Общая характкристика зональных ландшафтов

Глава 5. ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ

ОБЩАЯ ХАРАКТКРИСТИКА ЗОНАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТОВ

В общем виде приуроченность различных геохимических барьеров к почвам зональных ландшафтов показана в таблице, составленной на основании данных М.А. Глазовской и А.И. Перельмана [36, 37]. В ней отчетливо выделяются 4 блока, обозначенных буквами A - D. Блок А соответствует природным обстановкам гумидных ландшафтов умеренной зоны с достаточно обильной растительностью и скоростью разложения растительных остатков, уступающей скорости их накопления (опадо-подстилочный коэффициент в целом превышает 1). На силикатных и алюмосиликатных горных породах в этих условиях формируются ландшафты с кислым классом водной миграции. Окислительные геохимические барьеры развиты преимущественно в элементарных ландшафтах с лучшими условиями водообмена и достаточным дренажем - элювиальных и трансэлювиальных. Глеевые восстановительные барьеры, напротив, тяготеют к депрессиям рельефа и плохим условиям водообмена, т.е. к подчиненным супераквальным ландшафтам с широко развитыми в них гидроморфными почвами. Блок D объединяет природные обстановки аридной и семиаридной климатических зон, где исключительно преобладают ландшафты с нейтральными и щелочными почвами, а грунтовые воды относительно богаты кальцием, местами также натрием, а также обогащены сульфат-ионом SO₄^2-. Это создает предпосылки для широкого развития в условиях элювиальных и трансэлювиальных элементарных ландшафтов щелочных окислительных барьеров, а также почти повсеместно сульфатных, на которых осаждаются слабо растворимые сульфаты Ba, Sr, Pb, Ra, Ca и др. В относительно менее засушливой степной зоне сульфатные барьеры развиты преимущественно в условиях подчиненного супераквального ландшафта [38]. В этих же элементарных геохимических ландшафтах полупустынь и пустынь в солончаках под их соляно-глинистой коркой развивается сульфат-редукция, в результате чего накапливается сероводород и формируется типичный сероводородный (сульфидный) геохимический барьер. В условиях дефицита влаги повсеместным развитием пользуются испарительные барьеры, наиболее обычные в супераквальных ландшафтах. Блоки В и С практически пусты. Это своеобразные «запрещенные» комбинации типичных природных обстановок и геохимических барьеров. В самом деле, кислая обстановка в природных условиях степей и пустынь встречается только в специфических ландшафтах, связанных с зонами окисления сульфидных руд, где при этом в большом количестве образуется серная кислота. Аналогично происходит и в гумидной зоне (блок С), где задающим рН-условия среды компонентом являются гумусовые кислоты. Нейтральная или слабощелочная обстановки здесь связаны преимущественно с наличием в качестве породообразующих карбонатных или богатых карбонатами горных пород - известняков, мергелей, мраморов, кальцифиров, туфов основного состава и т.п. (табл. 5.1.).

Таблица 5.1.

Основные типы геохимических барьеров в некоторых зональных ландшафтах

Поступающие аэрогенным путем загрязняющие вещества на поверхности почвы и растительности частично задерживаются механическими барьерами (гравитационным, адгезионным, фильтрационным). Прежде всего, это касается веществ, поступающих в составе твердых частиц. Благодаря этому на поверхности почвы при аэрогенном поступлении загрязняющих веществ практически всегда проявляется кумулятивный эффект. Одновременно здесь же происходит и их первичная дифференциация - одна часть техногенных веществ остается на поверхности почвы, другая в растворенном состоянии и в меньшей степени в виде тончайших частиц (лессиваж) переносится вглубь почвы и формирует там их внутрипочвенный поток.

Просочившиеся в почву водные растворы некоторую часть растворенных техногенных веществ теряют в гумусовом горизонте 3, где в различных условиях активно работают сорбционный, биогеохимический, а в некоторых случаях и восстановительный глеевый (супераквальные ландшафты) барьеры (рис. 5.1.). На фильтрационном барьере продолжается осаждение взвешенных частиц. Проникая с водным миграционным потоком 5 вниз в подпочвенные горизонты, загрязняющие вещества при благоприятных условиях могут попасть на новый геохимический барьер 6, где они также будут осаждаться и выпадать из дальнейшей водной миграции. Говорят, что в подобных случаях происходит иммобилизация и захоронение загрязняющих веществ, что, несомненно, является положительным моментом. Так как на рисунке 5.1. барьер 6 располагается ниже корнеобитаемого слоя, накапливающиеся на нем вредные вещества становятся малодоступными растениям, во всяком случае, временно. Оставшиеся в грунтовых водах техногенные вещества с их током фильтруются дальше 7. Часть из них может выйти на поверхность, например, у подножий склонов, в котловинах и т.п. в виде родников, вода которых в таких случаях будет содержать техногенные компоненты, не исключено, что и токсичные 8. Другая часть загрязненных подземных вод может дренироваться местными водотоками, донные отложения которых также будут накапливать на свойственных им геохимических барьерах (прежде всего, сорбционном) те же или другие техногенные вещества 9. Такова общая схема функционирования почвенно-геохимических барьеров в условиях гумидного климата и достаточного дренажа. В аридных условиях, а также в подчиненных супераквальных ландшафтах гумидной зоны эта схема может оказаться иной, более простой или, напротив, более сложной. Уровень загрязнения определяется конкретными условиями: концентрацией вредных веществ в фильтрующихся водах, длительностью развития процесса загрязнения, эффективностью работы геохимических барьеров, в том числе свойственной им емкостью поглощения и т.д. Естественно, при этом как в почвах, так и подстилающих их горных породах могут возникать разнообразные геохимические аномалии [37, 38].

Рис. 5.1. Функционирование геохимических барьеров в почвах

Дерново-подзолистые почвы являются достаточно типичным примером почв южной и средней кислой тайги Западной Сибири, формирующихся на силикатных или алюмосиликатных горных породах, чаще всего различных суглинках. В условиях автономных и трансэлювиальных ландшафтов и хорошего дренажа почвенный воздух содержит свободный кислород, переводящий железо в трехвалентное состояние, а разложение растительных остатков в течение большей части года протекает в аэробных условиях. Идеализированный профиль таких почв представлен на рисунке. В общем случае в его пределах выделяются горизонты:

А₀ - кислая лесная подстилка; А₁ - гумусовый горизонт; А₂ - подзолистый горизонт; В - иллювиальный горизонт; С - почвообразующие породы, в данном примере легкие суглинки.

Поведение в почвах условного химического микроэлемента i (Cu, Zn, Cd и т.п.) показано на графике в правой части рисунка. В условиях естественного развития почвенного процесса на графике распределения i отмечаются два уровня накопления и один уровень выщелачивания и выноса.

Ландшафты Земли чрезвычайно разнообразны как по своему облику (горы, пустыни, тайга и т. п.), так и по сочетанию образующих их природных компонентов. Однако в основе их классификации лежат не эти признаки, а условия и особенности миграции в них химических элементов. В соответствии с этим В.В. Добровольский, ландшафты суши делит на три группы: элювиальные, супераквальные и субаквальные [39].

Элювиальные - ландшафты хорошо дренированных повышенных форм рельефа с относительно глубоким залеганием уровня грунтовых вод, не оказывающих заметного влияния на почвы, растительность и интенсивность биологического круговорота вещества в целом. Вещество и энергия поступают в ландшафт только сверху, из атмосферы. Весьма характерны прямые нисходящие водные связи: из определенных горизонтов элювиальных почв вещество интенсивно вымывается и частично накапливается в нижележащем иллювиальном горизонте почв, а частично с током грунтовых вод мигрирует в боковом направлении, в сторону соседних пониженных форм рельефа, местных депрессий, водотоков, а в целом - в направлении местного базиса эрозии. Полному выносу подвижных в водной среде компонентов препятствует биологический захват химических элементов растениями, в меньшей степени другие процессы - сорбция, поступление извне (из атмосферы, реже в результате капиллярного и пленочного подъема снизу).

Супераквальные (надводные) ландшафты приурочены к местным понижениям рельефа, для них характерно близкое залегание уровня грунтовых вод и их отчетливое влияние на почвы и растительность. Почвы нередко переувлажнены (гидроморфные), с дефицитом кислорода (глеевая восстановительная обстановка) и замедленными процессами микробиологического разложения органического вещества (накопление торфа). С грунтовыми и поверхностными водами в супераквальный ландшафт регулярно поступают растворимые в воде минеральные и органические вещества, вымываемые из почв и кор выветривания водоразделов (элювиальных ландшафтов).

Субаквальные (подводные) ландшафты формируются на дне водоемов - озер, рек, водохранилищ. Для них характерен интенсивный боковой привнос растворенного и взвешенного в виде механических частиц вещества и его аккумуляция на дне в виде ила. Сюда же попадают остатки планктона и бентоса, обогащая илы органическим веществом. Субаквальные ландшафты - конечные звенья местных миграционных потоков вещества. Их геохимический облик во многом определяется особенностями состава почв и горных пород, типичных для водораздельных пространств. В условиях техногенеза субаквальные ландшафты - самое уязвимое звено ландшафтно-геохимических систем, куда поступают и где накапливаются мигрирующие с водоразделов и склонов долин и котловин многие загрязняющие вещества [39].

Трансэлювиальные ландшафты - это ландшафты склонов, сочетающие признаки как элювиальных, так и супераквальных ландшафтов. Их конкретный геохимический облик зависит как от зональных географических факторов, так и от местных (крутизна склона, его профиль, положение относительно водораздела - подножья склона и т. п.). Общей геохимической особенностью трансэлювиальных ландшафтов является транзит через них значительных объемов вещества от водоразделов к депрессиям рельефа. В нижней части склонов, там, где плоскостной смыв уступает место аккумуляции обломочного материала транспортирующими склоновыми водными потоками, транэлювиальные ландшафты переходят в трансэлювиально-аккумулятивные (элювиально-аккумулятивные). Супераквальные, субаквальные и трансэлювиальные ландшафты имеют одну общую характерную для них особенность - боковое поступление вещества из элювиальных ландшафтов местного водораздела. Этот процесс может быть настолько интенсивным, что указанные ландшафты теряют свое «лицо», оказываются геохимически подчинены ландшафтам водоразделов. В соответствии с этим обычно выделяют ландшафты автономные (в нашем случае это ландшафты элювиальные) и подчиненные (супераквальные, субаквальные, трансэлювиальные и трансэлювиально-аккумулятивные). Исходя из автономности элювиальных ландшафтов, их геохимического доминирования над подчиненными ландшафтами, их почвы и биоценоз обычно рассматривают в качестве центра геохимического ландшафта.

Рассмотренные группы ландшафтов не могут существовать каждая по себе, отдельно от других, водораздел вне пространственной связи с депрессией рельефа, склон вне связи с водоразделом. Геоморфологически они сопряжены, сопровождают друг друга. В соответствии с этим о них говорят, как об элементарных геохимических ландшафтах, своеобразных «атомах» ландшафта (в терминологии М.А. Глазовской это элементарные ландшафтно-геохимические системы - ЭЛГС). Элементарные геохимические ландшафты, связанные общими латеральными миграционными потоками вещества, направленными от водоразделов к местным депрессиям рельефа, образуют серии элементарных ландшафтов, которые М.А. Глазовская называет каскадными ландшафтно-геохимическими системами (катенами), а А.И.Перельман вслед за В.В. Добровольским - геохимическими ландшафтами [36, 37, 39].

Первый сверху уровень накопления приурочен к почвенным горизонтам А₀ и А₁ и обусловлен проявлением в их пределах нескольких геохимических барьеров. Так, в горизонте А₀ в условиях кислой среды развиты биогеохимический и сорбционный барьеры. Лучше выражен и имеет большую емкость поглощения сорбционный барьер в горизонте А₁, где основными сорбентами металлов являются гумусовое вещество и глинистые минералы.

Фактически в горизонтах А₀ и А₁ действует комплексный геохимический барьер, на котором могут накапливаться Pb, As, Se, Mo, в меньшей степени Mn, V, Ni, Co, Cr, Cu и некоторые другие химические элементы. В летние месяцы при дефиците влаги здесь же может проявиться также окислительный барьер. В условиях промывного режима наиболее легко подвижные химические элементы могут растворяться и выноситься (Cu, Cd, Zn, возможно, Hg).

Рис. 5.2. Строение каскадной ландшафтно-геохимической системы [36]

ТЭ – трансэлювиальный ландшафт, СА – субаквальный ландшафт

Второй уровень накопления приурочен к иллювиальному горизонту В и связан с действием преимущественно высокоемкого сорбционного геохимического барьера, функционирующего в условиях слабокислой окислительной обстановки. В связи с проявлением лессиважа существенное значение может приобретать также механический фильтрационный барьер (в некоторых работах этот барьер называется седиментационным). Комплекс концентрирующихся здесь химических элементов в принципе тот же самый, а уровень их накопления даже на фоновых территориях для некоторых элементов в 1,5 - 2 раза превышает таковой в элювиальном гумусовом горизонте.

Уровень выщелачивания и выноса химических элементов отчетливо приурочен к подзолистому горизонту А₂, где содержание гумуса весьма невелико (доли процента), а минеральные компоненты представлены почти исключительно кварцем и кремнистыми скелетами выщелоченных силикатов и алюмосиликатов.

Аэрогенное поступление в почвы загрязняющих веществ, особенно в условиях промышленного загрязнения и выпадения осадков, обогащенных серной и азотной кислотами, существенно изменяет картину распределения упоминавшихся выше металлов. Во-первых, в верхней части горизонта А₀ происходит интенсивное накопление загрязнителей пылевых выпадений на аэродинамическом седиментационном и фильтрационном механических барьерах. Лесная подстилка в данном случае «работает» подобно обыкновенной фильтровальной бумаге - механически задерживает (фильтрует) взвешенные частицы дождевой и снеготалой воды. Естественно, продолжают функционировать также сорбционный и биогеохимический барьеры. Как видно из рисунка, итог совместного действия указанных барьеров для горизонта А₀ оказывается значительным.

Рис 5.3. Дифференциация химических элементов в профиле дерново-подзолистых элювиальных почв [38]. Концентрация химического элемента: 1. в естественных условиях; 2. в условиях техногенного загрязнения; 3. концентрация в почвообразующих породах; 4. уровень накопления химического элемента в естественных условиях; 5. уровень выщелачивания в естественных условиях; 6. увеличение накопления в условиях техногенного загрязнения; 7. усиление выщелачивания в условиях техногенного загрязнения.

В зависимости от продолжительности и интенсивности развития загрязнения техногенные компоненты в том или ином количестве проникают и в горизонты А₁ и В. На рисунке это отмечено соответствующими «приливами» ранее рассмотренных максимумом естественного накопления элементов на свойственных горизонтам А₁ и В геохимических барьерах. Чем выше миграционная подвижность техногенных элементов, тем больше при прочих равных условиях будут «приливы» техногенного накопления. При этом самые подвижные химические элементы более выраженный «прилив» дадут в горизонте В (например, Zn и Cu) в ущерб их накоплению в горизонте А₁. Относительно малоподвижные (Pb, Cd, Cr и др.), напротив, максимально свое техногенное присутствие проявят в горизонтах А₀ и А₁ на механических барьерах.

Таким образом, как и всегда в подобных случаях, происходит некоторая дифференциация химических элементов в направлении их миграционного потока, что создает условия для развития зональности отложения. В реальных условиях в почвах этот процесс значительно усложняется, и элементы такой зональности намечаются только в городских сильно загрязненных почвах с подавленной ролью биологических факторов миграции [38].

Абсолютный минимум концентраций техногенных компонентов связан с горизонтом А2. Причем вместо ожидающегося увеличения их концентрации в условиях техногенного загрязнения нередко отмечается обратное - уменьшение и без того низких в горизонте А2 концентраций. Причина этого, по-видимому, заключается в увеличении кислотности поступающих в горизонт А2 почвенных растворов (кислотные атмосферные осадки).

Общий вывод - в почвах происходит активная перегруппировка химических элементов, усиливающаяся в условиях их техногенного загрязнения. Наличие в почвах разнообразных геохимических барьеров создает предпосылки для их накопления и образования геохимических аномалий. Однако аномалии, как правило, возникают только при поступлении техногенных веществ. В естественных природных условиях они появляются только при наличии в почвообразующих горных породах повышенных концентраций тех или иных химических элементов, связанных с их месторождениями или первичными геохимическими ореолами.

Для количественной характеристики интенсивности перераспределения химических элементов в почвенном профиле используется понятие коэффициента радиальной дифференциации (или элювиально-аккумулятивного).

Латеральная дифференциация химических элементов в почвах является вторым практически важным следствием функционирования в них геохимических барьеров. В условиях техногенного загрязнения эта функция почв может привести и приводит к возникновению определенных типов техногенных геохимических аномалий, связанных с наиболее чувствительными к нему звеньями каскадных ландшафтно-геохимических систем.

Одна из общих закономерностей миграции грунтовых вод и растворенного в них вещества состоит в том, что они в гравитационном поле Земли, как правило, перемещаются сверху вниз, т.е. из автономных ландшафтов в подчиненные и из гипсометрически выше расположенных подчиненных ландшафтов в расположенные гипсометрически ниже [40].

Следствием этого является совершенно естественный процесс выщелачивания техногенных компонентов в первых и перемещение их во вторые, т.е. в общем случае в подчиненные ландшафты. Эту закономерность можно сформулировать и иначе: в процессе естественной миграции химических элементов происходит самоочищение природных сред автономных элементарных ландшафтов и загрязнение подчиненных. Такой противоположно направленный процесс дифференциации особенно характерен для относительно хорошо подвижных в водных растворах элементов, например, для элювиальных ландшафтов кислой тайги - Cu, Zn, Cd, Hg, Ni, для кальциевой степи - As, Se, Cu, Hg, Zn и др.

Накопление химических элементов на геохимических барьерах, в том числе в почвах, в зависимости от зональных климатических и ландшафтных факторов были рассмотрены А.И. Перельманом и М.А. Глазовской [36, 37].

Результаты длительного функционирования комплекса геохимических барьеров в гидроморфных почвах супераквальных ландшафтов кислой южной тайги показаны на рисунке слева. Приуроченные к местным депрессиям рельефа (речным долинам, озерным котловинам и т.п.), нередко в разной степени заболоченным, почвы в течение значительной части года по всему профилю оглеены. Ввиду затрудненных при дефиците кислорода условий для минерализации растительных остатков верхний горизонт А0_g нередко имеет повышенную мощность. Местами развивается накопление торфа. Подзолистый горизонт A2_g развит относительно слабо. Иллювиальный горизонт B_g, особенно в нижней части, имеет утяжеленный гранулометрический состав, кольматирован привнесенными сверху и новообразованными глинистыми минералами и гумусом, резко оглеен (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

В глеево-подзолистых почвах возникают и функционируют следующие основные геохимические барьеры:

А0_g - кислая лесная подстилка, нередко со слабо разложенными растительными фрагментами и увеличенной мощностью. Геохимические барьеры те же, что и в дерново-подзолистых почвах - биогеохимический и сорбционный, но действуют они в существенно иной геохимической обстановке. Во-первых, среда здесь восстановительная, что благоприятно для сорбционного поглощения химических элементов, имеющих относительно меньшую подвижность в более восстановленных формах (U, Cu, Mo). Во-вторых, в условиях подчиненных ландшафтов менее резко выражено выщелачивание химических элементов. Более того, с боковой миграцией из расположенных гипсометрически выше элементарных ландшафтов происходит поступление выщелоченных там кислыми водами элементов. В условиях развития техногенного загрязнения в горизонт А0_g значительное количество вещества может поступать также в механической форме при его мобилизации в элювиальных и особенно трансэлювиальных ландшафтах в процессе водной эрозии и плоскостного смыва. При этом краевые части болот и супераквальных ландшафтов в целом обычно выступают в качестве эффективного гидродинамического седиментационного барьера-ловушки для взвешенного в водных потоках тонкодисперсного материала [40].

Рис. 5.4. Дифференциация химических элементов в профиле глеево-подзолистых почв.

Концентрация микроэлемента: 1.в естественных условиях; 2. дополнительное накопление в условиях техногенного загрязнения; 3. предельная в естественных условиях; 4. предельная в условиях техногенного загрязнения.

А1_g - гумусовый с разной степенью оглеения горизонт с развитыми высоко- или среднеемким кислым сорбционным и биогеохимическим барьерами. Отличия от дерново-подзолистых почв те же самые, как и для горизонта А0_g - боковое поступление вещества, более высокие концентрации в растворах макро- и микроэлементов, глеевая восстановительная обстановка. В специфических условиях выветривания на водоразделах и склонах сульфидных руд или обогащенных сульфидами горных пород, например, черных пиритизированных сланцев, может возникнуть сероводородный геохимический барьер с накоплением на нем халькофильных элементов. При развитии на сопряженных склонах плоскостной эрозии существенное значение может приобрести гидродинамический седиментационный барьер.

В гидроморфных почвах супераквальных ландшафтов характерна большая невыдержанность геохимической обстановки как в пространстве в связи с различными формами микрорельефа, так и во времени в связи сезонами года и погодными условиями. На относительно приподнятых и лучше дренируемых участках периодически возникает окислительная обстановка и в связи с ней окислительный геохимический барьер. При этом кислород на глубину проникает не равномерно, а по отдельным каналам - зонам облегченного гранулометрического состава почв, ходам червей, фрагментам отмершей корневой системы, структурам отдельности и т.п., в зонах влияния которых возникают локальные окислительные барьеры. В таких участках почвы приобретают пеструю окраску, изменяющуюся от светлых голубовато- и зеленовато-серых тонов до палевых и более темных ржаво-бурых и бурых в участках окисления железа до трехвалентного состояния. Наряду с железом на окислительном барьере накапливаются соединения марганца. Возникают разнообразные по форме и сложению железомарганцевые конкреции (округлые и эллипсовидные, удлиненные и уплощенные), именуемые ортштейнами, рыхлые скопления гидроксидов железа и марганца, иногда вместе с соединениями алюминия и гумусового вещества. Вокруг истлевающих корней как проводников кислорода в глеевые горизонты возникают своеобразные пустотелые трубчатые образования, фактически также являющиеся конкрециями.

Все отмеченные минеральные новообразования интересны прежде всего тем, что, с одной стороны, являются индикаторами физико-химических условий в соответствующих почвенных горизонтах, с другой - активными осадителями железа и марганца, а также ряда микроэлементов, сорбируемых их гидроксидами. В целом в горизонтах А0_g и A1_g на сорбционном и биогеохимическом барьерах возможно накопление Cu, Zn, Mo, U, As, Se, Pb, Hg, Cd, V, Ni, Cr, Co и ряда других химических элементов.

А_2g - горизонт в различной степени выраженного выщелачивания в условиях восстановительной обстановки. Глубокое оподзоливание развивается редко. В техногенно трансформированных ландшафтах возможно развитие оглинения (лессиваж и кольматация) и увеличение в связи с этим обычно невысокой емкости сорбционного поглощения. Основной функционирующий барьер - малоемкий сорбционный кислый восстановительный.

В_g - иллювиальный глеевый горизонт формируется в значительной степени под влиянием поступающего сверху и выщелоченного там вещества. В рассматриваемом типе почв из макрокомпонентов это преимущественно Fe, Al и Mn. Как отмечает М.А. Глазовская, различная подвижность этих элементов приводит к их частичной дифференциации уже в пределах почвенной толщи. В частности, железоорганические комплексы с бурыми гуминовыми кислотами осаждаются уже в верхнем гумусово-элювиальном горизонте, а фульваты A_l и Fe перемещаются вниз по профилю и накапливаются в иллювиальных горизонтах, причем фульваты A_l - преимущественно в их верхней части, фульваты Fe - в нижней или вообще частично выносятся за пределы почвы в постилающие породы [36].

Таким образом, иллювиальные горизонты гидроморфных почв супераквальных ландшафтов представляют собой естественные кислые средне- и высокоемкие сорбционные и восстановительные геохимические барьеры, наряду с железом и марганцем активно накапливающие широкий спектр микроэлементов вплоть до концентраций, аномальных для этих ландшафтов. Концентрирующая роль иллювиальных горизонтов значительно возрастает в условиях техногенного загрязнения, особенно при длительном его развитии.

Сделанный выше вывод является важным и подчеркивает одну из фундаментальных особенностей почв - вертикальную дифференциацию в них химических элементов. Однако в данном случае имелась в виду и другая их особенность - различие составов одних и тех же генетических горизонтов почв в условиях различных элементарных ландшафтов как следствие направленной миграции вещества в их сопряженных, каскадных по М.А. Глазовской, системах. Степень таких геохимических различий принято выражать через коэффициент латеральной дифференциации.