CC BY
47
ПРИРОДА И ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.7
М. Г. Аветисян, Т. Э. Погосян
О ВОДНО-МИГРАЦИОННОМ ПОТОКЕ МАКРОКОМПОНЕНТОВ В АРАГАЦСКОМ ГОРНОМ МАССИВЕ
Актуальность темы обусловлена увеличением антропогенных негативных воздействий на окружающую природную среду за последние десятилетия, что привело к существенным изменениям структуры и функционирования экосистем.
В настоящее время в ряде горных массивов Армении экологическое напряжение горно-луговых экосистем достигло таких пределов, что они находятся на грани разрушения. В этих условиях скорость естественного восстановления почвенного плодородия значительно меньше, чем потери питательных веществ, что приводит к падению продуктивности горно-луговых экосистем, разрушению дернового горизонта и развитию эрозии почв. Поэтому изучение и оценка современного состояния и качественного состава водно-миграционного потока веществ является важной задачей.
Целью данной работы было исследование особенностей водно-миграционного потока макрокомпонентов в экосистеме Арагацского горного массива. Для достижения поставленной цели изучалась миграция биогенных элементов в системе атмосферные осадки—почва—инфильтрационные воды в лугостепном и альпийском поясах Арагацского массива. Был применён лизиметрический метод, который даёт информацию о величине почвенного потока, о химическом составе и миграции элементов почвенных вод.
Исследования проводились в одном из сложных в экологическом плане физико-географических субрегионов республики — в альпийском (3250 м над уровнем моря) и лугостепном (2085 м над уровнем моря) поясах Арагацского массива.
По результатам исследований рассматривалось своеобразие процессов миграции макрокомпонентов. Были установлены высокие содержания макрокомпонентов в исследуемых объектах лугостепного пояса. Показано, что интенсивность миграции биогенных элементов в лугостепном поясе выше, чем в альпийском поясе. Согласно результатам исследования, водно-миграционный поток элементов по вертикальной поясности Арагацского массива подчиняется закономерностям, которые связаны с процессами миграции химических элементов в биогеохимических циклах. Природа изменения биогеохимических циклов обусловлена миграцией элементов и изменением их концентраций в почве, растительности и природных водах.
Полученные результаты дают представление о выщелачивании важнейших питательных элементов из разного типа почв и позволяют полнее расшифровать их миграционную способность, что особенно необходимо для контроля над состоянием природной среды и формирования прогностических оценок.
Ключевые слова: водно-миграционный поток; выщелачивание макрокомпонентов; лизиметры; инфильтрационные воды; трансформация веществ; биогенные элементы.
Исследования последних лет состава водно-миграционных потоков веществ в горных экосистемах показали, что в результате изменения климатических процессов и антропогенного воздействия происходят нарушения миграции биогенных элементов в экосистеме.
Трансформация достаточно чётко проявляется, прежде всего, в изменении элементного состава не только водно-миграционных потоков, но и почвы, растительности.
Исследование трансформации состава природных вод, начиная с атмосферных осадков до инфильтрационного потока, которое проводится при процессе взаимодействии компонентов экосистемы, имеет большое значение и необходимость. Причём особое место занимают почвенные растворы. Известно, что при непосредственном участии почвенных вод происходят все основные процессы почвообразования и выветривания, формирование состава инфильтрационных вод, поскольку атмосферные осадки транзитным миграционным потоком проходят этап трансформации на границе почвенного профиля. Для исследования инфильтрационного потока веществ широкое применение получил лизиметрический метод, позволяющий изучить химический состав и динамику лизиметрических вод.
Одним из факторов, определяющих вынос биогенных веществ, является вну-трипочвенный сток. Его изучение лизиметрическим методом является одним из важнейших информативных источников при комплексных ландшафтно-биогеохи-мических исследованиях состояния и функционирования горных экосистем. Лизиметрические растворы, характеризующие вертикальную миграцию потока веществ, не только частично отражают биогеохимическую цикличность, но и дают прямую информацию о геохимической специфике и функционировании экосистем [4].
В статье оцениваются водно-миграционные изменения биогенных элементов. Из источников поступления биогенных элементов рассматриваются атмосферные осадки, которые стекают в виде талых и дождевых вод.
В целях исследования водно-миграционного потока макрокомпонентов в альпийском и лугостепном поясах Арагацского горного массива нами была изучена особенность миграции биогенных элементов с учётом их поступления с атмосферными осадками, распределения и выщелачивания в инфильтрационные воды.
Миграция химических веществ, связанная с водным потоком, выщелачивает значительную массу веществ [3]. В связи с водным потоком особенно существенна межэкосистемная миграция тех веществ, которые в значительном количестве выщелачиваются и используются другими экосистемами [7]. С этих позиций актуальным является изучение миграции макрокомпонентов в системе атмосферные осадки — почва — инфильтрационные воды для горных экосистем Арагацского массива по вертикальной поясности, что позволит дать характеристику миграционных процессов. Данная система обеспечивает внутрипочвенные связи между компонентами экосистемы и отток веществ из неё.
Исследования проводились в альпийском (3250 м над уровнем моря) и лугостепном (2085 м над уровнем моря) поясах Арагацского горного массива.
В статье обсуждаются средние значения результатов исследований за 2011-2013 гг.
В альпийской зоне почвы представлены горно-луговыми дерновыми, а в лугостеп-ном — лугово-степными типами. Отбор и анализ проб почв выполнены по общепринятым методам ландшафтно-геохимических и агрохимических исследований [2; 9].
Сбор атмосферных осадков и лизиметрических вод проводился в указанных поясах на метеостанциях Арагац (3250 м над уровнем моря) и Амберд (2085 м над уровнем моря).
Изучение вертикального почвенного стока проводилось лизиметрическим методом, который позволяет оценить потери питательных веществ вследствие выщелачивания в условиях, близких к природным [8]. Плоско врезанные лизиметры были установлены в почву на глубине 0-10 см и 0-50 см почвенного слоя, при этом в наименьшей степени деформируя строение и сложение почвы.
Первым этапом аналитической обработки проб вод было разделение твёрдой и жидкой составляющих фаз раствора. Определение макрокомпонентов всех проб воды выполнялось по стандартным гидрохимическим методикам [1; 6].
Атмосферные осадки, являясь компонентом экосистемы и обладая биогеохимической активностью, способны переносить различные вещества в почву, растения и инфильтрационные воды.
Формирование химического состава атмосферных осадков Арагацского горного массива определяется характером региональных процессов перемещения воздушных масс, поскольку в зависимости от географического положения региона, здесь характерны контрастные сезонные изменения атмосферы, где в зимне-летний период преобладают воздушные массы.
Проведённые исследования за 2011-2013 г.г. в альпийском и лугостепном поясах Арагацского горного массива выявили поступление большого количества гидрокарбонатов и сульфатов в составе с атмосферными осадками. Так, в альпийском поясе (при рН — 7.3 в осадках) их содержание составило соответственно: 146.2 и 45.1кг/га (рис. 1, А), а в лугостепном (при рН — 7.4 в осадках) — 129.6 и 62.9 кг/га (рис. 1, Б). Основными питательными веществами, поступающие с атмосферными осадками на изучаемую территорию, являлись КН4+, №3", НР°42- и К+. При подсчёте поступления химических веществ на Арагацский горный массив, нами учитывались количества атмосферных осадков, выпадающих в течение года.
Формирование элементного состава атмосферных осадков в тёплое время года связано, в основном, с активацией ландшафтно-геохимических процессов, когда резко возрастает влияние биогенных факторов. В зимний период формирование элементного состава осадков происходит при однотипных эколого-биогеохимических условиях, так как в условиях низкой температуры многие процессы жизнедеятельности экосистемы протекают с более низкой интенсивностью, чем летом. рН атмосферных осадков высокогорных экосистем ниже, чем в среднегорных, что может быть связано с тем, что в высокогорных экосистемах пыли сравнительно мало, что и способствует определённому повышению кислотности осадков. Причём, нельзя исключить роль некоторых локальных факторов в сильно подверженных антропогенному загрязнению среднегорных экосистем, так как некоторые из них способствуют определённой нейтрализации рН атмосферных осадков.
Было установлено, что с годами содержание химических веществ в атмосферных осадках увеличивается, а также возрастает и степень минерализации. По средним содержаниям катионы и анионы макрокомпонентов в составе атмосферных осадков расположились в рядах в следующем убывающем порядке (мг/л): в лугостепном поясе Арагацского массива (на высоте 2085 м над уровнем моря) — Ca2+(25 7)>Mg2+(7 >К+ >Ш+(64) и 8042"(1197)>НС03"(28 8)>С1"(163) а в альпийском поясе (на высоте 3250 м
над уровнем м°ря) — Са2+(15.7)>^2+(5.9)>К+(9.2)Жа+(4.7) и 8°42-(26.7)>НС°3-(19.3)>С1-(8.8).
(Б)
Поступление макрокомпонентов с атмосферными осадками □ Выщелачивание макрокомпонентов лизиметрическими водами
Рис. 1. Средние значения поступления и выщелачивания макрокомпонентов в альпийском (А) и лугостепном (Б) поясах Арагацского горного массива (кг/га)
Несмотря на то, что в обоих поясах катионы и анионы расположились одинаково в убывающих рядах, однако, по сравнению с альпийским поясом в лугостепном наблюдаются высокие содержания химических веществ, что может быть связано с высокой загрязнённостью воздуха данного пояса.
По нашим исследованиям содержание гумуса в лугово-степных почвах колеблется в пределах 5-10 %, а общего азота — 0,2-0,5 %. Для горно-луговых дерновых почв альпийского пояса характерно высокое содержание гумуса (8-12 %), валового фосфора (0,2-0,4 %) и азота (0,3-0,8 %), а по содержанию валового и подвижного калия, эти почвы намного уступают лугово-степным почвам лугостепного пояса. От лугово-степных к горно-луговым почвам повышается содержание гумуса, валового азота, фосфора и кислотность почвы, содержание же калия уменьшается.
Известно, что антропогенные факторы оказывают активное воздействие на почвенный покров. В почве происходит распределение потока веществ поступающих из атмосферы между растительностью и грунтовыми водами. Интенсивность поступления химических элементов в миграционные потоки, в большинстве случаев, зависит от агрохимических показателей почв, от форм соединений химических элементов, от воздействия водного фактора на вертикальную миграцию элементов, от степени ионного обмена и т. д. [3].
Водная миграция в почве и количественное определение выщелачиваемых химических элементов из почвы — важнейшее звено ёмкости биогеохимического потока.
Первоначально атмосферные осадки проходят через слой опада и подстилки на почвенный покров, где происходят высвобождение минеральных компонентов и растворимого органического вещества, а также формирование гумусовых и органических соединений в результате биохимических процессов минерализации и выщелачивания. В лизиметрических растворах подстилки, по сравнению с дождевыми осадками, возрастает суммарная минерализация, главным образом, за счёт увеличения концентрации биогенных элементов — калия, кальция, магния, фосфора, поступление которых в растворы связано с трансформацией биомассы опада и подстилки [5].
Известно, что если атмосферные осадки имеют кислую реакцию, то за счёт растворения почвенных солей и катионного обмена инфильтрационные воды обогащаются химическими веществами. При щелочной реакции может произойти обратный процесс — потеря химических веществ из почвенного раствора и их накопление в почвенном поглощающем комплексе [3].
Исследование водной миграции химических элементов в почвах альпийского и лугостепного поясов показало, что лизиметрические воды, по средним содержаниям химических веществ, колеблются в широких пределах (табл. 1).
По химическому составу лизиметрические воды почв лугостепного пояса различаются высокой концентрацией химических элементов и высокой степенью минерализации, что объясняется более активными темпами процессов разложения и минерализации опада данного пояса (табл. 1). По данным таблицы, лизиметрические воды почв альпийского пояса на глубине 0-50 см имеют низкий показатель рН и сравнительно низкое содержание химических веществ.
Как видно, лизиметрические воды почв обоих поясов характеризуются высокими содержаниями НС03-, Са2+ и 8042-. Низкое содержание нитратов в лизиметрических водах почв альпийского пояса объясняется низкой нитрификационной способностью почв, что, в основном, обусловлено кислой реакцией и низкой температурой этих почв.
Несмотря на увеличение количества атмосферных осадков с высотой и слоя стока лизиметрических вод из различных горизонтов, вынос макроэлементов с вертикальными миграционными потоками закономерно снижаются, что объясняется инфильтрацией растворов от верхних, органогенных горизонтов к нижним, иллюви-
Таблица 1
Химический состав лизиметрических вод Арагацского горного массива, мг/л
Объект исследования, абсолютная высота рН Са2+ Mg2+ К+ Ш+ Щ,+ 4 N0^ N0^ С1- нсо3- во„2' 4 РО3- 4
Лизиметрические воды (глубина 0-50см) Альпийский пояс (3250 м н. у. м) 5.90 7.82 1.49 1.20 0.23 0.40 0.21 1.68 5.30 14.6 6.85 0.15
Луго-степной пояс (2085 м н. у. м.) 7.40 9.86 3.29 2.69 0.45 1.45 0.20 3.26 12.8 21.20 8.93 0.37
альным, а также увеличением абсолютных высот, по мере перехода от лугостепного пояса к альпийскому [7].
В условиях гумидного климата и горного рельефа одной из важнейших функций горных почв является их регуляторная роль в миграции и ограничении выноса со стоком растворимого органического вещества и биогенных элементов [3]. В почвенном профиле альпийского пояса практически полностью удерживаются наиболее важные биогенные элементы — азот, фосфор, вынос калия и кальция — несколько больше.
Поступление сульфатов и хлоридов в лизиметрические растворы связано, в основном, с атмосферными осадками. Другой источник сульфатов в лизиметрических водах — это их поступление в процессе минерализации, выщелачивания и трансформации органического вещества [7]. Следует отметить, что повышенное содержание сульфатов в лугостепном поясе обусловлено поступлением с аэрозольными выбросами и загрязнением атмосферы диоксидом серы.
Необходимо отметить, что в пределах почвенного профиля не происходит полного закрепления растворимого органического вещества и растворимых форм биогенных элементов. Различия в содержании растворимого органического вещества связаны с особенностями биогеохимической цикличности углерода, которая, в основном, характеризуется объёмом и структурой фитомассы, её продуктивностью, составом растений, разнообразием и активностью микроорганизмов [3]. Эти факторы способствуют, в частности, в лугостепном поясе, созданию слабощелочной реакции. Возможно, что слабощелочная реакция и большее содержание кальция в лизиметрических водах создают более благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, что усиливает их способность полнее разлагать органические остатки.
Обобщая, можно констатировать, что в лугостепной пояс, где почвенный покров представлен, в основном, горными чернозёмами, с атмосферными осадками в почву поступают химические вещества в большем количестве, чем они вымываются из почвы. Количество аммонийного азота (ЫН4+), поступающего с атмосферными осадками в альпийском и лугостепном поясах составляет соответственно: 4,20 и 6,80 кг/га, а его вынос из почвы лизиметрическими водами — 0,75 кг/га и 4,20 кг/га, соответственно (рис. 1). Аналогичные данные получены и для остальных элементов, а в случае нитратов наблюдается обратная картина: их вынос из почвы больше, чем поступление с
осадками. В изучаемых почвах миграция HPO42- слабо выражена, в отличие от нитратов (NO3-), которые не поглощаются почвенными коллоидами и не образуют труднорастворимые соли, следовательно, за счёт высокой подвижности они легко выщелачиваются из корнеобитаемого слоя в грунтовые воды, где и становятся недоступными для растений и, могут быть причиной загрязнения подземных вод.
Исследования показывают, что среди изучаемых элементов сравнительно активнее выражено перемещение Ca2+, Mg2+, SO42- и Cl-.
Исходя из полученных результатов, очевидно, что с увеличением абсолютных высот (альпийский пояс) в составе лизиметрических вод отмечается не снижение, а увеличение растворимых органических соединений, а лизиметрические растворы в почве указанной зоны более кислые и менее минерализованные, чем в почве луго-степной зоны.
Следовательно, лизиметрические растворы, характеризующие вертикальную миграцию потока веществ, не только частично отражают биогеохимическую цикличность, но и дают прямую информацию о геохимической специфике и функционировании экосистем.
Таким образом, сравнение основных миграционных потоков биогенных элементов в экосистеме, начиная с поступления (атмосферные осадки) до их выхода (внутрипочвенный поток) показало, что наибольшая трансформация миграционного потока элементов в экосистеме Арагацского горного массива происходит в лугостепном поясе.
Литература
1. Алекин О. А. Химический анализ вод суши. Л.: Гидромет., 1954. 223 с.
2. АринушкинаЕ. В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
3. Ковда В. А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985. 263 с.
4. Ревазян Р. Г. Биосферология и проблемы охраны окружающей среды. Доклады НАН Армении. Т. 101, № 2. 2001. С. 158-163.
5. Ревазян Р. Г., Сакоян А. Г., Аветисян М. Г. Особенности трансформации биогеохимических циклов на горных лугах альпийского пояса при антропогенном воздействии // Биокосное взаимодействие в природных и антропогенных системах: Матер. IV Междунар. симп. Санкт-Петербург, 2011. С. 500-504.
6. Резников А. А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. Методы анализа природных вод. М.: Госгеолтехиз-дат, 1963. 334 с.
7. Сакоян А. Г., Ревазян Р. Г., Аветисян М. Г., Араратяан Л. А. Особенности межэкосистемных связей в Арагацском горном массиве // Биологический журнал Армении. № 4. Т. 62. 2010. С. 86-93.
8. Шилова Е. И. Применение лизиметрических методов в почвоведении, агрохимии и ландшафтоведе-нии. Л.: Наука, 1972. С. 1-21.
9. Юдин Ф. А. Методика агрохимических исследований. М.: Колос, 1971. 272 с.
Об авторах
Аветисян Мариета Гамлетовна — кандидат географических наук, старший научный сотрудник отдела Биогеохимии, Центр эколого-ноосферных исследований НАН РА, Армения.
E-mail: marieta_0208@mail.ru
Погосян Татевик Эдвардовна — старший лаборант отдела Биогеохимии, Центр эколого-ноосферных исследований НАН РА, Армения. E-mail: tatevikjan91@mail.ru
M. Avetisyan, T. Poghosyan
ABOUT A WATER MIGRATION FLOW OF MACRO COMPONENTS IN THE
ARAGAT'S MOUNTAIN MASSIF
The topic is relevant due to increase of anthropogenic negative impacts on the environment over the past decade, which has led to significant changes in the structure and functioning of ecosystems.
Nowadays a number of mountain ranges in Armenia experience environmental crisis of meadow ecosystems so that they are on the verge of destruction. In these conditions, the rate of natural recovery of soil fertility is significantly less than the loss of nutrients, which leads to a drop in productivity of mountain meadow ecosystems, destruction of the sod horizon and soil erosion. Therefore, the study and evaluation of the current status and quality of water and the migratory flow of substances is an important issue.
The purpose of this article is to study the features of water-migration flows of macro components in the ecosystem of the Aragats massif. The stated goal was achieved through studies of biogenic elements migration in the system of atmospheric precipitation-soil-infiltration waters in meadow-steppe and alpine belts of the Arafat's massif. The lysimetric method was applied and it gave information about the magnitude of the soil flow on the chemical composition and migration of elements of soil water.
The researches were conducted in one of the complicated ecologically physiographic subregions of the republic — in alpine (3250 m a. s. l.) and meadow-steppe (2085 m a. s. l.) belts of the Arafat's massif.
According to the research the originality of migration of macro components was considered. There was revealed a high content of macro components in the investigated objects of meadow-steppe belts. It was shown that the migration intensity of biogenic elements in meadow-steppe belt is higher than in the alpine belt. According to the research the water-migrationflows of elements in an array ofvertical zonation Arafat's obeys the laws that are associated with the processes of migration of chemical elements in biogeochemical cycles. Changes in biogeochemical cycles are caused by the migration of elements and the change of their concentrations in the soil, vegetation and natural waters.
The obtained results give an indication of the most important nutrients leaching from different types of soil and allow better decipher their migration ability, which is especially essential to control the natural environment and the formation of prognostic assessments.
Key words: a water migration flow, leaching of macro components, lysimeters, infiltration waters, transformation of substances, biogenic elements.
About the authors
Dr Marieta Avetisyan, Senior Researcher, Department of Biogeochemistry, Center for Ecological-Noosphere Studies NAS RA, Armenia.
E-mail: marieta_0208@mail.ru
Tatevik Poghosyan, Senior Laborant, Department of Biogeochemistry, Center for Ecological-Noosphere Studies NAS RA, Armenia.
E-mail: tatevikjan91@mail.ru
