Наряду с биогенной аккумуляцией элементов в ландшафте протекают противоположные процессы разложения органических веществ – переход химических элементов из органических соединений в неорганические, сопровождающийся выделением энергии. По своим масштабам процесс разрушения органического вещества значительно уступает его образованию.

Разложение органического вещества происходит и в самих растениях, когда в результате дыхания сложные органические соединения разлагаются до простых минеральных веществ, как углекислый газ и вода. Однако в растениях синтез органических веществ намного превышает их разложение и в целом, растения накапливают эти вещества. Значительно интенсивнее разлагают органические вещества животные, для которых растения являются единственным первоисточником химической энергии. В организме животных окисляется большое количество органических веществ, конечными продуктами разложения которых является углекислый газ и вода. Однако углекислый газ, выделяемый животными при дыхании, не компенсирует поглощение его растениями из атмосферы при фотосинтезе. Основную роль в разложении остатков растений и животных играют микроорганизмы. Особенно много их в почвах и илах (местами до миллиарда в одном грамме), меньше в поверхностных водах, еще меньше в подземных водах и воздухе. Некоторым микроорганизмам необходим для дыхания свободный кислород (аэробные бактерии), другие существуют в бескислородной среде, используя для дыхания кислород химических соединений (анаэробные бактерии).

Микроорганизмы, используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, превращают белки, жиры, углеводы и другие богатые энергией органические соединения в более простые, бедные энергией, вплоть до конечных продуктов – углекислого газа и воды. Суммарная разлагающая способность микроорганизмов значительно выше, чем у растений и животных. Процессы разложения органических веществ значительно однообразнее процессов образования живого вещества. То есть, как ни разнообразны живые организмы, после смерти их остатки превращаются в одни и те же простые минеральные соединения – углекислый газ, кислород и т.д., а также вещества гумусового типа.

Противоположные и взаимообусловленные процессы образования живого вещества и разложения образуют единый биологический круговорот атомов (или сокращенно бик). Часть органических веществ минерализуется не полностью и захороняется в почвах и илах. В озерных илах, грунтовых водах фотосинтез отсутствует, однако образование живого вещества происходит и там, но уже не из СО₂ и Н₂О, а за счет органических соединений или тел других организмов.

История любого химического элемента в ландшафте складывается из круговоротов, различных по масштабу и продолжительности. Так, в качестве примера можно привести бик в пределах почвенного горизонта. Здесь микроорганизмы поглощают из раствора минеральные соединения, которые возвращаются снова в раствор в процессе обмена веществ или после смерти организмов в результате разложения из остатков. Более крупные круговороты осуществляются во всей толще почвы, в биоценозе, охватывая почвы и различные ярусы растительности (почва – ярус мхов, почва – ярус деревьев и т.д.), наконец во всем ландшафте, когда в круговорот вовлекается также кора выветривания и грунтовые воды. В результате каждого цикла часть вещества надолго изымается из круговорота, закрепляясь в почве в форме труднорастворимых соединений или поступая в реки и уже не участвует в миграции веществ данного ландшафта. Поэтому для миграции химических элементов в ландшафте характерна не только цикличность (бик), но и определенная направленность. В результате круговороты являются одной из форм поступательного развития, они – конкретное выражение развития по спирали. Это одна из форм обратной связи. Приведенное положение является одним из основных законов геохимии ландшафта – законом биологического круговорота химических элементов в ландшафте. Он был установлен благодаря работам В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова, В.Р. Вильямса. Суть этого закона (по А.И.Перельману) сводится к следующему: химические элементы в ландшафте совершают круговороты, в ходе которых многократно поступают в живые организмы («организуются») и выходят из них («минерализуются»). При этом происходит поглощение и выделение энергии, совершается химическая работа, изменяется степень разнообразия. Поступательное развитие ландшафта осуществляется через систему таких круговоротов, в ходе которых закономерно изменяется также информация.

Особенности миграции химических элементов с участием растительных организмов выявляются через различные количественные показатели. Основными показателями бика являются емкость, скорость и интенсивность биологического круговорота. Емкость определяется количеством биомассы, ее структурой, количеством ежегодно вовлекаемых в круговорот элементов. Биомасса (фитомасса) – общий вес растительных организмов на единицу площади. Чем больше биомасса, тем выше емкость биологического круговорота. Скорость бика – это промежуток времени, в течение которого элемент проходит путь от поглощения его живым веществом до выхода из состава живого вещества. Скорость бика характеризуют два показателя – прирост и опад (вес на единицу площади). По абсолютной массе прирост делится на очень малопродуктивный (до 25 ц/га), малопродуктивный (26-60), среднепродуктивный (61-150), высокопродуктивный (151-500), очень высокопродуктивный (более 500 ц/га). Как правило, прирост превышает опад. Однако в луговых и степных ландшафтах эти различия не существенны, а вес прироста приближается к биомассе. Прирост увеличивается от арктической тундры (25 ц/га) к экваториальным вечнозеленым лесам (300 ц/га) с низким содержанием в ландшафтах субтропических и тропических пустынь.

Интенсивность биологического круговорота характеризуется отношением массы подстилки (полуразложившийся опад прошлых лет) к массе ежегодного опада (зеленая часть, ветки). Чем выше величина этого показателя, тем слабее интенсивность биологического круговорота. Самая низкая интенсивность бика характерна для тундровых ландшафтов (20-50), а самая высокая – для ландшафтов экваториальных лесов (0,1). Практически здесь подстилка не накапливается, она минерализуется в течение года. Эта величина положена в основу градации биологического круговорота. Различают весьма интенсивный (0-0,2), интенсивный (0,3-1,5), заторможенный (1,6-5,0), весьма заторможенный (6-20) и застойный (более 20) биологический круговорот.

Биогенная миграция химических элементов в ландшафтах Беларуси имеет свои особенности. Многолетние растения исключают из биологического круговорота до 96 % зольных элементов и органогенов от общей биомассы за счет концентрации их в многолетней надземной части и корнях. Луговые сообщества, отмирая, ежегодно способствуют ускорению биологического круговорота и аккумуляции элементов в перегнойном горизонте почв в виде гумуса и торфа. Агроценозы ежегодно отчуждают из почвы с урожаем большую часть элементов с биомассой, которые частично восполняются внесением удобрений. Биологическая аккумуляция химических элементов в ландшафтах противостоит водной миграции, способствующей при промывном режиме в условиях Беларуси выносу их за пределы ландшафта (Чертко, 1981).

3. . Ландшафтно-геохимические системы

В геохимии ландшафта своя терминологическая система. Понятие элементарный ландшафт у геохимиков примерно соответствует фации у ландшафтоведов. Фации, сменяющие друг друга от местного водораздела к местной депрессии, связанные между собой миграцией вещества, представляет собой геохимически сопряженный ряд – звено (Глазовская, 1964) или катену. Части звеньев, приуроченные к разным элементам форм рельефа (вершинным поверхностям холмов, склонам, депрессиям), соответствуют подурочищам. Для урочищ и местностей, принятых в ландшафтоведении, в геохимии ландшафтов нет аналогов, но сам термин местность, местный геохимический ландшафт употреблялся для обозначения большей или меньшей территории, на которой наблюдается повторение определенных ландшафтных звеньев (катен). В современной литературе – это просто геохимические ландшафты (Гаврилова, 1985).

Характерная особенность элементарного ландшафта состоит в том, что в нем нет никаких каких-либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Отсюда А.И.Перельман предложил критерий выделения элементарного ландшафта: при отнесении какого-либо участка земной поверхности к элементарному ландшафту необходимо учитывать возможность (хотя бы мысленную) распространения данного элементарного ландшафта на значительно большей территории. Поэтому, например, пятно солончака размером в 10 кв. м является элементарным ландшафтом, так как известны солончаки размером в десятки и сотни раз больше.

По условиям миграции химических элементов Б.Б. Полынов (1952) выделил три основных элементарных ландшафта: элювиальный, супераквальный и субаквальный. М.А. Глазовская (1964) дополнила их новыми видами.

Элювиальный элементарный ландшафт приурочен к плоским водоразделам с глубоким уровнем грунтовых вод, не оказывающих заметное влияние на биологический круговорот элементов. Вещество и энергия в этом ландшафте поступают из атмосферы и через атмосферу. Характерны прямые нисходящие водные связи. Слагающие породы по вертикальному профилю могут быть как однородными, так и разнородными. Почвы автоморфные (атмосферного увлажнения). В элювиальных почвах происходит вмывание растворимых веществ и образование иллювиальных горизонтов. Миграция химических элементов по профилю почвы связана с движением почвенной влаги в соответствии с типом водного режима. Здесь идет преимущественно вынос вещества с нисходящими токами влаги. Выносу противостоит активный биологический захват элементов растениями и удержание их в биологическом круговороте. Происходит отбор растительных форм, которые способны существовать в данных условиях.

Супераквальный (надводный) элементарный ландшафт тяготеет к пониженным элементам рельефа. Грунтовые воды лежат близко от поверхности (как правило, в пределах корнеобитаемого слова). Они влияют на почвы и растительность. Здесь формируются полугидроморфные и гидроморфные почвы, в которых содержание элементов выше, чем в автоморфных. Здесь поселяются растения, приспособленные к избытку влаги и часто (например, галофиты) к избытку определенных химических элементов, привносимых грунтовыми водами. По содержанию химических элементов супераквальный ландшафт богаче за счет частичного привноса их из элювиального ландшафта. В тоже время из супераквального ландшафта химические элементы выносятся грунтовыми и поверхностными водами в субаквальный. Поступление извне ряда химических соединений оказывает глубокое влияние на интенсивность и направление химических реакций, на внешние формы, анатомию и физиологию организмов, их общую массу.

Субаквальный (подводный) элементарный ландшафт формируется на различных по составу подводных отложениях рек, озер, шельфовой зоны морей и океанов. Для этих ландшафтов характерен привнос материала с твердым и жидким поверхностным стоком. В отличие от элювиального ландшафта, где происходит постепенное разрушение пород, в субаквальном ландшафте идет отложение и накопление наносов и осадков, которые превращаются в породу. В субаквальных ландшафтах наблюдаются особые жизненные формы растений и животных и местами особые систематические группы. Подводные растения усваивают химические элементы, накапливающиеся в донных отложениях, а при отмирании преобразуются в сапропели – органоминеральные отложения с высоким содержанием битумов. В этих условиях протекает восстановление химических элементов и соединений, накапливается сероводород. Для субаквальных ландшафтов характерна аккумуляция тяжелых металлов и синтетических органических соединений – результата производственной деятельности человека.

Объем понятий «элювиальный», «супераквальный», «субаквальный» ландшафты в настоящее время несколько изменился. Так, к супераквальным ландшафтам относят верховые болота, хотя они занимают водораздельные поверхности и питаются не грунтовыми, а атмосферными водами.

Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и влияют на формирование супераквальных и субаквальных ландшафтов. Поэтому последние называются подчиненными. Напротив, элювиальные ландшафты менее зависят от субаквальных и супераквальных ландшафтов, так как не получают от них химических элементов с жидким и твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты называются также автономными.

Независимость автономных ландшафтов от надводных и подводных весьма условна, так как поймы и водоемы оказывают определенное влияние на ландшафты водоразделов через циркуляцию водяных паров, распространение туманов, перенос ветром различных соединений, содержащихся в воздухе, миграцию флоры и фауны с прибрежных участков на водораздельные и т.д. Поэтому автономность водоразделов понимается в смысле отсутствия поступления жидкого и твердого стока от надводных и подводных ландшафтов. Таким образом, различия между автономными, надводными и подводными ландшафтами заключается в характере аккумулятивных процессов и водных связей: в автономных аккумуляция связана с поступлением веществ из горных пород и атмосферы, а в надводных и подводных еще имеет место поступление из грунтовых и поверхностных вод. Для автономных ландшафтов характерны прямые нисходящие водные связи, для подчиненных – обратные.

Наряду с основными элементарными ландшафтами существуют многочисленные переходные формы, приуроченные к склонам, поймам рек и т.д. Поэтому М.А. Глазовская дополнила классификацию элементарных ландшафтов. Замкнутое понижение водораздела с глубоким уровнем грунтовых вод было названо аккумулятивно-элювиальным ландшафтом. Верхняя часть пологого и крутого склона или выпуклая вершина относятся к трансэлювиальным ландшафтам. В нижней части склона, на делювиальных и пролювиальных отложениях, формируется трансаккумулятивный (элювиально-аккумулятивный) элементарный ландшафт. Супераквальные ландшафты она делит на транссупераквальный, с проточными грунтовыми водами и активным водообменном, и собственно супераквальный ландшафт – с застойными грунтовыми водами замкнутых понижений. Субаквальные ландшафты с проточной водой (река, проточное озеро, море) называются трансаквальными, а с непроточной водой (непроточное озеро) – аквальными.

В поймах выражено сезонное изменение водного режима. В межень миграция элементов осуществляется по типу транссупераквальных ландшафтов, а в половодье – по типу трансаквальных.

3.4. Ландшафтно-геохимические барьеры

Начало разработке вопроса о геохимических барьерах было положено А.И.Перельманом (1961). Геохимические барьеры – это те части ландшафтно-геохимических систем, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, и как результат, их накопление (концентрация).

Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макробарьерам относятся, например, дельты рек – зоны смешения пресных речных и соленых морских вод, ширина таких барьеров может достигать сотен и тысяч метров (но это небольшая величина по сравнению с протяженностью реки и акваторией моря). К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, водоносные горизонты артезианских бассейнов. Ширина таких барьеров может достигать десятки и сотни метров. Микробарьеры встречаются гораздо чаще, в том числе в почвах. По сути, накопление в почвенных горизонтах таких новообразований как ортштейны, различные коры (солевые, латеритные) – результат изменения интенсивности миграционных потоков в почвенном профиле. Причина уменьшения скорости – изменение условий. Ширина таких барьеров может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Главная особенность барьера – резкое изменение условий и концентрация элементов. Это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой.

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяют два основных типа барьеров – природные и техногенные. В свою очередь, и в тех и в других выделяют по 3 класса: механические, физико-химические и биогеохимические. В ландшафтно-экологических исследованиях, так же как и в геохимии ландшафта наибольшее внимание уделяется физико-химическим барьерам.

Механические барьеры – это участки резкого уменьшения механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. Это наиболее простые геохимические барьеры. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции. Угольные залежи, торф, концентрация элементов в телах организмов и т.д. – следствие таких процессов. Физико-химические барьеры возникают в местах смены физических и химических условий миграции элементов. Это участки ландшафтов, где резко меняются температура, давление, окислительно-восстановительные, щелочно-кислотные и другие условия. Физико-химические барьеры классифицируются на виды по накоплению химических элементов. Последнее определяется во многом тем, в какой среде проходят миграционные процессы. Различают следующие десять основных классов: кислородный (окислительный), сероводородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамический, сульфатный, карбонатный.