Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ КАК ФАКТОР В ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ 6
1.1. Геологическое строение 6
1.2. Орография и геоморфология 8
1.3. Гидрография и гидрология 14
1.4. Климат 16
1.5. Растительность 20
1.6. Почвенный покров 27
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
2.1. Объекты исследования 29
2.2. Методика полевых исследований ...38
2.3. Методика лабораторных исследований 39
2.4. Химическая природа радионуклидов 43
2.4.1. Уран 43
2.4.2. Торий 45
2.4.3. Калий 48
2.4.4. Цезий 51
ГЛАВА 3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ГОРНЫХ, ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОДАХ И ПОЧВАХ 53
3,l.238U,232Th,40K в горных породах 53
3.2. Почвообразующие породы Горного Алтая и содержание в них 238U3 232Th, 40К 60
3.2.1. Краткая характеристика почвообразующих пород 60
3.2.2. 238U, 232Th, 40К в почвообразующих породах ...63
3.3. Содержание ^234^ в почвах 73
3.3.1.238U в почвах 73
3.3.2.232Th в почвах ; 89
3.3.3.40К в почвах 96
ГЛАВА 4. 137Cs В ПОЧВАХ 102
4.1. Пространственное распределение Cs в почвенном покрове горной страны 102
4.2. Распределение 137Cs по профилю наиболее распространенных почв 108
ВЫВОДЫ 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125
- Гидрография и гидрология
- Химическая природа радионуклидов
- Краткая характеристика почвообразующих пород
Введение к работе
Актуальность. Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение — явления не новые. Они существовали задолго до зарождения жизни на Земле и присутствовали в космосе до возникновения самой планеты. Основную часть облучения живые организмы получают от естественной радиации, источниками которой служат природные образования (месторождения радиоактивных и некоторых других полезных ископаемых, горные породы, содержащие естественные радионуклиды в повышенных концентрациях, природные воды, в том числе в районах нефтедобычи, с высоким содержанием урана, тория и продуктов их распада -радия и радона), а также промышленные предприятия, ведущие добычу и глубокую переработку руд, и ТЭЦ, работающие на углях, горючих сланцах и торфах с высоким содержанием радиоактивных элементов.
Развитие атомной промышленности и атомной энергетики, испытания ядерного оружия приводят к тому, что радиоактивные вещества становятся компонентами, загрязняющими окружающую среду, а их ионизирующее действие выступает негативным фактором внешней среды. Естественно, большое значение приобретает исследование биогеохимической судьбы I37Cs, являющегося индикатором былого радиоактивного загрязнения окружающей среды, связанного с испытаниями ядерных устройств.
В этой связи, оценка сложившейся эколого-геохимической ситуации в отношении естественных и искусственных радиоактивных элементов в Алтайской горной стране представляет большое теоретическое и прикладное значение.
Цель работы. Исследование уровней содержания и характера распределения естественных радиоактивных элементов и радиоцезия в почвах и почвенном покрове Горного Алтая и оценка сложившейся ситуации с экологических позиций.
Задачи исследования. Изучить уровень содержания естественных радиоактивных элементов (238U, 232Th,40K) в наиболее распространенных горных и почвообразующих породах и почвах; исследовать уровень активности и характер распределения Cs в почвах и почвенном покрове горной страны; оценить современный статус радиоактивности исследованной территории с экологических позиций.
Научная новизна. В результате проведенных исследований определены уровень содержания и характер распределения естественных радиоактивных мй Til Af\ элементов Г*и, ^ТЬПС) в наиболее распространенных горных и почвообразующих породах Алтайской горной страны, выявлена существенная пестрота их содержаний в почвах и почвообразующих породах: выше уровень - в глинистых субстратах, ниже - в песчаных.
Обнаружены неодинаковый уровень активности и большое разнообразие
137 _ в распределении Cs в почвах и почвенном покрове исследованной территории. Радиоцезий, как правило, аккумулируется в верхней 10-сантиметровой части гумусового горизонта и приурочен к вершинам хребтов, седловинам, верхним частям облесенных склонов гор.
Практическая значимость. Результаты исследований могут использоваться при решении задач экологического мониторинга, санитарно-гигиеническими службами и уже нашли свое применение в учебном процессе Горно-Алтайского государственного университета в курсах «Радиохимия», «Химическая экология», «Химия окружающей среды» и «Экология горных регионов».
Апробация. Основные материалы диссертации докладывались на межлабораторном семинаре ИВЭП СО РАН, на III и IV Биогеохимических школах «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Горно-Алтайск, 2000; Москва, 2003), на II и III Международных конференциях по проблеме «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2002, 2004) и на региональных конференциях «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Томск, Горно-Алтайск, 2000), «Проблемы социально- экономического и экологического развития Республики Алтай: состояние и перспективы» (Горно-Алтайск, 2001), «Химия: образование, наука, технология» (Якутск, 2003).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в сборниках научных трудов Международных, Российских и региональных конференций, симпозиумов и школ. Общее число публикаций - 10.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографии, включающей 133 источников. Общий объем диссертации - 136 страниц, в том числе 15 таблиц и 30 рисунков.
Защищаемые положения. В своем исследовании автор диссертации руководствовалась научной концепцией, сформулированной М.А. Мальгиным (1997), суть которой заключается в следующем: биогеохимический статус той или иной территории является одним из существенных факторов, определяющих ее функционирование. В эту концепцию полностью вписывается тема исследования.
Исходя из концепции, логично вытекают и защищаемые положения:
1. Содержание естественных радиоактивных элементов (238U, 232Th, 40К) в почвах находится в зависимости от концентрации их в горных и почвообразующих породах горной страны, а распределение по профилю - от свойств почв и химической природы этих элементов.
2. Активность радиоцезия в почвенном покрове Алтая в целом и в отдельных районах зависит от уровня глобальных и локальных выпадений его и последующего перераспределения, связанного с природными условиями горной страны и свойствами почв. б ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ КАК ФАКТОР В ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ
На уровень содержания и характер распределения как естественных, так и техногенных радиоактивных элементов в почвах сильное влияние оказывают природные условия. Опираясь на опубликованные источники [Нехорошев, 1958, Куминова, 1960, Почвы..., 1973, Мальгин, 1978; Маринин, Самойлова, 1987; Модина, 1997; Хмелев, 1982] и собственные наблюдения кратко рассмотрим основные черты геологии, орографии и геоморфологии, гидрологии, климата, растительности и почвенного покрова района наших исследований- Алтайской горной страны.
1.1. Геологическое строение
Зная состав и свойства горных пород, слагающих ту или иную страну, можно с большой долей вероятности судить об обогащенности ее почв естественными радиоактивными элементами.
Алтай в геологическом отношении достаточно сложен [Нехорошев, 1958; Щукина, 1960; Девяткин, 1965], Фундамент этой горной страны заложен в докембрии и нижнем палеозое в результате салаирских и каледонских движений.
К докембриймским отложениям относятся метаморфические породы хребтов Терехтинского и Холзун. Среди горных пород наиболее широко распространены серицито-хлорито-кварц-альбитовые сланцы, часто с кальцитом.
Кристаллические и метаморфические сланцы палеозоя известны на северном склоне хребта Сайлюгем, в соседней с ним восточной оконечности Южно-Чуйского хребта и в Курайском хребте. В Северном и Северо-Восточном Алтае по нижнему течению Бии и Катуни распространены карбонатные породы с глинистыми, кремнистыми и карбонатными горизонтами, а также морскими вулканогенными толщами.
К концу кембрггя территория Алтая вновь испытывала погружение. В верхнем кембрии, ордовике, силуре и девоне здесь формировались мощные песчано-сланцевые толщи. Грубозернистые песчаники, зеленые и лиловые алевролиты, глинистые и кремнистые сланцы и тонкозернистые песчаники кембро-ордовика встречаются в Северо-Восточном, Северо-Западном и Центральном Алтае.
В каледонский этап тектогенеза отложения кембро-ордовика в ряде мест претерпели глубокий метаморфизм с образованием зон кристаллических сланцев и гнейсов, известных в Курайском, Шапшальском, Сайлюгемском и Южно-Чуйском хребтах и в Прителецком районе. С этим же этапом связано появление гранитных массивов в бассейнах Чулышмана и Башкауса, в Курайском хребте и Прителецком районе.
Отложения ордовика, силура и девона представлены глинисто-известковыми сланцами, известковыми песчаниками, белыми, серыми и темно-серыми известняками, алевролитами, глинистыми и мергелистыми сланцами. Для девона характерно также обилие вулканогенного материала кислого характера. Морской режим в среднем девоне существовал лишь на небольшой территории, в прогибах, унаследованных от салаирской системы. Морские отложения девона найдены в районе Терехтинского и Семинского хребтов.
К пермским отложениям отнесены маломощные красноцветные глинистые песчаники, сланцы и конгломераты с пластами угля, известные к востоку от Телецкого озера.
На протяжении мезозоя преобладало разрушение горных сооружений, сопровождавшееся постепенной нивелировкой поверхности. Палеозойские породы подвергались физическому и химическому расслоению с образованием кор выветривания каолиновых и пестроцветных глин.
В кайнозое палеозойские и мезозойские прогибы продолжали погружаться, и в пределах днищ впадин, приуроченных к зонам глубинных разломов, накапливались мощные палеогеновые и неогеновые континентальные толщи. Палеогеновые каолиновые глины с прослоями щебнисто-галечникового материала известны в Чуйской, Курайской и Джулукульской котловинах. В Чуйской, Курайской, Джулукульской и Самахинской котловинах распространены также неогеновые отложения, состоящие из глин, песков, алевролитов и прослоями бурых углей и известняков.
В плейстоцене шло дальнейшее эрозионное расчленение Алтая в связи с поднятием его и влиянием оледенения.
В голоцене в высокогорьях развиваются морены современных ледников, представленные слабоокатанным обломочным материалом с малым содержанием мелкозема. С голоценом связано образование озерных отложений и речного аллювия, слагающего надпойменные террасы.
Разновозрастные горные породы и образовавшиеся в результате их выветривания рыхлые отложения, являющиеся почвообразующими породами, далеко не однородны по физическим и химическим свойствам. А первоначальная неоднородность несомненно отражается и на физико-химических свойствах остальных звеньев ландшафта, в первую очередь на почвах, и на уровне содержания и характере распределения естественных радиоактивных элементов.
1.2. Орография и геоморфология
Горный Алтай, находящийся на юго-востоке Западной Сибири, представляет собой сложное пересечение самых высоких в Сибири хребтов, разделенных глубокими долинами рек и обширными речными котловинами. В простирании хребтов преобладают два направления: широтное и северозападное. Наблюдается общее увеличение высот с северо-запада на юго-восток, ассиметрия склонов - северо-западные и западные склоны горных дуг крутые, юго-западные и южные - пологие, ступенчатость горной системы, выражающаяся в смене низкогорий среднегорьями, а затем и высокогорьями.
Эти орографические особенности Алтая определяются его тектонической структурой, а именно ассиметрией сводово-глыбового поднятия. Замеченные закономерности позволяют разделить Алтай на отдельные районы - Южный, Восточный, Центральный, Северо-Западный и Северо-Восточный Алтай (рис.1).
Южный Алтай, Главным орографическим узлом южноалтайской цепи хребтов является массив Табын-Богдо-Ола - часть мирового водораздела, разделяющего воды рек Северного Ледовитого океана и
Рис.1. Орографическая схема строения Алтая воды внутреннего бессточного центрально-азиатского бассейна. Его северные склоны крутые и обрывистые, вершины и гребни покрыты вечными снегами.
Восточный Алтай расположен к востоку от Табын-Богдо-Ола. Его составляют хребты Сайлюгем, Чихачева, Шапшальский. Последний примыкает к Западному Саяну в районе р. Они, а на севере, в бассейнах рек Чульча и Абакан, переходит в Абаканский хребет, огибающий Телецкое озеро с востока. Широкий западный склон Шапшальского хребта расчленен узкими горными ущельями, а уплощенные массивные отроги, лежащие между ними, получили название Чулышманского нагорья. Хребты образуют извилистую дугу, выгнутую к востоку. Вершины хребтов сглажены, хотя и поднимаются более чем на 3000-3500 м. Альпийские формы рельефа крайне редки. В цирках и карах хребтов имеются небольшие очаги современного оледенения.
Центральный Алтай - самая высокая часть горной страны, состоящая из двух цепей: северной и южной. Южную цепь включает в себя три хребта: Катунский, Южно-Чуйский и Листвяга. Они различны по высоте (от 2000-2500 до 4000-4500 м) и разделены долинами Катуни и Аргута. Северная цепь образована Северо-Чуйским и Терехтинским хребтами.
Господствующее положение в Центральном Алтае занимает Катунский хребет, средняя высота осевых линий которого достигает 3200 м. Здесь расположена самая высокая точка Сибири- г.Белуха (4506 м) и ряд вершин, поднимающихся выше 4000 м.
Хребты Центрального Алтая образуют сложный орографический район. Большинство гребней имеют типичный альпийский облик. Они изолированы друг от друга речными долинами, их скалистые пики покрыты вечными снегами и ледниками. Горные реки, протекая вдоль хребтов, имеют на значительном расстоянии расширенные участки долин, называемые здесь «островными степями»: Чуй екая (1700м), Курайская (1600м), Уймонская, Катандинская, Абайская (800-1000 м).
Северо-Западный Алтай - система ветвящихся хребтов широтного и, главным образом, северо-западного направлений. Хребты этой части Алтая (Ульбинский, Холзун, Ивановский, Убинский, Коксуйский, Коргонский, Тигирецкий, Бащелакский, Ануйский, Чергинский, Семинский) не поднимаются выше 3000 м. Эти хребты, за исключением Ивановского, нигде не достигают снеговой линии, поэтому альпийский рельеф для них не характерен. В большинстве своем это плосковерхие вершины, изрезанные широкими долинами рек и ложбинами временных водотоков. Как и в
11 Центральном Алтае, здесь встречаются обширные ровные, местами заболоченные пространства - Канская степь (600 м).
Особенности направления горных хребтов Северо-Западного Алтая тесно связаны с геологическим строением и положением тектонических структур. Господствующее северо-западное простирание геологических пород нашло свое отражение в ориентировке хребтов и многочисленных рек, имеющих в общих чертах линейное направление. Названию хребтов обычно соответствуют названия магистральных рек. Степень расчленения эрозионной поверхности возрастает с северо-запада на юго-восток.
Северо-Восточный Алтай в географической и геологической литературе называют Северным Алтае. Наиболее высокими хребтами являются Айгулакский и Курайский (2700-3400 м).
На широте Телецкого озера простираются хребты Куминский, Иолго, Сумультинский, Алтын-Ту, обрамляющие с севера Чулышманское плоскогорье и Улаганское плато. Гребни этих хребтов редко поднимаются выше границы леса. Главными водораздельными хребтами между системой Бии и Катуни служат хребты Сумультинский, Тонгош и Иолго.
Хребты Северо-Восточного Алтая, имея значительную приподнятость, отличаются преобладанием в рельефе относительно мягких очертаний с пологими склонами, округлые вершины нередко покрыты каменными россыпями. Лишь в долинах Башкауса и Чулышмана сглаженность рельефа нарушается.
Сочетания хребтов и долин, межгорных котловин и плоскогорий создают современный облик Алтая, определяют характерные черты климата, почвенного и растительного покрова.
Геоморфология Горного Алтая достаточно сложна и имеет свои особенности. На территории горной страны Е.Н.Щукина [1960] выделяет две основные категории рельефа: горный тектонико-скульптурный и горный тектонико-аккумулятивный. Обе категории рельефа схематично представляют следующий ряд типов рельефа, связанных с определенными высотными поясами: 1) типичный альпийский; 2) экзарационно-нивальный и ледниковый аккумулятивный; 3) среднегорный эрозионно-денудационный литоморфный; 4) низкогорный эрозионно-аккумулятивный и литоморфный эрозионно-денудационный; 5) тектонико-аккумулятивный.
Типичный альпийский рельеф характерен для высокогорного пояса. В пределах распространения этого типа рельефа прослеживаются два высотных уровня.
Наиболее высокий уровень образуют хребты Катунский, Южно-Чуйский и Северо-Чуйский (абсолютные высоты 3000-4500 м). Рельеф сильно расчленен, скалистые хребты имеют узкие и остроконечные вершины, склоны хребтов разрушены карами и узкими трогами, в днищах которых располагаются ледники и снежники. В этих условиях доминирует первичный почвообразовательный процесс, при котором формируются примитивные почвы.
Второй высокогорный уровень, прослеживающийся по вершинам хребтов Курайского, Шапшальского, Чихачева, Айгулакского, Сумультинского и Теректинского (абсолютные высоты 2500-3000 м), расчленен слабее. Поверхность его на ряде участков холмисто-равнинная. Основные формы рельефа здесь те же, что и на более высоком, со смягченными очертаниями. Сюда приурочены слаборазвитые горнотундровые и горно-луговые почвы на грубообломочном элювии коренных пород.
Экзарационно-нивальный и ледниковый аккумулятивный рельеф -наиболее низкий уровень пояса высокогорий Алтая (абсолютные высоты 1700-2500 м). Представляет собою ландшафты древнего пенеплена, где в сочетании находятся элементы третичного мелкосопочника и холмистой равнины, частично измененной ледниковой аккумуляцией, экзарацией и горной нивацией. Участки древнего пенеплена встречаются на всех основных хребтах Алтая, но наиболее обширные площади они занимают на Чулышманском плато и плато Укок, а также на Теректинском, Тигирецком,
Холзунском и Айгулакском хребтах. Высотный уровень пенеплена неоднороден и в общем снижается в северо-западном направлении. К этому типу рельефа приурочено развитие горно-тундровых, горно-луговых и горных лугово-степных почв на грубых отложениях преимущественно ледникового происхождения.
Среднегорный эрозионно-денудационный литоморфный рельеф распространен в основном в северо-западной и в северо-восточной частях горной страны с абсолютными высотами 800-1800 м. Верхняя граница его -плоскость древнего пенеплена, нижняя - долины и низкогорья. Здесь выделяются две формы рельефа. В первой - водоразделы представлены острыми гребнями, склоны крутые, долины глубокие, множество промоин. Для второй формы рельефа характерны куполообразные вершины, менее крутые склоны, переотложение материала и разрушение склона по всей плоскости с образованием делювиальных плащей у подножия и постепенным продвижением их вверх по склону. В условиях среднегорного рельефа развитие почвенного покрова зависит от экспозиции склона. На северных склонах благодаря усилению химического выветривания, приводящему к увеличению подвижных продуктов, распространены почвы лесного почвообразования. На южных склонах формируются различные варианты степных почв. Западные склоны по морфологии и почвенному покрову ближе к южным, а восточные - к северным.
Низкогорный эрозионно-аккумулятивный и литоморфный эрозионно-денудационный рельеф характерен для северных низкогорий и горнохолмистых предгорий (абсолютные высоты 400-800 м). Здесь выделяются три высотные ступени: от 600 до 800 м, от 500 до 600 и от 250 до 500 м. Водоразделы ровные, плоские, обширные. Долины мелких рек узкие. Крупные реки текут по широким разработанным долинам с отчетливо выраженной поймой и террасами. Закономерности в распространении почвенного покрова по склонам в основном те же, что и в среднегорьях.
Тектонико-аккумулятивный рельеф характерен для районов внутригорных эрозионно-тектонических и аккумулятивных (озерных, аллювиальных, флювиогляциальных) впадин (котловин или степей). Наиболее крупные из них Урсульская, Улаганская, Курайская, Чуйская, Той-Самахинская, Канская, АбаЙская, Уймонская. Каждая из котловин расположена на различном высотном уровне и является обособленным геоморфологическим районом, включающим в основном следующие элементы рельефа: обширные подгорные шлейфы, конусы выноса многочисленных боковых мелких рек, большие речные долины, состоящие из пойменной и нескольких надпойменных террас, территорий с моренными всхолмлениями.
Все котловины Горного Алтая сложены рыхлыми четвертичными отложениями - ледниковыми, флювиогляциальными, пролювиальными, аллювиальными, с процессами аккумуляции которых связано формирование современного рельефа, В них в зависимости от гипсометрического уровня развиваются, как правило, почвы степного почвообразования - от светло-каштановых до типичных черноземов.
Отмеченные особенности геоморфологии горной страны определяют характерные черты климата, растительного покрова, почвообразующих пород и в целом всего комплекса экологических факторов, влияющих на формирование почвенного покрова, закономерности распределения почв, миграцию химических элементов, в том числе и радиактивных.
1.3. Гидрография и гидрология
Горный Алтай имеет хорошо развитую гидрографическую сеть, включающую 20188 больших и малых рек [Маринин, Самойлова, 1987].
Режим питания, внутригодовое распределение стока, химический состав вод в пределах изученной территории очень разнообразен. По совокупности этих признаков, с учетом климата, геоморфологии и растительности Я.И.
Марусенко и др. [1961] выделяют три гидрологических района: высокогорно-ледниковый, среднегорный и низкогорный,
К высокогорно-ледниковому гидрологическому району на территории исследований относится высокогорная часть хребтов Табын-Богдо-Ола, Южно-Чуйского, Северо-Чуйского и Катунского. Здесь берут свое начало Катунь и ее притоки Чуя, Кокса, Аргут и более мелкие притоки Катуни и ее первостепенных притоков. Реки получают питание за счет ледниковых и снеговых вод. Максимальные уровни и расходы воды совпадают с временем максимального таяния ледников (июль-месяц). Также в этом районе имеется много высокогорных озер, образованных конечными моренами, и много болот, которые формируются на выровненных поверхностях хребтов, на месте каровых озер, выходов грунтовых вод и в расширениях долин. Образованию болот здесь способствует большое количество выпадающих осадков, наличие близкорасположенной мерзлоты и слабое испарение почвенно-грунтовой влаги в связи с низкой температурой воздуха.
Гидрографическая система находится в зачаточной стадии. Вода рек и озер относится к карбонатному классу. Общая минерализация ее не превышает 20-30 мг/л [Марусенко и др., 1961]. В местах развития в почвогрунтах мерзлоты происходит усиленный внутрипочвенный сток, способствующий выносу продуктов почвообразования и химических элементов.
Среднегорный гидрологический район Алтая занимает высоты более 1000 м. К этому району относятся почти все транзитные реки, берущие начало в высокогорном районе: Катунь, Чуя, Чулышман, Чарыш, верховья Бии и многие их притоки. Питание рек смешанное (снеговое, дождевое и грунтовое). Большие перепады в высоте местности вызывают интенсивные дождевые и снеговые паводки. Максимальные уровни и расходы воды обычно обусловлены дождями и приходятся на июль. В районе много озер, разнообразных по происхождению, наиболее известное - Телецкое -ледниковый трог, заполненный водой.
Вода относится к карбонатному классу. Общая минерализация ее в среднем равна 100 мг/л [Марусенко и др., 1961].
Низкогорный гидрологический район включает северные и северно-западные низкогорные отроги Алтая от 400 до 1000 м. Район достаточно сильно обводнен. Реки имеют смешанное питание. Максимальные расходы воды приходятся на период снеготаяния. Озер в районе мало. Вода рек и озер относится к карбонатному классу с общей минерализацией 400-500 мг/л [Марусенко и др., 1961].
Реки, берущие свое начало в высокогорьях и среднегорьях, имеют, как правило, небольшую среднегодовую мутность (19-45 г/м3), за исключением рек, бассейны которых сложены рыхлыми материалами (Урсул). Реки, берущие свое начало в низкогорьях (Майма, Иша), а также пересекающие этот район (Катунь, Бия, Песчаная, Чарыш) имеют более высокую мутность -110-120 г/м , обусловленную тем, что низкогорья наиболее освоены сельским хозяйством и сложены легкоразмываемыми лессовидными суглинками.
1,4. Климат
Климат оказывает большое воздействие на направление почвообразующего процесса. В горной стране, где природные зоны пространственно сжаты, контрастность климатических условий ощущается особенно сильно [Куминова, 1960; Модина, 1997].
Алтай, занимая переходное географическое положение между Северной Монголией и Западно-Сибирской равниной, характеризуется резко континентальным климатом, неодинаковым в отдельных частях его. По климатическому режиму изученная территория достаточно отчетливо разделяется на три района - Северный, Центральный и Юго-Восточный Алтай.
Северный Алтай испытывает влияние западно-сибирского континентального климата, но отличается заметным уменьшением континентальности, относительно теплыми зимами, прохладным летом и более ровным распределением осадков по месяцам. Юго-Восточный Алтай находится под влиянием монгольского резко континентального климата. Климат Центрального Алтая формируется под влиянием двух указанных типов климата. Вместе с тем абсолютные высоты, ориентированность хребтов по отношению к господствующим направлениям воздушных течений, экспозиция и крутизна склонов, степень замкнутости котловин и долин создают большое разнообразие локальных климатических режимов в пределах высотных поясов всех трех климатических районов.
Северный Алтай более теплый и влажный. Среднегодовые температуры здесь в основном положительные. Наиболее теплой является прителецкая часть района, где средние зимние температуры не опускаются ниже -10С. Продолжительность устойчивого снежного покрова 180-215 дней. Высота снежного покрова достигает 150-200 см. Продолжительность безморозного периода в долинах и низкогорьях составляет 100-120 дней. Почвы Северного Алтая промерзают незначительно, а в многоснежные зимы, особенно в прителецкой части района, не промерзают совсем.
Северный Алтай в основном избыточно-влажный район. В долинах и низкогорьях выпадает 700-800 мм осадков в год, из них 70-80% приходится на летний период. В результате развиваются черноземы выщелоченные и оподзоленные, а также различные варианты серых лесных почв. В нижней части лесного пояса под формациями черневой тайги развиваются своеобразные глубокоподзолистые почвы.
С увеличением абсолютной высоты климат изменяется. Повышение влажности воздуха и высокая годовая норма осадков (> 1000 мм) способствуют развитию влажных вариантов темно-хвойных лесов, под которыми вплоть до верхней границы леса формируются своеобразные почвы буроземного типа почвообразования.
С увеличением высоты температура воздуха понижается при сохранении высокой влажности, что приводит к развитию на вершинах хребтов луговой и тундровой растительности, под которыми формируются горно-луговые и горно-тундровые почвы.
Центральный Алтай характеризуется ярко выраженным континентальным климатом. Здесь на высоте 800-1100 м над ур.м. располагаются островные степи - Урсульская, Канская, Абайская, Уймонская, Катандинская, а также ряд речных долин, которые характеризуются низкими среднегодовыми температурами (от -1,1 до -2С) и очень контрастным тепловым режимом (среднеянварские температуры от -20 до -24, а среднеиюльские 15С). Средняя продолжительность безморозного периода 62-95 дней. Высота снежного покрова не превышает 20-30 см, поэтому почвы глубоко проерзают. Количество осадков по годам очень резко колеблется, В общем климат среднегорных котловин и речных долин Центрального Алтая обуславливает развитие группы почв степного почвообразования.
В Центральном Алтае отчетливо выражена климатическая контрастность северных и южных склонов. На южных склонах при постоянном недостатке влаги развивается степная, преимущественно ксерофитная растительность. Основная масса атмосферных осадков выпадает на северных склонах, которые почти повсеместно покрыты лесом и пышной травянистой растительностью.
Градиенты температуры с возрастанием высоты в лесном поясе увеличиваются незначительно. Благодаря зимним инверсиям температур в лесном поясе на склонах всегда теплее, чем в прилегающих котловинах и речных долинах.
В нижней части лесного пояса, более мягкой и лучше увлажняемой, развивается дерновый процесс почвообразования и формирование под лиственничными лесами паркового типа своеобразных черноземовидных почв, а в средней и верхней частях под кедрово-лиственничными и кедровыми лесами - бурых лесных почв, сменяющихся у верхней границы леса мерзлотными торфянистыми различной степени оподзоленности.
Высокогорный пояс Центрального Алтая характеризуется суровыми климатическими условиями. Среднегодовая температура от -5,4 до -6,3С, средняя температура июля 6-8, января - минус 17-21 С. Среднегодовое количество осадков -510 мм. Здесь развиваются горно-луговые и горнотундровые почвы.
Юго-Восточный Алтай имеет характерные черты резко континетального климата.
Высокогорные сухие котловины и речные долины, а также высокогорное плато Укок характеризуются самыми низкими на территории Алтая средними температурами (от -4,2 до -8,5С). Период с отрицательными температурами длится 8-9 месяцев, сильные заморозки бывают до середины лета. Средняя температура июля не превышает 14С. Вегетационный период длится 50-70 дней.
Высота снежного покрова 10-12 см, а в период сильных зимних ветров снег сдувается вовсе. Почвенно-грунтовая толща промерзает на глубину более 3 м, верхний слой почвы начинает оттаивать только в середине мая. На отдельных участках Чуйской депрессии сильное промерзание способствует сохранению многолетней мерзлоты грунта.
Среднегодовое количество осадков в Чуйской котловине составляет 110 мм, а в наиболее увлажненной - Улаганской - 292 мм, причем 70-80% их выпадает в летние месяцы. В зонах недостаточного и скудного увлажнения сухостепных и пустынно-степных районов развиваются каштановые и светло-каштановые почвы.
На склонах и вершинах хребтов, окаймляющих высокогорные степные котловины и речные долины Юго-Восточного Алтая отмечается постепенное с подъемом в горы уменьшение дефицита влаги и нарастание дефицита тепла.
Суровый климат высокогорий Юго-Восточного Алтая способствует развитию лугово-степных, дерновых и торфянистых тундровых, а также горно-луговых почв. Фрагментами по северным склонам под лесами формируются мерзлотные лесные оторфованные почвы, В высокогорном поясе шире и сильнее, чем в других районах развиты мерзлотные явления (более четко выражена многолетняя и длительно-сезонная мерзлота). Под влиянием мерзлоты происходит кристаллизация различных соединений, ослабляются биологические процессы. Мерзлотный слой препятствует передвижению почвенных растворов, а вместе с этим выносу' из почв различных водорастворимых веществ; мерзлотный слой при отсутствии стока способствует заболачиванию почв.
Таким образом, климат Горного Алтая зависит, прежде всего, от высоты местности. Различия в гидротермическом режиме отражаются на процессах почвообразования и характере распределения элементов как в профиле почв, так и в географическом плане. В районах с хорошим увлажнением можно ожидать высокую мобильность элементов и вынос их подвижных форм с внутрипочвенным боковым стоком, особенно на крутых склонах. На остепненных сухих южных склонах хребтов Центрального и Юго-Восточного Алтая, особенно в засушливых межгорных котловинах, вынос элементов за пределы почвенного профиля, по-видимому, будет незначительным [Модина, 1997].
1.5. Растительность
В Алтайской горной стране А.В.Куминова [1960] выделяет четыре геоботанические подпровинции: Северный, Западный, Центральный и Юго-Восточный Алтай.
Наиболее общей особенностью распределения растительного покрова в Горном Алтае является его поясность, тесно связанная с изменением климатических, а вместе с тем и почвенных условий в зависимости от высоты местности. При переходе от подножий и предгорий Алтая к его вершинам идет последовательная смена трех основных вертикальных поясов растительности: степной, лесной и высокогорный (альпийский).
Степной пояс, очень хорошо выраженный на подгорных равнинах и в предгорьях Северного и Западного Алтая, сплошного протяжения не имеет. В северной части образует нижнюю ступень вертикальной поясности, представлен главным образом на южных склонах холмистых предгорий лишь фрагментами луговых степей, большей частью вторичного происхождения, и настоящих степей, перемежающихся с участками березовых и березово-осиновых лесов лесостепного типа.
Особое положение в западной, а особенно в центральной и юго-восточной частях занимают степи, приуроченные к днищам сухих котловин и древним террасам речных долин и окаймляющим их южным склонам, главным образом южной экспозиции, а в юго-восточной части - и к некоторым высокогорным плато. Степи располагаются отдельными массивами в глубине гор.
Наиболее широко распространены степи южных склонов, в составе растительности которых преобладают ксерофитно-петрофитовые виды. В зависимости от увлажнения эти степи приобретают характер каменистых опустыненных, каменистых настоящих и каменистых луговых степей.
Более распространены так называемые долинные степи (по террасам широких речных долин). Растительность принадлежит к настоящим мелкодерновинным степям, а в юго-восточной части - к опустыненным степям. На отдельных массивах эти степи распаханы. На целинных участках вследствие неумеренного выпаса скота возникают депрессивные варианты травянистой растительности.
В среднегорных и высокогорных котловинах Центрального и Юго-Восточного Алтая широко распространены островные степи (Уймонская, Абайская, Канская, Теньгинская, Улаганская) - мелкодерновинно-злаковые, мелкодерновинно-осоково-злаковые, иногда ковыльные степи. В более увлажненных Абайской и Канской котловинах наряду с ними - разнотравно-злаковые и разнотравно-осоково-луговые степи. На отдельных наклонных участках - каменистые настоящие и даже опустыненные степи. Степи Курайской и Чуйской котловин с их резко континентальным сухим холодным климатом - осочко-злаковые, на отдельных небольших засоленных участках - чиевые и волоснецовые засоленные опустыненные степи. В более увлажненной Курайской котловине - настоящие мелкодерновинные злаковые степи.
Остаточная степная растительность - тундростепь развита на высокогорном плато Укок, где в современных неблагоприятных условиях мелкодерновинные мятликовые степи постепенно вытесняются тундровыми формациями.
Лесной пояс занимает большую часть Горного Алтая и прослеживается с высоты 300-500 м до 1700-2000 и даже 2400 м над ур.м. Более полно выражен в менее континентальном и более влажном Северо-Восточном Алтае , а также в крайних частях Западного Алтая, где леса прослеживаются преимущественно по северным, более увлажненным склонам хребтов. В Юго-Восточном Алтае с его резко континентальным и наиболее сухим климатом лесной пояс выражен фрагментарно, начиная с 1600-1700 м у подножий высокогорных хребтов и по отдельным хребтам поднимается до 2300 м и более, выпадая в Чуйской котловине и по прилегающим склонам Чуйского и Сайлюгемского хребтов, на плато Укок и в юго-восточной части Чулышманского плоскогорья.
Нижняя граница лесного пояса контактирует со степным, а верхняя - с высокогорным поясом.
В районе г.Горно-Алтайска, в низовьях рек Иши, Маймы, Семы, Чемала встречаются преимущественно березовые травянистые леса в комплексе с суходольными лесами и по плоским склонам с участками пашни. Леса приурочены преимущественно к выщелоченным или оподзоленным черноземам и темно-серым лесным почвам.
В долинах этих же рек, а также Катуни и Бии - сосновые и сосново-березовые леса с хорошо выраженным травяным покровом, приуроченные к речным террасам и каменистым южным склонам с развитыми легкого механического состава серыми лесными почвами и суглинисто-щебнистыми маломощными черноземами.
Характерно развитие черневой тайги (пихта сибирская, осина), в качестве примеси - береза бородавчатая и кедр сибирский. В подлеске крупные кустарники - рябина, черемуха, калина. Грубостебельное разнотравье. Моховой покров отсутствует или выражен слабо. Задернение слабое. Почвы - серые лесные оподзоленные и глубокоподзолистые, развивающиеся на мощной толще суглинистых и глинистых рыхлых отложений.
Для Центрального Алтая характерны парковые лиственничные или березово-лиственничные леса, приуроченные к долинам рек, речным террасам, шлейфам склонов, пологим склонам (особенно северным). Крупные деревья на значительном расстоянии, кустарниковый подлесок отсутствует, травяной покров выражен хорошо. Дернина прочная и мощная. Почвы - хорошо сформированные богатые гумусом оструктуренные черноземовидные, черноземо-луговые, обладающие большой мощностью мелкоземистой толщи.
Большие площади в Центральном и отчасти в Северо-Восточном Алтае занимают лиственничные леса с кустарниковым подлеском. В Центральном Алтае - северные относительно пологие склоны с довольно мощными и богатыми гумусом черноземовидными почвами. В Северо-Восточном Алтае -на склонах Шапшальского и Чулышманского хребтов и в северо-западной части Чулышманского плоскогорья. Развиваются на горно-лесных бурых, иногда подзолистых почвах, отличающихся небольшой мощностью мелкоземистой части профиля.
В этих же районах преимущественно по северным склонам развита формация кедрово-лиственничных лесов с подлеском из жимолости, березки круглолистной, с ярусом полукустарничков из брусники и напочвенным моховым покровом.
В более сухих и континентальных районах Юго-Восточного Алтая по северным склонам, эрозионным бороздам склонов с мелкоземистьши, относительно хорошо развитыми и лучше увлажняемыми почвами, развиты лиственничные перелески.
Высокогорный (субальпийский и альпийский) пояс - занимает верхние ярусы главных хребтов, а также наиболее приподнятые части плоскогорий Укок и Чулышманского от 1700-2000 (2400) м до 2600-3000 м над ур.м. На большой высоте находится нивальная зона, лишенная высшей растительности.
В этом поясе развита растительность субальпийских и альпийских лугов, высокогорной тундры, а также высокогорных болот.
В Юго-Восточном Алтае типично выраженные субальпийские луга отступают и замещаются субальпийскими остепненными лугами, в нижней границе своего распространения постепенно переходящими в настоящие мелкодерновинно-злаковые степи и опустыненные степи склонов и днищ котловин и речных долин.
Среди субальпийских лугов А.В.Куминова [1960] выделяет высокотравные (крупнотравные), низкотравные, остепненные и осоковые заболоченные.
Развиваются на хорошо сформированных субальпийских горнолуговых почвах, обладающих значительной мощностью мелкоземистои толщи своего профиля.
Значительно обеднена по видовому составу формация заболоченных субальпийских лугов, приуроченная к избыточно-увлажненным понижениям на склонах, где обычны тяжелого механического состава горно-луговые оглеенные почвы. Ведущим растением является осока алтайская, не образующая дернину.
Остепненные субальпийские луга более широко распространены в юго-восточной части Алтая. Развиваются преимущественно по южным склонам хребтов на горных лугово-степных черноземовидных и каштановидных почвах. Задернованность очень хорошая.
По мере возрастания высот субальпийские луга сменяются альпийскими, более распространенными в западной и центральной частях и встречающимися разрозненными участками среди тундровых формаций в северо-восточной и юго-восточной частях. АЗ.Куминова [1960] выделяет четыре формации альпийских лугов: крупнотравные, мелкотравные, злаково-осоковые и кобрезиевые.
Крупнотравные альпийские луга более выражены на склонах верхних частей хребтов Центрального Алтая. Эдификатор - водосбор липкий (Aquilegia giandulosa). Много злаковых и бобовых растений (душистый колосок, тимофеевка альпийская, копеечник южносибирский), а также лютиковых (ветреница белая, различные виды лютиков). Эти луга развиваются на небольшой мощности горно-луговых альпийских дерновых почвах, имеющих хорошо выраженный дерновый горизонт и довольно прочную структуру.
Мелкотравные альпийские луга располагаются на верхней части крутых склонов и вершинах высоких хребтов, не занимают больших площадей и выражены небольшими участками, чередующимися с пятнами сплошного мохового покрова или выходами плотных горных пород. Преоблающие виды - фиалка алтайская и горечавка крупноцветная. Злаков (овсяница, зубровка альпийская и душистый колосок) мало. Встречается стелющаяся ива. Высота растений 3-8 см, задернованность 6-8%. Почвы горно-луговые маломощные сильнощебнистые.
Осоково-злаковые альпийские луга приурочены к плоско-выпуклым повышенно увлажненным перевальным участкам хребтов с горно-луговыми альпийскими дерновыми маломощными почвами. Ведущее значение имеет овсяница Крылова, осока. Высота травостоя не более 8-10 см, покрытие почти полное, задернованность 25-30%.
Кобрезиевые альпийские луга распространены преимущественно в Юго-Восточном Алтае - по его хребтам, Чулышманскому плоскогорью и на повышенных участках плато Укок. Эдификаторы - виды кобрезий Cobresia bellaroh, а на плато Укок - Cobresia schoenoides. Встречаются овсяницы, бобовые - редко. Кобрезиевые луга развиваются на довольно мощных, иногда оторфованных горно-луговых альпийских почвах.
Высокогорная тундра располагается по всем высоким хребтам значительно выше границы леса и простирается вплоть до нивального пояса. Флора тундры небогата и представляет собой сложное сочетание мохово-лишайниковой, кустарниковой и травянистой формаций.
Мохово-лишайниковые тундры характерны для Северо-Восточного Алтая. В зависимости от преобладания в растительном покрове мхов или лишайников подразделяются на виды: а) моховые тундры, которые распространены преимущественно в увлажненных местах, где мхи образуют сплошной покров; б) лишайниковые тундры, приуроченные к более повышенным, относительно сухим и щебнистым местам с преобладанием белых кустистых лишайников. Под мохово-лишайниковыми тундрами чаще всего развиваются горно-тундровые торфянистые почвы, щебнистые в минеральной части профиля.
Кустарниковые тундры занимают высокогорные плато, сглаженные перевалы, днища верховий троговых долин. Преобладает формация ерниковых тундр, особенно распространенная в Северо-Восточном Алтае. Эдификатор - березка круглолистная. В Юго-Восточном Алтае встречается формация можжевельниковых тундр, где фоновым является можжевельник ложноказацкий. Почвы горно-тундровые торфянистые сильнощебнистые.
В травянистых тундрах объединяются формации луговых осоково-злаковых, луговых, кобрезиевых, щебнисто-разнотравно-злаковых и каменистых тундр. Луговые осоково-злаковые тундры (эдификатор -овсяница Крылова и осока узкоплодная) встречаются преимущественно в Западном Алтае. Луговые кобрезиевые тундры широко распространены в Юго-Восточном Алтае на Чулышманском плоскогорье и на плато Укок. Растительный покров здесь густой и плотный. Эдификаторами выступают Cobresia bellaroh и Cobresia schoenoides. Щебнистые травянистые тундры встречаются по плоским вершинам и южным склонам хребтов. В растительном покрове представлены куропаточья трава (Dryas oxyodonta), дерновивные злаки и осоки. Под травянистой тундровой растительностью развиваются горные и лугово-тундровые почвы, чаще всего щебнистые.
Высокогорные альпийские болота распространены главным образом на плоских водораздельных пространствах, в днищах троговых долин, в плоских понижениях на Чулышманском плоскогорье и на плато Укок. Наиболее крупные массивы болот образованы заилением и зарастанием высокогорных озер; более мелкие, приуроченные к долинам верховий рек, питаются водами родников, выклинивающегося грунтового потока и талыми водами снежников. Выделяются две основные формации - моховые с преимущественно моховой растительностью (в основном сфагновых мхов) и осоково-пушициевые. Преобладающие почвы высокогорных болот -тундровые торфяно- и торфянисто-глеевые с различной мощностью торфянистого слоя.
Значительные контрасты в растительном покрове горной страны - от полупустынь до мощно развитой черневой тайги с подлеском и высокотравьем, от хорошо развитых субальпийских и альпийских лугов до слабо развитых мохово-лишайниковых тундр - ведут к различиям в интенсивности поглощения элементов и круговороте их в системе почва-растение.
1.6. Почвенный покров
Наиболее характерна в почвенном покрове Горного Алтая его вертикальная поясность, определяющаяся наличием трех почвенных поясов [Почвы..., 1973; Мальгин, 1978].
1) горно-тундровых, горно-луговых и горно-лугово-степных почв высокогорий (на высоте 1600-3500 м), 2) горно-лесных почв высокогорий, среднегорий и низкогорий (на высоте 600-2500 м), 3) лесостепных почв низкогорий (на высоте менее 600 м). Кроме этих поясов выделяются межпоясные районы степных почв высокогорных, среднегорных и низкогорных котловин и речных долин. По типам структуры вертикальной почвенной поясности, связанной с высотными уровнями и общими биоклиматическими особенностями, Горный Алтай разделяется на три района: Северный, Центральный и Юго-Восточный.
Наиболее просто смена почвенных поясов выражена в Северном Алтае: в пониженных местах междуречий - черноземы выщелоченные и оподзоленные, на повышенных участках - серые лесные почвы (в наиболее увлажненной прителецкои части под черневой тайгой развиты горно-лесные бурые оподзоленные и типичные почвы). На высоте 1600-1800 м узкой полосой расположены лесотундровые почвы, сменяющиеся горнотундровыми почвами мохово-лишайниковых и кустарниковых тундр,
В Центральном Алтае в связи с увеличением абсолютных высот и континентальности климата уровень всех вертикальных почвенных поясов повышается. В котловинах и речных долинах развиты черноземы и каштановые почвы. На склонах северной экспозиции - горно-лесные черноземовидные, а на южной - горно-сухостепные каштановидные, реже черноземовидные почвы. Пояс горно-луговых и горно-тундровых почв простирается до высоты более 2500м.
Горно-лесной пояс в Юго-Восточном Алтае, наиболее высокой, сухой и холодной части горной страны, либо выражен фрагментарно, либо выпадает полностью. Почвы горно-лугового и горно-тундрового поясов чаще контактируют непосредственно с сухостепными почвами (каштановыми и светло-каштановыми), а на склонах - с горными лугово-степными.
В группе межгорных почвенных районов объединены почвы высокогорных котловин и речных долин (на высотах 1100-2500 м); низкогорных и среднегорных котловин и речных долин (на высоте 500-1100 м) и остепненных склонов (на высоте 500-2500 м). Отмеченная дифференциация вызвана резкой сменой экологических условий по высотным уровням и соответственно неодинаковым направлением почвообразования. В котловинах, долинах и на плато высокогорий с экстрааридным климатом развиты преимущественно каштановые почвы, а в более мягких по климатическим условиям - средне- и низкогорных котловинных и речных долинах - почвы черноземного типа. На остепненных склонах формируются главным образом горные сухостепные черноземовидные и каштановидные почвы со слаборазвитым профилем, а также маломощные каштановые почвы и черноземы.
Гидрография и гидрология
Горный Алтай имеет хорошо развитую гидрографическую сеть, включающую 20188 больших и малых рек [Маринин, Самойлова, 1987].
Режим питания, внутригодовое распределение стока, химический состав вод в пределах изученной территории очень разнообразен. По совокупности этих признаков, с учетом климата, геоморфологии и растительности Я.И. Марусенко и др. [1961] выделяют три гидрологических района: высокогорно-ледниковый, среднегорный и низкогорный,
К высокогорно-ледниковому гидрологическому району на территории исследований относится высокогорная часть хребтов Табын-Богдо-Ола, Южно-Чуйского, Северо-Чуйского и Катунского. Здесь берут свое начало Катунь и ее притоки Чуя, Кокса, Аргут и более мелкие притоки Катуни и ее первостепенных притоков. Реки получают питание за счет ледниковых и снеговых вод. Максимальные уровни и расходы воды совпадают с временем максимального таяния ледников (июль-месяц). Также в этом районе имеется много высокогорных озер, образованных конечными моренами, и много болот, которые формируются на выровненных поверхностях хребтов, на месте каровых озер, выходов грунтовых вод и в расширениях долин. Образованию болот здесь способствует большое количество выпадающих осадков, наличие близкорасположенной мерзлоты и слабое испарение почвенно-грунтовой влаги в связи с низкой температурой воздуха.
Гидрографическая система находится в зачаточной стадии. Вода рек и озер относится к карбонатному классу. Общая минерализация ее не превышает 20-30 мг/л [Марусенко и др., 1961]. В местах развития в почвогрунтах мерзлоты происходит усиленный внутрипочвенный сток, способствующий выносу продуктов почвообразования и химических элементов.
Среднегорный гидрологический район Алтая занимает высоты более 1000 м. К этому району относятся почти все транзитные реки, берущие начало в высокогорном районе: Катунь, Чуя, Чулышман, Чарыш, верховья Бии и многие их притоки. Питание рек смешанное (снеговое, дождевое и грунтовое). Большие перепады в высоте местности вызывают интенсивные дождевые и снеговые паводки. Максимальные уровни и расходы воды обычно обусловлены дождями и приходятся на июль. В районе много озер, разнообразных по происхождению, наиболее известное - Телецкое -ледниковый трог, заполненный водой. Вода относится к карбонатному классу. Общая минерализация ее в среднем равна 100 мг/л [Марусенко и др., 1961].
Низкогорный гидрологический район включает северные и северно-западные низкогорные отроги Алтая от 400 до 1000 м. Район достаточно сильно обводнен. Реки имеют смешанное питание. Максимальные расходы воды приходятся на период снеготаяния. Озер в районе мало. Вода рек и озер относится к карбонатному классу с общей минерализацией 400-500 мг/л [Марусенко и др., 1961].
Реки, берущие свое начало в высокогорьях и среднегорьях, имеют, как правило, небольшую среднегодовую мутность (19-45 г/м3), за исключением рек, бассейны которых сложены рыхлыми материалами (Урсул). Реки, берущие свое начало в низкогорьях (Майма, Иша), а также пересекающие этот район (Катунь, Бия, Песчаная, Чарыш) имеют более высокую мутность -110-120 г/м , обусловленную тем, что низкогорья наиболее освоены сельским хозяйством и сложены легкоразмываемыми лессовидными суглинками.
Климат оказывает большое воздействие на направление почвообразующего процесса. В горной стране, где природные зоны пространственно сжаты, контрастность климатических условий ощущается особенно сильно [Куминова, 1960; Модина, 1997].
Алтай, занимая переходное географическое положение между Северной Монголией и Западно-Сибирской равниной, характеризуется резко континентальным климатом, неодинаковым в отдельных частях его. По климатическому режиму изученная территория достаточно отчетливо разделяется на три района - Северный, Центральный и Юго-Восточный Алтай.
Северный Алтай испытывает влияние западно-сибирского континентального климата, но отличается заметным уменьшением континентальности, относительно теплыми зимами, прохладным летом и более ровным распределением осадков по месяцам. Юго-Восточный Алтай находится под влиянием монгольского резко континентального климата. Климат Центрального Алтая формируется под влиянием двух указанных типов климата. Вместе с тем абсолютные высоты, ориентированность хребтов по отношению к господствующим направлениям воздушных течений, экспозиция и крутизна склонов, степень замкнутости котловин и долин создают большое разнообразие локальных климатических режимов в пределах высотных поясов всех трех климатических районов.
Северный Алтай более теплый и влажный. Среднегодовые температуры здесь в основном положительные. Наиболее теплой является прителецкая часть района, где средние зимние температуры не опускаются ниже -10С. Продолжительность устойчивого снежного покрова 180-215 дней. Высота снежного покрова достигает 150-200 см. Продолжительность безморозного периода в долинах и низкогорьях составляет 100-120 дней. Почвы Северного Алтая промерзают незначительно, а в многоснежные зимы, особенно в прителецкой части района, не промерзают совсем.
Северный Алтай в основном избыточно-влажный район. В долинах и низкогорьях выпадает 700-800 мм осадков в год, из них 70-80% приходится на летний период. В результате развиваются черноземы выщелоченные и оподзоленные, а также различные варианты серых лесных почв. В нижней части лесного пояса под формациями черневой тайги развиваются своеобразные глубокоподзолистые почвы.
С увеличением абсолютной высоты климат изменяется. Повышение влажности воздуха и высокая годовая норма осадков ( 1000 мм) способствуют развитию влажных вариантов темно-хвойных лесов, под которыми вплоть до верхней границы леса формируются своеобразные почвы буроземного типа почвообразования.
С увеличением высоты температура воздуха понижается при сохранении высокой влажности, что приводит к развитию на вершинах хребтов луговой и тундровой растительности, под которыми формируются горно-луговые и горно-тундровые почвы. Центральный Алтай характеризуется ярко выраженным континентальным климатом. Здесь на высоте 800-1100 м над ур.м. располагаются островные степи - Урсульская, Канская, Абайская, Уймонская, Катандинская, а также ряд речных долин, которые характеризуются низкими среднегодовыми температурами (от -1,1 до -2С) и очень контрастным тепловым режимом (среднеянварские температуры от -20 до -24, а среднеиюльские 15С). Средняя продолжительность безморозного периода 62-95 дней. Высота снежного покрова не превышает 20-30 см, поэтому почвы глубоко промерзают. Количество осадков по годам очень резко колеблется, В общем климат среднегорных котловин и речных долин Центрального Алтая обуславливает развитие группы почв степного почвообразования.
Химическая природа радионуклидов
Уран (U) открыт в 1789 г. в чистом виде - выделен только в 1841 г. Он относительно твердый, ковкий, тяжелый и высокоплавкий. Содержание в земной коре оценивается от 2 10 5 % [Реми, 1963] до 3 10 4 % (масс). Природные соединения урана многообразны: важнейшими минералами являются уранитит (диоксид урана UO2), настуран (фаза переменного состава иОг,о-2,б) и карнотит (уранил - ванадат калия Кг (UO)2 (ЛЮ г ЗНгО). Руды урана содержат не более 0,5 % полезного минерала.
Уран (простое вещество) химически активен, на воздухе постепенно окисляется, покрываясь сине - серой оксидной пленкой.
3U + 402 = U308 (U Oj 21Ґ603)
При нагревании уран взаимодействует и с другими неметаллами, окисляется, являясь восстановителем. Получающиеся при этом соединения характеризуются высокими теплотами образования. Уран способен поглощать водород, образуя гидриды переменного состава - между UH3 и UH4. С металлами уран образует сплавы, в составе которых обнаруживаются интерметаллиды. Уран, как и другие актиноиды, в ряду напряжений находится впереди водорода, поэтому окисляется водой и кислотами:
U + 2Н20 =Ш2 + 2Н2 Т (50-200 С, р, примесь UH3)
U + 4НС1 (конц.) = UC14 + 2Н21 (примесь UC13)
U + 14 HN03 (раз/5.) = 4U02(N03)2 + 3N20t + 7Н20
Уран не реагирует с концентрированной азотной кислотой и при обычных условиях со щелочами.
В соединениях проявляет различные степени окисления. Гидроксид урана (III) мало растворим в воде и проявляет отчетливо выраженные основные свойства. Нитраты, хлориды, иодиды и сульфаты урана (III) хорошо растворимы в воде, фториды и фосфаты - напротив, трудно растворимы. Все соединения урана (III) являются сильными восстановителями. В степени окисления (+4) у урана известен изоморфный кристаллический оксид коричневого цвета - UO2. Уранинит малореакционноспособен в обычных условиях, проявляет основные свойства, реагирует с концентрированной серной кислотой.
Степень окисления (+6) наиболее характерна для урана. При этой степени окисления уран напоминает по свойствам элементы подгруппы хрома. В высшей степени окисления урана входит в состав атомной группировки UO2 +-уранил, сохраняющейся без изменения при разнообразных химических реакциях. Актинильная группировка урана может входить в состав как катионных, так и анионных комплексов, имеющих формулу бипирамиды. Большинство производных уранил-иона хорошо кристаллизуются и легко растворяются в воде, являются солями и солеподобными соединениями. Для урана получен устойчивый оксид UO3 (коричневый) и фторид UF3 (красно-фиолетовый).
Уран — радиоактивный элемент. Природный уран состоит из }ЛА ft радиоактивных изотопов - U, U, U. U и U являются родоначальниками радиоактивных семейств.
238U - альфа излучатель, с периодом полураспада - 4,5 109 лет, 234U -альфа излучатель с максимальной энергией излучения 4,7 МэВ, с периодом полураспада- 2,33 10 5 лет; 335U -альфа излучатель, с периодом полураспада - 7,1 10 8 лет. Содержание в природе этих изотопов (238U, 23iU, 234U) составляет соответственно 99,28; 0,71 и 0,006 % [Радиация..., 1988].
Важнейшее свойство урана — деление ядер его изотопов при захвате нейтронов, способствует выделению громадного количества энергии.
Главным источником урана в биосфере является земная кора. Поведение 238U в почвах определяется в первую очередь его химическими свойствами, в то время как на поведение других изотопов урана существенную роль оказывают его стабильные аналоги.
Сорбция 238U в почвах зависит от различных факторов. Степень окисления его в почвах +4 и +6. В сильно восстановительной среде 238 растворенный U находится в четырехвалентной, а в окислительной - в шестивалентной формах. Уран в почве может присутствовать в виде растворимых в воде соединений, в виде адсорбированных на органических и глинистых коллоидах ионов и молекул, в форме оксидов, может входить также в состав кристаллических решеток алюмосиликатов.
Доля прочно связанных и связанных с полуторными оксидами соединений U составляет 80 %, а содержание водорастворимых, обменных и кислоторастворимых соединений U достигает в некоторых почвах до 20 %. Дочерние нуклиды U ( U) более подвижны в почве, чем материнские формы.
Сорбция урана твердой фазой почв зависит от концентрации радионуклида в растворе. Радионуклид интенсивно сорбируется почвами с высоким содержанием илистой фракции, при этом сорбция происходит главным образом за счет глинистых минералов (монтмориллонита, каолинита, иллита) и органического вещества. Очень слабо поглощается уран известняком и кремнеземом.
Гумусовые вещества и битумы способны избирательно извлекать уран из растворов с низкой концентрацией. Уран связывается преимущественно с фульвокислотами, в меньшей степени - с гуминовыми кислотами почв.
Торий (Th) - пластичный серебристо - белый весьма реакционноспособный электроположительный металл. Торий - довольно распространенный радиоактивный элемент (кларк 0,0012 %). Торий один из наименее минералогенных элементов. Известны всего 27 его минералов, которые представлены только кислородными соединениями. Среди них оксиды, танталониобаты, титаниты, силикаты, гидрофосфаты и карбонаты. Вместе с тем более 100 минералов других элементов содержат примесь тория [Иванов, 1997]. Природный торий состоит из 6 радиоактивных изотопов. Ряд радиоактивного распада тория: 232Th - 228Ra ( Ас) -» 228Th -» 224Ra - 220Rn (216Po)(212Pb) -» 2,2Bi - 2,2Po (208T1) - 208Pb. Торий -232 является родоначальником радиоактивного семейства и наиболее важным в радиологическом отношении. 232Th альфа излучатель, с периодом полураспада 1,41 10 лет, торий -230 и торий —228 — бета - излучатели с периодами полураспада 8,3 "10 4 лет и 1,9 года соответственно. Торий -234-бета - излучатель с периодом полураспада 24,1 суток, торий-227 - альфа-излучатель с периодом полураспада 18,9 суток, торий- 231- бета- излучатель с периодом полураспада 25,5 ч.Природный торий в основном представлен торием -232 с примесью тория-238, другие изотопы тория в природе встречаются в незначительных количествах.
Наличие 6d 7s электронов на внешних незаполненных оболочках определяет только одно состояние окисления тория (+4). Электронная конфигурация тория в различных соединениях неопределенна вследствие близости энергетических уровней 5f, 6d и 7р. Наличие у Th (IV) значительного числа свободных орбит обуславливает его акцепторный характер. Поэтому торий склонен к образованию связей с донорами электронов. Тенденция тория к максимальному насыщению связей проявляется в образовании различных гидратов, сольватов, приводит к образованию многоядерных слоистых и цепочечных структур (Павловская, 1981).
В водных растворах ион тория (IV) сильно гидратируется и гидролизуется. В кислом растворе присутствует негидролизованный ион Th+4 и гидроокись тория начинает осаждаться ггри рН = 3,6- 4,2 в зависимости от концентрации раствора. Возможны четыре формы существования Th в растворах: 1) ионная; 2) молекулярная; 3) истинные коллоиды гидроокиси тория; 4) псевдоколлоиды. При накаливании на воздухе торий сгорает с большим выделением теплоты. С кислородом торий образует два оксида; ThO и Th02. Низший оксид тория имеет металлическую связь и очень неустойчив. Торианит (Th02), напротив, очень стабилен и устойчив. В прокаленном виде химически пассивен; не реагирует с водой, кислотами (кроме концентрированной серной и азотной) и щелочами. Вступает в реакции комплексообразования:
Th02+ 3H2S04 (конц) = [Th (HS04) (S04)] HS04 + 2H20
Кроме оксида тория, важнейшими нерастворимыми соединениями тория являются : ThF4 4Н20, Th (Ю3)4, Th (С204)2 6Н20, Th3 (Р04)3, Th (Сг04)2 3H20, Th (Мо04)2 и Th (Se03)2.
Торий (II) образует нерастворимые соединения со всеми основными жирными кислотами, за исключением муравьиной. К хорошо растворимым в воде соединениям тория относятся сульфат, нитрат и хлорид.
Торий образует ряд комплексных соединений, в состав которых входят -СОО" , -Р043", -ОН", N - CNS , S042", -С2042 [Павловская, Зельцер, 1981]. Большинство соединений тория - это комплексы с кислородсодержащими лигандами.
Краткая характеристика почвообразующих пород
Породы, слагающие Горный Алтай, представлены вулканогенно-осадочными толщами преимущественно палеозойского возраста, большей частью метаморфизованными. Преобладающими являются хлоритовые и хлоритово-серицитовые, кварцево-хлоритовые и кварцево-полевошпато-серицитовые, алевролитовые и кремнисто-глинистые сланцы, алевролиты, песчаники, кристаллические известняки, кварциты, эффузивы кислого и среднего состава и их туфы. Местами толщи этих пород прорваны гранитами и гранитоидами [Барышников, 1992].
Почвообразующими породами на территории исследования являются верхнечетвертичные и современные коры выветривания перечисленных пород.
Остаточные коры выветривания в качестве почвообразующей породы в данном регионе выступают чаще. Они представлены делювиально-элювиальными образованиями преимущественно четвертичного возраста. Чехол делювио-элювия (от нескольких сантиметров до 1,5 м) покрывает склоны гор, сглаженные вершины и седловины. Делювио-элювий представлен мелкозернистым, в различной степени скелетным материалом; скелетность больше выражена в верхней части склонов.
Гранулометрический состав мелкозема делювио-элювия колеблется от супесчаного до тяжелосуглинистого.
Между химическим составом мелкозема делювио-элювия и исходных пород нет четких различий [Почвы..., 1973].
Современные делювиально-элювиальные образования - это продукты физической дезинтреграции коренных пород, которые в процессе выветривания претерпевают не очень глубокие химические преобразования.
Аккумулятивные коры выветривания представлены различными по типу перемещения, образования, свойствам и составу четвертичными и современными наносными отложениями - делювиальными, пролювиальными, аллювиальными, ледниковыми и смешанными. Они приурочены к пологим склонам и их шлейфам, к долинам рек и котловинам.
Делювиальные отложения распространены главным образом на пологих склонах и в седловинах хребтов, в понижениях на уплощенных вершинах и плато. Они имеют небольшую мощность и сложены мелкоземисто-скелетным материалом.
Пролювиалъные отложения образуют наклонные конусы выносов на подгорных участках днищ котловин и террасах крупных речных долин. Представлены плохо отсортированным обломочным материалом с небольшим содержанием мелкозема.
Аллювиальные отложения распространены в долинах рек и в межгорных котловинах, слагая террасы и современные поймы. Это в основном резкослоистый рыхлый валунно-галечниковый материал с песчаными, супесчаными и реже суглинистыми прослойками. Мелкоземистый материал большинства аллювиальных отложений содержит карбонаты.
Ледниковые отложения представлены моренными водно- и озерно-ледниковыми образованиями.
Моренные отложения встречаются в высокогорных районах - на плоскогорьях, плоских перевалах и в троговых долинах высокогорных хребтов, на отдельных участках террас крупных рек. Моренные материалы несортированы, каменисты, с грубыми хрящеватыми песками, супесями, иногда - суглинками.
Водно- и озерно-ледниковые отложения распространены в котловинах и долинах рек среднегорий и высокогорий Центрального и Юго-Восточного Алтая, где они слагают террасы и выполняют поймы. Мощная толща их состоит из гравийно-галечникового и гравийно-песчаного материала с прослойками озерно-ледниковых супесей и суглинков.
Среди рыхлых наносных отложений особое место в регионе занимают покровные лессовидные карбонатные суглинки и бурые глины.
Покровные лессовидные карбонатные суглинки широко распространены в северно-западной части Бие-Катунского междуречья. Мощность их достигает 20-30 м [Писаренко, 1971]. Маломощные лессовидные суглинки встречаются в межгорных котловинах и на надпойменных террасах крупных рек. Им свойственна большая пористость, в них много карбонатов, они обладают высокой емкостью обмена и щелочной реакцией среды.
В восточной части Бие-Катунского междуречья лессовидные карбонатные суглинки сменяются мощной толщей бурых глин. Эти глины плотны, однородны по гранулометрическому составу, с высокой емкостью обмена, не содержат карбонатов и имеют кислую реакцию среды.
