Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Химические элементы в окружающей среде (обзор литературы) 12
1.1 Концентрация химических элементов в окружающей среде и пути их поступления 12
1.2 Экологическое нормирование содержания химических элементов в почвах 37
Глава 2. Эколого-географические условия формирования почвенного покрова 45
Глава 3. Методические основы эколого-геохимических исследований почвенного покрова 60
3.1 Объекты и методы исследований 60
3.2 Методика почвенно-геохимических исследований 65
Глава 4. Агрохимическая характеристика почв 69
Глава 5. Содержание химических элементов в почвах по классам опасности 87
5.1 Элементы первого класса опасности 88
5.1.1 Свинец 88
5.1.2 Ртуть 105
5.1.3 Кадмий 112
5.1.4 Селен 127
5.1.5 Мышьяк 137
5.1.6 Цинк 153
5.2 Элементы второго класса опасности 175
5.2.1 Медь 175
5.2.2 Хром 194
5.2.3 Кобальт 213
5.2.4 Никель 230
5.2.5 Молибден 251 5.2.6 Сурьма 268
5.3 Элементы третьего класса опасности 275
5.3.1 Барий 275
5.3.2 Стронций 290
5.3.3 Марганец 307
5.3.4 Ванадий 314
5.3.5 Вольфрам 328
ГЛАВА 6. Эколого-геохимическая оценка почв по классам опасности 340
6.1 Оценка загрязнения почв химическими элементами первого класса опасности 342
6.2 Оценка загрязнения почв химическими элементами второго класса опасности 348
6.3 Оценка загрязнения почв химическими элементами третьего класса опасности 354
Глава 7. Особенности накопления и запасы редкоземельных элементов в почвах и породах 360
Глава 8. Содержание и запасы щелочных и щелочноземельных элементов в почвах и породах 380
Глава 9. Геохимия радиоактивных элементов то рия и урана 396
Выводы 413
Список литературы
- Экологическое нормирование содержания химических элементов в почвах
- Методика почвенно-геохимических исследований
- Кадмий
- Оценка загрязнения почв химическими элементами второго класса опасности
Введение к работе
Актуальность. В почвах имеются практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева в превышающих норму и субкритических концентрациях, обусловленных множеством природных и антропогенных факторов. Поступающие с внешними и внутренними потоками элементы вовлекаются в геохимический круговорот и становятся составной частью почвенных систем. Почва, как особый компонент биологической среды, не только геохимически аккумулирует элементы, но и выступает как природный буфер, контролирующий их перенос. Элементы поступают в живые организмы по пищевой цепи «материнская порода–почва–растение– животное–человек» и поэтому имеют большое значение в исследованиях в области охраны окружающей среды, рационального природопользования и здравоохранения [Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., 1989; Ильин В.Б., 1981; Ковда В.А., 1985; Черных H.A., 2001; Опекунова М.Г., 2002; Смагин А.В., 2008; Шоба С.А, 2008; Водяницкий Ю.Н., 2010; Колесников С.И., 2010; Савич В.И., 2012; Елисеева Н.В., Зубкова Т.А., 2013; Минкина Т.М., Мотузова Г.В., 2013; Абакумов Е.В., 2015 и др.].
В Республике Башкортостан развита химическая, горнодобывающая, нефтяная, энергетическая промышленности, сельское хозяйство, строительная индустрия, отходы производства которых содержат широкий спектр химических элементов, загрязняющих окружающую среду. В настоящее время в регионе образовалось 805 видов отходов в количестве 47,8 млн. т, в т.ч. первого класса опасности (млн. т) 0,08, второго – 0,16, третьего – 0,26. Основной объем отходов приходится на долю предприятий, осуществляющих добычу и переработку полезных ископаемых, их вклад составляет 87,7% от суммарного количества по республике. Твердые отходы представляют собой техногенные минеральные образования, в которых содержание меди, цинка, кадмия и других элементов вполне сопоставимо с их количеством в рудных залежах. Средневзвешенное содержание меди в отвалах Учалинского горнообогатительного комбината достигает 0,05%, цинка – 0,12%, серы – 2,35%; Буриба-евского горно-обогатительного комбината: меди – 0,47%, цинка – 0,23%, селена, кадмия, теллура, висмута – 0,0028-0,0045%. Интенсивное окисление материалов отвалов под действием воды приводит к увеличению подвижности многих токсичных элементов и их миграции.
Интерес к геохимии почв Башкортостана, особенно к тяжелым металлам/металлоидам усилился в последние годы. Работы Б.М. Миркина [1996], Ф.Х. Хазиева, Ф.Я. Багаутдинова, А.З. Сахабутдиновой [2000], Н.В. Старовой, И.К. Хабирова, И.М. Габбасовой [2003], И.Г. Асылбаева [2004], С.Г. Зинатуллина [2004], С.Р. Баи-мовой [2009], Н.А. Середы [2014]; Я.Т. Суюндукова, И.Н. Семеновой [2014], проведенные в основном в горнорудном регионе Зауралья, Южной, Северной и Северовосточной лесостепи, показали наличие техногенного и природного загрязнения почв многими элементами. До настоящего времени экологическая оценка почв в масштабах Республики Башкортостан не рассматривалась в рамках продовольственной безопасности.
Цель и задачи исследований. Целью исследований явилась оценка геохимического состояния почв Южного Урала в пределах Республики Башкортостан для обеспечения производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Определить содержание токсичных элементов в почвах, выявить закономерности и особенности их распределения в профиле в зависимости от путей поступления, почвообразовательных процессов, ландшафта, степени эродированности почв, принадлежности к экосистеме.
-
Дать эколого-геохимическую оценку почв по суммарному химическому загрязнению элементами первого, второго и третьего классов опасности.
-
Изучить содержание и пути поступления редкоземельных и радиоактивных элементов и их взаимосвязь.
-
Определить содержание и особенности накопления щелочных и щелочноземельных элементов в почвах.
-
Разработать шкалы обеспеченности и загрязненности почв элементами первого, второго, третьего классов опасности, а также - редкоземельными, радиоактивными, щелочными и щелочноземельными.
-
Составить картосхемы обеспеченности и загрязнения почв изучаемыми элементами.
-
Определить геоморфологические районы для производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Научная новизна. Впервые получены данные по геохимическому составу почв и пород различных ландшафтов и экосистем Южного Урала в пределах Республики Башкортостан и проведена оценка их экологического состояния в естественных и антропогенных условиях. Впервые составлена электронная база данных по содержанию элементов первого, второго, третьего классов опасности, редкоземельных, радиоактивных, щелочных и щелочноземельных элементов; разработаны шкалы обеспеченности и уровня загрязнения ими. На этой основе составлены картосхемы. Впервые выявлен факт зависимости содержания и распределения редкоземельных элементов, радиоактивных урана и тория между собой, который подтверждает Шарьяжную теорию геологического разлома Южного Урала.
Теоретическая и практическая значимость. Экспериментальные данные по содержанию и запасам широкого набора химических элементов в почвах региона и выносу их растениями необходимы для диагностики обеспеченности и определения потребности растений. Материалы диссертации будут служить основой долгосрочного и ретроспективного мониторинга геохимического состояния почв. По результатам исследования могут быть разработаны экологические паспорта почв для отдельных геоморфологических районов, что также целесообразно учитывать при определении их рыночной стоимости. По данным экологической оценки и с учетом запасов химических элементов установлены районы и почвы, уровень чистоты которых позволяет производить экологически безопасную сельскохозяйственную продукцию.
Защищаемые положения. 1. Содержание токсичных элементов в почвах, закономерности и особенности их распределения в профиле в зависимости от путей поступления, почвообразовательных процессов, ландшафта, степени эродированно-сти почв, принадлежности к экосистеме. 2. Эколого-геохимическая оценка почв по суммарному химическому загрязнению элементами первого, второго и третьего классов опасности. 3. Содержание, пути поступления и особенности распределения в почвах региона редкоземельных и радиоактивных элементов тория и урана, щелочных и щелочноземельных элементов. 4. Шкалы и картосхемы обеспеченности и загрязненности почв изученными элементами.
Степень достоверности и оригинальности. В работе использованы современные методики сбора и обработки исходных материалов. Исследования, проведенные автором, являются репрезентативными. Достоверность и обоснованность результатов научных работ обеспечена системностью исследовательских процедур и использованием современных способов статистической обработки информации с применением программ Excel 7.0 и STATISTICA for Windows (версия 6.0), проверкой статистических гипотез. Экспериментальные данные соотнесены с результатами исследований других ученых.
Научные исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с научно-исследовательскими программами на 2013-2018 гг., зарегистрированными в ЕГИСУ «Изучение химического состава почв и агроэколо-гическая оценка их по содержанию тяжелых металлов» (рег. № 01201352809).
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международном конгрессе Евроазиатской Федерации общества почвоведов (Сочи, 2015), IV и V съездах Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008); Международных (Уфа, 2002, 2008, 2011, 2013, 2015; Казань, 2003; Москва, 2004; С.-Петербург, 2011; Пущино, 2011; Ростов-на-Дону, 2014), Всероссийских (Уфа, 2003, 2005, 2006, 2007, 2008; Сибай, 2014; Ким, 2015) и региональных (Уфа, 2001, 2003, 2004, 2006) научно-практических конференциях.
Основные положения диссертации опубликованы в 69 научных работах, в том числе 4 монографиях, 4 статьях на иностранном языке, 18 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 516 страницах компьютерного текста, содержит 84 таблицы, 126 рисунков. Список литературы включает 291 наименование, в том числе 52 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту д.б.н., профессору Хабирову И.К., д.б.н., профессору Габбасовой И.М., к.х.н., доценту Нигматуллину Н.Г., к.б.н., Рафикову Б.В., редактору редакционно-издательского отдела университета Николаенко Н.А. Автор признателен главному научному сотруднику Почвенного института им. В.В. Докучаева д. с.-х. н., профессору Булгакову Д.С. за ценные консультации и советы, а также сотрудникам университета за помощь, оказанную на разных этапах выполнения работы.
Экологическое нормирование содержания химических элементов в почвах
Антропогенное загрязнение окружающей среды, в т.ч. почв хорошо описано в работах Ильина В.Б. [1990]; Черных Н.А., Милащенко Н.З., Ладо-нина В.Ф. [2001]; Черных Н.А., Овчаренко М.М. [2002], Добровольского В.В. [2003]; Водяницкого Ю.Н. [2008, 2009, 2010, 2011, 2012]; Мотузовой Г.В. [2007], Безугловой О.С. [2007] Алексеева Ю.В. [2008]; Хазиева Ф.Х. [2012]; Габбасовой И.М. [2004, 2006, 2007, 2013, 2014]; Савичева А.Т. [2000, 2010, 2011, 2012, 2013,2014]; Корчагиной К.В., Смагина А.В., Решетиной Т.В. [2013], Суюндукова Я.Т. [2011, 2012, 2013], Семеновой И.Н. [2011, 2012, 2013, 2014], и др. Основное количество работ посвящено аэральному загрязнению. Наиболее опасные источники локального загрязнения тяжелых металлов – мощные промышленные объекты, не прошедшие реконструкцию. В Европе, где техническая революция началась раньше, чем в России, раньше и произошло загрязнение почв тяжелыми металлами [Водяницкий Ю.Н., 2012]. Начиная со второй половины ХIХ столетия в почвы Западной Европы попало огромное количество металлических поллютантов. К 1996 г. во Франции было выявлено несколько сотен отдельных мест, сильнозагрязненных металлами. В Европе в последние десятилетия многие заводы с устаревшей технологией модернизируются или закрываются. Так, в Морте де Норд (северная Франция) в 1963 г. был ликвидирован завод по выплавке цинка и свинца, работавший с 1906 г. На другом металлургическом заводе в том же районе в 1970 г. установили фильтры, сократившие выброс пыли с нескольких тонн до 300 кг в сутки. Но почвы, за многие годы, вобравшие в себя большое количество поллютантов, требуют изучения и мелиорации [Manceau et al., 1992, 2000]
В России к числу наиболее загрязненных городов относятся Мончегорск, Ревда, Белово, Дальнегорск и др. [Большаков В.А. и др., 1993]. К регионам с неблагоприятным санитарным состоянием за счет загрязнения тяжелыми металлами принадлежит Кольский полуостров [Орлов Д.С.и др., 2002]. Здесь свой вклад в загрязнение вносили предприятия черной и цветной металлургии, энергетики и производства минеральных удобрений.
В настоящее время в России ведутся работы по очистке воздушных выбросов стационарных источников. Заменяется устаревшая пирометаллурги-ческая технология, устанавливаются современные фильтры. Как следствие за последние годы резко снизились аэральные выбросы. Например, если в 1980г. Среднеуральский медеплавильный завод выбрасывал 205 тыс. т., то в 1989 г. – 141 тыс. т., а в 2004 – только 25 тыс. т. [Кайгородова С.Ю. Смирнов Ю.Г., 2007]. За 26 лет аэральные выбросы от Курского аккумуляторного за 19
вода сократились настолько, что количество техногенного никеля уменьшилось в 23 раза, кадмия – в 180 раз [Кайданова О.В., Борисочкина Т.И., 2007]. За счет реконструкции сократились аэральные выбросы комбината Северо-никель [Опекунова М.Г., Елсукова Е.Ю. 2007]. Таким образом, за исключением некоторых объектов, загрязняющих до сих пор почву воздушным путем, площади вокруг многих заводов были загрязнены в прошлые годы. Это касается России и в еще большей мере стран ЕС, США, Канады. Но в азиатских промышленных странах аэральные выбросы по-прежнему остаются высокими: это в полной мере относится к Казахстану [Аханов Ж.У., Томина Т.К., 2004; Панин М.С., 2006] и Китаю [Wang Q., Dong Y., Cui Y., Liu X., 2001]. В восточном Казахстане, в зоне влияния Усть-Каменогорского и Иртышского промышленных центров в таких культурах, как морковь, баклажаны, свекла, картофель, содержание кадмия, меди, цинка превышает ПДК в 5– 10 раз [Панин М.С., 2006].
Высокие концентрации, вызванные отходами предприятий, существенно сказываются на расстоянии до 10-15 км (табл. 1.2). В ослабленной форме, особенно в направлении сильных ветров и водного стока, дальность загрязнения проявляется на расстоянии 30-50 км.
Органические и летучие соединения ртути, селена, теллура, мышьяка, свинца, таллия, палладия, образующиеся в выхлопных газах автомобилей, особо тревожат исследователей в связи с загрязнением воздуха, почв, воды, пищи. В современных городах и индустриальных центрах концентрация этих элементов в воздухе и почвах почти всегда превышает допустимые уровни. Они загрязняют не только близлежащие территории, но и за счет воздушных и водных переносов отрицательно влияют на отдаленные районы.
По данным ежегодного доклада Министерства природных ресурсов Российской Федерации «О состоянии и об охране окружающей среды в Российской Федерации в 2011 году» по Приволжскому федеральному округу наибольшие объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников наблюдается в Оренбургской области – 657,5 тыс.т., далее следует Республика Башкортостан (406,4 тыс.т.), Пермский край 375,1 тыс. т., Самарская область 292,4 тыс. т., Республика Татарстан – 277,8 тыс. т. [Государственный доклад…., 2011]. Количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух на душу населения по Оренбургской области в 2012 году составляло 0,470 т/чел., Пермскому краю – 0,212 т/чел., Удмуртской республике – 0,187 т/чел., Республике Башкортостан – 0,174 т/чел., Республике Татарстан – 0,149 т/чел. Количество выбросов на единицу площади больше всего приходится в Самарской области 105,8 т/тыс. га, Республике Татарстан – 83,9 т/тыс. га, Оренбургской области – 76,6 т/тыс. га, Удмуртской республике – 67,6 т/тыс. га, в Республике Башкортостан составляет 49,5 т/тыс. га [Государственный доклад…., 2012].
В целом с 2009 по 2013 г. по республике происходит увеличение объемов выбросов в окружающую среду от стационарных источников (134,1% к 2009 году). Количество выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух городов республики, в расчете на одного жителя и единицу территории в 2013 году представлено в таблице 1.3.
Методика почвенно-геохимических исследований
Более четверти территории республики занято горными почвами, объединяющимися укороченным профилем, зависимостью от высотной поясности и резким уменьшением содержания и запасов гумуса [Мукатанов А.Х., 1982].
Макро-и микроэлементами, особенно фосфором, почвы региона обеспечены недостаточно. Более половины площади пахотных почв Северной, Северо-восточной и Южной лесостепных зон, Зауральской степи относятся к категории низкого содержания фосфора. Низко содержание и подвижного калия в почвах лесостепных зон. Из микроэлементов низкое содержание подвижного молибдена и цинка характерно для почв на всей территории республики, недостаточно обеспечены марганцем и кобальтом черноземы степной зоны, медью - серые лесные почвы.
На основе идентичности условий почвообразования, относительной близости климатических условий и почв по генезису и свойствам, территория республики подразделена на 18 агропочвенных районов [Тайчинов С.Н., 1972], которые являются территориальной основой для адаптирования к конкретным почвенно-климатическим условиям специализации сельскохозяйственного производства, технологий возделывания сельскохозяйственных культур и организации почвенно-экологического мониторинга.
Гидрографическая сеть. Территория Башкортостана по гидрографическому строению: относится к бассейнам морей: Каспийского (реки Белая, Ик. Буй и Урал – 99,3% и Карского (Миасс и Уй) – 0,7%. Водораздельная линия между бассейнами рек проходит по хребту Урал-Тау.
Гидрографическое строение горной части бассейна главной водной артерии Республики Башкортостан реки Белой характеризуется наличием продольных (меридионального направления) участков рек протекающих по дну реликтовых древних долин, приуроченных к днищам межгорных понижений (Белая, Инзер, Юрюзань и др.) и поперечных участков, где реки перерезают горные хребты. Участки меридионального направления заболочены, имеют широкие поймы (до нескольких километров) и меандрирующее русло. Широтные (поперечные) отрезки долин имеют вид ущелий высотой 100 - 200 м. Русла имеют горный тип со значительными уклонами, стремительным течением и нагромождением валунов [Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Хабиров И.К.,. 1995].
Наивысшая густота речной сети соответствует бассейнам рек, находящимся к западу от Урала (Нугуш, Селеук, Зиган, Зилим, Инзер, Лемеза, Сим и др.), и составляет 0,60 - 0,80 км/км2. Низкой степенью развития (0,25 - 0,35 км/км2) отличается Прибельская равнина, соответствующая лесостепной зоне, куда входят бассейны левых притоков реки Белой (Сюнь, Чермасан, Кармасан, Дема, Уршак). Территория характеризуется широким распространением карстующихся пород и низкой увлажненностью. На Бугульминско-Белебеевской возвышенности, из-за повышения отметок рельефа и увеличения количества осадков, густота речной сети возрастает до 0,30-0,45 км/км2.
Наименьшей степенью развития гидрографической сети отличается Уфимское плато с карстующимися породами (0,2-0,3 км/км2), где русла рек сильно врезаны, покровный чехол четвертичных отложений незначительный или отсутствует. Это способствует перехвату поверхностного стока и формированию сравнительно разреженной гидрографической сети.
Болота на территории Башкортостана сосредоточены в долинах равнинных рек с широкой поймой (Белая, Уфа, Ик, Дема, Быстрый Танып). Большей частью болота евтрофные.
Озера сосредоточены в восточных районах. В Предуральской степи к крупным относятся Асылыкуль, Кандрыкуль и Белое.
Карстовые озера глубиной до 50 м имеют округлую форму и небольшие размеры. Их гидрологический и гидрохимический режим самый разнообразный. Озера Зауралья, за исключением Яктыкуль, неглубокие, хотя относятся к эрозионно-тектоническому типу. Химический состав озер разнообразный [Абдрахманов Р.Ф. и др., 2002]. К наиболее крупным водохранилищам на территории республики относятся: Павловское (на реке Уфа площадью 1410000 тыс. м3), Юмагузинское (на реке Белой – 600000 тыс. м3), Нугушское (на реке Нугуш 400000 тыс. м3) и Кармановское (на реке Буй – 134000 тыс.м3).
Режим рек равнинно-возвышенного Предуралья (Кармасан, Чермасан, Уршак, База, Ик, Сюнь, Усень, Дема и др.) характеризуется прохождением весеннего половодья в одном пике с продолжительностью от 35 до 50 дней. На реках горно-лесной зоны (Инзер, Лемеза, Юрюзань, Ай, Зилим и др.) половодье растягивается на 50 - 65 дней и имеет несколько пиков.
Короткое половодье на реках Предуралья объясняется небольшими запасами воды в снеге, низкой залесенностью водосборов, запыленностью снежного покрова и высокими температурами воздуха весной, которые способствуют активному таянию снега, быстрому подъему и спаду расходов и уровней воды.
В горно-лесной зоне большой запас воды в снеге, залесенность, сложный рельеф водосборов приводят к затяжной весне с возвратами холодов, которые с выпадением дождей на спаде половодья формируют сток воды половодья в несколько пиков.
Сильная расчлененность рельефа Южного Урала обуславливает пестроту климатических характеристик и, как следствие, характеристику стока воды. Особенно это заметно на меридионально-расположенных участках долин рек Белой и Инзера, где из-за подветренного расположения осадков выпадает на 100-200 мм меньше. Несмотря на большую высоту водосборов, здесь средний годовой сток на 20-30% меньше, чем на западно- ориентированных бассейнах рек Лемеза, Сим, Зилим, среднего течения реки Инзер и др.
Повышенное Уфимское плато перехватывает часть западных и северозападных влагонесущих воздушных потоков, вследствие этого сток рек Тюй, Сарс, Бирь возрастает до 200-240 мм в год, а на северо-восточной лесостепи снижается до 180-190мм. Мутность является характеристикой эрозионной активности водосбора реки. Наивысшие значения соответствуют распаханным водосборам с овражной эрозией. Наибольшие значения соответствуют фазе подъема половодья, когда речной сток формируется за счет стока поверхностных вод, стекающих по еще промерзлой земле. На пике и на спаде половодья мутность уменьшается, т. к. начинает возрастать доля грунтового питания. Самая низкая мутность воды в период зимней межени, когда питание рек формируется только за счет грунтовых вод.
Минеральный состав речных вод увеличивается к востоку и западу от горно-лесной зоны Урала. В районах недостаточного увлажнения (степи и лесостепи), где почвы и грунты характеризуются меньшей степенью промы-тости, а также содержат гипсы и ангидриты (Дема, Чермасан, Кармасан, Ур-шак), минерализация достигает 1000-2000 мг/л в период межени. Особенно высока минерализация речных вод в зимнюю межень, когда сток реки формируется исключительно за счет грунтового питания.
Наименьшей минерализацией (30-150 мг/л) отличаются воды горнолесной зоны территории вследствие хорошего увлажнения и отмытости почв и грунтов от легкорастворимых соединений. Наиболее распространены гидрокарбонатные воды с преобладанием ионов НС03.
Кадмий
На Камско-Бельском равнинно-увалистом понижении исследования велись на 7 стационарных участках (рис. 3.1): 1. Стационар Стерлитамак. Разр. Р. 1Ст-2014, чернозем выщелоченный, пашня (яровая пшеница); разр. Р. 2Ст-2014, лугово-черноземная мощная выщелоченная, старовыраженная ложбина, лес (ива, калина); Р. 3Ст-2014, чернозем выщелоченный, луг (злаковые, разнотравье). 2. Стационар Салават. Разр. Р. 4Сл-2014, лугово-черноземная солонцеватая, лес (береза, ольха, рябина, ясень, осина); разр. Р. 5Сл-2014, лугово-черноземная солонцеватая, луг; разр. Р. 6Сл-2014, лугово-черноземная солонцеватая, пашня (озимая пшеница). 3. Стационар Мелеуз. Разр. Р. 7М-2014, чернозем типичный, лесопосадка (береза); разр. Р. 8М-2014, чернозем типичный, пашня (яровая пшеница); разр. Р. 9М-2014, чернозем типичный, сенокос (разнотравье). 4. Стационар Красноусольск. Разр. Р. 13-2014, чернозем выщелоченный, пашня (эспарцет песчаный); разр. Р. 14-2014, чернозем выщелоченный, луг (разнотравье); разр. Р. 15-2014, чернозем выщелоченный, лесопосадка (береза). 5. Стационар Мелеузовский минеральный завод. Разр. Р. 16-2014, чернозем выщелоченный, пашня (яровая пшеница); разр. Р. 17-2014, чернозем выщелоченный, лесополоса (клен); разр. Р. 18-2014, чернозем выщелоченный, луг (разнотравье). 6. Стационар Кавказ-Чекмагуш. Разр. Р. 92-2011, чернозем типичный неэродированный, пашня; разр. Р. 91-2011, чернозем типичный слабоэродированный, пашня; разр. Р. 90-2011, чернозем типичный среднеэродированный, пашня; разр. Р. 89-2011, чернозем типичный сильноэродированный, пашня; разр. Р. 93-2011, чернозем типичный неэродированный, целина; 7. Стационар Бирск. Разр. Р. 1-2002, темно-серая лесная, пашня (пряные культуры).
На низкогорьях восточных склонов на 3 стационарных участках (рис. 3.1): 1.Стационар Бурибаевский ГОК. Разр. Р. 1-2004, чернозем обыкновенный, луг; разр. Р. 4-2004, чернозем обыкновенный, пашня; 2. Стационар Красная Башкирия. Разр. Р. 183-2013, чернозем выщелоченный, пашня; разр. Р. 184-2013, чернозем выщелоченный, пашня; разр. Р. 185-2013, чернозем выщелоченный, пашня; 3. Стационар Куль-Юрт-Тау. Разр. Р. 5-2004, чернозем выщелоченный, карьер, редколесье; разр. Р. 6-2004, чернозем выщелоченный, луг.
На Зилаирском плато на 3 стационарных участках (рис. 3.1): 1. Стационар Бердяш. Разр. Р. 21-2014, лугово-черноземная оподзоленная, луг (разнотравье); разр. Р. 22-2014, темно-серая лесная, лес (дуб, береза, осина). 2. Стационар Юлдыбаево. Разр. Р. 23-2014, темно-серая лесная, луг (разнотравье); разр. Р. 24-2014, серая лесная, пашня (яровая пшеница); разр. Р. 25-2014, лугово-черноземная солонцеватая, лес (береза, осина). 3. Стационар Абзано-во. Разр. Р. 19-2014, горная темно-серая лесная неполноразвитая, лес (сосна); разр. Р. 20-2014, горная темно-серая лесная неполноразвитая, залежь.
Всего заложено 77 почвенных разрезов, в т. ч. в Уфимском плато – 7, Юрюзано-Айской предгорной равнине – 17, Зауральском пенеплене – 6, Бе-лебеевской платообразной возвышенности – 12, Камско-Бельском равнинно-увалистом понижении – 21, низкогорьях восточных склонов Южного Урала – 7, Зилаирском плато – 7.
Морфологические свойства почв по районам исследований приведены в приложении. 3.2. Методика почвенно-геохимических исследований
Экспериментальная работа проводилась на основе сравнительно-географических маршрутных и обзорно-площадных экспедиционных исследований позволяющих учитывать закономерности формирования почвенного покрова в ландшафтах. Координаты и высотные отметки определяли с помощью GPS навигатора. Образцы для анализа отбирали из каждого генетического горизонта почвенного профиля в 1999-2014 гг. Всего заложено 77 полнопрофильных почвенных разрезов, в т.ч. в Уфимском плато – 7, Юрюза-но-Айской предгорной равнине – 17, Зауральском пенеплене – 6, Белебеев-ской платообразной возвышенности – 12, Камско-Бельском равнинно-увалистом понижении – 21, Низкогорьях восточных склонов Южного Урала – 7, Зилаирском плато – 7.
Для определения элементов использовали 217 почвенных образцов. Генетические горизонты выделяли визуально и ориентировочно по мощности, отбирали пробы массой около 300 г, и после высушивания и просеивания через сита проводили лабораторный анализ.
Для оценки элементного состава первого (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, селен, цинк) второго (сурьма, молибден, медь, кобальт, никель, хром) и третьего классов опасности (вольфрам, барий, стронций, марганец и ванадий), щелочных (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), щелочноземельных (бериллий, магний, кальций), редкоземельных (церий, празеодим, неодим, самарий, европий, скандий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, иттрий и лантан) и радиоактивных элементов (торий, уран) в почвах и породах применяли метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой – ICP-MS на масс-спектрометре марки VG Plasma Quad и Elan-6100 в стандартных условиях изменения с использованием импортных эталонных образцов. Определение концентрации элементов методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP -МС) ос 66
новано на следующем: анализируемый раствор распыляется и с потоком аргона попадает в высокотемпературную плазму, где происходит ионизация большинства атомов. Часть образовавшихся в плазме ионов попадает в вакуумную камеру, в которой происходит их ускорение и фокусировка с помощью ионных линз. Далее ионный пучок попадает в неоднородное электромагнитное поле квадруполя, где происходит пространственное разделение ионов по массам. При сканировании электромагнитного поля квадруполя на ионный детектор последовательно попадают ионы определенной массы и регистрируются с помощью электроизмерительных устройств. Полученные сигналы, пропорциональные содержанию тех или иных ионов в плазме, обрабатываются с помощью компьютерной системы, и результаты анализов распечатываются принтером. Подготовку образцов проводили в соответствии с аттестованными методиками [ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98. Количественный химический анализ почв. 2005]. Для градуировки прибора используются стандартные растворы, содержащие набор соответствующих элементов. Погрешность определения элементов на уровне единиц и сотых долей составляет не более 15 %. Определение физико-химических, физических, морфологических свойств почв проводили общепринятыми методами [Аринушкина Е.В., 1970; Агрохимические методы исследования почв, 1975]. Содержание гумуса исследовали методом И.В. Тюрина со спектрометрическим окончанием.
Для общей характеристики почв по концентрации элементов определяли содержание их в профиле почвы и подсчитывали как средневзвешенное количество металла, включая гор. В (до гор. С) с использованием методов применяемых в работах Ю.Н.Водяницкого [2014]. Варьирование по типам и подтипам почв определяли статистическим методом, поскольку каждый анализ проводили в трех повторностях.
Оценку экологической обстановки районов по степени суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами проводили по формуле Саета: Zc= SKci- (n - 1)„ где n-число анализируемых элементов; КС-коэффициент кон 67 центрации i-го элемента, KCi=Ci/CФi [Мотузова Г.В., Безуглова О.С., 2007]. Фоновые значения определяли по минимальной величине или среднему значению из нескольких минимальных для каждого района исследований. Роль отдельных элементов в пределах своего класса токсичности определяли по отношению к фоновым показателям.
Оценка загрязнения почв химическими элементами второго класса опасности
В морфологическом строении почв выделяется лесная подстилка и дернина, более развитая в дерновых почвах, гумусово-аккумулятивный горизонт небольшой мощности, постепенно переходящий в почвообразующую породу. Иллювиальный горизонт, как правило, не выражен и полностью не сформирован. Дерновые литогенные почвы в связи с развитым травяным по кровом и небольшой мощностью профиля содержат относительно большее количество гумуса и поглощенного кальция, чем темно-серые лесные почвы и имеют средне и сильнокислую реакцию среды.
Развитие горнодобывающей промышленности повлекло за собой нарушение почвенного покрова на значительной территории региона и формирование специфических техногенно-нарушенных почв. Эти почвы не дифференцированы по генетическим горизонтам, перемешаны с щебенкой и обломочным материалом коренных пород. Заселение таких участков естественной растительностью затруднено. Содержание органического вещества в верхних горизонтах изменяется в широком диапазоне – от высоких значений до крайне низких, кислотность определяется характером вмещающих пород.
Почвенный покров на стационарах Белебеевской платообразной возвышенности представлен преимущественно черноземами типичными и типично-карбонатными (Chernic Chernozems), и в меньшей степени серыми (Albic Luvisols) и темно-серыми лесными почвами (Greyi-Luvic Phaeozems). Почвообразующими породами в основном являются делювиальные карбонатные глины, тяжелые и легкие суглинки и элювий известняков.
Черноземы типичные в большинстве своем среднемощные. Морфологическими особенностями являются интенсивная темно-серая окраска гумусового горизонта, хорошая комковато-зернистая структура, рыхлое сложение, повышенный уровень вскипания от HCl. Содержание гумуса изменяется в широком диапазоне от 4,7 до 12,8%, целинные почвы обычно высокогу-мусные, а пахотные среднегумусные. Гранулометрический состав среднесу-глинистый, иногда тяжелосуглинистый. Реакция среды близка к нейтральной или слабощелочная при наличии свободных карбонатов (табл.4.4). Почвы насыщены основаниями, в составе которых преобладает кальций. Эти свой 75 ства определяют высокую поглотительную способность и буферность черноземов типичных, т.е. высокую экологическую устойчивость.
В 49-56 см 7,58 6,83 54 41 13 3,28 ВС 56-80 см 7,81 7,08 46 35 11 1,56 Серые и темно-серые лесные почвы характеризуются меньшей мощностью перегнойно-аккумулятивного горизонта, серой и темно-серой окраской, комковато-мелкозернистой структурой, наличием выраженного уплотненного иллювиального горизонта. Содержание гумуса в серой лесной почве составляет 4,1%, а в темно-серой 7,9%, с глубиной гумусированность обеих почв резко снижается. Верхние горизонты характеризуются слабокислой реакцией среды, которая к низу профиля достигает нейтральной. Формирование этих почв на элювии карбонатных пород обусловило значительное содержание поглощенных оснований в составе почвенно-поглощающего комплекса.
Особенности природных условий Камско-Бельского равнинно-увалистого понижения обусловили специфику структуры почвенного покрова на ее территории. Господствующим типом среди почв является чернозем (табл. 4.5). Подтиповыми представителями являются черноземы выщелоченные (Luvic Chernozems) и типичные (Haplic Chernozems). Центральные поймы многих рек (Белая, Уршак, Дема, Чермасан, Ашкадар, Стерля) на территории геоморфологического района, особенно их высотные ступени, почти не подвергаются влиянию аллювиальных процессов и здесь зональные факторы почвообразования приобретают решающее значение. Остепенение луговых почв, залегающих на карбонатных породах, привело к образованию лугово-черноземных почв (Gleyic Chernozems).
Размещение подтипов чернозема определяется геологическими и геоморфологическими особенностями, элементами рельефа, характером растительности и эволюцией отдельных локальных ландшафтов. Специфика водно-термического режима, значительное участие в почвенном покрове эрози-онно-опасных компонентов, высокая распаханность и давность земледельче 78 ского освоения привели к нарушению экологического равновесия и обусловили процессы эрозии, которым в той или иной мере подвержены все подтипы черноземов.
Наибольшее распространение эродированные почвы получили на грани це с Белебеевской платообразной возвышенностью, где кроме явлений водного смыва широко развита и дефляция почв. Основными почвообразующи-ми породами являются отложения в виде делювиальных, элювиальных и элювио-делювиальных образований. Морфологическими особенностями являются интенсивная темно-серая окраска гумусового горизонта, комковато-зернистая структура, тяжелосуглинистый гранулометрический состав и пониженный уровень горизонта вскипания. Черноземы среднемощные и мощные, с содержанием гумуса 5,2-7,7%, реакция среды изменяется от слабокислой до нейтральной. Почвы насыщены основаниями, в составе преобладает кальций.
Лугово-черноземные почвы отличаются более рыхлым сложением, менее прочной зернисто-комковатой и зернистой структурой. Содержание гумуса изменяется в широком диапазоне от 4,3 до 7,3 %, в профиле гумусирован-ность снижается плавно.
В почвенном покрове Зилаирского плато представлены серые (Albic Lu-visols), темно-серые лесные (Luvic Greyzemic Phaeozems), горные темно-серые лесные (Umbrisols), и лугово-черноземные почвы (Gleyic Chernozems). Эти почвы формировались на коренных породах – доломитах, глинистых сланцах и песчаниках. Мощность гумусовых горизонтов темно-серых и серые лесных почв А+АВ составляет 38-54 см, они характеризуются небольшими запасами гумуса, содержание которых уменьшается с глубиной, невысокой суммой поглощенных оснований, что обусловливает кислую реакцию среды (табл.4.6).
Лугово-черноземные почвы отличаются более большей мощностью гумусового горизонта, высоким содержанием обменных оснований. В гумусовом горизонте сумма поглощенных оснований составляет 57-65 мг.экв., иллювиальном около 47 мг.экв., и почвообразующей породе 40-54 мг.-экв. В составе поглощенных оснований кальция больше магния в 2-3 раза. Содержание гумуса в профиле почвы уменьшается с глубиной. В почвах рН солевой вытяжки изменяется от 5,3 до 7,3, с глубиной из слабокислой переходит в слабощелочную (табл.4.6).
Горные темно-серые лесные почвы отличаются меньшей мощностью гумусового горизонта, защебненностью, близкой к нейтральной реакцией среды. По гранулометрическому составу тяжелосуглинистые. Для этих почв характерно относительно высокое содержание гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте и резкое снижение его по профилю.