БИОГЕОХИМИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ КОКЧЕТАВСКИХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ
BIOGEOCHEMICAL VARIETY OF KOKSHETAU STEPPE LANDSCAPES
М.А.Хрусталева
M.A.Khrustaleva
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
(119991 Россия, Москва, ГСП-1 Ленинские горы, дом 1)
Lomonosov Moscow State University
(119991 Russian Federation, Moscow, GSP-1 Leninskie Gory, b.1)
e-mail: mrnhr@rambler.ru
Проведение полевых и экспериментальных исследований в Кокчетавских степных ландшафтах обусловило выявление биогеохимического разнообразия в результате воздействия геолого-геоморфологических факторов, региональных гидролого-климатических и почвенно-растительных условий. Обнаружено обогащение никелем почв и растений ландшафтов архейского возраста, что указывает на возможность обнаружения рудопроявления. Для охраны компонентов ландшафтов желательно создание режимного биогеохимического мониторинга.
Field and experimental research let us to reveal biogeochemical variety in Kokshetau steppe landscapes. The main agents of this variety are geological and geomorphological factors, regional hydrological, climate, soil and vegetation conditions. In Archean age landscapes enrichment of plants and soils with nickel was revealed. This fact shows on possibility of ore detection. In order to protect landscape components regulative biogeochemical monitoring should be organized.
Изучение биогеохимического степного разнообразия ландшафтов проводилось автором в пределах Кокчетавской возвышенности, которая отличается значительным размахом высот: от 675 (на севере), 533 (на востоке) и до 360 м. в центре (на аккумулятивной равнине), в районе пресных озер Щучьего, Котур-Куля и верхней части бассейна реки Кайракты. На севере гранитных интрузий хребта Кокчетау расположена наивысшая точка ландшафтов г. Синюха с абсолютной высотой 887 м, сложенная среднезернистыми биотит-амфиболитовыми гранитами. Кокчетавская возвышенность располагается в зоне степей. Значительная приподнятость мелкосопочных массивов предопределила развитие здесь высотной зональности, поэтому в районе среди разнотравно-злаковых степей развита лесостепь с сосновыми борами и березово-осиновыми лесами.
В геологическом строении ландшафтов принимают участие архейские породы и их кора выветривания; метаморфический комплекс протерозоя, представленный кварцитами, гнейсами, сланцами. Здесь также широко распространены и эффузивно-осадочные образования палеозоя с представлением интрузий кислых пород (серых и розовых гранитов), мезо-кайнозойскими отложениями в виде древних кор выветривания и глинисто-суглинистыми отложениями, зачастую окарбоначенными. Мощность отложений колеблется от 50 до 85 м. Для данных ландшафтов характерна сложность и разнообразие компонентов ландшафтов, особые закономерности путей миграции и аккумуляция в них химических элементов. Важную роль в строении степных ландшафтов играют геолого-геоморфологические, гидролого-климатические условия и почвенно-растительный покров. Развитие современных ландшафтов степей проходило в условиях резко континентального климата с небольшим (от 200 до 400 мм) количеством годовых атмосферных осадков, неравномерно распределенных по годам и сезонам, с сухим и теплым летом и малоснежной холодной зимой.
Исследования компонентов степных ландшафтов велись методом сопряженного ландшафтно-геохимического профилирования с отбором их проб для анализа. Остановимся на выявлении особенностей и закономерностей миграции и аккумуляции химических элементов, определении биогеохимического разнообразия в степных ландшафтах, приуроченных к метаморфическому комплексу архея и их коре выветривания; интрузиям кислых пород-гранитов, где у подножья сопок по контактам гранитов с другими кристаллическими породами и у линий тектонических разломов выходят родники, вода которых имеет сульфатно-гидрокарбонатно-натриево-калиевый состав с колебанием величин рН от 7,6 до 7,7; пород протерозоя и неоэлювиальных ландшафтов, приуроченных к четвертичным отложениям.
В геологическом строении ландшафтов складчатое основание фундамента образуют самые древние допалеозойские архейские породы, где на дневную поверхность выходит амфмболитово-гнейсовая свита метаморфического комплекса архея и их коры выветривания. Мощность последней достигает 67 м при средних ее значениях – 10 м. Для допалеозойских отложений характерны трещинно-пластовые воды, распространенные в районах развития мелкосопочника с гидрокарбонатно-кальциево-натриевым составом и минерализацией до 1 г/л. Ортоэлювиальные степные ландшафты мелкосопочников и пологих холмогорий с абсолютными высотами 350-450 м расположены в пределах оз. Жайнак, севернее оз.оз Котур-Куль, Балакты и западнее оз Сасык. Почвы их – черноземы малоразвитые, тяжелосуглинистые с повышенной линией вскипания и с величиной рН водн. 7,3 – в верхних горизонтах и 8,1 – в нижних. Известно, что главное свойство почв – это плодородие. В них выявлено значительное (до 10%) содержание гумуса в верхнем горизонте с тенденцией уменьшения с глубиной. Валовой анализ почв, по данным автора, указывает на обогащение нижних горизонтов их Si, Al, Fe, которых много выявлено и в материнской породе (амфиболите, соответственно, 48,7 ,14,4, 19,3% и гнейсе – 67,8, 18,1, 3,2). Верхние горизонты этих почв обогащены Ca, Mg, K за счет биогенных процессов. Механический состав почв состоит из различных частиц. В гумусовом горизонте преобладают (до 48,2%) частицы диаметром < 0,01 мм в пересчете на абсолютно-сухую навеску, что обусловливает им тяжелосуглинистый состав, а размер частиц 0,5-0,25 мм (до 15,7%) – в нижнем горизонте указывает на наличие супеси. Согласно данным спектрального анализа[1], почвы содержат медь и обогащены никелем, а порода – никелем, барием и титаном. В коре выветривания архейских пород, как достаточно выщелоченном горизонте, содержалось в два раза меньше меди и в десять раз – бария. Накопление никеля в растениях и почвах степей дает возможность судить о характере и составе, развитых на глубине древних пород архея, наиболее обогащенных такими химическими элементами: как: никель, медь, титан. Эти степные ландшафты перспективны по никелю на рудопроявления, что имеет большое научное и практическое значение. Растительность степей на архейских породах разнотравно-красноковыльно-овсецовая. Данные зольного анализа укосов травостоя указывают на величину зольности равную 5,7. В укосах обнаружено много (до 86,1%) кремния. Травостой этих ландшафтов в значительной мере аккумулирует калий, кальций, магний и в меньшей степени – алюминий, серу. Ковыль красный, полынь австрийская накапливают медь. Много кальция, калия, магния содержат укосы растений по сравнению с почвами и материнской породой. Эти ландшафты используются для пастбищ, земледелия и частично сенокосов при биопродуктивности трав 7 ц/га, а пшеницы – 6,5 ц/га.
Ландшафты на кислых палеозойских породах и их коре выветривания образовались в завершающий период каледонского орогенеза, в начале палеозоя, когда произошло внедрение (интрузий) гранитов, связанных со складчатостью гранодиоритов Боровского интрузивного массива. Большая часть изученных ландшафтов сложена изверженными кислыми породами, представленными интрузиями серых средне- и крупнозернистых и розовых гранитов. Граниты легко поддаются процессам физического выветривания. По данным химического анализа гранита, проведенного автором, в них содержалось много SiO (73,9%), Al2O3 (14,9%), Na2O (8,9%), K2O (5,1%), Fe2O3 (2,8%). Рельеф этих ландшафтов мелкосопочный. Отметим, что мелкосопочные денудационные равнины были заняты в прошлом разнотравно-красноковыльными степями на обыкновенных мощных среднегумусных черноземах, которые сейчас распаханы. Данные валового анализа почв указывают на обогащение их кремнием (до 72,5%) с тенденцией уменьшения (до 65,8%) с приближением к породе.
Аккумуляция окислов серы, магния, калия, фосфора в верхних горизонтах почв обусловлена биогенным накоплением. Содержание окислов алюминия увеличивалось от 12,9 – в верхних горизонтах до 19,9% – в нижних (на глубине 200 см), калия, соответственно, с 2,9 до 4,2%, но в меньших концентрациях по сравнению с породой. Уменьшались в почвах с глубиной концентрации окислов магния, фосфора, железа. Накопление железа в почвах может быть обусловлено наличием железосодержащих глинистых минералов в свободной гидроокиси железа. Накопление окислов железа, алюминия, магния, кальция указывает на интенсивный процесс выветривания в профиле почв, в результате которого вынос окислов компенсируется в значительной степени их накоплением. Механический состав почв в верхних горизонтах тяжелосуглинистый, а в нижних – песчаный. Выявлено преобладание (до 69,8%) в почвах частиц размером 1-0,25 мм. Количество фракций ила и физической глины уменьшалось с глубиной. Невелико содержание частиц фракций 0,01-0,005 и 0,005-0,001 мм. Основными видами степных ассоциаций на интрузиях гранитов являются: ковыль красный, тимофеевка степная, шалфей степной, вейник наземный, лобазник шестилепестной, чина клубненосная. Продуктивность разнотравно-красноковыльных ассоциаций достигала 16,1 ц/га. Содержание элементов в золе растений находится в тесной связи с их концентрациями в почвообразующей породе. Зольный анализ химического состава золы укосов травостоя указывает на обогащение их SiO (до 71,8%), CaO (до 9,8%), MgO (до 7,6%) Al2O3 (до 6,7%),Fe2 O3 (до 2,2%), P2 O5 (до1,0%), Na2O (до 0,6%), K2O, SO3 (до 0,2%). Много меди обнаружено в надземной части полыни холодной, а в корнях типчака – титана.
В ландшафтах северо-западной и восточной частей ландшафтов расположены породы протерозойского возраста, представленные кварцито-сланцевой и порфироидно-порфиритоидной свитами. Наибольшее распространение получили кварциты, из которых слагаются отдельные массивы и гряды. Породы протерозоя, представленные кварцито-сланцевой кокчетавской свитой (Pt2) и иногда выходят на поверхность. Скважинами они вскрыты на глубинах 7-97 м. С трещиноватостью пород протерозоя, а, именно, с кварцитами связана их водообильность. Величины рН в них колебались от 7,6 до 8,3. По химическому составу трещиноватые воды имеют сульфатно-гидрокарбонатно-кальциево-натриевый состав, с изменением ингредиентов от 512 до 1041 мг/л. Рельеф степных ландшафтов состоит из мелкосопочников и плоских волнистых мелкосопочных равнин с отдельными сопками. Их высоты изменялись от 433 м (на западе) до 559 м (на востоке).
Почвы ландшафтов представлены черноземами обыкновенными с укороченным профилем, малоразвитыми, приуроченными к щебню пород протерозоя. Данные валовых анализов почв указывают на относительное обогащение (71,5%) их окислами кремния, что уступает таковым (97,9%) в породе. Накопление в почвах окислов серы, магния, обусловлено биогенной аккумуляцией. Черноземы обыкновенные содержат много частиц с фракцией < 0,01 мм и по механическому составу они относятся к тяжелым суглинкам. Почвы и породы ландшафтов на кварцитах обеднены микроэлементами, исключая Cu, Ti, Sr.
Важную роль в миграции элементов в ландшафте, наряду с аэральной и водной, играет биологический круговорот, который обусловливает взаимосвязь между растениями и почвами. Растительность ландшафтов представлена разнотравно-овсецово-красноковыльными ассоциациями с господством ковылей: красного, волосатика, а также овсеца пустынного, типчака, тонконога гребенчатого, полыней: австрийской, холодной, широколистной; шалфея степного, зопника клубневидного, гвоздики. Анализ золы укосов травостоя указывает на обогащение растений K2O, CaO, MgO, SO3, Na2O, SiO2. Заметим, что содержание в золе SiO2, K2O, MgO, Na2O превышает их значения в почвах. Биопродуктивность травостоя составляла 10-12 ц/га. Используются они под сенокосы и пастбища.
Неоэлювиальные степные ландшафты занимают все межгорные депрессии, выполненные молодыми рыхлыми наносами четвертичного (мощностью 65 – 70 м) и отчасти неогенового возраста. Четвертичные отложения представлены покровными суглинками, имеющими пролювиально-делювиальный генезис. Рельеф ландшафтов равнинный, слегка всхолмленный с высотами поверхности до 380-390 м. В неоэлювиальных степных ландшафтах в прошлом были широко распространены разнотравно-красноковыльные ассоциации, где основные виды растений представлены ковылем красным, овсяницей и др., с продуктивностью 14-16 ц/га. Эти целинные степи в значительной мере освоены и в настоящее время распаханы. Они заняты зерновыми культурами, которые имеют небольшой (6,5-7,5 ц/га) урожай в связи с обеднением почв биогенными элементами и замедлением поступления последних в растения, что обусловлено наличием в почвах легкорастворимых солей. Растения в процессе роста и развития для построения своего организма захватывают из почвы элементы в иных количествах, чем они содержатся в почвах. Наши данные анализа золы укосов разнотравно-красноковыльных ассоциаций указывают на большую (до 8,9) зольность укосов, а также обогащение их SiO2, CaO, SO3, MgO и обеднение P2O5, K2O. Величины CaO, MgO, FeO в золе укосов превышают их значения в почвах и породах.
В неоэлювиальных степных ландшафтах развиты черноземы обыкновенные, характерной особенностью которых является выраженная языковатость генетических горизонтов почв, которая обусловлена сухим резко-континентальным климатом. Растрескивание почв происходит в результате пересыхания их летом и промерзания зимой. Для этих почв характерна малая мощность гумусового горизонта, солонцеватость, связанная с засолением почвообразующих пород. Слабая солонцеватость черноземов индицируется наличием в растительном покрове полыни сизой, а появление солодки уральской свидетельствует о распространении столбчатых солонцов. Величины рНводн. почв изменялись от 7,3 – в гумусовом горизонте до 8,5 – в иллювиальном и почвообразующей породе. Содержание гумуса в них колебалось от 6-9% до 10-12%. Верхние горизонты почв обогащены SiO2, что обусловлено произрастанием злаковой растительности. Распределение микроэлементов по профилю черноземов таково: для гумусового горизонта характерна биогенная аккумуляция Pb, Cu, Zn, а для иллювиального карбонатного горизонта выявлено некоторое повышение значений Cu, Ni, Cr.
Поверхностные воды неоэлювиальных ландшафтов имеют хлоридно-гидрокарбонатно-натриево-магниевый состав с рН 7,65 и минерализацией 1031,28 мг/л, а грунтовые – хлоридно-гидрокарбонатно-магниево-натриевые с рН 7,72 и минерализацией 1424,21 мг/л. Итак, в результате исследований определена концентрация, пути миграции и геохимические барьеры элементов. Выявлено биогеохимическое разнообразие ландшафтов. Для сохранения ландшафтов необходимо создание системы режимного биогеохимического мониторинга.
Химические и спектральные анализы выполнены автором в химической лаборатории географического факультета МГУ