфологические условия миграции.

Составленная карта иллюстрирует большое разнообразие и сильную контрастность условий миграции при благоприятных климатических условиях и постепенное их уменьшение по мере ослабления климатического потенциала миграции. Пространственное распределение ведущих латеральных барьеров и их емкости также имеет зональный характер, связанный с совокупностью факторов миграции.

Составленная карта представляет собой первый опыт мелкомасштабного картографирования условий латеральной миграции, который может быть использован для типизации катен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атлас Алтайского края. М.. 1978.

2. Воронков П. П. Гидрохимия местного стока Европейской территории СССР. JI., 1970.

3. Гаврилова И. П., Богданова М.Д., Герасимова М.И. Мелкомасштабные почвенно-геохимические карты // Геохимия ландшафтов и география почв. Смоленск, 2002. С. 41-64.

4. Геннадиев А. Н., Касимов Н.С. Латеральная миграция вещества в почвах и почвенно-геохимические катены // Почвоведение. 2004. № 12. С. 1447-1461.

5. Глазовская М.А. Теория геохимии ландшафтов в приложении к изучению техногенных потоков рассеяния и способности природных систем к самоочищению // Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. М.. 1981. С. 7-40.

6. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. Смоленск, 2002.

7. Глазовская М.А., Касимов Н.С., Перельман А.И. Основные понятия геохимии ландшафтов, существенные для фонового мониторинга // Ландшафтно-геохимические основы фонового мониторинга природной среды. М.. 1989. С. 8-25.

8. Карта геоморфологического районирования СССР. Масштаб 1:8 000 000 / Ред. А.И. Спиридонов. М.. 1985.

9. Касимов Н.С. Базовые концепции и принципы геохимии ландшафтов // Геохимия ландшафтов и география почв. Смоленск, 2002. С. 23—40.

Кафедра геохимии ландшафтов и географии почв

10. Касимов Н.С., Борисенко E.H. Становление и развитие учения о геохимических барьерах // Геохимические барьеры в зоне гипергенеза. М.. 2002. С. 6—37.

11. Касимов Н.С., Симонова O.A. Катенарная ланд-шафтно-геохимическая дифференциация // География, общество, окружающая среда. T. II. Функционирование и современное состояние ландшафтов. М.. 2004. С. 479—489.

12. Климатический атлас СССР. T. I. М.: ГУГК, 1960.

13. Почвенная карта РСФСР. Масштаб 1:2 500 000 / Гл. ред. В.М. Фридланд. М.. 1988.

14. Почвенная карта Российской Федерации и сопредельных государств. Масштаб 1:4 000 000 / Ред. М.А. Глазовская. М.. 1995.

15. Почвенно-геохимическая карта СССР. Масштаб 1:8 000 000 / Ред. М.А. Глазовская. М.. 1992.

16. Почвенно-экологическое районирование Восточно-Европейской равнины. Масштаб 1:2 500 000 / Ред. Г.В. Добровольский, И.С. Урусевская. М.. 1997.

17. Урусевская И.С. Почвенные катены Нечерноземной зоны РСФСР // Почвоведение. 1990. № 9. С. 12-27.

18. Геохимические условия миграции микроэлементов в почвах Срединного региона. Масштаб 1:2 500 000 / Ред. А.И. Перельман. М.. 1979.

19. Фридланд В.М. Структура почвенного покрова. М..

1972.

20. Экологический атлас России. СПб., 2002.

21. Sommer M., Schlichting Е. Archetypes of catenas in respect to matter — a concept for structuring and grouping catenas // Geoderma. 1997. N 76. P. 1-33.

Поступила в редакцию 28.11.2006

M.D. Bogdanova

MAPPING OF FACTORS GOVERNING THE LATERAL MIGRATION

OF CHEMICAL ELEMENTS

The role of lateral migration in the geochemical structure of landscapes is discussed and the experience in mapping the process itself, as well as the governing factors is analyzed. Basing on the methodology of soil-geochemical mapping and different approaches to catenas systematization a map of factors governing the lateral migration of chemical elements has been compiled for the European part of Russia. Principles of mapping and data sources are discussed, as well as the main spatial features of the process. The resulting map can be used for catenas typification.