Степные ландшафты.

Степные ландшафты - это травянистые, лишенные деревьев равнинные ландшафты с относительно сомкнутым ксерофитным травостоем. Эти ландшафты  распространены в восточной части Европы и в Азии, протягиваясь широкой полосой от р.Дунай до Китая, обширные пространства занимают они в Северной Америке ( здесь они называются прериями). Небольшие участки степей встречаются в Южной Америке (Аргентина и Уругвай), где они  называются пампасами. Причем степь всегда занимает промежуточное положение между летнезелеными лесами и пустынями. Степи менее ксерофитны, чем пустыни и более ксерофитны, чем леса.

Районы  распространения степей  характеризуются  умеренным  климатом со сравнительно небольшим количеством летних осадков.

Средние летние температуры составляют 20-250С, зимние в зависимости от степени континентальности составляют  от -4 -100С  до -24-300С. Годовое количество осадков меняется от 500 - 600 мм до 300-350 мм. Коэффициент увлажнения составляет 0,7-0,4. Наибольшее количество осадков выпадает летом,  в виде ливневых  осадков, которые стекают в понижения, не просачиваясь в почву. Зимы малоснежные, так же не создают больших запасов влаги в почвах.

Степи, как и саванны, характеризуются ксерофильностью растительного покрова. Доминантные растения степей имеют тускло-зеленый или серо-зеленый оттенок вегетативных органов, что связано с наличием приспособлений к перенесению дефицита и высоких температур: опушение, мелкие размеры или изрезанность листовых пластинок, восковой налет. Травянистый покров степей в общем является довольно густым, но в более сухих степях он начинает изреживаться. Физиономически степи разных стран сходны, но по флоре различаются, хотя и имеются общие роды. Для всех степей характерны погодичные флуктуации растительного покрова: в сухие годы лучше развиваются ксерофильные виды, во влажные - менее засухоустойчивые.

Для степей характерны семейства злаков, сложноцветных, в меньшей степени крестоцветных, бобовых, значительно меньше мхов и лишайников, во многих ландшафтах они отсутствуют. В крупных флористических районах число видов в черноземных степях примерно то же что и в широколиственных лесах, т.е. близко к 2000.

Доминантами настоящих степей являются  дерновинные злаки (перистые ковыли, типчак, мятлик, тонконог). Вторая по значимости синузия - разнотравье, включающее разнообразные жизненные формы. В состав степного разнотравья входят стержнекорневые растения (гвоздика, васильки), корневищные (вероника, подмаренник), корнеотпрысковые (полынь).

Особенностью степных растений является повышенное по сравнению с лесными растениями влажного климата содержание белка. Лучшие в мире пшеницы с наибольшим содержанием клейковины произрастают в засушливых степях. Во влажные годы урожай зерновых растет, но содержание белка и азота в семенах падает. Растворимые моносахариды также энергичнее накапливаются в сухом климате: фрукты и ягоды здесь слаще. Накопление нерастворимых углеводов (крахмал) напротив, более характерно для влажного климата. Многие  растения степей богаты серой, которая входит в состав белков и сульфоорганических небелковых соединений (аллиловые масла - горчичные и чесночные). Это обусловлено высоким содержанием серы в почвах. Железа и алюминия степная флора содержит мало, что объясняется малой подвижностью этих элементов в аридных ландшафтах.

В целом, относительное содержание водных мигрантов в степных  организмах выше, чем в лесных, содержание золы в растительном опаде достигает 10%. По минеральному составу степные травы часто делят на три группы: 1) злаки с высоким содержанием  кремния и невысоким азота, 2) бобовые со значительным накоплением калия, кальция, азота,

3) разнотравье, занимающее промежуточное положение. Имеются различия в распределении элементов по органам растений: кальций, кремний, железо и алюминий преимущественно накапливаются в корнях, натрий и калий - в надземных органах.

Интенсивность биологического поглощения для степей (Ах) следующая:

n*100     n*10       n                n-0,n                 0,n-0,0n

    Cl      S, P      K   Ca, Mg, Na, Mn      Si, Al, Fe

Биомасса в степях на порядок ниже, чем в лесных ландшафтах - от 100 до 350 ц/га, большая ее часть сосредоточена в корнях (70-90%). Ежегодная продукция П составляет 30-55% от биомассы (13-50ц/га), коэффициент однородности ландшафта К в черноземных и каштановых степях составляет 0,77-0,88,  а в субтропических сероземных возрастает даже до 0,95-0,97. Таким образом БИК степей по сравнению с лесными ландшафтами более прогрессивен.

 Зоомасса  в черноземных степях больше, чем в лесных ландшафтах и составляет около 6% от  общей биомассы. Во влажные годы возникающие в степях  волны жизни характеризуются  резким ростом биомассы и числа видов, бурно развивается фауна. В засушливые годы биомасса уменьшается, видовое разнообразие падает, ландшафт приобретает более пустынный облик. Наземная растительная масса  во влажные годы иногда в 10 раз больше, чем в засушливые.

Характерная особенность биологического круговорота в степях - скорость. Ежегодно в опад поступает 35-60% от биомассы (в тайге 1,5-4%). Характерно преобладание корневого опада, поэтому при его перегнивании весь гумусово-аккумулятивный горизонт почвы насыщается гумусом. На поверхности почвы накапливается степной войлок, причем соотношение войлока к опаду зеленой части, характеризующее скорость разложения растительных остатков в степи, близко к 1. Ежегодно в БИК вовлекается сотни кг водных мигрантов (луговые степи 700 кг/га, южная тайга - 155 кг/га). В луговых степях с опадом возвращается 700 кг/га водных мигрантов ( в лесных - 120 кг/га).

 В опаде степей, в отличии от опада широколиственных и хвойных лесов, содержится мало восков, смол, дубильных веществ и много азота, кальция, магния и других элементов питания,  полностью нейтрализующих органические кислоты, что облегчает и ускоряет в степях процессы гумификации. Это определяет насыщенность поглощающего комплекса почв основаниями,  их нейтральную и щелочную (слабощелочную) реакцию. Только в луговых степях возможна слабокислая реакция и некоторое количество обменного водорода в поглощающем комплексе.

В целинной степи вся верхняя толща почвы густо переплетена корнями, которые поглощают элементы питания, освобождающиеся в процессе минерализации органических остатков, и не дают им выйти за пределы почвенного профиля. Интенсивный биологический круговорот веществ охватывает почвенную толщу большей мощности, чем в почвах других ландшафтов.

Зональными почвами степей являются черноземы, которые в сухих степях сменяются темно-каштановыми почвами. В прериях и пампасах зональными почвами являются черноземовидные почвы - бруниземы. Для этих почв характерно интенсивное накопление гумуса и формирование мощных (до 1 м) гумусового (А) и переходного (АВ) горизонтов, содержащих гумус. В верхнем горизонте А в связи с энергичным разложением органических остатков почвенный воздух содержит много углекислого газе, а в растворе существует устойчивая система: ион кальция и ион бикарбоната (Ca 2*+ 2HCO3-). В нижней части переходного горизонта углекислого газа становится меньше и из раствора начинает осаждаться   (CaCO3), образуя иллювиальный карбонатный горизонт (В):

                                       Ca( HCO3 )2  ® CaCO3 + H2 O + CO2

Определенную роль в осаждении СаСО3 играют  испарение растворов и микроорганизмы, которые получают энергию для своей жизнедеятельности за счет данной реакции. Таким образом, иллювиальный горизонт является  продуктом БИК, он не менее биогенен, чем гумусовый горизонт. Следовательно, основные горизонты степных почв - гумусовый и карбонатный - порождены одной причиной - биологическим круговоротом атомов. От интенсивности БИКа, мощности гумусового горизонта зависит глубина залегания карбонатного горизонта. Но если почвы формируются на карбонатных породах, то вскипание от НСl с поверхности. У сильно промытых черноземов карбонаты кальция встречаются с глубин в 1 м.

Накоплению гумуса в степных почвах способствует целый ряд факторов, и прежде всего поступление значительных масс растительного опада, легко разлагающегося и имеющего высокую зольность. В отличие от лесных ландшафтов, в почвах степей накапливается в 20-З0 раз больше органического вещества, чем в биомассе (луговые степи- до 8000 ц/га, сухие степи - 1000-1500 ц/га гумуса). В процессе разложения растительного опада степей формируются в основном гуминовые кислоты, дающие малорастворимые соли. В результате, подвижные формы гумуса составляют не более 10-20% от всей массы

Важным условием накопления гумуса в почвах степей является смена периода увлажнения почв весной и осенью летним засушливым периодом, когда запас влаги в верхнем полутораметровом слое почвы снижается до влажности завядания. Это тормозит жизнедеятельность организмов, в результате чего минерализация органических остатков приостанавливается и в почве накапливается гумус. В первой половине лета климатические условия благоприятствуют росту трав и усиленному поглощению ими влаги и элементов питания. Это способствует подтягиванию вместе с пленочной влагой некоторых элементов, выщелачиваемых за влажный весенний  период из верхних горизонтов почвы. Таким образом, степная растительность не только обогащает почву органическими веществами, но и создает условия для аккумуляции в ней элементов минерального питания. Накоплению гумуса способствует также наличие зимнего охлаждения и замораживания почв. Низкие температур вызывают процессы денатурации гумуса, тем самым препятствуя его вымыванию. Для черноземов характерна нейтральная и близкая к нейтральной реакция почвенного раствора Сохранению нейтральной реакции, а также оструктуриванию почвы способствует карбонатность материнских почвообразующих пород, а также высокая зольность растительных остатков и богатство золы основаниями. В формировании черноземных почв принимают участие большое количество микроорганизмов (по некоторым данным  свыше 3,5 млн. на г почвы). Очень разнообразна фауна мелких животных, разрыхляющих и перемешивающих почву. Это разнообразные черви, мелкие грызуны, щелкуны, усачи, пыльцееды. Обитают и более крупные землерои - сурки, суслики. В результате их деятельности  почвы становятся более воздухо- и водопроницаемыми, по норам гумус проникает в нижние горизонты.

В верхней части почв биогенным путем аккумулируются фосфор, сера, калий, Ах которых превышает 1  /иногда он равен 10/. Однако содержание этих элементов может быть и значительно ниже за счет выщелачивания или отчуждения с урожаем. Кальций аккумулируется биогенным путем, но он выщелачивается, что обеспечивает гидрокарбонатно-кальциевый состав почвенных растворов. Ах магния меньше, чем у кальция, но и вынос его слабее. БИК и выщелачивание определяют миграцию в почве некоторого количества кальция и натрия, однако их много меньше, чем кальция, поэтому кальций занимает основное место в поглощающем комплексе.

 Для черноземных и темнокаштановых почв характерны два основных геохимических барьера: 1) биогеохимический в верхней части гумусового горизонта, где за счет биогенной аккумуляции накапливаются фосфор, сере, калий кальций, местами магний, натрий, стронций, медь, цинк, кобальт, мышьяк, серебро, барий, свинец и другие микроэлементы; 2) щелочной и термодинамический - в нижней части гумусового горизонта в верхней части карбонатного, где накапливается СаСО3. В этих почвах преобладает окислительные условия  и отсутствие оглеения  (железо неподвижно). Возможно при увеличении увлажнения на короткий срок создается слабовосстановительная или слабоокислительная среда с подвижным марганцем. Этим объясняется некоторое передвижение марганца и черный цвет гумуса. В темнокаштановых почвах постоянно окислительная среда, поэтому цвет коричневый, а марганец неподвижен.

Грунтовые воды степей являются истинными ионными растворами, нередко высокой концентрации. В них почти нет органических веществ и минеральных коллоидов. Они насыщены не только такими элементами как Са, но иногда также и Mg, Na, S, Cl, N. При испарении вод образуются минералы этих элементов. Так как воды бедны органическими соединениями, то они бедны свободной энергией, не агрессивны (нейтральные и слабощелочные). Часто насыщенные растворы не обладают ни растворяющей, ни разлагающей способностью, что определяет незначительное воздействие  грунтовых вод на вмещающие породы. 

 Воздушная миграция в степях играет большую роль, чем в лесных ландшафтах и она усиливается с увеличением засушливости климата.  С атмосферными осадками в степные ландшафты  поступает около 1 ц/га солей (в луговые - 1-1,2; в типичные 0,75-1,0; в  сухие - 0,6-0,9 ц/га). Это значительно меньше количества веществ, поглощаемых растениями и коэффициент атмогеохимической  активности (КА) для луговых степей составляет 0,2-0,3; для типичных степей - 0,1-0,2 и для сухих степей 0,4-0,6.  В степях, особенно в сухих, по воздуху перемещается огромное количество силикатной пыли и солей. Пыльные бури, возникающие в переходные (весенне-осенние ) периоды, приводят к существенным потерям вещества из верхних горизонтов почвенного покрова. Эти потеря значительно усиливаются при распашке, сопровождающейся полным уничтожением естественного травяного покрова. Вероятность возникновения пыльной бури и потери от нее увеличиваются по мере аридизации степи.  

Степи включают несколько семейств, выделение которых связано с зональными и провинциальными особенностями. Выделяют:  черноземные луговые степи  кальциевые,   кальциево-натриевые, кальциево-магниевые; средние и южные черноземные степи  кальциевые, калиево-натриевые и кальциево- магниевые; сухие степи. Последние  являются переходными между черноземными степями и пустынями. Между черноземными степями и сухими степями нет столь четких различий, как между тайгой и широколиственными лесами. Переходы в степях постепенные. Между сухими степями и пустынями также очень постепенные переходы и есть много общих черт.

 Сухие степи подразделяются на северные и южные. Первые образуются на темно-каштановых почвах и характеризуются более интенсивным БИКом, вторые - на светло-каштановых с меньшим БИКом. Для сухих степей характерна комплексность почвенно-растительного покрова с сочетанием каштановых почв с солонцами.

Евразийские степи сменяются с севера на юг по мере аридизации климата. В Северной Америке смена луговой прерии на настоящую и затем на низкотравную происходит с востока на запад (от океана вглубь континента) и также связана с аридизацией климата.

Геохимические проблемы здоровья населения и сельского хозяйства.

  В луговых и черноземных степях богатство почв обменным Са определяет ряд особенностей их флоры и фауны: растения не испытывают недостатка в Ca, животный мир имеет все признаки кальциевой достаточности. Велики в почвах потенциальные запасы других биофильных элементов - азота, фосфора и калия. Но они слабо подвижны и культурные растения часто в них нуждаются. Особенно резко сказывается недостаточность фосфора. Поэтому необходимо внесение удобрений, содержащих азот и фосфор, последний особенно, так как он повышает устойчивость растений к засухе.

В медико-геохимическом отношении ландшафты степей относятся к категории благополучных. Эндемический зоб, кариес и другие болезни, связанные с дефицитом элементов здесь распространены меньше. Но высокая карбонатность вод приводит к более частым проявлениям мочекаменной болезни, связанной с жесткостью воды. Сухие степи отличаются избыточностью некоторых элементов и связанной с этим заболеваемостью: уролитиазом, флюорозом.

Важнейшая сельскохозяйственная проблема сухих степей - преодоление дефицита воды. Почвы и воды сухих степей сравнительно богаты большинством биологически ценных элементов, но и здесь наблюдается дефицит азота и фосфора, что связано с их малой подвижностью. В некоторых районах дефицитны марганец, йод, медь, кобальт.

Основные геохимические особенности степных ландшафтов.

*  Водная миграция в степях ослаблена. Аридность климата определяет более слабый сток, чем в лесных ландшафтах, меньшее значение центра и прямых нисходящих водных связей,  менее совершенное химическое сопряжение внутри автономного ландшафта и между автономными и подчиненными ландшафтами, развитие испарительной концентрации элементов.

*  В результате более энергичной минерализации органических остатков содержание восстановителей в почвах и водах степей низкое. В автономных ландшафтах среда окислительная  (Fe3+ S6+ U6+ V5+). Органические кислоты полностью нейтрализуются кальцием, натрием и другими катионами. Отсюда незначительная роль Н+ и преобладание нейтральной и щелочной среды. В условиях степей и пустынь высокой подвижностью обладают лишь одно- и двухвалентные ионы, часто с большим радиусов, с резко выраженными кислотными или щелочными свойствами.

*  В щелочной среде степей создаются благоприятные условия для миграции анионогенных элементов, которые малоподвижны в кислых лесных ландшафтах ( наоборот, многие катоиногенные элементы, которые были очень подвижны в кислых ландшафтах здесь малоподвижны). Степи как и пустыни - это царство низковалентных, преимущественно крупных ионов, обладающих низкими энергетическими характеристиками.

*  Ведущую роль в степях играют обратные отрицательные биокосные связей. Благодаря биогенной аккумуляции в почвах накапливаются значительное количество биофильных элементов. Плодородные черноземные почвы степей являются продуктов Бика. Накопившиеся мощные запасы гумуса почв являются важнейшим фактором стабильности степных ландшафтов. Биогенная аккумуляция в этих почвах сильнее, чем в лесных, выщелачивание слабее, что объясняется щелочной средой, менее благоприятной для миграции большинства металлов (нет кислого выщелачивания), и слабым промачиванием в условиях сухого климата. Следовательно, резко выражен механизм отрицательной обратной биокосной связи, стабилизирующей состав почв.

* Степям присуща резкая геохимическая контрастность между водоразделами и долинами. Элементарные ландшафты получают примерно равное количество тепла, но количество влаги различно: подчиненные ландшафты получают ее больше, чем автономные.

*  В степях (особенно в сухих) увеличивается влияние состава горных пород. Уменьшение  по мере аридизации  биологической информации приводит к увеличению роли неорганической информации (увеличению числа минералов и разнообразия почв и вод).