Структурно-функциональные особенности ландшафтно-геохимических катен, представляющих собой каскадные системы сопряженных элементарных ландшафтов, отражают внутреннюю организацию и тип метаболизма геосистем более высокого иерархического уровня, в первую очередь геохимических ландшафтов.
Дифференциация элементов в миграционных процессах определяет латеральную геохимическую структуру катен, характеризующую связи между автономными и подчиненными комплексами. Каждый из них играет свою функциональную роль при формировании миграционных потоков и в трансформации, транзите и аккумуляции вещества. Это сопровождается возникновением локальных градиентов, отражающих геохимическую контрастность катен. Рассматривая организованность внутриландшафтного пространства, М. А. Глазовская (1992) подчеркивает, что на пути латеральных потоков от автономных ландшафтов к подчиненным располагается ряд растительных сообществ, все более требовательных к влаге и трофности местообитаний. Они различаются по флористическому богатству, продуктивности, наличию видов с разной филогенетической специализацией, массе потребляемых химических элементов. Сопряжение элементарных ландшафтов с различной геохимической структурой фито — и мортмасс отражает биогеохимическую неоднородность катен. Она фиксируется по вариабельности параметров, характеризующих специфику продукционного процесса и емкость биогеохимических барьеров в разных звеньях катен.
Функции латеральных барьеров по ограничению выноса элементов за пределы геохимического ландшафта выполняют фации, выступающие как структурно-функциональные детерминанты и обеспечивающие перехват и накопление химических элементов. К их числу относятся:
- элементарные ландшафты с фитоценозами, отличающимися повышенной продукцией и наличием видов с высокой биогеохимической активностью;
- гидроморфные комплексы, в которых замедление БИКа сопровождается снижением скорости оборота и консервацией элементов в мортмассах;
- экотонные зоны на границе контрастных элементарных ландшафтов, где возникают физико-химические барьеры; в их формировании роль биогенеза проявляется косвенно и определяется его влиянием на обстановку водной миграции элементов и сорбционные процессы.
Несмотря на огромное разнообразие катен, М. А. Глазовской (1992) намечены общие закономерности биогеохимической организованности внутриландшафтного пространства в разных природных зонах. Для катен тундровых и таежных ландшафтов к северу от гидротермического рубежа в связи со снижением биологической продуктивности гидроморфных комплексов характерно отсутствие емкого биогеохимического барьера в супераквальных ландшафтах нижних звеньев каскадных геосистем. Их барьерная роль увеличивается в районе гидротермического рубежа и к югу от него: в катенах широколиственнолесных ландшафтов продуктивность и потребление минеральных веществ на лугах и болотах в супераквальных позициях больше по сравнению с лесами автономных геосистем в 1,5-2,0 раза, в степной зоне эти показатели у влажных лугов подчиненных комплексов выше по сравнению с водораздельными степями в 2,0-2,5 раза. В катенах полупустынных и пустынных ландшафтов малоемкие биогеохимические барьеры приурочены к группировкам сочных солянок в замкнутых депрессиях, где основную концентрационную роль выполняют абиогенные испарительные барьеры; высокоемкие — к травяным тугаям, продуктивность которых в 10 раз выше, чем в псаммофитных пустынях автономных ландшафтов.
На фоне этих общих закономерностей проявляются региональные различия и своеобразие ландшафтов разных видов, отличающихся по морфологической структуре, функционированию и контрастности катен, количеству и пространственной локализации барьеров. В монолитных катенах варьирование биогеохимических параметров зависит от структурно-функциональных особенностей растительных сообществ, интенсивности биогенеза и геохимических градиентов в сопряженном ряду элементарных ландшафтов, возникающих вследствие изменения рельефа, степени гидроморфности и латеральной миграции элементов. Предпосылки к увеличению биогеохимической неоднородности гетеролитных катен связаны с действием петрографо-литологических факторов и появлением пород и отложений с разной литогеохимической специализацией, что усложняет структуру сопряжений.
Биогеохимическая контрастность катен зависит от пространственного соседства элементарных ландшафтов с разными типами БИКа.
Наиболее низкой контрастностью отличаются субарктические ландшафты. Варьирование параметров БИКа связано с изменением эдафических условий и структуры фитоценозов в ландшафтных катенах. Как правило, продукция, запасы фито — и мортмасс ниже на вершинах холмов, где в результате воздействия ветров, сметающих снег, развиты пятнистые тундры с значительным участием лишайников в наземном покрове. Значения этих показателей увеличиваются в бугорковатых тундрах пологих склонов с более мощным снежным покровом, способствующим появлению ерниково-кустарничково-моховых тундр. По запасам фитомассы, продукции, скорости оборота и остаточной продуктивности болота понижений близки к зональным растительным формациям, что снижает пространственную контрастность тундровых ландшафтов. Рост продуктивности наблюдается на разнотравно-злаковых и заболоченных осоковых лугах в поймах рек и озер, где дополнительное поступление минеральных веществ способствует обогащению почв элементами питания растений. Для таких комплексов характерно увеличение скорости оборота вещества (до 0,4). В некоторой степени увеличению биогеохимической неоднородности тундрово-болотных и тундрово-луговых катен способствует различие филогенетической специализации доминантов в фитоценозах автономных и супераквальных ландшафтов, что отражается на изменении геохимической структуры фитояруса.
В таежной зоне внутриландшафтная контрастность биогеохимических параметров выше. Важное место в структуре ландшафтных катен занимают верховые и переходные болота, образующие сложные пространственные сочетания с таежными лесами. На фоне закономерного увеличения биологической продуктивности при переходе от северотаежных ландшафтов к средне — и южнотаежным сохраняется тенденция к снижению Ф и П при заболачивании и резкое замедление БИКа в болотных геосистемах. Для них характерны большие запасы мортмасс, накапливающихся в виде торфа, особенно на верховых болотах (остаточная продуктивность до 62,5). На переходных болотах она ниже в связи с меньшей мощностью торфа и более интенсивным его разложением.
Лесо-болотные катены пользуются широким распространением в бореальных ландшафтах Русской равнины и включают сопряженные геосистемы, принципиально различающиеся по типу функционирования и эффективности действия биогеохимических барьеров. В автономных темнохвойных ландшафтах моренно-водноледниковых равнин в связи с низкой скоростью внутреннего оборота и консервацией вещества в древесном ярусе основные концентрационные функции выполняет фитобарьер, а филогенетическая специализация доминантов обеспечивает активное включение катионогенных элементов в БИК. Они сопрягаются с переходными болотами, в которых при снижении биогеохимической активности сфагнов, ослаблении фитобарьера и замедлении БИКа происходит усиление барьерной роли мортмасс. Такие геосистемы функционируют как своеобразные активные «ядра» (нук — леары) и проявляют тенденцию к расширению. Это вызывает трансформацию сопряженных с ними природных комплексов и формирование экотонных зон в краевой части болот, что увеличивает неоднородность ландшафтных катен. Одним из ее проявлений является различие геохимической структуры сопряженных лесных и болотных комплексов. Изменение биогеохимических параметров в супераквальных ландшафтах логов и пойм с крупнотравными еловыми лесами обусловлено совместным действием нескольких факторов: привнос биогенных элементов из автономных ландшафтов, усложнение вертикальной структуры и флористического богатства фитоценозов, наличие биологических реакций у деревьев (рост зольности) в связи с повышением трофности местообитаний, увеличение травянистой фитомассы и появление крупнотравья с высокой биогеохимической активностью. Различия флористического состава сообществ в катенах отражаются на вариабельности фракционной структуры фито — и мортмасс, их биогеохимической специализации и запасе зольных элементов. Это хорошо видно, например, по варьированию этих параметров в травянистом ярусе, чутко реагирующем на изменение степени гидроморфности и трофности в сопряженных элементарных ландшафтах лесо-болотных катен.
Б степной зоне автономные ландшафты характеризуются стабильным биогеохимическим фоном, что связано с доминированием злаков, отличающихся низкой активностью к поглощению тяжелых металлов (Н. С. Касимов и др.). В то же время высокая биогеохимическая контрастность катен связана с появлением в их супераквальных звеньях «осиновых кустов» (Окско-Донская равнина) и «березовых колков» (равнины юга Западной Сибири и Северного Казахстана). Их отличия от автономных комплексов проявляются не только в изменении типа БИКа и свойств органогенных горизонтов почв, но и в появлении гумидокатных видов с отчетливо выраженной Sr-Mn-Zn филогенетической специализацией. Варьирование параметров фитояруса в подчиненных ландшафтах согласуется с изменением флористического состава растительных сообществ в зависимости от степени гидроморфности и интенсивности засоления, что увеличивает биогеохимическую неоднородность катен типа «степь-луг», «степь-лес», «степь-лес-болото».
Наивысшей биогеохимической контрастностью отличаются катены с резко различными типами БИКа в автономных и супераквальных позициях. К их числу относятся пустынно-тугайные ландшафты, характерные для долин Центральной Азии.
Таким образом, биогеохимическая контрастность катен отражает внутреннюю неоднородность ландшафтов и является важным атрибутом их организации. Степень ее проявления в разных природных зонах неодинакова и зависит от изменчивости ландшафтно-геохимических условий и особенностей биогенеза в разных частях катен. Они определяют разнообразие возможного биогенного поведения элементов, которое, по Н. Ф. Глазовскому, в целом увеличивается с севера на юг. При возрастании контрастности внутриландшафтного пространства именно разнонаправленное биологическое потребление химических элементов различными видами растений обеспечивает динамическое биогеохимическое равновесие геосистем. Неоднородность геохимической структуры катен растет за счет функционирования биогеохимических барьеров, играющих важную роль в радиальной и латеральной дифференциации элементов.