Геохимический подход в изучении межкомпонентных связей в горных ландшафтах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

удк 910.1 Сивоконь Ю. В. [Sivokon Y. V.]

геохимический подход в изучении межкомпонентных связей в горных ландшафтах

Geochemical modeling approach to interconnect links in the landscape

В статье рассмотрены сложные вопросы взаимодействия и взаимосвязи компонентов в ландшафте. Проанализированы особенности межкомпонентных связей в различных типах фаций горных ландшафтов. В результате применения геохимического подхода построены линейные модели парных связей, определены особенности геохимических условий и типы их взаимосвязей.

Ключевые слова: горный ландшафт, геохимическая структура, взаимодействие компонентов, межкомпонентные связи.

The article is devoted to the interaction of components in the landscape. The article touches upon the issue of identifying features interconnect ties in various facies types of mountain landscapes. The article states that as a result of geochemical approach to construct a linear model of communication and identifies particular geochemical conditions and types of geochemical stability of relationships.

Key words: mountain landscape, geochemical structure, interaction of the components, interconnect communication.

Связи между компонентами ландшафта всегда были и остаются одной из ключевых проблем ландшафтоведения. Абсолютно жестких детерминированных связей в природе нет, иначе это исключало бы саморегуляцию, которая возможна, когда связи между компонентами допускают определенную амплитуду показателей корреляции. Поэтому связи носят вероятностный характер [2].

Горные ландшафты являются более сложными и мозаичными по своей структуре, чем равнинные, поэтому здесь очень важно выявление взаимосвязей между компонентами ландшафта, предсказание возможных состояний одного компонента по свойствам других, выяснение степени жесткости вертикальной структуры [1, 10].

Геохимические исследования по изучению межкомпонентных связей проводились на моделях фации, которая является наименьшей

морфологической единицей ландшафта с корреляционными связями между компонентами различных структурных уровней организации материи (абиотической, биокосной и биотической). Фация обычно приурочена к одному элементу мезорельефа или отдельной форме микрорельефа, обладает однородными условиями увлажнения и инсоляции (тепловлагообменом) и, как следствие, включает один или несколько близких биоценозов, часто с наличием в горах элементов микрокомплексности [11].

Она является элементарной ландшафтно-геохимической единицей. Ученые-геохимики давали им разные наименования. У Б. Б. Полынова это был «элементарный ландшафт», у И. В. Ларина - «микроландшафт», у Л. С. Берга и Н. А. Солнцева - «фация», у В. Н. Сукачева - «биогеоценоз». М. А. Глазовская [4] такие единицы называет «элементарными ландшафтно-геохимическими системами» и считает, что их целостность обеспечивается более тесными внутренними миграционными связями, чем между соседними элементарными системами.

Эмпирический этап исследования межкомпонентных связей проводился на Западном Кавказе, на территории Карачаево-Черкесской Республики, в долинах рек Гондарай и Джалпак-Кол в июле 2012 года в пределах Гондарайского среднегорного ландшафта хвойных лесов и Акско-Джал-паккольского высокогорного ландшафта субальпийских и альпийских лугов (рис. 1).

Экспериментальные площадки заложены в пределах высот 1 6502 800 м над у. м., и ниже приведено более подробное их описание.

Геоботанический пояс хвойных лесов:

1 - днище реки Гондарай, сложенное аллювием и флюви-

огляциалом, с еловыми лесами на горно-лесных почвах (1 650 м над у. м.);

2 - нижняя часть склона троговой долины Гондарая, сло-

женная коллювием, с сосновыми лесами на горно-лесных бурых почвах (1 700 м над у. м.);

3 - верхняя часть склона троговой долины реки Джалпак-

Кол, сложеная гранитоидами палеозоя и коллювием, с сосновыми лесами на горно-лесных почвах (1 900 м над у. м.).

границы ландшафтов гидрография

'^о:-1-?/ ледники

экспериментальные площадки

Рис. 1. Фрагмент карты-схемы среднегорного Гондарайского (I) и высокогорного Акско-Джалпаккольского (II) ландшафтов (шальнев, Колесниченко, 2013).

Пояс экотона верхней границы леса:

4 - крутые и обрывистые склоны троговой долины Джал-

пак-Кола юго-западной экспозиции, сложенные гранитами и коллювием, с сосновыми лесами и сосновыми редколесьями на грубо-скелетных почвах (2 180 м над у. м.);

5 - крутые и обрывистые склоны троговой долины восточ-

ной экспозиции, сложенные гранитами и коллювием, с

березовыми криволесьями на горно-кустарниковых почвах (2 200 м над у. м.);

6,8 - конусы выноса нижней трети крутых склонов западной экспозиции, сложенные коллювиально-пролюви-альными отложениями, с разнотравно-злаковыми лугами на горно-луговых почвах (2 150 м над у. м и 2 270 м над у. м.);

7 - конечная морена с разнотравно-злаковыми лугами на горно-луговых почвах (2 300 м над у. м.).

Пояс субальпийских лугов: 9 - конусы выноса западной экспозиции, сложенные коллю-вием, зарастающие луговой растительностью (2 450 м над у. м.);

10 - конусы выноса и коллювиальные склоны восточ-

ной экспозиции, сложенные коллювиальными и пролю-виальными отложениями, с разнотравно-злаковыми лугами на горно-луговых почвах (2 600 м над у.м.).

Пояс альпийских лугов:

11 - боковая морена в местности древнего цирка, сложенная

моренными отложениями, с альпийской растительностью (2 800 м над у.м.);

12 - конечная морена в местности древнего цирка, сложенная

моренными отложениями, с альпийской растительностью (2 800 м над у.м.).

Для изучения межкомпонентных связей на экспериментальных площадках отобраны почвенные образцы, образцы общих укосов травянистой растительности и отловлены беспозвоночные травяного покрова. В результате камеральной обработки во всех образцах определено содержание подвижных форм химических элементов (РЬ, Cd, Си, 2п) методом вольтамперометрического анализа на полярографе АВС-1.1. В качестве информативных показателей для рассмотрения геохимических различий выбраны средние содержания элементов в гумусовом горизонте почв, растениях, представителях наземных беспозвоночных.

Межкомпонентные связи в фациальных структурах ландшафта изучались на примере двух моделей - линейной и многофакторной. Для линейной модели типично признание равенства всех компонентов, равнозначность всех их связей. Она отражает вертикальные связи между компонентами в фациальном пространстве. Вертикальная структура является важной составной частью пространственной организации фаций и проявляется в неоднородности строения их вертикального профиля, обусловленной ярусным расположением компонентов. Радиальные связи между ними осуществляются благодаря миграционным процессам, что обеспечивает вертикальную дифференциацию вещества [1].

Можно проследить парные связи между компонентами фаций и выявить зависимость распределения элементов в биогеохимической цепи: горные породы ^ почвы ^ растения ^ насекомые-фитофаги. Отражение последовательной зависимости в накоплении элементов в этой цепи определяется набором показателей: кларк концентрации [3], коэффициент биологического поглощения [9], коэффициент дискриминации [8].

При сопоставлении содержания химических элементов в горно-лесных почвах под еловыми лесами (экспериментальная площадка 1) с кларками гранитоидов [5], очевидно, что интенсивнее всего рассеивается цинк (Кк = 0,50), слабее свинец (Кк = 0,85), концентрируются медь и кадмий (кларки концентрации 1,02 и 2,97 соответственно) (рис. 2).

РЬ

Си

1п

Литоло- Кк = 0,85 Почвен- Кб = 0,33 Биотический Кд = 0,98 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

литоло-гический Кк = 2,97 Почвенный Кб = 0,96 Биотический (растения) Кд = 0,80 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк= 1,02 Кб = 0,37 Кд = 0,44

литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,50 Кб = 0,40 Кд = 0,77

литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Рис. 2. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в фациях еловых лесов Гондарайского ландшафта.

В перераспределении элементов между почвой и травянистой растительностью наиболее интенсивна роль кадмия, а прочих элементов примерно одинакова (коэффициенты биологического поглощения для свинца 0,33, для меди 0,37, для цинка 0,40). Вычисленные коэффициенты дискриминации показывают, что при миграции из растительного компонента в организмы беспозвоночных-фитофагов происходит рассеивание всех исследуемых элементов, и ряд химических элементов по возрастанию коэффициентов дискриминации выглядит следующим образом: Си (0,44) > 2п (0,77) > Cd (0,80) > РЬ (0,98).

РЬ

Си

Ъл

Литоло- Кк = 0,64 Почвен- Кб = 0,19 Биотический Кд = 0,32 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло-гический Кк = 4,77 Почвенный Кб =1,36 Биотический (растения) Кд = 0,04 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,45 Кб = 0,47 Кд = 0,47

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,34 Кб = 0,38 Кд = 1,42

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Рис. 3. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в фациях сосновых лесов Гондарайского ландшафта.

Для линейной модели фациальной миграционной структуры сосновых лесов (площадки 2 и 3) характерны несколько иные особенности (рис. 3). При миграции из горных пород в почвенный компонент происходит рассеивание свинца (Кк = 0,64), меди (Кк = 0,45) и цинка (Кк = 0,34) и интенсивное накопление кадмия (Кк = 4,77). При дальнейшем движении по биогеохимической цепи данная тенденция сохраняется, однако коэффициенты биологического поглощения снижены по сравнению с кларками концентрации у свинца (Кб = 0,19) и кадмия (Кб = 1,36). При переходе из растительного компонента в организмы беспозвоночных коэффициенты дискриминации сокращаются для кадмия, остаются прежним для меди и увеличиваются для свинца. При этом данные элементы по-прежне-

му рассеиваются. Однако цинк по сравнению с растительным компонентом начинает накапливаться в организмах беспозвоночных (Кб = 1,42).

При миграции элементов из литологического компонента в почвенный в сосновых фациях в зоне экотона верхней границы леса (экспериментальная площадка 4) в почвах происходит накопление кадмия (Кк = 1,43) и цинка (Кк = 1,62) и рассеивание свинца и меди (рис. 4).

РЬ

Си

Ъл

Литоло- Кк = 0,88 Почвен- Кб = 0,30 Биотический Кд = 0,16 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло-гический Кк = 1,43 Почвенный Кб = 1,33 Биотический (растения) Кд = 0,16 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,37 Кб = 0,53 Кд = 0,47

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк= 1,62 Кб = 0,13 Кд = 0,45

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Рис. 4. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в сосновых фациях пояса экотона верхней границы леса Гондарайского ландшафта.

В дальнейшем при переходе химических элементов в биогенную форму растения также накапливают кадмий (Кб = 1,33) и поглощаются остальные исследуемые элементы. Далее при движении по биогеохимической цепи видно, что организмы беспозвоночных рассеивают элементы. Об этом свидетельствуют коэффициенты дискриминации, величина которых менее 1.

В фациях березовых криволесий (площадка 5) горно-кустарниковые почвы по сравнению с кларками гранитоидов накапливают свинец, кадмий и цинк, о чем свидетельствуют кларки концентрации более 1, и рассеивается медь (рис. 5).

При миграции в растительный компонент поглощаются все элементы кроме кадмия (Кб = 1,44), который накапливается. При переходе в следующее звено биогеохимической цепи происходит рассеива-

РЬ

Си

Литоло- Кк = 1,29 Почвен- Кб = 0,14 Биотический Кд = 0,34 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло-гический Кк = 1,67 Почвенный Кб = 1,44 Биотический (растения) Кд = 0,34 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,69 Кб = 0,35 Кд = 0,45

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 1,50 Кб = 0,11 Кд = 0,45

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Рис. 5. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в фациях березовых криволесий Гондарайского ландшафта.

ние всех элементов, однако коэффициент дискриминации увеличился по сравнению с коэффициентом биологического поглощения у свинца (Кд = 0,34), меди (Кд = 0,45) и цинка (Кд = 0,45) и уменьшился только у кадмия (Кд = 0,34).

В сравнении с кларками гранитоидов в луговых почвах фаций лугов зоны экотона (экспериментальные площадки 6, 7, 8) накапливается кадмий (Кк = 1,44) и цинк (Кк = 1,61), рассеивается свинец и в большей

РЬ

Cd

Си

2п

Литоло- Кк = 1,88 Почвен- Кб = 0,20 Биотический Кд = 0,38 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло-гический Кк = 1,44 Почвенный Кб = 1,37 Биотический (растения) Кд = 0,62 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,42 Кб = 0,66 Кд = 0,42

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк= 1,61 Кб = 0,12 Кд = 0,51

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Рис. 6. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в луговых фациях пояса экотона Гондарайского ландшафта.

степени медь (Кк = 0,42) (рис. 6). При миграции в растительный компонент происходит накопление только кадмия (Кб = 1,37) и биологическое поглощение остальных элементов (Кб < 1). Сильнее всего растения поглощают цинк (Кб = 0,12).

В дальнейшем перемещении по биогеохимической цепи в организмы беспозвоночных-фитофагов все химические элементы рассеиваются, но коэффициенты дискриминации несколько повышаются для свинца и цинка.

Модель интенсивности распределения элементов в компонентах фаций геоботанического пояса субальпийских (площадки 9 и 10) и альпийских лугов (площадки 11 и 12) во многом повторяет особенности распределения элементов в луговых фациях пояса экотона. При миграции из литологического компонента в почве происходит накопление кадмия и цинка (рис. 7 а и б).

В субальпике наблюдается также сходство в накоплении кадмия растительным компонентом и поглощении других элементов. При переходе в организмы беспозвоночных все исследуемые элементы рассеиваются. В фациях с альпийской растительностью рассеивание всех элементов начинает прослеживаться уже при миграции из почвенного в растительный компонент, которое продолжается и при дальнейшем движении по биогеохимической цепи. Некоторая идентичность моделей объясняется сходным типом растительности, почвенного покрова и, как следствие миграционной структуры фациального пространства.

Таким образом, в рамках линейной модели системы-структуры связи между компонентами в фациальном пространстве обладают каждая своими особенностями. Идентичны только модели луговых фаций, расположенных как в зоне экотона верхней границы леса, так и в доминантном геоботаническом поясе субальпийских и альпийских лугов. Однако во всех моделях можно отметить одну и ту же особенность в перераспределении кадмия в биогеохимических цепях, когда все показатели коэффициентов постепенно убывают. Это говорит о снижении роли этого токсичного элемента при его передвижении от компонента к компоненту.

Многофакторная модель позволяет изучать формирование геохимических условий как эмерджентного свойства фаций. Геохимическими условиями можно назвать часть природных условий, раскрывающих

РЬ

Си

Литоло- Кк = 0,55 Почвен- Кб = 0,26 Биотический Кд = 0,23 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло- Кк = 1,23 Почвен- Кб = 1,08 Биотический Кд = 0,23 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло- Кк = 0,21 Почвен- Кб = 060 Биотический Кд = 0,65 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло- Кк = 1,29 Почвен- Кб = 0,14 Биотический Кд = 0,37 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

РЬ

Cd

Си

2п

б)

Литоло- Кк = 0,53 Почвен- Кб = 0,22 Биотический Кд = 0,27 Биотический

гический ный (растения) (беспозвоноч-

ные-фитофаги)

Литоло-гический Кк= 1,17 Почвенный Кб = 0,86 Биотический (растения) Кд = 0,27 Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк = 0,32 Кб = 048 Кд = 0,41

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

Кк= 1,21 Кб = 0,14 Кд = 0,38

Литоло-гический Почвенный Биотический (растения) Биотический (беспозвоночные-фитофаги)

а)

Рис. 7. Линейная модель интенсивности перераспределения элементов в фациях лугового пояса Акско-Джалпаккольского ландшафта (а - типичная субальпика; б - типичная альпика).

геохимическую обстановку миграции химических элементов в пространственной структуре фации и обеспечивающих ее устойчивое функционирование. Изучение подобных условий позволяет понять не только особенности формирования пространственной биогеохимической структуры фаций, но и тесноту взаимосвязи ее компонентов. Для изучения последних мы используем математический метод многофакторного корреля-

ционного анализа, отражающего тесноту связей компонентов фации. Для этого рассчитывают парные коэффициенты корреляции концентраций химических элементов каждого компонента ландшафта с множеством других и заполняют матрицу [6]. Полученные величины могут варьироваться от 0 до 1,0. Чем ближе результат к 1,0, тем выше многофакторная корреляция геосистемы и тем устойчивее геохимические условия, сложившиеся в фации.

В качестве примера были рассчитаны коэффициенты многофакторной корреляции по содержанию химических элементов в компонентах для некоторых типов фаций ^ф) Гондарайского и Акско-Джалпаккольского ландшафтов (табл. 1).

Таблица 1. РАНЖИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МНОГОФАКТОРНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ ВЗАИМОСВЯЗИ КОМПОНЕНТОВ ФАЦИЙ

Гф от 0,01 до 0,1 (слабая связь между компонентами) Гф более 0,1 (сильная связь между компонентами)

Фации березовых криволесий в экотонном поясе верхней границы леса ^ф = 0,02) Еловые фации в лесном поясе ^ф = 0,12)

Субальпийские фации на конусах выноса ^ф = 0,10) Сосновые фации в лесном поясе ^ф = 0,34)

Альпийские фации на морене ^ф = 0,03) Сосновые фации в экотонном поясе верхней границы леса ^ф = 0,11)

В целом показатели множественной корреляции невелики и не превышают 0,34. Однако они позволяют проследить определенные закономерности межкомпонентных связей. Во-первых, слабая геохимическая связь между компонентами наблюдается в фациях с альпийской и субальпийской растительностью ^ф составляет 0,03 и 0,1 соответственно), что объясняется наличием большого количества внешних факторов с неблагоприятными природными условиями для развития био-ты (короткий вегетационный сезон, низкие температуры, длительный криосферный сезон и др.). Самая низкая многофакторная корреляция, и, как следствие неустойчивые геохимические условия, характерны для

фаций березовых криволесий в экотонном поясе верхней границы леса ^ф = 0,02), что объясняется сложной структурой растительного сообщества (древесно-кустарниковое и травянистое сообщество) и стрессовыми ситуациями лавинной деятельности.

Рис. 8. Схема ранжирования коэффициентов многофакторной корреляции взаимосвязи компонентов фаций

Более высокие коэффициенты многофакторной корреляции наблюдаются для лесных фаций: сосновых фаций в экотонном поясе (0,11), еловых (0,12) и сосновых фаций (0,34) доминантного лесного пояса. Растительность этих фаций существует в условиях относительной стабильности (рис. 8).

Согласно проведенному ранжированию были выделены типы взаимосвязей, определяющих устойчивость геохимических условий фаций:

- неустойчивые (фации березовых криволесий экотона);

- слабоустойчивые (фации субальпийских и альпийских лугов);

- относительно устойчивые (сосновые и еловые фации лесного пояса).

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

- линейная модель, отражая парные взаимосвязи (через кларк концентрации, коэффициент биологического поглощения и коэффициент дискриминации) в природном комплексе, позволяет понять закономерности убывающего вещества от абиотических компонентов к биокосным и биотическим компонентам. Это отличие прослеживается для всех экспериментальных площадок высотного профиля;

- вычисленные средние значения многофакторной корреляции по геоботаническим поясам свидетель-ствуют о том, что наиболее устойчивые взаимосвязи сложились в лесном поясе ^ = 0,23), менее устойчивые в поясе экото-на верхней границы леса ^ = 0,07) и самые слабые взаимосвязи характерны для пояса альпийских и субальпийских лугов ^ = 0,06).

Таким образом, многофакторная модель корреляции, исследуя коллективный эффект взаимодействия компонентов или эмерджен-тные свойства системы, позволяет понимать особенности геохимических условий фаций, их инвариантное (устойчивое) состояние, обусловленное теснотой взаимосвязей в такой геосистеме.

ЛИТЕРАТУРА 1.

2.

3.

4.

Авессаломова И. А., Петрушина М. Н., хорошев А. В. Горные ландшафты: структура и динамика. М., 2002. 158 с. Арманд Д. Л. Наука о ландшафте. М., 1975. Вернадский В. И. Очерки геохимии. М.; Л., 1934. Глазовская М. А. Геохимические основы типологии и методики исследования природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1964. Дьяченко В. В. Геохимия и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа: автореф. дис. ... д-ра геогр. наук. Новороссийск, 2004. 36 с.

6. Елисеева И. И., Юзбашев М. М. Общая теория статистики: учебник / под ред. И. И. Елисеевой. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Финансы и статистика, 2004. 480 с.

7. Каширин В. И. Глобалистика и философия планетарного самосознания. Ставрополь, 1998.

8. Ковальский В. В. Геохимическая экология. Очерки. М.: Наука, 1974. 229 с.

9. Перельман А. И. Геохимия ландшафта. М., 1975.

10. Хорошев А. В. Влияние лавинного и селевого факторов на структуру межкомпонентных связей высокогорного ландшафта // Труды XII съезда Русского географического общества. Т. 2. Геопространственные системы: структура, динамика, взаимосвязи. СПб., 2005. С. 95-100.

11. Шальнев В. А. Ландшафты Северного Кавказа: эволюция и современность. Ставрополь: Изд-во СГУ, 2007.

12. Шальнев В. А., Колесниченко А. Е. Ландшафтоведение. Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2013.

ОБ АВТОРЕ Сивоконь Юлия Вячеславовна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский

федеральный университет», аспирант, ассистент кафедры физической географии и ландшафтоведения, тел.: 89187976912. E-mail: geografwoman@yandex.ru.

Sivokon Y. V., FGAOU VPO «North-Caucasian Federal University», graduate student, assistant chair of physical geography and landscape.