Ландшафтно-геохимическое состояние геосистем средней тайги

УДК 911.52

ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГЕОСИСТЕМ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ

© Н.В. Власова

Ключевые слова: таежные геосистемы; миграция вещества; геохимия почв; мерзлотный барьер.

Представлены почвенно-геохимические особенности характерных мерзлотно-таежных геосистем бассейна р. Нижней Тунгуски. Дифференциация ряда химических элементов в почвах рассмотрена как результат их миграции и аккумуляции на мерзлотном барьере. Показана индикационная функция некоторых видов моховолишайникового покрова в оценке биогеохимической среды.

ВВЕДЕНИЕ

Тайга как тип природной среды северной части умеренного пояса, распространенный на обширной территории, находится в активном динамическом состоянии и на современном этапе развития в связи с пространственными изменениями климата и рельефа [1-2]. Интегральным выражением этих изменений выступают структура и функциональные признаки биотических компонентов, показатели гидротермического и почвенных режимов, формирующих ландшафтногеохимическую среду таежных геосистем [3]. Региональные особенности каждой физико-географической области гумидных территорий накладывают свой отпечаток на тайгу как составляющую планетарной географической среды.

Целью работы стало выявление современного ландшафтно-геохимического состояния специфики функционирования среднетаежных геосистем, их спо-

собность к восстановлению в условиях антропогенного развития.

МАТЕРИАЛЫ

Изучение ландшафтно-геохимической среды среднесибирской тайги проведено в бассейне р. Нижней Тунгуски. Территория вытянута в меридиональном направлении и пересекает основные подзоны тайги. Преобладающая часть представлена средней тайгой, характеризующей Среднесибирскую физико-географическую область, подразделения которой связаны между собой на генетическом уровне, образуя зональные ряды геосистем.

В растительном покрове при кажущемся однообразии господствующих видов доминируют светлохвойные и темнохвойные зеленомошные леса, определенное положение занимают также вторичные березовососновые леса [4]. Четкого зонального распределения

растительности не наблюдается, однако северно- и южнотаежные леса заметно различаются [5].

Северная часть исследуемой территории представлена равнинно-плоскогорными северотаежными лиственничными кустарничково-моховыми геосистемами [6]. В комплексе с ними распространены среднетаежные сосновые осоково-кустарничково-зеленомошные, а также сосново-лиственничные кустарничково-сфагно-вые с ерником долинно-низинных озерных впадин. Юг - среднетаежные кустарничковые мелкотравно-зеленомошные лиственничники. Особо выделяется юго-запад территории. Здесь распространены горнотаежные темнохвойные кустарничковые мелкотравно-зеленомошные леса.

Большинство геосистем территории, главным образом лиственничные, по динамическому состоянию квалифицируются как мнимокоренные. На юге и юго-западе доминирующее положение занимают коренные елово-кедрово-пихтовые леса, близкие к тайге Енисейского кряжа. Серийные фации распространены в долинах рек, озерных впадинах, на водораздельных поверхностях, сочетаясь как с коренными, так и мнимокоренными [7].

При ограниченных тепловых ресурсах и достаточном увлажнении таежных почв в них замедлена минерализация растительных остатков, что является причиной формирования грубогумусного горизонта, а в переувлажненных местоположениях - торфонакопления. При близком залегании коренных пород маломощный деятельный слой практически полностью охвачен почвообразовательными процессами, в результате чего кора выветривания нередко совпадает с почвой. Близким залеганием к дневной поверхности многолетнемерзлых пород обусловлено их оглеение и слабый грунтовый сток.

Для выполнения поставленной задачи были проведены маршрутные исследования с заложением профилей и выделением фаций, на основе однородности биогеоценоза. С целью оценки их вещественно-динамического состояния проведены детальные исследования структурно-функциональной организации пространственно-сопряженных геосистем [8]. Охарактеризованы основные группы фаций, приуроченные к разным местоположениям. Химический анализ отобранных образцов растительного и почвенного покрова проводился по общепринятым методикам.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСУЖДЕНИЯ

С учетом комплекса физико-географических условий территории, ее вещественной дифференциации и структурно-функциональных особенностей эволюци-онно сформировавшихся ландшафтов объект исследований входит в Тутея-Чонский округ с полутораоксидным, органо-железистым (Я203, О-Ре) в сочетании с криогенными ландшафтно-геохимическими индексами и барьерами [9].

В основном на водораздельных поверхностях господствуют лиственнично-сосновые кустарничковые травянисто-зеленомошные фации на дерновых лесных почвах. На специально заложенных площадках установлены уровни залегания мерзлоты в почвах. На открытых местоположениях глубина почвенного покрова протаивания достигает 2,5 м и до 1 м под пологом леса. Мощный моховой покров, образуя тепловую подушку, препятствует глубокому оттаиванию почв, глубина

почвенного разреза в данных условиях не превышает

15 см. На склонах развиты кедрово-елово-лиственничные разнотравные зеленомошные фации, местами с незначительным включением в состав древостоя березы и сосны. Здесь наиболее распространены дерновые лесные слабо оподзоленные почвы, встречаются и собственно дерновые лесные. Профили завершаются пойменными фациями на аллювиальных дерново-луговых с погребенным гумусовым горизонтом оглеенных почвах.

Важную функцию биологического барьера на пути потоков химических элементов в таежных геосистемах выполняет моховой и лишайниковый покров, в т. ч. и загрязнителей. Учитывая индикационные свойства этих растительных объектов, в доминирующих фациях наряду с почвенными образцами были отобраны пробы Pleurozium schreberi, Cladonia alpestris, а в гидроморф-ных условиях - Sphagnum fuscum. Они накапливают в своем теле как необходимые для собственного роста и развития химические элементы, так и вовлекаемые в зависимости от содержания в среде обитания и окружении. Об этом свидетельствуют данные минерального (зольного) состава исследованных проб. Рассматриваемые виды мохово-лишайникового покрова достаточно четко обозначают свои приоритеты в концентрации тех или иных химических элементов и способности их удержания в изучаемых условиях. Так, Pleurozium schreberi на водораздельных поверхностях образует биогеохимический барьер для кальция и кобальта, интенсивно обогащается железом, стронцием, при этом на склоне их показатели значительно ниже. Относительно среднего содержания химических элементов в золе наземных растений [10] данный вид в автономных условиях дает превышения в 12 раз у Sr, в 3 раза - у Ca и 25 - у Fe. Резкое снижение показателей (в десятки раз) в условиях склона у Sr и Fe происходит благодаря способности к активной водной миграции в гумидных ландшафтах [11]. Основным концентратором химических элементов в склоновых фациях является Cladonia alpestris. При сравнении с Кларком растений отмечается повышенное содержание Ca (3,4), Ti (3,0), Co (2,4), Fe (2,0), Sr (1,7) незначительно V. В долинных комплексах господствующий Sphagnum fuscum аккумулирует в основном Ca (3,4), Ti (2,0), Fe (1,4), Sr (1,4). Всеми видами мохово-лишайникового покрова интенсивно поглощается и удерживается свинец, его превышение над Кларком колеблется от 6 до 19 раз. Избирательное поглощение свинца сфагнумом в Западной Сибири и зеленомошным покровом южной тайги Средней Сибири до 200 мг/кг отмечено в работах Е.Г. Нечаевой [12-13].

Концентрация в растительности тех или иных химических элементов - один из основных показателей ландшафтно-геохимической обстановки [11], оцениваемой как коэффициент интенсивности биологического поглощения - Кб.

Было установлено, что концентрации химических элементов в одних и тех же видах растений значительно различаются в зависимости от местоположения. Так, на водоразделе Pleurozium schreberi, согласно классификации А.И. Перельмана [14], энергично накапливает стронций и кальций - Кб > 10. К группе сильно накапливаемых элементов относятся (Кб = 1-10) магний, медь, никель и барий. На склоне кальций накапливается еще более энергично - Кб > 20, а в группе интенсивно накапливаемых элементов особенно выделяются

медь и марганец. Более высокое содержание кальция в склоновых условиях отмечается в лишайниковом покрове Кб > 30, энергично накапливается также медь (Кб > 10), возрастает число сильно накапливаемых элементов - Mn, Co, Ba, Sr, Mg, Ni. При этом значения коэффициента биологического поглощения последних значительно выше, чем в Pleurozium schreberi. Эти свойства лишайника свидетельствуют о его более выраженной способности индицировать накопление в таежном ландшафте названных элементов. То же самое касается и тяжелых металлов, слабо вовлекаемых в биологический круговорот (Кб < 1), - V, Cr, Ti. В условиях долин кальций значительно менее активно накапливает и по величине Кб, близкой к Кб меди. В теле Sphagnum fuscum формируется следующая группа сильно накапливаемых элементов - Cu, Ca, Mn, Ba, Mg, Sr. Виды напочвенного растительного покрова, обладая избирательной способностью к потреблению химических элементов, чутко реагируют на все условия среды обитания.

Основной источник химических элементов для растений - почвы, для которых наряду с латеральной неоднородностью свойственна и радиальная дифференциация, определяющая как вещественную структуру геосистем, так и их функциональные особенности, обусловленные процессами миграции и аккумуляции. Условиями и показателями этих процессов выступают щелочно-кислотная среда (pH) и содержание в почвах гумуса.

Таежные геосистемы имеют небольшую скорость разложения органических остатков, при этом образуется грубая лесная подстилка. Известно, что обогащение верхнего горизонта почв гумусом происходит медленно. На выровненных водораздельных поверхностях с незначительной пространственной дифференциацией органического вещества количество гумуса в дерновых горизонтах достаточно велико (23 %) и резко снижается вниз по почвенному профилю - до 1 % на глубине 30-50 см. Данная закономерность отмечается и на склоне, где почва значительно беднее гумусом. В условиях промывного водного режима, способствующего миграции щелочных и щелочноземельных элементов [11], реакция среды почв водораздельной и склоновой частей катены кислая. В верхней части почвенного профиля pH = 4,4-4,9, возрастая на глубине 50 см до 5,3-5,9. В неоднородных по строению почвенных профилях долинной фации содержание гумуса очень изменчиво. Максимальные показатели отмечаются в гумусовом и погребенных органогенных горизонтах (до

16 %), снижаясь до 2-3 % вниз по профилю. Слабокислая реакция среды верхней современной части почвенного профиля (pH = 5,8-6,8) и нейтральная (pH = 6,97,3) в нижней обусловлены влиянием речных вод, обладающих на данной территории слабощелочной средой (рН = 7,7).

В почвах автономных фации водоразделов при отсутствии вносимых химических элементов с соседних территорий характерно накопление в верхнем гумусовом горизонте типично таежного биофильного элемента - марганца. При этом отмечается закономерное увеличение с глубиной содержания железа и входящих в его группу тяжелых металлов (Ti, Cu, Ni, Co, V), что свойственно иллювиальным горизонтам в условиях кислой почвенной среды.

В пологосклоновых фациях наряду с высокой биогенной аккумуляцией Mn в дерновом горизонте Ad

максимальное содержание большинства исследованных элементов приурочено к подгумусовому горизонту АВ почвы. Основными накапливаемыми элементами являются щелочноземельные (Са, Mg, Бг), железо и относящиеся к его группе тяжелые металлы. Данную характеристику в радиальном распределении химических элементов можно рассматривать как следствие длительно-мерзлотного режима почв, и в результате -как специфический структурно-функциональный признак мерзлотно-таежного ландшафта. Определенный вклад в создающийся эффект относительно низкого содержания названных элементов в верхних 15 см почвенного профиля в условиях склона вносит боковая миграция вещества над слоем длительно сохраняющейся в почве мерзлоты.

Выявленное на склоне накопление в подгумусо-вом горизонте ряда химических элементов наблюдается и в условиях водораздела, но касается только щелочноземельных элементов (Са, Бг, Ва). Данная особенность несколько иного радиального распределения элементов в почвенном покрове водораздела обусловлена менее жестким мерзлотным режимом выбранных для изучения фаций и, соответственно, более благоприятными условиями для внутрипочвен-ной миграции вещества.

Более пестрая картина внутрипрофильного распределения химических элементов характерна для долинных почвенных комплексов. При интенсивном дополнительном привносе веществ и развитии в контрастных природных режимах - периодической поемности и аллювиальной седиментации - верхние слои современной почвы выделяются накоплением железа и близких к нему меди и ванадия. Выделяемые погребенные гумусовые горизонты отличаются накоплением марганца, кальция, стронция.

Анализ рядов биологического поглощения рассматриваемых элементов и установленных особенностей их дифференциации в почвах, характерных для среднетаежного ландшафта пространственно-сопряженных геосистем, показал, что наиболее информативными элементами процесса взаимодействия растительного покрова с почвой являются кальций, медь и марганец. В процессах дифференциации элементов в почвах как проявления функциональных особенностей мерзлотно-таежных геосистем среди биогенных элементов наиболее активны марганец и кальций, а среди литогенных элементов индикационно-функциональную роль выполняют железо и ряд входящих в его группу тяжелых металлов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На развитие специфических мерзлотно-таежных ландшафтов оказывает влияние распространение многолетнемерзлых пород. Геохимические характеристики почвенного покрова зависят от местоположения, характера и глубины оттаивания мерзлоты, что существенно ограничивает латеральную и радиальную дифференциацию вещества в геосистемах. В элювиальных условиях в нижней части почвенного профиля выявлено накопление элементов группы железа. В трансэлювиальных условиях наблюдается резкое увеличение концентрации большинства элементов в под-гумусовом слое, что является результатом действия мерзлотного барьера. По данным вещественного состава почвенного покрова изученных сопряженных

фаций установлена характерная для них биогенная аккумуляция марганца.

В мерзлотно-таежном ландшафте важную роль биогеохимического барьера выполняет напочвенный покров, где доминирующее положение занимают мхи и лишайники. Установлена высокая индикационная способность лишайников, особенно в отношении кальция, меди, марганца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сочава В.Б. Тайга как тип природной среды // Южная тайга При-ангарья. Л.: Наука, 1969. С. 4-31.

2. Сочава В.Б. Географические аспекты сибирской тайги. Новосибирск: Наука, 1980. 255 с.

3. Антипов А.Н., Нечаева Е.Г., Дружинина Н.П. [и др.] Природа таежного Прииртышья. Новосибирск: Наука, 1987. 256 с.

4. Тюлина Л.Н. К вопросу о зональности и поясности сибирских светлохвойных лесов, развитых на карбонатных почвах // Сиб. географический сборник. М.: Изд-во АН СССР, 1962. Вып. 1. С. 21-220.

5. Михайлов Н.И. Сибирь (Физико-географический очерк). М.: Изд-во географ. лит-ры, 1951. 286 с.

6. Растительность (Карты природы, население и хозяйства юга Восточной Сибири) / под ред. В.Б. Сочавы. М.: ГУГК, 1972.

7. Михеев В.С., Ряшин В.А. Ландшафты юга Восточной Сибири. Карта масштаба 1:1 500 000 / под ред. В.Б. Сочавы. М.: ГУГК, 1977.

8. Семенов Ю.М. Ландшафтно-геохимический синтез и организация геосистем. Новосибирск: Наука, 1991. 144 с.

9. Атлас Иркутской области. Экологические условия развития. Москва; Иркутск, 2004. 92 с.

10. Чертко Н.К., Чертко Э.Н. Геохимия и экология химических элементов: справ. пособие. Минск: Издат. центр БГУ, 2008. 135 с.

11. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. Изд. 3-е, доп. М.: Астрея 2000, 1999. 768 с.

12. Нечаева Е.Г. Вещественно-динамическое состояние таежного Обь-Иртышья // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2008. № 4. С. 23-36.

13. Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимические изменения в тайге при геологических изысканиях подземных недр // ГиПР. 1997. № 4. С. 81-87.

14. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Географгиз, 1961.

Поступила в редакцию 15 сентября 2012 г.

Vlasova N.V. SOIL-GEOCHEMICAL CONDITION OF MIDDLE TAIGA GEOSYSTEMS

The soil-geochemical features typical of permafrost-taiga geosystems of the Lower Tunguska River basin are presented. Differentiation of some chemical elements in soil is considered as a result of their migration and accumulation on frozen barrier. The indication shows the function of certain types of moss and lichen in the evaluation of the biogeochemical environment is shown.

Key words: taiga geosystems; migration agents; soil geochemistry; permafrost barrier.