24970 (Ландшафтно-экологический подход в изучении геохимических особенностей горных почв Тебердинского заповедника)

РЕФЕРАТ

ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРНЫХ ПОЧВ ТЕБЕРДИНСКОГО ЗАПОВЕДНИКА

Сутормина Э.Н., Дегтярева Т.В.

Природные экологические системы (экосистемы) принято рассматривать как природно-территориальные комплексы, состоящие из двух основных частей: абиотической среды и биоты, между которыми совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии [11]. Их пространственная дифференциация предопределенна факторами распределения важнейших параметров среды [1].

Почва также может выступать в качестве биоцентрической (с живым в центре) природно-саморегулирующейся экологической системы, поскольку в ней биотические и абиотические компоненты связаны потоками вещества и энергии. В то же время почва как целостность (естественно-историческое почвенное тело) сама взаимодействует с окружающей абиотической (воздух, воды, горные породы, климат и др.) и биотической (например, растения) средой, обмениваясь в целом веществом, энергией и информацией с этой средой [4]. Трактование почв в качестве экологических систем характерно для нового, оформляющегося сейчас научного направления – экологии почв (Л.И.Прасолов, В.Р.Волобуев, И.А.Соколов, М.И. Дергачева и др.). В рамках экологии почв ландшафтно-экологический подход позволяет исследовать обусловленность структурно-функциональной организации и распределения почв в частном реальном экологическом пространстве [7], образованном частью существующих в настоящее время факторов среды или их характеристиками.

Имеется большое количество работ, характеризовавших свойства почв и освещавших разные аспекты взаимоотношений почв с окружающей средой. На базе Тебердинского государственного биосферного заповедника давно ведется изучение основных показателей климата и их влияния на гидротермические режимы почв высотно-экологического профиля хребта Малая Хатипара (В.А. Шальнев, Т.Н.Багрова и др.). Изучение на геохимическом уровне соотношений между почвами заповедника и средой их формирования дает возможность анализировать изменения геохимических параметров горных почв в зависимости от различных экологических условий.

Детальные почвенно-геохимические исследования проводились летом 2006 г. на опорных участках стационарного высотно-экологического профиля, охватывающего весь спектр геоботанических поясов ландшафтов хребта Малая Хатипара [9]. В орографическом отношении хребет является северным отрогом Бокового хребта, образует в пределах Тебердинского заповедника часть левого склона долины реки Теберды [6]. Значительные колебания высот в пределах профиля (свыше 1,5 километров по вертикали) обусловили вертикальные различия в проявлении основных экологических факторов и формирование определенных экосистем. Так, на днище троговой долины р.Теберды на высоте 1330 м. над ур. моря радиационный баланс (R) имеет значения 37-38 ккал/см², среднегодовая температура (t) составляет 6,3°С, среднегодовое количество осадков (r) находиться в пределах от 760 до 850 мм, что позволяет произрастать не только хвойным породам, но и буку [10]. У подножия склона на высоких террасах р. Теберды чередуются буково-пихтовые и сосновые лесные экосистемы с луговыми ассоциациями на горных аллювиальных почвах.

На склонах трогов до высоты 2000—2100 м экологически формируются хвойные леса и идет образование бурых горно-лесных почв. Показатели метеоэлементов изменяются: R = 37-31,5 ккал/см², t = 6,0-3,0°С, r = 850-1250 мм, при этом на склонах южной экспозиции произрастают сосновые леса, а на склонах северной экспозиции – пихтовые. Выше 2100 м над ур. моря распространены сосновые и пихтово-сосновые редколесья на грубоскелетных бурых лесных почвах, березовые криволесья на горно-кустарниковых почвах и луговые ассоциации на горно-луговых почвах.

На высоте 2400-2700 м над ур. моря в пределах высокогорных субальпийских лугов радиационный баланс имеет значение 30,5 ккал/см². Средняя годовая температура близка к 0°С, годовое количество осадков 1500 мм. С последующим повышением абсолютной высоты создаются экологические условия размещения пояса альпийских лугов на светло-бурых горно-луговых почвах. Показатели его основных метеоэлементов: R = 28 ккал/см², t = – 0,7°С, r = 1600 мм. Причем по склонам юго-восточной экспозиции поднимаются пестрокостровые луга, на склонах северо-восточной экспозиции произрастают колокольчиково-ветреницевые луга. При дальнейшем увеличении абсолютной высоты формируется разорванный маломощный растительный покров экосистем субнивального пояса.

Линейное простирание профиля, гребень, четко выраженные северо-восточные и юго-восточные склоны определили экспозиционные различия гидротермических условий почвообразования. Влияние экспозиции склонов гор при их широтном простирании хорошо известно [8]. Крутизна и экспозиция склонов оказывает значительное влияние на годовую величину радиации, ее распределение в течение года, температурный режим. Так, например, на одинаковой высоте 2400 м над ур. моря, в пределах субальпийских лугов приход суммарной радиации за полный день на южных склонах составляет 777 кал/см², а годовая величина радиационного баланса 42,67 ккал/см², в то время, как на склонах северной экспозиции те же показатели гораздо ниже – приход суммарной радиации за полный день 519,5 кал/см², а годовая величина радиационного баланса равна 31,0 ккал/см² [10]. Отличается и характер увлажнения склонов: северо-восточный более влажный, юго-восточный более засушливый. В свою очередь, различия гидротермических условий определили дифференциацию растительности. На юго-восточных склонах распространены более ксероморфные разнотравно-злаковые ассоциации, на северо-восточных склонах – более мезоморфные злаково-разнотравные.

В целом высотно-экологический профиль представляет собой целостную сопряженную систему элементарных ландшафтов (элементарных экогеосистем) от вершины к подножию при господстве крутых выпукло-вогнутых склонов. Такие элементарные эколого-геохимические системы характеризуются единством почвы и растительного сообщества в пределах элементарной формы рельефа, где сохраняются одни и те же основные условия жизнедеятельности биоты (общие условия инсоляции и энергобаланса) [2]. За счет перемещения твердого материала и растворенных веществ сверху вниз по склону создается геохимическая контрастность почв элювиальных, трансэлювиальных, трансаккумулятивных и транссупераквальных элементарных экогеосистем, к которым приурочены опорные участки с заложенными почвенными разрезами.

Местные геохимические особенности горных пород определяют во многом главные черты геохимии почв региона. В геологическом отношении высотно-экологический профиль является однородным и монолитным – горными породами служат калиевые верхнепалеозойские гранитоиды. В сравнении с литосферным кларком в этих породах концентрируется свинец и рассеиваются медь, цинк, кадмий [3].

Характер миграции элементов в почвах определяется щелочно-кислотными и окислительно-востановительными условиями. По щелочно-кислотным условиям почвы профиля можно объединить в 2 основных класса: с кислой реакцией (pH=4,5-6,0) и слабокислой реакцией среды (pH=6,0-6,5), которые в целом отражают вертикальную смену процессов почвообразования от субнивального пояса к смешанным лесам. Горно-луговые почвы верхних автономных элювиальных позиций имеют кислую реакцию среды гумусового горизонта (pH=4,7-4,9) с ослаблением кислотности вглубь почвенного профиля. Горно-луговые и горно-лесные почвы нижних транссупераквальных и трансаккумулятивных позиций отличаются слабокислой реакцией в гумусовом горизонте (pH=6,15-6,4) с некоторым повышением кислотности вглубь профиля. Наши данные совпадают с исследованиями В.В.Дъяченко [5], который указывает, что для почв высокогорных ландшафтов Западного Кавказа характерен кислый класс водной миграции, обусловленный химизмом атмосферных осадков и особенностями БИКа. В этих условиях зольность и насыщенность растений основаниями снижены, активно развивается кислое выщелачивание почв, приводящее к выносу многих микроэлементов.

Свободный внутрипочвенный дренаж почвенной толщи при высокой величине поверхностного стока создает преобладание окислительных условий в почвах практически по всему высотно-экологическому профилю. Только для транссупераквальных ландшафтов характерна восстановительная глеевая обстановка с развитием горно-луговых аллювиальных глеевых почв, в формировании которых участвуют как почвенно-поверхностные, так и почвенно-грунтовые очень слабо минерализованные воды [5].

Важным показателем сложившихся экологических условий и регулятором миграции микроэлементов в почвах горных территорий является почвенный гумус. Высокогорная специфика гумуса состоит в его фульватном составе и очень высоком содержании гумусовых веществ. Профильное распределение гумуса убывающее, верхние горизонты почв сильно гумусированны. Среднее содержание гумуса в гумусовом горизонте горно-луговых почв высотно-экологического профиля составляет 12,2%, в горно-лесных - 11,4 %. Самые максимальные уровни накопления гумуса (до 17,2 %) выявлены для горно-кустарниковых почв под березняками.

Некий максимум распределения гумуса в горно-луговых почвах наблюдается на высоте 2590 м в пределах субальпийских лугов. Причем заметно влияние экспозиции склонов на интенсивность гумусонакопления. Так, на одинаковой высоте склоны северо-восточной экспозиции с более мезофитным субальпийским высокотравьем имеют содержание гумуса в горизонте А равное 16 %, что почти в 2 раза превышает содержание гумусовых веществ в почвах субальпийских лугов юго-восточной экспозиции (8,8 %). Более сильное увлажнение почв северо-восточных склонов вызывает развитие здесь мощного дерновинного слоя, что сказывается на высокой степени гумусированности.

В значительно меньшей степени перераспределение тепла и влаги в зависимости от экспозиции склона влияет на уровень гумусонакопления в экогеосистемах с горно-лесными почвами. Среднее содержание гумуса в почвах склонов северо-восточной экспозиции, только на несколько процентов выше содержания гумуса в почвах юго-восточных склонов (13,3% и 10,9 % соответственно). На этом примере видно, что лесные ПТК с хорошо развитой растительностью обладают способностью нивелировать экспозиционные различия в гумусонакоплении.

Содержание гумуса и глубина гумификации в заложенных почвенных разрезах различна. Характерным является их увеличение от почв элювиальных к почвам трансаккумулятивных и транссупераквальных луговых и лесных элементарных экогеосистем. Это можно связать с изменением общего уровня биохимической активности почв в нижних частях профиля. Большая скорость разложения органических веществ и большее количество водных мигрантов, вовлекаемых в биологический круговорот, определяют здесь высокие уровни гумусонакопления по профилю.

Высокая гумусность почв обеспечивает повышенную емкость биогеохимического барьера в почве [2]. Связь повышенного содержания гумуса со значительным накоплением элемента проявляется для меди и цинка в луговых и лесных фациях по северо-восточному склону, для меди и свинца - по юго-восточному. Можно предположить, что микроэлементы в этих условиях активно мигрируют в адсорбированном состоянии на гумусовых частицах.

Особенности распределения микроэлементов в почвенном профиле горно-луговых и горно-лесных почв при монолитном литогеохимическом фоне можно объяснить совокупностью процессов биогенеза, гидрогенеза и ландшафтно-геохимического сопряжения. Наряду с биогенной аккумуляцией химических элементов, направленной снизу вверх, в почвах наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэтому реальное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием (табл.1,2). Соотношение этих двух процессов по-разному проявляется в почвах высотно-экологического профиля и можно отметить его зависимость от экспозиции склонов. Радиальное биогенное накопление микроэлементов больше преобладает в почвах северо-восточной экспозиции (за исключением кадмия). В то же время на южных склонах иногда выщелачивание химических элементов идет сильнее, чем биогенное накопление (для свинца, меди).

Таблица 1

Некоторые параметры горно-лесных почв юго-восточных сосновых склонов

Проявления экспозиционных различий содержания элементов в зависимости от абсолютной высоты по профилю неодинаковы. Так, почвы пихтовых склонов содержат больше меди, чем почвы сосновых склонов. Причем эти различия в содержании одинаковы и в верхних частях профиля (в 4 раза) и в нижних частях профиля (тоже приблизительно в 4 раза). Только в средней части профиля в условиях очень крутых склонов (определяющих интенсивный вынос элемента) экспозиция склона на содержание меди не влияет. Несколько иная картина характерна для высотно-экспозиционного распределения свинца в горно-лесных почвах. В верхних трансэлювиальных ландшафтах почвы юго-восточных и северо-восточных склонов отличаются по содержанию свинца в 3 раза, в тоже время в средних и нижних частях склонов разница в содержании элемента по экспозиции сглаживается.