Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тяжелые металлы в системе почва-растение 6
1.1. Источники поступления 6
1.2. Биологическая роль тяжелых металлов и их фитотоксичность
1.3. Тяжелые металлы в системе почва-растение 14
1.4. Взаимодействие тяжелых металлов с органическим веществом почв
Глава 2. Условия формирования лугово-черноземных мерзлотных и серых лесных почв (рельеф, почвообразующие породы, климат, растительность)
2.1 Еравнинская котловина 34
2.2. Тункинская котловина 37
2.3. Бичурская лесостепь 39
2.4. Прибайкальская лесостепь 42
2.5. Объекты и методы исследований 44
Глава 3. Характеристика лугово-черноземных мерзлотных и серых лесных почв
3.1. Лугово-черноземные мерзлотные 47
3.2. Серые лесные 51
Глава 4. Тяжелые металлы в почвах 57
4.1. Почвообразующие породы 57
4.2. Гумусовый горизонт почв 63
Глава 5. Тяжелые металлы в растительности 71
5.1. Химический состав лесостепных растительных сообществ 71
5.2. Тяжелые металлы в фитомассе 74
Глава 6. Тяжелые металлы в органическом веществе 87
6.1. Лугово-черноземные мерзлотные почвы 87
6.2. Серые лесные почвы 96
Выводы 106
Литература 108
- Биологическая роль тяжелых металлов и их фитотоксичность
- Тункинская котловина
- Гумусовый горизонт почв
- Тяжелые металлы в фитомассе
Введение к работе
Взаимосвязь состояния среды обитания человека, и, в частности, ее химического состава, с показателями здоровья и качества жизни хорошо известна. Имеются многочисленные подтверждения взаимозависимости химической гетерогенности биосферы и возникновения различных болезней (Ковальский, 1974). Согласно современным представлениям, биогеохимические факторы (микроэлементы почв, вода, воздух, продукты биотического и абиотического происхождения, промышленные и сельскохозяйственные отходы) оказывают существенное влияние на нормальную жизнедеятельность и функциональные резервы организма человека (Авцын и др., 1991).
Во второй половине XX века наблюдается резкое ухудшение состояния окружающей среды в результате хозяйственной деятельности человека. Повышение промышленно-энергетического потенциала, концентрация населения в городах, увеличение транспортных средств сопровождаются эмиссией в биосферу огромного количества загрязняющих веществ. Среди них, одно из первых мест по опасности действия на живые организмы и объему выбросов, наряду с отходами атомных электростанций и пестицидами заняли тяжелые металлы (ТМ).
Поскольку ТМ поступают в организм человека и травоядных животных в основном с растительной пищей, а обогащение ее ТМ происходит главным образом из почвы, почвенно-химические исследования приобретают огромное значение.
Наряду с довольно хорошей изученностью содержания микроэлементов в почвах Забайкалья (Сеничкина, Абашеева, 1986; Кашин, Иванов, 1994, 1996, 1997, 1998, 1999, 2002, 2004) исследований особенностей накопления и распределения ТМ в органическом веществе, как буферной системе почвенной среды, сорбенте разнообразных химических веществ, и в
частности ТМ, практически не проводилось. Вследствие этого, изучение содержания ТМ в органическом веществе почв Забайкалья, особенно в связи с развитием туристско-рекреационной зоны в Прибайкалье, а также с разработкой Озерного свинцово-цинкового месторождения в Еравнинской котловине на лугово-черноземных мерзлотных почвах, представляет актуальную научную задачу, отвечающую практическим запросам природопользования и охраны окружающей среды.
Цель и задачи исследований. Цель работы - выявление содержания тяжелых металлов в органическом веществе лугово-черноземных мерзлотных и серых лесных почв Забайкалья.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Выявить содержание ТМ в почвообразующей породе, почвах и растительности.
Определить содержание ТМ в гумусовых кислотах исследуемых почв.
Научная новизна. Впервые определены уровни валового содержания ТМ (Mn, Си, Zn, Со, Pb, Ni, Cr, Cd) в гумусовых кислотах лугово-черноземных мерзлотных и серых лесных почв Забайкалья. Выявлены особенности их аккумуляции гуминовыми и фульво кислотам и в зависимости от количественного и качественного состава гумуса.
Защищаемые положения:
1. Содержание ТМ в гумусовых кислотах исследуемых почв
обусловлено количественным и качественным составом гумуса и свойствами
элементов.
2. Преобладающая часть ТМ концентрируется в фульвокислотах.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты
проведенных исследований позволили дать экологическую оценку уровню валового содержания ТМ в почвообразующей породе, гумусовом горизонте, травянистой растительности исследуемых почв и вносят новые данные в
элементный состав гуминовых и фульвокислот. Полученные данные могут быть использованы в дальнейшем природоохранными и санитарно-гигиеническими службами для почвенно-геохимического мониторинга состояния почвенного покрова и растительности.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: Международной конференции «Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах» (Улан-Удэ, 2005); IX Международной научной школе-конференции "Экология Южной Сибири и сопредельных территорий" (Абакан, 2006); IV Международной научной конференции молодых ученых и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2006» (Москва, 2006); Межрегиональной конференции молодых ученых (Улан-Удэ, 2006); Всероссийской школе "Экология и почвы" (Пущино, 2005); III Всероссийской конференции "Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири", посвященной 75-летию Томского государственного университета (Томск, 2005); Всероссийской конференции "Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии", посвященной 25-летию ИОЭБ СО РАН (Улан-Удэ, 2006); Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 182 наименований, в том числе 20 на иностранном языке. Содержит 16 таблиц, 38 рисунков.
Личный вклад. Диссертационная работа является обобщением личных материалов автора, полученных в результате полевых и лабораторных исследований 2004 - 2007 гг. в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН.
Биологическая роль тяжелых металлов и их фитотоксичность
Микроэлементный состав почв оказывает большое влияние на их плодородие, является важнейшим показателем химического состояния почв, их свойств и генезиса. Формирование микроэлементного состава почв подчиняется определенным закономерностям, обусловленным действием многих факторов, и является результатом весьма сложных и многообразных биогеохимических процессов (Протасова, Щербаков, 2004).
Основной источник ТМ в почве - почвообразующие породы. Почвы приобретают характерное для них содержание и профильное распределение ТМ в результате преобразования исходных пород почвообразовательным процессом (Добровольский, 1998; Ильин, Сысо, 2001).
Различные типы изверженных пород характеризуются разным количеством ТМ. Ультраосновные и основные породы содержат довольно высокое количество Мп, Си, Со, Zn (основные породы), мало - В, Sr, Mo (ультраосновные породы). Щелочные породы содержат большое количество стронция. В, Sr в кислых изверженных породах относительно больше, чем в основных; меньше - Си, Со, Zn, Мп (Ковальский, Андрианова 1970).
В.Б. Ильиным (1973) на примере почв южной части Западной Сибири показано, что количество Мп, Си, В, Мо тесно связано с гранулометрическим и минералогическим составом почвенного субстрата, обогащенностью его органическим веществом, направлением и глубиной процесса почвообразования, а также с другими процессами, идущими в зоне гипергенеза, такими, как гидрогенная миграция и аккумуляция солей, эоловый процесс, подпитывание почвенной толщи грунтовыми водами, обогащенными ТМ и т.п.
Наличие тесной связи между гранулометрическим составом почвы и содержанием в ней ТМ обусловлено двумя причинами. Во-первых, существует прямая связь между степенью дисперсности почвенных частиц и их адсорбирующей способностью. Действительно, тонкодисперсные (глинистые и суглинистые) почвы обладают значительно большей поглотительной способностью, чем почвы грубой текстуры (супесчаные и песчаные). Во-вторых, имеется в виду то обстоятельство, что частицы разного размера различаются по минералогическому составу. Крупные частицы минерального субстрата - песчаные - в основном состоят из кварца и бедны ТМ. Мелкие илистые частицы преимущественно представлены глинными минералами, обогащенными ТМ (Беус, 1976).
Изучая закономерности распределения Mn, Zn, Си, Со, Мо, В, І в различных типах почв таежно-лесной и лесостепной зон Удмуртии, М.Ф. Кузнецов (1994) отмечает, что важную роль в формировании элементного состава почв играют процессы биогенной аккумуляции и выщелачивания. В нижних почвенных горизонтах основная роль в закреплении ТМ принадлежит оксидам и гидроксидам Fe, Мп и AI. Механизм закрепления -адсорбция либо соосаждение. Прочность связи со временем возрастает из-за диффузии металлов внутри твердой фазы. Некоторые оксиды или гидроксиды обладают высоким сродством к тому или иному ТМ, например, МпСЬ к РЬ и Си. Осаждению Fe, Мп и А1 в нижних горизонтах способствует активность почвенной микрофлоры (Мажайский и др., 2003).
На поведение химических элементов в почве большое влияние оказывают геохимические барьеры (Перельман, 1979; Гуляева, 2002).
Взаимосвязь тяжелых металлов (ТМ) и химических свойств разносторонняя. Выявлена зависимость поглощения тяжелых металлов от состава и свойств почв (Ладонин , Марголина, 1997; Tessier, Campbell, Bisson, 1979). В свою очередь поглощение металлов почвами сопровождается изменением рН среды (Пинский, 1997), питательного режима (Andriano, 2001; Buekers, Oliver, Smolders, McLaughlin, 2003), состояния микробоценоза и биологической активности почв (Безуглова и др., 1999; Бирюкова и др., 1997; Колесников и др., 2000; Minkina, 2002; Almas, 2003).
В процессе почвообразования миграция ТМ в определенной степени регулируется живыми организмами, преимущественно растениями. Живые организмы аккумулируют необходимые элементы, которые сохраняются в их остатках и поступают в почву (Ильин, Сысо, 2001).
Марганец является одним из наиболее распространенных элементов в литосфере. Его содержание в горных породах изменяется в пределах 350-2000 мг/кг. Наиболее высокие концентрации марганца характерны для основных пород. Небольшое количество марганца обнаружено в почвообразующих породах юго-западного Забайкалья- 640 мг/кг (Убугунов, Кашин, 2004) и в рыхлых песчаных отложениях дельты р. Селенги -136 мг/кг (Сосорова, 2006). В кислых продуктах выветривания (элювий слюдистых сланцев) Юго-Восточного Забайкалья найдено 1995 мг/кг марганца (Макеев и др., 1974). Кларк марганца в земной коре составляет 900 мг/кг (Виноградов, 1962).
Марганец, как правило, находится в почвах в форме двух-, трех- и четырехвалентных соединений. В почвенном растворе марганец образует ряд простых и комплексных ионов, а также несколько оксидов различного состава (Макеев, 1973).
Растворимость марганца в почвах зависит от рН и Eh среды. Окислительные условия могут заметно снижать доступность марганца и связанных с ним питательных веществ, тогда как восстановительные способствуют увеличению их доступности для растений даже до токсичных значений (Перельман, 1989). В разных ландшафтах марганец обладает разной степенью подвижности. Этот элемент подвижен в условиях лесной зоны и мало подвижен - лесостепной. В степях и пустынях, где преобладает слабощелочная среда с высоким окислительным потенциалом, марганец переходит в форму, труднодоступную растениям (Перельман, 1989).
Содержание марганца в почвах России регламентируется санитарно-гигиеническими нормативами, (мг/кг): ПДК валовое - 1000, кислоторастворимой формы (0,1 н. H2SO4) для чернозема - 700, дерново-подзолистой почвы (рН 6) - 100 (Гигиенические ..., 2005).
Цинк широко распространен в природе и встречается в небольших количествах почти во всех породах вулканического происхождения. В земной коре содержится 1,5-10 вес. %. Среднее содержание цинка в литосфере 83 мг/кг (Виноградов, 1962). Из изверженных пород наиболее богаты цинком основные породы. Меньше цинка содержится в кислых породах. В магматических породах цинк распределен довольно однородно. Наблюдается лишь небольиюе обогащение им основных пород (80-120 мг/кг) и довольно слабое соединение кислых (40-60 мг/кг).
Цинк входит в состав таких минералов, как биотит, амфиболы, пироксены и некоторых разновидностей монтмориллонита. Наиболее распространены в коре выветривания карбонаты и силикаты цинка. Главный минерал сфалерит (цинковая обманка) с соотношением Fe:Zn= 1: 5. В распределении цинка в составе гранулометрических фракций в основном подтверждается общая закономерность приуроченности элемента к илу (Изерская, 1979; Убугунов, 1984; Shuman, 1983). Н.Г. Зырин (1968) указывает, что дерновый процесс сопровождается слабым и не всегда четко выраженным накоплением цинка, особенно в почвах с промывным водным режимом. В России содержание цинка в почвах ограничивается следующими санитарно-гигиеническими нормативами (мг/кг): ОДК (валовое) в разновидностях почв песчаных и супесчаных - 55; в суглинистых и глинистых (кислых) - ПО, в суглинистых и глинистых (нейтральных) - 220; ОДК обменной формы (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8) - 23 (Гигиенические..., 2005).
Тункинская котловина
Тункинская котловина лежит на высоте 800 м над ур. м. и вытянута в длину свыше 50 км, ширина составляет 25-30 км. Река Иркут делит ее на две неравные части - северную и южную. Первая из них, большая по площади, пересечена заболоченной долиной р. Тунки, протекающей между невысокой плоской возвышенностью «Сосновый бор» и отдельно стоящими базальтовыми холмами. Вторая, меньшая часть более возвышена, пересечена, как и первая, песчаными буграми и дюнами и меньше заболочена (Иванов, 1978).
Кристаллический фундамент Тункинской котловины покрыт рыхлыми осадками кайнозоя, относящимися к верхам миоцена или низам плиоцена. Его нижний слой представлен угленосной свитой, состоящей из алевролитов, глин, песков с прослоями бурых углей. Основанием для нижнего слоя служат серые и зеленовато-серые глины, содержащие обломки кристаллических пород.
Над глинами залегают слюдистые песчаники светло-серого цвета с тонкозернистой структурой и алевролиты. Сверху они покрыты слоем известковистои глины, содержащей в своем составе отмершие тела моллюсков. Еще выше залегают глины с прослойками алевролитов и песков, содержащих обуглившуюся древесину (Иванов, 1978).
По данным «Агроклиматического справочника» (1974), Тункинская котловина относится к умеренно теплому району с достаточным увлажнением. Большая часть годового количества осадков приходится на июль - август. Вегетационный период пять месяцев. Период с температурой выше 10 С равен 105-110 дням с суммой 1400-1600 С. Величина гидротермического коэффициента в это время колеблется от 1,2 до 1,4, что говорит о достаточном увлажнении.
Зима около шести месяцев. Температуры низкие, средний из абсолютных минимумов равняется - (35-44) С, опускаясь иногда до - 48 С. причиной понижения температуры является длительное охлаждение воздуха в понижениях рельефа в условиях антициклонной погоды. Этот период характеризуется ясной погодой и малым количеством осадков. Снежный покров держится свыше 145 дней со средней мощностью за декаду - 10-15 см.
Конец зимы и особенно весна характеризуются сильными ветрами. Снежный покров местами совершенно сносится ветром, и при длительных, сильных морозах почва глубоко промерзает.
Лето жаркое, но из-за частых похолоданий среднемесячная температура не превышает 20С, в летний период наиболее ярко проявляется континентальность климата - днем температура поднимается до 35 С , а ночью может опускаться до нуля. Ночные заморозки в отдельные годы бывают даже в конце июня, что затрудняет выращивание сельскохозяйственных культур.
В ботанико-географическом районировании Г.М. Иванов (1978) выделяет Восточные Саяны в особую географическую зону со своеобразным рельефом, почвенным и растительным покровом. По особенностям растительного покрова Г.М. Иванов (1978) разделяет Восточные Саяны на три округа - Западный, Центральный, Восточный и выделяет пять высотных поясов растительности: нивальный (снежный или каменный), гольцовый, подгольцовый, лесной (горно-таежный) и лесостепной.
Для лесостепного пояса в пределах Тункинской котловины, отрогов Саян и Хамар-Дабана характерны березовые рощи, перемежающиеся с сосной и лиственницей. Ближе к подножию гор березовые рощи заменяются сплошным смешанным сосново-лиственично-березовым лесом. Растительность широко представлена мятликом луговым, пыреем ползучим, батлачком тростниковым, полевицей монгольской, ячменем короткоосистым. Более низкие места заняты болотным и топяным хвощем и осоками (Иванов, 1978).
Бичурская лесостепь находится на территории Селенгинского среднегорья. По своему географическому положению Селенгинское среднегорье находится на стыке южно-сибирской лесной и центрально-азиатской степной природных зон.
Селенгинское среднегорье имеет своеобразные природно-территориальные комплексы таежных и степных ландшафтов, формирование которых обусловлено горным рельефом, резко континентальным климатом, а также расположением области между сибирской тайгой на севере и монгольскими степями на юге. Широкие гребни и округлые вершины преобладают на всей территории среднегорья. Склоны крутизной 5-20 град, реже 30 град, местами изрезаны узкими лощинами, промоинами. На склонах и гребнях гор встречаются выходы на поверхность коренных пород в виде скал - останцов высотой 33 м. Территорию пересекают широкие (до 10 км) долины реки Селенги и южнее - реки Чикоя.
В северной части территории преобладают щебеночно-суглинистые и щебнисто-супесчаные грунты. На водоразделах - щебеночно-супесчаные, каменисто-супесчаные, местами скальные грунты. Днище впадин заняты супесчаными и суглинистыми, а долины рек - песчано-галечниковыми грунтами. Незначительные площади по долинами рек занимают торфяные грунты. Грунтовые воды залегают на глубине от 2 до 6 м, на склонах и водоразделах на значительной глубине (Цыбжитов, 2000).
Гумусовый горизонт почв
Почва - основной источник ТМ, поступающих в пищевые цепи. Она снабжает элементами непосредственно растения и косвенным образом животных и человека. Как известно, унаследованный почвами от материнских пород количественный и качественный состав ТМ претерпевает значительные изменения под совокупным воздействием всех факторов почвообразования (Ковда и др., 1959). Многими исследователями отмечено, что результирующее влияние почвенно-геохимических процессов проявляется в выносе одних ТМ и накоплении других (Вернадский, 1960, Виноградов, 1957). Гумусовый профиль почв является продуктом определенного типа растительности - степной или лугово-степной или лесостепной, приспособленной к наилучшему использованию земной среды обитания в определенных экологических условиях (Пономарева, Плотникова, 1980). Направленность почвообразовательных процессов значительно отличается в различных природных условиях и наряду с химическими свойствами ТМ определяет разнообразие соединений, способствующих миграции или аккумуляции в почвах, в соответствии с химическими свойствами элементов.
Марганец. По нашим данным, содержание марганца в гумусовом горизонте серых лесных почв колеблется в широких пределах - от 311, 7 до 597,3 мг/кг, среднее - 488 мг/кг, что ниже регионального фона - 684 мг/кг (Убугунов, Кашин, 2004) и выше в аналогичных почвах дельты р. Селенги -250 мг/кг (Сосорова, 2006). Наибольшее количество марганца обнаружено в серой лесной почве на аллювиальных отложениях песчанико-галечниковых (Тункинский р-н), а наименьшее - в серой лесной на рыхлых песчаных отложениях (Кабанский р.н) (табл.5).
Распределение марганца в почвенной толще неоднородно. Обычно этот элемент аккумулируется в верхнем слое почв, где он связывается органическим веществом. Кроме того, он может накапливаться в почвенных горизонтах, обогащенных оксидами и гидроксидами железа. Так, содержание марганца в гумусовом горизонте серых лесных почв выше содержания его в почвообразующей породе, что свидетельствует о биогенном накоплении марганца, где коэффициент аккумуляции (Ка) варьирует от 1,0 до 1,6 (рис.6). И данные М.Т. Копаевой (1971), показали отсутствие коррелятивной зависимости между содержанием марганца в серых лесных почвах и породе, что обусловлено особенностями формирования серых лесных почв под влиянием лесной растительности.
Содержание валового марганца в лугово-черноземных мерзлотных почвах составляет 245,7 мг/кг, что напрямую связано с низким содержанием его в почвообразующей породе - 248,6 мг/кг, Ка=0,98 (рис.6). Вероятно, биогенное накопление его в гумусовых горизонтах лугово-черноземных мерзлотных почв нивелируется за счет выноса в результате ветровой и водной эрозии в условиях горного рельефа
Содержание марганца в исследуемых типах почв ниже валового содержания ПДК. Медь. Содержание валовой меди в горизонте А серых лесных почв составляло от 12,1 до 17,1 мг/кг, среднее содержание - 14,7 (табл.5). Это почти в 2 раза меньше по сравнению со средним количеством в серых лесных почвах СССР по В.В. Ковальскому, А.Г. Андриановой (1970) - 28,9 мг/кг и ниже среднего значения по данным В.Л.Убугунова, В.К.Кашина (2004) - 23,3, что, вероятно, связано со слабокислой реакцией среды в исследуемых серых лесных почвах и вымыванием меди из почвенного профиля.
Немного выше, чем в серых лесных почвах найдено в лугово-черноземных мерзлотных почвах - 23,1 мг/кг, что аналогично литературным данным - 24,0 (Сеничкина, Абашеева, 1986) и обусловлено гранулометрическим составом (табл.5). Так как высокое содержание меди часто обнаруживается в почвах тяжелого гранулометрического состава. (Абашеева, 2002).
Аккумуляция меди в органогенных горизонтах исследуемых почв незначительна, где Ка варьирует от 0,4 до 0,9 (рис.6). Полученные нами результаты по содержанию меди ниже ПДК меди для почв по Иванову (1996). Цинк. В исследуемых серых лесных почвах цинк содержится в аналогичном количестве, как и в среднем в серых лесных почвах СССР (Ковальский, Андрианова, 1970), где среднее содержание его 51 мг/кг. Наибольшее содержание цинка обнаружено в гумусовом горизонте серых лесных почв Бичурской лесостепи - 51,3, а наименьшее - в Тункинской котловине - 40,1 мг/кг. Среднее содержание цинка для исследуемых почв составляет 47,2 мг/кг, что аналогично данным СБ. Сосоровой (2006) для серых лесных почв дельты р. Селенги - 39,8.
В лугово-черноземной мерзлотной почве содержание Zn выше - 58,5 мг /кг при п=3(табл.5). Сеничкиной, Абашеевой (1986) также было отмечено высокое содержание цинка в почвах Еравнинской котловины - до 135 мг/кг. По-видимому, это обусловлено тем, что более тяжелые по гранулометрическому составу почвы содержат больше цинка, чем песчаные и супесчаные. Ка цинка в почве по сравнению с почвообразующей породой варьировал от 0,6 до 1,4 (рис.6). Количество цинка в исследуемых почвах ниже, чем ПДК для почв по Иванову (1996)- 100 мг/кг. Кобальт. В исследованных нами серых лесных почвах содержится от 4,0 до 5,4 мг/кг кобальта, в среднем - 4,6 мг/кг, в лугово-черноземных мерзлотных почвах - 3,8 мг/кг (табл.5). Ка в серых лесных и лугово-черноземных мерзлотных был близок к 1. Низкое содержание кобальта в почвах обусловлено обедненностью почвообразующих пород этим элементом (рис.6). Полученные данные по кобальту были значительно ниже ПДК валового содержания элемента в почвах России - 50 мг/кг (Ильин, Сысо, 2001; Сысо, 2007). Свинец. Наши данные по этому элементу, в сравнении с литературными, свидетельствуют о его более низком содержании, в серых лесных почвах в среднем - 19,2, а в лугово-черноземных мерзлотных - 22,0 мг/кг (табл.5), что немного выше кларка по А.П.Виноградову (1957) - 16 мг/кг.
Коэффициент аккумуляции свинца свидетельствует о его техногенном накоплении, так как Ка варьирует от 1,5 и более (рис.6). Наши данные не превышали значений ПДК для почв - 32 мг/кг (Иванов, 1996), но выше кларка для почв мира (Кабата-Пендиас, 1989) Никель. В исследуемых почвах никель представлен в серых лесных в среднем 16,6, в лугово-черноземных мерзлотных - 17,4 мг/кг (табл.5). Ка изученных почв свидетельствует о небольшой миграции никеля из пород в почву, что, возможно, связано с адсорбцией никеля Fe и Мп, минералами типа монтморилонита, а также нейтральной и слабокислой реакцией среды. В нейтральной и окислительной средах никель слабоподвижен, а в резко восстановительной среде он инертен (Перельман, 1989) (рис.6). Полученные цифры ниже ПДК валового содержания, что свидетельствует о нормальном экологическом состоянии исследуемых почв в отношении никеля.
Тяжелые металлы в фитомассе
Будучи важной составной частью живого вещества, растительность участвует в процессах миграции и превращения различных химических на поверхности Земли. Действенность участия растительности в этом процессе зависит от количества поглощаемых ею химических элементов. По мнению В.И. Вернадского (1960), растительность - наиболее могущественная сила биогеохимических процессов трансформации веществ в биосфере. Поглощая химические элементы из почвы, почвообразующих пород, грунтовых вод и атмосферы, растения перемещают их из одних объектов ландшафта в другие, резко изменяя скорость круговорота в природе. При этом растения изменяют формы нахождения элементов в окружающей среде.
Изучение элементного состава растений необходимо для более полной характеристики распределения химических элементов в природных и антропогенных ландшафтах, поскольку растения являются важнейшим звеном биологического круговорота веществ. Растительность как фактор почвообразования существенным образом влияет на элементный состав почв, в частности органического вещества и почвообразующей породы.
Как следует из трудов А.П. Виноградова (1962), количественное соотношение элементов, свойственное горным породам и почвенному покрову, частично сохраняется и в растительности.
Анализ полученных нами данных показывает, что преобладание марганца над остальными ТМ, возникшее в горных породах, передалось через почвы растениям. Хром и цинк, количество которых в горных породах было значительно меньшим, чем марганца, но большим, чем остальные ТМ, также сохранили свое положение в растительности. В целом же, если расположить ТМ по величине их содержания в почвообразующей породе, то образуется ряд следующего содержания: Мп Сг Zn Ni Си Pb Со Cd, который повторяется затем в почве и растениях.
Марганец. Для растений относительно доступен только двухвалентный марганец, в частности оксид марганца (МпО), достаточно подвижное и в то же время вполне устойчивое соединение в восстановительной среде (Пейве, 1961).
По нашим данным, содержание марганца в надземной массе растительности изменялось в пределах от 50,5 мг/кг в растительности Бичурской лесостепи до 133,8 мг/кг в растительности Тункинской котловины. И. И. Жарниковым (1973) отмечено, в растениях на увлажненных почвах, количество марганца повышено. В целом, количество марганца в разнотравно-злаковой растительности на лугово-черноземной почве было ниже, чем в среднем по злаково-разнотравной растительности на серой лесной почве. Вероятно, это связано с концентрацией марганца древесной растительностью, нежели травянистыми видами (табл.7). Так Л.Я.Леванидов, изучая растительность Южного Урала, нашел, что по содержанию марганца растения делятся на мангалофилы и неманганофилы. к первым относится древесная растительность (в частности, береза), ко вторым - травянистая растительность луговой степи (цит.: Ильин, 1973).
Подземная масса растительности удерживает значительное количество марганца, предотвращая поступление его в надземную массу. Марганец в надземную массу поступает по цепи порода - почва - подземная масса - надземная масса. Количество марганца в подземной массе растительности Прибайкальской лесостепи было больше, чем в почвах, что, вероятно, обусловлено ботаническим составом, наличием осоки лесной. Так по данным М.Г.Меркушевой (2003) особенностью химического состава надземной фитомассы болотистых лугов было очень высокое содержание Мп, что связано с преобладанием в травостое осок, которые являются его концентраторами.
Медь. Обменная медь в почве в форме двухвалентного катиона поглощается органическими и минеральными коллоидами, глинистыми минералами почв. Поглощенная органическим веществом медь трудно вымывается, поэтому доступность ее растениям существенно снижается (Пейве,1961). Все другие формы меди практически недоступны растениям.
Среднее содержание элемента в растениях равно 2 мг/кг, при колебании от 1,5 до 8,1 мг/кг сухого вещества, сосредоточен он преимущественно в хлоропластах (Абашеева, 2002). По нашим данным медь найдена в пределах 4,6-5,9 мг/кг сухого вещества. Для удовлетворения потребности животных в меди необходимо, чтобы уровень ее в кормах достигал 6-12 мг/кг (Жарников, 1973). В связи с этим растительность исследуемых территорий содержит недостаточное количество меди, в среднем - 5,0 мг/кг. По значению КБП медь можно отнести к элементам сильного биологического накопления, в корневой массе медь накапливается более интенсивно. Накопление меди в растительности на единицу площади зависит от биологической продуктивности и от уровня содержания его в растениях. Максимальным накоплением на единицу площади надземной массой характеризуется травянистая растительность Тункинской котловины, а подземной массы - растительность Бичурской лесостепи (табл.8).
Цинк. Содержание цинка в растениях зависит от типа почвы, на которой они произрастают. При отсутствии цинка в питательной среде растения развиваться не могут и погибают вскоре после появления всходов, несмотря на наличие всех других элементов питания. Недостаток цинка наблюдается чаще всего на песчаных и супесчаных почвах, на карбонатных почвах и почвах, содержащих большое количество медленно разлагающегося органического вещества, а также на малоплодородных и старых выпаханных почвах.
Наши данные по количеству цинка в надземной массе растительности составляли 30,0 - 38,3 мг/кг. Это находится на уровне фонового содержания цинка (12-47 мг/кг) в растительности разных стран мира (Кабата-Пендиас, 1989), но выше среднего количества цинка в растениях Забайкалья - 20 мг/кг (Кашин, 1999). По содержанию цинка в подземной массе выявлена корреляционная зависимость от содержания в почве, характерная для меди и хрома (табл.9).
Среднее содержание цинка в растениях колеблется в пределах 15-22 мг/кг сухого вещества (Абашеева, 2002). Количество цинка в кормах Бурятии находится на уровне 5-50 мг/кг (Жарников, 1973). По данным В.К.Кашина, Г.М. Иванова (1996), в Забайкалье в злаковых культурах содержание цинка колеблется в пределах 12-24 мг/кг; в бобовых культурах -14-24 мг/кг при норме 40 мг/кг. По данным КБП цинк относится к элементам сильного биологического накопления. Не выявлено больших различий в КБП между надземной и подземной массой растений, что свидетельствует о том, что цинк интенсивно накапливается различными органами растений. Значительно более высокие различия отмечались в накоплении цинка фитомассой на единицу площади (г/га), что обусловлено условиями почвообразованиями (табл.9). Максимальным накоплением цинка на единицу площади надземной массой характеризуется травянистая растительность Тункинскои котловины, а подземной массы - растительность Прибайкальской лесостепи.
