Содержание к диссертации
Введение
1. Объекты и методы исследований 9
1.1. Объекты исследований 9
1.1.1. Горно-тундровые почвы 10
1.1.2. Горно-луговые альпийские и субальпийские почвы 11
1.1.3. Горно-лесные бурые почвы 12
1.1.4. Горно-лесные серые почвы 15
1.1.5. Горно-лесные дерново-подзолистые ПОЧВЫ і 16
1.1.6. Горно-лесные черноземовидные почвы 17
1.1.7. Черноземы 18
1.1.8. Каштановые почвы 20
1.1.9. Полугидроморфные и гидроморфные почвы пойм рек 22
1.2. Методы исследований 23
1.2.1. Методы полевых исследований 24
1.2.2. Методы лабораторных исследований 26
2. Биогеохимические условия, определяющие ландшафтно-геохимическое поведение ванадия 27
2.1. Геохимическая характеристика ванадия 27
2.2. Биологическая роль ванадия 29
2.3. Основные черты биогеохимического районирования Алтая 33
2.3.1. Биогеохимический пояс высокогорных тундр и альпийских лугов 35
2.3.2. Биогеохимический горно-лесной пояс 37
2.3.3. Биогеохимический пояс степных и сухостепных межгорных котловин и речных долин 39
3. Ванадий в горных и почвообразующих породах 43
3.1. Ванадий в горных породах 43
3.2. Ванадий в почвообразующих породах 47
3.2.1. Содержание ванадия в различных по генезису почвообразующих породах 52
3.2.2. Содержание ванадия в различных по гранулометрическому составу почвообразующих породах 54
4. Распределение ванадия в почвах 58
4.1. Сравнительная оценка содержания валового ванадия в почвах различных регионов мира 58
4.2. Пространственное распределение ванадия и влияние ландшафтных особенностей территории на геохимическое поведение элемента 62
4.2.1. Биогеохимический пояс высокогорных тундр и альпийских лугов 65
4.2.2. Биогеохимический горно-лесной пояс 67
4.2.3. Биогеохимический пояс степных и сухостепных межгорных котловин и речных долин 72
4.3. Внутрипрофильное распределение ванадия в почвах 80
4.3.1. Биогенное накопление 81
4.3.2. Осаждение на карбонатных горизонтах 84
4.3.3. Распределение ванадия по элювиально-иллювиальному типу 85
4.4. Подвижный ванадий в почвах 91
- Основные черты биогеохимического районирования Алтая
- Ванадий в почвообразующих породах
- Пространственное распределение ванадия и влияние ландшафтных особенностей территории на геохимическое поведение элемента
- Внутрипрофильное распределение ванадия в почвах
Введение к работе
Проблемы оценки состояния животного и растительного мира, а так же среды обитания человека непосредственно связаны с оценкой экологического состояния почв. Жизнедеятельность организмов в большой степени зависит от содержания и соотношения микроэлементов в естественной среде обитания, в частности в почвах. Поскольку почва является многофазной открытой системой, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного воздуха, корней растений и живых организмов, а так же испытывает влияние разнообразных ландшафтно-геохимических процессов, то, в отличие от оценки состояния других природных сред, оценка экологического состояния почвы, представляет более сложную задачу. Биологическое разнообразие и пестрота геохимических ситуаций на Земле способствовали использованию любого химического элемента с определенными метаболическими задачами (Вернадский, 1980, 1998, 2001). Исследуемый микроэлемент стимулирует окисление глюкозы в процессах обмена в организме, влияет на обмен холестерина и работу ферментов. Ванадий - микроэлемент, участвующий в биологических процессах на всех уровнях, входит в состав или участвует в синтезе ряда биологически активных веществ, которые играют важную роль в развитии растений и регулярно протекающих в них биологических процессов. V+ является ингибитором некоторых ферментов (в частности, рибонуклеазы в рибосомах). Это связано с его ролью в биосинтезе белка и в торможении разрушающего действия этого фермента (Петербургский, 1975). Влияние высоких концентраций ванадия на человека всесторонне еще не изучено. Элемент включен в ряд веществ II класса опасности. Но для сходных с ним токсикантов
(мышьяк и др.) удовлетворительной считается ситуация, когда концентрация не превышает 1 ПДК, чрезвычайной - 5-10 ПДК, экологическое бедствие - более 10 ПДК; то же отмечено для поверхностных вод - 1 ПДК, 5-10 ПДК и больше 10 соответственно (Арене, 1972; Иванов, 1996). Техногенное загрязнение ванадием окружающей среды широко распространено и нередко значительно превышает ПДК различных сред (ПДКВ - 0,1 мкг/л; ПДКП - 150 мг/кг) (Иванов, 1996). Значительное количество ванадия, часто превышающее ПДК, вносится в почву с удобрениями: в мелиорантах до 150-160 мг/кг.
Актуальность темы: По степени токсичности ванадий стоит в одном ряду с ртутью, мышьяком, и кадмием (Иванов, 1996). В то же время, это микроэлемент, участвующий в биологических процессах на всех уровнях, входит в состав или участвует в синтезе ряда биологически активных веществ, которые играют важную роль в развитии растений и регулярно протекающих в них биологических процессов. V5+ является ингибитором некоторых ферментов (в частности рибонуклеазы в рибосомах). Это связано с его ролью в биосинтезе белка и в торможении разрушающего действия этого фермента (Петербургский, 1975).
Сложный геохимический цикл ванадия определяется переменной валентностью - близостью к Ті (V3+), С (V3+, V4+) и Р (V5+).
Ландшафтно-геохимические и почвенно-геохимические
исследования в системе высотных поясов Алтая являются приоритетными задачами региональной экологии. Система почвообразующие породы - почвы во многом определяет биогеохимическое поведение элементов, в том числе и ванадия, в ландшафтах.
Цель исследования. Выявить закономерности пространственного и внутрипрофильного распределения валового и подвижного ванадия в почвенном покрове Алтая.
Задачи исследований:
1. Исследовать уровень содержания и особенности распределения
ванадия в почвообразующих породах Алтая.
2. Выявить закономерности пространственного распределения
ванадия в почвенном покрове биогеохимических поясов Алтая.
3. Изучить характер внутрипрофильного распределения валового и
подвижного ванадия в основных типах почв региона исследований.
Объекты исследований. Почвообразующие породы и почвы Алтая.
Методы исследований. В основу полевых исследований положены сравнительно-географический и сравнительно-генетический методы.
Физико-химические свойства почв были определены общепринятыми в почвоведении методами. Общее содержание элемента определяли методом количественного плазменно-спектрального анализа в ИЛА СО РАН, подвижные формы элемента - методом атомной абсорбции на приборе AAS 30. Полученная цифровая информация была обработана математико-статистическими методами.
Научная новизна. Впервые для территории Алтая получены вариационно-статистические параметры концентрации ванадия в основных типах почвообразующих пород и почв. Установлен региональный фон микроэлемента. Оценено влияние ведущих почвообразовательных процессов и свойств почв на поведение ванадия в разных типах почв биогеохимических поясов Алтая.
Практическая значимость работы. Работа была выполнена в
рамках тематических проектов лаборатории биогеохимии ИВЭП СО
РАН, грантов ФЦП "Интеграция" М0369 (1999-2000) "Биогеохимия
элементов-биогенов, тяжелых металлов, радионуклидов и компонентов
ракетного топлива на Алтае", грант РФФИ №99-05-96017 "Биогеохимия
естественных и искусственных радионуклидов, микроэлементов,
компонентов ракетных топлив в горно-лесных экосистемах бассейна
Верхнего Енисея (Хакасия, Тува)", грант РФФИ №00-05-79082
"Организация и проведение экспедиционных работ к гранту РФФИ
№99-05-96017 "Биогеохимия естественных и искусственных
радионуклидов, микроэлементов, компонентов ракетных топлив в
горно-лесных экосистемах бассейна Верхнего Енисея (Хакасия, Тува),
грант РФФИ №98-05-03164 "Биогеохимия радионуклидов, тяжелых
металлов, элементов-биогенов, фенолов и гидразина в Горном Алтае",
грант РФФИ №00-05-79097 "Организация и проведение экспедиционных
работ к гранту РФФИ №98-05-03164 "Биогеохимия радионуклидов,
тяжелых металлов, элементов-биогенов, фенолов и гидразина в Горном
Алтае"; гранты РГНФ: №02-06-18009е "Особенности эколого-
биогеохимической ситуации на Алтае и ее влияние на здоровье
населения", №02-06- 18006е "Оценка экологических, медико-
экологических и социально-психологических последствий ракетно-
космической деятельности в Алтае-Саянском регионе", №05-06-18001е
«Оценка влияния уничтожения ступеней твердотопливных ракет на
окружающую среду, здоровье населения и социально-психологическую
обстановку в Алтайском крае, Кемеровской и Челябинской областях»,
№05-06-18015е «Экспедиционные исследования по выявлению
последствий ликвидации предприятий горно-добывающей
промышленности в Алтайском крае: социально-экологические аспекты»; интеграционных проектов СО РАН № 33 и 167.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на: Международной конференции "Горы и горцы" (Горно-Алтайск, 1999); 3-й Российской биогеохимической школе (Горно-Алтайск, 2000); Международной конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2000, 2002, 2004); конференциях молодых ученых ИВЭП СО РАН (2001, 2002, 2003, 2005); VI Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (2002); межлабораторных и внутрилабораторных семинарах ИВЭП СО РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и приложений. Основной текст изложен на 100 страницах, включает 17 рисунков и 35 таблиц. Список литературы содержит 131 источник.
Автор выражает особую благодарность за поддержку при выполнении работ: коллективу лаборатории биогеохимии ИВЭП СО РАН (Г.М. Медниковой, Т.А. Рождественской, Н.П. Цаплиной, Н.В. Гуляевой) и коллективу аналитического центра ИВЭП СО РАН (А.Н. Эйрих и Т.Г. Серых).
Основные черты биогеохимического районирования Алтая
Пояс не имеет сплошного простирания и занимает верхние ярусы главных хребтов Алтая - Катунского, Терехтинского, Северо- и Южно-Чуйского, Шапшальского, Сумультинского и др. Здесь получает развитие гравитационно—экзарационныи высокогорный альпийский рельеф и экзарационно-нивальный, ледниковый аккумулятивный рельеф высокогорных плато. Основные площади хребтов с альпийским рельефом представляют районы с преобладанием выходов на поверхность скальных пород палеозоя. В глубоких врезах и карах ограниченные по площади участки заняты отложениями ледниковой формации. Рельеф высокогорного плато Алтая представляет собой сочетание третичного мелкосопочника и холмистой равнины, которая частично изменена процессами ледниковой аккумуляции и горной нивации (Чернов, 1988). Климат суровый: среднегодовая температура от -5,5 до -10 С; среднегодовое количество осадков - 600 - 900 мм. Застой влаги и низкие температуры приводят к мерзлотным явлениям и широкому развитию процессов болотообразования (Ключников, 1963; Агроклиматический..., 1982). Сомкнутый растительный покров альпийских лугов и тундр наблюдается не всегда. Скалы и россыпи склонов заселяются влаголюбивыми специфическими видами - мхами, лишайниками, дриада и кустарниками. В травостое лугов распространены многие представители злаков, образующие в почвах дерновый горизонт различной плотности (Огуреева, 1980). Формирование почв происходит на элювии и элювио-делювии коренных пород, представленных гранитами, гнейсами, порфиритами, серпентинитами, хлоритовыми и биотитовыми сланцами, песчаниками, а также на плохо отсортированных рыхлых отложениях, преимущественно ледникового происхождения (Щукина, 1956, 1960).
Сложное сочетание различных факторов почвообразования обусловливает распространение в рассматриваемом поясе разнообразных по строению, составам и свойствам почв — от примитивных пятнистых мохово-лишайниковых почвенных образований до имеющих достаточно развитый профиль горнотундровых, горно-луговых альпийских, горно-луговых субальпийских и горно-лугово-степных почв. В пределах пояса тундровые почвы развиваются преимущественно на северных склонах горных цепей или в понижениях, на плоских нагорьях. На южных склонах и хорошо дренируемых участках высоких нагорий почвенный покров представлен альпийскими и субальпийскими горно-луговыми почвами. Хорошо гумусированные горно-луговые почвы формируются под кобрезивыеми лугами. Нижний ярус пояса, куда проникают степные виды растений, характеризуется развитием своеобразных горно-лугово-степных черноземовидных и каштановых почв. Господствующие здесь гидротермические условия не способствуют быстрой минерализации мертвого органического вещества и переходу элементов в подвижное состояние. Поступление микроэлементов в почвенные растворы незначительно, темпы их гидрогенной миграции невелики. Гидрогенная миграция поддерживается лишь элементами, подвижными в кислой среде (Мальгин, 1978). В данных конкретных условиях ванадий мигрирует в водных растворах в форме иона V4+, чему способствует общая восстановительная обстановка миграции. Усиление внутрипочвенного стока, способствующее выносу продуктов почвообразования и выветривания, ослабление питания подземных вод, происходит в почвогрунтах и местах развития мерзлоты. Режим источников непостоянен и зависит от количества осадков, температуры воздуха и почв, характера строения почвенно-грунтовой толщи. Зимой деятельность источников резко ослабевает, но не прекращается (Марусенко, Земцов, 1961). Биогеохимический горно-лесной пояс Пояс состоит из районов, резко расчлененных долинами рек. Эрозионный размыв и развитие склонов создают большое разнообразие форм рельефа, объединенных в два основных типа. В первом из них водоразделы представлены острыми гребнями, склоны крутые, относительная глубина долин значительная. Для другого типа характерны куполообразные формы вершин, менее крутые склоны. Долины рек имеют узкие полоски террас (Калецкая, 1948).
Рассматриваемый пояс относится к прохладным территориям. Количество осадков за теплый период составляет 500-600 мм. Продолжительность безморозного периода составляет 100-110 дней (Агроклиматический..., 1982). Растительный покров верхней части пояса представлен сильно угнетенными кедровыми, кедрово-лиственничными и лиственничными лесами с мохово-лишайниковым и травянистым напочвенным покровом. В среднем уровне пояса развиты кедровые, лиственнично-кедровые и пихтово-кедровые и лиственничные леса с хорошим травянистым и травянисто-мшистым напочвенным покровом. Растительность самой нижней части пояса представлена формациями черневой тайги. Особенности географического размещения почв определяются внутри пояса высотными уровнями и экспозицией склонов. У верхней границы леса широко распространены горно-лесные бурые почвы. В нижней части пояса преобладают горно-лесные серые щебнистые почвы и своеобразные горно-лесные черноземовидные. Самая нижняя часть пояса представлена дерново-глубокоподзолистыми почвами. Общее в поведении элементов в горно-лесном биогеохимическом поясе - интенсивность поглощения, круговорот их в системе почва-растение - связано с деятельностью древесной растительности. Однако, в зависимости от гидротермических условий и направления процессов почвообразования, микроэлементная ситуация в пределах пояса не везде одинакова. Здесь выделяется два биогеохимических района: Северовосточный и Центральный.
Ванадий в почвообразующих породах
Материнские породы являются одним из основных факторов почвообразования, от их химического и минералогического состава существенно зависят химические и физико-химические свойства почвы. Отложения, на которых формируется почвенный покров Алтая, весьма неоднородны по своему генезису, минералогии, химическому и гранулометрическому составу. Они представлены вулканогенно-осадочными толщами преимущественно палеозойского возраста, большей частью метаморфизированными. На исследуемой территории в качестве почвообразующих пород представлены остаточные и аккумулятивные коры выветривания четвертичного возраста таких пород, как: хлоритовые и хлоритово-серицитовые сланцы, кварцево-хлоритовые сланцы, алевролитовые и кремнисто-глинистые сланцы, песчаники, кристаллические известняки и кварциты (Почвы... 1973; Мальгин, 1978). Отложения четвертичного возраста распространены в виде прерывистого маломощного покрова на междуречьях и склонах, и только в долинах и котловинах образуют сложно построенные толщи мощностью до 200-300 м (Атлас..., 1978). Стратиграфически выше, в глубоких врезах, залегают разнообразные и широко распространенные отложения среднего и позднего плейстоцена. Это валуны, галечники, пески и суглинки надпойменных террас и высоких конусов выноса на окраинах котловин, щебнистые суглинки делювиально-осыпных шлейфов, щебнисто-валунные суглинки морен, валуны и галечники водно-ледниковых потоков и алевролито-глинистые древнеозерные осадки. Общие черты перечисленных отложений - пестрый фациальный состав, резкая изменчивость отложений от 0 до десятков метров и тесная связь с рельефом.
Современные отложения представлены моренами у концов ледников, активными осыпями и обвалами на склонах горных долин, маломощными галечниками на поймах и в руслах рек (Атлас..., 1978). Почвообразующие породы на территории Алтая представлены следующими генетическими рядами: остаточные коры выветривания - элювиальные образования (мелкообломочный и грубозернистый элювио-делювий); аккумулятивные коры выветривания — делювиальные, пролювиальные, аллювиальные и ледниковые (Щукина, 1960). Генетически наносные отложения в большинстве тесно связаны с коренными породами и остаточными корами выветривания (толщей элювио-делювия). На рисунке 11 показаны концентрации ванадия в почвообразующих породах эталонных площадок. Мелкоземистый элювио-делювий служит в качестве почвообразующих пород для почв, сформированных на платообразных вершинах, в седловинах и на большинстве склонов. Гранулометрический состав колеблется от супесчаного до тяжелосуглинистого. Содержание ванадия в отложениях этого генетического ряда варьирует от 40 до 180 мг/кг. Делювиальные и пролювиальные отложения чаще, чем другие наносные образования, служат почвообразующим материалом для развивающихся на исследуемой территории почв. Толща делювиальных и пролювиальных отложений представлена слоями: от очень малоскелетных суглинистых до очень сильноскелетных песчаных. По мере перехода от влажных низкогорных районов Алтая к сухим высокогорным, толща делювиальных и пролювиальных отложений становится менее мелкоземистой и более скелетной (Почвы..., 1973). Уровень концентрации элемента в таких отложениях составляет 80-120 мг/кг.
Аллювиальные отложения распространены в долинах крупных и мелких рек, а также в котловинах. Представлены резкослоистой рыхлой толщей валунно-галечникового материала с песчаными, супесчаными и реже суглинистыми прослойками. Для большинства аллювиальных отложений, особенно в сухих степях, характерна карбонатность мелкоземистого материала и присутствие на поверхности валунов, галечника и гравия карбонатных пленок и натечных корок с нижней стороны. Колебания содержания ванадия для этих пород составляет 70-150 мг/кг. Водно-ледниковые отложения часто встречаются в высокогорных районах, представлены весьма разнообразным по петрографическому составу материалом, несортированным по гранулометрическому составу. Концентрация элемента в рассматриваемых отложениях колеблется от 70 до 140 мг/кг. Покровные лессовидные карбонатные суглинки широко распространены в низкогорных районах, в частности, в западной части Бие-Катунского междуречья. Чехол лессовидных суглинков хорошо развит в котловинах и долинах крупных рек на надпойменных террасах. Они отличаются довольно большой пористостью, значительной карбонатностью, довольно высокой емкостью обмена, щелочной реакцией среды. Содержание ванадия в различных по генезису почвообразующих породах Несмотря на многочисленные публикации по проблеме микроэлементов, имеется немного сводных данных, о содержании элементов в почвообразующих породах. К тому же эти данные относятся к равнинным территориям и, в основном, к иным породам. Поэтому мы располагаем возможностью сравнить лишь часть материалов по содержанию ванадия в почвообразующих породах Горного Алтая с аналогичными породами других регионов. Минимальное содержание ванадия обнаружено в почвообразующих породах Чуйской котловины, максимальное - на территории Северного и Северо-Восточного Алтая. Достаточно контрастно выделяются повышенным содержанием ванадия почвообразующие породы Уймонской и Канской котловин. Уровень концентрации исследуемого элемента в почвообразующих породах различных регионов мира и Алтая представлен в таблице 5.
Пространственное распределение ванадия и влияние ландшафтных особенностей территории на геохимическое поведение элемента
В ландшафтной структуре Алтая преобладают природные комплексы лесного типа, занимающие более половины площади (черневая тайга, кедрово-лиственничные, лиственничные парковые леса и др.). Одна треть приходится на высокогорные ландшафты (тундровые, альпийско-субальпийско-луговые, гляциально-нивальные). На Юго-Востоке Алтая встречаются тундро-степи, играющие существенную роль в ландшафтной структуре этого региона и сухие степи. Плакорные участки Чуйской и Курайскои котловин и террасы Чуй покрывают опустыненные злаковые степи, которые по окраинам котловин и шлейфам гор переходят в настоящие мелко-дерновинные злаковые степи (Огуреева, 1980; Ревушкин, 1988; Седельников, 1988). Растительность является одним из ведущих факторов, определяющих биогеохимические циклы миграции химических элементов в ландшафтах. Она способствует выщелачиванию химических элементов за пределы почвенного профиля (и соответствующих элементарных ландшафтов), вовлекая в биологический круговорот и увеличивая подвижность их соединений. (Ковда, 1973, 1985, 1990; Мальгин, 1978). Элементы, находящиеся в почве в микроколичествах (в том числе ванадий), вызывают большой интерес. Внешние условия оказывают прямое влияние на то, какое количество микроэлемента поглотит растение. Однако величина поглощения одного и того же элемента колеблется в очень широких пределах в зависимости от вида растения, характера развития его корневой системы, общего содержания элемента в почве (Becking, 1962). Среднее содержание ванадия в сухой фитомассе 1,5 10"4 %, в золе, по данным разных авторов, колеблется от 5,0 10" до 6,1 10 %. Коэффициент биологического поглощения (Кб) - 0,39 (Arnon, 1953; Экогеохимия..., 1996). Ландшафтообразующая роль растительного покрова очевидна и весьма разнообразна. Функционирование растительных комплексов осуществляется через свойства климата, гидрографии, рельефа и геологического строения (Виноградов, 1998). В различных ландшафтах существенно отличаются условия водного, кислотно-щелочного, окислительно-восстановительного режимов; характер растительности, почв и почвообразующих пород.
Горы Алтая сложены разнообразными породами, но в большей части разновозрастными метаморфическими и кристаллическими сланцами, различными алевролитами, песчаниками и известняками; в меньшей степени — гранитами (Белостоцкий, 1956). И разновозрастные горные породы, и образовавшиеся в результате их выветривания рыхлые отложения, являющиеся почвообразующими субстратами, далеко не однородны по своим физическим и химическим свойствам, в том числе и по микроэлементному составу. Эта первоначальная неоднородность исследуемой территории отражается и на других компонентах ландшафта и, в первую очередь, на почве и растительности. Почвенные пояса Алтая, обусловленные особенностями рельефа, геологическим строением и условиями климата, имеют разную структуру. По наличию своеобразных почвенных поясов горная страна делится на три района: Северный, Центральный и Юго-Восточный Алтай (Почвы..., 1973). Эти условия в значительной степени определяют особенности миграции, аккумуляции и уровень концентрации изучаемого элемента в почвах.
Очевидно, что почвы, сформированные в пределах границ различных почвенных поясов, на разных субстратах, имеют различия в уровнях концентрации изучаемого элемента (табл. 10). При изучении пространственного распределения ванадия в педосфере Алтая за основу взято биогеохимическое районирование исследуемой территории, предложенное М.А. Мальгиным (1978). Территория Алтая подразделяется на три биогеохимических пояса, характеризующихся различными экологическими условиями и соответствующими им . сочетаниями типов и подтипов почв, биогеохимическими и ландшафтно-геохимическими обстановками. Биогеохимический пояс высокогорных тундр и альпийских лугов Горно-тундровые почвы сосредоточены в верхней части высокогорного пояса на высотах от 1700-2000 до 3000-3500 м над ур. м, занимая склоны и вершины гор, речные и ледниковые долины, тектонические депрессии (Мальгин, 1978). Пояс горно-тундровых почв занимает верхние ярусы главных хребтов Алтая - Катунского, Терехтинского, Северо- и Южно-Чуйских, Шапшальского, Сумультинского, Чихачева, а также высокогорных плато Чулышманского и Укок (Петров, 1952; Почвы..., 1973; Мальгин, 1978). Содержание ванадия в горно-тундровых почвах существенно варьирует, составляя в среднем 157 мг/кг (табл. 11).
Наиболее широкий ареал распространения горно-луговых почв наблюдается в пределах Юго-Восточного и Центрального Алтая. Горнолуговые почвы формируются в условиях холодного и влажного климата на суглинистом сильнощебнистом элювии и элювио-делювии гранитов, песчаников, сланцев в среднем и нижнем ярусе высокогорного пояса под ассоциациями луговой растительности. Содержание элемента в горнолуговых почвах значительно колеблется (табл. 12). Высокие значения концентрации ванадия в профиле горнотундровых и горно-луговых почв обусловлены следующими факторами: 1) наличием большого содержания органического вещества; 2) слабой степенью проявления гипергенеза минеральной фазы, преобладанием процессов физического выветривания над химическим превращением. Уровень концентрации подвижного ванадия в исследованных почвах наиболее высок в горизонтах с максимальным содержанием гумуса и ила. Биогеохимический горно-лесной пояс Почвы пояса разнообразны, но для всех их характерна небольшая мощность гумусового горизонта. У верхней границы леса широко распространены горно-лесные бурые почвы. В нижней части пояса преобладают горно-лесные серые почвы и горно-лесные черноземовидные. Самая нижняя часть пояса представлена дерново-глубокоподзолистыми почвами. В горно-лесных ландшафтах, характеризующихся влажным климатом, среднекислыми природными водами, наличием восстановительных условий и отсутствием карбонатов, наблюдается некоторый вынос ванадия из оподзоленной части профиля и накопление в иллювиальном горизонте за счет сорбции коллоидными частицами и полуторными оксидами (Виноградов, 1998). Уровни концентраций ванадия в разных типах почв горно-лесного пояса представлены в таблице 13.
Внутрипрофильное распределение ванадия в почвах
В процессе почвообразования, в результате освоения рыхлого субстрата живыми организмами и усиления выветривания первичных минералов в почве возрастает содержание полуторных оксидов алюминия и железа, увеличивается количество глинных минералов. Значительная часть микроэлементов закрепляется в гумусовом веществе, коллоидах, адсорбируется на органических, органоминеральных и минеральных почвенных частицах. На незагрязненных территориях особенности перераспределения микроэлементов связаны с процессом почвообразования. В профиле почв, сформировавшихся на литохимически однородной породе, любые выявленные различия между горизонтами в содержании химических элементов, так или иначе связаны с протекавшими почвенными процессами (Мотузова, 1999; Ильин, Сысо, 2001). Внутрипрофильное распределение ванадия напрямую связано с гранулометрическим составом почв: наиболее высокий уровень содержания элемента наблюдается в илистой фракции, а низкий - в песчаной фракции.
Подобное поведение элемента было отмечено в работах А.Кабаты-Пендиас, X. Пендиас (1989), В.В. Добровольского (1998), Ю.И. Добрицкой (1969, 1972), Г.А. Андриановой (1971), М.Г. Эдлин (1996), Б.П. Ахтырцева (1999), И.В. Якушевской (1972, 1973), Г.Т. Воробьева (1996), А.В. Хорошева (2000), Н.А. Протасовой (2000). Анализ собственных данных по 189 разрезам и публикации вышеупомянутых авторов позволяют выделить 3 типа распределения валового ванадия по горизонтам почвенного профиля: 1. Биогенное накопление. 2. Накопление в карбонатных горизонтах. 3. Распределение по элювиально-иллювиальному типу. 4.3.1. Биогенное накопление кислотами, оксидами и т.д. (Пейве, 1958; Ильин, Сысо, 2001). Данный тип распределения характерен для горно-луговых, горнотундровых, и горно-лесных черноземовидных почв.
В тундровых ландшафтах в условиях избыточного увлажнения, кислой реакции среды и продолжительного господства восстановительных условий, высокую подвижность приобретают элементы группы железа (табл. 21). Основная форма миграции — в составе органоминеральных комплексов и коллоидов. Геохимическая обстановка, свойственная исследуемым почвам, предполагает наличие ванадия в форме катиона VO , легко доступного для корневой системы растений. Для горно-луговых почв (табл. 22, 23) характерно ярко выраженное проявление дернового почвообразовательного процесса. Благоприятные гидротермические условия способствуют аккумуляции органического вещества и биогенному накоплению (закреплению органоминеральных комплексов) микроэлементов. Промывной водный режим увеличивает мобильность легкорастворимых соединений элемента. Дерновый макропроцесс предопределяет биогенное накопление ванадия (V ). Содержание валового ванадия в горно-луговых почвах Алтая (интегрированный профиль) дано в таблице 23. Проявляются значительные колебания в распределении исследуемого элемента по генетическим горизонтам и в одинаковых горизонтах. Осаждение ванадия на карбонатных горизонтах наблюдается в профиле каштановых почв и черноземов южных. Черноземы Алтая формируются на мощных карбонатных аккумулятивных корах выветривания и отличаются высоким содержанием карбонатов кальция и магния. Бескарбонатная, верхняя часть профиля черноземов, отличается нейтральной реакцией среды, а нижняя, обогащенная карбонатами, - явно щелочной.
В профиле черноземов южных более резко, чем в обыкновенных, выражена граница гумусового горизонта и более четко оформлен горизонт накопления карбонатов, залегающий неглубоко от поверхности. Концентрация ванадия в гумусово-аккумулятивных горизонтах черноземов Алтая находится на уровне кларка. Значительного накопления элемента и сорбции его органическим веществом почвы не наблюдается. Глубина залегания карбонатных горизонтов определяется проявлением конкретных почвообразовательных процессов и положением почв в системе ландшафтной поясности (табл. 25). В черноземах южных, вследствие разной степени окарбоначенности профиля, изменяется подвижность микроэлемента. В горизонте Вк происходит аккумуляция основного количества илистых и глинистых частиц, проявляется действие щелочного барьера, что и способствует накоплению элемента (табл. 26). В связи с этим в профиле черноземов четко выделяются две физико-химические зоны. Вертикальная мощность таких зон определяется глубиной залегания иллювиально-карбонатного горизонта. Для каштановых почв характерен непромывной водный режим, высокая водопроницаемость, легкий гранулометрический состав, щелочная реакция среды, высокое содержание карбонатов, и низкое — гумуса. Высокое содержание карбонатов оказывает значительное влияние на внутрипрофильное распределение и миграцию ванадия в каштановых почвах (табл. 27). Уровень содержания, аспекты миграции, аккумуляции и биологического поглощения микроэлемента в каштановых почвах определяет ряд факторов: 1. Непромывной водный режим, осложняющий водную миграцию и способствующий накоплению элемента в верхних горизонтах. 2. Сорбционный и испарительный геохимические барьеры. 3. Низкое содержание органического вещества. 4. Наличие мощных карбонатных горизонтов. Таблица 27 Распределение физико-химических свойств и ванадия по профилю каштановой почвы Распределение карбонатов в профиле исследуемых почв неодинаково: в темно-каштановых почвах они обнаруживаются с глубины 30-40 см, в каштановых - с 15-30 см, а в светло-каштановых -начиная с поверхности, что связано с различной степенью увлажнения. Это напрямую влияет на распределение ванадия по профилю перечисленных почв (табл. 28).
Похожие диссертации на Распределение ванадия в почвообразующих породах и почвах Алтая
