Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия и факторы, определяющие биогеохимические циклы микроэлементов и тяжелых металлов в наземных экосистемах 13
1.1. Геологическое строение 13
1.2. Рельеф 16
1.3. Климат 23
1.4. Гидрография 29
1.5. Растительность 31
1.6. Почвенный покров 37
1.7. Ландшафтная структура и физико-географическое районирование Алтайской горной области 40
Глава 2. Объекты и методы исследований 42
2.1. Объекты исследований 42
2.2. Методы исследований 60
Глава 3. Свойства почв Алтайской горной области, определяющие содержание и поведение химических элементов в наземных экосистемах 64
3.1. Почвы высокогорного пояса 64
3.2. Почвы горно-лесного пояса 75
3.3. Почвы низкогорного лесостепного пояса 90
3.4. Почвы межгорных котловин и речных долин 96
3.5. Интразональные почвы 108
Глава 4. Биогенные микроэлементы в компонентах наземных экосиситем 113
4.1. Марганец 113
4.2. Цинк 142
4.3. Медь 160
4.4. Кобальт 177
4.5. Молибден 192
4.6. Влияние микроудобрений на урожайность и химический состав сельскохозяйственных культур 203
Глава 5. Тяжелые металлы в компонентах ландшафта 208
5.1. Свинец 210
5.2. Кадмий 233
5.3. Ртуть 250
Глава 6. Эколого-биогеохимическая оценка наземных экосистем Алтайской горной области 274
Выводы 294
Предложения 299
Литература 300
- Климат
- Почвы высокогорного пояса
- Медь
- Эколого-биогеохимическая оценка наземных экосистем Алтайской горной области
Введение к работе
Актуальность проблемы. Глобальные масштабы круговорота химических элементов в природе являются причиной того, что растительные и животные организмы неразрывно связаны с геохимической средой их обитания, получают из нее все доступные элементы, и химический состав их изменяется соответственно составу среды (Виноградов, 1935; 1960; Ковальский, 1974; Вернадский, 1987; Ермаков, Тютиков, 2008).
Целенаправленное изучение элементного химического состава окружающей среды началось сравнительно недавно, во второй половине 19 века. Большой вклад в решение этой проблемы внесли американский геохимик Ф. Кларк, норвежский ученый В.М. Гольдшмидт и отечественные ученые В.И. Вернадский, А.П. Виноградов, А.Е. Ферсман, В.В. Ковальский.
Процессы взаимодействия организмов и среды обитания через биогенную миграцию химических элементов и их биологическую роль рассматривает наука – геохимическая экология, к числу важнейших практических задач которой относятся оценка эколого-геохимического состояния отдельных территорий, оценка и прогноз развивающихся в их пределах различных эколого-геохимических изменений (Алексеенко, 2006).
На современном этапе развития человеческой цивилизации необходимость в эколого-геохимических исследованиях различных регионов мира и нашей страны стоит весьма остро.
Очень важным эколого-геохимическим направлением является фоновый мониторинг природной среды, для осуществления которого необходимо знание закономерностей естественных процессов миграции и концентрации химических элементов в ландшафтах различных природных зон и провинций.
Эколого-биогеохимические исследования отличаются комплексным подходом, что, наряду с общей оценкой состояния окружающей среды, позволяет сделать прогноз его изменения в будущем и наметить пути снижения поступления техногенных токсикантов в трофические цепи (Ермаков, 1999).
Алтайская горная область – регион наших исследований – интересна в двух аспектах. Во-первых, местоположение её в центре Азии, удалённость от крупных промышленных центров, практически полное отсутствие собственной промышленности, слабое антропогенное воздействие позволяют изучать здесь эталонное состояние элементного химического состава компонентов наземных экосистем.
Во-вторых, наличие полиметаллических и ртутных месторождений, рудопроявлений и их ореолов рассеяния (Курайско-Сарасинская ртутная зона) обусловливает локальное загрязнение компонентов наземных экосистем. Последнее явилось серьезной проблемой при экологической экспертизе проектов Катунских ГЭС и побудило ученых к тщательному исследованию содержания, пространственного распределения и поведения ртути в компонентах ландшафтов Алтая. В связи с этим в Алтайской горной области задачи геохимического мониторинга и геохимической экологии окружающей среды и, прежде всего, биогеохимии микроэлементов и тяжелых металлов актуальны и в настоящее время.
Цель и задачи исследований. Цель работы – выявление закономерностей распределения и поведения биогенных микроэлементов (Mn, Zn, Cu, Co, Мо) и тяжелых металлов (Pb, Cd и Hg) в компонентах наземных экосистем Алтайской горной области.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Выявить закономерности пространственного распределения микроэлементов и тяжелых металлов в почвообразующих породах и почвенном покрове в системе высотной поясности.
-
Установить региональное среднее содержание микроэлементов и тяжелых металлов в почвообразующих породах.
-
Установить региональное среднее содержание микроэлементов и тяжелых металлов в почвах региона.
-
Изучить особенности внутрипрофильного распределения микроэлементов и тяжелых металлов в основных типах почв Алтайской горной области и выявить определяющие их факторы.
-
Определить особенности элементного химического состава растений.
-
Дать экологическую оценку уровней концентраций микроэлементов-биофилов и тяжелых металлов в наземных экосистемах Алтайской горной области.
Научная новизна. Впервые установлен региональный кларк Мо, Zn, Pb, Cd и Hg и уточнен – Mn, Cu, Co в основных типах четвертичных отложений (элювиальных, элювио-делювиальных, делювиальных, аллювиальных, лессовидных карбонатных суглинках, бескарбонатных бурых глинах) и почвах Алтайской горной области в системе высотной поясности.
Выявлены закономерности пространственного распределения химических элементов в почвенном покрове в системе высотной почвенной поясности.
Изучены особенности внутрипрофильного распределения микроэлементов и тяжелых металлов в основных типах почв Алтайской горной области и выявлены основные определяющие их факторы (состав материнских пород, содержание гумуса, карбонатов, гранулометрический состав, величина ёмкости поглощения, содержание катионов кальция и магния).
Определены особенности элементного химического состава растений-доминантов. Показана ведущая роль почвообразующих пород в формировании уровня содержания и вариабельности микроэлементов в ландшафтно-геохимических условиях Алтайской горной области.
Дана оценка буферной способности почв по отношению к тяжелым металлам в системе высотной поясности.
Практическая значимость работы. Данные по микроэлементному составу почв и растений важны при решении задач фонового геохимического мониторинга. Сведения о микроэлементном составе почв являются базовыми при биогеохимическом районировании. Полученные результаты могут быть использованы в практике сельскохозяйственного производства.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на межлабораторном семинаре в ИВЭП СО РАН, на международном симпозиуме «Проблемы формирования и развития эколого-экономической зоны «Горный Алтай» (Горно-Алтайск, 1992), Российских и Международных биогеохимических школах (Горно-Алтайск, 2000; Москва, 2003; Семипалатинск, 2004; Астрахань, 2008), Международных научно-практических конференциях (Горно-Алтайск, 1997; Томск, 1997; Барнаул, 1999; Ховд, 2001; Семипалатинск, 2002, 2004, 2006; Оренбург, 2004; Смоленск, 2006), региональных научно-практических конференциях (Барнаул, 1999; Горно-Алтайск, 2005, 2006).
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 43 работы, общим объёмом 24,2 п.л., доля автора 73 %.
Личный вклад. Диссертация – результат обобщения материалов, полученных при личном участии автора в экспедиционных, камеральных и аналитических работах при выполнении плановых научно-исследовательских работ в рамках программ СО АН СССР, СО РАН, интеграционных проектов СО РАН (№ 33, 65), грантов РФФИ (98-05-03164, 99-05-96017, 00-05-79097) и РГНФ (02-06-18009е), ФЦП "Интеграция" МО369.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Уровень концентраций, закономерности пространственного и внутрипрофильного распределения биогенных микроэлементов и тяжелых металлов в почвенном покрове Алтайской горной области определяются свойствами и особенностями почвообразующих пород, направленностью почвообразовательных процессов, физическими и физико-химическими свойствами почв.
2. Содержание биогенных микроэлементов и тяжелых металлов в растениях фоновых территорий Алтайской горной области в большей степени определяется систематической принадлежностью вида, исследованным органом растения (корни, надземная часть, цветки, листья) и, в меньшей, – местом произрастания.
3. Почвы Алтайской горной области обладают высокой, повышенной и средней степенью буферности по отношению к элементам, подвижным в кислой среде, и повышенной, средней и низкой – по отношению к элементам, подвижным в щелочной среде.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и предложений, списка литературы, который включает 550 источников, в том числе 25 – иностранных. Объём диссертации – 404 страницы, в том числе 89 таблиц, 32 рисунка и 5 приложений.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему учителю д.б.н., профессору М.А. Мальгину и научному консультанту д.б.н., профессору А.В. Пузанову. Особую признательность автор выражает Н.П. Цаплиной. Автор благодарен коллегам: Е.Ю. Черных, к.б.н. Т.А. Рождественской, Н.В. Гуляевой, Г.М. Медниковой за оказание помощи при выполнении работы.
Климат
На территории Алтайской горной области выделялись следующие агроклиматические районы: Северный, Центральный и Юго-Восточный (Агроклиматический..., 1992). Позднее Т.Д. Модиной, М.Г. Суховой (2007) в пределах Республики Алтай были выделены следующие агроклиматические районы: Северо-Алтайский, Северо-Восточный Алтайский, Центрально-Алтайский, Восточно-Алтайский и Юго-Восточный1 Алтайский, каждый из которых представляет собой единство всего комплекса природных условий (рис. 4).
Вертикальные климатические пояса представлены низкогорным, среднегорным и высокогорным. Границы поясов проведены по высоте и суммам температур выше 10С. В агропроизводственном отношении вертикальные природно-климатические пояса являются агроклиматическими зонами.
В низкогорной зоне поля находятся на днищах и склонах долин, абсолютные отметки высот которых составляют 200-400 м. Территориально в пределы низкогорной зоны входит северная часть Северного Алтая.
Среднегорная агроклиматическая зона охватывает южную часть Северного Алтая и котловины Центрального Алтая с абсолютными отметками высоты их днищ от 400 до 1200 м.
Высокогорная агроклиматическая зона представлена котловинами Юго-Восточного Алтая, высота днищ которых от 1200 до 1900 м.
Внутри зон по местным особенностям гидротермических условий выделены подрайоны. Подрайоны соответствуют определенным типам и. подтипам местных климатов. Ареал агроклиматических подрайонов разорван, так как распространение пахотно-пригодных земель на Алтае имеет островной характер.
Северный Алтай занимает северные окраины Алтайской горной области. На его территории преобладает низкогорный и среднегорный рельеф. Ландшафты в восточной части - лесные, чаще таежные, в западной — лесостепные. Климат отдельных долин Северного Алтая характеризуется большим разнообразием. Среднегодовая температура преимущественно положительная, изменяется от 3,6С (на побережье Телецкого озера) до -0,3С (в долине р. Бии). Средняя температура января колеблется от -10С до -20С, июля - от +16С до +18С. Продолжительность безморозного периода - от 80 до 120 дней. Период активной вегетации при среднесуточной температуре выше 10С составляет 90-110 дней. Сумма температур за этот период - от 1100С до 2100С. Годовое количество осадков колеблется от 900-1000 мм на северо-востоке до 400-600 мм в южных районах.
Продолжительность устойчивого снежного покрова от 30 до 215 дней.
Наибольшие различия в климатах долин Северного Алтая наблюдаются в холодный период года. На его территории находятся климатические оазисы, где не бывает суровых зим. Такими оазисами являются долины р. Катуни, Чулышмана, побережье Телецкого озера и, в меньшей степени, долины р. Песчаной, Ануя, Семы.
Северный Алтай подразделяется на Катунско-Майминский, Бие-Ишинский подрайоны.
Центральный Алтай (Онгудайсккий, Усть-Канский, Усть-Коксинский и частично Улаганский административный районы) характеризуется ярко выраженным континентальным климатом. В этом климатическом районе, на высоте 800-1000 м над уровнем моря, располагается несколько разрозненных островных степей - Урсульская, Канская, Абайская, Уймонская, Катандинская, а также речных долин, которые характеризуются низкими среднегодовыми температурами (от -1,1 до -2С) и очень контрастным тепловым режимом (средние температуры января от -20 до -24С, а июля — 15С).
Средняя продолжительность безморозного периода 62-95 дней.
Высота снежного покрова не превышает 20-30 см, и почвы промерзают глубоко. Количество осадков по годам очень резко колеблется. Среднегодовая сумма осадков в Уймонской котловине - 461 мм, в Урсул ьской — 345 мм. Большая часть осадков выпадает с апреля по октябрь (85-90%). В общем, климат среднегорных котловин и речных долин Центрального Алтая обусловливает группы почв степного почвообразования.
В Центральном Алтае отчетливо выражена климатическая контрастность северных и южных склонов. Южные склоны постоянно испытывают недостаток влаги, здесь развивается степная, преимущественно ксерофитная растительность. Северные же склоны получают основную массу атмосферных осадков и почти повсеместно покрыты лесом и пышной травянистой растительностью.
В зависимости от расположения отдельных горных цепей и их частей по отношению к влагоносным ветрам, от абсолютных и относительных высот среднегодовое количество осадков в пределах лесного пояса Центрального Алтая изменяется от 500 мм в его нижней части до 1000 мм в верхней (Сляднев, 1964). Дифференциация климатических условий в пределах лесного пояса Центрального Алтая определяет развитие в нижней части его под парковыми лиственничными лесами горно-лесных черноземовидных почв, а в средней и верхней частях - горно-лесных бурых почв.
Высокогорный пояс Центрального Алтая характеризуется суровыми климатическими условиями. Среднегодовая температура колеблется от -5,4 до - 6,3С. Средняя температура января -17-21 С, июля плюс 6-8С. Среднегодовое количество осадков - 510 мм. Здесь развиваются горнолуговые и горно-тундровые почвы.
Центральный Алтай подразделяется на Катунский среднегорный, Прителецкий, Чулышманский, Семинско-Песчанский, Ануйский, Ининский, Урсульский, Теньгинский, Канский, Абайский, Уймонский и Чарышский подрайоны.
Юго-Восточный Алтай выделяется распространением высокоприподнятых котловин, плато и плоскогорий, окруженных высокими хребтами. Большая абсолютная высота, закрытость горами от проникновения с запада влажных потоков воздуха, близость к центру Сибирского антициклона - важнейшие факторы формирования макроклимата.
Климат характеризуется резкими суточными амплитудами температуры и влажности, высокой инсоляцией, резкой континентальностью, коротким вегетационным периодом, низкой увлажненностью.
Верхняя граница леса находится на высоте 2000-2500 м, снеговая линия поднимается до 3000-3500 м. На водоразделах и высокогорных плато широко распространены альпийско-луговые, тундрово-степные и тундровые ландшафты.
В котловинах средняя годовая температура -4С. В Чуйской котловине средняя температура января -32С, иногда температура здесь понижается до -55С. Зима длится 8-9 месяцев. Лето относительно теплое, но из-за большой сухости почв все тепло затрачивается на нагревание воздуха. Средняя температура июля 14С. Наблюдается и безморозный период, его продолжительность 50-70 дней. Местная циркуляция развита летом, что обусловливает локальное образование облачности, грозовую деятельность, выпадение кратковременных осадков.
Режим увлажнения своеобразен: на теплый период приходится до 80-90% годовой суммы осадков. Летом в горах часто бывают интенсивные снегопады. На наветренных склонах хребтов выпадает осадков 1000 мм и более. В Чуйской котловине часто годовая сумма осадков 110-120 мм, нередко она бывает менее 100 мм. На плато Укок годовая сумма осадков 230 мм, в Курайской и Джулу-Кульской котловинах 250 мм.
Высота снежного покрова на днищах котловин около 10 см. Часто ветер сдувает снеґ с ровных пространств котловин, и поэтому происходит глубокое промерзание почвенно-грунтовой толщи. Сильное зимнее промерзание способствует сохранению многолетней мерзлоты грунта. Весной поверхностные слои почвы быстро прогреваются, и за летние месяцы почва оттаивает на глубину до 3 м. Крайне ограниченные ресурсы тепла и влаги в котловинах Юго-Восточного Алтая создают большие сложности для их сельскохозяйственного освоения.
Юго-Восточный Алтай подразделяется на Улаганский, Курайский и Чуйский подрайоны.
Почвы высокогорного пояса
Количество крупнозема; в! горно-тундровых автоморфных почвах возрастает с глубиной: в верхней части; профилям за счет физического выветривания дезинтеграция обломков коренных пород происходит интенсивнее,- чем в нижней; Гранулометрический состав мелкозема колеблется от легко- до тяжелосуглинистого, что обусловлено разнообразием почвообразующих пород и неодинаковой устойчивостью их к выветриванию;
Содержание илистой фракции неодинаковое (5-25%).
Горно-тундровые автоморфные почвы в самой верхней части профиля содержат много органического вещества в виде неразложившихся; растительных остатков и грубого гумуса. Повышенной гумусированностью (от 9 до 20%) характеризуется и собственно гумусовый минеральный горизонт. Одной; из характерных особенностей горно-тундровых автоморфных почв, является довольно высокое содержание гумуса (2-5%) даже в почвообразующей; породе — за счет миграции сюда легкоподвижных гумусовых соединений. Глубокое проникновение вниз по; профилю органического вещества - одна из характерных особенностей горно тундровых почв. В составе гумуса преобладают фульвокислоты. Горнотундровые почвы характеризуются кислой реакцией среды, значительной емкостью обмена (до 90 мг-экв на 100 г). В составе обменных катионов преобладает кальций. Количественных изменений по профилю среди главных компонентов валового химического состава не наблюдается.
Горно-тундровые гидроморфные почвы характеризуются полной или почти полной насыщенностью поглощающего комплекса основаниями и слабокислой реакцией среды; отсутствием процессов передвижения по профилю подвижных продуктов почвообразования.
В качестве примера ниже приведены гранулометрический состав (табл. 4), общие свойства (табл. 5) горно-тундровой полугидроморфной почвы, занимающей промежуточное положение между гидроморфной и автоморфной почвами.
Рассматриваемые почвы характеризуются высоким содержанием грубого гумуса (13,8-37,7%) (табл. 6), азота, кислой реакцией среды, разнообразным минералогическим и гранулометрическим составом, неравномерным распределением химических элементов.
Наиболее характерные свойства горно-тундровых почв:
1. Сильная защебненность профиля.
2. Отсутствие льдистой мерзлоты.
3. Значительное накопление в органогенных горизонтах слабоминерализованного, высокозольного органического вещества фульватной природы.
4. Отсутствие признаков оподзоливания и оглеения.
5. Кислая реакция среды.
6. Сравнительно высокая емкость поглощения.
7. Равномерное распределение главных компонентов валового химического состава по профилю.
8. Биогенная аккумуляция кальция, марганца, фосфора и серы в верхних горизонтах.
Горно-луговые почвы характеризуются следующими особенностями:
1. Маломощным защебненным профилем.
2. Ярко выраженным проявлением дернового макропроцесса.
3. Замедленностью процессов внутрипочвенного выветривания.
4. Выщелоченностью профиля и отсутствием признаков оподзоленности.
5. Ёмкость поглощения определяется содержанием органического вещества и колеблется от 15 до 38 мг-экв на 100 г почвы.
6. Подвижные формы железа слабо аккумулируются в нижней части профиля.
7. Профиль почв имеет устойчивую кислую реакцию.
Горные лугово-степные почвы. Гранулометрический состав мелкозема этих почв весьма различен: от легко- до тяжелосуглинистого. В составе мелкозема преобладают песчаные фракции, абсолютное количество которых книзу профиля увеличивается. Илистые частицы накапливаются в средней части профиля (табл. 10).
Содержание гумуса в верхнем (дерновом) слое очень высокое (12,5-24,1%), в горизонте А оно колеблется от 4,5 до 15% (табл.11, 12). Максимальная ёмкость поглощения в верхних, наиболее гумусированных горизонтах. В составе поглощенных катионов преобладает кальций. В нижней части профиля формируется иллювиально-карбонатный горизонт. Реакция среды изменяется сверху вниз от слабокислой и нейтральной до явно щелочной.
Распределение кремнезема и полуторных окислов по профилю равномерное. В верхней части профиля отмечается биогенное накопление фосфора, кальция, калия (Почвы..., 1973).
Медь
Медь — химический элемент 1 группы периодической системы Д.И Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов: 63Си (69,1%) и 65Си (30,9%) (Глинка, 1985).
Медь, присутствующая в небольших количествах в компонентах ландшафтов, является, с одной стороны, биологически важным микроэлементом, с другой, при высоких концентрациях - опасным токсикантом для живых организмов. Роль меди в организмах растений, животных и человека велика и разнообразна и достаточно хорошо изучена (Ягодин, 1995). Медь играет важную роль в ряде физиологических процессов живых организмов - фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, контролирует образование ДНК и РНК. Медь принимает участие в азотном, нуклеиновом, углеводном, ауксиновом и фенольном обменах (Войнар, 1960; Власюк, 1969; Школьник, 1974; Авцын, Жаворонков, Риш и др., 1991). Участие меди в метаболических процессах определяется ее специфическими физико-химическими свойствами. По биохимическим свойствам и функциям медь сходна с железом, способна образовывать стабильные комплексы и изменять валентность. Большинство функций меди как микроэлемента связано с ее участием в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях (Битюцкий, Кащенко, 1992).
Избыточные концентрации меди вызывают повреждение тканей, изменение проницаемости мембран, переокисление липидов в мембранах хлоропластов и ингибирование переноса электронов при фотосинтезе (Школьник, 1974). При высоком содержании меди у человека встречаются заболевания костной системы, эндемическая анемия, эндемическая атаксия (Ковальский, 1973; Розанов, 1975; Химия..., 1982). Избыток меди способствует развитию заболеваний легких, малокровия (Рейли, 1985).
Медь относится к числу малораспространённых в земной коре элементов. Кларк меди в земной коре, по А.Н. Виноградову (1962), равен 47 мг/кг. Элемент входит в состав более 200 минералов (Перельман, 1975). Наиболее встречающимися из них являются гидрокуприт, мелаконит и гидротенорит. Особенно богаты этими минералами известковые осадочные породы и, напротив, бедны лёссовидные и органогенные (Виноградов, 1962).
В гранитном слое среднее содержание металла составляет 22 мг/кг (Амшинский, 1973); в средних гранитах содержится 10 мг/кг меди, в средних базальтах - 100 мг/кг (Распространенность..., 1972). По мировым данным (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) ультраосновные породы содержат меди 10-40 мг/кг, основные - 60-120 мг/кг, средние - 50-80 мг/кг, кислые - 10-30 мг/кг, глинистые осадки - 40-60 мг/кг, сланцы - 40 мг/кг, песчаники - 6-10 мг/кг, карбонатные породы -2-10 мг/кг.
Концентрация меди в различных горных породах Алтае-Саянской горной страны, к которым приурочена кора выветривания, существенно варьирует. По свидетельству Н.Н. Амшинского (1973), содержание микроэлемента в гранитах Горного Алтая изменяется от 5,3 до 11 мг/кг, иногда значительно превышая (в 5,5 раза) кларк. По данным М.А. Мальгина (1978), концентрация меди в горных породах Алтая варьирует от 3 до 250 мг/кг, минимальные содержания элемента приурочены к карбонатным породам, максимальные - к алевролитам. Весьма разнообразны содержания меди в горных породах Тувы: граниты порфировидные - 13-40 мг/кг; гранодиориты - 16-52; габбродиориты - 14-48,5; габбро - 14-135; диориты -86-120,4 мг/кг (Шенкман, 1980).
Решающими факторами, определяющими уровень концентрации меди в почвообразующих породах, являются их гранулометрический состав и петрографическая принадлежность (Виноградов, Малюга, 1957; Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959; Пейве, 1964; Зырин, 1968а; Ковальский, Андрианова, 1970; Лукашев, Петухова, 1970; Ильин, 1973; Макеев, 1973; Якушевская, 1973; Мальгин, 1978; Добровольский, 1983; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Белоусова, Кузнецов, 1994; Акулов, Богомазов, Нетребенко, 1995; Кайгородова, Воробейчик, 1996; Вайчис, Рагуотис, Армолайтис и др., 1998; Иванов, Кашин, 1998; Мальгин, Пузанов, 1998; Ильин, Сысо, Конарбаева и др., 2000).
Незначительные количества меди содержат породы легкого гранулометрического состава - песчаного, супесчаного и легкосуглинистого. Так, пески накапливают микроэлемента в среднем 8 мг/кг (Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959); флювиогляциальные и древнеаллювиальные пески - 5, мореные пески и супеси - 12 (Якушевская, 1973); супеси и пески юга Западной Сибири - 18,8 (Ильин, 1973); песчаники - 5-30 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Тонкодисперсные материнские породы депонируют меди больше, чем грубодисперсные: глины - 26 мг/кг, покровные суглинки — 14, лесс и лессовидные суглинки - 18 (Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959); лессы и карбонатные лессовидные суглинки — 25, озерно-ледниковые глины и тяжелые суглинки — 25, покровные суглинки - 23 (Якушевская, 1973); суглинки и глины юга Западной Сибири — 33,6 (Ильин, 1973); глины Горного Алтая - 26,5 (Мальгин, 1978); глины Белоруссии - 26,2 (Лупинович, 1965); глинистые осадки - 40-60 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
В древнеаллювиальных песчаных отложениях Рязанской области концентрация меди составляет 1,2±0,3 мг/кг, а в глинистых - 20±9 мг/кг (Матюхин, 2005).
Тонкодисперсные материнские породы депонируют меди больше, чем грубодисперсные: глины - 26-34 мг/кг, суглинки - 14-25 мг/кг (Шенкман, 1980).
По данным А.П. Виноградова (1957), валовое содержание меди в почвообразующих породах бывшего СССР варьирует от 5 до 95 мг/кг.
Значительные концентрации меди свойственны почвообразующим породам, формирующимся над рудными телами полиметаллических месторождений и вблизи ореолов рассеяния сульфидных медных месторождений (Виноградов, 1957, 1962; Захаров, 1969; Ковальский, 1974; Петрунина, 1974; Ивашов, 1976;). По данным Е.П. Захарова (1969), желтовато-серые суглинки, залегающие над кобальтово-медными рудами в Туве, содержат до 1% меди.
Медь считается одним из наиболее подвижных тяжелых металлов в гипергенных процессах.
В почвообразующих породах Алтайскойгорнойобласти содержание меди находится на уровне кларка и выше почти в 1,5 раза, чем приводит М.А. Мальгин (1978) для всей совокупности почвообразующих пород Горного Алтая различного генезиса (30,5±0,9 мг/кг) (табл. 51).
Несмотря на расхождение абсолютных значений, закономерности распределения элемента по типам почвообразующих пород сохранились. Максимальные концентрации элемента обнаружены в аллювиально-делювиальных и элювио-делювиальных отложениях, минимальные - в лессовидных карбонатных суглинках, что свойственно карбонатным породам. Низкий уровень содержания меди отмечен в бескарбонатных бурых глинах, несмотря на их тонкодисперсность, что, вероятно, связано, в большей степени, с невысоким содержанием элемента в породах Северо-Восточного Алтая — района наиболее широкого распространения бескарбонатных глинистых отложений, а не столько с гранулометрическим составом.
Эколого-биогеохимическая оценка наземных экосистем Алтайской горной области
В педосфере начинается и заканчивается грандиозный круговорот химических элементов в системе: педосфера - растительность мировой суши. В свете современных данных педосферу можно рассматривать как планетарный механизм, который благодаря сложной системе взаимообусловленных равновесий регулирует глобальные циклические процессы массообмена химических элементов (Добровольский, 1998).
Педосфера — специфическая оболочка биосферы, не только аккумулирующая различные химические элементы, но и выступающая в качестве естественного буфера, регулирующего транспорт химических элементов в основные компоненты биосферы - атмосферу, гидросферу и живое вещество. Тяжелые металлы, и другие приоритетные токсиканты, поступающие из различных источников, попадают, в конечном итоге, в верхние горизонты почв, где в дальнейшем их поведение определяется свойствами последних. Длительность пребывания тяжелых металлов в педосфере существенно больше, чем в других компонентах биосферы. Металлы, аккумулирующиеся в почвах, сравнительно медленно удаляются при выщелачивании, поглощении растениями и в результате экзогенных процессов. Баланс тяжелых металлов в почвах свидетельствует о возрастании их уровня в почвенной оболочке в глобальном масштабе, согласуясь с увеличением темпов индустриальной и аграрной деятельности человека. Наиболее распространенными источниками загрязнения приоритетными в санитарно-гигиеническом аспекте элементами являются предприятия цветной металлургии, горнодобывающей промышленности, сельскохозяйственное производство (внесение минеральных удобрений) и сточные воды.
Уровень концентрации тяжелых металлов в почвах определяется, главным образом, их содержанием в почвообразующих породах. Сравнение уровней содержания исследованных химических элементов в почвообразующих породах Горного Алтая с их содержанием в земной коре (Виноградов, 1962) показывает, что содержание меди, кобальта и ртути близко к кларку, марганца, цинка, кадмия - ниже, а молибдена и свинца — выше кларка (табл. 81).
По сравнению с почвообразующей породой в почвах Алтайской горной области отмечается заметное накопление только марганца и ртути, незначительное - цинка. Содержание молибдена и свинца в почвообразующих породах и почвах исследуемого региона практически одинаковое. Уровень концентрации остальных изучаемых элементов в почвах Алтайской горной области ниже, чем в почвообразующих породах. Установленные нами закономерности не совпадают с мировыми данными, что связано со спецификой почвообразовательного процесса и перераспределением химических элементов в системе почвообразующая порода - почва в условиях горного рельефа. В то же время, как указывает А.А. Алексеенко (2000), в настоящее время кларки многих элементов подлежат уточнению.
Для эколого-биогеохимической оценки почвенного покрова Алтайской горной области был проведен сравнительный анализ элементного химического состава гумусовых горизонтов и почвенного профиля в целом (табл. 82).
Многочисленными исследованиями показано, что техногенные газопылевые выбросы, осаждающиеся из атмосферы, аккумулируются в верхних (0-20 и 0-40 см) горизонтах почв (Зырин, 1983), в этих же горизонтах накапливаются и содержащиеся в выбросах тяжелые металлы. В зависимости от почвенно-геохимических условий происходит трансформация соединений тяжелых металлов, и в почвенных горизонтах возникают новые метал л о органические соединения, которых не было до техногенного загрязнения.
Нами установлено, что гумусовые горизонты обогащены марганцем, по сравнению с профилем в целом, во всех типах почв горно-лесного пояса, почвах черноземного ряда и каштановых, что связано с биогенным накоплением элемента. В почвах высокогорного пояса этого не наблюдалось.
Для всех остальных химических элементов, как биогенных, так и токсикантов уровни содержания в гумусовых горизонтах и в профиле в целом практически не различаются, что свидетельствует об отсутствии в Горном Алтае техногенного загрязнения тяжелыми металлами.
Концентрации исследуемых химических элементов в почвах Алтайской горной области, за исключением районов ртутного рудопроявления, можно считать фоновыми, так как эти почвы не подвержены ни природному, ни антропогенному загрязнению. Но в последние десятилетия проявляется все больший интерес к Горному Алтаю, как к территории, привлекающей многочисленных туристов, что может привести к антропогенному загрязнению.
В ближайшем будущем планируется создание туристско-рекреационной зоны. Поэтому большой теоретический интерес представляет определение устойчивости почвенного покрова к воздействию повышенных концентраций тяжелых металлов, под которой понимают потенциальный запас буферности почв (Глазовская, 2002). Буферная способность — это способность почвы поддерживать химическое состояние на неизменном уровне при воздействии на почву потока химического вещества (Методические..., 1999).
Защитные возможности почв по отношению к микроэлементам, большинство из которых являются тяжелыми металлами, не беспредельны (Добровольский, 1998; Ильин, Сысо, 2001; Ильин, 2007). Чем выше защитные возможности почвы, тем большее количество тяжелых металлов она в состоянии переводить в малодоступные для растений и слабомигрирующие соединения. Таким образом ограничивается движение избыточных количеств химических элементов по пищевой цепочке и в сопредельные среды (Ильин, 1995).
Механизмы связывания тяжелых металлов в почвах многообразны и еще недостаточно изучены. Они могут изменяться в зависимости от количества органического вещества, гранулометрического состава почвы, величины емкости катионного обмена, окислительно-восстановительных условий и реакции почвы, содержания карбонатов, соединений фосфора, кальция и полуторных оксидов Fe, А1 и Мп в почве, а также от типа почвы. В.Б. Ильиным (1995, 2007), В.Б. Ильиным, А.И. Сысо (2001) была разработана шкала буферности почв к тяжелым металлам на базе данных об инактивирующем влиянии на микроэлементы (тяжелые металлы) свойств и состава почвы, которое ранее было достаточно полно изучено Г.Я. Ринькисом (1972, 1973), Г.Я. Ринькисом, В.Ф. Ноллендорфом (1982), в специально поставленных вегетационных опытах с сельскохозяйственными культурами, где в качестве субстрата использовался отмытый кварцевый песок, при постепенном возрастании дозы раздельно вносимых гумуса, физической глины, карбонатов, оксидов железа и алюминия или изменении рН.
Особое место среди свойств почвы В.Б. Ильин (1995) отводит реакции среды, потому что при изменении кислотно-щелочных условий химические элементы ведут себя по-разному (табл. 83).
Это обстоятельство нашло свое отражение при разработке шкалы буферности: система баллов приводится раздельно для химических элементов, повышающих подвижность в кислой среде, и для элементов, подвижных в щелочной среде. Аналогичное деление предусмотрено и в случае с карбонатами.
Величина буферности зависит от свойств почв, решающее значение среди которых имеют: реакция среды, гумусированность, гранулометрический состав, содержание Fe, А1 (подвижных форм) и карбонатов, показатели которых приведены в таблицах 84 и 85.
Полученные результаты показывают, что высокой степенью буферности по отношению к элементам, подвижным в кислой среде, отличаются черноземные и темно-каштановые почвы, повышенной - горные лугово-степные, каштановые и светло-каштановые, средней - все типы почв горно-лесного пояса и почвы высокогорного пояса (горно-тундровые и горно-луговые).
