Наследственные отложения (LS) — это осадочные тела, унаследованные от возросшей человеческой деятельности со времен неолита . [1] [2] К ним относятся широкий спектр изменений в землепользовании и почвенном покрове , такие как расчистка сельскохозяйственных угодий, [3] [4] [5] [6] [7] лесозаготовки и расчистка местной растительности , [8] [9] [10] добыча полезных ископаемых , [11] [12] [13] строительство дорог , [14] [15] [16] [17] урбанизация , [18] [19] [20] а также изменения, внесенные в речные системы в виде плотин и других инженерных сооружений, предназначенных для контроля и регулирования естественных речных процессов (эрозия, отложение, боковая миграция, меандрирование). [21] [22] [23] Понятие LS используется в геоморфологии , экологии , а также в исследованиях качества воды и токсикологических исследованиях.
LS распределен пространственно неоднородно по всему ландшафту и накапливается, образуя различные формы рельефа . Он может распространяться по речной системе через изменения фаций от коллювия склонов холмов до аллювия пойм и водно- болотных угодий , до мелкозернистых озерных и эстуарных отложений стоячей воды. [1] Временная природа LS трансгрессивна во времени, что означает, что начало и пиковые скорости осаждения могут происходить в разное время в пределах речной системы, а также в разное время между регионами. Прерывистый перенос LS можно рассматривать как каскадную систему, которая перерабатывает отложения LS со склонов холмов в каналы и на поймы, так что антропогенные отложения будут смешиваться с неантропогенными отложениями. [24]
Речные системы регистрируют прошлые и настоящие отпечатки антропогенно-вызванных изменений в окружающей среде . LS является элементом изменения в этом контексте, поскольку он управляет потоками энергии и вещества ( связность ) через речные системы и обеспечивает указание на прошлое землепользование и динамику реки, которые могут информировать о будущих траекториях реагирования реки. В этом смысле признание концепции LS может принести пользу обоснованной разработке политики в области восстановления рек , [1] качества воды [25] и управления бюджетом осадка [26] , защиты водных экосистем [27] и риска наводнений. Более того, последствия унаследованных эффектов, связанных с антропогенно измененной динамикой осадка, имеют решающее значение в контексте экосистемных услуг . [28]
Определения преимущественно указывают на постпоселенческие наносы Северной Америки, образовавшиеся в результате сельскохозяйственной расчистки.
«Наследственные осадки (сущ.) — это осадки, которые (1) были размыты со склонов возвышенностей в течение нескольких столетий интенсивной расчистки земель, сельского хозяйства и фрезерования (на востоке США это происходило с конца XVII до конца XIX века); (2) собрались вдоль русел ручьев и в днищах долин, погребая под собой ручьи, поймы, водно-болотные угодья и сухие долины; и которые изменили гидрологические, биологические, водные, прибрежные и химические функции ручьев и пойм, существовавших до заселения; (3) накопились за вездесущими плотинами мельниц с низким напором в условиях слабого стока воды, что привело к образованию толстых скоплений мелкозернистого осадка, что отличает «наследственные осадки» от речных отложений, связанных с извилистыми потоками; (4) также могут накапливаться в виде более грубозернистых, более плохо отсортированных коллювиальных (не связанных с переносом ручьев) отложений, обычно на окраинах долин; (5) может содержать различные количества общего фосфора и азота, которые способствуют накоплению питательных веществ в водотоках ниже по течению из-за процессов береговой эрозии. . .'' [29]
В результате критики, связанной с ограниченной сферой применения этого определения, было предложено более гибкое и общее определение, которое (1) включает более широкий спектр человеческой деятельности, (2) рассматривает больше типов осадков, помимо пост-поселенческого аллювия, и (3) учитывает пространственную (неравномерную) и временную (трансгрессивную во времени) изменчивость LS:
«Наследственные отложения: земные материалы — в первую очередь аллювий [или коллювий] — отложившиеся после вмешательства человека, такого как вырубка лесов, сельскохозяйственное использование земель или добыча полезных ископаемых. Эта фраза часто используется для описания постевропейских пойменных отложений, также известных как постпоселенческий аллювий. Осведомленность о наследственных отложениях возросла в ответ на важность, которую они играют в балансах отложений, качестве воды, восстановлении рек, токсичности, связности боковых каналов и геоморфологической теории...» [30]
«Наследственные отложения — это в первую очередь аллювий [и коллювий], которые отложились после вмешательства человека в водораздел. Нарушение могло быть в форме вырубки лесов, вспашки сельскохозяйственных земель, добычи полезных ископаемых или других изменений в землепользовании. В Северной Америке и Австралии наследственные отложения встречаются повсеместно и представляют собой эпизодическую эрозию в ответ на колонизацию земель европейскими поселенцами, которые внедрили технологии расчистки земель Старого Света (например, стальные инструменты и плуги, запряженные тягловыми животными) и экспортную экономику. В этих условиях наследственные отложения часто описываются как постпоселенческий аллювий (PSA), который может покрывать целые поймы и погребать почву до поселения под толстым слоем относительно молодых стратифицированных осадков. [31] [32] [33] [5] « [34]
LS охватывает осадки различной структуры и текстуры. Они могут быть коллювиальными, содержащими плохо отсортированные угловатые обломки горных пород, отложенные массовыми процессами опустошения или эрозионными процессами, [35] аллювиальными, содержащими хорошо отсортированные округлые обломки и очень мелкозернистые взвешенные осадки, отложенные речными процессами. [36]
Большая часть LS образуется на возвышенностях в результате эрозионных процессов, связанных с массовым сбросом, потоками, ручьями и оврагами . Отложенный коллювий имеет небольшое расстояние перемещения и накапливается в драпировках середины склона вблизи места эрозии, в шлейфах или клиньях осадка у основания склона или в конусах выноса в устье оврагов, грязевых потоков и притоков . [1]
Поймы сохраняют аллювий посредством боковой и вертикальной аккреции , т. е. отложения донных наносов включаются в пойму. Эпизоды осадконакопления отражают баланс между количеством доступных осадков и способностью их переносить. Соответственно, природа LS на поймах может быть разной: [1] (1) ступенчатая, когда избыток осадков и дефицит транспортной способности погребают поймы в сплошных отложениях, (2) каскадная, когда обильные осадки и ограниченная транспортная способность приводят к образованию ряда частых, но разделенных карманов, (3) прерывистая, когда ограниченное поступление осадков, но эффективный перенос приводит к отложению только в локально изолированных карманах.
В средах с низким содержанием энергии, таких как озера, водно-болотные угодья, эстуарии, в LS преобладает очень мелкозернистый материал, такой как ил и глина , и образует пляжи и комплексы пляж- дюна . [1]
Другой способ концептуализации пространственной структуры LS по всему водоразделу — через понятие источника и зоны хранения или стока. [37] Накопители отличаются от стоков своей временной устойчивостью в ландшафте, первые являются временными, а вторые более продолжительными. [38] Высокогорья характеризуются локальными точками хранения вблизи зоны производства осадка, с большими пространствами хранения ниже по течению в более широких долинах с низкими уклонами. Накопители в этих частях водораздела, как правило, имеют небольшое время пребывания, поскольку они эпизодически перерабатываются речной системой. Источники связаны с стоками через транспортные или трансферные зоны, как правило, характеризующиеся либо высокой транспортной способностью, либо небольшим пространством для накопления осадка, например, крутые узкие долины, которые очень эффективны в переносе осадка вниз по течению. Стоки наиболее распространены в низменных областях с низкими уклонами, где энергия потока рассеивается по большим поверхностям, так что накопление является доминирующим. Здесь пространство хранения и время пребывания отложений значительно увеличиваются по сравнению с частями водораздела, расположенными выше по течению.
Научные исследования, документирующие широкомасштабное изменение динамики отложений (т. е. поступление отложений, захват отложений, транспорт, эрозия, отложение и хранение) людьми, приводят к доказательствам того, что деятельность человека стала доминировать над эрозионными, седиментационными и геохимическими процессами в экосистемах. [39] [28] Это особенно заметно в речных системах, учитывая, что реки являются самыми низкими топографическими точками любого ландшафта и, следовательно, собирают воду, растворенные вещества, минеральные отложения и определенные органические вещества из ландшафта, а также осадки, растворенные вещества и твердые частицы из атмосферы. Кроме того, увеличение поступления отложений в реки, но уменьшение переноса отложений в пределах речной сети привело к созданию эффектов наследия вдоль почти всех рек по всему миру. Например, даже несмотря на то, что ускоренная антропогенная эрозия почвы увеличила перенос отложений реками по всему миру на 2,3 (± 0,6) миллиарда метрических тонн в год, поставка отложений к побережьям и океанам мира сократилась на 1,4 (± 0,3) миллиарда метрических тонн в год из-за удержания в водохранилищах . [23] Более 50% основных водоразделов по всему миру затронуты плотинами. [23] [22] Только в Соединенных Штатах, по оценкам, только 2% километров рек не затронуты плотинами. [40] [41]
Деятельность человека приводит к наследственным эффектам на речных отложениях, которые проявляются в изменении местоположения, количества и состава отложений. Наследственные эффекты изменчивы во времени и пространстве, и полученные отложения имеют различные пространственные масштабы, скорости накопления и время пребывания в речной системе. Например, удаление бобровых плотин может изначально вызвать локальное осаждение в пределах части бассейна, которая включает всего несколько гектаров. [42] Аналогично, одна мельница, построенная в реке, усиливает осаждение осадка на нескольких гектарах. [7] И наоборот, строительство сотен километров береговых укреплений , таких как дамбы , оказывает гораздо более обширное воздействие на весь бассейн, почти устраняя осадконакопление над берегом. [43] Аналогично, удаление местной растительности в горной части бассейна может привести к значительному намыву дна долины почти по всему течению речной сети. [44] Очистка сточных вод может удалить загрязненные отложения менее чем за год, [45] но тяжелые металлы и синтетические химикаты могут оставаться в речных отложениях в токсичных условиях в течение десятилетий или столетий. [46]
Три основных эффекта антропогенного воздействия на экосистемы – это усиление седиментации, уменьшение или устранение седиментации и/или загрязнение осадков различными загрязняющими веществами . [28]
Образование осадка усиливается в результате деятельности, которая либо увеличивает поступление осадка в реку из верхнего течения (например, сельскохозяйственная расчистка, добыча полезных ископаемых, выпас скота) или из других частей водораздела, либо уменьшает транспортную способность реки (например, регулирование стока). [28]
Эффекты этого могут вызвать метаморфозу реки, т. е. изменение морфологии реки на целый сдвиг . [47] Например, смена культур с зерновых на картофель в Польше в конце 19 века привела к такому увеличению выхода осадка, что извилистые реки превратились в разветвленные реки . [48] Добыча меди в верховьях реки Ок-Теди в Папуа-Новой Гвинее производила около 80 тысяч тонн в день отходов и 121 тысячу тонн в день добытой пустой породы, которые сбрасывались в реку и влияли на весь ход речной сети, а также на прибрежную среду. [49] Речная система отреагировала на это намывом более чем на 6 метров в некоторых частях бассейна десятилетие спустя. [50] В Калифорнии река Медведь все еще продолжает перерабатывать и перемещать осадок, образовавшийся в результате горнодобывающей деятельности более чем через столетие после ее прекращения. [51]
Косвенно изменение климата может также усилить седиментацию за счет изменений в характере осадков и сбросов, что, как было показано, приводит к увеличению движения масс, [52] изменению режимов лесных пожаров [53] и усилению таяния ледников. [54]
Образование осадка уменьшается или полностью прекращается, когда деятельность человека снижает отток осадка из верхнего течения (например, плотины и водохранилища в горных районах, бассейны для задержания осадка) или уменьшает физическую сложность речного русла (например, создание каналов , дренаж ) или отсоединяет речные русла от соседних пойм и водно-болотных угодий (например, дамбы, удаление бобровых плотин и заторов / крупных древесных обломков ). [28]
Быстрое строительство плотин в системе реки Меконг привело к 38 плотинам (по состоянию на 2014 год) и еще 133, предложенным для основного потока и его притоков — если бы все они были построены, общая емкость улавливания осадка составила бы 96%. [55] Оценки показывают, что в настоящее время в водохранилищах, построенных за последние 50 лет, хранится около 100 миллиардов метрических тонн осадка. [23] Строительство дамб в нижнем течении реки Миссисипи сократило стоки через берег на 90%. Меры по стабилизации берега, связанные с этим проектом, уменьшили эрозию берега и боковую миграцию извилины, в то время как дамбы вызвали размыв русла во время низких потоков из-за увеличения скорости потока . В целом, этот проект привел к сокращению хранения осадка в пойме с 89 600 до 7 000 квадратных километров в период с 1882 по 2000 год. [56] В австралийской реке Канн вывоз древесины из русла превратил нижележащие участки речной сети из приемника осадка в источник осадка. [57]
Человеческая деятельность вносит или концентрирует природные (например, азот, фосфор) или синтетические загрязняющие вещества и загрязняющие вещества, которые поглощаются отложениями и могут привести, при токсичных уровнях, к хроническому или серьезному нарушению физиологических механизмов во всех организмах. [28] Наиболее распространенными загрязняющими веществами, которые могут поглощать мелкие отложения, являются следовые количества металлов , питательные вещества (например, азот , фосфор ), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), патогены , полихлорированные бифенилы (ПХБ), пестициды , летучие органические соединения (ЛОС). [28]
Например, две хвостохранилища золотых рудников , расположенных в румынских притоках Дуная , вышли из строя, тем самым высвободив огромное количество загрязненной цианидом воды и осадка на десятки километров вниз по течению, что убило речные организмы и повлияло на снабжение людей питьевой водой на несколько недель. [58] В бассейне реки Рио-Сан-Хуан в Перу кислотные шахтные стоки были отведены в естественное озеро, что привело к чрезвычайно высоким концентрациям меди, цинка и свинца в озерных отложениях. [59] Образцы, взятые Геологической службой США в 1993-2003 годах, показали, что средние концентрации азота и фосфора в сельскохозяйственных ручьях в шесть раз превышают фоновые уровни, и что на всей территории США концентрации в ручьях обычно превышают уровни, рекомендованные Агентством по охране окружающей среды США для защиты водной флоры и фауны. [60]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )