Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Объекты и методы исследования 7
1.1. Объекты исследований 7
1.2. Методы исследования 7
ГЛАВА 2. Химия свинца 11
ГЛАВА 3. Краткая характеристика природных условий как факторов, определяющих поведение свинца в ландшафтах 13
3.1. Орография и геоморфология 14
3.2. Геология 16
3.3. Климат 18
3.4. Растительность 21
3.5. Природные воды 25
3.5.1. Поверхностные воды 25
3.5.2. Подземные воды 27
3.6. Почвы 28
ГЛАВА 4. Свинец в почвообразующих породах и почвах 35
4.1. Свинец в почвообразующих породах 3 5
4.2. Свинец в почвах 42
4.2.1. Валовой свинец 42
4.2.2. Подвижный свинец 72
ГЛАВА 5. Свинец в растениях 78
ГЛАВА 6. Свинец в природных водах 89
6.1. Генезис и состав поверхностных и подземных вод 89
6.2. Свинец в поверхностных водах 96
6.3. Свинец в подземных водах 100
ГЛАВА 7. Антропогенные источники загрязнения свинцом
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с трансформацией химического состава компонентов природной среды в результате хозяйственной деятельности человека проблема техногенного загрязнения экосистем тяжелыми металлами, в частности, свинцом представляется весьма важной. Свинец является одним из токсичных элементов биосферы, накопление, которого в живых организмах, оказывает на них отрицательное воздействие.
Свинец относится к промышленным ядам, являясь причиной свинцовых анемий, токсических поражений печени, глаукомы и зобных заболеваний. Неорганические соединения свинца нарушают обмен веществ и выступают ингибиторами ферментов. Способность заменять кальций в костях - одно из последствий действия неорганических соединений свинца (Гигиенические критерии..., 1980; Брукс, 1982; Авцын, Жаворонков и др., 1991; Мудрый, 1997; Зайцева, Тарыкина и др., 1999; Жаворонков, Михалева и др., 1999). Антропогенное загрязнение внешней среды значительно превышает его поступление от природных источников, более чем в 18 раз (Nriagu, 1989). Отрицательное воздействие свинца на окружающую среду проявляется в процессе его прогрессирующего накопления в биогеоценозах и в результате очень медленного выведения из организмов (Глазовская, 1994; Майстренко, Хамитов и др., 1996; Кашин, Иванов, 1998).
Горнопромышленные ландшафты Горного Алтая (разработка ртутных и полиметаллических месторождений, добыча золота методом кучного выщелачивания) являются районами активного антропогенного преобразования экосистем. Комплексные исследования поведения свинца в экосистемах Алтая - весьма актуальная задача.
Цель работы — выявление закономерностей поведения свинца в компонентах экосистем Горного Алтая.
В задачи исследований входило:
1. исследовать содержание валового свинца и его подвижных форм в основных типах почв и почвообразующих пород Горного Алтая;
изучить влияние свойств почв на характер внутрипрофильного распределения элемента;
исследовать содержание свинца в растениях;
изучить содержание микроэлемента в природных водах;
оценить уровень концентрации свинца в компонентах экосистем с экологических позиций.
Научная новизна. Впервые исследовано содержание валового свинца и его подвижных форм в почвенном покрове и почвообразующих породах Горного Алтая, выявлены основные закономерности внутрипрофильного и пространственного распределения микроэлемента в почвах. Впервые изучен уровень содержания свинца в доминантах фитоценозов, в поверхностных и подземных водах. Установлено, что концентрация свинца в растениях колеблется в широком диапазоне и определяется уровнем содержания элемента в почвах; количество свинца не превышает порога токсичности для растений. Концентрация элемента в природных водах невысокая и определяется в основном общей минерализации вод. Выявлено избыточное содержание элемента (превышающее ПДК) в почвах и растениях в окрестностях золото-извлекательной фабрики рудника «Веселый» в Северном Алтае.
Практическая значимость. Данные о содержании свинца в компонентах ландшафтов могут быть использованы в качестве фоновых при региональном экологическом мониторинге. Информация о концентрации элемента в почвах, растениях и природных водах является основой при биогеохимическом районировании. Результаты работы были использованы для проведения практических занятий и курсовых работ в учебном процессе Горно-Алтайского государственного университета.
Работа выполнена в рамках гранта ФЦП "Интеграция" М0369, грантов РФФИ: № 99-05-96017, № 00-05-79082, № 99-05-96017, № 98-05-03164, № 00-05-79097; № 98-05-03164; грантов РГНФ: № 02-06-18009е, № 02-06-18006е, №05-06-18001е, №05-06-18015е.
Апробация. Основные положения диссертации сообщены и обсуждены на Третьей Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Горно-Алтайск, 2000), на конференции «Проблемы социально-экономического развития Республики Алтай: состояние и перспективы» (Горно-Алтайск, 2001), на Международных научно-практических конференциях (Семипалатинск, 2000, 2002, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, предложений и выводов. Список литературы включает 228 наименований. Работа изложена на 140 страницах, содержит 37 таблиц, 8 рисунков.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность д.б.н.
М.А. Мальгину!, к.б.н. А.В Пузанову за помощь в организации и проведении
работ и ценные советы, а также Г.В. Лариной, В.Г. Ушаковой, Н.П. Цаплиной, Г.М. Медниковой и Т.М. Маймановой - за участие в химико-аналитических работах и оформлении диссертации. Защищаемые положения
Уровень содержания и характер распределения свинца в почвах Горного Алтая определяется его концентрацией в почвообразующих породах и физико-химическими свойствами почв.
Содержание свинца в природных водах варьирует в широком диапазоне, подвержено сезонной динамике и находится в пределах санитарно-гигиенических норм.
Уровень концентрации свинца в растениях Горного Алтая в определённой мере определяется их систематической принадлежностью и содержанием в почвах.
4. Загрязнение компонентов наземных экосистем свинцом имеет
локальный характер и связано с воздействием горно-перерабатывающей
промышленности.
Вклад автора. Соискатель принимала участие в комплексных экспедиционных исследованиях, ей осуществлен отбор проб почв, природных вод и растений. Автором проведена пробоподготовка почв, воды, растительности; выполнены химико-аналитические работы по определению общесолевого состава вод, содержанию свинца в растениях, подвижных форм микроэлемента в почвах методом инверсионной вольт-амперометрии. Проведена статистическая обработка полученных данных.
Объекты исследований
Эталонные площадки закладывали на основе сравнительно-географического и ландшафтно-геохимического подходов в системе высотной поясности, широко используя метод почвенно-геохимических катен (рис. 1).
В геоморфологическом профиле (почвенно-геохимической катене) охватывали все его элементы - водораздел (вершины гор, холмов), склоны, террасы, поймы рек, приозерные понижения (элювиальные, трансэлювиальные, транзитные и аккумулятивные ландшафты). Почвенные разрезы закладывали в системе сопряженных ландшафтов.
Образцы почв, отобранные из генетических горизонтов, высушивали, отбирали корни и измельчали до размера частиц 1 мм. Физико-химические свойства почв (величина рН, гумус, ил, физическая глина, карбонаты, емкость поглощения) определяли общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами (Аринушкина, 1970; Агрохимические методы..., 1975; Яскин и др., 1999).
Общее содержание свинца в почвах определяли методом плазменно-спектрального количественного анализа в ИЛА СО РАН. Подвижные формы элемента определяли методом инверсионной вольтамперометрии (ИВА) с трехэлектроднои ячейкой на вольт-ампероанализаторе «Волан» (Томск, ТПУ) и атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре SP-9 с предварительным экстрагированием 1н раствором НС1 и ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 (Методические указания ..., 1989).
Свинец в растениях определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре Perkin Elmer в аналитическом центре ОИГГиМ СО РАН и методом инверсионной вольтамперометрии. Сходимость результатов, полученных разными методами, высокая. Минерализация проб растений для ИВА проводили методом сухого озоления (Методические указания..., 1989) в муфельной печи при Т=525С до получения золы белого или бежевого цвета без обугленных частиц. При наличии углистых частиц тигель с золой смачивали 2 см3 разбавленной азотной кислоты (1:1) и 3% раствором перекиси водорода и прокаливали в течение 1 часа. Озоление растений проводилось, как правило, неодинаковое количество времени для разных видов растений (до 10 ч.). Золу охлаждали, смачивали несколькими каплями бидистиллированной воды, приливали 10-15 см разбавленной (1:1) азотной кислоты, накрывали тигель часовым стеклом и выдерживали на водяной бане в течение 30 мин. Содержимое тигля фильтровали в мерную колбу (50 см3) через фильтр "белая лента". Тигель и фильтр несколько раз ополаскивали горячей бидистиллированной водой, доводя объем раствора до метки, затем раствор полярографировали. В качестве рабочего электрода применяли ртутно-пленочный электрод.
Определение общесолевого состава природных вод выполняли по общепринятым методикам химическими методами (Количественный химический анализ вод, 1996).
Анализ свинца в водах осуществляли методом ИВА с предварительным разложением. Пробу воды (10 см ) обрабатывали 4 см HNO3 (конц.) и 2 см Н2О2 (конц.) при Т= 160С в муфельной печи в кварцевых тиглях до сухих солей, затем постепенно температуру повышали до 250С, далее при 450С пробу выдерживали 15 минут. Охлаждали, добавляли 2 капли НС1 (1:1), разбавляли бидистиллированной водой до 10 см3 и полярографировали.
Аналитическая повторность всех химических анализов двухкратная. Полученные результаты обрабатывали вариационно-статистическим методом (Дмитриев, 1972; Савич, 1972; Лакин, 1990). В работе приняты следующие обозначения вариационно-статистических параметров: п - объем выборки; lim - пределы колебания параметров; X - средняя арифметическая; Sx - ошибка средней арифметической; Су - коэффициент вариации, %; г - коэффициент корреляции; rm - ошибка коэффициента корреляции; t - критерий достоверности разности средних.
Орография и геоморфология
По расположению и направлению хребтов Горный Алтай можно разделить на две части - северную и южную (Мальгин, 1978).
К южной части тяготеют наиболее высокие хребты — Катунский, Южно-Чуйский и Холзун. На Западе хребет Холзун теряет высоту и разветвляется на второстепенные хребты: Убинский, Ивановский и Ульбинский. На востоке протянулись хребты: Чихачева, Шапшальский и Абаканский. Между реками Чулышманом и Башкаусом проходит широкий Чулышманский хребет. Водоразделами системы Катуни и Бии служат хребты: Курайский, Айгулакский, Сумультинский. К западу от Катуни параллельно друг другу проходят хребты Семинский, Чергинский, Ануйский и Бащелакский. Для современного рельефа Алтая характерно сочетание горных хребтов с долинами или, как их называют на Алтае, степями, окруженными горами. Примером таких долин могут служить Уймонская, Чуйская, Курайская и другие котловины.
Сочетание хребтов и долин межгорных котловин и плоскогорий создают современный облик Алтая, определяет характерные черты климата, почвенного и растительного покрова.
Геоморфология Алтая сложна и имеет свои особенности, Е.Н. Щукина (1960) выделяет основные категории рельефа: горный тектонико-скульптурный и горный тектонико-аккумулятивный. Обе категории рельефа представляют следующий ряд типов рельефа, связанный 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-Северо-Чуйский (высота 3000-4500 м). Рельеф сильно расчленен. Склоны хребтов разрушены карами, в днищах которых располагаются ледники. В этих условиях доминирует первичный почвообразовательный процесс, формируются примитивные почвы.
Второй высокогорный уровень (вершины хребтов Курайского, Шапшальского, Чихачева и т.д., высота 2500-3000 м), расчленен слабее. К этому уровню высот приурочены слаборазвитые горно-тундровые и горнолуговые почвы.
Экзарационно-нивальный и ледниковый аккумулятивный рельеф -третий наиболее низкий уровень пояса высокогорий Алтая, высота 1700-2500 м, представляет собою ландшафты древнего пенеплена. К этому типу рельефа приурочены почвы: горно-тундровые, горно-луговые и горные лугово-степные на грубых отложениях.
Среднегорный эрозионно-денудационный рельеф распространен в северо-западной и северо-восточной частях Алтая с максимальными высотами 800-1800 м. Для этой формы рельефа характерны куполообразные вершины, менее крутые склоны. В условиях среднегорного рельефа развитие почвенного покрова зависит от экспозиции склонов. На северных склонах распространены горно-лесные почвы. На южных склонах формируются различные варианты степных почв. Западные склоны по морфологии ближе к южным, а восточные - к северным.
Низкогорный эрозионно-аккумулятивный рельеф характерен для северных низкогорий и северных предгорий (высота 400-800 м). Закономерности в распространении почвенного покрова по склонам в основном те же, что и в среднегорьях. Тектонико-аккумулятивный рельеф характерен для районов внутригорных эрозионно-тектонических впадин. Все котловины Алтая сложены рыхлыми четвертичными отложениями — ледниковыми, флювиогляциальными, пролювиальными, озёрно аллювиальными и т.д. В них развиваются почвы степного почвообразования — от светло-каштановых до типичных черноземов.
Особенности геоморфологии горной страны определяют характерные черты климата, растительного покрова, почвообразующих пород и ландшафтно-геохимическое поведение микроэлементов, в том числе и свинца.
Современный горный рельеф Алтая сформировался в результате длительной истории развития земной коры. Здесь распространены горные породы различного возраста: докембрия, палеозоя и мезокайнозоя. Они представлены гранитами, кристаллическими сланцами, известняками и мраморами (Нехорошев, 1958).
В докембрии сформированы метаморфическими породами хребты Терехтинский, Холзун. Среди слагающих пород распространены серицито-хлорито-кварц-альбитовые сланцы с кальцитом.
В палеозойскую эру произошли коренные изменения геологических условий, которые характеризуются оживлением тектонических процессов, сопровождающихся вулканизмом, увеличением старых и формированием новых участков суши. Кристаллические и метаморфические сланцы распространены на северном склоне хребта Сайлюгем, в восточной оконечности Южно-Чуйского и Курайского хребтов. Эти породы распространены от Курайского хребта до Телецкого озера. В Северном и Северо-Восточном Алтае по нижнему и среднему течению Бии и Катуни находятся карбонатные породы с глинистыми, кремнистыми и карбонатными горизонтами и морскими вулканогенными (порфиритовыми и песчано-сланцевыми) толщами (Маринин, Самойлова, 1987). В верхнем кембрии, ордовике, силуре и девоне сформировались мощные песчано-сланцевые толщи в Северо-Восточном, Северо-Западном и Центральном Алтае, которые представлены грубозернистыми песчаниками, зелеными и лиловыми алевролитами, глинистыми и кремнистыми сланцами и тонкозернистыми песчаниками.
В каледонский этап отложения кембро-ордовика в ряде мест претерпели глубокий метаморфизм с образованием зон кристаллических сланцев и гнейсов. Отложения ордовика, силура и девона представлены глинисто-известковистыми сланцами, известковыми песчаниками, белыми, серыми и темно-серыми известняками, алевролитами, глинистыми и мергелистыми сланцами.
К пермским отложениям на Алтае отнесены маломощные красноцветные глинистые песчаники, сланцы и конгломераты с пластами угля, известные к востоку от Телецкого озера.
В мезозойское время преобладало разрушение горных сооружений, сопровождавшееся постепенной нивелировкой поверхности. Палеозойские породы подвергались физическому и химическому расслоению с образованием кор выветривания каолиновых и пестроцветных глин.
Современный облик Алтая обязан кайнозойским тектоническим процессам. Палеозойские и мезозойские прогибы продолжали погружаться, и в пределах днищ впадин накапливались мощные палеогеновые и неогеновые континентальные толщи. В Чуйской, Курайской и Джулукульской котловинах палеогеновые отложения представлены каолиновыми глинами с прослоями щебнисто-галечникового материала. Неогеновые отложения, состоящие из глин, песков, алевролитов и прослоев бурых углей, известняков, распространены в Чуйской, Курайской, Джулукульской и Самахинской котловинах.
Подвижный свинец
Исследованиями М.А. Глазовской (1989), А.И. Перельмана (1975), Н.Г. Зырина, А.И. Обухова (1973), М.А. Мальгина (1978), В.Б. Ильина (1982) доказано, что физиологическое и экологическое значение имеют не валовые содержания микроэлементов в почвах, а их подвижные формы. Помимо глобальных климатических условий в миграции, аккумуляции микроэлементов большая роль принадлежит реакции среды, окислительно-восстановительной обстановке. Соединения свинца подвижны в кислых почвах и водах (Ковда, 1985).
В.А. Алексеенко (2000) утверждает, что в карбонатных горизонтах резко возрастает доля легкоподвижных водорастворимых и карбонатных форм микроэлементов, что создает резерв для их мобилизации при сезонном подкислении среды за счет углекислоты. В почвах подчиненных ландшафтов накапливаются непрочносорбируемые формы, что указывает на латеральную миграцию свинца в коллоидной и взвешенной формах.
П.В. Елпатьевский (1993) сообщает, что у свинца проявляется в наибольшей степени поглощающий эффект верхними почвенными горизонтами. Почвенный профиль выводит из миграции до 93% поступающего на его поверхность свинца. Сорбционная способность свинца очень высокая. Используя 1н НС1 Н.Г. Зырин и Н.А. Чеботарева (1979) обнаружили, что она является хорошим экстрагентом для серой лесной, дерново-подзолистой почв, краснозема, извлекает 30-50% от валового свинца, чего не скажешь о черноземе.
При оценке подвижности свинца в почвах в качестве экстрагента использовали 1н НС1. Этот экстрагент, будучи агрессивным, извлекает Hi
подвижную и потенциально подвижную формы, "ближний резерв", на долю которых приходится до 60% валового содержания элемента.
Концентрация подвижного свинца в наиболее распространеных почвах Горного Алтая варьирует от 1 мг/кг до 24 мг/кг. Наибольшее содержание подвижного свинца обнаружено в почвообразующей породе горно-лесной черноземовидной почвы - 24 мг/кг (разрез 62-00-А, Ябоганский перевал), где отмечается также повышенное содержание валового свинца.
Распределяется подвижный свинец по профилю неодинаково, его содержание может существенно варьировать в пределах одного профиля. Следует отметить повышенное содержание микроэлемента в гумусовом горизонте практически всех изученнных почв, за исключением каштановых и южных чернозёмов (табл. 24, рис. 4).
Таблица 24. Относительная подвижность свинца в основных почвах Горного Относительная подвижность свинца для всех типов почв Горного Алтая составляет 32%. На содержание подвижного свинца большее влияние оказывает валовая концентрация элемента, а также физико-химические характеристики почв: содержание гумуса, гранулометрический состав, реакция среды, Red-Ox -потенциал и др.
Относительная подвижность свинца всей совокупности почв Горного Алтая невысокая, только на долю горно-лесных черноземовидных почв приходится до 50% валового количества. Определены факторы, влияющие на следующем ряду: валовой свинец ил физическая глина (табл. 25). Таблица 25. Связь содержания кислоторастворимого свинца (1н НС1) с количеством валового свинца, ила и физической глины в почвах Горного Алтая
Внутрипрофильное распределение подвижного свинца в разных наиболее характерных типах почв представлено на рис. 4.
Содержание обменного свинца, экстрагированного ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8, во всех исследованных почвах Горного Алтая составляет менее 2 мг/кг, что свидетельствует о низком уровне -содержания в почвах доступного для растений свинца. По уровню концентрации обменной формы свинца почвы Горного Алтая можно отнести к незагрязнённым почвам, согласно предложенной классификации почв по содержанию и степени загрязнения подвижными формами тяжелых металлов (Обухов, 1992).
