Т. В. Дегтярева, В. А. Шальнев Биогеохимический подход в изучении топического пространства фаций… Науки о Земле БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ ТОПИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ФАЦИЙ ГОРНЫХ ЛАНДШАФТОВ (НА ПРИМЕРЕ ТЕБЕРДИНСКОГО ЗАПОВЕДНИКА) Т. В. Дегтярева, В. А. Шальнев BIOGEOCHEMICAL APPROACH IN STUDYING TOPIC SPACE OF MOUNTAIN LANDSCAPE FACIESES (BASED ON MATERIAL OF THE TEBERDINSKIY RESERVE) Degtyariova T. V., Shalnev V. A. The analysis of space redistribution of elements in accordance with the topic model layers of forest facieses of mountain landscapes has been performed; the types of topical space vertical geochemical differentiation have been singled out subject to the biotic factor. Key words: inter-component biogeochemical connections, vertical differentiation types of topical space of elementary associations. В статье проводится анализ пространственного перераспределения элементов по ярусам топической модели лесных фаций горных ландшафтов; выделены типы вертикальной геохимической дифференциации топического пространства с учетом биотического фактора. Ключевые слова: межкомпонентные биогеохимические связи, типы вертикальной дифференциация топического пространства фаций. УДК 911.52 138 Одним из базовых понятий классического российского ландшафтоведения является представление о вертикальной структуре и вертикальных связях в геопространстве природно-территориальных комплексов. Вертикальные связи выступают как внутренние межкомпонентные связи в ландшафте, реализуемые в виде переноса вещества, энергии и информации. Их исследование проводится в рамках топической (компонентной) модели геосистем, в которой географические компоненты служат структурными элементами и частями вертикальной структуры. Пространственный аспект топической модели геосистем состоит в закономерно упорядоченном, ярусном расположении компонентов внутри геосистем (Исаченко, 1991). Наиболее тесными внутренние межкомпонентные связи становятся в пределах топического пространства фации – наименьшей морфологической единицы ландшафтов (элементарной геосистемы). На уровне фаций корреляционные связи между компонентами различных структурных уровней организации материи (абиотической и биотической) проявляются в виде процессов тепловлагооборота и адаптированных к ним биохимических процессов (Шальнев и др., 2008). При этом абиотические компоненты создают «первичные условия» для существования биотических компонентов фации. Взаимопроникновение и интеграция вещества и энергии этих двух групп компонентов формирует биокосное вещество или почвенный компонент фации, в котором фокуси- 69/2010 Вестник Ставропольского государственного университета руются и перекрещиваются вертикальные межкомпонентные связи. Взаимодействия между абиотическими, биокосными и биотическими компонентами в форме массообмена химических элементов относятся к биогеохимическим процессам функционирования. Вследствие миграции химических элементов идет перераспределение масс элементов и происходит геохимическая дифференциация топического пространства фации. Создается качественная биогеохимическая определенность и специфичность, которую можно рассматривать как инвариант биогеохимического состояния элементарной геосистемы. Инвариант включает все пространственные и временные элементы биогеохимической структуры фации, совокупность устойчивых биогеохимических черт, позволяющих отличить данную систему от всех остальных. Важнейшими составляющими инварианта биогеохимического состояния фаций являются определенные типы межкомпонентного (межъярусного) перераспределения и взаимосвязи элементов, складывающиеся в ходе биогеохимических круговоротов. Пространственное перераспределение масс химических элементов может быть охарактеризовано прежде всего расположением зон концентрации и рассеяния элементов в пределах ярусов вертикального профиля фаций. Выделение однотипных перераспределений элементов позволяет изучить межкомпонентные отношения и связи в фациях, выявить типы вертикальной геохимической дифференциации их топического пространства. При изучении пространственных особенностей перераспределения, рассеяния и концентрации химических элементов в пределах лесных фаций Тебердинского заповедника использованы результаты геохимического опробования почв, растительного опада, древесных и травянистых видов растительности. Определение содержания кислоторастворимых форм элементов (цинка, меди, свинца и кадмия) проводилось в лаборатории почвоведения и геохимии ландшафтов кафедры физической географии СГУ методом вольтамперометрического анализа. По этим данным проведен анализ расположения зон накопления и рассеяния элементов в ярусах вертикальной структуры фаций. Опорными участками исследования явились фации стационарного высотно-экологического профиля хребта М. Хатипара, который охватывает геоботанические пояса среднегорных ландшафтов: смешанных лесов днища долины р.Теберды (площадки фаций «Бук», «Пихта-1», «Сосна-1», «Береза-1»), хвойных лесов на склонах троговых долин (фации «Пихта-2», «Сосна-2»); сосновых редколесьев, березовых криволесьев и высокотравных субальпийских лугов (фации «Пихта-3», «Сосна-3», «Береза-2») зоны экотона верхней границы леса. Формирование вертикальной структуры лесных фаций среднегорных ландшафтов происходит в условиях четко выраженных гидротермических различий по абсолютной высоте, по экспозиции между северовосточными и юго-восточными склонами хребта, постоянного гравитационного перемещения вещества. В геологическом отношении профиль сложен однородными горными породами (бескарбонатными калиевыми верхнепалеозойскими гранитоидами) и является монолитным (Ландшафты Тебердинского заповедника…, 2009). Лесной пояс смешанных лесов в пределах днищ троговой долины р. Теберды имеет достаточно мощный древесный ярус со средней высотой деревьев до 25 метров, породный состав которых включает Fagus orientalis, Betula litwinowii, Pinus sosnovskyi, Abies nordmanniana. Средняя высота травянистого яруса 34 см. Почвенный ярус представлен горно-лесными бурыми слабооподзоленными почвами с мощностью гумусовых горизонтов до 65–70 см. С опадом растительных остатков в почву возвращается большое количество зольных веществ. Лесной геоботанический пояс хвойных лесов распространен до высотной отметки 1950–2100 м над ур. моря. На более засушливом и освещенном юго-восточном склоне древесный ярус представлен светолюбивой Pinus sosnovskyi и единичными экземплярами Abies nordmanniana; в травянистом ярусе доминирует Calamagrostis arundinacea. 139 Т. В. Дегтярева, В. А. Шальнев Биогеохимический подход в изучении топического пространства фаций… Средняя высота древесного яруса составляет 17 м, сомкнутость древостоя 0,8. Средняя высота травянистого яруса 30 см, проектное покрытие из-за значительной сухости и затененности под пологом деревьев небольшое – 40%. Почвенный ярус представлен сильноскелетными горно-лесными бурыми почвами с мощностью гумусных горизонтов А+В до 40 см. Величина яруса растительного опада – 13 см. На более увлажненном северовосточном склоне древесный ярус пихтового леса представлен тенелюбивой и требовательной к условиям увлажнения Abies nordmanniana и единичными экземплярами Picеa orientalis; в подлеске растут Betula litwinowii, Salix cirbuscula. Средняя высота древесного яруса 20 м, сомкнутость древостоя 0,9. В травянистом ярусе распространены виды, требовательные к влаге: Dolichorrhiza renifolia, Oxalis acetosella, Dryopteris assimilis, доминируют Calamagrostis arundinacea и Dolichorrhiza renifolia. Проектное покрытие составляет 60%, средняя высота травянистого яруса 35 см. Большая часть видов относится к нижнему высотному ярусу (от 11 до 30 см) – 35,48% (Нефедова, Шальнев, 2009). Мощность подстилки составляет 17 см, мощность гумусных горизонтов горнолесных бурых почв 52 см. Переходный пояс сосновых редколесий, березовых криволесий и высокотравных субальпийских лугов расположен при абсолютной высоте свыше 2100 м над ур. моря. Древесный ярус высокорослого и достаточно сомкнутого соснового редколесья на склонах юго-восточной экспозиции представлен Pinus sosnovskyi со средней высотой 11,5 м. С увеличением абсолютной высоты происходит снижение высоты яруса деревьев с 15 метров до 8 метров. В сложении травянистого яруса соснового редколесья преобладают злаки: Calamagrostis arundinacea, Bromopsis variegata, Agrostis planifolia. С увеличением абсолютной высоты возрастает средняя высота травянистого яруса (от 37– 41 см) и полный запас надземной фитомассы. Почвенный ярус грубоскелетных бурых лесных почв имеет мощность 35 см. Величина детритного яруса подстилки – 10 см. 140 В березовом криволесье на северовосточных склонах невысокий и разреженный древесный ярус представлен Betula litwinowii. Средняя высота деревьев с увеличением абсолютной высоты снижается с 8 м до 2,5 м. Средняя высота травянистого яруса (доминирующий вид Milium effusum) достаточно высока и составляет 47,5 см, возрастая с увеличением абсолютной высоты от 45 до 56 см. Большая часть видов относится к среднему ярусу (от 31 до 60 см) – 57,85%. Мощность яруса горно-кустарниковых почв небольшая и находится в пределах 36–38 см. Детритный ярус растительного опада составляет 8 см. В лесных фациях выявлено геохимическое своеобразие ярусов вертикальной структуры (почвенного, детритного, мохового, травянистого и древесного). Для каждого яруса вычислена интенсивность накопления и рассеивания элементов по отношению к среднему содержанию в породах (коэффициенты биологического поглощения для фитоярусов Ах и коэффициент радиальной дифференциации для почв R). В геоботаническом поясе смешанных лесов днищ троговой долины р. Теберды средняя интенсивность накопления элементов характерна в большей степени для детритного и почвенного ярусов фаций (табл. 1). В древесном, травянистом и моховом ярусах фаций большинство рассмотренных элементов относятся к группе биологического захвата. В пределах пояса хвойных лесов склонов троговых долин различия по экспозиции в гидротермических условиях и в биотическом компоненте вызывают различия и в геохимической дифференциации ярусов вертикального профиля лесных фаций (табл. 2). Для склонов северной экспозиции с пихтовыми лесами в древесном и моховом ярусах накапливается медь (Ах = 1,2 – 1,1), остальные элементы участвуют в биологическом захвате. В почвенном ярусе характерно только накопление элементов. Травянистый и детритный ярус отличает низкая интенсивность поступления элементов из породы. 69/2010 Вестник Ставропольского государственного университета Таблица 1 Интенсивность распределения элементов в ярусах вертикального профиля лесных фаций Ярусы Древесный Травянистый Моховой Детритный Почвенный Фации хвойных лесов днищ долин Среднее Биологич. Рассеинакопзахват, вание в ление Ах<1,0 почве, Ах (R) R<1,0 1,0-10 Cd,Cu,Zn,Pb Cu,Cd,Pb,Zn - Фации буковых лесов днищ долин Среднее Биологич. Рассеивание накопзахват, в почве, ление Ах <1,0 R<1,0 Ах (R) 1,0-10 Cu Zn,Pb,Cd Cu,Cd,Pb,Zn - Cd,Cu Cu,Zn,C d Cu Cu Pb, Zn, Cu Cd,Cu,Pb,Zn Zn,Pb - Pb Zn,Pb,Cd Zn,Pb,Cd - Cd Таблица 2 Интенсивность распределения элементов в ярусах вертикального профиля лесных фаций склонов троговых долин Фации пихтовых лесов северной Фации сосновых лесов южной экспозиции экспозиции Среднее Биологич. Рассеивание Среднее Биологич. Рассеивание накопление захват, в почве, накоплев почве, захват, Ах (R) Ах<1,0 R<1,0 ние R<1,0 Ах <1,0 1,0-10 Ах (R) 1,0-10 Pb Древесный Cu Zn,Pb,Cd Cu, Cd, Zn Cu, Cu,Cd,Zn,Pb Травянистый Zn,Pb,Cd Моховой Cu Pb,Zn,Cd Cd Cu, Pb,Zn Детритный Cu, Cd, Cu Zn,Pb Zn,Pb,Cd Почвенный Zn,Pb,Cu,C Cu, Zn,Cd Pb d Ярусы Для склонов южной экспозиции с сосновыми лесами отмечается большее проявление процессов накопления. В древесном и почвенном ярусе накапливаются медь, кадмий и цинк. В моховом ярусе накапливается кадмий (Ах = 1,8), все остальные элементы захватываются. В растительном опаде среднее накопление характерно для кадмия (Ах = 5,8) и меди (Ах = 1,3). В травянистом ярусе все элементы только захватываются. Анализ расположения зон рассеяния элементов в ярусах вертикального профиля лесных фаций выявил, что минимальные уровни содержания элементов в большинстве обследованных фаций приходятся на травянистый ярус. Это говорит о высокой мобильности травянистого яруса, для которого зафиксирована самая большая скорость оборота зольных элементов (Авессаломова, 2006). 141 Т. В. Дегтярева, В. А. Шальнев Биогеохимический подход в изучении топического пространства фаций… Учет приуроченности зон максимального содержания элементов к ярусам вертикального профиля фаций позволил выделить 6 типов вертикальной дифференциации масс элементов в пределах топического пространства фаций: почвенно-древесный, почвенно-детритный, почвенно-моховой, мохово-древесный, детритно-древесный, детритно-моховой (см. рис.1–3). Почвенно-древесный тип вертикальной дифференциации масс элементов характеризуется максимальным накоплением элемента в почвенных горизонтах и в древесном ярусе. Встречается в 5% случаев и характерен для вертикальной дифференциации при перераспределении кадмия и свинца в сосновых фациях днища долины р. Теберды. Почвенно-детритный тип вертикального перераспределения элементов отличается максимальным накоплением элемента в почве и в органических остатках растительного опада. Наиболее распространенный тип (30% случаев вертикального распределения) встречается при вертикальной ярусной дифференциации Cd в пихтовых фациях склонов трогов и днищ долины р. Теберда, распределении содержания Zn и Pb в сосновых фациях склонов трогов. Почвенно-моховой тип также относится к часто повторяющимся распределениям (встречаемость типа 25%) и характеризуется максимальным накоплением элемента в почвенном ярусе и во мхах. Характерен для вертикальной дифференциации при распределении Pb в березовых и пихтовых фациях, Cd в буковых фациях днища долины р. Теберды. Мохово-древесный тип вертикальной дифференциации масс элементов с максимальным накоплением элемента в моховом и древесном ярусах встречается редко (5,5 % случаев). Проявляется при вертикальном распределении Cu в березовых и Zn в пихтовых фациях днища долины р. Теберды. Детритно-моховой тип отличается максимальным накоплением элемента в мертвом органическом веществе опада и во мхах. Достаточно широко распространенный тип дифференциации геохимического пространства фаций (частота встречаемости 17%). Характерен для распределения Cd и Zn в фациях березовых криволесий, Cu в буковых фациях днища долины р. Теберды. Березовые фации древ есный ярус Сосновые фации древесный ярус 1,4 трав янистый ярус травянистый ярус 0,3 мохов ой ярус дет рит ный ярус 8,5 детритный ярус 1,1 почв енный ярус 2 3 4 5 6 13,2 почвенный ярус 5,9 1 7,8 моховой ярус 5,6 0 10,3 7 23,2 0 5 10 а) 15 20 содержание цинка, мг/кг содержание свинца, мг/кг б) Рисунок 1. Почвенно-моховой (а) и почвенно-детритный (б) типы перераспределения масс элементов в вертикальном профиле фаций 142 25 69/2010 Вестник Ставропольского государственного университета Буковые фации древесный ярус Пихтовые фации древ есный ярус 23,7 травянистый ярус трав янистый ярус 12,8 моховой ярус почвенный ярус 10 15 20 25 30 7,3 почв енный ярус 32,8 5 9,2 дет рит ный ярус 16,1 0 5,3 мохов ой ярус 22,3 детритный ярус 8,2 6,8 0 35 2 4 6 8 10 содержание меди, мг/кг содержание цинка, мг/кг а) б) Рисунок 2. Почвенно-древесный (а) и мохово-древесный (б) типы перераспределения масс элементов в вертикальном профиле фаций Буковые фации древесный ярус Березовые фации древесный ярус 5,6 травянистый ярус травянистый ярус 0,26 моховой ярус детритный ярус 4 21 почвенный ярус 4 2 17,1 детритный ярус 9,2 почвенный ярус 9 моховой ярус 3,01 0 15 6 8 10 10,8 0 5 10 содержание свинца, мг/кг 15 20 25 содержание цинка, мг/кг а) б) Рисунок 3. Детритно-древесный (а) и детритно-моховый (б) типы перераспределения масс элементов в вертикальном профиле фаций Детритно-древесный тип вертикальной дифференциации содержания элементов характеризуется максимальным накоплением элемента в растительном опаде и древесном ярусе. Частота встречаемости типа составляет 8,3%. Характерен для вертикальной дифференциации при распределении Pb в буковых и Zn в пихтовых фациях днища долины р. Теберды, ярусной дифференциации Cd в сосновых фациях склонов троговых долин. Выделенные типы дифференциации масс элементов в пределах топического пространства фаций свидетельствуют о сущест- ЛИТЕРАТУРА 1. Авессаломова И. А. Биогеохимия среднетаежных ландшафтов юга Архангельской области // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2006. № 1. С. 50–55. вовании единых типов биогеохимических взаимодействий между компонентами фаций, об однотипности межкомпонентных отношений. В то же время наличие различных типов вертикальной геохимической дифференциации топического пространства лесных фаций свидетельствует о том, что в пределах горных ландшафтов складывается многовариантность развития структуры фаций, которая определяется в том числе и различиями в биотическом компоненте. 2. 3. Исаченко А. Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование. – М.: Высшая школа, 1991. Нефедова М. В., Шальнев В. А. Особенности растительности горного экотона верхней границы леса (на примере высокогорных 143 Т. В. Дегтярева, В. А. Шальнев Биогеохимический подход в изучении топического пространства фаций… 4. 5. ландшафтов Западного Кавказа). – Ставрополь: Изд-во СГУ, 2009. Шальнев В. А. Ландшафты хребта Малая Хатипара // Северный Кавказ. Вып. 2. Вопросы физической и исторической географии. – Ставрополь, 1973. С. 55–66. Шальнев В. А., Конева В. В., Лагун С. Г. К вопросу о морфологии горных ландшафтов Западного Кавказа // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. №1 (11)/2008. Т. 1 (Серия гуманитарные науки). – Тамбов: Издво Тамбовского гос. тех. университета, 2008. С. 74–79. 144 Об авторах Дегтярева Татьяна Васильевна, ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет», доцент кафедры физической географии, кандидат географических наук. Сфера научных интересов – геохимия ландшафта, почвоведение, биогеохимия. dtb.70@mail.ru Шальнев Виктор Александрович, ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет», заведующий кафедрой физической географии, доктор географических наук, профессор. dtb.70@mail.ru
