Геохимическая структура и эволюция лагунно-маршевых ландшафтов Западного Прикаспия

Глобальные изменения природной среды стали важнейшим приоритетом исследований в области наук о Земле. Дискутируется соотношение природной и антропогенной составляющих различных глобальных явлений и процессов. С позиции географии особый интерес представляют региональные последствия глобальных климатических изменений, иногда отличающиеся весьма существенно по направленности и скорости от основного глобального тренда.

Актуальность исследований. Как известно, одной из наиболее актуальных проблем является глобальное потепление климата и связанное с ним медленное (2−3 мм в год) поднятие уровня Мирового океана (Climate change, 2001). В ряде низменных приморских районах это уже привело к интенсивному размыву береговой зоны, часто этот процесс приобретает катастрофический характер (Берд, 1990). Существуют разные сценарии (от 0,5 до 3 м) дальнейшего подъема уровня Мирового океана к 2100 году (Changes., 2001; Morner, 2004). Наибольшее влияние на трансформацию береговой зоны, особенно для низменных аккумулятивных берегов, окажет увеличение ' скорости подъёма уровня (Stoddart, Reed, 1990; Pirazolly, 2007).

Лагунно-маршевые ландшафты распространены на аккумулятивных морских побережьях, площади которых расширяются в условиях тектонических погружений и э в статического подъёма уровня Мирового океана. (Каплин и, др., 1991; Леонтьев и др., 1977; Современные глобальные., 2006). Лагунно-барьерные комплексы стали появляться в береговой зоне с начала послеледниковой трансгрессии океана, когда океанские воды затапливали плоские шельфовые равнины, осушенные в период ледниковой регрессии (Современные глобальные., 2006). В настоящее время протяженность лагунных берегов составляет 43 тыс. км (Каплин и др., 1991), и именно на этих участках побережья формируются маршевые ландшафты. Эволюция маршей тесно связана с колебаниями. уровня моря, сопровождающимися потоками вещества между контактирующими средами — водной и воздушной, почвенным покровом, донными отложениями и живым веществом. Прогноз развития лагунно-маршевых ландшафтов невозможен без детального анализа их ландшафтно-геохимической структуры с особым вниманием к почвенному покрову и донным отложениям.

Существующие представления о формировании и функционировании маршей имеют геоморфологическую (Beets et al., 2003; Carter et al., 1989; Fruergaard et al., 2010; Morton et al., 2000; Storms et al., 2008 и др.), гидрологическую (Araujo et al., 2008; Moore et al., 1984; Molinaroli et al., 2007; Webster, 2010) и биогеохимическую направленность (De Lacerda, 1994; Eriksson et al., 2003; Hohn et al., 1986; KjerfVe, Magill, 1989; McKirdy et al., 2010). Большинство работ по геохимии лагунных берегов посвящено антропогенному загрязнению прибрежных ландшафтов, (Carrer et al., 2006; Galindo et al., 1997; Green-Ruiz et al., 2001; Mirlean et al., 2003; Zourarah et al., 2007) и развитию процесса диагенеза лагунных осадков (Beltrame et al., 2009; Cotner et al., 2004; Metzger et al., 2007; Scholz et al, 2007). Однако вопросы влияния подъема уровня океана на геохимические изменения прибрежных почв и донных осадков лагун пока-изучены недостаточно (Day et al., 1999; Kolker et al., 2009; Roy et al., 2010). При этом практически не освещается влияние наступающего моря на изменчивость ландшафт-но-геохимической структуры маршей, определяющей направленность техногенных потоков вещества в прибрежной зоне.

Одной из, наиболее информативных региональных моделей для изучения быстротекущих изменений природной среды-являются'прибрежные ландшафты При-каспия, которые за последние 80' лет прошли регрессивную фазу развития, сменившуюся в 1978 г. стремительным (до 30 «см в год) наступлением: моря с последующей' стабилизациейпродолжающейся* до настоящего времени. Пройдя полный цикл развития, — лагунно-маршевые ландшафты Прикаспия могут служить моделью для прогнозирования геохимической эволюции побережий других регионов.

Многолетние наблюдения за эволюцией российских берегов Каспия были начаты в середине прошлого века в регрессивную фазу (Леонтьев, 1949; Рычагов, Леонтьев, Маев, 1977) и продолжились в период дальнейшей трансгрессии (Леонтьев и др., 1987; Игнатов и др., 1992; Рычагов и др., 1996). В результате последней трансгрессии Каспийского моря" во многих прибрежных районах сформировались лагунно-маршевые берега, общей протяженностью около 50% всего побережья (Огородов, 1998). Прикаспийские марши являются уникальным объектом исследования для изу-чения.региональных последствий климатических изменений.

Цель работы: оценить направленность и скорость трансформации геохимической структуры лагунно-маршевых ландшафтов Западного Прикаспия за последний полный цикл колебаний уровня моря.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• определить факторы дифференциации прибрежных катен и выявить основные особенности геохимической структуры лагунно-маршевых ландшафтов Западного Прикаспия;

• установить этапы геохимической эволюции лагунно-маршевых ландшафтов в полном цикле колебанийуровня Каспийского моря (регрессия-трансгрессия-стабилизация);

• изучить сезонную динамику почвенно-геохимических условий иландшафтно-геохимических процессов;

• оценить степень изменчивости прибрежных почв в результате воздействия кратковременных экстремальных климатических явлений;

• разработать сценарии ландшафтно-геохимических последствий дальнейших, колебаний уровня Каспийского моря в-береговой зоне.

Объекты исследований. Были изучены почвы и донные отложения лагунно-маршевых ландшафтов 4 ключевых участков, расположенных на западном побережье Каспийского моря.

В основу работы положены:

— материалы полевых ландшафтно-геохимических исследований автора на ключевом участке «Турали» на побережье Дагестана (2002;2005 гг.);

— фондовые материалы исследований лагунных берегов Дагестана и Азербайджана, проведенные сотрудниками кафедры геохимии ландшафтов и географии почв в 1995;99 гг.;

— литературные данные об изменениях береговой зоны Каспийского моря при колебаниях его уровня.

Методы исследований. Работа основана на методологии ландшафтно-геохимических исследований, основные положения которой развиты в работах М.А.

Глазовской, А. И. Перельмана, Н. С. Касимова. Основными методами исследования явились сравнительно-географический и сравнительно-хронологический. Большая часть химико-аналитических работ проведена в лабораториях географического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Содержания химических элементов в пробах определялись атомно-абсорбционным, спектральным и рентген-флуоресцентным методами. Для обработки полученных результатов использовался регрессионный анализ, при построении карт — метод почвенно-геохимического картографированиям.

Комплексные геоморфологические, геоботанические, почвенные и ландшафт-но-геохимические исследования были проведены на различных типах берегов западного побережья Каспия в конце трансгрессивной фазы (1995;1997 гг.)1. В результате были получены данные о влиянии трансгрессии Каспийского моря на динамику берегов (Игнатов и др., 1992; Бадюкова и др., 1996), растительного покрова (Мяло, Малха-зов, 2000), эволюцию почв и ландшафтно-геохимических процессов^ береговой зоне (Геннадиев и др., 1998; Касимов и др., 2000).

Эти исследования (показали, что ландшафтно-геохимические последствия колебаний уровня моря во многом обусловлены геоморфологическим строением прибрежной! зоны и типами берегов. В период. трансгрессии моря береговые процессы в значительной степени’зависят от уклонов подводного берегового склона и прибрежной суши (Игнатов и др., 1992; Бадюкова и др., 1996). На севере российского побережья в районе дельты Волги подъем уровня моря мало сказался на преобразовании берегов, поэтому проводимые здесь ландшафтно-геохимические исследования не выявили существенных геохимических изменений почв и донных отложений дельты (Касимов и др., 1999).

При движении с севера на юг, по мере удаления от мелководья авандельты Волги и увеличения уклонов береговой зоны, влияние трансгрессивного воздействия, на береговую зону увеличивалось (Кравцова, Лукьянова, 1997). В южнош половине калмыцкого побережья при очень пологих уклонах (порядка 0,0005) преобладало затопление трансгрессирующим морем широкой полосы берега шириной до 1−2 км. В.

1 при финансовой поддержке программы Европейского Союза ШТАБ (№ 94−3382, 99−139), Нидерландского научного фонда (И\Ю) (№ 047 003.010.00.95, 047.011.000.0), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 07−05−752, 06−05−8 097), программы «Интеграция», гранта Правительства Российской Федерации «Оценка рисков природных катастроф в береговой зоне». г ч I 1 < тыловой части тростниковой осушки формировались лагуны сложной конфигураций, ширина которых варьировалась в течение года.

При достаточно больших уклонах (более 0,8°) на берегах образовывались абразионные клифы, которые отступали при дальнейшем подъёме уровня моря. В таких районах преобладала механическая миграция вещества, и перестройка прибрежных ландшафтов г была связана с эрозией почв:

Существенной трансформации в результате подъема уровня моря подверглись низменные аккумулятивные берега с уклонами более 0,0005. Они преобразовались в лагунные берега с четко выраженным береговым валом и лагуной, которые стали наиболее распространенным типом аккумулятивных берегов на, побережье Каспийского моря (Бадюкова и др., 1996; Рычагов и др., 1996;БадюковаСоловьева, 2003).

Геохимическая! трансформация прибрежных почв при подъеме уровня моря связана со сложнымсочетанием ландшафтно-геохимических и эпигенетических процессов, которые анализировались в плане их стадиальности, количественной выраженности и скорости протекания (Касимов, и др., 2000).- Для#описания и объяснения/ поведениявещества в' прибрежных ландшафтах использовались представления" М'.А.Глазовской (1988) о ландшафтно-геохимических процессах (ЛГП), как совокупности биогеохимических и физико-химических явлений, сопровождающихся? пространственной дифференциацией химических элементов. В| прибрежной зоне протекают главным образом, гидрогенные и биогенные ЛГП с преобладанием водной и биогенной миграции, с нахождением элементов преимущественно В1 миграционно-активных, подвижных формах (сульфидогенез, глеегенез, гуматогенез, оксидогенез, галогенез). Именно последствия этих процессов соответствуют характерному времени стадий колебаний уровня Каспийского моря (годы, десятки лет).

В тыловой часги лагуны при затоплении и подтоплении формируется маршевая зона, шириной 200−300 м, где геохимическая трансформация почв связана со сложным сочетанием ЛГП, развитие которых на значительных территориях приморских низменных аккумулятивных равнин в России, Казахстане, Азербайджане, ведет к формированию своеобразных лагунно-маршевых ландшафтов, не свойственных регрессивным фазам.

Для Каспийского моря характерно наложение малых флуктуаций на долговременные колебания уровня моря (Свиточ, 1991), изучение которых дает возможность 8 получить информацию о динамике и скоростях природных процессов с коротким характерным временем, сглаживающихся при увеличении временного интервала исследований. Поэтому, в период стабилизации уровня работы на побережье Каспийского моря были продолжены, что позволило изучить реакции растительности на кратковременные изменения уровня моря (Мяло и др., 2004) и трансформацию береговой зоны (Бадюкова и др., 2004).

Научная новизна. В работе решена задача — проведена оценка трансформации геохимической структуры лагунно-маршевых ландшафтов Западного Прикаспияимеющая важное научное и практическое значение для геохимии ландшафтов. Проведен анализ прибрежных катен по степени проявления ландшафтно-геохимических процессов (ЛГП) и уровню геохимической дифференциации ландшафтов по содержанию различных элементов в почвах^ и отложениях лагунных берегов. На примере ключевого участка «Турали» разработана схема эволюции ЛГП за последние 30 лет. Дана оценка изменчивости почв и донных отложений ла1унных берегов к колебаниям уровня моря и сгонно-нагонным явлениям в бассейне Каспия.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Полный цикл колебаний уровня Каспийского моря привел к формированию прибрежных лагунно-маршевых катен восходящей миграции с образованием контрастных кислородных, сульфидных, щелочных и биогеохимических барьеров в почвах и донных отложениях.

2. Геохимическая эволюция лагунно-маршевых ландшафтов в течение полного цикла колебаний уровня Каспийского моря проявилась в смене регрессивного комплекса ЛГП' с преобладанием засоления и слабого накопления органического вещества, на лагунно-трансгрессивный комплекс ЛГП с интенсивным развитием процессов сульфидогенеза, глеегенеза, оксидогенеза и накопления органического вещества в трансгрессивную фазу и усилением процессов подкисления на стадии стабилизации.

3. В результате трансформации радиальной и латеральной структуры прибрежных ландшафтов произошла металлизация почв и отложений маршевой зоны с формированием-устойчивых ландшафтно-геохимических аномалий железа и тяжелых металлов (РЬ, Си, Со, N1). В прибрежных ландшафтах Дагестана и Азербайджана в зонах полупустынь умеренного пояса и сухих субтропиков образуются сильноконтрастные геохимические аномалии, а в зоне влажных субтропиков Ленкоранской низменности — слабоконтрастные.

Практическая значимость работы. Предложенная методика позволяет проводить пространственно-временной анализ ландшафтно-геохимических трансформаций низменных аккумулятивных берегов при колебаниях уровня моря и прогнозировать их дальнейшие изменения. Разработанные подходы могут найти применение при. решении аналогичных задач на побережьях Мирового океана.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, на заседаниях кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносоваотдельные результаты исследований-представлены в докладах на Международных научных конференциях: «Геохимия биосферы» (Москва, 2006)^ «Holocene Caspian sea level change» (Дельфт, Нидерланды, 2002), «Ломоно-сов-2003» (Москва, 2003), «Антропогенная-динамика природной среды» (Пермь, 2006), «Проблемы устойчивого функционирования* водныхи наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006), Caspian Sea Workshop (Гент, Бельгия, 2007), «The Caspian region: environmental consequences of the climate change» (Москва, 2010), «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, Казах стан, 2010), European Geosciences Union General Assembly 2011 (Вена, Австрия, 2011).

Публикации. Материалы проведенных исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе в 1 статье в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК.

Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю академику РАНпроф. Н. С. Касимову за постоянное внимание к исследованию, ценные советы и замечания, организаторам полевых экспедиционных работ — доценту М.Ю. Лы-чагину и профессору С. Крооненбергу, профессору А. Н. Геннадиеву и коллективу кафедры геохимии ландшафтов и географии почв, оказавшим содействие в сборе, анализе и обсуждении материалов диссертации.

Выводы.

1. Полный цикл колебаний уровня Каспийского моря привел к формированию ка-тен восходящей миграции с образованием? контрастных кислородных, сульфидных, щелочных и биогеохимических барьеровв почвах и отложениях лагунно-маршевых ландшафтов.

2. Геохимическая^ эволюция лагунно-маршевых ландшафтов^ в течение полного цикла колебаний уровня Каспийского моря? проявилась в смене регрессивного комплекса ЛТП с преобладанием засоления и слабого гумусонакопленияналагунно-трансгрессивный комплекс ЛТПс интенсивным развитием процессов сульфидогене-за^ глеегенеза, оксидогенеза и накопления органического-вещества в^трансгрессивную фазу и с усилением процессов подкисления на стадии стабилизациш 3:. Геохимическаятрансформация радиальнойи* латеральной-структуры-прибрежных ландшафтов: привела к металлизации почв и отложений маршевой-зоны, сформи-рованием за, 10 лет устойчивых ландшафтно-геохимических аномалий: На стадии стабилизации? увеличилась, интенсивность, накопленияЕе и ТМ: посравнению с трансгрессивной фазойШ зонах. полупустыньумеренного пояса (участок «Турали») и сухих субтропиков- (Апшеронский п-овКура-Араксинскаянизменность) содержание Бе и-ТМ5-вгдонных отложениях лагуньгвозросло в 3−8 разшв-зоне влажньшсубтропиков (Ленкоранскаяшизменность) — вй5−2раза:

4. Повышение уровня моря приводят: к резкой интенсификации ландшафтно-геохимических процессов, в. почвах, маршевой зоны. Скорость накопления органического вещества возрастает от 270 кг/га в год вюлаборазвитых луговых почвах до 1530 кг/га-в год в маршевых сульфидных почвах. За 10 лет в почвах маршевой зоны сформировался ожелезненныйгоризонг мощностью 3−4 см, при этом валовое содержание железа возросло в. 1,5 раза. Окисление сульфидных горизонтов? маршевых почв привел о к-появлению серной кислоты и понижению рН до 6:7 ед.

5. Для прибрежных ландшафтов Дагестана у станов л єна" — сезонная/ динамика. рН, ЕЬсодержания подвижных форм Ре и минерализации почвенных растворов, обусловленнаятемпературным. режимом, осенним максимумом осадков: и увеличением интенсивности микробиологической активности в весенне-летний период.