Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие закономерности распространения и поведения тяжёлых металлов 14
1.1. Основные закономерности содержания тяжёлых металлов в магматических, осадочных и почвообразующих породах 14
1.2. Закономерности содержания и поведения тяжёлых металлов в почвах
1.3. Индивидуальные особенности содержания и поведения тяжёлых металлов 29
1.4. Антропогенное воздействие на содержание и поведение тяжёлых металлов в почвах 60
Глава 2. Объекты исследования и природные условия северо-востока европейской части России 70
2.1. Объекты и методы исследования 70
2.2. Природные условия 72
2.2.1. Географическое положение и рельеф 72
2.2.2. Климат 76
2.2.3. Растительность 80
2.2.4. Геологическое строение, почвообразующие породы и почвы 83
Глава 3. Особенности содержания тяжёлых металлов в почвообразующих породах северо-востока европейской части России 93
Глава 4. Содержание и поведение тяжёлых металлов в почвах фоновых территорий северо-востока европейской части России
4.1. Марганец
4.2. Медь 128
4.3. Цинк 143
4.4. Кадмий 156
4.5. Свинец 170
4.6. Хром 183
4.7. Молибден 197
4.8. Никель 209
4.9. Железо 221
Глава 5. Антропогенное влияние на содержание и поведение тяжёлых металлов в почвах 233
5.1. Техногенное загрязнение 233
5.2. Влияние автотранспорта на загрязнение прилегающих территорий
Заключение 264
Выводы 267
Список литературы 270
Приложения 317
- Закономерности содержания и поведения тяжёлых металлов в почвах
- Географическое положение и рельеф
- Особенности содержания тяжёлых металлов в почвообразующих породах северо-востока европейской части России
- Влияние автотранспорта на загрязнение прилегающих территорий
Введение к работе
По мере развития биологической науки раскрываются всё более тонкие и важные связи между человеком и средой его обитания. Мы неразрывно связаны с окружающим миром, природой и игнорирование этих связей ведёт к болезням и деградации вида Homo sapiens. Питательные вещества и энергию человек получает с пищей. С пищей потребляется и множество других важных для жизнедеятельности веществ: микроэлементов, витаминов, биологически активных веществ и т.п. При их ничтожном количестве в организме они играют ведущую роль в обмене веществ, росте и развитии. Необходимость микроэлементов в жизнедеятельности организмов определяется тем, что они участвуют в таких важнейших биохимических процессах, как дыхание (Мп, Со, Си, Zn), фотосинтез (Мп, Си), синтез белков (Mn, Со, Си, Ni, Сг), кроветворение (Со, Си, Mn, Zn), белковый, углеводный и жировой обмены (Со, Mo, Мп, Zn, W, V, В) и другие. Они входят в состав ферментов и гормонов, регулирующих биохимические процессы в организмах. Основными источниками микроэлементов для животных и человека являются растения. Но и они не сами синтезируют их, а получают из субстрата, на котором произрастают - из почвы. Следовательно, почва является основным источником микроэлементов в пищевых цепях. Поэтому изучение содержания и поведения микроэлементов, и в частности тяжёлых металлов (ТМ) в почвах, является важным и актуальным направлением современной почвенной науки.
Понятие "тяжёлые металлы" в большой мере условно. В эту группу элементов объединяют элементы-металлы с атомной массой более 50 единиц (Алексеев Ю.В., 1987; Орлов, Д.С., Безуглова О.С., 2000). Данные элементы можно назвать и микроэлементами, поскольку они содержатся в почвах в микро количествах (кроме Fe). Как правило, термин "тяжёлые металлы" применяют к токсичным элементам, а термин "микроэлементы - к элементам биофилам. Однако такое разделение также условно и не чётко. И микроэле-
менты могут быть токсичны, если присутствуют в значительных концентрациях. Поэтому в своей работе мы используем оба термина, до определённой степени отождествляя их. Железо не является микроэлементом для почвы, но относится к группе тяжёлых металлов. Микроэлементом этот металл является для растений. Поэтому, на наш взгляд, рассмотрение его валового содержания и содержания подвижных соединений в данной работе логично и оправдано.
В сложившихся социально-экономических условиях наблюдается устойчивая тенденция усиления загрязнения природной среды и ослабления контроля за этим процессом. К числу наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха, почвы, воды, растительности, а в дальнейшем - животных и человека, относятся тяжелые металлы — распространенные компоненты выбросов многих предприятий разных отраслей промышленности и транспорта. Современное экологическое состояние территории России можно определить как критическое, а в некоторых регионах оно приобрело характер экологического бедствия. Кировская область, расположенная на Северо-Востоке европейской части России, по доле сельскохозяйственных угодий с превышением ПДК по тяжелым металлам входит в первый десяток субъектов Российской Федерации (Государственный доклад о состоянии..., 1996). Значителен объем антропогенного поступления в окружающую среду области наиболее токсичных металлов - свинца и кадмия, составляющий по оценке Н.А. Буркова (1996), 451,64 т и 4,05 т соответственно. Однако охране окружающей среды не всегда уделялось достаточное внимание. Многие промышленные и военные объекты, а также окружающие их территории были просто закрыты для обследования, хотя на этих территориях проживает значительная часть населения и ведётся сельское хозяйство. Сложная экономическая ситуация не позволяет промышленным предприятиям уделять должное внимание проблемам охраны окружающей среды. В результате усиливается отрицательное воздействие целого комплекса антропогенных факторов на
все звенья экосистемы. Появилась насущная необходимость в глубоком изучении химических соединений, накопление которых в природной среде в высоких концентрациях связано с антропогенной деятельностью.
Изучение вопроса содержания и поведения микроэлементов-металлов в почвах ведётся давно. Но на Северо-Востоке европейской части России такие исследования весьма немногочисленны, разрозненны, страдают отсутствием комплексного подхода к проблеме. Отдельные данные о содержании тяжёлых металлов в пахотных почвах региона присутствуют в работах В.Н. Лу-коянова (1973), В.В. Тюлина (1976), А.И. Калинина (1989; 1994), Н.Г. Сурова (1995) A.M. Прокашева (1999), И.Г. Юлушева (1999) и немногих других. Однако не всегда можно уверенно ориентироваться в этих данных, поскольку зачастую они получены разными методами. Источники поступления и процессы миграции элементов недостаточно изучены и поэтому непредсказуемы. На фоновое содержание микроэлементов в почвах существенно влияют конкретные геохимические особенности территорий, состав и происхождение почвообразующих пород. Эти вопросы слабо исследованы для территории региона и чрезвычайно актуальны.
Организмы весьма требовательны не только к определенной концентрации микроэлементов в среде, но и сильно реагируют на их соотношение и формы соединений. Для нормального развития организма необходимы оптимальные условия среды. Избыточное или недостаточное содержание того или иного микроэлемента приводит к нарушению сбалансированного поступления в организм других элементов питания, понижает или повышает их усвояемость из-за нарушения соотношения в среде (Bergmann W., Cumakov А., 1977; Foy CD. et al., 1978; Даутов Р.К.и др., 1979; Nambiar К.К.М., Motira-mani D.P., 1981). С практической точки зрения наибольший интерес представляют подвижные формы микроэлементов, как наиболее доступные для организмов.
В ходе эволюции растения выработали систему приспособлений к естественным концентрациям химических элементов в среде. Однако интенсивное развитие промышленности, применение удобрений и ядохимикатов резко усиливают гетерогенность химического состава почвы с дефицитом одних и избытком других элементов. В литературе описаны многочисленные факты загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в результате рассеивания промышленных выбросов через атмосферу или в виде отходов (шлаков, шламов) и загрязненных промышленных юд. Это ведет к активному поступлению в почву и увеличению количества металлов в растениях по сравнению с их уровнем в условиях экологически оптимальной среды (Gough L. Et al., 1979; Kabata-Pendias A., PendiasH., 1979).
Длительное применение минеральных удобрений также приводит к накоплению металлов в почве (Лепнева О.М, Обухов A.M., 1990). Для кадмия, никеля, хрома складывается положительный баланс, который возрастает с увеличением доз удобрений и степени окультуренности почв. Поступление кадмия в почву 2 раза больше выноса его культурными растениями, никеля - в 4-5 раз. Это тем более опасно, что при постоянном увеличении в последние годы площадей кислых пахотных почв, повышается подвижность большинства микроэлементов-металлов в них. Например, по данным агрохимической службы 73 % пашни Кировской области характеризуются повышенной кислотностью. Это ведет к превышению предельно допустимых концентраций металлов (ПДК) в почве и растениях.
Почва может служить мощным аккумулятором ТМ. Наибольшую опасность эти элементы представляют для человека, находящегося на вершине цепи питания. Почва обеспечивает человека продуктами питания и при загрязнении становится вторичным источником загрязнения приземного воздуха, природных вод и растениеводческой продукции (Verloo М. et al., 1982). По имеющимся данным в растениеводческой продукции некоторых регионов концентрация кадмия, никеля, свинца и хрома уже выше их ПДК (Цинк и кадмий в окружающей ере-
де, 1992). Последнее особенно опасно, поскольку считается, что около 70% ксенобиотиков поступает в организм человека с пищей (Андреева И.В. и др. 2001).
Поэтому, основная цель данной работы заключалась в определении фонового содержания и поведения тяжёлых металлов в основных типах почв и почвообразующих породах Северо-Востока европейской части России, как критерия антропогенного воздействия, а также в изучении степени загрязнения почв тяжелыми металлами.
Задачами исследования являлись:
определение фонового содержания ТМ в основных типах почв;
изучение профильного распределения ТМ;
3) изучение зависимости содержания ТМ от физико-химических свойств
почв;
изучение сезонной динамики содержания подвижных соединений ТМ в целинных и пахотных подзолистых и дерново-подзолистых почвах;
определение уровня загрязнённости почв тяжёлыми металлами;
оценка вклада промышленности и автотранспорта в загрязнение территории.
Научные положения, выносимые на защиту:
Участие осадочных пород палеозоя в формировании почвообразующих пород и почв Северо-Востока европейской части России определяет повышенное содержание в них ТМ по сравнению с западными регионами России.
Уровень содержания подвижных фракций ТМ, выделяемых ацетат-аммонийным буферным раствором с рН 4,8, не зависит от их валового содержания.
Для валового содержания Mn, Си, Zn, Pb, Cr, Mo, Ni, Fe характерно био-генно-аккумулятивное распределение (кроме Fe) и элювиально-иллювиальная дифференциация в профилях почв. Профильное распределение подвижных соединений элементов обладает менее чёткими закономерностями, чем распределение валового содержания. Для подвижных соедине-
ний биогенно-аккумулятивное накопление характерно для Мп, Си, Zn, Cd, Cr, Fe, а элювиально-иллювиальная дифференциация - только для Мп, Си, Cr,Ni.
Содержание подвижных соединений ТМ подвержено значительной пространственной и временной вариабельности, обусловленной погодными, биотическими и антропогенными воздействиями. Максимальная подвижность элементов отмечается в первой половине вегетационного сезона. Она обусловлена низким окислительно-восстановительным потенциалом из-за высокой влажности почвы в этот период, и значительным содержанием лабильного органического вещества, повышающим подвижность ТМ. Минимальные количества Мп, Си, РЬ и Сг приходятся на конец сезона, Zn - на середину или конец сезона, Cd, Mo и Ni - на середину сезона. Отсутствие закономерностей характерно для железа, способного легко менять степень подвижности в зависимости от почвенных условий.
Окультуривание пахотных почв и внесение удобрений способствуют снижению общего уровня содержания подвижных соединений Си, Pb, Zn, Mo в течение вегетационного сезона в результате их выноса с урожаем сельскохозяйственных культур, а также за счет снижения кислотности и изменения качественного состава органического вещества. Данные факторы не влияют на подвижность Ni, Сг, Мп и Fe. С увеличением доз удобрений возрастает подвижность Cd.
В целом почвы Северо-Востока европейской части России характеризуются низким содержанием подвижных соединений ТМ в органогенных горизонтах и уровнями накопления их в растениях. Наибольшую опасность с точки зрения загрязнения почв и растений свинцом, медью, никелем, хромом, кадмием представляют территории, прилегающие к крупным городам, промышленным объектам и автомагистралям, а также почвы аккумулятивных ландшафтов.
Научная новизна. Впервые для основных типов почвообразующих пород и почв Северо-Востока европейской части России приведены данные фонового содержания валовых и подвижных соединений Си, Ni, Zn, Cd, Pb, Mo, Cr, Mn, Fe, дана оценка их содержания в почвах с различной степенью антропогенной нагрузки. Выявлено повышенное содержание в почвообразующих породах региона Си, Ni, Zn, Cr, Mn, Fe, а в почвах Си, Zn, Cd, Cr, no сравнению с остальной частью таёжной зоны европейской части России. Доказано, что биогенно-аккумулятивное распределение и элювиально-иллювиальная дифференциация почвенных профилей характерны для валового содержания ТМ. Для подвижных соединений металлов эти закономерности часто нарушены, вследствие высокой пространственной и временной вариабельности их содержания.
Выявлен высокий уровень изменения содержания подвижных соединений ТМ в течение сезона с максимумом для большинства элементов в первой половине вегетационного сезона и минимумом в середине и в конце сезона.
Показано, что для почв, в формировании которых принимали участие глинистые и суглинистые породы палеозоя, характерно повышенное содержание ТМ, что ставит под сомнение применимость общепринятых уровней ПДК по содержанию ТМ в мониторинговых обследованиях почв Северо-Востока европейской части России.
Наибольшую опасность с точки зрения загрязнения почв и растений свинцом, медью, никелем, хромом, кадмием представляют территории, прилегающие к крупным городам, промышленным объектам и автомагистралям, а также почвы аккумулятивных ландшафтов и огородные почвы. В них наблюдается превышение не только фоновых, но и предельно допустимых величин содержания ТМ.
Практическое значение. Полученные данные о фоновом содержании и профильном распределении Си, Zn, Pb, Cr, Mo, Ni, Cd, Mn, Fe в почвах региона Северо-Востока европейской России могут служить критерием оценки
степени антропогенного загрязнения территории. Повышенное содержание ТМ в почвах, сформированных при участии коренных осадочных пород пермского возраста, должно учитываться при экологическом мониторинге состояния почвенного покрова. Исследования содержания и распределения ТМ в почвах необходимо дополнять изучением сезонной динамики поведения элементов, как наиболее информативной характеристики. Наличие подобной динамики предполагает пересмотр некоторых принятых сроков и правил отбора почвенных проб и их обработки в мониторинговых исследованиях. Для изучения степени загрязнения почв тяжёлыми металлами отбор проб предлагается производить в первой половине вегетационного сезона, когда подвижность тяжёлых металлов повышена в результате значительного содержания подвижного органического вещества и снижения окислительно-восстановительного потенциала из-за повышения влажности почвы. Это даст возможность оценить уровень содержания соединений элементов, наиболее доступных для растений, и выявить возможные негативные тенденции накопления и увеличения подвижности поллютантов.
Апробация результатов. Материалы диссертации были доложены и представлены на межрегиональных научных конференциях (Киров, 1994, 1997; Кирово-Чепецк, 1996, 1998, 2000, 2004); на Всероссийских научных конференциях "Органическое вещество почв - микробиологические и биохимические проблемы" (С-Петербург, 1994); "Микробиология почв и земледелие" (Санкт-Петербург, 1998); "Научные основы стратегии адаптивного растениеводства северо-востока европейской части России" (Киров, 1999); "Изучение и охрана биологического разнообразия природных ландшафтов Русской равнины" (Пенза, 1999); "Флористические и геоботанические исследования в европейской России" (Саратов, 2000); «Аграрная наука Северо-Востока Европейской части России на рубеже тысячелетий - состояние и перспективы» (Киров, 2000); "Проблемы воспроизводства плодородия почвы при адаптивной интенсификации сельскохозяйственного производства Евро-
Северо-Востока России" (Киров, 2002); "60 лет высшему аграрному образованию Северо-Востока Нечерноземья" (Киров, 2004); "Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга: теория, методика, практика" (Киров, 2003,2004); на международных конференциях "Криопедология '97" (Сыктывкар, 1997); "Эколого-популяционный анализ кормовых растений естественной флоры, интродукция и использование" (Сыктывкар, 1999); "Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия" (Ставрополь, 2001); "Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке" (Сыктывкар, 2001); "Здоровье - питание - биологические ресурсы" (Киров, 2002); VII, IX International Symposimn "Ecological Aspects of Mechanization of Plant Production" (Warszawa, 2002); " Экология северных территорий России - проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения" (Архангельск, 2001, 2002); "Современные проблемы природопользования, охотоведения и звероводства" (Киров, 2002); "Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты" (Сыктывкар, 2002); II Intern. Conf. on Sustainable Agriculture for Food, Energy and Industry, Beijing, China, 2002; III World Congress on Conservation Agriculture -"Producing in Harmony with Nature", Brazil, 2003; International conference "Metal ions in biology and medicine", Hungary, 2004; "Основные итоги и приоритеты научного обеспечения АПК Евро-Северо-Востока", посвященной 110-летию НИИСХ С-В (Киров, 2005); на съездах Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 научная работа, в том числе 2 монографии, 3 сборника, 38 статей.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы, включающего 477 наименований и 33 приложений. Общий объём работы составляет 312 страниц машинописного текста, содержит 28 таблиц и 93 рисунка.
В работе обобщены данные, полученные лично автором или при его непосредственном участии в течение 1991-2004 гг. Работа выполнена в рамках научных тематик Россельхозакадемии: 08.01.02. - "Изучить адаптивный потенциал растений к стрессовым эдафическим факторам"; 01.01.01. - "Разработать эколого-биологические основы мониторинга и управления популяциями хозяйственно важных видов растений и животных".
Автор выражает благодарность Н.А. Шулятьевой, которой была проведена основная масса аналитических работ по определению содержания ТМ, А.А. Широких - за помощь в закладке почвенных разрезов и отборе проб, Е.М. Лисицыну - за неизменную поддержку исследований и ценные советы по обработке и оформлению данных, Т.Л. Егошиной - за поддержку и долголетнее конструктивное сотрудничество.
Автор благодарна за поддержку в работе директору НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого академику РАСХН В.А. Сысуеву; директору ВНИИОЗ им. Б.М. Житкова члену-корреспонденту РАСХН В.Г. Сафонову.
Закономерности содержания и поведения тяжёлых металлов в почвах
Содержание ТМ в почве зависит прежде всего от гранулометрического и минералогического состава минерального субстрата и от степени гумуси-рованности последнего (Веригина К.В., 1964; Зырин Н.Г., 1968; Ильин В.Б., 1973; Добровольский В.В., 1998). Концентрации Pb, Cd, Си, Ni в почве чаще всего мало отличаются от концентраций этих элементов в почвообразующей породе. Лёгкие и слабогумусированные почвенные разности обычно обеднены тяжёлыми металлами по сравнению с разностями, богатыми илом и органическим веществом.
Тяжёлые металлы, имеющие ионный радиус от 0,52 до 0,99 ангстрем (Mn2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Сг2 ), обнаруживают положительную корреляцию с содержанием ила (Andersson A.J., 1977). Эта связь тем теснее, чем меньше ионный радиус элемента. Прямолинейная зависимость между количеством в почве ила и тяжёлых металлов замечена у элементов с координационным числом 6. Эти элементы в состоянии изоморфно замещать октаэдрические позиции в глинистых минералах. Элементы же с координационным числом 6 (Pb , Cd j не закрепляются в октаэдре, так как радиус их велик. Они активнее связываются органическим веществом, и их концентрации в почве положительно коррелируют с содержанием гумуса.
Важную роль в накоплении ТМ играют комплексы вторичных минералов с органическим веществом и гидроксидами Fe и А1. Например, адсорбционные возможности монтмориллонита по отношению к кадмию резко возрастают, когда его частицы покрыты плёнкой гуминовой кислоты и гидро-ксидов Fe и А1 (Levy R., Francis C.W., 1976).
В почвах с разными свойствами содержание тяжёлых металлов различно (Беус А.А. и др., 1976). Распределение элементов в профиле почв зависит от направления и интенсивности почвообразовательного процесса. Например, в высокогумусированных почвах чернозёмного типа, где подвижность органического вещества невысокая и господствует непромывной водный режим, обычно наблюдается биогенная аккумуляция ТМ. В дерново-подзолистых почвах, формирующихся под влиянием дернового и подзолистого процессов, наблюдается два максимума содержания ТМ - в гумусовом и иллювиальном горизонтах (Карпухин А.И., Бушуев Н.Н., 2004). В ряде почв формируются элювиальные горизонты, т.е. горизонты более или менее сильного выноса продуктов почвообразования и выветривания. Элювиальный горизонт отличается значительным снижением содержания физиологически важных микроэлементов Си, Ni, Zn, Cr, Мп и, очевидно, многих других, а также Fe. В иллювиальных горизонтах напротив, происходит большая или меньшая аккумуляция микроэлементов - спутников алюминия, железа, и подвижного гумуса (Ковда В.А., Якушевская И.В., Тюрюканов А.Н., 1959; Самонова О.А. и др., 1998).
Формы нахождения микроэлементов в почве отличаются большим разнообразием. Условно все почвенные соединения микроэлементов можно подразделить на три группы: 1) мобильные (подвижные) соединения; 2) прочно фиксированные микроэлементы; 3) микроэлементы, входящие в состав минералов (Зырин Н.Г., Обухов А.И., Мотузова Г.В., 1974).
Валовые содержания микроэлементов и ТМ в почвах дают далеко не полную характеристику почвы относительно дефицита или избыточного содержания химических элементов для произрастающих на данной почве растений. Более объективными являются данные по содержанию подвижных или доступных для растений соединений микроэлементов. К сожалению, такие данные пока немногочисленны и сравнение их довольно затруднительно вследствие применения различных вытяжек для определения доступных соединений микроэлементов даже в пределах одной страны (Соловьёв Г.А., 1989; Кузнецов М.Ф., 1994).
В общем, подвижные микроэлементы составляют около 5-Ю % от валовых запасов, с отклонениями, иногда существенными, в ту или иную сторону (Кузнецов М.Ф., 1994). Имеет значение и реактив, которым вьщеляют подвижные микроэлементы. По своей растворяющей способности различные экстрагенты вьщеляют из почвы разные количества ТМ (Ильин В.Б., 1991). Считается, что ацетат-аммонийный буферный раствор с рН 4,8 извлекает легкоподвижные формы соединений, способных усваиваться растениями, и имеющие наибольшее значение в получении безопасной растительной продукции (Головков A.M. и др., 2003; Нагабедьян И.А. и др., 2003).
Между соединениями элементов в почвенном растворе и в составе подвижных соединений твёрдых фаз существует динамическое равновесие. Обнаруживается многофакторная зависимость буферной способности почв от внешних и внутренних условий в системе (Мотузова Г.В., 1999).
Содержание в почве подвижных микроэлементов определяется многими показателями, а именно, химической природой элемента, его валовыми запасами в породе, типом почвы и физико-химическими условиями в ней, количеством и качеством органического вещества, гранулометрическим составом, особенностями биологического круговорота элементов, процессами миграции в почвенно-грунтовом слое, активностью почвенной биоты, сезонными климатическими изменениями и т. д. (Виноградов А.П., 1957; Ковда В.А.и др., 1959; Browman M.G., Spalding В.Р., 1984; Химия тяжёлых металлов..., 1985; Каплунова Е.П., 1986).
Существенное влияние на подвижность ТМ оказывает сельскохозяйственное использование почв. В зависимости от конкретных почвенных условий подвижность ТМ может увеличиваться или уменьшаться. В общем случае считается, что распашка почвы уменьшает подвижность ТМ. Однако, применение минеральных удобрений, особенно физиологически кислых, существенно повышает подвижность ТМ (Пронина Н.Б., 2001; Панов Н.П. и др., 2003; Ерышова О.В., Танделов Ю.П., 2004).
К группе мобильных соединений микроэлементов относятся легкорастворимые соли, а также свободные ионы микроэлементов, находящихся в почвенном растворе. Сюда входят соединения, растворимые в воде и слабых кислотах. Очевидно, что в почвах подзолистой зоны при промывном водном режиме, когда происходит интенсивный вынос элементов из профиля, микроэлементы в такой форме в почвенном растворе практически отсутствуют. К подвижным соединениям.микроэлементов также относятся их обменные формы. Поскольку емкость поглощения увеличивается при утяжелении гранулометрического состава и увеличении содержания органического вещества, то и содержание обменных форм микроэлементов зависит от этих факторов.
Прочно фиксированные микроэлементы составляют значительную долю от их общих запасов в почве. Сюда входят микроэлементы, включённые в состав стабильного органического вещества, связанные с карбонатами и полуторными окислами (Пейве Я.В., 1961; Перельман А.И., 1966).
В зависимости от климатических и ландшафтных условий микроэлементы могут или накапливаться в почве или выносится из неё. Факторами, способствующими накоплению микроэлементов в почвенном профиле, являются поглощение коллоидными системами, выпадение в осадок и необменное поглощение, биологическая аккумуляция, вхождение в состав минералов в результате изоморфного замещения. Выносу микроэлементов из профиля способствуют минерализация органических остатков, пептизация коллоидов, десорбция и растворение (Ковда В.А., 1973; Линник Н.П., Наби-ванецБ.И., 1986).
Географическое положение и рельеф
Северо-Восток европейской части России занимает площадь около 1,6 млн. кв. км или более 58 % территории Нечернозёмной зоны. На этой площади проживает 15 млн. человек. Территория региона имеет значительную протяжённость с севера на юг. Соответственно этому, наблюдается широкий спектр природных условий в разных частях зоны. Кировская область расположена практически в центре этого региона, между 61 и 56 параллелями северной широты и 41 и 54 меридианами восточной долготы, и до определённой степени представляет основные климатические, биологические, геологические и почвенные условия всего региона. Её площадь составляет 120,7 тыс. кв. км. Территория области имеет большую протяжённость: с севера на юг — 570 км, с запада на восток — 440 км (рис. 1).
На севере область граничит с Архангельской областью и Республикой Коми, на западе — с Вологодской и Костромской областями, на юге — с Нижегородской областью, республиками Марий Эл и Татарстан, на востоке — с республикой Удмуртия и Пермской областью. Из 39 районов области 37 расположены в бассейне Волги, из них 30 относятся полностью к бассейну реки Вятка. И лишь два района (Подосиновский и Лузский) расположены в бассейне Северной Двины (Атлас Кировской области, 1968, 1997; Природа, хозяйство, экология..., 1996).
Кировская область расположена в пределах нескольких орографических провинций. По устройству поверхности её территория представляет собой всхолмлённую равнину с общей покатостью в направлении от северо-востока к юго-западу и югу, от западного Предуралья к Ветлужской и Волжской низинам (рис. 2). Преобладающие высоты равнины имеют отметки 150-180 метров над уровнем моря. Наивысшие точки рельефа достигают 329 м на Верхнее-Камской возвышенности, высота 264 м отмечена в районе Вятского Увала, высоты до 250 м имеются на севере, в районе Северных Увалов. Более пониженным является юго-запад области, где преобладают высоты с отметками 75-85 м.
При общем равнинном характере территории отмечается её значительная расчленённость и холмистость. Более приподнятые участки местности заняты пологой возвышенностью - Вятским Увалом. Осевая часть Вятского Увала проходит в направлении с северо-востока на юго-запад. Увал имеет в среднем высоту 170-200 м, ширина его около 40 км. Он состоит из холмов и невысоких плато, сильно расчленённых долинами рек, оврагами и балками. Северная часть Увала значительно ниже его центральной части и постепенно сливается с возвышенностями Северных Увалов. Восточнее Вятского Увала, в районе верховьев рек Камы и Вятки, располагается Верхнее-Камская возвышенность, имеющая характер изрезанного долинами рек плато. Кроме этих двух меридионально направленных возвышенностей имеются более низкие гряды холмов. На севере - это Северные Увалы, протянувшиеся в широтном направлении. Эта возвышенность служит водоразделом бассейнов рек Северной Двины и Волги. Вторая гряда холмов образована ледниковыми отложениями и простирается севернее долины реки Чепца, являясь водоразделом для притоков Вятки и Чепцы.
Территория области дважды подвергалась оледенению в так называемые днепровский и московский периоды. Ледник захватывал северную часть региона до реки Чепца и оставил в плотных породах сглаженные куполовидные холмы, образовал долины и котловины в более рыхлых породах. Следы деятельности ледников - песчаные холмы с валунами - встречаются по всей северной половине региона. Эрозионные формы рельефа представлены оврагами и логами. Сильно развита овражная сеть по берегам рек и ручьёв. Наряду с холмистыми ландшафтами широко распространены равнинные. Они представлены по обе стороны Вятского Увала, на западе и северо-западе и местами по долинам рек. Заболоченные низины расположены на крайнем севере области, на северо-западе по течению реки Молома, на западе. Заболоченные низины встречаются в центральной и восточной частях области (Инженерно-геологическое и гидрологическое обоснование..., 1989).
Равнинный характер рельефа области исключает возможность образования в её пределах резких климатических границ. Тем не менее, в климате районов имеются существенные различия. На севере ощутимо холоднее, а в вегетационный период здесь более продолжителен световой день. Количество атмосферных осадков заметно уменьшается в направлении от северо-запада к юго-востоку, в этом сказывается усиление континентальности климата восточных районов.
Сильная расчленённость рельефа, наличие меридионально направленных возвышенностей, особенности геологического строения, а также значительная разница в степени облесённости отдельных зон создают некоторые различия в местном климате.
Вятский Увал и Вятско-Камская возвышенность являются орографическим препятствием для перемещающихся воздушных потоков, что усиливает выпадение осадков на наветренных склонах. Наличие больших массивов болот и лесов существенно влияет на влажность и температуру воздуха и почвы и сказывается на местном влагообороте. Зимой с обезлесенных участков возвышенностей снег сдувается ветром, оголённые или слабо укрытые снегом почвы глубоко промерзают и позднее оттаивают. Таким образом, районы, отличающиеся физико-географическими особенностями, обладают также различными климатическими условиями.
Особенности содержания тяжёлых металлов в почвообразующих породах северо-востока европейской части России
Территория европейского Северо-Востока, в том числе и Кировская область, слабо изучена на предмет фонового содержания ТМ в почвах и почвообразующих породах. В представленной работе мы попытались обобщить и проанализировать результаты своих исследований и имеющиеся немногочисленные литературные данные по содержанию ТМ в почвообразующих породах региона. Результаты представлены в таблице 11.
Большая площадь региона Северо-Востока европейской части России обуславливает широкий набор почвообразующих пород на его территории. В Кировской области встречаются все основные почвообразующие породы региона. Особенности содержания и распределения микроэлементов в почвообразующих породах области определяются её географическим положением и геологической историей региона (см. гл.2).
Почвообразующие породы представлены в основном элювием до четвертичных осадочных пород (глин, известняков, мергелей, песчаников) и рыхлыми четвертичными отложениями ледникового происхождения. В формировании ледниковых отложений принимали участие кислые магматические породы Скандинавии и Кольского полуострова, а также аналогичные породы Северного Урала, Новой Земли и Тиманского кряжа. Широко распространены двучленные породы с различным сочетанием почвообразующе-го и подстилающего компонента (Шихова Л.Н., Дабах Е.В., 2000). Значительную долю в почвообразующих породах занимают покровные отложения проблематичного генезиса. Они распространены в области повсеместно. В ледниковой части области они сохранились на повышенных элементах рельефа. На других участках размыты водно-ледниковыми потоками. Во внелед-никовой зоне покровные отложения нередко залегают сплошным плащом. Часто покровные отложения внеледниковой зоны содержат примеси материала подстилающих пород.
Как известно, самые низкие концентрации микроэлементов наблюдаются в породах ледникового происхождения - кислой алюмосиликатной морене, продуктах её выветривания, флювио-гляциальных отложениях (Яку-шевская И.В., Ковда В.А., 1973). Поэтому в районах распространения подобных пород следует ожидать незначительное содержание микроэлементов. Действительно, в покровных суглинках среднетаёжной подзоны в северозападной части Кировской области, по сравнению с другими зонами, содержание изучаемых ТМ минимально и очень близко к таковому в западных регионах страны (табл. 11). Особенно это заметно по химическому составу покровных суглинков самого северного из изученных районов их распространения - Подосиновского. Содержание подвижных Си, Ni, Cd, Pb, Zn, Mn в них меньше, чем в покровных суглинках более южного района этой зоны -Мурашинского. Отличия, хотя и небольшие, но заметные. Вероятно, этот факт объясняется разным составом подстилающих пород. Если в Подосинов-ском районе покровные суглинки залегают, как правило, на моренных отложениях, обеднённых микроэлементами, то южнее, где морена обычно сильно размыта, покровные суглинки подстилаются коренными осадочными породами. На водоразделах это чаще всего элювиально-делювиальные отложения перми, по своему химическому составу богатые микроэлементами (Чернов В.П., 1971; Каюмов Р.Д., 1977). Поэтому, в южной части зоны в составе покровных суглинков содержится больше тяжёлых металлов. В целом, такое явление в той или иной степени характерно для всей внеледниковой территории области. Толщи покровных отложений редко достигают значительных глубин, часто сильно размыты и в своём составе обнаруживают влияние коренных до четвертичных пород.
Кроме того, если в северо-западной части России почвообразующие породы представлены в большинстве своём продуктами ледникового происхождения Фенноскандии, то в восточной части европейской России в генезисе почвообразующих пород, в том числе и ледниковых, принимали участие породы Урала, Новой Земли и Тиманского кряжа, обогащенные микроэлементами (Чернов В.П., 1971; Градусов Б.П., Урусевская И.И., 1974; Добровольский Г.В и др., 1999).
Содержание микроэлементов в покровных суглинках на невысоких водоразделах, где их толща больше или где в их составе ощущается влияние примесей флювиогляциального материала также незначительно. Примером могут служить покровные суглинки из Даровского района. Очевидно, что рельеф играет важную роль в формировании качественного состава почвооб-разующих пород данной зоны, поскольку определяет мощность толщи покровных суглинков и близость залегания коренных до четвертичных пород.
Суглинистый и глинистый элюво-делювий пермских красноцветов в качестве почвообразующих пород распространён на юго-востоке Нечернозёмной зоны России (Зайдельман Ф.Р., 1984). Подобные породы широко представлены на территории области, и выходят близко к поверхности, принимая участие в почвообразовании, иногда вообще являясь почвообразую-щими породами, особенно во внеледниковой зоне. Породы пермского возраста имеют предположительно морское происхождение, поэтому, основными их особенностями являются тяжёлый гранулометрический состав, значительное содержание несиликатных форм железа и карбонатность. Как правило, они богаче по вещественному составу (Неганов А.Ф., 1938; Чернов В.П., 1971; Урусевская И.С. и др. 1992; Шихова Л.Н., 1995; Добровольский Г.В. и ДР.Д999).
Влияние автотранспорта на загрязнение прилегающих территорий
Нами была предпринята попытка изучения и оценки влияния автомагистралей на загрязнение почвенного покрова и фитоценозы прилегающих территорий (Шихова Л.Н., Егоншна Т.Л., 2002а; Jegoshina T.L. et al., 2002; Ши-хова Л.Н., Егошина Т.Л., 2003). Почвенные пробы отбирались из корнеоби-таемого слоя при постепенном удалении (1, 5,10,20, 50, 100, 200,300,400 м) от шоссе и сопровождались геоботаническим описанием соответствующего фитоценоза. Определяли некоторые эколого-фитоценотические, продукционные и морфометрические показатели фитоценонозов и особей (состав фитоценоза, проективное покрытие, обилие, урожайность, высота побегов или длина листа, количество побегов). Для изучения были выбраны следующие лекарственные виды растений, чаще всего заготавливаемые населением: брусника обыкновенная (Vaccinium vitis-idaea L.), валериана лекарственная (Valeriana officinalis L. s.l), ландыш майский (Convallaria majalis L.), мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara L.), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.), подорожник большой (Plantago major L.), рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.), толокнянка обыкновенная (Arctostaphylos uva - ursi (L.)Spreng), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) (Егошина Т.Л., 1999).
В качестве фоновых изучались почвы и расположенные на них фитоценозы с участием вышеуказанных видов растений, удаленные от автотрасс и населенных пунктов не менее чем на 3-4 км.
Результаты дисперсионного анализа свидетельствуют о достоверном уменьшение кислотности (повышении рНксі) верхнего слоя почвы при приближении к дорожному полотну (Приложение 32; рис. 89). Это закономерно, поскольку для отсыпки дорог в регионе, особенно в Кировской области, используют в основном материалы, содержащие известь. Постепенно размываясь, они нейтрализуют кислотность верхнего слоя почвы придорожной полосы.
В этом случае более наглядным показателем степени загрязнения являются, вероятно, валовые количества элементов, величина которых не зависит от значения рНксі Как показал дисперсионный анализ, уменьшение содержания ТМ при удалении от дорожного полотна достоверно только для свинца и цинка. На содержание подвижных соединений остальных ТМ расстояние от полотна не влияет. Значения содержания подвижных соединений свинца, кадмия и молибдена достоверно отличаются вдоль разных трасс, что обусловлено разной интенсивностью движения автотранспорта (Добровольский В.В., 19836), а также сложным сочетанием различных почвенных характеристик (рН, содержания гумуса, влажности, гранулометрического состава и т.п.). Для цинка и молибдена отмечены достоверные существенные коэффициенты корреляции с рН (0,68 и 0,54 соответственно) и содержанием органического углерода (0,55 и 0,67 соответственно). Корреляционная связь выявлена между рН и содержанием Cd (0,43). Положительные значения коэффициента корреляции противоречат существующих данным об уменьшении подвижности металлов (кроме Мо) при увеличении величины рН. В данном случае увеличение содержания подвижных соединений металлов при увеличении рН объясняется сложением двух факторов, а именно увеличением величины рН при приближении к дорожному полотну и в то же время усилении загрязнения почв тяжёлыми металлами в этом направлении. Увеличение содержания органического вещества достоверно снижает подвижность никеля (г = -0,58). Однако, не для всех автодорог получены достоверные значимые корреляции содержания ТМ с содержанием Сгум и рНксь что обусловлено конкретными особенностями территорий отбора проб и интенсивностью движения (Приложение 29). Существенны коэффициенты корреляции между содержаниями Cd и РЬ (0,89), Cd и Мо (0,52), между Zn и Мо (0,67), между Си и Мп (0,52). Это объясняется не только сходством их поведения в почвах, но и совместным присутствием в источниках загрязнения (Добровольский В.В., 19836; Филиппов А.Л. и др., 2000).
Влияние загрязнения на почвы придорожной полосы не проявляется в достоверном повышении содержания подвижных соединений элементов. Вероятно, оно маскируется благодаря высокой буферной способности почв. В какой-то степени о негативном влиянии загрязнения можно судить по придорожной растительности. У растений губительный эффект загрязнения окружающей среды проявляется, в первую очередь, в ухудшении состояния фотосинтетического аппарата (Краснова Н.М., 1990; Егошина Т.Л. и др., 2001; Jegoshina T.L. et al., 2002). Разные виды растений значительно различаются адаптационными способностями к действию поллютантов (Сох R.M., Hutchinson Т.С., 1980; Криволуцкий Д.А. и др., 1987; Черненькова Т.В., 2002).
Обработка данных изучения фитоценозов показала, что, несмотря на значительную степень загрязнения в придорожной полосе, продукционные и морфометрические показатели растений нередко даже выше, чем при удалении от шоссе (Безель B.C. и др., 1998). Отмечены положительные коэффициенты корреляции между рН, содержанием в почве Собщ, Са"1-1" и продукционными и морфометрическими показателями (табл. 27).
Исключение составили лишь брусника и валериана. Вероятно, эти виды имеют высокие адаптивные потенциалы, позволяющие им успешно произрастать в широком диапазоне параметров внешней среды (Егошина Т.Л., 2001). Увеличение некоторых продукционных и морфометрических параметров растений при различных антропогенных нагрузках отмечали многие авторы (Andersson AJ. et al., 1973; Злобин Ю.А., 1985; Воробейник Е.Л. и др., 1994; Вайцеховская Е.Р., Гамелина М.А., 2000). Увеличение надземной фи-томассы, высоты растений и количества побегов может быть связано с мобилизацией компенсаторных механизмов растений (Петрунина Н.С., 1971).
По-видимому, шоссейные дороги, являясь источником загрязнения, в то же время обладают барьерами, снижающими до определённой степени действие поллютантов на растения (щелочной, гумусовый барьеры). Обилие минеральных элементов улучшает условия питания. Нередко вблизи дорожного полотна ослаблены конкурентные взаимоотношения растений, а для лесных видов снимается вопрос конкуренции за освещенность.
