Авторефераты по темам >>
Разные специальности - [часть 1] [часть 2]
Оксидогенез железа и марганца и тяжелые металлы в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья
Автореферат кандидатской диссертации
На правах рукописи
РОМАНОВА Ангелина Витальевна
ОКСИДОГЕНЕЗ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА
И ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВАХ
ЮЖНОЙ ТАЙГИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ
Специальность: 03.02.13 - почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Уфа-2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
Пермская государственная сельскохозяйственная академия
имени академика Д.Н. Прянишникова
Научный руководитель |
ВАСИЛЬЕВ Андрей Алексеевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА; |
Официальные оппоненты: |
БАГАУТДИНОВ Фатих Ягудович, доктор биологических наук, профессор кафедры агрохимии, защиты растений и агроэкологии ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, г. Уфа; ЕРЁМЧЕНКО Ольга Зиновьевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой физиологии растений и микроорганизмов ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь; |
Ведущая организация |
ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, г. Ижевск. |
Защита диссертации состоится 06 апреля 2012 г. в 14.00 ч. в 252/1 аудитории на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Башкирский государственный аграрный университет по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет.
Автореферат разослан л05 марта 2012 г. и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет www.bsau.ru, а также в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор сельскохозяйственных наук, доцент ____________ Р.Р. Гайфуллин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Процессы наследования, образования, накопления, трансформации оксидов и гидроксидов железа и марганца или оксидогенез (Глазовская, 1988; Водяницкий, 1992; Алексеев, 2010) в почвах пойм Среднего Предуралья исследованы только фрагментарно (Попов, 1967; Морозов, 1987; Паутов, 1991а и др.). Анализ состояния (гидр)оксидов железа и марганца в почвах на разных сегментах пойм позволит уточнить генезис аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья и совершенствовать методы их диагностики.
(Гидр)оксиды железа, наряду с органическим веществом и глинистыми минералами, играют большую роль в адсорбции тяжелых металлов в почве (Переломов, 2001; Пляскина, 2005; Минкина, 2008 и др.). Химический состав аллювиальных почв Среднего Предуралья изучен не в полной мере. Не установлено участие почв пойм агроландшафтов и железомарганцевых новообразований в концентрировании тяжелых металлов, хотя проблема металлополлютантов в почвах региона весьма актуальна (Ковриго, 2004; Ерёмченко, 2005; Власов, 2008 и др.).
Цель исследований - выявить условия и закономерности оксидогенеза, особенности содержания и профильного распределения тяжелых металлов в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья на примере пойм рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки.
аЗадачи исследований:
- Оценить окислительно-восстановительные условия оксидогенеза на генетически разных сегментах поймы по результатам изучения морфологических свойств почв и их режимов влажности, температуры, рН, Eh, rH.
- Изучить валовой химический состав, гранулометрический состав, основные физические и физико-химические свойства почв, влияющие на условия оксидогенеза и закрепление тяжелых металлов.
- Определить в почвах фазовый состав оксидов и гидроксидов железа и марганца.
- Охарактеризовать степень развития оксидогенеза по результатам изучения магнитной восприимчивости и форм соединений железа и марганца, извлекаемых химическими вытяжками из почв и конкреций.
- Определить количественные характеристики цвета почв и выявить влияние оксидогенеза железа на оптические показатели.
- Определить и оценить валовое содержание, концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в почвах и конкрециях, и охарактеризовать их связь с оксидогенезом.
Научная новизна. Впервые, на основании многолетних комплексных исследований, установлены закономерности сезонной динамики влажности, температуры, реакции среды, окислительно-восстановительного потенциала, редокс-потенциала rH и охарактеризованы окислительно-восстановительные условия почвообразования в основных типах аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья. Выявлено, что оксидогенез в почвах пойм проявляется в форме образования гетита, марганецсодержащего фероксигита, фероксигита и ферригидрита. Гематит в аллювиальных почвах имеет не только литогенное, но и педогенное происхождение. Предложен новый диагностический критерий оксидогенеза - интенсивность конкреционного оксидогенеза (I), который учитывает отношение содержания форм несиликатного железа и марганца в конкрециях и в мелкоземе почвы. Впервые, для количественной характеристики цвета почв пойм, была опробована современная оптическая система CIE-L*a*b*. Разработана новая методика диагностики степени гидроморфизма аллювиальных почв, основанная на изменении оптических показателей в системе CIE-L*a*b* при обработке почвы перекисью водорода. Оценено валовое содержание тяжелых металлов и их подвижных форм в почвах пойм на территориях Пермского края с разной экологической ситуацией. Для определения природно-техногенного загрязнения тяжелыми металлами аллювиальных почв предложена модифицированная формула Саета.
Практическая и теоретическая значимость. Уточнен генезис аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья. Предложены новые оптические критерии оценки их гидроморфизма. Выявленные закономерности внутрипрофильного и пространственного распределения тяжелых металлов в почвах пойм дополняют оценку экологической ситуации на территории южной тайги Среднего Предуралья. Полученные данные могут быть использованы для практического применения почвенно-агрохимическими, мелиоративными и природоохранными службами региона. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА по дисциплинам Почвоведение и Картография почв для студентов направления 110100 Агрохимия и агропочвоведение.
Защищаемые положения. 1) Оксидогенез железа и марганца - современный почвообразовательный процесс в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья. Степень и формы развития оксидогенеза зависят от окислительно-восстановительных условий почвообразования. 2) Тяжелые металлы (Ni, Cd, Mn, Cu, Zn) и As - природно-техногенные поллютанты аллювиальных почв. 3) Fe-Mn-ортштейны и Fe-роренштейны - локальные внутрипочвенные центры оксидогенеза и концентрации тяжелых металлов.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международной научной конференции Современные проблемы загрязнения почв (2004, Москва), LXVII и LXIX Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов (2007, 2009, Пермь), расширенном заседании отдела химии и физико-химии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева (июнь, 2009, Москва).
Публикация результатов. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 из них в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
ичный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке и морфологическом описании почвенных разрезов, отборе образцов, их пробоподготовке и химико-аналитических работах. Автором проведены полевые режимные наблюдения, определены оптические, физико-химические и физические свойства почв, выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов. Экспериментальные исследования осуществлены в 2002-2007 гг. в соответствии с программой научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Пермская ГСХА на 2001-2005 и 2006-2010 гг. Тема 9.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 303 источников, в т.ч. 34 на иностранных языках, 12 приложений. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 24 рисунка.
Благодарности. Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и абсолютную поддержку своим наставникам - научному руководителю - канд. с.-х. наук А.А. Васильеву и научному консультанту - д-ру. с.-х. наук Ю.Н. Водяницкому. Благодарю за содействие в выполнении экспериментальных работ д-ра. техн. наук Ю.Т. Платова, канд. физ.-мат. наук А.Т. Савичева, А.В. Сивцова, М.П. Ускову, а также студентов кафедры почвоведения за помощь в проведении режимных наблюдений. Автор признателен сотрудникам Почвенного института им. В.В. Докучаева д-ру. с.-х. наук Н.Б. Хитрову, д-ру. с.-х. наук В.П. Белоброву, д-ру. с.-х. наук И.Н. Любимовой, д-ру. с.-х. наук Н.П. Чижиковой, канд. с.-х. наук Т.Н. Авдеевой за ценные консультации, советы и рекомендации.
1 ГЕНЕЗИС АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОКСИДОГЕНЕЗА (обзор литературы)
Рассмотрены процессы формирования речных долин и особенности почвообразования в поймах рек. Охарактеризованы физические, химические свойства и режимы аллювиальных почв, а также их аккумулятивные функции по отношению к тяжелым металлам (ТМ). Дана характеристика оксидогенеза, его показателей и описано проявление оксидогенеза в различных типах почв.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Характеристика условий почвообразования в бассейнах рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки. Приведены характеристики климата, рельефа, растительности, состава речных и грунтовых вод, подстилающих и почвообразующих пород в районе проведения исследования. Рассмотрены природные и техногенные источники ТМ в почвы изучаемых пойм рек.
Общая характеристика объектов исследований. Объектами исследований были аллювиальные почвы трех трансект правобережной части пойм рек Камы, Обвы и В. Мулянки. Трансекты имеют протяженность около 400Ц500 м, включают по три разреза почв разной степени гидроморфизма на генетически разных сегментах поймы. Первая трансекта расположена в пойме р. Камы в пределах Воткинского водохранилища на территории г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная перегнойно-глеевая типичная (разр. 41, координаты: широта N58?01?44,52?, долгота E56?14?32.57?, абсолютная высота 90 м) (Классификация и диагностикаЕ, 2004), аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая легкосуглинистая (разр. 42, N58?01?46,32?, E56?14?33,83?, 90 м), аллювиальная серогумусовая типичная легкоглинистая (разр. 43, N58?01?44,87?, E56?14?35,37?, 90 м). Вторая трансекта расположена в Карагайском районе Пермского края в пойме среднего течения реки второго порядка (l = 247 км) Обвы на расстоянии 15 км к западу от с. Карагая и 130 км к северо-западу от г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая среднесуглинистая (разр. 51, N58?16?42,14?, E54?41?18,78?, 127 м), аллювиальная серогумусовая типичная легкоглинистая (разр. 52, N58?16?47,34?, E54?41?47,94?, 125 м), аллювиальная слоистая типичная супесчаная (разр. 53, N58?16?56,54?, E54?42?18,22?, 125 м). Третья трансекта находится в Пермском районе Пермского края в пойме среднего течения малой реки (l = 52 км) Верхней Мулянки в 5 км к юго-западу от г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная (разр. 32, N57?55?42,57?, E56?13?20,86?, 105 м), постагрогумусовая аллювиальная глееватая среднесуглинистая (разр. 33, N57?55?39,21?, E56?13?16,61?, 103 м) и аллювиальная слоистая типичная легкосуглинистая (разр. 34, N57?55?35,75?, E56?13?15,31?, 103 м). Экологическая ситуация территорий, в пределах г. Пермь, Пермского и Карагайского районов, оценивается, соответственно, как напряженная, удовлетворительная и благоприятная (Двинских, 2007).
Методы исследований. В полевых условиях изучен режим влажности почв под естественной луговой растительностью пойм рек В. Мулянки и Камы. В период с мая по сентябрь 2003-2005 гг. ежедекадно отбирались образцы почв через 10 см до глубины 1 м. Влажность почвы определялась термостатно-весовым методом. Величины Eh, pH и t? измерялись в трехкратной повторности рН-метром Анион-7010 в свежевыкопанных прикопках по генетическим горизонтам (Сердобольский, 1960). Сроки измерения совпадали с отбором образцов почв на влажность.
При выполнении лабораторных анализов использованы общепринятые методики (Александрова, 1986; Вадюнина, 1986) и некоторые специальные методы. В Почвенном институте им. В.В. Докучаева определены: валовой химический состав рентгенфлуоресцентным методом, Tefa-6111; содержание Fe и Mn в вытяжках Тамма и Мера-Джексона и подвижные формы ТМ в ацетатно-аммонийном буфере (ААБ) с рН 4,8 атомно-абсорбционным методом, AAS-3; магнитная восприимчивость, KLY-2. Фазовый состав минералов определен на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100C методом микродифракции электронов в сочетании с качественным определением состава фазы на микроанализаторе Kevex (Drits, 1987) в лаборатории кристаллохимии ИГЭМ РАН. Спектрофотометрическая характеристика почв получена в Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова на спектроколориметре Пульсар с интегральной сферой в системе CIE-L*a*b* (Barron, 1986). Изменение цвета почв после окисления органического вещества описано через нормированное приращение светлоты ?L* (Light) и красноты ?a* после двукратной обработки 50% раствором Н2О2. Первый раз образцы обработаны при комнатной температуре, второй раз - на водяной бане. Оценка содержания ТМ в почвах проведена по ОДК (ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2511-09), ПДК (ГН 6229-91), кларку почв (Виноградов, 1957), содержанию ТМ в зональных почвах (Состояние и охранаЕ , 2009) и по значениям регионального фона (Копылов, 2011). Математическая обработка результатов исследований выполнена с использованием прикладных программ Microsoft Excel и Statistica.
3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА
И АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Состав и свойства аллювиальных почв пойм рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки. Аллювиальные отложения и почвы изученных пойм наследуют основные черты гранулометрического состава пород и почв территорий бассейнов рек южной тайги Среднего Предуралья (Коротаев, 1962). В суглинистых и легкоглинистых почвах центральной и притеррасной пойм высокое содержание ила - 18-35% (таблица 1) и крупной пыли - 28-46%. В легкосуглинистых почвах прирусловой поймы преобладает фракция мелкого песка.
Содержание органического вещества в суглинистых разновидностях почв среднее и высокое, а в супесчаных - низкое, сумма обменных оснований, соответственно, высокая и низкая (таблица 1). Проявление зонального подзолистого процесса формирует кислую реакцию среды и высокую гидролитическую кислотность почв пойм. При вовлечении в почвообразование продуктов выветривания карбонатных верхнепермских отложений, образуются почвы с нейтральной и слабощелочной реакцией среды и высокой степенью насыщенности основаниями.
Между составом, свойствами почв и валовым содержанием ТМ выявлены закономерности взаимосвязи. ТМ накапливаются и в органической, и в минеральной частях аллювиальных почв. Содержание физической глины связано с содержанием Zn (r = 0,85), Ni (r = 0,77), Cu (r = 0,70), Rb (r = 0,70), Y (r = 0,71); содержание органического вещества коррелирует с Zn (r = 0,73), Ni (r = 0,49), Cu (r = 0,74); сумма обменных оснований имеет тесную корреляционную сязь с содержанием цинка с Zn (r = 0,86), Ni (r = 0,49), Cu (r = 0,82), Mn (r = 0,55). а
Таблица - 1 Физико-химические свойства и содержание фракций
гранулометрического состава в аллювиальных почвах
Горизонт, глубина, см |
СОРГ, % |
мг-экв на 100 г почвы |
V, % |
pHKCl |
Частицы <0,001мм, % |
Частицы <0,01мм, % |
|||
S |
HГ |
EKO |
|||||||
Аллювиальная перегнойно-глеевая типичная, разр. 41, Кама |
|||||||||
H |
0-23 |
28,1** |
- |
- |
- |
- |
4,6 |
- |
- |
[T] |
23-89 |
40,1** |
- |
- |
- |
- |
4,2 |
- |
- |
G~~ |
89-110 |
1,5 |
12,7 |
9,9 |
22,6 |
56 |
3,9 |
21,6 |
36,0 |
C1g~~ |
110 и > |
0,5 |
8,4 |
8,4 |
16,8 |
50 |
3,7 |
16,9 |
32,3 |
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама |
|||||||||
AYg |
0-25 |
2,6 |
26,6 |
10,2 |
36,8 |
72 |
4,4 |
27,9 |
47,0 |
C1g~~ |
25-31 |
1,0 |
28,5 |
7,7 |
36,2 |
79 |
4,2 |
27,4 |
59,3 |
Gfn~~ |
31-55 |
0,5 |
23,4 |
5,4 |
28,8 |
81 |
4,4 |
32,8 |
59,3 |
C2g~~ |
55 и > |
0,5 |
23,6 |
3,4 |
27,0 |
87 |
4,6 |
33,6 |
50,9 |
Аллювиальная серогумусовая глееватая, разр. 43, Кама |
|||||||||
AY |
0-20 |
4,2 |
26,1 |
10,4 |
36,5 |
71 |
4,4 |
25,7 |
52,8 |
C1[hh] ~~ |
20-30 |
3,8 |
28,7 |
13,1 |
41,8 |
69 |
4,1 |
39,0 |
69,8 |
C2[hh] ~~ |
30-53 |
1,2 |
20,7 |
8,8 |
29,5 |
70 |
3,9 |
39,1 |
63,5 |
C3g~~ |
53-75 |
0,5 |
12,5 |
6,3 |
18,8 |
67 |
3,9 |
18,2 |
31,1 |
C6g~~ |
150 и > |
0,3 |
8,8 |
6,6 |
15,4 |
57 |
3,7 |
17,4 |
27,2 |
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва |
|||||||||
AYg |
0-22 |
2,0 |
30,0 |
4,3 |
34,3 |
88 |
5,1 |
18,3 |
38,2 |
C1g~~ |
22-37 |
2,8 |
32,8 |
6,7 |
39,5 |
83 |
4,7 |
22,3 |
38,5 |
C2g,fn~~ |
37-75 |
1,8 |
22,2 |
15,2 |
37,4 |
59 |
3,5 |
26,5 |
44,1 |
G~~ |
75 и > |
0,9 |
26,2 |
9,7 |
35,9 |
73 |
3,5 |
25,6 |
42,6 |
Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 52, Обва |
|||||||||
AY |
0-24 |
1,8 |
26,4 |
3,7 |
30,1 |
88 |
4,9 |
26,5 |
51,8 |
C2~~ |
47-70 |
0,6 |
25,0 |
2,8 |
27,8 |
90 |
4,6 |
24,5 |
44,9 |
C4~~ |
101 и > |
0,5 |
24,4 |
2,8 |
27,2 |
90 |
4,7 |
35,3 |
66,9 |
Аллювиальная слоистая типичная, разр. 53, Обва*** |
|||||||||
W(AY) |
0-20 |
0,6 |
26,2 |
0,2 |
26,4 |
99 |
8,1* |
7,5 |
12,0 |
C3~~ |
36-52 |
0,2 |
37,8 |
0,4 |
38,2 |
99 |
8,1* |
4,0 |
7,3 |
C4~~ |
52-71 |
0,6 |
46,6 |
0,5 |
47,1 |
99 |
8,2* |
12,6 |
24,6 |
Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. Мулянка |
|||||||||
Hmr |
0-15 |
25,2** |
- |
- |
- |
- |
6,4 |
- |
- |
H |
15-32 |
25,2** |
- |
- |
- |
5,8 |
- |
- |
|
C1g~~ |
32-49 |
0,9 |
15,8 |
0,5 |
16,3 |
97 |
5,9 |
18,2 |
46,6 |
G~~ |
78-92 |
1,34 |
14,4 |
0,8 |
15,2 |
95 |
5,9 |
24,1 |
45,4 |
[T1] |
92-110 |
62,0** |
- |
- |
- |
- |
6,1 |
- |
- |
[T2] |
110 и > |
81,7** |
- |
- |
- |
- |
6,1 |
- |
- |
Постагрогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33, В. Мулянка |
|||||||||
AYpa |
0-29 |
4,0 |
17,1 |
3,7 |
20,8 |
82 |
6,0 |
18,4 |
40,0 |
C1~~ |
29-49 |
0,6 |
10,8 |
1,8 |
12,6 |
86 |
5,8 |
21,3 |
39,2 |
C4g ~~ |
107-137 |
0,8 |
15,1 |
1,6 |
16,7 |
91 |
6,0 |
31,1 |
55,9 |
C5g~~ |
137 и > |
0,5 |
11,8 |
1,2 |
13,0 |
91 |
5,9 |
22,5 |
37,2 |
Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка*** |
|||||||||
W(AY) |
0-30 |
1,3 |
38,8 |
0,7 |
39,5 |
98 |
7,7* |
11,7 |
24,6 |
C2~~ |
41-48 |
1,0 |
40,6 |
0,5 |
41,1 |
99 |
7,5* |
11,5 |
24,9 |
C4~~ |
76-100 |
0,7 |
31,0 |
0,4 |
31,4 |
99 |
7,9* |
8,8 |
18,7 |
C7~~ |
130 и > |
0,6 |
34,4 |
0,4 |
34,8 |
99 |
7,9* |
13,7 |
21,3 |
Примечание: "-" - не определяли, * - рНН2О, ** - потери при прокалива
При снижении величины рНKCl почвы происходит увеличение содержания подвижных форм Zn, Ni (r = -0,4) и Sr (r = -0,71).
аа Концентрация железа и марганца в аллювиальных почвах выше кларка и достоверно взаимосвязана, что свидетельствует об их совместном накоплении и участии в почвообразовательных процессах (рисунок 1).
аРисунок 1 - Дендрограмма кластер-анализа R-типа валового содержания
основных породо- и почвообразующих химических элементов
в аллювиальных почвах, n = 52
Окислительно-восстановительные условия в почвах пойм рек Камы и Верхней Мулянки. Средняя величина показателя парциального давления водорода (rHср) в 2003-2005 гг. в поверхностных горизонтах иловато-перегнойно-глеевой почвы поймы реки В. Мулянки составила 31,40,7, в постагрогумусовой глееватой - 31,52,0, в слоистой почве - 33,00,3. Минимальные значения показателя парциального давления водорода (rHмин) составили, соответственно, 24,0, 28,9, 27,5. В 2004-2005 гг. показатель rHср почв разной степени гидроморфизма в пойме р. Камы изменялся от 26,51,3 в перегнойно-глеевой почве до 36,91,1 в серогумусовой глееватой почве. Величина rHмин в этих почвах составила, соответственно, 19,9 и 22,4. Динамика rH определялась режимом влажности почв (рисунок 2) и изменением температуры, Eh, рН (рисунок 3). Окислительно-восстановительное состояние почв пойм создает условия для образования свободных оксидов и гидроксидов железа и марганца.
Локальными внутрипочвенными центрами проявления оксидогенеза на макроморфологическом уровне являются Mn-Fe- конкреции. Морфология и количество Mn-Fe-конкреций в изученных почвах различны. Формируются крупные буровато-охристые роренштейны и темно-бурые ортштейны.
Рисунок 2 - Режим влажности почв (в % от массы и категориях
почвенной влаги) аллювиальных почв поймы р. В. Мулянки, 2005 г.
(средний по увлажнению год):
А - аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная,
В - постагрогумусовая аллювиальная глееватая,
С - аллювиальная слоистая типичная.
(1 - < ВЗ, 2 - ВЗ-ВРК, 3 - ВРК-ППВ, 4 - ППВ-ПВ, 5 - ПВ)
Осадки, мм |
tC август июль июнь |
tC август июль июнь |
А |
|
|
В |
|
|
Eh, мВ |
рН |
|
Рисунок 3 Ц Динамика окислительно-восстановительного потенциала(Eh, мВ) и реакции почвенного раствора (рН) в поверхностных (А) и подповерхностных (В) горизонтах аллювиальных почв поймы р. В. Мулянки, 2005 г. (средний по увлажнению год): иловато-перегнойно-глеевая типичная (разр. 32) Hmr, 0-15 см; H, 15-32 см; постагрогумусовая глееватая (разр. 33) AYpa, 0-29 см; C1~~, 29-49 см; слоистая типичная (разр. 34) W(AY), 0-30 см; C1~~, 30-41 см. |
||
4 ФОРМЫ И СТЕПЕНЬ РАЗВИТИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА
Фазовый состав минералов железа и марганца в почвах. Электронно-микроскопические данные показали, что разнообразие оксидов и гидроксидов железа в большинстве проанализированных образцов высокое (N=3-4) (таблица 2). Фазовый состав оксидов железа в аллювиальных почвах представлен гематитом ?Fe2O3. Основными фазами гидроксидов железа в аллювиальных почвах Среднего Предуралья являются гетит ?FeOOH, ферригидрит Fe2O3Х2FeOOHХ2.5Н2О и фероксигит ?FeOOH. Анализ не выявил самостоятельных минералов марганца, он преимущественно входит в состав марганецсодержащего фероксигита ?(Fe1-xMn)O1+x(OH)1-x.
Монокристаллы литогенного гематита пластинчатой формы с неровными краями (рисунок 4, I-А). Размер монокристаллов педогенного гематита значительно меньше (рисунок 4, I-B). Кристаллическая решетка гематита на дифракционной картине характеризуется хорошо упорядоченным расположением ионов железа (рисунок 4, II-А, B).
Форма агрегатов гетита волокнисто-игольчатая, фероксигит и ферригидрит представлены тонкодисперсными спутанно-волокнистыми агрегатами (рисунок 4, I-C, D).
|
I |
II |
III |
IV |
A |
|
|
|
|
|
увел. ?35 000 |
|
увел. ?50 000 |
|
|
Гематит |
Гетит |
||
B |
|
|
|
|
|
увел. ?50 000 |
|
увел. ?140 000 |
|
|
Гематит мелкодисперсный со слоистыми силикатами |
Mn-фероксигит |
||
Рисунок 4 Ц Электронно-микроскопические изображения (I, III) и микродифракционные картины (II, IV) (гидр)оксидов железа в аллювиальных почвах (разр. 33, гор. AYpa (A), разр. 43, гор AY (B), разр. 43, гор. C5g (C), разр. 42, гор. Clg (D)) |
||||
Таблица 2 - Минералы железа, магнитная восприимчивость и формы
соединений железа и марганца в аллювиальных почвах
Горизонт, глубина, см |
Минералы Fe |
Fe2O3, % |
Feокс/ Feдит |
МВ*, 10-8 м3/кг |
MnO2, % |
||||||
вал |
дит |
окс |
вал |
дит |
окс |
||||||
Аллювиальная перегнойно-глеевая типичная, разр. 41, Кама |
|||||||||||
Н |
0-23 |
Фр |
5,83 |
1,46 |
0,53 |
0,36 |
11 |
0,18 |
0,08 |
0,03 |
|
[T] |
23-89 |
- |
5,74 |
1,39 |
1,30 |
0,94 |
0,1 |
0,17 |
0,04 |
0,04 |
|
G ~~ 89-110 |
Фр |
3,84 |
0,52 |
0,31 |
0,60 |
8 |
0,08 |
0,03 |
0,02 |
||
C1g~~110 и > |
- |
3,99 |
0,65 |
0,41 |
0,63 |
9 |
0,09 |
0,03 |
0,02 |
||
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама |
|||||||||||
AYg |
0-25 |
Фр>Гм> Г |
11,0 |
1,13 |
0,46 |
0,41 |
34 |
0,58 |
0,47 |
0,34 |
|
C1g~~ |
25-31 |
- |
10,2 |
3,82 |
2,08 |
0,54 |
17 |
1,28 |
0,91 |
0,87 |
|
Gfn ~~ |
31-55 |
Г> Фр |
7,48 |
2,52 |
1,41 |
0,56 |
16 |
0,25 |
0,14 |
0,14 |
|
C2g~~ 55 и > |
|
7,43 |
2,49 |
1,42 |
0,57 |
18 |
0,37 |
0,25 |
0,23 |
||
Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 43, Кама |
|||||||||||
AY |
0-20 |
Фр>Гм>Г>Сд |
6,43 |
1,75 |
0,64 |
0,37 |
34 |
0,20 |
0,09 |
0,04 |
|
C1[hh] ~~ |
20-30 |
- |
8,01 |
2,81 |
1,89 |
0,67 |
13 |
0,19 |
0,09 |
0,06 |
|
C2[hh] ~~ |
30-53 |
- |
7,11 |
1,95 |
1,7 |
0,87 |
12 |
0,14 |
0,05 |
0,05 |
|
C4~~ 75-100 |
Фр>Г> Сд |
6,87 |
2,08 |
1,09 |
0,52 |
16 |
0,19 |
0,09 |
0,07 |
||
C6~~ 150 и > |
- |
3,84 |
0,77 |
0,28 |
0,36 |
7 |
0,09 |
0,03 |
0,03 |
||
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва |
|||||||||||
AYg |
0-22 |
Гм>Г>Фг |
6,32 |
2,89 |
0,72 |
0,25 |
15 |
0,20 |
0,17 |
0,11 |
|
C1g~~ |
22-37 |
- |
6,19 |
1,83 |
0,66 |
0,37 |
14 |
0,17 |
0,09 |
0,07 |
|
C2g,fn~~ |
37-75 |
- |
6,00 |
1,11 |
0,60 |
0,55 |
12 |
0,09 |
0,03 |
0,02 |
|
G~~ 75 и > |
Гм>Г |
6,64 |
1,37 |
0,59 |
0,42 |
16 |
0,10 |
0,04 |
0,02 |
||
Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 52, Обва |
|||||||||||
AY |
0-24 |
Г |
5,53 |
1,62 |
0,43 |
0,27 |
18 |
0,13 |
0,07 |
0,06 |
|
C2~~ |
47-70 |
- |
5,68 |
1,78 |
0,46 |
0,26 |
15 |
0,11 |
0,07 |
0,05 |
|
C4~~ 101 и > |
Гм>Г |
5,88 |
2,04 |
0,48 |
0,24 |
17 |
0,18 |
0,12 |
0,10 |
||
Аллювиальная слоистая типичная, разр. 53, Обва |
|||||||||||
наилок |
Г |
6.08 |
2,44 |
0,51 |
0,21 |
21 |
0,31 |
0,29 |
0,17 |
|
W(AY) |
0-20 |
Г>Гм |
4,79 |
1,59 |
0,27 |
0,17 |
26 |
0,15 |
0,08 |
0,06 |
C4~~ |
52-71 |
Г |
5,04 |
1,63 |
0,29 |
0,18 |
20 |
0,16 |
0,08 |
0,06 |
C7~~ 90 и > |
Г |
3,80 |
1,09 |
0,16 |
0,15 |
16 |
0,10 |
0,05 |
0,04 |
|
Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. Мулянка |
||||||||||
Hmr |
0-15 |
Гм>Г |
6,88 |
2,30 |
0,66 |
0,29 |
37 |
0,22 |
0,15 |
0,12 |
H |
15-32 |
- |
6,68 |
2,01 |
0,68 |
0,34 |
33 |
0,11 |
0,04 |
0,04 |
C2g~~ |
49-78 |
Гм>Г |
6,60 |
1,72 |
0,16 |
0,09 |
13 |
0,09 |
0,01 |
0,002 |
G~~ |
78-92 |
- |
5,66 |
1,33 |
0,14 |
0,11 |
20 |
0,07 |
0,01 |
0,001 |
[T2] 110 и > |
- |
2,31 |
0,26 |
0,15 |
0,58 |
1 |
0,04 |
0,01 |
- |
|
Постагрогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33, В. Мулянка |
||||||||||
AYpa |
0-29 |
Гм>Фр> Г>Cд |
6,96 |
1,88 |
0,81 |
0,43 |
30 |
0,21 |
0,10 |
0,10 |
C1~~ |
29-49 |
- |
7,20 |
1,69 |
0,59 |
0,35 |
31 |
0,19 |
0,09 |
0,08 |
C4g~~ |
107-137 |
Г> Гм>Сд |
7,32 |
1,97 |
0,91 |
0,46 |
17 |
0,19 |
0,09 |
0,10 |
C5g~~ |
137 и > |
- |
7,23 |
2,21 |
0,75 |
0,34 |
24 |
0,11 |
0,03 |
0,02 |
Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка |
||||||||||
W(AY) |
0-30 |
Гм> Фр>Г |
6,50 |
1,52 |
0,43 |
0,28 |
55 |
0,19 |
0,07 |
0,06 |
C2~~ |
41-48 |
- |
6,54 |
1,60 |
0,38 |
0,24 |
60 |
0,16 |
0,06 |
0,04 |
C5~~ 100-108 |
Г> Гм |
6,23 |
1,45 |
0,17 |
0,12 |
49 |
0,22 |
0,08 |
0,02 |
|
C7~~ 130 и > |
- |
6,63 |
1,52 |
0,13 |
0,09 |
57 |
0,13 |
0,04 |
0,02 |
|
Примечание: Г - гетит, Гм - гематит, Фр - фероксигит, Фг - ферригидрит, Сд - сидерит, У-У - не определяли, * - для разр. 41-43, по данным Ю.Н. Водяницкого (2007).
Расположение катионов железа в кристаллической решетке гетита упорядоченное, а аморфного фероксигита - слабоупорядоченное (рисунок 4, II-С, D). Дисперсность (гидр)оксидов железа определяет их высокую пигментирующую способность и значительную адсорбционную емкость по отношению к катионам ТМ и анионам арсенатов.
Состояние минералов железа и марганца в почвах и конкрециях, по данным химических вытяжек. В изученных почвах пойм выраженность оксидогенеза FeДИТ/FeВАЛ, по шкале Л.А. Кармановой (1978), оценивается как низкая и средняя 21-37%. При этом критерий гидроксидогенеза FeОКС/FeДИТ в этих почвах высокий и очень высокий (таблица 2). Степень развития оксидогенеза марганца превышает почти в два раза выраженность оксидогенеза железа. Доля свободного марганца (MnДИТ) от валового преимущественно составляет 31-62%. В отдельных случаях (гор. C1g, разр. 42; гор. AYg, разр. 51; гор. С3, разр. 53; наилок в прирусловой пойме р. Обвы, гор. Hmr, разр. 32) отношение MnДИТ/MnВАЛ достигает 68-94%.
Различия в концентрации свободных форм железа и марганца объясняются тем, что динамика Eh в аллювиальных почвах создает условия преимущественного восстановления-окисления марганца по сравнению с железом. Редуктогенез Mn начинается уже при Eh 400 мВ, тогда как для начала восстановления Fe необходимо снижение Eh до 200 мВ (Савич, 2008). При повышении Eh, из восстановленных форм железа и марганца образуются термодинамически нестабильные гидроксиды, которые со временем превращаются в термодинамически стабильные гетит и (или) гематит (Schwertmann, 1988).
В конкрециях оксидогенез железа и марганца проявляется в большей степени, чем во вмещающей почвенной массе (таблица 3).
Таблица 3 - Формы соединений Fe и Mn в конкрециях аллювиальных почв
№ п/п |
Горизонт, глубина, см |
Fe2O3, % |
MnO2, % |
||||||
вал |
дит |
окс |
Вал |
дит |
окс |
||||
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама |
|||||||||
1 |
Gfn ~~ |
31-55 |
62,9 |
13,1 |
1,17 |
1,11 |
1,07 |
0,55 |
|
Аллювиальная серогумусовая глееватая, разр. 43, Кама |
|||||||||
2 |
C2[hh] ~~ |
30-53 |
20,9 |
8,6 |
0,82 |
3,88 |
3,18 |
0,58 |
|
3 |
C3 ~~ |
53-75 |
17,3 |
7,8 |
1,11 |
3,36 |
2,36 |
0,57 |
|
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва |
|||||||||
4 |
C2g,fn~~ |
37-75 |
27,6 |
10,3 |
1,29 |
0,07 |
0,04 |
0,02 |
|
Постагрогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33, В. Мулянка |
|||||||||
5 |
C2~~ |
49-75 |
16,9 |
3,9 |
1,19 |
4,69 |
1,00 |
0,57 |
|
6 |
C3~~ |
75-107 |
18,3 |
7,4 |
1,18 |
5,23 |
3,43 |
0,57 |
|
7 |
C4g~~ |
107-137 |
22,4 |
9,1 |
1,23 |
6,56 |
4,75 |
0,59 |
|
8 |
C5g~~ |
137 и > |
27,9 |
10,5 |
1,25 |
0,66 |
0,65 |
0,32 |
|
Интенсивность конкреционного оксидогенеза (I) высокая и составляет для дитионитрастворимых форм железа и марганца, соответственно, 4,8 (lim = 2-9) и 27,4 (lim = 1-64), для оксалаторастворимых форм интенсивность ниже (рисунок 5).
|
|||||
Магнитная восприимчивость почв и конкреций. Развитие гидроксидогенеза (FeОКС/FeДИТ) в аллювиальных почвах приводит к снижению их магнитной восприимчивости (r = Ц0,54...Ц0,64). Антропогенное воздействие на аллювиальные почвы сопровождается накоплением техногенного магнетита и увеличением магнитной восприимчивости в поверхностных горизонтах почв пойм рек Камы и В. Мулянки (таблица 2). Магнитная восприимчивость конкреций, в результате накопления окристаллизованных соединений железа, выше, чем восприимчивость вмещающей почвы в 1,1-2,1 раза.
5 ОКСИДОГЕНЕЗ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
аИ ГИДРОМОРФИЗМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ
Оптические показатели почв в красной цветовой гамме системы CIE-L*a*b*: краснота а*, индекс красноцветности R(Lab), количество условного красного пигмента HemУСЛ - определяются развитием оксидогенеза железа. В горизонтах почв пойм, где среди (гидр)оксидов железа преобладают гематит, а также Mn-фероксигит и фероксигит, краснота а* наиболее высокая и изменяется в интервале от 5,8 до 8,2 (таблица 4).
Степень развития оксидогенеза железа в аллювиальных почвах, оцененная по оптическим показателям, зависит от окислительно-восстановительных условий почвообразования. Основными оптическими показателями оксидогенеза, как процесса-результата (Соколов, 2004), по которым оглеенные горизонты аллювиальных почв отличаются от неоглеенных, являются: более низкие значения R(Lab), a*/b* (таблица 5). В оглеенных почвах (разр. 41, 42, 51, 52, 32, 33) средневзвешенный профильный индекс красноцветности R(Lab) ниже, чем в неоглеенных на 27-47%. Величина показателя HemУСЛ в оглеенных горизонтах стремится к нулю. В глеевых горизонтах аллювиальных почв краснота a* низкая, но варьирует в широких пределах - от 2,6 (гор. G, разр. 41) до 7,0 (гор. Gfn, разр. 42) и не всегда надежно отражает гидроморфизм почв.
Таблица 4 - Оптические характеристики аллювиальных почв
в системе CIE-L*a*b*
Горизонт, глубина, см |
L* |
a* |
b* |
a*/b* |
R(Lab) |
Hemусл |
|
Аллювиальная перегнойно-глеевая типичная, разр. 41, Кама |
|||||||
H |
0-23 |
41,8 |
4,8 |
13,8 |
0,35 |
- |
0,09 |
[T] |
23-89 |
36,7 |
5,4 |
9,9 |
0,55 |
- |
0,17 |
G~~ |
89-110 |
44,5 |
2,6 |
9,9 |
0,26 |
3,5 |
0,00 |
C1g~~ |
110 и > |
54,7 |
2,9 |
15,9 |
0,18 |
1,1 |
0,00 |
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама |
|||||||
AYg |
0-25 |
47,6 |
6,0 |
19,2 |
0,31 |
5,4 |
0,18 |
C1g~~ |
25-31 |
49,0 |
6,4 |
18,6 |
0,34 |
4,9 |
0,22 |
Gfn~~ |
31-55 |
53,5 |
7,0 |
21,4 |
0,33 |
3,1 |
0,26 |
C2g~~ |
55 и > |
53,3 |
7,1 |
20,3 |
0,35 |
3,3 |
0,27 |
Аллювиальная серогумусовая глееватая, разр. 43, Кама |
|||||||
AY |
0-20 |
45,2 |
5,3 |
14,5 |
0,37 |
6,6 |
0,14 |
C2[hh]~~ |
30-53 |
56,8 |
4,9 |
16,5 |
0,30 |
1,5 |
0,10 |
C3~~ |
53-75 |
49,3 |
7,4 |
19,0 |
0,39 |
5,5 |
0,30 |
C5g~~ |
100-150 |
52,5 |
8,0 |
21,2 |
0,38 |
4,1 |
0,35 |
C6g~~ |
150 и > |
55,1 |
5,8 |
16,1 |
0,36 |
2,2 |
0,17 |
Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва |
|||||||
AYg |
0-22 |
50,0 |
6,8 |
18,9 |
0,36 |
4,6 |
0,25 |
C1[hh]g~~ |
22-37 |
48,8 |
6,5 |
17,7 |
0,37 |
5,1 |
0,23 |
C2g,fn~~ |
37-75 |
57,5 |
3,9 |
16,0 |
0,24 |
1,1 |
0,02 |
G~~ |
75 и > |
56,7 |
3,6 |
15,9 |
0,23 |
1,1 |
0,00 |
Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 52, Обва |
|||||||
AY |
0-24 |
47,4 |
7,3 |
18,0 |
0,41 |
7,0 |
0,30 |
C1~~ |
24-47 |
51,0 |
8,2 |
20,1 |
0,41 |
5,0 |
0,37 |
C2~~ |
47-70 |
52,6 |
8,0 |
47,7 |
0,17 |
4,0 |
0,35 |
C4~~ |
101 и > |
51,3 |
7,9 |
20,2 |
0,39 |
4,7 |
0,34 |
Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. Мулянка |
|||||||
Hmr |
0-15 |
38,3 |
4,6 |
9,4 |
0,49 |
- |
0,10 |
H |
15-32 |
40,2 |
5,0 |
10,7 |
0,47 |
- |
0,13 |
C1g~~ |
32-49 |
48,8 |
6,2 |
13,9 |
0,45 |
5,0 |
0,22 |
G~~ |
78-92 |
45,8 |
5,0 |
11,4 |
0,44 |
5,9 |
0,12 |
[T1] |
92-110 |
26,0 |
4,7 |
2,1 |
2,24 |
- |
0,56 |
Постагрогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33, В. Мулянка |
|||||||
AYpa |
0-29 |
38,8 |
3,8 |
10,5 |
0,36 |
11,8 |
0,02 |
C1~~ |
29-49 |
47,8 |
6,0 |
16,4 |
0,37 |
5,4 |
0,19 |
C2~~ |
49-75 |
48,4 |
6,4 |
17,6 |
0,36 |
5,3 |
0,22 |
C4g~~ |
107-137 |
50,6 |
5,8 |
17,0 |
0,34 |
3,7 |
0,17 |
Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка |
|||||||
W(AY) |
0-30 |
42,3 |
4,9 |
13,7 |
0,36 |
9,1 |
0,10 |
C4~~ |
76-100 |
44,9 |
5,7 |
12,5 |
0,46 |
7,7 |
0,18 |
C5~~ |
100-108 |
48,8 |
5,0 |
14,3 |
0,35 |
3,9 |
0,11 |
C7~~ |
130 и > |
43,6 |
5,8 |
13,0 |
0,45 |
9,3 |
0,19 |
Примечание: а(Barron, 1986), а(Водяницкий, 2004)
Обработка почв H2O2, в сочетании с системой оценки цвета CIE-L*a*b*, повышает точность диагностики оглеенных горизонтов аллювиальных почв, так как устраняет маскирующее действие органического вещества. После обработки H2O2 в образцах почв из оглеенных горизонтов происходит заметное уменьшение красноты: ?а*<0; в неоглеенных горизонтах краснота возрастает: ?а*>0. Соответственно, зависимость ?а* от степени осветления (Light) обратная или прямая (таблица 5).
Особенностью проявления оксидогенеза в аллювиальных почвах Среднего Предуралья являются более низкие, относительно почв бассейнов рек, значения показателей R(Lab), HemУСЛ, a*/b*, что связано с частичным разрушением основного красного пигмента почв - гематита в восстановительных условиях формирования аллювия и развития почв пойм. Между оптическими показателями оксидогенеза (а*, HemУСЛ) и его химическими показателями (FeДИТ, FeОКРИСТ, FeДИТ/FeВАЛ) в почвах пойм существует достоверная положительная связь (r = 0,45-0,59, n = 43).
Таблица 5 - Оптические показатели аллювиальных почв
до (1) и после (2) обработки перекисью водорода
Оптические показатели |
Горизонты |
||||||
органогенные (n = 6/2)** |
глеевые и глееватые (n = 19/5) |
без признаков оглеения (n = 25/4) |
|||||
M |
lim |
M |
lim |
M |
lim |
||
1 |
a* |
5,3 |
4,6-6,4 |
5,9 |
2,6-8,0 |
6,3 |
3,8-8,2 |
R(Lab) |
- |
- |
4,0 |
1,1-6,3 |
6,3 |
1,50-11,8 |
|
HemУСЛ, % |
0,26 |
0,09-0,56 |
0,19 |
0,0-0,36 |
0,21 |
0,02-0,37 |
|
a/b |
0,84 |
0,35-2,24 |
0,35 |
0,18-0,45 |
0,38 |
0,30-0,46 |
|
2 |
?a* |
-3,7 |
-4,3... -3,1 |
-1,6 |
-2,6... -0,4 |
+1,4 |
+0,5... +2,9 |
Light |
10,8 |
6,0-9,0 |
8,9 |
2,0-14,4 |
5,4 |
2,3-9,2 |
|
Примечание: У-Ф - не определяли, ** - в числителе - количество образцов без обработки H2O2, в знаменателе - количество образцов, обработанных H2O2.
6 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И ОКСИДОГЕНЕЗ
Природно-техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами и мышьяком. Среднепрофильные концентрации ТМ по отношению к кларку(КК) в почвах поймы р. Обвы составляют ряд: Cu 2,4 > Cr 2,4 > Ni 1,6 > Zn 1,5 > As 1,1. В почвах поймы р. Камы ряд накопления ТМ, в соответствии с КК, следующий: Mn 1,9 > Cr 1,9 > Cu 1,8 > As 1,5 > Zn 1,4 > Ni 1,3. Наиболее высокие коэффициенты концентрации ТМ и As в почвах поймы р. В. Мулянки: Cu 2,9 > Cr 2,7 > Ni 2,2 > As 1,5. Содержание Rb, Ga, Y и Zr в исследованных почвах пойм ниже кларка (таблица 6).
Содержание ТМ в аллювиальных почвах в несколько раз превышает уровень их концентрации в почвах водоразделов южной тайги Среднего Предуралья (КЗОН): As (14-27), Сu (2,0-3,5), Zn (1,1-2,1). а
Аллювиальные почвы, по отношению к региональному фону, также характеризуются повышенным содержанием ТМ (таблица 6). Для почв поймы р. Камы ряд поллютантов следующий: As 7,7 > Sr 2,3 > Mn 1,9 > Ni 1,5 > Zn 1,2; в почвах поймы р. Обвы: As 6,0 > Sr 3,1 > Ni 1,8 > Zn 1,2; в почвах поймы р. В. Мулянки: As 7,3 > Sr 2,8 > Ni 2,6 > Zn 1,2 > Cu 1,2 > Mn 1,1. Мониторинг загрязнения почв ТМ в поймах рек на территории Пермского края не осуществляется (Состояние и охрана..., 2009), но геохимическая роль почв пойм в аккумуляции ТМ очевидна и требует контроля за их состоянием.
Среднепрофильная концентрация As, Ni, Cu, Zn в почвах поймы р. В. Мулянки выше ПДК и ОДК. В иловато-перегнойно-глеевой почве (разр. 32) содержание Ni превышает ОДК в 1,3 раза. В постагрогумусовой глееватой почве (разр. 33) концентрация Ni выше ОДК в 1,1-1,2 раза. Наиболее загрязнена ТМ слоистая типичная почва на супесчаном аллювии (разр. 34), в которой превышение ОДК, с учетом ее легкого гранулометрического состава, установлено для Cu (1,2-1,7), Ni (3,2-4,4), As (2,5-5,5), Zn (1,1-1,2). В перегнойно-глеевой типичной почве (разр. 43) поймы р. Камываловое содержание Ni и As превышает ОДК в 1,4 раза. Загрязнение Mn в большей степени выражено в серогумусовой глеевой почве (разр. 42), где в гор. С1g содержание Mn достигает 8062 мг/кг, что в 5,4 раза выше ПДК. В почвы пойм рек Камы и В. Мулянки ТМ поступают из природных и техногенных источников.
Средневзвешенное профильное валовое содержание Ni и As в почвах поймы р. Обвы превышает ОДК, соответственно, в 1,6 и 1,1 раз. Почвы поймы р. Обвы, удаленные от промышленных центров, аккумулируют ТМ, в основном, из природных источников. Концентрация Ni , As, Mn, Zn, Cu в наилке на прирусловой части поймы р. Обвы выше, чем в поверхностном гор. AY.
Для подсчета суммарного загрязнения аллювиальных почв был использован новый критерий - среднепрофильный суммарный показатель загрязнения Zпроф:
где Zj - показатель загрязнения Саета для j-го горизонта, h - мощность j-го горизонта.
Критерий Zпроф позволяет дать обобщенную оценку всей загрязненной толщи почв, что имеет особое значение для характеристики почв, отличающихся литологической прерывистостью пород в профиле.
Почвы поймы р. Обвы, характеризуются относительно слабым суммарным загрязнением, критерий Zпроф-max составляет 6,8; 6,0; 6,5 (разр. 51, 52, 53). Более сложное среднепрофильное суммарное загрязнение в почвах пойм рек Камы и В. Мулянки, здесь Zпроф выше. Загрязнение ТМ распространяется на значительную глубину аллювиальных почв, что свидетельствует о длительном и регулярном поступлении поллютантов гидрогенным путем. Максимального значения показатель суммарного загрязнения достигает в серогумусовой глеевой оруденелой почве (разр. 42, Кама), где Zпроф-max в слое 0-100 см составляет 14,1. В почвах поймы р. В. Мулянка Zпроф-max ниже 6,7-7,3.
Корреляционный анализ по Спирмену показал, что в аллювиальных почвах Mn, Zn, As, Ni, Rb, Y и Ga связаны, прежде всего, железосодержащими минералами. Следовательно, трансформация железосодержащих соединений в процессе почвообразования или при проведении мелиоративных мероприятий будет влиять на состояние ТМ в аллювиальных почвах (таблица 7).
Таблица 7 - Корреляционная матрица валового содержания ТМ и As
в аллювиальных почвах (n = 52)
Fe |
Zn |
As |
Сr |
Ni |
Cu |
Mn |
Sr |
Zr |
Rb |
Y |
Ga |
|
Fe |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn |
0,55* |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
As |
0,50* |
0,00 |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сr |
-0,09 |
-0,42* |
0,21 |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ni |
0,50* |
0,52* |
0,09 |
0,26 |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
Cu |
0,27 |
0,57* |
-0,02 |
0,10 |
0,78* |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
Mn |
0,63* |
0,22 |
0,42* |
-0,19 |
0,06 |
-0,07 |
1,0 |
|
|
|
|
|
Sr |
-0,19 |
-0,32 |
0,10 |
0,45* |
0,34* |
0,31 |
-0,26 |
1,0 |
|
|
|
|
Zr |
0,12 |
0,02 |
0,08 |
-0,08 |
-0,40* |
-0,43* |
0,11 |
-0,58* |
1,0 |
|
|
|
Rb |
0,62* |
0,57* |
0,20 |
-0,24 |
0,10 |
0,00 |
0,37* |
-0,70* |
0,58* |
1,0 |
|
|
Y |
0,48* |
0,63* |
0,22 |
-0,13 |
0,24 |
0,33* |
0,28 |
-0,53* |
0,32 |
0,77* |
1,0 |
|
Ga |
0,49* |
0,42* |
0,26 |
0,14 |
0,30 |
0,33* |
0,27 |
-0,20 |
-0,05 |
0,32 |
0,46* |
1,0 |
Примечание: * - достоверно при Р = 0,95.
Множественный корреляционный анализ по методу Варда выявил, что железо и марганец образуют с ТМ самостоятельные кластеры. Цинк, никель и медь объединены в отдельный кластер с сильной достоверной связью (r-Pearson = 0,15-0,32, n = 52). Эти техногенные металлы активно вовлечены в производственный цикл машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий Среднего Предуралья, и совместно загрязняют окружающую среду.
В почвах пойм, по сравнению с почвами водораздельных пространств, содержание подвижных форм Zn, Mn и Cd выше (таблица 8). Подвижность Sr и Mn в аллювиальных почвах высокая, а Ni, Zn и Cu малоподвижны. Основными поллютантами в подвижной форме для почв пойм Среднего Предуралья являются Ni, Mn и Cd. Содержание Ni, Pb, Cd, Zn, Cu, Co и Sr связано с концентрацией Mn (r = 0,35-0,90, n = 49).
Марганцево-железистые конкреции как концентраторы тяжелых металлов. Высокая концентрация оксидов и гидроксидов железа и марганца в ортштейнах и роренштейнах аллювиальных почв сопровождается накоплением As 5,2> Ni 4,2 > Cu 1,6 > Y 1,4 > Zn 1,1. Анализ взаимосвязи ТМ в конкрециях выявил, что марганец образует кластер с Cu, Ni, Y, Sr (r-Pearson = 0,1-0,4); железо - с As, Rb (0,2-0,3); Zn с Ga (0,2), Zr c Cr (0,9).
Примечание: подвижность - содержание элемента в ААБ в % от валового, л- означает данные отсутствуют, зон - содержание подвижных форм тяжелых металлов в зональных почвах, по данным ГЦАС Пермский.
Новообразования разного генезиса имеют особенности химического состава. Ортштейны серогумусовой глеевой почвы (разр. 41) содержат 26% Mn и 29% Ni от их валового содержания в почве. Конкреции серогумусовой глееватой почвы (разр. 42) депонируют 49% As и 35% Ni.
Следовательно, при проведении гидротехнических мероприятий в поймах рек (осушение, орошение) следует учитывать, что мобилизация ТМ из конкреций, в результате изменения окислительно-восстановительных условий, приведет к увеличению степени загрязненности почв и речных вод тяжелыми металлами.
Тяжелые металлы и показатели оксидогенеза. Показатели оксидогенеза и валовое содержание ТМ в аллювиальных почвах не авсегда имеют положительную корреляцию. Можно отметить следующие закономерности. Содержание оксалаторастворимого железа и концентрация Mn, Ni, Zn, Rb, Y и As взаимосвязаны (r = 0,20-0,91). Концентрация окристаллизованного железа коррелирует с валовым содержанием Ni (r = 0,32-0,51), а величина критерия оксидогенеза железа - с содержанием марганца (r = 0,31-0,54). В загрязненных и относительно чистых почвах пойм закономерности взаимосвязи показателей оксидогенеза и ТМ имеют свои особенности.
В почвах пойм рек Камы и В. Мулянки в большей степени проявляется связь между содержанием FeОКР, FeДИТ, отношением FeДИТ/FeВАЛ и содержанием техногенных металлов - Zn, Ni, Cu (r = 0,23-0,74). Дитионитрастворимые формы Mn наиболее тесно связаны с содержанием Zn, Ni, Rb, Y, Ga и As (r = 0,25-0,70) в почвах поймы р. Камы.
В почвах поймы р. Обвы окристаллизованное железо достоверно связано с валовым содержанием Ni, Mn и Sr (r = 0,39-0,70), а аморфные соединения железа активно концентрируют Zn, Cu, Ni, Rb, Y, Ga (r = 0,31-0,91). Активная роль гидроксидов железа в сорбции ТМ в кислых почвах подтверждается достоверной положительной корреляционной связью между содержанием FeОКС и отношением FeОКС/FeДИТ с концентрацией подвижных форм Ni, Mn, Pb, Cd, Zn, Cu, Co и Sr (r = 0,51-0,93).
ВЫВОДЫ
- Окислительно-восстановительные условия оксидогенеза в поверхностных горизонтах аллювиальных почв характеризуются переменными временными, пространственными, внутрипрофильными значениями Eh: от умеренно-восстановительных - интенсивно-окислительных (lim = 210-583) в перегнойно-глеевых почвах до слабо восстановительных - интенсивно-окислительных (lim = 323-724) в серогумусовой типичной и слоистой почвах. Реакция почвенного раствора (рНН2О) зависит от состава аллювия и изменяется в широком интервале: в пойме р. Камы - от 3,9 до 6,5, а в пойме р. В. Мулянки - от 5,1 до 8,1.
- Общие тенденции оксидогенеза железа как процесса-механизма в почвах пойм южной тайги Среднего Предуралья заключаются в том, что в восстановительную фазу почвообразования происходит частичная редукция железа и марганца, а в фазу окисления образуются термодинамически нестабильные гидроксиды - марганецсодержащий фероксигит, ферригидрит и фероксигит, которые постепенно превращаются в тонкодисперсные педогенные фазы гетита и (или) гематита. Оксидогенез железа в аллювиальных почвах как процесс-результат диагностируется по следующим основным признакам: а) доля несиликатных форм железа составляет 21-37% от валового; б) содержание сильноокристаллизованного железа - 28-85% от несиликатного; в) содержание аморфного и слабоокристаллизованного железа - 4-15% от валового. Образование термодинамически нестабильных гидроксидов железа сопровождается снижением магнитной восприимчивости почвы.
- Оксидогенез марганца проявляется в образовании Mn-фероксигита. Степень проявления оксидогенеза марганца (MnДИТ/MnВАЛ) составляет 31-62%, доля оксалаторастворимого Mn от валового - 17-60%. Оксидогенез марганца выражен в гораздо большей степени, чем оксидогенез железа, особенно в условиях переменного редокс-потенциала в верхних горизонтах почв пойм.
- Выявлено, что оптические и химические показатели оксидогенеза взаимосвязаны. Краснота а* почв и HemУСЛ достоверно возрастают с увеличением содержания FeДИТ, FeОКРИСТ и величины отношения FeДИТ/FeВАЛ. Установлено, что железосодержащими пигментами почв пойм, определяющими их красноцветность, являются не только гематит, но и фероксигит.
- Железосодержащая фаза аллювиальных почв Среднего Предуралья концентрирует тяжелые металлы (Zn, Ni, Mn, Rb, Y, Ga) и As. Валовое содержание Cu, Cr, Ni, Zn, Mn и As в почвах пойм выше их кларков, содержания в зональных почвах и регионального фона. В напряженной и удовлетворительной экологической обстановке территории бассейнов рек поллютантами аллювиальных почв являются As, Ni, Cu, Zn природно-техногенного происхождения. В условиях благоприятной экологической ситуации бассейнов рек происходит загрязнение аллювиальных почв As и Ni из техногенно-природных источников. Аллювиальные почвы загрязнены подвижными формами Ni, Cd, Pb, Cu, их содержание тесно связано с концентрацией подвижных форм марганца.
- Марганцево-железистые конкреции аллювиальных почв являются формой интенсивного проявления оксидогенеза и чувствительными сорбционными барьерами для тяжелых металлов. Интенсивность конкреционного оксидогенеза марганца IMnдит, IMnокс авыше, чем железа IFeдит,IFeокс. В конкрециях преобладают окристаллизованные формы железа и марганца. В конкрециях, по сравнению с вмещающей почвой, накапливаются As>Ni>Cu>Y>Zn.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
- Рекомендовать почвенно-агрохимическим и мелиоративным службам при проведении почвенных обследований в поймах рек южной тайги Среднего Предуралья апробировать в производственных условиях использование оптических показателей почв в системе CIE-L*a*b*.
- Рекомендовать природоохранным службам, при осуществлении мониторинга почв на территориях с разной экологической ситуацией южной тайги Среднего Предуралья, предусмотреть размещение реперных участков в пределах пойменных агроландшафтов малых и средних рек. Контролировать содержание тяжелых металлов в слое 0-100 см по модифицированной формуле Саета.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Кожева (Романова), А.В. Модификация формулы Ю.Е. Саета для определения суммарного внутрипрофильного загрязнения почв тяжелыми металлами / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, А.В. Кожева (Романова) // Материалы Международной научной конференции Современные проблемы загрязнения почв. Москва, 24-28 мая, 2004. - С.191Ц193.
2. Кожева (Романова), А.В. Тяжелые металлы в аллювиальных почвах Среднего Предуралья / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, А.В. Кожева (Романова) // Доклады РАСХН. - 2004. - № 5. - С.23Ц25.
3. Кожева (Романова), А.В. Особенности поведения железа в дерново-подзолистых и аллювиальных почвах Среднего Предуралья / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, А.В. Кожева (Романова), Э.Ф. Сатаев // Почвоведение. - 2006. - № 4. - С.396Ц400.
4. Кожева (Романова), А.В. Влияние железосодержащих пигментов на цвет почв на аллювиальных отложениях Средне-Камской равнины / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, Э.Ф. Сатаев, А.В. Кожева (Романова), М.Н. Власов // Почвоведение. - 2007. - № 3. - С.318Ц330.
5. Кожева (Романова), А.В. Fe-Mn-конкреции агрозема аллювиального темногумусового поймы р. Мулянки // Пермский аграрный вестник: LXVI Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и аспирантов Вклад молодых ученых в развитие АПК. Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО ПГСХА, 2007. - Вып. XVII. - Ч.1. - С.121Ц122.
6. Климова (Романова), А.В. Режим влажности аллювиальных почв поймы р. Верхняя Мулянка Пермского края / А.В. Климова (Романова) // Пермский аграрный вестник , LXIХ Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и аспирантов Молодежная наука: технологии, инновации: сб. науч. трудов. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2009. - С. 94Ц96.
7. Романова, А.В. Магнитная восприимчивость аллювиальных почв пойм рек Верхняя Мулянка и Обва Пермского края / А.А. Васильев, А.В. Романова // Инновационные научные решения - основа модернизации аграрной экономики, Всероссийская заочная науч.-практич. конф. (2011, Пермь). - Ч.1. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2011. - С.61Ц65.
Авторефераты по темам >>
Разные специальности - [часть 1] [часть 2]