CC BY
24
К 150-ЛЕТИЮ В.И. ВЕРНАДСКОГО
УДК 911.2.:550.4
И.А. Авессаломова1, А.В. Савенко2, А.В. Хорошев3
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КОНТРАСТНОСТЬ СРЕДНЕТАЕЖНЫХ РЕЧНЫХ
БАССЕЙНОВ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ ИОННОГО СТОКА4
Показана необходимость учитывать внутреннюю неоднородность речных бассейнов при определении факторов формирования ионного стока. Выявлены различия гидрохимических параметров поверхностных вод в зависимости от катенарной организации элементарных водосборов в подзоне средней тайги. Установлена взаимосвязь закономерностей трансформации ионного состава речных вод с ландшафтно-геохимической контрастностью каскадных геосистем.
Ключевые слова: катенарная организация, ландшафтно-геохимическая контрастность, биогеохимическая неоднородность, гидрохимические параметры, латеральные потоки, ионный сток.
Введение. Много лет назад В.И. Вернадский указал на тесную связь химического состава вод биосферы с климатом, рельефом местности и растительным покровом — важнейшими характеристиками ландшафтов суши [7]. В настоящее время существование этой связи рассматривается как одно из проявлений структурно-функциональной организации ландшафтов, в которой наряду с биологическим круговоротом фундаментальную роль играют процессы гидрогенеза и формирования водных радиальных и латеральных потоков вещества. Изучение этих процессов имеет принципиальное значение для оценки степени сбалансированности входных, внутренних и выходных потоков, обеспечивающих устойчивость открытых каскадных геосистем [19]. В организации таких систем сток выступает и как дифференцирующий фактор, определяющий изменение обстановки водной миграции и контрастность автономных и гетерономных звеньев катен, и как интегрирующий фактор, обеспечивающий связи между сопряженными элементарными ландшафтами и формирование выходных миграционных потоков, в том числе потоков химических элементов. Для установления влияния катенарной структуры ландшафтов на ионный сток весьма перспективен бассейновый подход, поскольку границы бассейнов поверхностного стока растворенных и твердых веществ близко соответствуют границам речных бассейнов [9].
Постановка проблемы. К основным принципам, составляющим ядро бассейновой концепции, относятся:
1) функциональная целостность речных бассейнов как каскадных парадинамических ландшафтно-гео-
химических систем, которая обеспечивается однонаправленным нисходящим водным потоком, выступающим в качестве системообразующего фактора [4, 5, 12, 15, 20];
2) иерархическая упорядоченность внутренней организации речных бассейнов. Пространственная структура таких парагенетических геосистем сформирована морфолитогенным каркасом территории и рисунком гидрографической сети. Элементарные водосборные бассейны с разной структурой катен, в которых осуществляются мобилизация, транзит, трансформация и аккумуляция вещества, объединяются в каскадные системы более высоких порядков в соответствии с векторной направленностью латерального гравитационного миграционного потока. При увеличении порядка водотоков возрастают неоднородность и сложность организации ландшафтно-геохимических систем [10, 11, 16];
3) интегральный показатель миграционных процессов — сток растворенных и твердых веществ в замыкающем створе, характеризующий вынос вещества за пределы ландшафта. К числу информативных показателей относятся гидрохимические параметры (рН, ЕЙ, минерализация, содержание химических элементов), отражающие влияние биологического круговорота и абиотических факторов на состав речных вод. При оценке вклада отдельных водосборных бассейнов в формирование выходных миграционных потоков важное значение имеют барьерные зоны в нижних звеньях катен и морфологическая структура долинных комплексов, способствующая или препятствующая поступлению веществ в водоток [4, 13, 14].
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра физической географии и ландшафтоведения, доцент, канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геохимии, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра физической географии и ландшафтоведения, доцент, канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
4 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проекты 11-05-00954, 11-05-93105 и 13-05-00821). В полевых работах принимали участие А.А. Прозоров и Е.В. Богатырева.
Цель исследований состояла в выявлении роли катенарной организации элементарных водосборов в формировании химического состава поверхностных вод в бассейне реки 2-го порядка, отличающегося ландшафтной контрастностью и соседством природных и природно-антропогенных ландшафтов.
Материалы и методы исследований. Основной объект ландшафтно-геохимических исследований — бассейн р. Заячья с площадью водосбора 154 км2, расположенный на юге Архангельской области (междуречье рек Кокшеньга и Устья) в подзоне средней тайги. Бассейн приурочен к структурному столовому плато, в пределах которого ориентация гидрографической сети согласуется с линеаментами северо-западного и северо-восточного направлений [17]. На склоне плато в верховьях р. Заячья преобладают слабодренированные моренно-озерно-ледниковые равнины с еловыми сырыми лесами, верховыми и переходными болотами. В среднем и нижнем течении долина реки пересекает приподнятую часть плато, где изменения катенарной структуры связаны с появлением хорошо дренированных структурно-моренно-эрозионно-озерно-ледни-ковых равнин, увеличением густоты расчленения и частыми выходами пестроцветных верхнепермских толщ сухонской свиты в бортах речных долин. Как природные факторы, так и длительное сельскохозяйственное освоение, приведшее к формированию агроландшаф-тов, способствуют увеличению ландшафтной контрастности бассейна р. Заячья. Для обоснования влияния ландшафтной контрастности на формирование ионного стока необходим анализ пространственной вариабельности гидрохимических параметров в зависимости от факторов, определяющих внутреннюю неоднородность и катенарную дифференциацию ландшафтов.
При выявлении обстановок водной миграции использован метод комплексной ординации с заложением трансекта в верховьях р. Заячья (309 точек), на болотных массивах (298 точек) и серии профилей в агроландшафтах. Многолетние (с 1994 г.) сезонные исследования включали полевые определения щелочно-кислотных условий в почвах (рН водных вытяжек), рН и ЕЙ грунтовых и болотных вод, а также ионного состава вод р. Заячья и ее притоков стандартными методами объемного титрования. После спада весеннего половодья на этих точках отбирали пробы наил-ков, характеризующие участие химических элементов в процессах механической миграции и аккумуляции.
Для установления вклада элементарных водосборов в формирование ионного стока р. Заячья сеть гидрохимического опробования, проведенного при сухой погоде в летнюю межень (июль 2009 г.), была расширена за счет водотоков 1-го порядка в разных частях ее бассейна. Всего за время съемки взято 20 проб воды (табл. 1), которые сразу после отбора отфильтровывали через плотные бумажные фильтры и часть фильтрата консервировали добавлением хлороформа для анализа биогенных элементов. Содержание К+, Mg2+, Са2+ и ВО2- определяли методом капиллярного электрофореза; концентрацию С1- и величину общей ще-
лочности, подавляющую часть которой составляют гидрокарбонаты, — объемными меркуриметрическим и ацидиметрическим методами; F- — потенциометри-ческим методом; 81 и Рмин — колориметрическими методами.
Таблица 1 Описание точек гидрохимического опробования в бассейне р. Заячья в июле 2009 г.
Водные объекты Точки пробоотбора
Среднетаежные ландшафты в верхнем течении р. Заячья
Мочажины верховых и переходных болот 21, 27
Ручьи элементарных водосборов 22—24
Верховья р. Заячья 25
Озеро в суффозионной западинке 28
Мочажины притеррасных понижений 26
Агроландшафты в среднем течении р. Заячья
Малые реки элементарных водосборов 33, 34, 36, 37, 39, 40
Грунтовые воды 29, 30, 35
Среднее течение р. Заячья 38
Р. Кокшеньга при впадении р. Заячья 31
Старицы притеррасных понижений 32
Результаты исследований и их обсуждение. Кате-нарная организация и гидрохимические параметры элементарных водосборов среднетаежных ландшафтов.
Для среднетаежных ландшафтов моренно-озерно-ледниковых равнин в верховьях р. Заячья характерны гетеролитные лесо-болотные катены. Сопряжение природных комплексов, различающихся по интенсивности автотрофного и гетеротрофного биогенеза, способствует увеличению латеральной контрастности катен [2]. Их варианты выделяются по набору элементарных ландшафтов, влияющих на формирование и трансформацию водных потоков.
На правобережье р. Заячья наиболее простой структурой отличаются неполные геохимические сопряжения плоских, слабодренированных междуречий. Они формируются на верховых торфах, подстилаемых моренными суглинками, и включают автономные ландшафты верховых грядово-мочажинных сосново-пушицево-сфагновых болот (Н-класс) и березово-сосновых сфагновых редколесий с торфяно-под-золисто-глеевыми почвами (H—Fe-класс). Конечным звеном служат водосборные понижения с медленно текущими ручьями с неясно выраженным руслом, основной источник питания которых — сток с верховых болот. Прозрачные, с коричневатым оттенком, ультрапресные воды мочажин имеют кислую реакцию (рН 3,7—3,8), высокий окислительно-восстановительный потенциал (ЕЙ 280—340 мВ), в связи с медленным разложением сфагнов обеднены биологически активными элементами (Са, Mg, К) и не содержат гид-
рокарбонатов (табл. 2). Среди анионов преобладают хлориды и сульфаты, поступающие с атмосферными осадками. Тип вод хлоридно-сульфатно-кальциевый. Некоторое увеличение минерализации вод в ручьях (до 14,8 мг/л) относительно болотных вод (3,5 мг/л) связано с дополнительным поступлением химических элементов при кислом глеевом выщелачивании, хотя их выносу из почв препятствует иммобилизация на биогеохимическом барьере в торфяном горизонте. На таких элементарных водосборах главный фактор формирования ионного состава вод биогенный. Его первостепенная роль обусловлена замедленностью биологического круговорота автономных ландшафтов вследствие интенсивного накопления мортмасс при заболачивании. Только в подстилке среднетаежных лесов и болот депонировано до 35 кг/га фосфора, от 32 до 88 кг/га калия и более 200 кг/га кальция и кремния [6].
На водосборах слабо- и умеренно дренированных наклонных озерно-ледниковых равнин, где катены формируются на двучленных отложениях (озерно-лед-никовые супеси на моренных суглинках), происходит усложнение морфологической структуры. Наряду с верховыми болотами они включают автономные и трансэлювиальные элементарные ландшафты Н- и Н—Fe-классов с елово-сосновыми и еловыми долго-мошными лесами на подзолистых иллювиально-же-лезистых почвах, а также супераквальные ландшафты ложбинообразных понижений, вытянутых узкой полосой вдоль русел ручьев. Для последних характерны крупнотравные ивняки на аллювиальных перегной-но-глеевых почвах. Влияние биологического круговорота хвойных лесов на обстановку водной миграции и потеря элементов в верхних звеньях катен при кислом выщелачивании приводят к следующим изменениям химического состава вод ручьев (рис. 1): 1) росту минерализации; 2) смещению соотношения между хлорид- и сульфат-ионами в сторону повышения доли последних вследствие дополнительного выщелачивания сульфатов из хвои и органогенных горизонтов
Таблица 2
Минерализация и ионный состав поверхностных вод в бассейне р. Заячья
Водные объекты Минерализация, М, мг/л Содержание ионов, мг/л
К+ Мя2+ Са2+ С1- эо42- нсо3-
Среднетаежные ландшафты в верхнем течении р. Заячья
Мочажины верховых и переходных болот 3,5—15,1 0,5—0,7 0,3—0,6 0,1—0,7 0,2—0,7 2,0—7,9 0,01 0,1—0,2 0
Ручьи элементарных водосборов 14,8—136 0,8—1,2 0,5—0,9 1,0—8,5 2,0—21,2 2,0—6,6 0,01—0,06 3,5—11,0 0—91,5
Верховья р. Заячья 109 1,0 0,4 6,5 16,1 3,3 0,06 3,8 77,8
Агроландшафты в среднем течении р. Заячья
Малые реки элементарных водосборов 247—314 1,7—3,3 0,8—1,8 30,4—39,0 16,2—31,0 2,3—12,5 0,10—0,21 4,3—14,4 183—229
Среднее течение р. Заячья 296 1,9 1,3 25,7 35,4 4,9 0,20 4,0 223
Рис. 1. Ионный состав (С) и минерализация (М) ручейковых и речных вод элементарных водосборов в ландшафтах средней тайги: а — естественные ландшафты в верхнем течении р. Заячья; б — аг-роландшафты в среднем и нижнем течении р. Заячья. На гистограммах показана минерализация вод супераквальных ландшафтов в мочажинах притеррасных понижений (т. 26) и старичных озерках (т. 32)
почв атмосферными осадками; 3) увеличению содержания Са2+, появлению гидрокарбонатов (повышение щелочности до 1,3—1,5 мг-экв/л, в отличие от ее нулевых значений на верховых болотах) и смене типа вод на гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевый.
Роль литогенного фактора увеличивается на водосборных бассейнах моренно-озерно-ледниковых равнин левобережья р. Заячья при уменьшении мощности четвертичного чехла и близком залегании пермских мергелей, выклинивании отложений легкого гранулометрического состава в нижних звеньях катен, выщелачивании карбонатов из моренных суглинков и возрастании рН и минерализации грунтовых вод. В зависимости от мощности супесчаного чехла, близости водоупора и глубины стояния верховодки автономные позиции в катенах занимают гидросерии сопряженных элементарных ландшафтов Н—Fe-класса с елово-сосновыми зеленомошными, чернично-дол-гомошными и сфагновыми лесами на торфянисто-подзолистых поверхностно- и контактно-глеевых почвах. Они сопрягаются с супераквальными ландшафтами приболотий и переходных березово-сосно-во-осоково-сфагновых болот (Н—Fe-класс) с торфяно-глееземами, где усиливаются процессы детритогенеза, и с аквальными комплексами небольших озерков (с минерализацией 51,6 мг/л), сток из которых осуществляется мелкими ручейками или с потоком грунтовых вод. Для таких катен характерна высокая радиальная и латеральная контрастность щелочно-кислотных условий в почвах, хотя более существенный вклад в их динамику вносят биогенные факторы в связи с фильтрацией насыщенных органическими кислотами вод верховодки: контрастность, как правило, возрастает в сухие годы и сезоны [18].
На переходных болотах минерализация вод (15,1 мг/л) выше, чем на верховых, за счет увеличения содержания Са, Mg, К и С1, что связано с их миграцией из автономных ландшафтов. Очевидно, что переходные болота выступают в роли геохимических ловушек для элементов с высокой миграционной способностью. В то же время при сходстве биологического круговорота с таковым для верховых болот в водах переходных болот отсутствуют гидрокарбонаты. Тенденции изменения рН и ЕЙ здесь противоположны: в олиготрофных центральных частях наблюдается увеличение кислотности (рН 3,3—3,5) и повышение окислительно-восстановительного потенциала (ЕЙ 260— 290 мВ), тогда как в краевых эвтрофных зонах происходит снижение кислотности (рН 5,0—5,5) за счет разгрузки нейтральных и слабощелочных вод, уменьшение ЕЙ до 100—200 мВ и развитие глеевой среды.
Несмотря на различия катенарной структуры элементарных водосборов, к основным факторам, определяющим химический состав вод р. Заячья в верховьях, относятся высокая гидроморфность элементарных ландшафтов, незамкнутость биологического круговорота вследствие ослабления процессов разложения органического вещества и вынос биогенных и биологически активных элементов при кислом и кислом
глеевом выщелачивании. Этим обусловлена низкая минерализация гидрокарбонатно-кальциевых речных вод, обогащенных органическим веществом. В рядах водной миграции к числу очень подвижных мигрантов относятся С1 и 8, легкоподвижных — Са и Mg, инертных — Р и 81.
При оценке вклада водотоков 1-го порядка в формирование выходных потоков имеет значение наличие барьерных зон в нижних звеньях катен. В суперакваль-ных ландшафтах сегментной поймы р. Заячья с еловыми влажнотравными лесами и перегнойно-глеевыми почвами в связи с повышенной трофностью местообитаний, вызванной привносом элементов из верхних звеньев катен, и появлением видов с высокой биогеохимической активностью существуют предпосылки для возникновения латерального фитобарьера. В то же время геохимические ловушки для элементов с высокой миграционной способностью, приуроченные к мочажинам притеррасных понижений, встречаются эпизодически, обладают низкой емкостью и не препятствуют потере элементов с речным стоком.
Катенарная организация и гидрохимические параметры агроландшафтов. Структурно-функциональная организация агроландшафтов определяется совместным действием природных и антропогенных факторов. В среднем и нижнем течении р. Заячья их своеобразие обусловлено положением в осевой части столового плато и формированием катен на гетеролитном субстрате, причем наряду с четвертичными отложениями важную роль играют пермские мергели. Внутренняя неоднородность агроландшафтов, связанная с особенностями морфолитогенной основы и гидрографической сети, усиливается благодаря мозаичности и разнообразию элементарных ландшафтов с разным режимом функционирования. Сельскохозяйственные угодья и залежи, где наблюдаются сукцессионные изменения фитоценозов, соседствуют с сохранившимися вторичными лесными, луговыми и болотными комплексами, образующими экологический каркас [1].
Для слабодренированных автономных ландшафтов Н—Fe-класса верхних звеньев катен на двучленных отложениях (озерно-ледниковые супеси на морене) характерны текстурно-подзолистые иллювиально-же-лезистые контактно-глеевые почвы, не обеспеченные азотом и подвижными формами фосфора и калия (Р2О5 20—30 мг/кг, К2О 20—40 мг/кг, N 0,06—0,09%, на пастбищах 0,11%). До 1990-х гг. эти ландшафты подвергались осушительным и химическим мелиора-циям. С 1990-х гг. основная их часть выведена из севооборота из-за низкой урожайности и занята залежами или частично используется под выпас скота.
Все остальные структурные звенья катен на узких, хорошо дренированных междуречьях, включающие автономные (Н-класс), трансэлювиальные (Н-, Н—Са-и Са-классы) и трансаккумулятивные (Н- и Н—Са-классы) элементарные ландшафты, отведены под пашню (агроценозы на агроземах) или заняты залежами. Усложнение структуры катен связано с усилением механической миграции при распашке и появле-
нием делювиальных шлейфов, налегающих на речные террасы. В супераквальных ландшафтах пойм р. Заячья и ее крупных притоков распространены сероольша-ники и осоковые болота на аллювиальных пере-гнойно-глеевых почвах, а также мезофитные луга на аллювиальных дерновых почвах.
Литохимическое разнообразие почвообразующих пород и разная степень гидроморфности увеличивают латеральную контрастность обстановок водной миграции химических элементов в катенах малых водосборов в связи с соседством элементарных ландшафтов H—Fe-, H-, H—Ca-, Ca- и Ca—Fe-классов. К числу природных факторов, влияющих на формирование ионного стока вод, относится карбонатность субстрата. По сравнению с верховьями р. Заячья воды рек 1-го порядка, дренирующих агроландшафты, отличаются повышенным содержанием всех основных ионов (табл. 2, рис. 2) и относятся к гидрокарбонатно-каль-циево-магниевому типу со средней минерализацией (247—314 мг/л). Выявлена тесная взаимосвязь концентрации Mg2+ и Са2+ с содержанием гидрокарбонатов и общей минерализацией (табл. 3). Своеобразная региональная особенность ионного состава этих вод, которая четко проявляется в летнюю межень, — преобладание магния (30—39 мг/л) над кальцием (16—31 мг/л), что связано с активным выщелачиванием магния из мергелей и почв. Подтверждением служит специфическая магнезиальность почвенного поглощающего комплекса (содержание магния больше, чем кальция) у почв столового плато, унаследованная от состава мергелей [8].
В пределах плато вклад элементарных водосборов в трансформацию ионного состава вод р. Заячья отчетливо прослеживается по увеличению содержания магния, кальция и гидрокарбонатов в 4, 2 и 3 раза соответственно по сравнению с верховьем. Воды реки также приобретают гидрокарбонатно-кальциево-маг-
ниевый состав, сохраняющийся вниз по течению до узла слияния с р. Кокшеньга, воды которой гидро-карбонатно-кальциевые. Одна из причин повышенной жесткости вод (до 7,5—8,2 мг-экв/л в период межени) — смыв при распашке маломощных почв со склонов, сложенных мергелями, особенно при отсутствии террасы, выполняющей функцию буфера.
Другое указание на важную роль литогенного фактора в формировании химического состава водных потоков столового плато заключается в увеличении в водах р. Заячья и ее притоков 1-го порядка содержания такого подвижного мигранта, как фтор (табл. 2), поступающего, очевидно, из тех же карбонатных пермских пород, при образовании которых происходило его осаждение на щелочном барьере. Тенденция к увеличению концентрации этого элемента в водах элементарных водосборов в сухой период летней межени (0,10—0,21 мг/л) объясняется переходом рек на питание подземными водами, содержащими фтор в количестве от 0,12 до 0,22 мг/л, которые разгружаются у подножий сложенных мергелями придолинных склонов. По этому показателю речные воды в среднем течении р. Заячья резко отличаются от верховий (0,01— 0,06 мг/л), что отражает высокую вариабельность содержания фтора в бассейне р. Заячья (коэффициент вариации Су > 70%) [3]. Это иллюстрирует контрастность ландшафтно-геохимических условий и разное соотношение биогенного и литогенного факторов при формировании состава речных вод.
Закономерности водной миграции химических элементов в среднем течении р. Заячья определяются не только природными, но и антропогенными факторами. Так, существует достоверная связь между минерализацией и содержанием ионов №+ (табл. 3), что, по-видимому, обусловлено его поступлением с хозяйственно-бытовыми стоками. Максимальное содержание натрия зафиксировано в колодцах (4,6 мг/л и бо-
Таблица 3
Значения коэффициента корреляции между минерализацией и содержанием компонентов ионного состава в водах ландшафтов бассейна
р. Заячья*
Компонент M Na K Mg Ca Cl F SO4 HCO3
M 1,00
Na 0,73 1,00
K -0,07 -0,13 1,00
Mg 0,95 0,67 0,00 1,00
Ca 0,77 0,57 -0,22 0,55 1,00
Cl 0,12 0,09 0,46 0,23 -0,07 1,00
F 0,92 0,61 0,04 0,86 0,71 0,24 1,00
so4 0,42 0,63 -0,25 0,23 0,66 -0,09 0,36 1,00
HCO3 0,99 0,71 -0,07 0,96 0,75 0,09 0,91 0,37 1,00
* Без учета вод супераквальных ландшафтов поймы р. Заячья (т. 26 и 32). Уровень статистической значимости р < 0,01. Полужирным выделена значимая корреляция.
М, мг/л
М§2+, мг/я
М, мгД
НС03, мг/л
Рис. 2. Зависимость содержания кальция, магния и гидрокарбонатов в водах ландшафтов бассейна р. Заячья от их минерализации (М). Элементарные водосборы с преобладанием: 1 — лесо-болотных катен в краевой зоне структурного плато; 2 — агроландшафтов в осевой части структурного плато
лее) и ручьях, в бассейнах которых расположены населенные пункты и животноводческие фермы (2,7— 3,3 мг/л). Косвенно участие антропогенных источников подтверждается увеличением концентрации хло-
ридов в этих водотоках (6,6—12,5 мг/л), которая в 3—6 раз превышает таковую в ручьях среднетаеж-ных ландшафтов в верховьях р. Заячья. По данным за 1994—2000 гг., когда степень распаханности агро-ландшафта была выше, чем в 2009 г., содержание хлоридов в водах притоков р. Заячья сильно варьировало по сезонам и зависело от степени распаханности водосбора. Так, в водах малой реки с лесистостью водосбора 47% при наличии действующей животноводческой фермы оно изменялось от 14 до 39 мг/л, тогда как в малой реке с лесистостью водосбора 76% и преобладанием залежей содержание хлоридов было почти в 2 раза ниже и изменялось в более узком интервале (8—18 мг/л).
Отметим, что диапазоны вариации концентрации кальция в перечисленных водотоках за тот же период были практически одинаковы, что, скорее всего, указывает на иной, более устойчивый основной источник его поступления, а именно на грунтовые воды, разгружающиеся из пластов коренных пород. В то же время достаточно высокая вариабельность содержания хлоридов в ручьях столового плато (Су = 64^65%) не исключает важной роли природных источников их поступления, в том числе подтока щелочных вод с повышенной минерализацией из водоносного комплекса сухонской свиты с высоким содержанием хлоридов, которое, по данным анализа ионного состава вод буровых скважин, может достигать 46—159 мг/л.
Наряду с натрием в водотоках элементарных водосборов отмечено повышение концентрации калия (табл. 2), что приводит к увеличению его содержания в водах р. Заячья в 3,6 раза по сравнению с верховьями. В агроландшафтах это связано с применением удобрений, хотя нельзя полностью исключить влияние литогенного фактора, поскольку в пестроцветных пермских толщах присутствуют песчаники с признаками окремнения, а четвертичные отложения содержат включения их обломков и кремней, т.е. пород, в которых содержание калия выше кларка. Главную роль литогенный фактор может играть для малых водосборов с доминированием элементарных ландшафтов, формирующихся на морене и породах сухонской свиты. В сухом остатке подземных вод, где преобладают оксиды Са, Mg (20—50%) и 81 (3—40%), доля оксидов К и № гораздо выше (1,5—3%), чем других элементов.
Трансформация состава речных вод прослеживается и в отношении слабоподвижных анионогенных элементов Р и 81, для которых характерна высокая вариабельность содержания растворенных форм [3], особенно для Рмин (Су > 80%), а также увеличение содержания в водах р. Заячья вниз по течению в 1,4—2,2 раза.
В целом при формировании миграционных потоков биогенных и биологически активных элементов в агроландшафтах плато влияние антропогенных факторов сводится к двум аспектам: 1) появлению при внесении удобрений новых источников поступления химических элементов, включению их в водную миграцию и потерям с ионным стоком; 2) активизации
механогенеза при распашке, перераспределению химических элементов в катенах с накоплением в нижних звеньях и увеличению стока твердых веществ, индикатор изменения которого — состав наилков в руслах водотоков. По сравнению с лесными ландшафтами содержание фосфора в донных отложениях ручьев увеличивается в 5 раз.
При изучении закономерностей водной миграции необходим учет концентрационных функций барьерных зон, влияющих на ионный сток. Локализация барьерных зон зависит от катенарной структуры элементарных водосборов, контрастности обстановок водной миграции, интенсивности детритогенеза и биогеохимической активности естественных фитоценозов, особенно в замыкающих створах каскадных ланд-шафтно-геохимических систем водотоков 1-го порядка. В агроландшафтах столового плато линейно ориентированные латеральные фитобарьеры приурочены к: 1) супераквальным ландшафтам днищ долин мелких речек, занятым крупнотравными лугами с участием зонтичных, активно поглощающих К и С1; 2) делювиальным конусам на пойме р. Заячья, где выходят жесткие грунтовые воды, а перехвату растворенных элементов способствуют высокая биогеохимическая активность таволги вязолистной и радиальные барьеры в перегнойно-глеевых почвах; 3) неглубоким старичным понижениям с осоковыми лугами, где застой вод стимулирует усиление детритогенеза и накопление мортмасс.
Морфологические изменения долины р. Заячья в среднем течении и в устьевой части заключаются в усложнении структуры поймы. Наряду с современным хорошо выявляется старый пояс меандрирования, индицируемый по старицам в притеррасных понижениях. Такие аквальные комплексы представляют собой аккумуляторы, задерживающие вынос биогенных и биологически активных элементов с водным стоком. Емкость этих геохимических ловушек значительно выше, чем в верховьях р. Заячья. Особенно это проявляется в старичных озерках в узле слияния рек Заячья и Кокшеньга (рис. 3), где скапливаются солоноватые (с минерализацией более 2 г/л) сульфатно-кальциевые воды с высоким содержанием С1 (197,6 мг/л), № (169,1 мг/л), Mg (82,8 мг/л) и Рмин (0,06 мг/л). Исключение составляет 81, содержание которого здесь оказалось минимальным (0,18 мг/л) по сравнению со всеми водами бассейна р. Заячья, в том числе верховыми болотами, что, очевидно, связано с его иммобилизацией на кольцеобразном фитобарьере, состоящем из зарослей гидрофитов с кремниевым скелетом. Одной из причин резкого повышения концентрации сульфатов (1766 мг/л) может быть влияние загипсованных красноцветных пермских пород нижнеустьинской свиты в устье р. Заячья. В краевых частях застойных водоемов в анаэробной среде при высоком содержании органического вещества в воде происходит частичное восстановление сульфатов, о чем свидетельствует запах сероводорода (Н28), и создаются условия для возникновения сульфидного барьера.
■ т. 26 □ т. 32
Рис. 3. Соотношение содержания главных ионов (мг-экв/л) в водах супераквальных ландшафтов поймы р. Заячья в мочажинах притеррасных понижений в верхнем течении (т. 26) и старичных озерках в нижнем течении (т. 32)
Разнообразие и внутренняя неоднородность барьерных зон, обусловленная функционированием пространственно локализованных латеральных биогеохимических и физико-химических барьеров в сочетании с геохимическими ловушками для активных водных мигрантов, характеризуют контрастность ландшафт-но-геохимической обстановки в среднем и нижнем течении р. Заячья и ее отличие от среднетаежных ландшафтов верховий.
Выводы:
— ландшафтно-геохимическая контрастность бассейнов малых рек как каскадных мезоарен отражает внутреннюю неоднородность их структурно-функциональной организации, которая заключается в пространственной изменчивости катенарной структуры элементарных водосборов и определяет направленность гидрохимической трансформации выходных латеральных потоков. В среднетаежных ландшафтах столового плато наибольшей контрастностью по условиям формирования ионного стока отличаются заболоченные водосборы в краевой зоне структурного плато, где преобладают лесо-болотные катены, и его хорошо дренированной осевой части, где преобладают кате-ны с участием агроландшафтов;
— в лесо-болотных катенах основной фактор, определяющий ионный состав речных вод, — биологический круговорот. На локальном внутрикатенарном уровне роль литогенного фактора косвенно проявляется посредством влияния гетеролитного субстрата на степень гидроморфности элементарных ландшафтов, их продуктивность, обстановку водной миграции и интенсивность выщелачивания. В катенах приподнятой части столового плато ведущее значение приобретают литогеохимическая специализация карбонатного субстрата и антропогенные факторы, что сопровождается изменением гидрохимических параметров элементарных водосборов и трансформацией
ионного состава речных вод (ростом минерализации и содержания основных ионов) в нижних звеньях каскадной бассейновой геосистемы;
— различие катенарной организации ландшафтов в разных частях столового плато отражается на специфике формирования барьерных зон, корректирующих вовлечение химических элементов в водную миграцию и передачу импульса воздействия водосборов 1-го порядка на интегрирующий водный поток. Возможность накопления растворенных форм химиче-
ских элементов в мочажинах супераквальных комплексов лесо-болотных катен ниже, чем в староречных понижениях агроландшафтов, где происходит накопление С1, Э04, М§, Са, Б и Рмин, однако незначительная доля последних в структуре катен и увеличение интенсивности водной миграции химических элементов вниз по течению способствуют потере биогенных и биологически активных элементов с ионным стоком в речных бассейнах среднетаежных ландшафтов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авессаломова И.А. Геохимическая организация и современное состояние агроландшафтов юга Архангельской области // Мат-лы Междунар. научно-практ. конф. «Поч-венно-земельные ресурсы: оценка, устойчивое использование, геоинформационное обеспечение». Минск: Изд. центр БГУ, 2012. С. 157—159.
2. Авессаломова И.А. Катенарная геохимическая организация таежных ландшафтов Восточно-Европейской равнины // Геохимия ландшафтов и география почв. М.: АПР, 2012. С. 97—117.
3. Авессаломова И.А., Дьяконов К.Н., Савенко А.В. Геохимические ловушки на пути водной миграции анионоген-ных элементов (на примере таежных ландшафтов Восточно-Европейской равнины) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2012. № 1. С. 29—35.
4. Антипов А.Н., Федоров В.Н. Ландшафтно-гидроло-гическая организация территории. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000.
5. Асеева Е.Н., Касимов Н.С., Крооненберг С.Б. Бассейновая организация ландшафтно-геохимических систем // География, общество, окружающая среда. Т. 2. Функционирование и современное состояние ландшафтов. М.: Изд. дом «Городец», 2004. С. 489—499.
6. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008.
7. Вернадский В.И. История минералов земной коры. Т. 2. История природных вод // Избранные сочинения. Т. 4, кн. 2. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 5—536.
8. Гаврилова И.П., Горбунова И.А. Особенности текстурно-подзолистых иллювиально-железистых почв Архангельской учебно-научной станции МГУ // Геохимия ландшафтов и география почв. Смоленск: Ойкумена, 2002. С. 242—268.
9. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов. М., 2007.
10. Дьяконов К.Н. К вопросу о критериях целостности разомкнутых геосистем // Вопр. географии. Сб. 104. М.: Мысль, 1977. С. 124—128.
11. Касимов Н.С., Герасимова М.И., Богданова М.Д., Гаврилова И.П. Ландшафтно-геохимические катены: концепция и картографирование // Геохимия ландшафтов и география почв. М.: АПР, 2012. С. 59—80.
12. Корытный Л.М. Бассейновая концепция в природопользовании. Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2001.
13. Лукашев В.К. Геохимические индикаторы процессов гипергенеза и осадкообразования. Минск: Наука и техника, 1972.
14. Оношко М.П., Веремчук С.Н. Геохимическая связь в системе «водосбор—пойма» // Мат-лы Междунар. науч. конф. «Современные проблемы геохимии, геологии и поисков месторождений полезных ископаемых». Минск: Изд. центр БГУ, 2007. С. 54—55.
15. Ретеюм А.Ю. О геокомплексах с односторонним системообразующим потоком вещества и энергии // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1971. № 5. С. 122—128.
16. Симонов Ю.Г., Кружалин В.И. Речные бассейны // Динамическая геоморфология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. С. 237—264.
17. Хорошев А.В. Пространственная структура ландшафта как функция блокового строения территории // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2003. № 1. С. 9—14.
18. Хорошев А.В., Прозоров А.А. Динамика щелочно-кислотных условий в почвах среднетаежных ландшафтов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2000. № 1. С. 50—55.
19. Chorley R.Y., Kennedy B.A. Physical geography: a system approach. L.: Prentice-Hall Int., 1971.
20. Likens G.E., Bormann F.H. Biogeochemistry of a forested ecosystem. N.Y.: Springer-Vferlag, 1995.
Поступила в редакцию 15.01.2013
I.A. Avessalomova, A.V. Savenko, A.V. Khoroshev
LANDSCAPE-GEOCHEMICAL CONTRASTS OF THE MIDDLE TAIGA RIVER BASINS AS A FACTOR OF THE ION DISCHARGE FORMATION
The necessity to consider the internal inhomogeneity of river basins for studying factors of the ion discharge formation is discussed. Diversity of hydrochemical parameters of surface waters was revealed relative to the catenary organization of elementary water catchments in the middle taiga subzone. Transformation of the ion composition of river water was found to be interrelated with the landscape-geo-chemical contrasts of cascade geosystems.
Key words: catenary organization, landscape-geochemical contrasts, biogeochemical inhomogeneity, hydrochemical parameters, lateral flows, ion discharge.
