Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах 8
1.1 Исследования элементного состава в торфах и торфяных почвах 8
1.2 Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах Западной Сибири 15
Глава 2. Природные условия формирования болот южно-таежной подзоны Западной Сибири 19
2.1 Климат 19
2.2 Геологическое строение 21
2.3 Гидрогеологические и гидрологические условия 26
2.4 Геоморфологические условия 29
2.5 Растительность 31
2.6 Почвенный покров 33
2.7 Болотообразовательный процесс 35
2.8 Районирование болотных систем южно-таежной подзоны Западной Сибири 39
Глава 3. Объекты и методы исследования 42
3.1 Объекты исследования 42
3.2 Методы исследования 49
Глава 4. Содержание химических элементов в торфах южно-таежной подзоны Западной Сибири 53
4.1 Содержание химических элементов в торфах верхового типа 53
4.1.1 Характеристика свойств торфов 53
4.1.2 Содержание химических элементов в торфах 59
4.1.3 Геохимическая характеристика торфов 64
4.1.4 Фоновое и среднее содержание химических элементов в торфах 67
4.2 Содержание химических элементов в торфах низинного типа 71
4.2.1. Характеристика свойств торфов 71
4.2.2 Содержание химических элементов в торфах 76
4.2.3 Геохимическая характеристика торфов 80
4.2.4 Фоновое и среднее содержание химических элементов в торфах 82
4.3 Обсуждение полученных результатов 84
Глава 5. Динамика подвижных химических элементов в торфяных почвах ландшафтного профиля 91
5.1 Характеристика свойств торфяных почв 94
5.2 Содержание валовых химических элементов в торфяных почвах 100
5.3 Динамика подвижных химических элементов в торфяных почвах ландшафтного профиля 103
5.3.1 Погодные условия периодов наблюдений
5.3.2 Динамика подвижных химических элементов в торфяных почвах 105
Выводы 122
Список литературы 124
Приложение 145
- Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах Западной Сибири
- Районирование болотных систем южно-таежной подзоны Западной Сибири
- Фоновое и среднее содержание химических элементов в торфах
- Динамика подвижных химических элементов в торфяных почвах ландшафтного профиля
Введение к работе
За годы исследований накоплен большой фактический материал по содержанию химических элементов в торфах и торфяных почвах (Пичугин
т А.В., 1953; Никонов М.Н., 1955; Лебедев К.К., 1959; Пьявченко Н.И., 1959;
Майская СМ., Дроздова Т.В., 1960; Бериня Д.Ж., 1961, 1963; Методические рекомендации, 1966; Свентиховская А.Н., Тюремнов С.Н., 1967; Трошичева Т.В., 1968; Приемская СВ., 1969, 1970; Крештапова В.Н., 1970, 1974, 1991, 1994, 2003; Бахнов В.К., 1971, 1986, 2004; Глазовская М.А., 1974, 1988; Дубиковский Г.П., Бегинскас Б Л. и др., 1981; Сапрыкин Ф.Я., 1984; Ковалев В.А. , 1985; Ефимов, 1986; Анспок П.И., Лиепинш Ю.Я., 1987; Вашкевич Л.Ф., 1990; Добродеев О.П., 1990; Нечаева EX., 1992; Иванов В.В., 1994;
Щ Сысо А.И., 1996; Ильин В.Б., Сысо А.И., 2001; Крештапова В.Н., Булгаков
Д.С., 2001; Богатырев Л.Г., Ладонин Д.В., Семенюк О.В., 2003; Ruhling А., Tyler С, 1971; Pakarinen P., Tolonen К., 1977; Glooschenko W.A. Capobianco LA., 1978; Bowen H.J.M., 1979; Furr A.K., Schofield C.L. at al., 1979; Livett E.A., Lee J.A., Tallis LH, 1979; Nauke W„ 1980; Percy K.E., 1983; Percy K.E., Borland S.A., 1985; Shotyk W. 1988, 1996; Shotyk W., Nesbitt EW., Fyfe W.S.,
1990; и др.).
Наиболее обстоятельный анализ торфов на содержание в них
химических элементов проведен на Европейской территории. Значительно
слабее изучен элементный состав западносибирских торфов. Результаты
исследований изложены в работах Ф.З. Глебова, Т.Н. Крафта (1969); Н.М.
Рассказова с соавт. (1969,2001); B.C. Архипова с соавт. (1988 а, б, 1989,1990,
1994а, 19946, 1995а, 19956, 1997, 2000); СИ. Смольянинова с соавт. (1990);
В.М. Алтухова (1991); Л.И. Инишевой с соавт.(1991, 1994, 1996, 1997, 1999,
2005); В.К. Бернатониса с соавт. (1996, 1997, 1998, 2002); А.И. Сысо (1996,
2001); Экогеохимия Западной Сибири (1996); Т.Н. Цыбуковой с соавт. (2000);
В.Г. Матухиной (2001); ЕзупенокЕ.Э. (2001, 2003а, 20036); Т.Н. Ефремовой с соавт, (2003); Ezupenok Е.А. (2004) и др. Имеющиеся данные об элементном
составе торфов Западной Сибири содержат сведения о валовых и подвижных элементах, их дифференциации и миграции по площади и глубине торфяной залежи, частично изучены зависимости элементного состава минеральной части торфов с ботаническим составом, степенью разложения, зольностью, составом органического вещества. Получены результаты по содержанию железа и элементов группы железа (Со, Сг) в торфяных залежах в связи с распространением Колпашевского железорудного бассейна. Дана подробная характеристика элементного состава высокозольных пойменных торфов Западной Сибири. Вместе с тем, изучение элементного состава торфов охватывает только часть территории Западной Сибири, что затрудняет понимание закономерностей формирования элементного химического состава торфов региона в целом. Не уделялось внимания распределению элементов в профиле торфяных почв. И совершенно не изучена динамика подвижных элементов в нативных торфяных почвах.
Учитывая, что торфяные почвы в ходе длительного саморазвития активно распространяются в таежных ландшафтах Западной Сибири (заболоченность территории в отдельных районах достигает 80 %), оказывая влияние на геохимию зоны гипергенеза, то изучение содержания химических элементов в торфах, несомненно, является актуальной проблемой.
Цель работы - выявить закономерности содержания, распределения и динамики химических элементов в торфах и торфяных почвах южно-таежной подзоны Западной Сибири
Задачи исследований: Ї Изучить содержание химических элементов и физико-химические
свойства в нормальнозольных репрезентативных торфах и торфяных
почвах.
Выявить связи между свойствами торфов и содержанием в них химических элементов.
Провести геохимическую оценку торфов.
4. Исследовать динамику подвижных химических элементов в профиле торфяных почв.
Научная новизна и практическая значимость работы. Определены региональное фоновое валовое содержание химических элементов, закономерности их распределения и накопления в торфах и торфяных почвах Западной Сибири. Установлены связи между свойствами торфов и содержанием в них химических элементов. Впервые рассмотрено влияние условий торфогенеза на динамику подвижных химических элементов в торфяных почвах.
Практическая значимость работы состоит в диагностике содержания элементов, хозяйственной оценке и рациональном использовании торфяных почв.
Защищаемые положения:
Особенности элементного состава торфов южно-таежной подзоны Западной Сибири определены условиями торфообразования и типом водно-минерального питания.
Содержание и распределение химических элементов в торфах и торфяных почвах зависят от ботанического состава, зольности.
На распределение и динамику подвижных элементов в профиле торфяных почв оказывают влияние гидрологические, геохимические условия территории и положение в ландшафте.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 2002), Международной научно-практической конференции «Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озерно-болотных отложений» (Томск, 2003), Российских школах «Болота и биосфера» (Томск, 2002, 2003, 2004, 2005), на IV Съезде Докучаевского общества почвоведов
(Новосибирск, 2004), 12 Congress IPS (Финляндия, Тампере, 2004), VI Гидрологическом Съезде (Санкт-Петербург, 2004).
ф Структура работы. Диссертация представляет собой рукопись объемом 144
страницы, состоящую из введения, 5 глав, выводов, включает 14 таблиц и 25 рисунков и 5 приложений. В списке литературы 214 отечественных и зарубежных источников.
Работа выполнялась в рамках методических НИР СО РАСХН и частично поддержана грантами РФФИ (01-05-64189а, 04-05-65197а). Автором были проведены полевые работы, аналитические исследования и интерпретация полученных результатов. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему учителю и научному руководителю д.с-х.н., чл. корр РАСХН Л.й. Инишевой, привившей вкус к научной работе, интерес к геохимии торфов. Особую признательность автор выражает д.с-х.н. Б.Н. Золотаревой и д.б.н. Д.Л. Пинскому за помощь в освоении ряда методов исследований (ИФХиБПП РАН, г. Пущино Московской области), д.с-х.н. Л.Р. Мукиной за помощь в проведении исследований, к.х.н. Т.Н. Цыбуковой за ценные советы и консультации. Автор благодарен коллегам по работе за помощь в проведении экспедиционных исследований, сборе полевого материала и постоянную поддержку: Ю.В. Санниковой, М.А. Сергеевой, Е.В. Порохиной, О.Г. Савичевой, М.В. Гостищевой.
*
Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах Западной Сибири
Наиболее обстоятельный анализ торфов на содержание в них химических элементов проведен на Европейской территории. Значительно слабее изучен элементный состав западносибирских торфов. Результаты исследований изложены в работах В.М. Алтухова (1990), B.C. Архипова с соавт. (1988а, 19886, 1990, 1994; 1995, 1997, 1998, 2000), Ф.З. Глебова, Т.Н. Крафта (1969); Л.И. Инишевой с соавт.(1991, 1994, 1996, 1997, 2005); Инишевой Л.И., Цыбуковой Т.Н. (1999,); ВТ. Матухиной, М.В. Поповой (2001), СИ. Смольянинова с соавт. (1990); Т.Н. Цыбуковой с соавт. (2000); А.И. Сысо (1996, 1998, 2001); Экогеохимия ..., (1996); Н.М. Рассказова с соавт. (1969, 2001); ВХ Бернатониса с соавт. (1996, 1997, 1998, 2002) Т.Н. Ефремовой с соавт. (2003).
Несмотря на малое количество работ, активно велись исследования учеными Томского политехнического университета (Бояркина А.П., Васильев Н.В. и др., 1977; Смольянинов СИ., Архипов B.C., Резчиков В.И. и др. 1988а, 19886; Бернатонис В.К. и др., 1990; Архипов В.С, Бернатонис В.К. и др., 1989, 1990, 1994а, 19946, 1995а, 19956, 1997, 2000; Бернатонис В.К., Архипов B.C. и др., 1990; Бернатонис В.К., Архипов B.C., 2001). В этих работах показано валовое содержание элементов в торфах отдельных месторождений Западной Сибири, при этом особое внимание уделяется территории Обь-Иртышского междуречья. Согласно исследованиям выше перечисленных авторов, содержание элементов в торфах сильно варьирует в зависимости от строения и геоморфологических особенностей залегания торфяных месторождений.
Следует отметить, что среди имеющихся работ большое внимание уделяется содержанию и распределению Fe (Архипов B.C., Резчиков НИ. и др., 19886; Архипов B.C., Бернатонис В.К. и др., 19946, 1997) и элементов группы железа (Со и Сг) (Архипов B.C., Бернатонис В.К. и др., 1995а, 2000) в торфах и торфяных почвах в связи с распространением Колпашевского железорудного бассейна на территории Западной Сибири. В связи с этим в торфах и торфяных почвах отмечается повышенное содержание Fe. Характер изменения содержания Fe, Со и Сг по глубине торфяных почв не подчиняется определенным закономерностям и существенно зависит от рада факторов: подстилающих пород, ботанического состава и зольности. B.C. Архипов с соавт. (19946) выделяет несколько типов распределения железа в торфяных почвах. Так, согласно исследованиям автора, верховые, переходные и низинные торфяные почвы с нормальным содержанием и равномерным распределением золы, однородные по ботаническому составу характеризуются равномерным распределением Fe по профилю. Напротив, в торфяных почвах со сложной стратиграфией и непостоянной зольностью торфов, распределение Fe неравномерно и характеризуется наличием максимумов и минимумов. Отмечается резкое уменьшение Fe с глубиной в торфяных почвах, сложенных низинными торфами высокой зольности.
В ряде работ указывается на повышенное содержание Са (Архипов B.C. и др., 1988), постоянным источником которого является распространение в средней части Обь-Иртышского междуречья глинистых отложений повышенной карбонатности: содержание Са в них иногда составляет 7-8, и даже 13-20 % (Научные предпосылки .,., 1977). То же самое можно отметить и в отношении ряда других элементов: Sr, Br, Sc, Mn, Co, Pb. В некоторых работах даются противоречивые данные о содержании Ва в торфах и торфяных почвах. Так, например, согласно исследованиям B.C. Архипова с соавт. (1988), Л.И. Инишевой с соавт. (1992) содержание Ва в торфяных месторождениях Обь-Иртышского междуречья составляет 6,3-6,9 мг/кг. Вместе с тем согласно исследованиям Н.М. Рассказова с соавт. (1969) содержание Ва в торфах Западной Сибири может достигать 1 %.
В некоторых работах рассматривается содержание элементов только в поверхностных слоях торфяных почв с целью их экологической оценки. Отмечается, что наиболее высокие уровни обогащения элементами свойственно торфяным почвам повышенной минерализации. При этом в одних случаях накопление элементов в поверхностных слоях нативных торфяных почв исследователи связывают с наличием окислительно-восстановительного барьера, который образуется за счет диффузного передвижения подвижных элементов при выщелачивании грунта в корнеобитаемый слой, а также за счет привнесения с поверхностно-сточными водами (Архипов B.C., Бернатонис В.К. и др., 1994а, 1995а, 2000). Напротив, согласно исследованиям В.К. Бернатониса с соавт. (1990), Т.Н. Цыбуковой с соавт. (2000); Н.М. Рассказову с соавт. (2001), Л.И. Инишевой с соавт. (2005), повышенное содержание элементов в 0-50 см слое является следствием выпадений аэрозольного и космического происхождения.
Выявлены площадные закономерности в распределении химических элементов в торфяных залежах. Наиболее обогащены ими центральные части залежей, участки разгрузки подземных вод и периодически затапливаемые торфяники. Так, согласно исследованиям B.C. Архипов с соавт (2000) повышенное содержание Fe и Со отмечается на периферийных участках крупных болотных массивов, тогда как центральные участки характеризуются меньшим их накоплением. Подобные закономерности правомерны и для ряда других элементов: Са, Сг, Ва, Sr, Br, Sc, La, Се, Sm, Ей, Hf, Th (Рассказов H.M. и др., 2001).
Большое внимание уделяется изучению торфов и торфяных почв пойменного генезиса. В этом отношении можно выделить работу Л.И. Инишевой с соавт. (1997) в которой подробно рассматриваются высокозольные торфа пойменных торфяных месторождений на территории юго-востока Западной Сибири. Авторами рассчитаны экстремальные и средние содержания элементов, дана их геохимическая характеристика. При этом отмечается, что содержание практически всех элементов в высокозольных торфах на порядок выше, по сравнению с нормальнозольными.
Таким образом, элементный состав торфов достаточно подробно изучен на территории ЕТР. В меньшей степени изучен элементный состав торфов на территории Западной Сибири. Проведенные исследования в основном охватывают отдельные части территории, что затрудняет понимание закономерностей формирования элементного состава торфов территории в целом. Практически не уделялось внимания на распределение элементов в профиле торфяных почв и динамике их подвижных соединений.
Районирование болотных систем южно-таежной подзоны Западной Сибири
Все вышерассмотренные факторы предопределили развитие болотообразовательного процесса на данной территории.
На основании сопоставления результатов палинологических анализов и радиоуглеродных датировок торфяных отложений с результатами изучения их строения и мощности О.Л. Лисе с соавт. (Болотные системы ..., 2001) позволило реконструировать различные типы болотных систем по периодам голоцена.
Самые ранние болота на территории южной тайги датируются бореальным периодом (9500-8000 лет назад). Природная обстановка не была однородной. Фазы холодного влажного и холодного сухого климата чередовались с фазами теплого сухого и теплого влажного климата. Климат был холоднее и суше современного. Среднегодовая температура была— 6,0... -6,6 С. Среднегодовое количество осадков не превышало 400-450 мм (Волкова B.C., Кулькова И.А., 1999). Развитие болот этого периода осуществлялось в условиях слаборасчленного, аккумулятивного и, в меньшей степени, денудационного рельефа, близкого залегания к поверхности грунтовых вод с низкой минерализацией. Сначала заболачивались мелководные предледннковые водоемы, формировались изолированные эвтрофные древесно-травяно-моховые и травяно-моховые болота в ложбинах стока, термокарстовых и суффозионных котловинах и других депрессиях рельефа. В этом периоде образовались и многие ныне погребенные торфяники, в которых линзы сильно спрессованного торфа перекрыты 2-3 метровым слоем минеральных отложений. Болота, датируемые более ранними отрезками голоцена, встречаются реже.
В начале атлавгичеяоото вершэда (8000 - 4500 лег) климатические условия изменились в сторону потепления и увеличения увлажненности. К этому времени относится климатический оптимум голоцена в Сибири в целом. Годовое количество осадков достигало 600-650 мм. Среднегодовые температуры были продолжительными и достигали +1,2...+1,5 С, что на 3,5 ... 5 С превышают современные (Волкова B.C., Кулькова И.А., 1999). С атлантическим оптимумом связывают период наиболее активного развития болотообразовательного процесса, который из локального превратился в локально-региональный. Центры заболачивания первоначально изолированные постепенно сливались между собой и превращались в обширные болотные системы. В этот период интенсивно заболачивались низкие террасы, притеррасные части пойм. Например, возраст 7260+90 лет имеет придонный слой торфа с глубины 5,5-5,7 м одного из притеррасных болот, расположенного в нижнем течении р. Парабель. Заболачивание притеррасных поим происходило в середине атлантического периода. Возраст 5660+-80 лет имеет придонный слой торфа с глубины 4,8-5,0 м, отобранный в центральной части болота Аркадьево, расположенного в притеррасной части поймы р. Оби близ пос. Кожевникове. На низких террасах образовались и многие болота, ныне погребенные под минеральными отложениями. Например, в середине атлантического периода (6120Ш) лет) сформировался погребенный торфяник у пос. Новый Васюган со слоем торфа мощностью 2Д м.
В делом, для южно-таежноЙ подзоны характерно образование болот в основном на месте заболачивающегося леса. Поэтому дно многих болот выстилают сдои низинного древесного, древесно-осокового, древесно-сфагнового и редко переходного торфов высокой степени разложения 40-50 %. Иногда заболачивание начиналось с формирования безлесных биогеоценозов. В растительном покрове болот, сложенных такими биогеоценозами, обычно доминировали эвтрофные виды сфагновых мхов и осок. Большая продолжительность эвтрофной стадии, по сравнению со етзедттгй и севеоной тайги - особенность в тазвитии болот южной тайги, что стегано с капбоиатным ззсолетптем поястилаюптих болот тунгов и грунтовых вод в южной половинє подзоны,
В суббореяльнпм периоде (4500-2500 лет) климат также не оставался постоянным: холодные и влажные фззы чередовались с потеплениями. Болотообразовзтельный процесс, в силу саморазвития болотных систем, стал обтерегнонаяьньтм явлением. В южной тайге значительные плотя пи занимали болотные комплексы мезотпофпого и звтрофного древесно-травяно-мохового типа. В условиях питания бедными грунтовыми водами продолжительность эвтрофттой стадии оставалась небольшой. В таком случае болота вступали в олиготрофиую стадию развития еще в атлатттическом периоде. Эта стадия характеризовалась преимуществом фускум-торфа.
Субатлантипескин период (2500 лет - по настоящее время) отличается значительными и кратковременными колебаниями климата. Наиболее глубокое потеплеіпте приходится на начало субатлантического периода (около 2500 л.п.) В периоды потепления климат приближался к современному. Продолжается процесс тпансевопманни комплексов эвтрофного и мезотрофного типов в комплексы олиготрофного типа. Одновременно болотные комплексы более дренированного сосново-кустарничково-сфагнового типа вытесняются более обводненными комплексами грядово-мочажинного типа. Наиболее выпуклые и хорошо дренированные участки таких болот в настоящее время заняты биогеоценозами сосново-кустарничково-сфагнового типа. Окраины сильно обводнены либо за счет поверхностного стока с центральных выпуклых участков болот, либо за счет делювиального стока с окружающего болота минеральных склонов. Дальнейшее развитие болот сопровождалось формированием плоских вершин с замедленным поверхностным стоком. Ныне они заняты комплексом биогеоценозов грядово-мочажинного типа. В южной тайге по сравнению с подзоной средней тайги количество вторичных озер на болотах резко сокращается. Среди болотных биогеоценозов господствуют биогеоценозы сосново-кустарничково-сфагнового типа. Среднеобводненные комплексы биогеоценозов грядово-мочажинного типа приурочены лишь к плоским центральным участкам болот. С заболачивания леса началось и развитие болот, протянувшихся широкими полосами по плоским междуречьям левых притоков Оби (Чузик, Кента, Парбиг, Бакчар, Икса, Шегарка). По периферии этих болот в условиях сравнительно богатого грунтового питания (за счет карбонатного засоления подстилающих пород) эвтрофная стадия в развитии болот затянулась до настоящего времени. Болота, возникшие на Кеть-Томском междуречье, особенно приуроченные к низким террасам Кети, Тыма, Оби, до настоящего времени находятся в эвтрофной и мезотрофной стадиях разБития. Болота в верховьях бассейна Чулыма и в левобережной части долины Кети продолжают находиться в эвтрофной стадии развития. Болота, образовавшиеся на водораздельных котловинах Кеть-Тымского междуречья, сложены верховыми видами торфа.
Таким образом, болотообразовательный процесс, зародившись в термокарстовых понижениях начала голоцена, уже в атлантическое время вышел из-под контроля общей природной обстановки и превратился в автономно развивающейся экзогенный процесс, оказывающий существенное влияние на формирование ландшафтов в таежной зоне Западной Сибири.
Фоновое и среднее содержание химических элементов в торфах
В отобранных образцах торфов были проведены следующие анализы. Ботанический состав и степень разложения (ГОСТ 28545-89), зольность (ГОСТ 11305-83), обменная кислотность (ГОСТ 11623-89), фракционно-групповой состав по В.В. Пономаревой и ТА. Николаевой (1961).
Содержание химических элементов Са, Sc, Сг, Fe, Со, Br, Sr, Cs, Ва, Hf, La, Се, Sm, Ей, УЪ, Lu, Th, U в верховых и низинных торфах проводилось инструментальным нейтронно-активационным анализом в Институте ядерной физики (НИИЯФ) при Томском политехническом университете. В торфах изучено содержание 18 химических элементов. В процессе обсуждения результатов были исключены элементы, содержание которых не обнаружено в исследуемых пробах или оказались за пределами чувствительности метода (Tb, Na, As, Sn, Ni, Ge, Ag, Au, Sb). Нейтронно-активационный анализ осуществлялся на ядерном реакторе ИРТ - 2000 с использованием гамма-слекгрометра ТА - 512. Пробы сухого измельченного торфа облучались в реакторе потоком нейтронов при его плотности 5x10 нейтр./см -сек. в течение 48 ч. Наведенный у-спектр регистрировался дважды: среднеживущие элементы (Са, Na, La, Au, Br, Sm) определялись через 7-10 суток, долгоживущие (Fe5 Со, Th, Ni, Se, Cr, Sn, Rb, Cs, Ba, Sr, Ag, Hg, Sb, Se, Ce, Eu, Hff - через 20-30. В качестве стандарта применяли эталон СГД-1А. Чувствительность определения отдельных элементов различна: Au, Eu - 10"3 мг/кг; Sb, Sm, Hf, Th - 10"2 мг/кг; Cs, Co, Cr, Ag, Hg, Se, Sc, La, Ce - 10"1 мг/кг; Rb, Ba, Br - 1 мг/кг, Na, Ni, Sn - 10 мг/кг; Sr - 100 мг/кг. Точность определения элементов также различна. С точностью 10-20 % определяются элементы: Fe, Са, Br, Со, Sc, Ge, La, Sm, Sr; менее надежно (с точностью 50-80 %) Na, Ba, Cs, Eu, Th, Hf. С точностью более 80 % Rb, Ni, Ag, Au, Sn, Cr, Hg, Se.
Для определения подвижных химических элементов в торфяных почвах каждой позиции ландшафтного профиля отбирались пробы торфов в мае, июле и сентябре на всю глубину почвенного профиля торфяным буром ТБГ - 1. Пункты отбора закладывались в генетических центрах торфяных почв, на типовых участках с преобладающими видами торфа.
Определение подвижных химических элементов (Ті, V, Cr, Mn, Со, Си, Sr, Ba, Pb) проводили путем экстрагирования элементов ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН 4,8) и их последующим определением в полученном плотном остатке по аттестованной методике количественного атомно-эмиссионного анализа, разработанной, в том числе и для торфов, в лаборатории Томского государственного университета (Методика количественного химического анализа ..., 1993).
Спектральный атомно-эмиссионный анализ осуществлялся на кварцевом спектрографе СТЭ-1 с трехлинзовой системой освещения щели с рабочим диапазоном 200-600 нм. Пробу торфа помещали в кратер угольного электрода (диаметр 4 мм, глубина 4 мм) и анализировали в дуге переменного тока. В качестве источника возбуждения спектров применяется генератор ИВС-29. Регистрацию спектров осуществляют фотографическим путем на фотопластинке ПФС-02 в 2 этапа: при экспозиции в первые 30 сек. при силе тока 10-12 А фотографируется спектр легколетучих элементов; при дальнейшем дожигании пробы при силе тока 18-20 А - спектр элементов средней летучести и труднолетучих элементов. Точность определения 30 %. Надежность получаемых аналитических данных удостоверена аттестационным свидетельством, выданным Сибирским сертификационным центром (свидетельство № 08-48/033).
Макрокомпонентяый состав (Fe, Al, Са, Mg, К, Na) определяли в сухих образцах торфа после мокрого озоления последних смесью HN03 и НСЮ4 (2:1) (Корякин А.В., Грибовская И.Ф., 1979) с последующим атомно-абсорбционным анализом элементов. Кремний определен весовым методом после разложения золы торфов сплавлением с ШгСОз (Аринушкина Е.В., 1970) в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения (г. Пушино Московской области).
На протяжении всех вегетационных периодов раз в декаду на ландшафтном профиле велись наблюдения за уровнем болотных вод, окислительно-восстановительным потенциалом и температурой. Наблюдения за окислительно-восстановительным и температурным режимами проводили по слоям через 50 см до минерального грунта с помощью стационарно заложенных датчиков.
Для оценки концентрации химических элементов в торфах использовали кларки А.П. Виноградова (1957, 1962), А.А. Беуса (1981), А. Кабата-Пендиас и X. Пендиас (1989), HJ.M. Bowen (1966).
При расчете геохимических характеристик для нормального распределения элементов выявлялись следующие основные параметры: среднее арифметическое; ошибка среднего арифметического, кларк концентрации (КК), коэффициент корреляции (г). За фоновое значение принималось среднее значение в ранжированном ряду - медиана. Для выявления однородности заданной выборки проведена статистическая проверка гипотезы о равенстве средних и дисперсий с использованием критериев Стьюдента и Фишера при уровне значимости 5 %. Ряд считается однородным, если вычисленные критерии Стьюдента (Т) и Фишера (F) меньше критического значения (Леонов В.П., 1990). Парные коэффициенты вычисляли в пределах каждого однородного ряда.
Математическая обработка полученных данных осуществлялась с помощью пакета программ STATISTIC А 6.0, EXEL. Графические построения выполнены с помощью пакетов прикладных программ: «Origin 6.0», «SigmaPlot-2001».
Анализ содержания элементов в торфах производили в порядке возрастания атомного ядра элемента согласно периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Представление результатов подобным образом является непротиворечивой и по многим параметрам согласованной гармоничной системой нормативных содержаний химических элементов в природных объектах.
Динамика подвижных химических элементов в торфяных почвах ландшафтного профиля
Помимо кларка в геохимии существует еще один параметр - «фон» или «геохимический фон». Суть его заключается в том, что местное фоновое содержание элемента нормируется по его региональному фону, т.е. делается попытка уйти от нормированных по кларку значений и учесть, по возможности, специфику исследуемого в регионе типа почв, пород и т.д.
Под геохимическим фоном большинством геохимиков понимается наиболее типичные содержания элементов в геохимически однородных средах или: «фон - это среднее содержание химического элемента для данного типа пород в определенном районе» (Добровольский В.В., 1983, с. 31). По определению А.А. Беуса и СВ. Григорян (1975, с. 22) «геохимический фон - статистически оцененные особенности распределения микроэлементов в породах определенного района или участка, свободных от какого-либо влияния эндогенных и экзогенных рудных концентраций» (Беус А.А., Григорян СВ., 1975, с. 22). Согласно Геологическому словарю (1973) геохимический фон - среднее содержание элементов в горных породах определенного типа, занимающих значительные площади, не связанные с конкретными месторождениями. Содержания могут быть как кларковые, так и выше или ниже кларковых. Фон нормальный - величина концентрации изучаемых элементов, достаточная для обоснования геохимической аномалии. Если фон - это рассеянные нормальные, типовые содержания, то аномалия характеризует концентрированные формы нахождения элементов. Отклонения от фона в большую сторону указывают на тенденцию к концентрации элемента, а в меньшую - на усиление его рассеяния.
Фон определяется при помощи статистической обработки большого массива данных, при этом к его определению единого подхода нет. За оценку фонового значения часто принимается среднеарифметическое при нормальном законе распределения и С - максимально правдоподобная оценка среднего при логнормальном (Инструкция ..., 1983; Экогеохимия Западной Сибири, 1996). Например, АЛ. Соловов (1959) к фоновым содержаниям предлагает относить те, которые на гистограммах распределения находятся выше 10-процентного уровня встречаемости. А.А. Беус и С.В Григорян (1975) фоновые определяют с учетом t-критерия Стьюдента и величины вероятности, В.А. Алексеенко и Г.В. Войткевич (1979) предлагают аргументфункции Лапласса. Н.А. Росляков (1981) оценку флуктуации фона проводит с учетом среднеквадратичной случайной погрешности аналитического метода. Однако в большинстве случаев фоновое значение выражается как среднее арифметическое, среднее логарифмов содержаний или как максимально правдоподобная оценка среднего. Но эти характеристики не всегда могут быть адекватными характеристиками фона. Неудобства среднего арифметического как оценки математического ожидания состоит в том, что на него сильно влияют отдельные выдающиеся значения признака. Кроме того, его трудно вычислить, когда много результатов оказываются за порогом чувствительности метода анализа.
По мнению В.В. Добровольского (1998) мода лучше характеризует геохимический фон. Однако выборочная мода может сильно отличаться от моды генеральной совокупности вследствие влияния ошибок анализа, произвольного задания ширины интервала группирования. Этих недостатков лишена медиана - срединное значение в ранжированном вариационном ряду. Она мало зависит от крайних «выскакивающих» значений вариационного ряда; ее можно определить даже если до 25 % проб оказалось «за порогом» чувствительности анализа, она устойчивее средней арифметической в условиях островершинных распределений; она совершенно не зависит от распределения случайной величины, потому что ее положение не изменяется при любых преобразованиях изучаемой величины. Опыт Ю.А. Ткачева и Я.Э, Юдович (1975) показал, что применение медианы удобно в практике геохимических исследований элементов-примесей, содержание которых характеризуется сильнейшей изменчивостью. В этих условиях среднее арифметическое неустойчиво, более корректно среднее геометрическое. Для логнормальных распределений среднее геометрическое совпадает с медианой.
Все эти понятия используются исследователями при характеристике горных пород, почв, минеральных грунтов и т.д. Поэтому при отсутствии понятия «фоновое содержание химических элементов в торфах» нами было решено принять за фоновое значение - медианное значение. Цель этого -получить достоверные, более корректные данные для оценки среднего содержания химических элементов в торфах. Фоновые значения были выбраны из ранжированных вариационных рядов при обработке данных результатов нейтронно-активационцого анализа. Полученные результаты представлены в таблице 6.
Рассчитанные нами средние арифметические значения и медианы для каждого элемента показали, что в некоторых случаях наблюдается совпадение значений этих параметров. Так, если встречаемость элементов Са, Sc, Ва, Th в исследуемых пробах высокая, а коэффициент вариации не выше 100 %, то и средние арифметические и медианные значения для этих элементов совпадают. Однако, в тех случаях когда коэффициент вариации превышает 100 %, средние арифметические и медианы сильно различаются. Данное утверждение справедливо для О, Fe, Со, Br, Sr. Когда встречаемость элемента в пробах менее 50 %, а коэффициент вариации высок ( 100 %), то медиана равна нулю, что характерно, например, для Yb.
Похожие диссертации на Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах южно-таежной подзоны Западной Сибири
