авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Т.А. Трифонова

Л.А. Ширкин

Н.В. Селиванова

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ЛАНДШАФТОВ

Владимир 2007

1

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Т.А. ТРИФОНОВА, Л.А. ШИРКИН, Н.В. СЕЛИВАНОВА

Эколого-геохимический анализ

загрязнения ландшафтов Владимир 2007 2 УДК 550.4 ББК 26.301 Рецензенты:

Заведующий кафедрой общего земледелия факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, г.Москва доктор биологических наук, профессор Балабко П.Н.

Печатается по решению Головного совета по инновационной образовательной программе Трифонова Т.А., Ширкин Л.А., Селиванова Н.В.

Эколого-геохимический анализ загрязнения ландшафтов.

– Владимир: ООО «Владимир Полиграф», 2007. – 170 с.

ISBN 958-5-903044-17- Работа посвящена эколого-геохимическому анализу техногенной миграции и трансформации тяжлых металлов в ландшафтах. Отражены различные аспекты оценки и управления экологическими рисками на основе комплекса экспериментальных и прогнозно аналитических методов исследования.

УДК 550. ББК 26. © Трифонова Т.А, Ширкин Л.А., ISBN 958-5-903044-17- Селиванова Н.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ.............................................. 1.1. Методика оценки устойчивости почв к миграции и трансформации тяжлых металлов........................................................... 1.2. Прогнозно-аналитическое исследование устойчивостисти почв к миграции и трансформации тяжлых металлов..................................................................................................... 1.3. Экспериментальное исследование миграции и трансформации тяжлых металлов из промышленных отходов в почвах....................................................................................... 1.4. Выводы к главе................................

................................................... ГЛАВА 2. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОЧВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАЗЕМНЫХ МЕТОДОВ ЗОНДИРОВАНИЯ................................................ 2.1. Объекты и методы исследования..................................................... 2.2. Оценка состояния почв наземными методами зондирования в комплексе с прогнозно-аналитическими методами: анализ распределения металлов в пахотном слое почв............................................................................................................. 2.3. Оценка миграционных свойств почв экспериментальными методами исследования...................................... 2.4. Выводы к главе................................................................................... ГЛАВА 3. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КРУПНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ПРЕДПРИЯТИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА................................................ 3.1. Разработка системы экотоксикологического мониторинга на крупном агропромышленном предприятии............. 3.2. Экотоксикологическая оценка воздействия на окружающую природную среду на примере птицеводческих комплексов............................................................................................... 3.3. Оценка состояния окружающей среды в районе деятельности крупных промышленных предприятий с применением комплекса прогнозно-аналитических методов исследований........................................................................................... 3.4. Выводы к главе................................................................................. ГЛАВА 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЭКОСИСТЕМ МАЛЫХ РЕК.................................................................................................................... 4.1. Оценка экологического состояния малых рек.............................. 4.2. Оценка предельно-допустимой техногенной нагрузки на водотоки малого речного бассейна....................................................... 4.3. Выводы к главе................................................................................. ЛИТЕРАТУРА................................................................................................. ВВЕДЕНИЕ Экологическая геохимия – это научная дисциплина, в рамках которой формируются принципы геохимического мониторинга окружающей среды, выявляются техногенные изменения геохимического фона биосферы в целом и отдельных эколого-геохимических систем, их влияние на природную среду и на человека. Основной предмет изучения – это миграция и трансформация веществ, химических элементов в эколого геохимических системах. При этом рассматриваются следующие аспекты:

1) Экогеохимия систем. Ландшафт как эколого-геохимическая система.

Общие особенности миграции. Миграция химических элементов в различных ландшафтах. Характеристика механической, физико химической, биогенной и техногенной миграции.

2) Экогеохимия процессов. Типы элементарных и геохимических ландшафтов (эколого-геохимических систем), условия и факторы миграции. Закономерности и особенности поведения парагенных ассоциаций элементов в современных природных и техногенных ландшафтах и средах. Техногенная миграция и устойчивость геосистем.

3) Экогеохимия элементов. Геохимия отдельных химических элементов и их групп в разных процессах и системах (природных и техногенных). Почвогеохимия.

В экологическо-геохимических исследованиях привлекаются методы и понятия, используемые в геохимии ландшафта, биогеохимии, экологии и химии почв (раздел почвоведения), экотоксикологии. Эти научные направления непосредственно изучают миграцию и трансформацию веществ, химических элементов, но с различных методологических позиций. Тем не менее, как отмечает В.В. Добровольский, в настоящее время разграничение биогеохимических, эколого-геохимических, почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических исследований весьма условно (Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М., 1998). Для изучения и интерпретации химического состава компонентов ландшафтов и потоков вещества используются представления современной химии:

физической химии, неорганической и органической химии в комплексе с методами химического и физического анализа.

Имея собственную теорию, методы и сферу приложения, экологическая геохимия в значительной степени использует теорию и практику смежных наук: кроме современной химии, это география почв (катенарный подход, зонально-провинциальная дифференциация почвенного покрова, почвенно-географическое картографирование и районирование), биогеография (география растений, геоботаника), геоморфология (водосборные бассейны, склоновые процессы), палеогеография (эволюция природы в кайнозое), гидрология суши (гидрохимия, учение о стоке), климатология (микроклимат, водный и тепловой баланс, радиация, температура, осадки, испарение и др.), картография и геоинформатика (экологическое картографирование), экотоксикология.

При изучении геохимических аспектов взаимодействия природы и общества используются данные экономической географии, экономики:

потоки сырья и готовой продукции, технологические циклы, размещение производства, экономическое районирование, эколого-экономические аспекты и др.

Особое место в монографии уделено миграции и трансформации соединений тяжлых металлов (ТМ). Острота экологических проблем вызвала необходимость изучения техногенной миграции ТМ, однако уровень теоретического обобщения существенно отстат от накопления фактического материала. В монографии отражены результаты исследований по техногенной миграции тяжлых металлов в природных и техногенных ландшафтах, водных экосистемах.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ 1.1. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ Большинство ландшафтов относится к централизованным системам, для которых характерен структурный центр, играющий ведущую роль в формировании потоков химических веществ, энергии, информации. В природном ландшафте таким центром является почвенный покров (а именно его органогенные, гумусоаккумулятивные горизонты). Поэтому устойчивость почв к техногенной трансформации и миграции тяжлых металлов необходимо рассматривать неразрывно с устойчивостью ландшафта, являющегося эколого-геохимической системой.

К пониманию такого комплексного подхода к оценке устойчивости почв подошли многие авторы (Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., 1989;

Сает Ю.Е., Ревин Б.А., Янин Е.П., 1990), однако практическое наполнение он получил в исследованиях Н.С. Касимова, М.А. Глазовской, В.В.

Доброволоьского, А.И. Перельмана, Н.П. Солнцевой по техногенным ландшафтам («Экогеохимия городских ландшафтов» под ред.

Н.С. Касимова). Здесь вводится понятие эколого-геохимической оценки состояния территории. Авторы использовали разнообразные методические подходы: применялись частные и специальные методы мониторинга и оценки качества среды, в основном базирующиеся на индикационных свойствах отдельных компонентов ландшафта. Почва ими рассматривается как депонирующая среда, в которой накапливаются и преобразуются продукты техногенеза. Используемые при экологической оценке методы в значительной степени связаны с изучением имиссии поллютантов, то есть их реального привноса и распределения в депонирующих природных средах. Однако эти методики дают мало информации о техногенной трансформации и миграции элементов в почвенном покрове, о характере и механизмах процессов их перераспределения, и, как следствие, слабо развита прогнозная функция: прогноз ответной реакции ландшафта на техногенный привнос элементов, прогноз вторичного загрязнения и соотношения элементов в миграционных потоках.

Предлагаемая комплексная эколого-геохимическая оценка устойчивости почв состоит из нескольких последовательных взаимосвязанных этапов, блоков информации: выделение элементарного ландшафта, анализ факторов формирования и размещения элементарного ландшафта, почвенно-экологический, ландшафтно-геохимический, биогеохимический анализ (рис. 1.1).

ЭТАПЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТ Данные обследований Выделение природно-тер- Элементарный эколого риториальных комплек- геохимический ландшафт территории.

Выделение элементарного сов, в пределах которых (система).

ландшафта выдерживается относи тельная однородность… Картографические мате- Независимые факторы: Условия почвообразова риалы, геоморфологиче- 1. Рельеф. ния: описание рельефа, Факторы формирования и ское районирование, дан- 2. Геологическое строе- геологического строения размещения элементарно- ные геологических обсле- ние. (почвообразующая поро 3. Климатические усло- да), климатические усло дований… го ландшафта вия. вия (степень увлажнения) Результаты анализа фак- Морфологические и фи- Условия перераспределе торов формирования и зико-химические харак- ния элементов: механиче Почвенно-экологический размещения ландшафта, теристики почвенного ский состав, содержание анализ данные почвенных обсле- профиля, техногенез (аг- органического вещества, дований территории. ротехногенез). pH и т. д.

Факторы формирования Классификация ЭЛ. Гео- 1. Геохимические барье элементарного ландшаф- химическая миграция ры.

Ландшафтно- та, данные почвенно- элементов (R- и L-анализ). 2. Геохимическая фор геохимический анализ Выделение и описание мула элементарного экологического анализа.

геохимических барьеров. ландшафта.

Данные ландшафтно- Типоморфные и индика- 1. Биогеохимические геохимического анализа, торные элементы. Оценка барьеры.

Биогеохимический анализ данные о миграции эле- интенсивности водной 2. Биогеохимическая ментов из почвообразую- миграции и биологиче- формула элементарно щей породы. ского поглощения. го ландшафта.

Выводы о миграционной способно сти элементов в ландшафте.

Рис. 1.1. Схема эколого-геохимической оценки устойчивости ландшафта к трансформации и миграции тяжлых металлов На основании полученных результатов делается вывод об устойчивости почв к техногенной трансформации и миграции тяжлых металлов.

Данный подход основан на выявлении взаимообусловленных ландшафтно-геохимических (абиогенных), биогеохимических (биогенных), а также техногенных факторов миграции химических элементов и позволяет дать комплексное описание ландшафта, прогнозировать трансформацию и миграцию микроэлементов и качественно охарактеризовать устойчивость почв к химическому загрязнению на макроуровне – на уровне ландшафта.

1.1.1. Выделение элементарного ландшафта Процедура выделения элементарного ландшафта заключается в локализации участка, в пределах которого выдерживается относительная однородность: одинаковый рельеф и горная порода, один и тот же микроклимат, однотипные почвы и растительность. Элементарный ландшафт в свом типичном проявлении должен представлять один определнный тип рельефа, сложенный одной породой (или наносом) и покрытый в каждый момент своего существования определнным растительным сообществом. Все эти условия создают определнную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами (Полынов Б.Б., 1953).

Такой участок можно рассматривать как элементарную эколого геохимическую систему, то есть как самый мелкий природно территориальный комплекс, в котором все компоненты комплекса – почвообразующие породы, почвы, поверхностные и грунтовые воды, живые организмы, атмосфера – связаны циклическими процессами обмена вещества.

1.1.2. Факторы формирования и размещения элементарного ландшафта Геологическое строение, рельеф и климатические условия – это основные независимые факторы формирования и размещения природных геохимических ландшафтов.

а) Климатические условия. Роль климата в первую очередь определяется его влиянием на биологический круговорот элементов: чем теплее и влажнее климат, тем больше накапливается живого вещества, тем энергичнее минерализация органических веществ, больше неравновесность и самоорганизация ландшафтов. Климат определяет размещение типов, отделов, семейств и частично классов геохимических ландшафтов. Одним из важных климатических показателей является среднегодовой коэффициент относительной увлажннности, равный отношению суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.

Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают степень увлажнения территорий и влияние величины радиационного баланса на биологический круговорот элементов. Это, в конечном счете, определяет интенсивность водной и биологической миграции элементов в ландшафте.

б) Геологическое строение. Влияние геологического строения на формирование ландшафта и миграцию химических элементов осуществляется главным образом через почвообразующие породы (а также через тектонику). Геологическая история почвообразующей породы определяет геохимические особенности ландшафтов. Здесь необходимо учитывать как валовое содержание микроэлементов (ТМ) в породе, так и подвижные компоненты (типоморфные элементы): растворимые соли, обменные катионы, некоторые минеральные коллоиды.

в) Рельеф. На размещение элементарных ландшафтов большое влияние оказывает мезо- и микрорельеф. Здесь необходимо рассматривать влияние рельефа на соотношение механической и химической денудации, на водообмен и окислительно-восстановительные процессы, на степень гетеролитности ландшафта.

г) Растительное сообщество участвует во взаимодействии компонентов ландшафта: почвенный покров – поверхностные и грунтовые воды – кора выветривания. То есть, помимо выше перечисленных факторов, биогенный фактор также играет определнную роль в формировании геохимического ландшафта, поэтому в ряде случаев возможно привлечение данных, характеризующих биологический круговорот: тип растительного сообщества и его геохимическая специализация, видовой состав, биомасса, прирост, опад и т. д.

Примы анализа факторов формирования и размещения элементарного ландшафта представлены в ряде работ А.И. Перельмана, Н.С. Касимова, В.В. Добровольского.

Климатические, геологические, рельефные и биологические характеристики определяют условия современного почвообразования и параметры состояния почвенного покрова, которые рассматриваются на этапе почвенно-экологического анализа.

1.1.3. Почвенно-экологический анализ Почва – это специфический компонент ландшафта, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в приземный слой атмосферы, поверхностные и грунтовые воды и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшее поведение зависит от е геохимических и физических свойств.

Почвы представляют собой гетерогенные смеси различных органических и органоминеральных субстанций, глинистых минералов, оксидов Fe, Al и Mn и других тврдых компонентов, а также разнообразных растворимых веществ. Поэтому механизмы связывания тяжлых металлов в почвах многообразны и меняются в зависимости от состава почв, их реакционной способности и окислительно восстановительных условий. Так как подвижность тяжлых металлов зависит от содержания в почве тонкодисперсных частиц, оксидов железа, марганца и алюминия, содержания и типа гумуса, от реакции среды (pH), то необходимо дать описание морфологических и физико-химических характеристик почвенного профиля.

Выбор параметров экологического состояния почв определяется спецификой их местоположения, генезисом, буферностью, а также разнообразием их использования. Выявление видов деятельности, вызывающих загрязнение почвы, дат более полное представление о масштабе и степени загрязнения на обследуемой территории и позволяет значительно сузить и конкретизировать число показателей.

Морфологический и физико-химимический анализ почвенного профиля, а также данные по распределению рассеянных элементов позволяют определить параметры состояния почвы. В качестве основных параметров состояния почвы могут рассматриваться:

– положение в ландшафте (элювиальном, транзитном, аккумулятивном);

– водно-физический режим (промывной, непромывной, периодически промывной);

– гранулометрический состав;

– гумус, содержание C и мощность гумусового горизонта;

– кислотность – pH;

– катионообменные свойства;

– крутизна склона.

Эти показатели были предложены в работе В.В. Снакина, И.О. Алябиной, П.П. Кречетова, В.Е. Мельченко, Е.В. Моргуна («Оценки состояния и устойчивости экосистем», 1992) и включают как свойства собственно почв, так и некоторые факторы внешней среды (признаки антропогенного воздействия). Они отражают сложившиеся ландшафтно геохимические условия и процессы, определяющие поведение элементов и являющиеся предметом ландшафтно-геохимического анализа.

1.1.4. Ландшафтно-геохимический анализ Ландшафтно-геохимический анализ – изучение распределения и потоков химических элементов (веществ) в компонентах ландшафта, а также ландшафтно-геохимических условий, определяющих поведение элементов в различных окислительно-восстановительных, щелочно кислотных и других обстановках.

Сначала на основе предыдущих этапов анализа необходимо дать геохимическую классификацию ландшафтов. Так, например, в систематике природных (или техногенно-природных) элементарных ландшафтов по А.И. Перельману выделяются восемь таксонов: ряд, группа, тип, отдел, семейство, класс, род, вид. Классификация позволяет охарактеризовать ландшафтно-геохимические условия, а также оценить значение ряда химических элементов: их содержание в среде, интенсивность миграции и способность к концентрации.

Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении, что создат радиальную геохимическую структуру (R-анализ). А отношения химических элементов в катенах характеризуются латеральной геохимической структурой – инвариантными связями геохимически сопряжнных систем типа автономный ландшафт – подчиннный ландшафт (L-анализ). Таким образом выделяются радиальная и латеральная структуры, требующие описания характера взаимоотношений химических элементов между компонентами ландшафта, роли и места геохимических барьеров. Степень передвижения химических элементов обусловливается наличием механических, физико-химических, биогеохимических барьеров. В случае техногенного накопления на геохимических барьерах тяжлых металлов даже в слабоподвижных формах либо потоки веществ очищаются, ограничивая сферу загрязнения, либо нарушается геохимическая устойчивость систем, и они загрязняются.

Рассматриваемые ландшафтно-геохимические условия миграции химических элементов отображаются формулой. Формула представляет дробь, в числителе которой указан класс водной миграции ландшафта (кислый, кислый-глеевый, кальциевый и др.), а в знаменателе – индексы геохимических барьеров (классификация А.И. Перельмана). Здесь наибольший интерес представляют барьеры, расположенные вблизи структурного центра ландшафта, так как они контролируют потоки химических веществ и, в конечном счте, определяют устойчивость почв к загрязнению микроэлементами.

Процессы перераспределения химических элементов в элементарном ландшафте выражаются геохимической формулой. Формула имеет вид неправильной дроби. На месте целого числа в квадратных скобках указывается класс ландшафта, в числителе – мигрирующие элементы (в скобках – предположительно мигрирующие), в знаменателе – элементы, осаждающиеся на геохимических барьерах (в скобках – преимущественно осаждающиеся). После дроби указываются элементы, мигрирующие и осаждающиеся в равной степени.

Основы ландшафтно-геохимического анализа наиболее полно изложены А.И. Перельманом и Н.С. Касимовым в учебном пособии «Геохимия ландшафта», а также в работах М.А. Глазовской.

Ландшафтно-геохимический анализ дат представление о распределении химических элементов в геохимическом ландшафте, об их поведении в природных растворах, состояние и взаимопереходы которых определяются законами термодинамики, физической химии. Однако миграция и распределение химических элементов в ландшафте зависит также и от биогенных факторов, где движущей силой служит деятельность организмов. Вклад биогенных факторов в миграцию элементов и оценка ответной реакции эколого-геохимической системы на техногенез входит в задачи биогеохимического анализа.

1.1.5. Биогеохимический анализ Биогеохимический анализ – это анализ ответной реакции организмов на природные геохимические процессы или на техногенез на молекулярном и атомарном уровнях, заключающийся в выявлении биогеохимических аномалий.

На начальном этапе необходимо дать биогеохимическую классификацию элементарных ландшафтов, основой которой может быть учение о биогеохимических провинциях. То есть необходимо установить принадлежность исследуемых элементарных ландшафтов к тем или иным биогеохимическим провинциям и дать их классификацию. Классификация биогеохимических провинций позволяет охарактеризовать естественные биогеохимические процессы и аномалии. Ландшафтно-геохимическая систематика биогеохимических провинций включает три таксона: тип, класс, вид. В основу двух высших таксонов А.И. Перельманом положены такие критерии, как состав типоморфных элементов и геохимические свойства природных вод. От геохимических особенностей вод зависит дефицит и избыток элементов, биогеохимические эндемии. При выделении третьего таксона систематики – видов биогеохимических провинций используется критерий, предложенный А. П. Виноградовым и принятый В. В. Ковальским – дефицит или избыток химических элементов.

Содержание каждого элемента относительно почвообразующей породы оценивается величиной кларка концентрации КК. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в водную миграцию и биологический круговорот. Эти миграции количественно характеризуются показателями перераспределения химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью (Кб) и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой (Кв). Таким образом, интенсивность вовлечения химических элементов в циклическую миграцию в эколого-геохимической системе может быть охарактеризована специальными показателями – ландшафтно-геохимическими коэффициентами: кларк концентрации, коэффициент биологического поглощения, коэффициент водной миграции и т. д.

На основе этих показателей элементарный ландшафт может быть охарактеризован биогеохимической формулой. Биогеохимическая формула имеет вид неправильной дроби. На месте целого числа указывается типоморфный элемент, в скобках после него – растворнный в воде газ. В числителе указываются индикаторные рассеянные элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше коэффициента водной миграции, в знаменателе – элементы с обратными соотношениями Кб и Кв.

Для отличия автономного элементарного ландшафта от подчиннного в формуле последнего над типоморфным элементом ставится знак *. Таким образом, посредством биогеохимической формулы выделяются две основные для данного ландшафта группы элементов, способствующие геохимическому сопряжению: первая – наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая – в водную миграцию.

Особое место среди природных геохимических барьеров занимают биогеохимические барьеры – участки уменьшения интенсивности биогенной миграции: гумусовые горизонты, торф, концентрации элементов в телах организмов и растений и т.д. Их выделение и описание также входит в биогеохимический анализ. Однако главным биогеохимическим барьером в природном и техногенно-природном ландшафте являются, как правило, верхние органогенные горизонты почв.

Согласно В.Д. Васильевской, основную роль в поддержании устойчивости почв к техногенезу играют органогенные, гумусоаккумулятивные горизонты.

Основы биогеохимического анализа изложены Добровольским В.В. в учебном пособии «Биогеохимия».

Полученные результаты анализа факторов формирования и размещения ландшафта, почвенно-экологического, ландшафтно геохимического и биогеохимического анализа позволяют сделать вывод об устойчивости ландшафта к техногенной трансформации и миграции тяжлых металлов (и других микроэлементов).

1.1.6. Выводы Почвы – это особенно неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы. Устойчивость почв – это та часть общей устойчивости эколого-геохимической системы, которая обеспечивает восстановление е нормального функционирования.

Суммируя результаты, полученные на предыдущих этапах анализа, можно качественно охарактеризовать устойчивость почв на уровне элементарного ландшафта (табл. 1.1.1) и дать прогноз техногенной трансформации и миграции ТМ.

Таблица 1.1. Анализ устойчивости почв к химическому загрязнению тяжлыми металлами Блок Результат Факторы неустойчивости Выделение (локализация) Структура ландшафта тесно территориальных комплексов, связана с информацией: чем в пределах которых выдержи- больше в нм ярусов, гори вается относительная одно- зонтов, природных тел, тем родность: одинаковый рельеф он разнообразнее, т. е. обла Выделение и горная порода, один и тот дает большим количеством элементарного же микроклимат, однотипные информации. И наоборот – ландшафта почвы и растительность – чем менее разнообразнее элементарная эколого-геохи- ландшафт, тем меньше сво мическая система. бодной энергии, тем ниже ус тойчивость почвенного по крова.

Параметры почвообразующей Факторы, обусловливающие породы, степень и режим ув- низкий уровень когерентно лажнения территории, влия- сти и самоорганизации ланд ние мезо- и микрорельефа на шафта: 1) Гетеролитность водообмен, окислительно- ландшафта, наличие разло восстановительные и ще- мов. 2) Высокая степень рас лочно-кислотные условия. членнности, холмистый или Анализ факторов полого-холмистый рельеф, формирования и положение в аккумулятивном размещения ландшафта ландшафте, крутизна склона.

3) Аридность климата. 4) Не промывной или периодически промывной водно-физиче ский режим. Техногенный (фоновый) привнос микро элементов. 5) Низкая интен сивность бика.

Структура почвенного про- 1) «Неразвитая» слабоконтра филя, морфологические и фи- стная структура почвенного зико-химические характери- профиля (неотчтливая рас Почвенно- стики, распределение микро- членнность на горизонты) с экологический анализ элементов. ослабленными биокосными связями. 2) Лгкий грануло метрический состав (мине ралы) и т. д. 3) Малая мощ Блок Результат Факторы неустойчивости ность органогенного гори зонта. 4) Признаки техноген ной и эрозионной нарушенно сти почвенного профиля.

Геохимические барьеры, гео- 1) Преобладание механиче химическая формула элемен- ской денудации над химиче тарного ландшафта ской. 2) Кислая окислитель ная обстановка. 3) Отсутствие выраженных природных ме ханических и физико-химиче ских барьеров. 4) Совмещн Ландшафтно- ность (комплексность) геохи геохимический анализ мических барьеров и их бли зость к центру ландшафта. 5) Элементы, аккумулирую щиеся на этих барьерах, пред ставляют наибольшую опас ность, как и элементы, ак тивно мигрирующие и не за держивающиеся на барьерах.

Биогеохимические барьеры, Основную роль в поддержа биогеохимическая формула нии устойчивости к техноге элементарного ландшафта незу играют органогенные и гумусоаккумулятивные гори зонты почв, поэтому факто рами неустойчивости явля ются: 1) Контрастность био геохимического барьера (ор ганогенные горизонты), вы Биогеохимический раженное биоаккумулятивное анализ распределение ряда индика торных элементов. 2) Микро элементы, в наибольшей сте пени склонные аккумулиро ваться на этом биогеохимиче ском барьере, представляют опасность как поллютанты. 3) Замедленность движения масс элементов в живом веществе.

При составлении таблицы по оценке устойчивости почв к миграции и трансформации тяжлых металлов использовались принципы и положения, изложенные в работах:

– Перельман А.И., Касимов Н.С. «Геохимия ландшафта», 2000.

– Добровольский В.В. «Основы биогеохимии», 1998.

– «Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв». Под ред.

Д.С. Орлова, В.Д. Василевской. 1994 г.

– Васильевская В.Д. Роль почвы и почвенного покрова в устойчивости экосистем тундры. // Экология и почвы. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1998.

– Васильевская В.Д. Оценка устойчивости тундровых мерзлотных почв к антропогенным воздействиям. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17.

Почвоведение. 1996. №1. с. 27 – 35.

Приведнная схема анализа позволит прогнозировать трансформацию и миграцию тяжлых металлов в почвенном покрове, а также оценить отклик ландшафта на техногенное загрязнение.

1.2. ПРОГНОЗНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИСТИ ПОЧВ К МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ 1.2.1. Факторы формирования и размещения исследуемых элементарных геохимических ландшафтов Геологическое строение, рельеф и климатические условия – это основные независимые факторы формирования и размещения природных геохимических ландшафтов.

Полигоны №1 и № Полигоны №1 и №2 расположены на территории Владимирского Ополья. В геоморфологическом отношении Ополье представляет собой средневысотную равнину с абсолютными высотами 200 – 250 м над уровнем моря, сильно изрезанную густой овражно-балочной сетью.

Коренными породами являются меловые отложения (трепел, песчаные и слюдянистые глины). Под ними на глубине 100 – 200 метров залегают известняки карбона. Размытая поверхность меловых пород Ополья перекрыта отложениями днепровской морены (в среднем ~ 10 м), плащеобразное залегание которой, как и отсутствие краевых форм, объясняется особенностями продвижения ледника. Четвертичные отложения Ополья имеют ледниковое происхождение, к ним относятся валунные, переходные и лессовидные суглинки и глины.

Почвообразующие породы представлены лессовидными покровными суглинками последнего валдайского оледенения. Они желто-бурого цвета, тяжелые по механическому составу, содержат на некоторой глубине многочисленные известковые конкреции типа журавчиков. Мощность этих отложений 2,0 – 2,5 м.

Лессовидные породы относят к коре выветривания, которая формировалась в четвертичном периоде в условиях сухого холодного климата. Они отлагались в ледниковые эпохи и образовались в результате мерзлотных процессов – попеременного промерзания и протаивания. С этим связывают формирование пористости, призматических отдельностей.

Лессовидные породы несут следы почвенных процессов, в форме следов корней и стеблей, гумуса, по составу, близкому к гумусу современных пустынных почв (в среднем около 0,3 %), агрегированности.

Согласно современным представлениям лессовидная порода не только эоловое отложение, но и ископаемая почва ледниковых эпох, причм почвообразование происходило одновременно с осадкообразованием. В результате выветривания и почвообразования лессовый материал создавался в виде пылеватой карбонатной фракции, весьма характерной для районов аридного климата. При переотложении водой и ветром данного материала образуется плащ лессовидных суглинков, являющихся почвообразующей породой для почв Ополья. В пределах всего ареала Ополья лессовидные суглинки представляют собой пластообразную залежь выдержанной мощности (в среднем 3 – 5 м), перекрывающую все формы рельефа. По-видимому, денудация не оказала существенного влияния на толщу покровных суглинков, что и обусловило сохранность в почвенных профилях признаков начальных этапов почвообразования.

В геохимическом отношении лессовидные суглинки Ополья аналогичны обызвесткованной коре выветривания: все карбонатные коры выветривания и континентальные отложения относятся к кальциевому классу.

Почвообразующая порода отличается повышенным содержанием Fe, Cr, Ni, Co (табл. 1.2.1).

Таблица 1.2. Кларки микроэлементов почвообразующей породы Владимирского Ополья* Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr Среднее содержание, 0,0011 0,0061 0,0009 0,0047 0,0012 4,9050 0,0701 0, % * – рассчитано по данным ВНИИСХ Грунтовые воды залегают сравнительно неглубоко (1,5 – 5,0 м) и характеризуются жесткостью.

Для данных ландшафтов характерно чередование участков смешанных, «реликтовых» широколиственных лесов и луговых степей. В результате хозяйственной деятельности большинство лесов сведено и только почвенный покров (серые лесные почвы) позволяет судить о более широком распространении лесов в прошлом. В геохимическом отношении эти ландшафты несут в себе черты, как широколиственных лесов, так и луговых степей.

Полигон № Третий полигон расположен в принерлинском округе Нерльско Клязьминской низины, которая представляет собой слегка всхолмленную равнину, местами заболоченную, понижающуюся к востоку. По характеру рельефа напоминает Ополье, но отличается меньшими абсолютными высотами – 100 – 120 метров.

Ландшафты сложены преимущественно бескарбонатными четвертичными отложениями – валунными и другими суглинками.

Геохимическая особенность данных отложений – это бедность Ca и Mg, низкое содержание Mn. Кварцевые пески имеют флювиогляциольное или древнеаллювиальное происхождение, они образовались преимущественно за счет размыва морены и почти на 98 % состоят из SiO2. Характерна малая мощность коры выветривания, которая практически совпадает с почвой.

Интенсивно изменнные горизонты обычно залегают в пределах 0,5 м, общая мощность продуктов почвообразования и выветривания редко превышает 1,5 м. В разрушении пород физическое выветривание явно преобладает над химическим, чем объясняется «обломочность» профиля, преобладание частиц более 1 мм. Глинообразование протекает слабо, и мелкоземлистые продукты выветривания представлены главным образом лгкими суглинками. Содержание P, K, Ca и др. биологически важных элементов в ландшафтах невелико, чем и определяется физико географическое и геохимическое своеобразие ландшафтов Нелрльско Клязьминской низины. Это плоские равнины, на которых автономные ландшафты – сосновые и смешанные леса чередуются с заболоченными участками, поймами, реками и озрами. Среди древесных пород преобладает сосна как более приспособленная к бедным песчаным почвам.

Растительность приспосабливается к дефициту водных мигрантов, вырабатывая формы, довольствующиеся малым… Таким образом, почвообразующими породами служат позднеледниковые суглинистые и песчаные отложения с многочисленными «обломочными» включениями (табл. 1.2.2).

Таблица 1.2. Кларки микроэлементов почвообразующей породы (ориентировочные значения) Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr Среднее содержание, 0,0048 0,0007 0,0000 0,0011 0,0000 1,3000 0,0187 0, % Почвенный покров здесь представлен преимущественно легкосуглинистыми и супесчаными разновидностями дерново сильноподзолистых почв. На повышенных участках, сложенных песками и занятых сосновыми борами, преобладают боровые слабооподзоленные пески. В геохимическом отношении эти ландшафты несут в себе черты южнотажного семейства – ландшафты кислого класса характерные для южной тайги.

Климатические условия Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают степень увлажнения территорий. Это, в свою очередь, влияет на интенсивность водной и биологической миграции элементов.

Основная часть выпавших осадков в результате испарения и транспирации возвращается в атмосферу. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов.

Район полигонов относится к зоне достаточного увлажнения. Годовая сумма осадков составляет 610 мм. В течение года осадки распределяются неравномерно. Большая часть их (до 69 %) выпадает в тплый период года, с апреля по октябрь, с максимумом в июле. Годовой слой испарения с поверхности суши составляет 424 мм. Испарение является одним из основных элементов водного баланса. Отсюда среднегодовой коэффициент относительной увлажннности территорий Ку = 1,44. Таким образом, полигоны расположены на территории влажных гумидных районов с характерным для них периодически промывным режимом, обеспечивающим контрастную радиальную миграцию химических элементов, и сравнительно интенсивным биологическим круговоротом элементов.

1.2.2. Почвенно-экологический анализ Исследуемые полигоны размещены на не используемых в хозяйственной деятельности территориях. Признаки механической нарушенности и эрозионных процессов в почвенных горизонтах не наблюдаются. Однако вследствие того, что в Суздальском районе не существует территорий, незатронутых техногенезом (агротехногенезом), с характерным видоизменнным биологическим круговоротом элементов, почвы полигонов следует классифицировать как техногенно-природные почвы агроландшафтов.

Полигон № Почва первого полигона характеризуется как серая лесная, среднесуглинистая по механическому составу. Отличается тмно-серой окраской, слабо выраженной комковатой структурой и небольшой мощностью ( 20 см) гумусового горизонта А1. Ниже его расположен оподзоленный белесый горизонт А1А2, листовато-пластинчатой структуры, со слабой присыпкой кремнезема, и горизонт А2В серовато бурый, плитчато-ореховатой или ореховатой структуры. Еще ниже, до линии вскипания, залегает бурого цвета горизонт В, обогащенный полуторными оксидами железа и алюминия, сильно уплотненный с ореховато-призматической структурой, постепенно переходящий в материнскую породу. В верхней части горизонта В иногда обнаруживаются плохо сформированные мелкие жилки, выполненные материалом второго гумусового горизонта, но более светлым (табл. 1.2.3).

Таблица 1.2. Морфологические характеристики разреза (полигон №1) Номер Глубина, см Описание горизонта 0–5 Дернина, травянистая, полуразложившаяся, плотная.

A 5 – 24 Тмно-серый, с коричневым оттенком, увлажнн, A мелкозернистой структуры, пронизан корнями, переход отчтливый по цвету и по структуре.

24 – 40 Палевый, признаки кремнезмистой присыпки едва A1A2+A2B заметны, пронизан корнями, встречаются темные пятна либо гумуса или железисто-марганцевых конкреций.

Светло-бурый, свежий, ореховатой структуры, плотнее B предыдущего, влажный, встречаются корни растений.

Описываемая почва близка по своим свойствам к светло-серым лесным почвам. Светло-серые лесные среднесуглинистые почвы также залегают на различных частях склонов и вершинах водоразделов. Данные почвы выделяются среди серых лесных почв наименьшей мощностью гумусового горизонта и меньшим содержанием гумуса. Глубина прогумусированности, как и у светло-серых почв, не превышает 23 см.

Гумус сосредоточен преимущественно в верхней части исследуемого профиля, книзу убывает довольно быстро. Результаты агрохимических анализов показывают, что содержание гумуса не менее 2,2 %.

Водно-физические свойства описываемой почвы связаны с преобладанием по всему профилю фракции крупной пыли и обедннностью тонкой фракцией. Вследствие малой влагопрочности структура верхнего слоя после дождей уплотняется, что затрудняет поступление в них воды и воздуха, но усиливает испарение влаги.

Как верхние, так и нижние горизонты почвенного профиля, имеют довольно высокую насыщенность поглощающего комплекса, что обусловлено влиянием богатых почвообразующих пород. По содержанию подвижных фосфора и калия почвы относятся к разряду слабо обеспеченных, хотя различные аналитические данные показывают значительные колебания от очень высокого до минимального. В профиле серых лесных почв первого полигона (на склоне) наблюдается щелочно кислотная зональность: слабокислая среда гумусового горизонта сменяется кислой и в почвообразующей породе становится нейтральной и даже слабощелочной (табл. 1.2.4).

Таблица 1.2. Физико-химические характеристики разреза (полигон №1) Сумма поглощ. основ-й, Гидролит. кислотность, мг-экв/100 г мг-экв/100 г мг-экв/100 г мг-экв/100 г Горизонт Глубина, мг/100 г мг/100 г солевой N общ., мг/100г Гумус, Р2О5, К2О, Мg, Са, Al, рН см % % 5– A1 3,17 4,81 19,2 4,56 5,53 12,4 14,0 6,0 3,28 0, 24 – A1A2+A2B 1,66 3,41 18,8 4,15 4,03 11,2 14,5 7,0 1,93 0, B 40 1,03 3,67 19,7 4,12 4,83 11,8 16,5 8,5 1,99 1, Вверхний гумусовый горизонт обогащн Fe, Mn. С глубиной содержание Fe, Cr, Ni, Co плавно возрастает (табл. 1.2.5).

Таблица 1.2. Среднее содержание микроэлементов в почвенных горизонтах Глубина, Горизонт Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr см 5 – A1 0,0023 0,0047 0,0000 0,0030 0,0006 3,3200 0,0636 0, 24 – 40 0,0003 0,0052 0,0000 0,0030 0,0007 3,9200 0,0559 0, A1A2+A2B B 40 0,0007 0,0049 0,0000 0,0034 0,0008 4,1300 0,0560 0, Полигон № Почва второго полигона, сформированная в понижении в условиях переувлажнения, характеризуется как серая лесная слабоглееватая, но по механическому составу – более плотная, комковатая. Отмечаются признаки оглеения, которое носит поверхностный характер. Данный тип почв формируется в нижних частях склонов, где затруднн сток поверхностных вод. Поблизости от полигона наблюдаются места скопления гравитационной воды. Как и в светло-серых почвах, по профилю этих почв видна обогащенность крупной пылью и обедненность илистыми частицами. Верхний горизонт оструктурен несколько лучше, но он также после дождей быстро уплотняется (табл. 1.2.6).

Таблица 1.2. Морфологические характеристики почвенного профиля (полигон №2) Номер Глубина, см Описание горизонта 0–5 Дернина, травянистая, плотная, увлажнена и плотно A переплетена корнями растений.

5 – 30 Тмно-серый, плотный, сильно увлажнн, комковато A глыбистой структуры, пронизан корнями, органическое вещество собрано в расплывчатые сгустковые агрегаты округлой формы, отмечаются отдельные ржавые разводы, переход отчтливый по цвету и по структуре.

Белесый, с охристыми пятнами, встречаются корни, A1A2 отмечаются темные пятна железисто-марганцевых конкреций.

Данная почва характеризуется большей мощностью гумусового горизонта по сравнению с почвой первого полигона (до 40 см) и, по видимому, более высоким содержанием гумуса. Гумусовый горизонт этого типа почв характеризуется невысокой степенью кислотности и достаточно хорошей насыщенностью поглощающего комплекса.

Подобные почвы – содержат много кальция и магния. Количество обменных катионов водорода в серых лесных почвах резко колеблется по профилю, больше всего их в верхних горизонтах.

По содержанию тяжлых металлов почва второго полигона отличается повышенным содержанием Fe, Mn, Zn в гумусовом горизонте А1 (табл.

1.2.7).

Таблица 1.2. Среднее содержание микроэлементов в почвенных горизонтах (полигон №2) Глубина, Горизонт Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr см 5 – A1 0,0015 0,0064 0,0005 0,0033 0,0005 3,5400 0,0611 0, 30 – 45 0,0020 0,0055 0,0000 0,0031 0,0004 3,2400 0,0491 0, A1A Полигон № Почвы полигона можно охарактеризовать как дерново-подзолистые, близкие по своим свойствам к дерново-сильноподзолистым. По механическому составу – лгкие супесчаные, сформированные, по видимому, на водно-ледниковых и древнеаллювиальных песках и супесях.

Развиваются, как правило, на повышенных элементах рельефа. Эти почвы имеют специфические особенности. Легкий механический состав по всему профилю обеспечивает промывной режим на большую глубину. Весь почвенный профиль вследствие этого более растянутый, менее дифференцирован на горизонты, переходы из одного горизонта в другой постепенные, мощность генетических горизонтов увеличивается.

Гумусовый горизонт достигает 20 – 30 см, содержание гумуса не превышает 1,5 % (табл. 1.2.8).

Таблица 1.2. Морфологические характеристики разреза (полигон №3) Номер Глубина, см Описание горизонта 0–2 Дернина.

A 2 – 22 Буро-коричненевый, пронизан корнями, влажный, A бесструктурный, супесчаный, переход постепенный.

22 – 40 Коричнево-палевый, пронизан корнями, уплотнен A меньше предыдущего, встречаются более темные пятна, влажный, супесчаный.

40 – 60 Светло-палевый с белесым оттенком кремнистой A2B присыпки, охристые пятна окисного железа, пронизан корнями, бесструктурный, супесь, уплотнен меньше предыдущего.

Горизонт имеет буроватый оттенок, с включениями B обломочного материала – галечника.

Дерново-подзолистые супесчаные почвы полигона содержат мало физической глины (до 20 %). Песчаная фракция состоит из кварца. С механическим составом почвы связаны также ее физические, водно воздушные свойства. Почвы легкого механического состава обладают высокой водопроницаемостью и малой влагомкостью. Быстрое высыхание верхних горизонтов этих почв стимулирует в них активную микробиологическую деятельность. Органическое вещество почвы стремительно разлагается. Низкое содержание питательных веществ, бедность органическим веществом, а также недостаток влаги делает эти почвы малопродуктивными.

Песчаная разновидность дерново-подзолистых почв характеризуется бесструктурностью, низким содержанием гумуса (0,3 – 1,5 %), суммой поглощенных оснований от 7 до 10 мг-экв/100 г. Реакция почвенного раствора колеблется от сильнокислой до слабокислой (рН = 3,6 – 5,7), содержание питательных веществ низкое.

В дерново-подзолистых почвах третьего полигона наблюдается щелочно-кислотная зональность: слабокислый горизонт сменяется кислым и даже сильнокислым (табл. 1.2.9).

Таблица 1.2. Физико-химические характеристики разреза (полигон №3) Сумма поглощ. основ-й, Гидролит. кислотность, мг-экв/100 г мг-экв/100 г мг-экв/100 г мг-экв/100 г Горизонт Глубина, мг/100 г мг/100 г солевой N общ., мг/100г Гумус, Р2О5, К2О, Мg, Са, Al, рН см % % 2– – – A1 1,50 1,2 7,0 5,7 1,5 6,6 0,086 0, 22 – A2 0,52 3,0 10,6 4,2 0,7 5,9 7,5 2,0 0,026 8, 40 – – – A2B 0,46 5,4 7,8 3,6 1,1 7,4 0,033 28, – – B 60 0,38 5,2 8,0 3,6 1,5 4,5 0,021 31, Дерново-подзолистая почва бедна элементами питания растений, многие из них находятся в слабоподвижной форме. Так, в почвах полигона мало доступных N, P и K. Эти почвы бедны также Cr, Ni, Co, Zn, Cu и другими рассеянными элементами, которые из них интенсивно выщелачиваются (табл. 1.2.10).

Таблица 1.2. Среднее содержание микроэлементов в почвенных горизонтах Глубина, Горизонт Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr см 2 – A1 0,0047 0,0022 0,0000 0,0007 0,0000 1,1554 0,0297 0, 22 – A2 0,0046 0,0018 0,0000 0,0010 0,0000 1,2467 0,0316 0, 40 – A2B 0,0057 0,0007 0,0000 0,0005 0,0000 0,8363 0,0153 0, B 0,0048 0,0007 0,0000 0,0011 0,0000 1,3000 0,0187 0, 1.2.3. Ландшафтно-геохимический анализ Геохимическая классификация элементарных ландшафтов При описании элементарных ландшафтов (табл. 1.2.11) за основу принята классификация ландшафтов по А. И. Перельману.

Таблица 1.2. Геохимическая классификация элементарных ландшафтов Таксон Полигон №1 Полигон №2 Полигон № биогенный биогенный биогенный (техногенно- (техногенно- (техногенно Ряд природный бик природный бик природный бик агроландшафтов) агроландшафтов) агроландшафтов) Группа лесостепная лесостепная лесная ландшафт ландшафт ландшафт тажных Тип широколиственных широколиственных лесов лесов лесов восточноевропейский восточноевропейский умеренноконтиненталь Отдел ный тажных лесов Семейство северное северное южнотажное переходный H+– Ca2+, переходно-глеевый H – H+, кислый + Класс Ca2+–Fe2+, слабокислый кислый трансэлювиальный транссупераквальный трансэлювиальный (автономные (подчиннные (автономные ландшафты верхних ландшафты ландшафты верхних Род частей склонов) незамкнутых частей склонов) понижений с относительно хорошим водообменом) ландшафт на ландшафт на ландшафт на лессовидных лессовидных бескарбонатных суглинках, остаточно- суглинках, породах, Вид карбонатных почв поверхностно- дерновоподзолистых склонов оглеенных почв почв микровозвышений понижений Полигон № Полигон №1 относится к автономному элементарному ландшафту переходного (H–Ca) класса, сформированного на лессовидных суглинках.


В эллювиальных ландшафтах H–Ca класса Владимирского Ополья верхние горизонты серых лесных почв выщелочены от карбонатов. В тплое и влажное лето в почве и залегающей под ней коре выветривания энергично протекает разложение первичных силикатов с образованием глинистых минералов, накапливаются бурые гидроксиды Fe. В результате почва, кора выветривания и склоновые отложения приобретает бурый цвет и среднесуглинистый состав.

Формирование химического состава грунтовых и поверхностных вод зависит от разложения органических веществ. Поверхностные и грунтовые воды слабоминерализованы, гидрокарбонатно-кальциевые.

Серая лесная почва среднесуглинистого механического состава сравнительно хорошо аэрируется. В результате в почвенном профиле формируются кислородные воды, для которых характерно присутствие свободного O2, поступающего из воздуха. Fe чаще всего находится в форме Fe3+. Кислородные воды обладают высокой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляющие органические вещества до CO2 и H2O, протекает окисление и неорганических веществ. S, Cr и некоторые другие элементы здесь в высоких степенях окисления и образуют растворимые соединения – сульфаты, хроматы и т. д. В почвенном профиле с преобладанием окислительной среды эти элементы имеют высокую миграционную способность.

Биологический круговорот поставляет в почву много органических веществ и оснований не хватает для их нейтрализации. В результате в верхней части почвы развивается кислая среда (4,5 pH 5,5). В поглощающем комплексе появляется повышенное количество водородного иона.

Биогенной аккумуляции большинства элементов в верхних горизонтах препятствует высокая подвижность глинистого вещества и гумуса в кислой среде, ведущая к отчтливой элювиально-иллювиальной дифференциации илистых частиц и полуторных оксидов с осаждением Fe, Co, Ni на сорбционном геохимическом барьере G2 в подзолистом и иллювиальном горизонте. Отчтливое биоаккумулятивное распределение имеет только Mn, содержание которого повышено в гумусовых и дерновых горизонтах светло-серых почв (рис. 1.2).

Кора выветривания слабо выщелочена. Здесь не образуются гидроксиды Al, не столь энергичен вынос Ca, Mg и других катионов. В слабой степени из почвы выносится кремнезм.

см Вертикальный почвенный Миграция элементов A кислое выщелачивание Fe, Al, Cr, Zn, Ni, Co… профиль. Полигон № биогенная аккумуляция Ca, Mn, Zn… A Почвенные горизонты:

A1 – гумусовый горизонт – биогеохимический барьер;

– подзолистый выщелачивание CaCO A1A2+A2B A1A2+A2B Серая лесная почва горизонт – зона кислого выщелачивания;

B – иллювиальный горизонт;

C – карбонатный горизонт коры выветривания (лссовидный суглинок) Геохимические барьеры:

1 – G2 – сорбционный барьер;

B 70 2 – D2 – щелочной барьер;

3 – F3 – испарительный барьер.

частично Mn, Fe, SiO аккумуляция CaCO выветривания 110 C Кора Условные обозначения:

– геохимический барьер – граница горизонтов Рис. 1.2. Полигон №1: геохимические барьеры Геохимические барьеры (рис. 1.2, табл. 1.2.12):

G2 – сорбционный барьер. Формируется в подзолистом горизонте A1A2+A2B. Сорбция происходит глинистым веществом и отчасти органическим веществом.

D2 – щелочной барьер. Формируется в верней части коры выветривания. барьер, возникающий в местах, где на коротком расстоянии кислая среда сменяется нейтральной или слабощелочной, создаваемаой лссовидными суглинками.

F3 – испарительный барьер. Формируется в нижней части коры выветривания и связан с грунтовыми водами, которые приносят в материнскую породу ряд элементов. На барьере концентрируются Ca, K, Mg, Zn и другие элементы (табл. 1.2.12).

Таблица 1.2. Геохимическая формула. Полигон № Параметр Формула Ландшафтно-геохимические G2, D2, F H Ca условия миграции Ландшафтно-геохимические Ca, Mg, Cu Ca H Fe, Mn процессы перераспределения Al, Cr, Zn, Ni, Pb, Co химических элементов Полигон № Полигон №2 относится к подчиннному элементарному ландшафту переходного глеевого (H–Ca–Fe) класса на лессовидных суглинках.

Транзитные ландшафты с серыми лесными почвами обогащены кальцием, вынесенным из автономного ландшафта. Луговая темноцветная почва полигона имеет слабокислую или нейтральную реакцию, в ней отмечается поверхностное оглеение (H–Ca–Fe класс), вызванное длительной фазой переувлажнения и близким положением грунтовых вод, и как следствие длительной анаэробной фазой.

Поверхностное оглеение возникает в местах соприкосновения кислородных и глеевых вод. Класс глеевых вод – формируется там, где мало кислорода и много органических остатков. Анаэробные бактерии здесь окисляют органические вещества за счт O неорганических соединений. В водах появляются Fe2+, Mn2+ и другие ионы и соединения.

Высокую подвижность приобретают Fe и Mn, отчасти и другие металлы, входящие в состав органических комплексов.

Транссупераквальный ландшафт второго полигона, питающийся гидрокарбонатно-кальциевыми водами, представлен пышной травянистой луговой растительностью – кальциефилы. Это объясняется не только богатством вод Ca, но также накоплением CaCO3 в почвах. Реакция почвы слабокислая, в ней энергично разлагаются органические остатки, накапливается много гумуса, развивается карбонатное оглеение. Fe и Mn приобретают подвижность и образуют аккумуляции в форме железистых и марганцевых конкреций на барьере A6 (рис. 1.3).

В почве второго полигона на радиальную дифференциацию валовых и подвижных форм влияние оказывают элювиально-глеевые процессы, ведущие к выносу Mn, Cr из элювиальных горизонтов и их осаждению на ярко выраженном кислородно-сорбционном геохимическом барьере.

см Вертикальный почвенный Миграция элементов A выщелачивание в слабокислой глеевой среде аккумуляция CaCO профиль. Полигон № биогенная аккумуляция Ca, Mn, Zn… Fe, Mn, Zn, Cu… A Почвенные горизонты:

Серая лесная почва A1 – гумусовый горизонт – биогеохимический барьер;

A1A2 – подзолистый горизонт;

B – иллювиальный горизонт;

40 A1A C – карбонатный горизонт коры выветривания (лссовидный суглинок) Геохимические барьеры:

1 – A6, G6 – совмещнный B 60 кислородный и сорбционный барьер;

2 – D2 – щелочной барьер;

выветривания Кора C аккумуляция CaCO частично Mn, Fe Водоносный горизонт Условные обозначения:

– геохимический барьер – граница горизонтов Рис. 1.3. Полигон №2: геохимические барьеры Геохимические барьеры (рис. 1.3, табл. 1.2.13):

A6 и G6 – совмещнный кислородный и сорбционный барьер.

Кислородно-сорбционный барьер формируется в верхней части горизонта A1, в месте соприкосновения слабокислых кислородных и поверхностных глеевых вод. Большую роль в формировании барьера A6 играет органическое вещество, которое участвует также и в сорбционных процессах (барьер G6).

D2 – щелочной барьер. Формируется в верней части коры выветривания. Барьер, возникающий в местах, где на коротком расстоянии слабокислая среда сменяется слабощелочной, создаваемаой лссовидными суглинками. Для данного барьера особенно характерна концентрация Fe, Ca, Mg, Mn, Cr, Zn, Cu, Ni, Co, Pb и других металлов (табл. 1.2.13).

Таблица 1.2. Геохимическая формула. Полигон № Параметр Формула Ландшафтно-геохимические 2 A6, G6, D H Ca Fe условия миграции Ландшафтно-геохимические Cr, Ni, Cu Ca 2 Fe H Fe, Mn, Zn процессы перераспределения H 2 O, Ca, Pb, Co химических элементов Полигон № Автономный ландшафт третьего полигона сформирован на бескарбонатных породах в условиях сравнительно хорошего дренажа, исключающего заболачивание. Биологический круговорот элементов обусловливает энергичное кислое выщелачивание и слабое биологическое поглощение. В результате автономный ландшафт в целом обедняется подвижными элементами, биологический круговорот не замкнут. Оба процесса находят яркое отражение в профиле дерново-подзолистых почв третьего полигона.

В горизонте А1 биогенным путм слабо аккумулируются гумус, K, Ca, P и другие элементы, особенно Mn. Эти же элементы, а также Fe, Al и SiO выносятся с просачивающимися атмосферными осадками. Ниже залегает подзолистый горизонт А2, в котором в результате кислотного гидролиза, периодического оглеения (весной и осенью) и лессиважа происходит разложение минералов и вынос подвижных соединений Fe и Al.

Происходит энергичное разложение верхнего горизонта. В дерново подзолистых почвах третьего полигона имеет место щелочно-кислотная зональность: слабокислый горизонт A1 сменяется кислым (A2) и даже сильнокислым (A2B).

Растительные остатки разлагаются медленно, растворимые продукты быстро удаляются из почвы с просачивающимися водами. В результате в верхней части почвы накапливаются преимущественно грубый гумус.

Агрессивные растворимые фульво- и гуминовые кислоты дают подвижные соединения с Fe и Al. Ca, Mg, K и Na, поступающие в почву в ходе выветривания и разложения растительных остатков, легко вымываются.

Их не хватает для нейтрализации органических кислот, поэтому в верхней части почвы господствует кислая реакция (pH около 4), поглощающий комплекс резко ненасыщен Ca и Mg. Fe и Al, мигрирующие с гумусом, частично осаждаются в нижней части почвенного профиля, образуя иллювиальный железо-алюминиево-гумусовый горизонт буроватого оттенка – горизонт B (рис. 1.4).

см Вертикальный почвенный Миграция элементов A кислое выщелачивание вынос N, P, K, Ca, Mg, Al, Fe… Ca, Mg, Fe, Mn, Cr Zn, Ni… профиль. Полигон № слабая биогенная аккумуляция Ca, Mg,Fe, Mn, Zn… A Почвенные горизонты:

A1 – гумусовый горизонт – Дерново-подзолистая почва слабый биогеохимический барьер;

A2 и A2B – элювиальные A горизонты – зона кислого выщелачивания;

B – иллювиальный горизонт.

Геохимические барьеры:

A2B 1 – G2 – слабоконтрастный сорбционный барьер.

B Условные обозначения:

– геохимический барьер – граница горизонтов Рис. 1.4. Полигон №3: геохимические барьеры Геохимические барьеры (рис. 1.4, табл. 1.2.14):


G2 – слабоконтрастный сорбционный барьер. Формируется в подзолистом горизонте A2. В сорбции участвуют главным образом легкоподвижные органические соединения, поэтому вцелом влияние данного барьера на аккумуляцию элементов невелико.

Таким образом в трансэлювиальном ландшафте третьего полигона практически не существует физико-химических барьеров для большинства подвижных элементов (табл. 1.2.14).

Таблица 1.2. Геохимическая формула (полигон №3) Параметр Формула Ландшафтно-геохимические H G2 ?

условия миграции Ландшафтно-геохимические N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cr, Pb, Zn, Ni, Cu, Co H процессы перераспределения H химических элементов 1.2.4. Биогеохимический анализ Биогеохимическая классификация элементарных ландшафтов Классификация биогеохимических провинций, на территории которых расположены исследуемые полигоны, приведена в таблице 1.2.15.

Таблица 1.2. Классификация биогеохимических провинций Полигоны №1 и №2 – Полигон №3 – ландшафты Таксон ландшафты Владимирского Нерльско-Клязьминской низины Ополья V – со слабокислыми или W – с кислыми водами Тип нейтральными водами – с преимущественноW1 – с водами, не обогащнными V пресными водами растворнным органическим веществом Класс Типоморфные элементы и ионы: Типоморфные элементы и ионы:

Ca2+, H+ и Fe2+. H+.

повышенным провинция с избытком H+, Al и провинция с Вид содержанием Ca, Fe, Cr и дефицитом микроэлементов, дефицитом Cu особенно Cu и Co Полигоны №1 и №2 расположены на территории Владимирского Ополья, относящейся к биогеохимической провинции класса V1 – провинции с преимущественно пресными, гидрокарбонатно-кальциевыми водами, сложенной карбонатными породами, содержащих кальций.

Такими породами являются лессовидные суглинки. Для данных ландшафтов характерно логнормальное содержание большинства микроэлементов. Избыток наблюдается по Fe, Cr, а дефицит у Cu.

Некоторый дефицит вследствие процессов слабокислого и даже кислого выщелачивания может фиксироваться также по некоторым биогенным элементам – N, P, K… Полигон №3 расположен на территории Нерльско-Клязьминской низины, относящегося к биогеохимической провинции класса W1 – провинции с кислыми водами и почвами. Кислое выщелачивание почв приводит здесь к резкому дефициту многих биоэлементов, что определяет минеральное голодание фауны, низкое содержание в организмах кальция.

Высока подвижность Al, Fe и растения могут накапливать эти элементы.

Избыточными для данных ландшафтов считаются элемены – H+, Al, а дефицитными – практически все микроэлементы, особенно Cu и Co.

Биогеохимические формулы элементарных ландшафтов Биогеохимический анализ – это анализ ответной реакции организмов на природные геохимические процессы или на техногенез на молекулярном и атомарном уровнях, заключающийся в выявлении биогеохимических аномалий. Отражением этой ответной реакции организмов является верхний гумусовый горизонт, так как почвенный покров образуется и функционирует как система при сочетании взаимообусловленной жизнедеятельности разных групп организмов.

Поэтому для биогеохимического анализа наибольший интерес представляет верхний гумусовый горизонт, который является своеобразным центром ландшафта (принцип централизации).

Аккумуляция или рассеяние элементов в центре ландшафта оказывает наибольшее влияние на его геохимию. В геохимии ландшафта верхний гумусовый горизонт рассматривается как биогеохимический барьер.

Интенсивность вовлечения химических элементов в циклическую миграцию в эколого-геохимических системах может быть охарактеризована специальными показателями – ландшафтно геохимическими коэффициентами. Кларк концентрации один из таких показателей, который позволяет оценить способность химического элемента концентрироваться или рассеиваться в гумусовом горизонте – результирующая величина процессов биологической и водной миграции.

Кларк концентрации, в данном случае, рассчитывается как отношение содержания химического элемента в гумусовом горизонте к кларку этого элемента в почвообразующей породе.

Рассчитанные кларки концентрации (КК) позволяют построить ряды микроэлементов. Элементы стоящие слева, с наибольшими КК интенсивно вовлекаются в биологический круговорот, а элементы расположенные справа склонны мигрировать с поверхностными и грунтовыми водами.

Срединное положение занимает железо – элемент слабого захвата и имеющий наименьший коэффициент биологического поглощения растительностью суши (табл. 1.2.16). На основе этих рядов можно вывести приближнную биогеохимическую формулу.

Полигон № Таблица 1.2. Кларки концентрации микроэлементов Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr КК 0, 2,09 0,77 0,64 0,50 0,68 0,91 0, Ряд: Pb Mn Cr Zn Fe Ni Co Cu.

В трансэлювиальном ландшафте первого полигона перераспределение химических элементов происходит при наличии ионов водорода и кальция в поверхностных водах и свободного доступа кислорода, то есть в кислой окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются свинец, марганец, хром, цинк, а в поверхностные и грунтовые воды поступает и мигрирует кобальт, медь, железо.

Биогеохимическая формула:

Pb, Mn, Cr, Zn H, Ca 2 O Cu, Co, Fe Исследователи (Н.С. Касимов, А.Н. Геннадиев и М.Ю. Лычагин) отмечают, что в подобных ландшафтах марганец и цинк активно участвуют в биологическом круговороте и для них характерно накопление в гумусовых горизонтах. Однако помимо Mn и Zn не исключается возможность биогенной аккумуляции многих других редких элементов – например Pb.

В трансэлювиальном ландшафте первого полигона прямые водные связи сильнее обратных, т. е. выщелачивание преобладает. Однако энергичная биогенная аккумуляция – эффективный механизм отрицательной обратной биокосной связи, стабилизирующей состав почв и повышающей их плодородие. В целом данные почвы должны обладать сравнительно высокой устойчивостью к химическому загрязнению тяжлыми металлами Полигон № Таблица 1.2. Кларки концентрации микроэлементов Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr КК 1,36 1,05 0,55 0,70 0,42 0,72 0,87 0, Ряд: Pb Zn Cr Mn Fe Ni Cu Co.

Благодаря периодическому близкому стоянию грунтовых вод и из-за стока с более высоких участков в транссупераквальном ландшафте второго полигона имеет место недостаток кислорода, перераспределение химических элементов происходит при наличии ионов водорода, кальция и железа в поверхностных водах, то есть в слабокислой глеевой среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются свинец, цинк, хром, марганец, а в поверхностные и грунтовые воды поступает и мигрирует кобальт, медь.

Биогеохимическая формула:

Pb, Zn, Cr, Mn * H, Ca 2, Fe 2 CO Co, Cu Цинк здесь имеет более выраженное биоаккумулятивное распределение, чем марганец. Однако наряду с Zn и Mn в биологический круговорот активно внедряются свинец и хром (табл. 1.2.17).

Особый характер имеют биогеохимические процессы в гумусовом горизонте серой лесной почвы второго полигона. В нм при трансформации остатков растений образуются нерастворимые в воде гуминовые кислоты и гуматы. Их гели склеивают дисперсные частицы в водопрочные агрегаты и не позволяют свободно их перемещать фильтрующимся почвенным водам. Гуминовые кислоты склонны образовывать устойчивые комплексные соединения с металлами и удерживают их от вымывания. Поэтому здесь более высокая концентрация металлов и других рассеянных элементов, чем в почвах других элементарных ландшафтов. Кроме этого анаэробные условия повышают доступность тяжлых металлов растениям. В результате техногенного привноса металлы могут оказаться доступными почвенной биоте и, следовательно, почва второго полигона обладает меньшей устойчивостью к загрязнению тяжлыми металлами, чем, например, почвы соседних участков.

Полигон № В автономном ландшафте третьего полигона нисходящая водная связь между природными телами совершенна, биологический круговорот играет ведущую роль в формировании химизма почв, грунтовых вод.

Отрицательные обратные биокосные связи выражены слабо.

Биологический круговорот элементов обусловливает энергичное кислое выщелачивание и слабое биологическое поглощение. В результате автономный ландшафт в целом обедняется подвижными элементами, биологический круговорот не замкнут (табл. 1.2.18).

Таблица 1.2. Кларки концентрации микроэлементов Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr КК 0,98 3,14 0,5 0,64 0,5 0,89 1,59 0, Ряд: Zn Mn Pb Cr Fe Ni Co Cu.

В трансэлювиальном ландшафте третьего полигона перераспределение химических элементов происходит при наличии ионов водорода и свободного доступа кислорода, то есть в кислой (и даже сильнокислой) окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются цинк, марганец, свинец, хром, а в поверхностных и грунтовых водах интенсивно мигрирует кобальт, медь, никель, железо.

Биогеохимическая формула:

Zn, Mn, Pb, Cr H O Cu, Co, Ni, Fe Согласно оценкам В.В. Добровольского в зоне хвойных и смешанных суббореальных лесов интенсивность биологического поглощения рассеянных элементов устойчиво выдерживается независимо от состава коренных пород и мощности рыхлых отложений: интенсивно поглощаются цинк, марганец, свинец, значения Кб которых от 2–3 до 20–30;

слабо поглощаются никель и кобальт, Кб которых близок к единице. Таким образом, полученная биогеохимическая формула подтверждается литературными данными.

В дерново-подзолистой почве растительные остатки разлагаются с образованием хорошо растворимых в воде фульвокислот, обусловливающих кислую реакцию почв. Биогеохимические процессы, протекающие в дерново-подзолистой почве сформированной на водно ледниковых отложениях, способствуют понижению минерализации вод и относительному обогащению их фульвокислотами. Они способны образовывать внутрикомплексные соединения с металлами и вымываться с ними из верхней части профиля. Фильтрующиеся кислые воды также выносят из верхней части профиля дерново-подзолистых почв высокодисперсные частицы, которые осаждаются в горизонте вымывания B. В этом же горизонте скапливаются соединения железа и алюминия, образующие тонкие плнки на минералах и сгустки аморфного вещества, которые слабо сорбируют металлы. Благодаря чему их концентрация немного возрастает в горизонте B, и тяжлые металлы в случае загрязнения могут оказаться доступными древесной растительности.

Важной биогеохимической особенностью рассматриваемой эколого геохимической системы является продолжительное задерживание поглощнных химических элементов в живом веществе (замедленность движения масс элементов в живом веществе). Это усиливает опасность тяжлых металлов для биоты и снижает устойчивость почв к химическому загрязнению.

О биогеохимических процессах Повышенная концентрация рассеянных элементов в верхнем, гумусовом, горизонте почвы связана с поглощением элементов растениями и поступлением их в почву с отмирающими органами растений.

Концентрация элементов в нижнем горизонте обусловлена их содержанием в почвообразующем субстрате – рыхлых покровных отложениях.

В почвах полигонов имеет место дифференциация металлов: для одних элементов преобладает биогенная аккумуляция, а для других вынос. В частности, в балансе марганца, цинка процессы биогенной аккумуляции преобладают над выносом, а в балансе меди, кобальта и железа отношения, по-видимому, обратные. В таблице 1.2.19 приведены данные, характеризующие интенсивность биологического поглощения тяжлых металлов растительностью.

Таблица 1.2. Биологическое поглощение тяжлых металлов растительностью суши Коэффициент Элемент биологического Характеристика поглощения* элемент среднего накопления Zn 11, элемент слабого накопления и сильного захвата Mn 6, элемент слабого накопления и сильного захвата Cu 2, элемент слабого накопления и сильного захвата Ni 1, элемент слабого накопления и сильного захвата Pb 1, элемент слабого накопления и сильного захвата Co 1, элемент среднего захвата Cr 1, элемент слабого захвата Fe 0, * – коэффициент биологического поглощения (по Добровольскому В.В.) рассчитан относительно гранитного слоя континентов.

Согласно вышеприведнной таблице цинк и марганец необходимые для растений микроэлементы имеют наибольшие коэффициенты биологического поглощения. Накопление этих элементов в верхнем гумусовом горизонте полигонов вполне закономерно. Однако по биогеохимическим формулам отмечается вовлечение в биологический круговорот свинца и хрома (в отношении хрома это необычная ситуация).

Эта биогеохимическая особенность изучаемых ландшафтов имеет важное значение, так как при техногенном загрязнении свинец и хром могут оказаться наиболее опасными поллютантами.

С другой стороны, привнос Cu, Co, Ni в небольших количествах может оказать благотворное влияние на биоту, так как в природных условиях они склонны вымываться и не образуют контрастных концентраций на геохимических барьерах. Но в силу того, что Cu, Ni, Co относятся к элементам сильного захвата, загрязнение почв этими микроэлементами также может иметь негативные последствия.

Закономерности дифференциации элементов в почвах полигонов хорошо выдерживаются независимо от почвообразующих пород, гранулометрического состава почв и, следовательно, от абсолютного содержания элементов. Исследуемые почвы при всм их разнообразии имеют некоторые общие черты, обусловленные близким характером происходящих в них биогеохимических процессов (катион водорода – типоморфный элемент данных ландшафтов, присутствие которого обусловлено деятельностью организмов). Они, по-видимому, обладают сходной ответной реакцией на техногенный привнос токсичных элементов.

1.2.5. Выводы Устойчивость почв к техногенному загрязнению определяется природными геохимическими барьерами – механическими, физико химическими, биогеохимическими. В случае техногенного накопления на геохимических барьерах тяжлых металлов даже в слабоподвижных формах потоки веществ либо очищаются, ограничивая сферу загрязнения, либо нарушается геохимическая устойчивость систем, и они загрязняются.

Для серых лесных почв Владимирского Ополья, на которых расположены полигоны №1 и №2, характерна сложная структура почвенного профиля и многообразие геохимических барьеров, которые играют определяющую роль в формировании их микроэлементного состава. В свою очередь дерново-подзолистые почвы третьего полигона не имеют ярко выраженных физико-химических и биогеохимических барьеров. В результате почвенный профиль обеднн как биогенными так и рассеянными элементами. Эти различия определяют разную устойчивость почв полигонов и отражены в таблице 1.2.20.

Таблица 1.2. Характеристики полигонов и оценка устойчивости почв Почвы Факторы неустойчивости Полигон №1 Полигон №2 Полигон № Факторы формирования и размещения ландшафтов Положение в ландшафта в – – + аккумулятивной (подчиннной) позиции Характер рельефа – от холмистого до полого-холмистого (или крутизна + + + склона) Гетеролитность ландшафта – – – Наличие разломов – – – Тип водно-физического режима – от непромывного до периодически – + + промывного продолжение табл. 1.2. Техногенный (фоновый) привнос – – – микроэлементов Почвенно-экологические факторы «Неразвитая» слабоконтрастная структура почвенного профиля с – – + ослабленными обратными отрицательными биокосными связями Лгкий гранулометрический состав:

– – + песок – лгкий суглинок Преобладающие глинистые минералы:

кварц, полевые шпаты, мусковит, – – + плагиоклазы Мощность органогенного горизонта ( – – – см) Низкое содержание гумуса (3,0%) – – + Кислотность (pH5,5) – + + Механическая или эрозионная – – – нарушенность почвенного покрова Ландшафтно-геохимические факторы Энергичный или средний водообмен, механическая денудация местами – – + преобладает над химической Кислая или слабокислая окислительная обстановка доминирует по всему – – + профилю Отсутствие выраженных механических и физико-химических геохимических – – + барьеров Физико-химические барьеры в близи – – + структурного центра ландшафта Биогеохимические факторы Контрастный биогеохимический барьер – ярко выраженное биоаккумулятивное – + + распределение некоторых индикаторных элементов в органогенных горизонтах окончание табл. 1.2. Низкая интенсивность разложения растительных остатков – обилие – – + неразложившихся остатков в верхнем горизонте Слабо выраженные обратные отрицательные биокосные связи – выщелачивание преобладает над – – + аккумуляцией биогенных и других элементов в органогенных горизонтах Число негативных факторов: 3 5 По относительной устойчивости почв к загрязнению ТМ можно выстроить следующий ряд: Полигон № 1 Полигон № 2 Полигон № Прогноз миграции и трансформации тяжлых металлов в почвах полигонов дан в таблице 1.2.21.

Таблица 1.2. Трансформация и миграция микроэлементов Полигоны и ландшафтно-геохимические условия миграции ТМ Полигон №1 Полигон №2 Полигон № Элементы* + 2+ 2+ H –Ca –Fe /A6, G6, H+–Ca2+/G2, D2, F3… H+/G2 (?) D Cr Б Б Mn Fe Co Ni Cu Б Б Zn Б Б Pb * – Условные обозначения: – мигрирующий элемент;

– элемент, осаждающийся на геохимических барьерах;

– элемент мигрирует и осаждается в равной степени;

Б – элемент, вовлекающийся в биологический круговорот и имеющий выраженное биоаккумулятивное распределение, то есть в распределении которого биогенная аккумуляция преобладает над выщелачиванием.

Тяжлые металлы, привносимые с отходами, будут включаться в естественные миграционные потоки и перераспределяться согласно вышеприведнной таблице. Природные геохимические барьеры здесь определяют распределение тяжлых металлов и, в конечном счте, устойчивость почв к трансформации и миграции тяжлых металлов.

При крупных и длительных загрязнениях (отвалы, хвостохранилища) будут изменяться и ландшафтно-геохимические условия миграции элементов: трансформируется класс ландшафта (появляются новые типоморфные элементы), видоизменяются геохимические барьеры и могут появляться новые техногенные барьеры, существенно видоизменяется биологический круговорот, в биогенную миграцию могут интенсивно вовлекаться высокотоксичные тяжлые металлы и т.д.

1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ПОЧВАХ План эксперимента включал три объекта исследования (табл. 1.3.1).

Это полигоны – участки правильной квадратной формы с линейными размерами 1,0–1,5 м и уклоном в 10, с размещнными на них шламовыми отходами (рис. 1.5, 1.9, 1.14).

Таблица 1.3. План эксперимента Объекты исследования Параметр Полигон №1 Полигон №2 Полигон № 1. Геоморфоло- Владимирское Владимирское Нерльско-Клязьмин гический район Ополье Ополье ская низина 2. Элемент Склон холма Нижняя часть холма, Склон на окраине рельефа в понижении соснового леса 3. Тип почвы Серая лесная Серая лесная Дерново-подзолистая Полигоны расположены на неиспользуемых в хозяйственной деятельности территориях на различных типах почв, в горизонтах которых признаки механической нарушенности и эрозионных процессов не наблюдаются. Опыты проводились в условиях естественного увлажнения.

При исследовании техногенной миграции тяжлых металлов на полигонах в естественных условиях следует различать полное время эксперимента и «миграционное» время (миграционный период Tм). Полное время исследования – время, отсчитываемое от момента закладки гальваношлама, в полевых экспериментах составляет два года – с июля 1998 по июль 2000 г. А время миграции или миграционный период – промежуток времени охватывающий «тплые» периоды, когда промерзание почв не наблюдается, а среднесуточная температура держится выше 0 °С. Отсюда в экспериментах «миграционный период»

составляет не менее Tм 365 сут (1 год).

В полевых опытах были использованы гальваношламы – отходы одного из крупных заводов г. Владимира (табл. 1.3.2). Масса отходов, приходящаяся на каждый полигон, составляет 22,4 кг, а объм – 0,008 м3. В пересчте на массу сухого вещества – 5,6 кг.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.