Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика исследований 13
Глава 2. Физико-географические особенности ландшафтов региона и их геохимическая систематика 18
Глава 3. Влияние горных пород региона на распространенность и распределение тяжелых металлов в почвах и растениях 38
3.1. Геохимические особенности горных пород 38
3.2. Влияние горных пород на распространенность и распределение тяжелых металлов в почвах 53
3.3. Влияние геохимических особенностей горных пород на распространенность и распределение тяжелых металлов в основных растениях региона 73
Глава 4. Влияние геоморфологических особенностей на концентрацию тяжелых металлов в почвах и растениях геохимических ландшафтов региона 81
Глава 5. Связь физико-химических особенностей почв с распространенностью и распределением тяжелых металлов в них и в растениях 95
5.1. Взаимосвязь распределения тяжелых металлов в почвах с классами водной миграции
5.2. Содержание гумуса и концентрации тяжелых металлов в верхнем почвенном горизонте 113
5.3. Показатель рН и концентрации тяжелых металлов в гумусовом горизонте почв 119
5.4. Распределение тяжелых металлов по вертикальному профилю почв 125
5.5. Содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах 129
5.6. Влияние физико-химических свойств почв на распределение ряда тяжелых металлов в основных видах растительности 134
Глава 6. Влияние состава растительного покрова на содержание тяжелых металлов в почвах региона 150
6.1. Распределение тяжелых металлов в почвах и растениях ландшафтов, отличающихся типом растительного покрова 150
6.2. Особенности распределения тяжелых металлов в отдельных морфологических частях растений 163
6.3. Особенности биологического круговорота тяжелых металлов в лесных ландшафтах Северо-Западного Кавказа 169
Глава 7. Влияние техногенеза на распределение тяжелых металлов в геохимических ландшафтах региона 177
7.1. Общая характеристика техногенных эколого-геохимических преобразований ландшафтов региона 177
7.2. Количественная оценка процессов перераспределения тяжелых металлов в техногенных ландшафтах 180
7.3. Изменение особенностей распределения тяжелых металлов в почвах и растениях аналогичных биогенных ландшафтов в условиях воздействия различной по интенсивности техногенной нагрузки 191
Заключение 198
Литература 203
Приложения
- Физико-географические особенности ландшафтов региона и их геохимическая систематика
- Влияние горных пород на распространенность и распределение тяжелых металлов в почвах
- Влияние геоморфологических особенностей на концентрацию тяжелых металлов в почвах и растениях геохимических ландшафтов региона
- Содержание гумуса и концентрации тяжелых металлов в верхнем почвенном горизонте
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с возрастающими масштабами хозяйственной деятельности человека в последние годы проблема «металлизации» биосферы становится наиболее актуальной. Прежде всего, это связано с проявлением токсичных эффектов аномально-высоких концентраций тяжелых металлов. При этом процессы загрязнения тяжелыми металлами затрагивают не только техногенные, но и биогенные (природные) ландшафты. Для изучения распространенности и распределения тяжелых металлов в их почвах и растениях, в первую очередь, необходимо установить ландшафтно-геохимические особенности исследуемой территории и определить влияние как исходных природных, так и накладывающихся техногенных факторов миграции, концентрации и перераспределения металлов.
Актуальность исследований распространенности и распределения тяжелых металлов в изучаемом регионе - Северо-Западном Кавказе обусловлена следующим:
Территория исследований, основная часть которой занята лесными ландшафтами, является важнейшей рекреационной зоной России (особенно ее Черноморское побережье).
Всё большие площади в регионе занимают техногенные ландшафты, и прежде всего - сельскохозяйственные и селитебные.
Помимо антропогенных, на изучаемой территории находятся многочисленные природные источники аномально-высоких концентраций тяжелых металлов - месторождения и рудопроявления полезных ископаемых.
Регион характеризуется большой ландшафтно-геохимической изменчивостью условий миграции, концентрации и перераспределения тяжелых металлов.
5
Высокая пространственная неоднородность естественного
биогеохимического фона тяжелых металлов, усложняемая на отдельных участках техногенным воздействием, обусловила сложившуюся специфическую обстановку в регионе, знание которой имеет выжное научное, прикладное и социальное значение.
Цель и задачи работы. Основная цель работы - изучить распространённость и распределение в почвах и основных растениях ландшафтов Северо-Западного Кавказа ряда тяжелых металлов (Си, Zn, Pb, Ва, Ni, Mn, Cr, Sr) и определить влияние на их миграцию, концентрацию и перераспределение природных и техногенных факторов. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи: -изучить физико-географические особенности ландшафтов региона и выполнить
их геохимическую систематику; -определить региональный фоновый уровень содержания и распределения Си,
Zn, Pb, Ва, Ni, Mn, Cr, Sr в горных породах, почвах, основных древесных
породах геохимических ландшафтов; -изучить влияние горных пород региона на распространенность и
распределение тяжелых металлов в почвах и растениях; -исследовать влияние геоморфологических особенностей на концентрацию
тяжелых металлов в почвах и растениях геохимических ландшафтов региона; -установить связь физико-химических особенностей почв региона с
распространенностью и распределением тяжелых металлов в них и в
растениях; -определить влияние растительного покрова на содержание тяжелых металлов
в почвах региона; -оценить влияние техногенеза на концентрацию и перераспределение тяжелых
металлов в геохимических ландшафтах Северо-Западного Кавказа.
Фактический материал. В работе использован фактический материал комплексных региональных эколого-геохимических исследований, проведенных сотрудниками НИИ Геохимии биосферы РГУ за период в 15 лет. В результате данных работ была составлена и уточнена карта геохимических ландшафтов Краснодарского края и Республики Адыгея масштаба 1:500000 (издана Северо-Кавказским аэрогеодезическим предприятием Роскартографии в 2000 г.), послужившая основой при изучении распространенности и распределения тяжелых металлов в почвах и растениях региона и установлении влияния на них природных и техногенных факторов миграции. На отдельных участках исследуемой территории, наиболее подверженнных антропогенному преобразованию, была проведена детализация работ в масштабе 1:25000-1:10000.
В ходе полевых исследований было отобрано проб горных пород - 430, проб из гумусового горизонта А почв - свыше 3700, из горизонтов В и С — по 120. Общее количество биогеохимических проб основных растений региона составило более 2530, в том числе листьев граба - 601, дуба - 486, бука - 184, ясеня — 30, клена - 30, а также 540 проб различных морфологических частей этих растений.
Все пробы подвергались спектральному атомно-эмиссионному анализу, выполненному в аккредитованной аттестованной Центральной лаборатории ГТТТ «Севкавгеология», город Ессентуки. Химическими анализами в лабораториях кафедры геологии и геохимии ландшафта географического факультета Ml 11У и Ростовской областной станции химизации сельского хозяйства определялись содержания тяжелых металлов в подвижных формах (ацетат-аммонийным буферным раствором) в 30 пробах почв, типоморфные ионы в водных вытяжках 300 проб почв, процентное содержание гумуса и величина рН почвенного раствора в 221 почвенном образце.
Личный вклад. Автор работы участвовала в составлении и уточнении карты геохимических ландшафтов Краснодарского края и Республики Адыгея
7 масштаба 1:500000, изданной в 2000 году, в детальных эколого-геохимических исследованиях с литохимическим и биогеохимическим опробованием, в подготовке отобранных проб к анализу и непосредственном выполнении химических анализов почвенных проб в лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта географического факультета Mill У.
Научная новизна работы. Впервые для территории Северо-Западного Кавказа на основе его ландшафтно-геохимического строения подробно, с учетом мониторинговых работ за 10-15-летний период, изучена роль природных и техногенных факторов миграции, оказываемая ими на распространенность и распределение рассматриваемых металлов в горных породах, почвенных горизонтах и морфологических частях наиболее распространенных растений региона.
Выполнение диссертационных исследований позволило:
определить региональные фоновые содержания и выявить основные закономерности распределения и миграции тяжелых металлов в горных породах, почвах, основных растениях геохимических ландшафтов Северо-Западного Кавказа;
провести почвенно-биогеохимическое картографирование территории по фоновому уровню содержаний валовых форм тяжелых металлов в гумусовом горизонте почв и в листьях основных растений, а также составить карту вторичных литохимических полей региона по зонам аномальных концентраций в почвах;
выявить ведущие биогенные факторы, определяющие поведение тяжелых металлов в регионе и оценить их с применением новых количественных параметров (абсолютного разброса - АР, показателей абсолютного и относительного накопления - ПАН и ПОН, по В.А. Алексеенко, 2003);
8 — оценить влияние различных техногенных факторов на перераспределение тяжелых металлов в отдельных ярусах геохимических ландшафтов исследуемой территории и охарактеризовать современную эколого-биогеохимическую обстановку в регионе, перспективы его дальнейшего устойчивого развития.
Научно-практическая значимость работы. Разработка научных проблем,
связанных с изучением миграции, концентрации и перераспределения тяжелых
металлов в системе «почва-растения», приобретает все большее значение с точки
зрения устойчивости и стабильности экосистем на пороге возможных изменений
физико-географических и геохимических особенностей территорий из-за
глобального и регионального антропогенного воздействия. Это имеет большое
практическое значение для разработки стратегии рационального
природопользования, для совершенствования организации почвенно-
биогеохимического мониторинга. Ландшафтно-геохимические исследования
территории, определение недостатка или избытка того или иного элемента в
почвах будут способствовать целенаправленному проведению комплекса
мероприятий по профилактике эндемических заболеваний
сельскохозяйственных растений, животных и человека.
Карты фоновых содержаний тяжелых металлов в почвах и растениях найдут применение при разработке системы мероприятий, направленных на оптимизацию пищевого режима живых организмов по микроэлементам; при определении необходимого количества микроудобрений для сельхозландшафтов региона; будут способствовать обеспечению рационального размещения культур в севообороте и эффективному использованию естественного плодородия почв.
Карта вторичных литохимических полей может быть использована хозяйственными и природоохранными организациями при составлении земельных кадастров, проведении экологической экспертизы, планировании размещения новых населенных пунктов, промышленных предприятий,
9 транспортных коммуникаций, при отведении территорий под
сельскохозяйственное пользование.
Установленные закономерности распределения тяжелых металлов в морфологических частях растений целесообразно применять при оценке экологического воздействия выбросов промышленных предприятий на окружающую среду.
Выявленные древесные породы, способные накапливать тяжелые металлы в значительных концентрациях, могут служить в качестве биогеохимических барьеров, в новой технологии — фиторемедиации почв.
Результаты исследований и научные выводы диссертации используются в учебном процессе Новороссийского политехнического института КубГТУ. Они включены в лекционные спецкурсы «Геохимия ландшафтов», «Химия окружающей среды» и «Ландшафтоведение» для студентов специальностей «География», «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
Основные защищаемые положения.
При разработке систематики геохимических ландшафтов региона выявлено уменьшение (в 3-1,5 раза) абсолютного разброса фоновых концентраций Ni, Мп, Ва и увеличение (в 2 раза) - Си в почвах техногенных ландшафтов, по сравнению с природными.
В почвах Северо-Западного Кавказа из природных факторов миграции на распространенность и распределение Sr, Cr, Ni, Pb преимущественное влияние оказывают горные породы; Мп, Ва, Zn - состав растительного покрова; Си — физико-химические особенности почв.
В основных растениях региона из природных факторов миграции на распространенность и распределение Мп, Ва, Sr оказывают преобладающее влияние физико-химические свойства почв, Ni, Си, Zn - состав растительного покрова, Сг и РЬ — горные породы.
10 4. При техногенном преобразовании лесных ландшафтов региона в сельскохозяйственные наибольшие эколого-геохимические изменения почв отмечены при создании виноградников и садов: возрастание количества в гумусовом горизонте их почв Sr может достигать 147,8 т/км (виноградники), Си -100,2, Сг - 14,4, Zn - 13,8 т/км (пойменные яблоневые сады); а снижение содержаний Mn, Pb, Ni может составлять соответственно 145,0; 5,4; 4,2 т/км2 (виноградники), Ва - 97,8 т/км (пойменные яблоневые сады).
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались во время прохождения автором стажировок на кафедре геологии и геохимии ландшафта географического факультета Mill У (Москва, 1998-1999 гг.) и в Междисциплинарном экологическом центре Горной академии Технического университета (Фрайберг, Германия, 2001-2002 гг.). Также они докладывались, обсуждались и были опубликованы в материалах и тезисах докладов 22 различных совещаний, конференций, симпозиумов. Среди которых: I Международная конференция "Вулканизм и биосфера", Туапсе, 1998; Международный симпозиум «Геохимические барьеры в зоне гипергенеза», Москва, 1999; Международная научно-практическая конференции "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде", Казахстан, Семипалатинск, 2000; Всероссийская научная конференции "Университеты России — Фундаментальные исследования: география", Новороссийск, 2000; III Международное совещание "Геохимия биосферы", Новороссийск, 2001; международная научная конференция «География, общество, окружающая среда», Калининград, 2001; международная конференция «География и природопользование в современном мире», Барнаул, 2001; Годичное собрание Всероссийского минералогического общества «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем (теория, практика, перспективы развития)», Москва, 2002; международный симпозиум «Биокосные взаимодействия «Жизнь и камень», Санкт-Петербург, 2002; III Международной
конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Москва, 2004.
Связь работы с крупными научными программами. В основе диссертационной работы - результаты пятилетних (1998-2003) научных исследований автора, в том числе данные научно-исследовательских работ (НИР), выполненных автором в качестве ответственного исполнителя в рамках научных программ Минобразования РФ и грантов научных фондов.
По Межвузовской программе «Университеты России — Фундаментальные исследования», направление 8 «География», раздел 8.3. «Экогеохимия» выполнялись проекты: «Особенности биологического круговорота тяжелых металлов в лесных ландшафтах Западного Кавказа» (учетный номер проекта 015.08.01.16), 1998-2000 гг.; «Влияние природных и техногенных факторов на распределение металлов в почвах и растениях в горных районах» (шифр НИР -УР.08.01.003), 2001-2003 гг. В рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 207 «Экология и рациональное природопользование», раздел 5 «Проблемы устойчивого функционирования лесных и урбосистем» выполнялась НИР «Динамика изменений пойменных лесных экосистем в условиях развития техногенных процессов (на примере Западного Кавказа)» (номер государственной регистрации 05.01.005), 2001-2002 гг.
По гранту REC-004 фонда SRDF (США), раздел: «Системные исследования динамики и биогеохимических последствий загрязнения окружающей среды Юга России» исполнялась НИР «Качественная оценка состояния окружающей среды Краснодарского края», 2000 г. По фантам РФФИ № 01-05-64614а и № 02-05-06335мас была выполнена НИР «Влияние антропогенной деятельности на эколого-геохимические особенности пойменных ландшафтов в связи с проблемой их устойчивого функционирования (на примере Западного Кавказа)", 2001-2002 гг. По гранту Минобразования РФ конкурса 2000 года по
12 фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук, раздел конкурса 10 «География» - проект «Влияние физико-географических особенностей Западного Кавказа на распределение ряда химических элементов в почвах и основных видах растительности», 2001-2002 гг.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы директору НИИ Геохимии биосферы РГУ д.г.-м.н. В.А. Алексеенко, заведующему кафедрой геологии и геохимии ландшафта Mill У д.г.н. В.В. Добровольскому, заведующему аналитической лабораторией кафедры к.г.н. Л.В. Алещукину, заместителю проректора по научной работе РГУ к.г.н. В.Н. Серикову за научную поддержку и ценные консультации. Автор также очень признателен друзьям и коллегам, сотрудникам НИИ Геохимии биосферы РГУ, принимавшим участие в проведении полевых работ и исследований, положенных в основу данной диссертации, и сотрудникам кафедр физической и эволюционной географии СПбГУ и геологии и геохимии ландшафта Mill У за внимание, ценные советы и помощь в процессе подготовки работы.
Физико-географические особенности ландшафтов региона и их геохимическая систематика
Территория Северо-Западного Кавказа расположена внутри континента на границе умеренного и субтропического поясов. На западе исследуемый регион омьшается Азовским и Черным морями, а на востоке граница проходит по правобережью реки Уруп. С севера регион ограничен долиной реки Кубань, а с юга и юго-востока - условно принимаются границы с Грузией и Карачаево-Черкесской Республикой.
Геологическое строение Северо-Западного Кавказа весьма разнообразно. Его изучению посвящены труды СМ. Горбовой (2000), В.В. Зарубиной (2000), ЕЕ. Милановского, В.Е. Хаина (1963), В.Ю. Поповой и др. (2000), И.И. Потаповой (1968), П.В. Федоровой (1963) и др. В регионе представлены осадочные, изверженные (с преобладанием кислых магматических) и метаморфические горные породы, начиная от докембрийского возраста до неогенового и четвертичного периодов. Разнообразие и сложность геологического строения, наличие множества рудопроявлений и месторождений металлических, горючих и неметаллических полезных ископаемых, образующих отдельные узлы и районы (Н.И. Бойко, В.И. Седлецкий, Б.В. Талпа, 1986; П.И. Ваганов, А.Ю. Борисенко, 2000; М.М. Курбанов, В Л. Шарафан, 2000; Л. Л. Ляшенко, 2000; И.А. Шамрай и др., 1972; СБ. Ящинин, 2000 и др.), обусловили природную контрастность распространенности и распределения тяжелых металлов в регионе.
На исследуемой территории представлены практически все основные форма рельефа (И.Н. Сафронов, 1985; А.М. Канонников, 1974 и др.). Главными орографическими особенностями региона являются чередование горных хребтов и межгорных впадин и повышение горной гряды, осевую часть которой составляет Главный (Водораздельный) хребет, с запада на восток (от 600 метров — хребет Маркотх до 3345 метров над уровнем моря — г. Цахвоа).
К северу от располагается обширная Северо-Юрская депрессия, сложенная песчано-сланцевыми породами нижней и средней юры. Эта депрессия отделяет от Главного хребта зону куэст, состоящую из трех почти параллельных моноклинальных хребтов. Наиболее высоким из этих хребтов является южный -Скалистый. Начинается он высокогорного известнякового плато Лагонаки, которое примыкает к горным массивам Фишт (2868 м) и Оштен (2804 м). Скалистый хребет сложен юрско-меловыми известняками, мергелями, доломитами и четко выделяется в рельефе до р. Белой. Севернее его расположен Пастбищный (Меловой) хребет, сложенный известняками мела. Этот хребет наиболее четким рельефом обладает также только до р. Белой. Абсолютные отметки его редко превышают 1500 м. Самый северный хребет Лесистый, сложенный терригенными породами неогена, имеет наименьшие и протяжение, и высоту (до 800 м).
Полоса куэст к северу переходит в предгорную наклонную Кубанскую равнину. К западу от зоны куэст располагается зона невысоких хребтов, получивших название Черноморской цепи (Н.А. Гвоздецкий, 1972). Большинство гряд, хребтов и понижений протягивается в северо-западном направлении. Система хребтов расчленена на отдельные блоки долинами многочисленных рек и ручьев. Единого водораздела между реками южного и северного склонов здесь нет, он переходит с одного хребта на другой. Вершины хребтов довольно пологи и залесены. Сложены горы осадочными породами мела, неогена и палеогена. Таким образом, в регионе представлены высокие и низкие горы, холмы и гряды, предгорные равнины. Географическое положение региона и сложный рельеф определили разнообразие и важнейшие свойства климата: большую суммарную радиацию, континентальность и проявление высотной климатической зональности. В горах климатические показатели довольно резко отличаются от предгорных. Так, если в предгорьях среднегодовая температура колеблется от плюс 7 С до плюс 8 С, то на абсолютных отметках в 1000-1500 м, она уже равна 4-7 С, а на высоте больше 2000 м - 0-3 С. Летом, не зависимо от увеличения солнечной радиации, с высотой на каждые 100 м температура в среднем понижается на 0,5 С. В связи с этим с высотой «лето наступает» позже, а осень раньше. Горные хребты являются аккумуляторами влаги. Они задерживают воздушные потоки и заставляют их подниматься вверх, что приводит к увеличению количества выпадающих осадков, особенно увлажнены наветренные склоны, кроме того, верховье Большого Кавказа находится в условиях свободной циркуляции атмосферы. Начиная с высоты 2000 м, ведущая роль принадлежит западному переносу воздуха, в связи с чем усиливается влияние Атлантики и Средиземного моря. Поэтому на высокогорье климат более влажный.
Разнообразие климатических условий, форм рельефа, геологического строения обусловило большую пестроту природных ландшафтов региона, отличающихся также строением почвенного покрова и видовым составом растительности.
На рассматриваемой территории почвы изучались еще В.В. Докучаевым в конце XIX века, позднее СИ. Тюремновым (1929), С.А Захаровым (1032,1939), К.С Кириченко (1953), СВ. Зонном (1950), Ф.Я. Гаврилюком (1955, 1979), П.А Садименко (1964), В.Ф. Вальковым (1977) и другими ведущими почвоведами. В горной части распространены бурые лесные, серые лесные, дерново-карбонатные и горно-луговые почвы; в равнинной и предгорной зонах региона - каштановые почвы, черноземы выщелоченные и черноземы слитые; долины рек низко- и среднегорья, а также равнинной части, в основном, занимают луговые и лугово-черноземные почвы.
С изменением орографических особенностей горной системы взаимосвязана смена типа растительного покрова и его видового состава. Наиболее распространенные широколиственные леса с высотой сменяются смешанными, хвойными лесами, затем субальпийскими и альпийскими лугами (А.М. Канонников, 1977; Ф.Н. Мильков, Н.А. Гвоздецкий, 1969; Н.В. Невзоров, 1951; Р.М. Середин, 1977 и др.).
Влияние горных пород на распространенность и распределение тяжелых металлов в почвах
Для определения тенденций изменений концентраций исследуемых металлов в почвах под влиянием геохимических особенностей горных пород был выбран своеобразный репер. Региональные фоновые содержания большинства металлов в почвах над выделенными типами горных пород, значительно отличаются от кларков для почв по А.П.Виноградову. Именно из-за большой разницы в значениях использование кларков для почв по А.П. Виноградову в качестве репера при рассмотрении концентраций металлов в почвах исследуемого региона, над выделенными горными породами оказалось нерезультативным.
Использование репера позволило предварительно выявить тенденции возрастания (убывания) конценіраций металлов в почвах региона над определенными группами горных пород без учета других ландшафтно-геохимических особенностей (табл. 3.5). Для Zn и Ba наблюдаются тенденции увеличения концентраций в почвах от ландшафтов с карбонатно-терригенными отложениями к ландшафтам е терригенными, терригенно-вулканогенными и кислыми магматическими породами. Для Сг и Sr тенденция возрастания концентраций в почвах иная: от ландшафтов с кислыми магматическими породами к ландшафтам с терригенно-вулканогенными, терригенными и карбонатно-терригенными отложениями. Для Ni тенденция возрастания концентраций в почвах иная: от ландшафтов с кислыми магматическими породами к ландшафтам с терригенными, карбонатно-терригенными и терригенно-вулканогенными отложениями. Для Си тенденция увеличения концентраций в почвах выглядит так: от Количество ландшафтов (%) с данными фоновыми содержаниями металлов от общего числа рассматриваемых ландшафтов ландшафтов с кислыми магматическими породами к ландшафтам с карбонатно-терригенными, терригенными и терригенно-вулканогенными отложениями. Для РЬ тенденция возрастания концентрации в почвах следующая: от ландшафтов с карбонатно-терригенными отложениями к ландшафтам с кислыми магматическими, терригенно-вулканогенными и терригенными породами. Для Мп тенденция отличается: концентрации в почвах возрастают от ландшафтов с терригенными отложениями к ландшафтам с карбонатно-терригенными, кислыми магматическими и терригенно-вулканогенными породами. Нужно сказать, что выявленные тенденции возрастания концентраций тяжелых металлов в почвах над различными группами горных пород в целом отличаются от их распределения в самих горных породах. При сопоставлении с использованием доверительных интервалов значений фоновых концентраций металлов во всех выделенных типах горных пород и в сформировавшихся на них почвах (без учета ландшафтно-геохимических особенностей), можно отметить, что также нет четкой зависимости, то есть не наблюдается соответствия в последовательностях возрастания фоновых концентраций металлов в рассмотренных группах пород и почвах над ними.
Однако, если рассматривать только наиболее распространенные по площади терригенные и карбонатно-терригенные отложения, с большим числом проб, и образованные на них почвы, то для большинства рассматриваемых металлов намечается тенденция определенного соответствия их высоких (или низких) концентраций в породах и почвах над ними. По особенностям данной тенденции металлы можно объединить в следующие группы: 1) Pb, Zn, Ni, Mn, Sr - с прямой зависимостью фоновых концентраций в терригенных и карбонатно-терригенных породах и почвах над ними (рис. 3.5, 3.6); 2) Ва, Сг — с обратной зависимостью фоновых концентраций в данных породах и почвах над ними (рис. 3.7); 3) Си - с практически одинаковыми фоновыми концентрациями в почвах на терригенных и карбонатно-терригенных породах (рис. 3.8). Необходимо отметить непропорциональность изменений: фоновые концентрации Pb, Zn, Ni, Си, Ва, Сг в почвах, образованных на терригенных и карбонатно-терригенных отложениях, отличаются друг от друга незначительно, тогда как в самих породах разница фонов заметна. Для Sr разница фоновых содержаний в почвах над выделенными типами горных пород более значительна. Это можно объяснить тем, что в почве - сложной биокосной системе, в которой взаимодействуют множество факторов, практически всегда происходит «усреднение» концентраций химических элементов (В.А. Алексеенко, 2000). Рассмотрев влияние горных пород на распределение металлов в почвах на фоновом уровне, обратимся к аномально-высоким концентрациям. Разнообразие и сложность геологического строения Северо-Западного Кавказа обусловили наличие множества рудопроявлений и месторождений металлических, горючих и неметаллических полезных ископаемых, образующих отдельные узлы и районы.
В результате процессов выветривания горных пород, в почвах над районами и узлами месторождений полиметаллов, меди, ртути, золота образовались вторичные ореолы рассеяния с зонами повышенной концентрации элементов-индикаторов.
Влияние геоморфологических особенностей на концентрацию тяжелых металлов в почвах и растениях геохимических ландшафтов региона
С самого начала следует отметить, что при изучении влияния геоморфологических особенностей на распределение тяжелых металлов в почвах и растениях всего региона в целом, одновременно оценивается воздействие и ряда других факторов миграции, концентрации и перераспределения химических элементов. Ландшафты равнин, низкогорья и высокогорья существенно отличаются по климатическим особенностям, обуславливающим различия в интенсивности биологического круговорота, в минерализации почвенных растворов, в соотношении физического и химического выветривания, поверхностного стока и инфильтрации, а также другими физико-географическими параметрами (ссылка на литературу) непосредственно влияющих на миграцию тяжелых металлов.
Так, высокогорные ландшафты представлены альпийскими лугами, хвойными, смешанными, редко лиственными лесами (рис. 2.1 а, б). Низко-среднегорные ландшафты покрыты, в основном, лиственными, реже смешанными лесами. Помимо природных здесь расположены и сельскохозяйственные ландшафты: преимущественно полеводческие с многолетними культурами (сады, чайные плантации, реже виноградники) и животноводческие (пастбища и сенокосы). Практически вся равнинная часть исследуемой территории занята сельскохозяйственными полеводческими ландшафтами с однолетними культурами (богарные пашни, рисовые чеки) и с многолетними культурами (виноградники).
Кроме того, геохимические ландшафты, расположенные в разных высотных поясах, отличаются и по почвоподстилающим породам. Только в высокогорной части территории Краснодарского края встречаются терригенно-вулканогенные отложения палеозойского возраста, метаморфические породы протерозойского возраста и кислые магматические породы.
Эти взаимосвязанные факторы во многом усложняют оценку влияния собственно геоморфологических особенностей на распределение тяжелых металлов в почвах и растениях геохимических ландшафтов исследуемого региона.
Для выявления общей тенденции распределения тяжелых металлов в почвах геохимических ландшафтов, расположенных в различных геоморфологических условиях региона, стараясь сохранить «чистоту» исследований и избежать преимущественного влияния техногенных факторов, рассмотрим биогенные и антропогенные ландшафты отдельно.
В масштабе региональных исследований (1:500 000) распределение тяжелых металлов наиболее детально изучено в почвах широко распространенных биогенных геохимических ландшафтов низко- и среднегорья в следующем сопряжении: элювиально-трансэлювиальные — трансэлювиальные - транссупераквальные (табл. 4.1). Из биогенных ландшафтов высокогорья особенности распределения тяжелых металлов в почвах достаточно полно изучены в преобладающих элювиально-трансэлювиальных. В остальных ландшафтах высокогорья - трансэлювиальном ландшафте № 42 (рис. 2.1 а,б) и транссупераквальном ландшафте № 43 - число отобранных проб почв и основных растений по сети, согласно масштабу исследований, не удовлетворяет требованиям статистики при заданной вероятности 95%.
Из антропогенных ландшафтов рассмотрим наиболее распространенные в равнинной части региона, а также встречающиеся в низко-среднегорье, полеводческие немелиорируемые ландшафты с севооборотом однолетних культур (богарные пашни). Распределение тяжелых металлов в почвах равнинных ландшафтов богарных пашен изучено в сопряжении: элювиально-трансэлювиальные - транстрансэлювиальные — трансаккумулятивные — транссупераквальные (табл. 4.2). Среди низко-среднегорных ландшафтов богарных пашен распределение тяжелых металлов в почвах достаточно полно исследовано в спряжении: трансэлювиальные - трансаккумулятивные.
Как видно из таблиц 4.1 и 4.2 и в биогенных, и в антропогенных ландшафтах, расположенных в различных геоморфологических условиях, отличия фоновых содержаний всех рассматриваемых тяжелых металлов в почвах небольшие. При этом коэффициенты вариаций содержаний тяжелых металлов в них составляют в среднем 13-20%. Кроме того, фоновые содержания тяжелых металлов, рассчитанные с вероятностью 95%, за счет больших значений среднеквадратичных отклонений часто перекрываются.
В биогенных ландшафтах высокогорья наблюдаются тенденции к увеличению концентраций в почвах Zn и Мп и к снижению - Си, Ni, Ва, Sr, Сг, как по сравнению с гипсометрически нижерасположенными ландшафтами низко-среднегорья в целом, так и в сопоставлении только с элювиально-трансэлювиальными ландшафтами (табл. 4.1).
В антропогенных ландшафтах богарных пашен можно говорить только о тенденциях к снижению содержания Сг и возрастанию концентрации Ва в почвах гипсометрически вышерасположенных ландшафтов низко-среднегорья как в целом, так и при отдельном сопоставлении трансэлювиальных и трансаккумулятивных ландшафтов, в сравнении с ландшафтами равнинной части региона (табл. 4.2). В изменении фоновых концентраций Zn, Мп, Си, Ni, Sr, Pb в почвах антропогенных ландшафтов, отличающихся геоморфологическими условиями, нет явно выраженных тенденций. Кроме того, сами фоновые концентрации данных металлов, рассчитанные с вероятностью 95%, часто перекрываются.
Отсутствие явно выраженных общих тенденций изменений концентраций рассматриваемых тяжелых металлов в почвах геохимических ландшафтов с общими геоморфологическими условиями (занимаемыми формами рельефа), но расположенных в разных высотных поясах, свидетельствует о рецессивной роли интенсивности механической миграции и водообмена и преобладающем влиянии комплекса ранее перечисленных факторов, среди которых особенности почвоподстилающих пород, растительного покрова и другие. Выделение ландшафтов региона в масштабе исследований 1:500 000 с учетом занимаемых ими форм рельефа также не подтверждает его доминирующей роли в геохимической дифференциации почв. Так, среди сопряженных биогенных ландшафтов низко-среднегорья более высокими концентрациями Mn, Sr, Си, Ni выделяются почвы элювиально трансэлювиальных ландшафтов (табл. 4.1), характеризующихся отсутствием привноса (помимо воздушного) из других ландшафтов, промывным режимом и слабыми обратными связями с глубоко залегающими грунтовыми водами. В почвах транссупераквальных ландшафтов понижены концентрации Mn, Sr, Сг, Ва и наблюдается тенденция к снижению содержаний Ni, Pb. Низкие концентрации металлов в поймах горных рек могут объясняться их интенсивным промыванием, в частности сезонным. Только концентрации Zn возрастают от элювиально-трансэлювиальных к транссупераквальным ландшафтам. Трансэлювиальные ландшафты характеризуются промежуточными значениями концентраций Mn, Sr, Ni, Сг, Ва, Pb и минимальными — Си и Zn.
Содержание гумуса и концентрации тяжелых металлов в верхнем почвенном горизонте
Перейдем к исследованию влияния на распределение тяжелых металлов в верхнем горизонте почв следующего физико-химического параметра - содержания гумуса. Комплекс гумусовых соединений играет важную роль в процессах сорбции металлов в почве. Коллоидный осадок гуминовых кислот поглощает катионы ряда металлов в десятки раз больше, чем глинистые минералы. Несмотря на то, что общее содержание гумусовых веществ в почве составляет, как правило, не больше 10 %, их геохимическое значение, в частности, на распределение металлов трудно переоценить. В гумусе сконцентрирован основной резерв элементов питания растений, он является основным аккумулятором как металлов, так и азота, фосфора, калия, серы, кальция и других элементов в почве (В.В. Добровольский, 1999). Несомненно, интенсивность миграции тяжелых металлов зависит от содержания гумуса. Содержание гумуса в почвах Северо-Западного Кавказа колеблется от 1,24 до 10,71 %, при среднем значении равном 5,8 %. Необходимо сразу отметить, что коэффициенты корреляции содержания гумуса и концентрации каждого из исследуемых металлов, рассчитанные для 191 точки опробования, очень малы, по абсолютному значению меньше 0,3 (табл. 5.11). Это показывает, что влияние рассматриваемого параметра на концентрацию тяжелых металлов в почвах перекрывается суммарным воздействием других факторов миграции химических элементов. Отрицательные коэффициенты корреляции имеют Ni, Си, Cr, Zn, Pb, Ва. Самое высокое отрицательное значение коэффициента корреляции имеет РЬ - 0,243. Можно ожидать слабую взаимосвязь: с увеличением содержания гумуса в почве снизятся за счет процессов сорбции, образования сложных органно-минеральных комплексных соединений, концентрации Pb, Zn, Сг, Ni, Си, Ва. Только Sr и Мп имеют положительные значения коэффициентов корреляции, но они меньше 0,1. Следовательно, зависимость между большим содержанием гумуса в почве и высокими концентрациями Мп и Sr еще слабее.
Тенденция последовательного во всех 3-х интервалах роста концентраций с увеличением содержаний гумуса характерна для Мп. Для Sr наблюдается увеличение концентраций в почвах при возрастании значений содержаний гумуса от 1,24 до 7,04 %. При дальнейшем росте содержаний гумуса от 7,12 до 10,71 % концентрации Sr практически не меняются. Если учитывать ошибку при расчетах с вероятностью 95 %, то они просто перекрываются и оценить их изменения невозможно. Для Сг и Ва определенной тенденции не наблюдается. При содержаниях гумуса от 1,24 до 4,18 % концентрации Сг и Ва возрастают, а при дальнейшем росте содержаний гумуса от 7,12 % их концентрации снижаются. Для Ni, Си, Zn, Pb какие-либо тенденции оценить невозможно, так как их фоновые концентрации, рассчитанные с вероятностью 95 %, с учетом ошибок перекрываются.
Рассмотрим, как влияет содержание гумуса на концентрации тяжелых металлов в конкретном геохимическом ландшафте. Возьмем самые распространенные по площади ландшафты, в которых в масштабе исследований отбиралось наибольшее число проб почв для определения в них содержаний гумуса.
В геохимическом ландшафте № 8 (рис. 2.1 а, б), лиственном лесу с гидрокарбонатно-кальциевым классом водной миграции в почвах, элювиально-трансэлювиальном, распространенном в низко- и среднегорье на карбонатно-терригенных отложениях палеогенового-мелового возраста, содержания гумуса составляют 2,95-10,71 % (табл. 5.13). Разбивание данного предела на два интервала (2,95-6,90 % и 7,01-10,71 %) с приблизительно одинаковым числом проб оказалось достаточным для выявления изменений концентраций металлов в связи с ростом содержаний гумуса. Число существенных отличий фоновых концентраций металлов (с учетом их ошибок, с вероятностью 95 %) при разбивании на большее число интервалов не увеличивается, как было проверено в ходе решения поставленной задачи. При содержаниях гумуса 2,95-6,90 % концентрации Sr выше, в среднем, в 1,5 раза, а Мл и Ва - в 1,1 раза, чем при содержаниях гумуса 7,01-10,71 %. То есть, при росте содержаний гумуса свыше 7 % в почве данного ландшафта снижаются концентрации Sr, Мп и Ва. Для фоновых концентраций в почве ландшафта Ni, Си, Сг, Zn, Pb с заданной вероятностью 95 % существенных отличий при возрастании содержаний гумуса не выявилось.
В геохимическом ландшафте лиственного леса с гидрокарбонатно-кальциевым классом водной миграции в почвах № 9 (рис. 2.1 а, б) содержания гумуса составляют 3,60-9,59 % (табл. 5.14). При содержаниях гумуса 3,60-6,36 % в почвах ландшафта концентрации Мп ниже, в среднем, в 1,1 раза, а Ва и Sr -выше в 1,3 раза, чем при содержаниях гумуса 6,55-9,59 %. Итак, при росте содержаний гумуса в почве данного ландшафта свыше 6,6 % немного увеличивается концентрация Мп и несколько снижаются Ва и Sr. Фоновые концентрации в почве Ni, Си, Cr, Zn, РЬ, рассчитанные с вероятностью 95 %, при возрастании содержаний гумуса практически не изменяются. В геохимическом ландшафте № 14 (рис. 2.1 а, б), лиственном лесу с гидрокарбнатно-кальциевым классом водной миграции в почвах, трансэлювиальном, распространенном в низко- и среднегорье на карбонатно терригенных отложениях палеогенового-мелового возраста, содержания гумуса составляют 1,80-9,64 % (табл. 5.15). При содержаниях гумуса 1,80-6,43 % концентрации Мп ниже, в среднем, в 1,2 раза, а Ва - выше в 1,1 раза, чем при содержаниях гумуса 6,89-9,64 %. То есть, при росте содержаний гумуса в почве немного увеличивается концентрация Мп и несколько снижается - Ва. Для Ni, Си, Cr, Zn, РЬ, Sr при заданной вероятности 95 % существенных отличий их фоновых концентраций при возрастании содержаний гумуса не выявилось.
