Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка состояния микроэлементов в почвах поймы Средней Оби

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка состояния микроэлементов в почвах поймы Средней Оби"

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВА Татьяна Ермолаевна

\ О .

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ПОЙМЫ СРЕДНЕЙ ОБИ

Специальность 03.00.16-экологня

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Томск 2000

Работа выполнена на кафедре почвоведения и экологии Томского государственного университета

Научный руководитель:

Кандидат биологических наук Л. А. Изерская

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор А. Г. Карташов Доктор биологических наук И. Н. Росновский

Ведущая организация:

Красноярский государственный аграрный

университет

Защита состоится "20" ноября 2000 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета К 063. 53. 13 в Томском государственном университете

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, НИИББ

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 20 октября 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук С. П. Гуреев

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Экологический аспект биогеохимическнх исследований - одно из важных научных направлений современной биогеохимии (Сутурин, 1990). Интенсификация антропогенного воздействия на природу обуславливает увеличение потоков различных загрязняющих веществ, усиливает их давление на все компоненты биосферы и слагающие ее наземные и водные экосистемы, ведет к перестройке всех трофических цепей и, как следствие, биогеохимической структуры ландшафтов. Для корректной оценки происходящих процессов, определения меры трансформированности естественных ландшафтов и разработки путей экологически оптимального управления ими необходимы знания о поведении химическ!« элементов в экосистемах. Особую актуальность в этой связи приобретает разработка и внедрение систем мониторинга биогеохимического фона почвенного покрова пойменных ландшафтов р. Оби, отличающихся повышенной динамичностью в пространстве и во времени (Хромых и др., 2000) и играющих важную роль, как в глобальном перераспределении микроэлементов, так и в производстве сельскохозяйственной продукции.

Экологические нарушения биогеохимического фона почв поймы р. Оби могут явиться одной из причин возникновения целого ряда эндемических заболеваний человека и животных. Принципиальное значение в решении данной проблемы имеют вопросы о формах нахождения в этих почвах микроэлементов, определяющих их миграционную способность и возможность поступления в пищевую цепь (Ковальский, Андрианова, 1970; Ковальский, Ра-ецкая, Грачева , 1971; Ковальский, 1974, 1982).

Несмотря на большое количество проведенных работ по изучению свойств почвенного и растительного покрова поймы Средней Оби (Афанасьева, Ремезова, 1968; Славнина, Пашнева, Кахаткина и др., 1981; Добровольский, Афанасьева, Балабко и др., 1984; Изерская, 1981, 1984, 1986, Шепелев, Шепелева, 1995), вопросы состояния микроэлементов остаются до настоящего времени слабо изученными.

Целью данной работы является изучение форм и закономерностей распределения физиологически важных для живых организмов элементов (цинка, меди, марганца, кобальта, бора, молибдена, стронция) и элементов, относящихся к особо опасным загрязнителям (кадмия, свинца) в аллювиальных почвах поймы Средней Оби.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Определить общее содержание физиологически важных в питании растений элементов (Мп, Си, 2п, Со, В, Мо, Эг) и элементов загрязнителей (СсЗ, РЬ) в аллювиальных почвах.

2. Изучить формы соединений Мп, Т.п., Си, Со, Бг, РЬ, Сё, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, рН 4,8; 1Н НС1, вытяжкой Тамма, вытяжкой Гримма, водорастворимого В, Мо в оксалатной вытяжке, рН 3,3.

3. Выявить основные закономерности профильного и географического распределения микроэлементов в аллювиальных почвах.

4. Оценить доступность микроэлементов растениям как фактора, лимитирующего оптимизацию питательного режима аллювиальных почв.

5. Определить уровни содержания и сбалансированности микроэлементов в луговой растительности поймы Средней Оби.

Научная новизна. Впервые для аллювиальных почв Средней Оби изучены формы и закономерности профильного распределения физиологически важных микроэлементов - Мп, Си, Хп, Со, В, Мо, элементов-загрязнителей - Сё, РЬ. Выявлены широтные особенности содержания и распределения микроэлементов в почвах поймы Средней Оби. Впервые для данного региона было получены данные о содержании и закономерностях распределения в аллювиальных почвах общих и подвижных форм вг.

Защищаемые положения.

1. Закономерности распределения форм микроэлементов определяются географической широтой территории, типом геоморфологического элемента поймы и зависящими от них гранулометрическим составом, содержанием гумуса.

2. Основная часть изученных микроэлементов, содержащихся в аллювиальных почвах поймы Средней Оби, представлена труднодоступными растениям формами соединений.

3. Аллювиальные почвы южного отрезка поймы Средней Оби сбалансированы по микроэлементному составу питательного режима растений. Почвы северного отрезка имеют дисбаланс по марганцу.

Практическая значимость. Результаты исследований внедрены в Государственном кометете земельных ресурсов, Государственном комитете по охране окружающей среды Томской области и послужили основой для создания сети мониторинга пойменных почв Средней Оби. Результаты исследований могут служить обоснованием для рационального использования аллювиальных почв данного региона, экологического нормирования и прогнозирования.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы районов нового освоения Западной Сибири" (Томск, 1989), 11 Всесоюзной конференции "Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине" (Самарканд, 1990), 3-м съезде Докучаевского обще-

ства почвоведов (г. Суздаль, 2000), международной научной конференции "Современные проблемы почвоведения в Сибири", посвященной 70-летию образования кафедры почвоведения Томского государственного университета (Томск, 2000).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы: Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 14 рисунков, состоит из введения, Ц глав, заключения, выводов, приложения на 25 страницах. Список литературы включает 280 наименовании, из них 70 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ II МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования послужили аллювиальные почвы поймы реки Оби в пределах Томской области. Исследования проводились с 1986 по 1999г.г. на трех типах аллювиальных почв (согласно классификации Г. В. Добровольского, 1968): дерновых, дерново-луговых, луговых, луго во-болотных.

В качестве основы для выбора ключевых разрезов использованы материалы исследований комплексных почвенно-геоморфолошческих профилей, заложенных на естественных лугах в Кожевниковом (Кожевниковский профиль), Колпашевском (Тебенакский профиль), Александровском (Новоникольский профиль) районах сотрудниками НИИ биологии и биофизики, кафедры географии Томского государственного университета, Института экологии природных комплексов СО АН СССР. В пределах указанных профилей были отобраны образцы почв из 12 ключевых разрезов, характеризующих различные генетические элементы поймы и растительности для изучения микроэлементного состава.

Изучение широтных закономерностей содержания микроэлементов проводилось по аналитическим данным почв трех профилен: Кожевниковского, Тебенакского и Новоникольского. Более детальный анализ состояния форм микроэлементов, с точки зрения агроэколо-гической характеристики почв поймы р. Оби, был осуществлен в пределах средней и южной части поймы, наиболее интенсивно используемой в сельскохозяйственном производстве.

Почвы Кожевниковского профиля (с. Кожевниково): аллювиальная дерновая слаборазвитая карбонатная (р. 16, прирусловая пойма), аллювиальная дерновая обычная карбонатная (р. 18, переходная часть поймы от прирусловой к центральной), аллювиальная дерновая обычная грунтово-глееватая карбонатная (р. 19, межгривное понижение вблизи р. 18), ачювнальная дерновая обычная (р. 20, центральная пойма), аялювиачьная лугово-болотная (р. 21, переходная от центральной к притеррасной).

Почвы Тебенакского профиля (б. н. п. Тебенак): аллювиальная дерноео-луговая примитивная (р. 1, прирусловая поймы), аллювиальная лугово-дерновая иловато-глеевая (р. 2, переходная от прирусловой части поймы к центральной), ачлюеиальиая луговая иловато-глеевая (р. 8, центральная пойма), аллювиальная дерновая грунтово-глеевая (р. 7 центральная пойма).

Почвы Новоникольского профиля (с. Новоникольское): аллювиальная лугово-болотная (р. 10, прирусловая пойма), аллювиальная лугово-болотная (р. р. 14, 15, центральная пойма).

Определение валового содержания цинка (Zn), меди (Си), марганца (Мп), кобальта (Со), бора (В), свинца (РЬ), кадмия (Cd), стронция (Sr) в почве, а также различных форм элементов (вытяжка ацетатно-аммонийного буфера, pH 4,8, вытяжка 1н HCl, вытяжка Тамма, вытяжка Гримма) проводилось атомно-абсорбционным методом. Валовой и подвижный молибден в почве определяли химическим методом по Ю.М. Добрицкой (Агрохимические методы исследования почв, 1975): валовой - после разложения минеральными кислотами (H2SO4+HF), подвижный - в оксалатной вытяжке с pH 3.3, по Григгу. Подвижный бор в почве определяли по методу Бергера-Труога с хинализарином (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Исследования физико-химических свойств аллювиальных почв выполнены в Институте экологии природных комплексов СО АН СССР по общепришгтым методикам (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Статистическая обработка проводилась с использованием программы Statistica for Windows 5.0.

ГЛАВА 2. СОДЕРЖАНИЕ П ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВАХ СРЕДНЕЙ ОБИ

2.1. Содержание микроэлементов в аллювиальных почвах Средней Оби

Полученные результаты химических анализов аллювиальных почв Средней Оби свидетельствуют о значительных колебаниях содержания изученных микроэлементов, что обусловлено влиянием всего комплекса почвообразовательных процессов: поемного, дернового, глеевого и болотного. Вероятность развития того или иного процесса определяет количество микроэлементов.

Так, уровни содержания (мг/кг) микроэлементов в аллювиальных почвах в гумусово-аккумулятивном горизонте прирусловой части поймы, характеризующихся отложением грубого аллювия и имеющих облегченный гранулометрический состав с преобладанием песка и крупной пыли, невысокими концентрациями гумуса, колеблются в пределах: Мп - 200-632,

Си - 8-22, Ъ\ - 75-85, Со - 15-27, Мо - 0,46-1,99, В - 15-47, Бг - 110-115, РЬ - 17-22, С(1 - 0,51,75. Аллювиальные почвы центральной части поймы, сформированные в условиях активного развития аллювиального и дернового процессов почвообразования, относящимся к тяже-лосутлинистым разновидностям, отличаются более высокими концентрациями щученных элементов (мг/кг): Мп - 2050-2164, Си - 27-40, Ъп - 74-115, Со - 14-28, Мо - 3,95-3,99, В - 6570, Эг - 67-101, РЬ - 25-27, Сё 1-1,4. Эти уровни более высокие по сравнению с содержанием микроэлементов в почвах водораздельных территорий Томского Приобья (Изерская, 1980).

Согласно полученным результатам исследований в аллювиальных почвах Средней Оби наблюдается концентрирование большинства микроэлементов (Мп, В, Мо, РЬ, С<1) по отношению к кларку литосферы (рис. 1), выявлено четкое рассеяние 5г. Следует отметить рассеяние Мп в почвах прирусловой части Тебенакского профиля, что обусловлено с одной стороны их легким гранулометрическим составом, с другой - снижением содержания гумуса. В почвах Новониольского профиля такая закономерность просматривается по всем элементам поймы. Наибольшее среднее содержание (мг/кг) характерно для соединений Мп (Мп общий. - 1540, ацетатно-аммонийный - 35, 1н НС1 - 198, Тамма - 297, Гримма - 43). Основное количество Мп, Си, Ъъ находится в соединениях, извлекаемых вытяжками Тамма и 1 и НС1, в потенциально доступных растениях формах, степень подвижности которых достигает 3477% от общего содержания (рис 2).

Концентрация элементов, извлекаемых вытяжкой Гримма, находится в следующих пределах: Мп, Бг - 0,9-16%, 2п и Си - 11-49%. Содержание наиболее мобильных (вытяжка ацетатно-аммонийного буфера, рН 4,8) соединений Мп, 7л Си Со составляют невысокий процент (1,1-8,5), тогда как для Эг доля этой формы достигает 56% от общего содержания в почве. Отмечается очень низкое содержание подвижных соединений В и Мо (0,33-0,70% от общего в почвах).

Прослеживается зависимость подвижности микроэлементов от кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий изученных почв. Подвижность Мп возрастает при продвижении с юга на север по мере усиления восстановительной обстановки, как следствие глееобразовательного процесса. Си, Хп, Со, Мо, В наиболее подвижны в почвах с окислительной обстановкой (южный отрезок поймы Средней Оби).

Рис. 1. Геохимические спектры микроэлементов в почвах поймы Средней Оби

Содержание (мг/кг) О 50 100 150 200

□ Минимум

□ Среднее

□ Максимум

Рис. 2. Содержание форм микроэлементов в почвах поймы Средней Оби (общая выборка Те-бенакского, Кожевниконекого профилей)

2.2. Связь содержания микроэлементов с географической широты местности и геоморфологическими элементами поймы

Наиболее полные сведения о содержании и закономерностях распределения микроэлементов в основных типах почв поймы Средней Оби освещены в работах Л. А. Изерской, (1981,1984, 1986), Попова (1987), Соловьева, Усгяка и др.(1989). Широтные закономерности изменения форм микроэлементов в пойме Средней Оби до сих пор не были исследованы.

Для выявления связей между содержанием микроэлементов с географической широтой местности и геоморфологическими элементами поймы нами использованы разрезы заложенные только в прирусловой и центральной частях поймы. Почвы притеррасной части исключены, так как они подвержены более сильному, чем другие генетические элементы поймы, влиянию геохимических потоков с террас и водораздельного пространства. Для обеспечения чистоты выборки не использовались также почвенные разрезы, заложенные в переходных частях поймы. В качестве статистического метода использован непараметрический коэффициент корреляции Спирмена.

Содержание в почвах большинства форм микроэлементов имеют хорошо выраженную тенденцию уменьшения в направлении с юга на север. Наибольшая отрицательная связь с широтой характерна для форм микроэлементов, извлекаемых вьгтяжкой Тамма (Мп R=-0,77; Си R=-0,78; Zn R=-0,68; Со R=-0,80). Для цинка ацетатно-аммонийного (R=0,39), Гримма (R=0,34), кобальта общего (R=0,43) отмечается положительная связь. Отрицательная связь для большинства изученных форм микроэлементов характерна и при выборке, состоящей только из гумусовых горизонтов почв. Исключение составляет марганец ацетатно-аммонийный, для которого выявлена положительная связь с широтой местности (R=0,52).

Выявлена четкая корреляционная связь геоморфологического элемента поймы, как фактора определяющего концентрацию микроэлементов, с общим содержанием Pb (R=0,58), Zn (R=0,51), Mo (R=0,50), Mn (R=0,47), Co (R=0,44). To есть, в направлении от прирусловой части поймы к центральной, содержание общих форм перечисленных микроэлементов увеличивается. Аналогичная закономерность прослеживается для форм микроэлементов, извлекаемых вытяжками Тамма (Zn R=0,46, Mn R=0,44) и Григга (Mo R=0,66).

Существует также высокая корреляционная связь между общим содержанием микроэлементов и тонкодисперсной (<0,001 мм) фракцией: Zn (R=0,58), Со (R=0,57), Си (R=0,54), В (R=0,42), Mo (0,38), Mn (R=0,30) и отрицательная со Sr (R=-0,73).

Следует отметить отсутствие связей микроэлементов с глубиной взятия образца.

Для изученных форм всех микроэлементов, кроме Мо, выявлены положительные связи с гумусом. Sr характеризуется отрицательной связью с органическим веществом.

Связи форм микроэлементов с рН оказались менее значимы. Можно отметить положительные связи кислотности почвеннго раствора с Мп солнякислым, 7.П Тамма, Со ацетатно-аммонийным, Сй ацетатно-аммоннйным и Гримма, РЬ солянокислым, Эг общим и солянокислым. Отрицательная связь характерна для 2п ацетатно-аммонийного и Гримма, Со общего. Выявлена положительная связь кальция с Мп общим, солянокислым, Тамма; со всеми формами Си, Тп общим и солянокислым, Мо общим; Со общим и ацетатно-аммонийным, Тамма; Сй общим, солянокислым, Тамма, Гримма; РЬ солянокислым, Эг ацетатно-аммонийным и солянокислым.

ГЛАВА 3. ЗАПАСЫ И ДОСТУПНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ РАСТЕНИЯМ

Для оценки экологического состояния микроэлементов (Мп, Си, Хл, Мо, В, Со) в аллювиальных почвах Средней Оби выявлены закономерности в содержании их послойных (0 -20, 0 - 50, 0 - 100 см) запасов. Запасы микроэлементов в исследуемых почвах находятся в тесной зависимости от приуроченности почв к определенным элементам поймы. Отложения аллювия более легкого гранулометрического состава и слабое развитие дернового процесса обуславливают невысокие запасы микроэлементов в данных почвах (табл. 1). В почвах центральной части поймы, характеризующихся высоким содержанием органического вещества и тонкодисперсной фракции - основных аккумуляторов микроэлементов - наблюдаются соответственно наиболее высокие запасы изученных микроэлементов.

Для оценки доступности почвенных запасов микроэлементов растениям проведен дифференцированный учет их по Н. И. Горбунову (1969). Основная часть (до 74%), запасов изученных элементов в исследованных почвах Кожевниковского профиля характеризуется труднодоступным растеням потенциальным резервом. Для Zn ,Си величина этого резерва составляет более половины (68%) от общего.

В ближнем резерве, являющимся основным источником питания растений, сосредоточено от 16 до 47 % микроэлементов в почве от общего. Наиболее доступный растениям непосредственный резерв цинка, меди, марганца составляет незначительную часть от общего (0.9- 11,3%).

В отличие от Кожевниковского профиля аллювиальные почвы Тебенакского имеют более высокие общие резервы Мп, Хп, Си, Со. Доля потенциального резерва Мп, Си снижается, ближнего возрастает, что видимо связано с особенностями гранулометрического состава почв.

Таблица 1. Запасы микроэлементов в почвах поймы Средней Оби (кг/га)

Номер разреза, геомор- Глу- Си Си Си 2л, Тп гп Мп, Мп Мп Мо Мо В В Со Со

фологический элемент бина, общ. ААБ 1н общ. ААБ 1н общ. А.Б 1н общ подв. общ подв. общ 1н

поймы (см) НС1 НС1 НС1, НС1

Кожевниковский профиль

16, прирусловая часть поймы 0-20 49 2 22 169 29,41 17 2502 105 551 3 1 99 1 25 4,5

0-50 110 6,99 44 401 41,76 35 7162 256 1185 10 3 330 2 69 14

0- 100 177 10,80 66 665 54,71 55 13802 451 1762 23 7 660 5 138 21

19, переходная от приус-ловой к центральной пойме 0-20 68 1,22 26 178 3,03 33 4062 60 869 9 1 150 1 30 10

0-50 173 2,10 64 459 4,61 70 9732 99 1385 23 2 450 3 83 22

0- 100 322 6,70 109 856 7,69 116 20324 132 2038 48 7 1060 5 176 35

20, центральная пойма 0-20 51 0,51 21 148 1,22 26 3986 55 807 8 1 120 1 27 9

0-50 135 1,36 51 439 2,65 56 10228 88 1547 21 3 300 2 76 23

0-100 275 4,74 122 906 5,49 125 20474 153 2500 40 7 640 5 183 41

21, переходная часть от центральной поймы к притеррасной 0-20 75 2,67 37 192 2,84 44 4440 103 854 3 1 120 1 32 12

0-50 175 6,12 84 465 5,38 97 14652 152 1679 11 4 330 2 85 25

0- 100 370 13,74 145 1018 9,54 161 36335 207 2669 29 8 640 4 187 44

Тебенакский профиль

1, прирусловая часть поймы 0-20 62 2,39 23 190 3,63 30 1373 45 499 6 1 94 1 60 9

0-50 157 6,24 57 489 6,70 64 4963 72 1127 16 3 270 2 154 20

0- 100 331 11,49 131 1043 12,11 142 11085 133 2041 31 6 830 3 363 38

2, переходная от прирусловой части поймы к центральной 0-20 63 3,78 26 205 4,01 33 1767 153 499 8 1 160 1 60 31

0-50 165 7,23 65 525 8,3 83 5026 221 1135 18 3 420 2 175 75

0-100 344 14,65 145 1099 15,1 170 11544 400 1979 28 7 940 4 404 165

8, центральная пойма 0-20 91 3,12 40 264 9,08 54 4685 225 1467 8 1 150 1 69 34

0-50 227 5,82 96 699 13,51 118 11606 380 2795 20 3 420 2 176 76

0-100 409 12,92 174 1234 18,67 218 21916 520 3666 37 7 1010 4 409 140

По обеспеченности растений (Методические указания по агрохимическому обследованию и картографированию почв на содержание микроэлементов, 1976) наиболее дефицитным микроэлементом в аллювиальных почвах Кожевннковского профиля является 2м. Выявлена средняя обеспеченность почв подвижной формой Со, В, от средней до высокой -Си, Мп - высокая для растений повышенного выноса микроэлементов.

В почвах Тебенакского профиля наиболее дефицитными элементами являются Со и В, что особенно сильно выражено в прирусловой части поймы. В отличие от Кожевннковского, почвы данного профиля лучше обеспечены 2п: почвы прирусловья имеют среднюю обеспеченность, центральной поймы - высокую. Установлена высокая обеспеченность почв Тебенакского профиля Мп, Си, Мо для растений повышенного выноса.

ГЛАВА 4. СОДЕРЖАНИЕ И СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЛУГОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОЙМЫ СРЕДНЕЙ ОБИ

Будучи важной составной частью биогеоценоза, растительность участвует в процессах миграции и превращения различных химических соединений на поверхности Земли. Действенность участия растительности в этом процессе будет зависеть от количества поглощаемых ею химических элементов.

Согласно полученным результатам исследований (табл. 2) луговая растительность изученной территории поймы Средней Оби имеет существенные различия по содержанию Мп, Хп, Си, Мо, РЬ, Яг, что обусловлено особенностями их видового состава, физико-химических свойств почв (реакцией почвенного раствора, содержанием органического вещества, наличием карбонатов).

В микроэлементном составе луговой растительности, различных геоморфологических частях поймы Средней Оби, отмечено интенсивное накопление Сё и Мо (рис. 3), причем последний накапливается только в Кожевниковском профиле.

Как известно, РЬ и Сс1 относятся к группе токсичных и потенциально опасных для организмов элементов, поэтому требуют особо пристального внимания при мониторинге геохимического фона пойменных ландшафтов. Наиболее высокое содержание РЬ отмечается в растительности Кожевннковского профиля (табл. 2). В растениях более северного отрезка поймы Средней Оби наблюдается снижение его содержания, что обусловлено обеднением их видового состава естественных ценозов. Отмечаются слабые различия по содержанию С<3 (<0,2 мг/кг) в луговой растительности Кожевннковского и Тебенакского профилей (Шепелева, 1987). .

Таблица 2.Содержание (мг/кг) и коэффициенты биологического поглощения

(КПБ) микроэлементов в растительности поймы Средней Оби ■

Разрез Мп КПБ Мп Хп КПБ гп Си КПБ Си Мо КПБ Мо РЬ КПБ РЬ Бг КПБ Бг

Кожевниковский профиль, прирусловье 44 0,041 38 0,87 8,6 0,82 1,5 0,92 1,4 0,07 55 0,37

Кожевниковский профиль, центральная пойма 67 0,045 25 0,41 6,5 0,31 1,47 0,70 1,23 0,07 70 0,57

Колпашев-ский профиль прирусловье 264 0,29 47 0,52 12,8 0,42 1,03 0,40 0,65 0,04 52 0,72

Колпашев-ский профиль, центральная пойма 113 0,071 31 0,35 6,9 0,25 0,93 0,37 1,17 0,06 26 0,47

Максимальное содержание 5г в луговой растительности характерно для центральной части южного отрезка поймы, характеризующегося богатым видовым составом растений (Шепелева, 1987).

Различия по содержанию микроэлементов в растительности геоморфологических частей поймы более отчетливо проявляются при анализе коэффициентов биологического поглощения (табл. 2). По средним значениям интенсивности биологического поглощения элементы образуют следующие ряды: Кожевниковский профиль-Мо>2п>Си>Со>Мп, Тебенак-ский -Мо>гп>Си>Мп>Со.

Сбалансированность химического состава живых организмов - основное условие их нормального роста и развития. Большую роль в сбалансированности химического состава растений играют антагонистические и синергетические отношения элементов в процессе питания растений (Ковальский, 1974; Ринькис, Ноллендорф, 1982; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ринькис, Рамане и др., 1989 и др.). Избыточное содержание одних микроэлементов при дефиците других может создать условия для микроэлементного дисбаланса пищевых рационов человека и животных.

Соотношения основных микроэлементов - биофилов в растительности поймы Кожев-никовского профиля находятся в пределах нормального (по Ковальскому, 1974) (табл 3). В растениях Тебенакского профиля наблюдается значительное превышение пороговых концентраций Мп.

Таблица 3. Соотношение микроэлементов в растительной компоненте поймы и в сбалансированном (по В. В. Ковальскому, 1974) рационе сельскохозяйственных животных

Элементы Соотношение элементов по Ковальскому (1974) Пределы соотношения элементов, Кожев-никово Пределы соотношения элементов, Тебенак

Мп и Ъп 1/1 1-2,7 4-12

Си и Мо 4/1 2-6 3-12

Мп и Си 6/1 5-10 20-60

Мп и Со 70/1 86-134 до 678

Учитывая то обстоятельство, что для района исследования характерен дефицит йода (Кондратьев и др., 1998), при оценке экологической ситуации особенно важным показателем является соотношение Мл и Со, так как Со выступает одним из регуляторов обмена йода. Не менее важным показателем является соотношение Мп и Си. Избыточное содержание Мп снижает усвоение Си, что может привести к накоплению высоких концентраций сульфидов в организме и еще более усилить дефицит Си (Ковальский, 1974). В луговой растительности Кожевниковского профиля отмечается незначительное превышение пороговых концентраций Мо для животных, что может вызывать нарушение адаптационных свойств организма.

Заключение

Изучение уровней содержания и форм микроэлементов в пойменных ландшафтах -необходимый элемент экологического мониторинга земельных ресурсов. Принципы и методы ландщафтно-геохимического мониторинга изложены в работах Д. С. Орлова, Л. А. Воробьевой (1982), Г. В. Добровольского и др. (1983), Д. С. Орлова и др. (1983), М.А.Глазовской, Н.С. Касимоваи др. (1989), Г.В.Мотузовой (1988), А. И. Обухова, А. А. Поповой (1992) и др. Однако, теоретические разработки в области мониторинга почв создавались в основном для территории водораздельных пространств. Для пойменных экосистем конкретные рекомендации пока не разработаны.

Формирование микроэлементного состава аллювиальных почв тесно связано с деятельностью реки и влиянием территории ее водосборного пространства, поэтому в пойменных почвах содержится информация не только о состоянии поймы, но и о состоянии территории водосбора. Аллювиальные почвы наряду с донными отложениями, которые М.А.Глазовская и Н.С.Касимов (1989) считают наиболее информативным объектом для расшифровки особенностей миграции и концентрации химических элементов должны быть

предметом наиболее пристального внимания при разработке систем регионального и локального мониторинга.

Ежегодные наблюдения за почвами изученных ключевых участков позволят решить проблему фонового регионального мониторинга аллювиальных почв. Для этих целей в рамках областной программы "Мониторинга земель Томской области" создана сеть мониторинга пойменных почв, в основу которой положены настоящие исследования. Практической целью мониторинга аллювиальных почв является оценка их микроэлементного состава и прогноз возможности поступления микроэлементов в пищевую цепь.

При выполнении работ по мониторингу должны решаться задачи, включающие в себя изучение почвенного покрова пойм притоков р. Оби, выявление влияния гидрохимического состава паводковых вод и ее притоков на пойменные почвы, изучение связи микроэлементного состава вод с почвами водораздельных пространств.

Исследование эпос вопросов дает возможность прогнозировать устойчивость и изменчивость геохимического фона пойменных ландшафтов, разрабатывать рекомендации по оптимизации природной среды и сохранению плодородия аллювиальных почв.

ВЫВОДЫ

1. Среднее содержание изученных микроэлементов в почвах поймы Средней Оби не превышает ПДК и представлено следующими величинами (мг/кг): Мп - 1540, Си - 30, 2п - 79, Со - 16, Мо - 2,6, В - 60, РЬ - 21, С(1 - 0,95.

2. Характер аккумуляции и миграции микроэлементов в почвах поймы Средней Оби определяются типом и интенсивностью развития основных почвообразовательных процессов, обусловливаемых географической широтой и геоморфологическим положением элементов поймы.

3. Основное количество изученных микроэлементов находится в потенциально подвижной форме соединениях, вытяжках Тамма и 1 н НС1 (до 74%). Легкоподвижные соединения Мп, '¿п, Си и Со, извлекаемые ацетатно-аммонийным буфером, составляют 0,3 - 44%, Эг - 7 - 56% от общего содержания. Содержание элементов, извлекаемых вытяжкой Гримма, находится в пределах: Мп и Со - 0,5-24%, Zn и Си - 11-49%, Бг- 0,9-15%. Доля легкоподвижных соединений, извлекаемых ацетатчо-аммонийным буфером с рН 4,8, колеблется в следующих пределах: Мп, Хп, Си, Со - от 1 до 44%, Эг - от 7 до 56% от общего количества.

1. Наблюдается тенденция уменьшения содержания исследованных форм микроэлементов в почвах в направлении с юга на север. Подобная закономерность выявлена для содержания

Со, Мо, В, Эг, Сй в растениях, для Мп. 7л\ и Си отмечена обратная зависимость.

5. Аллювиальные почвы Средней Оби обладают высокими запасами (кг/га) микроэлементов-биофилов в слое 0-20 см: Мп 1373-4685, '¿г\ 148-264, Си 49-91, Со 25-69. Наиболее высокие ил запасы выявлены в почвах Тебенакского профиля.

6. Большая часть (2/3 от общих запасов) микроэлементного фонда исследованных почв предел звлема потенциальным резервом, характеризующим трудную доступность элементов растениям. Значительную часть Хп, Си, Бг (до 30% от общего запаса) составляет ближний резерв - наиболее вероятный источник пополнения легкодоступных растениям соединений. В непосредственном резерве (первоочередном источнике легкодоступных растениям элементов питания) заключено незначительное количество Мп, Хп, Си, Со (до 3% от общего запаса) и Бг до 41%.

7. Аллювиальные почвы характеризуются высокой обеспеченностью доступных для растений форм марганца, меди, молибдена; средней - бора, от нщкой до средней - кобальта, низкой -цкнка.

8. Почвы южного отрезка поймы Средней Оби сбалансированы по микроэлементному составу (Ып, Zn, Си, Со) режима питания растений, в почвах более северного отрезка отмечается дисбаланс по Мп.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. . Ьерскал Л.А., Гуляева Т.Е. Агрохимическая оценка состояния микроэлементов в поймен-нь'х но-..чах Средней Оби //Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве я медицине. Тез. Докл. Х1всес. конф. Самарканд, 1990, С. 158-160.

2. . Изе^ск^я Л.А., Гуляева Т.Е. Агроэкологический контроль почв садово-огородных участков как элемент мониторинга земель//Агрохимия, 1996, Ка 6, С. 87-95.

3. лерехая Л.А., Воробьева Т.Е. Формы соединений тяжелых металлов в аллювиальных ПС ¡ах Средней Оби. Почвоведение, 2000, К» 1., С. 56-62.

4.лерская Л.А., Воробьева Т.Е. Формы тяжелых металлов в аллювиальных почвах Средней ОС.: //3-й съезд Докучаевского общества почвоведов, Суздаль, 2000, т. I, С. 254 .

5. : юрская Л.А., Воробьева Т.Е. Состояние микроэлеме!Пхзв и гяжелых металлов в аллюви-ал!.чж почеах Средней Оби //Международная научная конференция "Современные проблемы 'почвоведения Сибири", посвященная 70-летию кафедры почвоведения Томского госу-да[ :твеииого университета. Томск, 2000, т. 1, С. 82-85.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Воробьева, Татьяна Ермолаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Условия формирования аллювиальных почв Средней Оби

1.1.1. Геологическое строение долины и поймы р. Оби

1.1.2. Гидрологический режим

1.1.3. Геоморфологическое строение

1.1.4. Почвенный покров

1.1.5. Растительность

1.2. Методы исследования

ГЛАВА 2. СОДЕРЖАНИЕ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И 29 ФОРМЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ПОЙМЫ СРЕДНЕЙ ОБИ

2.1. Микроэлементы биофилы (Mn, Си, Zn, Со, Мо, В, Sr)

2.2. Высоко токсичные загрязнители (Pb, Cd)

2.3. Связь содержания микроэлементов с географической ши- 106 ротой местности и геоморфологическими элементами поймы

ГЛАВА 3. ЗАПАСЫ И ДОСТУПНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 118 РАСТЕНИЯМ

ГЛАВА 4.СОДЕРЖАНИЕ И СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ

МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЛУГОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОЙМЫ 127 СРЕДНЕЙ ОБИ

4.1. Микроэлементы биофилы (Mn, Си, Zn, Со, Mo, Sr)

4.2. Высоко токсичные загрязнители (Pb, Cd) 141 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147 ВЫВОДЫ 151 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 153 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологическая оценка состояния микроэлементов в почвах поймы Средней Оби"

Актуальность темы.

На протяжении всего нынешнего столетия, особенно во второй его половине, произошли резкие региональные и глобальные изменения природной среды в результате все возрастающей деятельности человека, формы которой плохо вписываются в естественные циклы перераспределения вещества в биосфере (Мотузова, 1988). Эти изменения грозят не только необратимыми преобразованиями главных компонентов жизнеподдерживающих систем, но и порождением новых неизвестных доселе процессов, враждебных современным биологическим сообществам. Для корректной оценки происходящих процессов, определения меры трансформированности естественных ландшафтов и разработки путей экологически оптимального управления ими необходимы знания о поведении химических элементов в экосистемах. Не исключена возможность включения высоких концентраций целого ряда химических элементов в пищевую цепь, а почва и растение являются важнейшим звеном миграционной цепи химических элементов. Среди них микроэлементы рассматриваются как имеющие особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Кондрахин, 1989; Мотузова, 1999). К середине текущего столетия биохимиками и физиологами были получены экспериментальные доказательства участия микроэлементов в важнейших ферментативных и обменных процессах в живых организмах, в том числе и человека. Будучи составной частью ферментов, витаминов, гормонов, микроэлементы направляют и регулируют ход этих процессов, обеспечивая растениям и животным нормальный рост и развитие. Как избыток, так и недостаток микроэлементов в питании приводит к нарушению обмена веществ и тяжелым заболеваниям

Ковальский, 1974; Школьник, 1974).

Эпохальное значение в учении о микроэлементах имели работы В. И. Вернадского, показавшего тесную химическую связь между составом организмов и окружающей средой, роль биопроцессов в круговороте веществ в биосфере и земной коре.

Особенно плодотворное развитие идеи В. И. Вернадского получили в работах А. П. Виноградова (1952, 1957). Исключительное значение для понимания биохимической роли элементов имеет отмеченная А. П. Виноградовым общая закономерность уменьшения содержания металлов в организмах по мере их эволюции от низших форм к высшим. При всем многообразии их составов у разных групп растений и животных выявляется прямая зависимость тех и других от состава среды обитания. Изучение закономерностей распространения и поведения атомов различных элементов в ландшафте позволяет разрабатывать вопросы биогеохимического районирования и геохимической экологии, а также решать практические вопросы правильного размещения и применения удобрений в растениеводстве, использования минеральных подкормок в животноводстве, проведения оздоровительных мероприятий среди населения.

Как справедливо считает В. В. Ковальский (1971; 1974; 1982; 1991), основным инструментом влияния химизма среды на растения, животных и человека служат пищевые цепи, объединяющие в единую систему миграции элементов растительный и животный мир конкретных участков земной поверхности. Заслуга В. В. Ковальского состоит в обосновании представлений о пороговом действии определенных концентраций химических элементов в среде питания организмов, ниже и выше которых нормальная регуляция физиологических процессов и гомеостатических функций нарушается.

Наземные биоценозы поставляют человечеству более 90% продуктов питания. Основной базой и средством производства служит почвенный покров. Продукты питания и корма для животных не должны содержать токсические концентрации химических элементов (Химия тяж. мет., 1985; Воробьев и др., 1990; Кеннет, 1993; Алексеенко, 1997).

Особую актуальность в этой связи приобретает разработка и внедрение систем мониторинга биогеохимического фона почвенного покрова пойменных ландшафтов р. Оби, отличающихся повышенной динамичностью в пространстве и во времени (Хромых, Костенко, Огородников, 2000) и играющих важную роль, как в глобальном перераспределении химических элементов, так и в производстве сельскохозяйственной продукции.

Экологические нарушения биогеохимического фона почв поймы р. Оби могут явиться одной из причин возникновения целого ряда эндемических заболеваний животных и человека.

Принципиальное значение в решении данной проблемы имеют вопросы о формах нахождения микроэлементов в почвах, определяющих их миграционную способность и возможность поступления в пищевую цепь (Ковальский, Андрианова, 1970; Ковальский, Раецкая, Грачева, 1971; Ковальский, 1974, 1982 Алексеенко, 1997).

Несмотря на большое количество проведенных работ по изучению свойств почвенного и растительного покровов поймы Средней Оби (Изерская, 1979; 1981, 1984, 1986; Славнина, Пашнева, Кахаткина и др., 1981; Добровольский, Афанасьева, Балабко и др., 1984; Славнина, Кахаткина, Иванова и др., 1986; Изерская и др., 1990; Шепелев, Шепелева, 1995), вопросы состояния микроэлементов остаются до настоящего времени слабо изученными.

Целью данной работы является изучение форм и закономерностей распределения физиологически важных для живых организмов элементов (марганца, цинка, меди, кобальта, бора, молибдена, стронция) и элементов, относящихся к особо опасным загрязнителям (кадмия, свинца) в почвах поймы Средней Оби. В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Определить общее содержание физиологически важных в питании растений элементов (Мп, Си, Со, В, Мо, вг) и особо опасных загрязнителей (Сс1, РЬ) в аллювиальных почвах.

2. Изучить формы соединений Мп, 2г\, Си, Со, Бг, РЬ, Сс1, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, рН 4,8; 1н НС1, вытяжкой Тамма, вытяжкой Гримма, водорастворимого В, Мо в оксалатной вытяжке, рН 3,3.

3. Выявить основные закономерности профильного и географического распределения микроэлементов в аллювиальных почвах.

4. Оценить доступность микроэлементов растениям, как фактора, лимитирующего оптимизацию питательного режима аллювиальных почв.

5. Определить уровни содержания и сбалансированности микроэлементов в луговой растительности поймы Средней Оби.

Научная новизна: Впервые для аллювиальных почв Средней Оби изучены формы и закономерности профильного распределения физиологически важных микроэлементов - Мп, Си, Ъп, Со, В, Мо, элементов-загрязнителей - Сс1, РЬ. Выявлены широтные особенности содержания и распределения микроэлементов в почвах поймы Средней Оби. Впервые для данного региона были получены данные о содержании и закономерностях распределения в аллювиальных почвах общих и подвижных форм Эг.

Защищаемые положения.

1. Закономерности распределения форм микроэлементов определяются географической широтой территории, типом геоморфологического элемента поймы и зависящими от них гранулометрическим составом, содержанием гумуса.

2. Основная часть изученных микроэлементов, содержащихся в аллювиальных почвах поймы Средней Оби, представлена труднодоступными растениям формами соединений.

3. Аллювиальные почвы южного отрезка поймы Средней Оби сбалансированы по микроэлементному составу питательного режима растений. Почвы северного отрезка имеют дисбаланс по марганцу.

Практическая значимость: Результаты исследований внедрены в Государственном комитете земельных ресурсов, Государственном комитете по охране окружающей Среды Томской области и послужили основой для создания сети мониторинга пойменных почв Средней Оби.

Апробация работы: Основные положения диссертации доложены на научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы районов нового освоения Западной Сибири» (1989); 11 Всесоюзной конференции «Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине» (Самарканд, 1990); 3-м съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000); международной научной конференции «Современные проблемы почвоведения в Сибири», посвященной 70-летию образования кафедры почвоведения Томского государственного университета (Томск, 2000).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы: Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 14 рисунков, состоит их введения, 4 глав, заключения, выводов, приложений. Список литературы включает 280 наименований, из них 70 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Воробьева, Татьяна Ермолаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение уровней содержания и форм микроэлементов в пойменных ландшафтах - необходимый элемент экологического мониторинга земельных ресурсов.

В настоящее время существует множество публикаций по проблемам мониторинга окружающей среды, разработаны международные и региональные программы системы мониторинга территорий. С их использованием созданы программные, правовые и нормативные документы, подтверждающие необходимость проведения мониторинга окружающей среды. К ним относятся Международная программа по окружающей среде ЮНЕСКО "Человек и биосфера" (MAB), Международная Конвенция «Об оценке воздействия на окружающую среду в трансграничном контексте» (принята странами-членами Европейской Экономической Комиссии ООН 25.02.91, Финляндия), Закон Российской Федерации "Об охране окружающей природной Среды", "Земельный Кодекс Российской Федерации". С целью объединения разрозненных систем мониторинга различных компонентов природной среды вышло постановление Совета Министров-Правительства Российской Федерации от 24 ноября 1993 г. № 1229 "О создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГ-СЭМ). Разработаны «Концепция информационной системы Минприроды России», утвержденная приказом Минприроды России №2 от 6 января 1995г.,

Технические предложения на создание системы мониторинга земель России». На региональном уровне в Томской области основанием для проведения работ по мониторингу земель является постановление Главы администрации Томской области «О программе мониторинга земель Томской области» № 160 от 18.05.93г.

Принципы и методы почвенно-химического мониторинга изложены в работах Д. С. Орлова, Л. А. Воробьевой (1982), Г. В. Добровольского, и др.(1983), ,Г. В. Мотузовой (1988), М.А.Глазовской, Н.С. Касимова и др. (1989), Д. С. Орлова и др. (1989), А. И. Обухова, А. А. Поповой (1992) и др. Однако, теоретические разработки в области мониторинга почв создавались в основном для территории водораздельных пространств. Для пойменных экосистем конкретные рекомендации пока не разработаны.

Формирование микроэлементного состава аллювиальных почв тесно связано с деятельностью реки и влиянием территории ее водосборного пространства. Поэтому в пойменных почвах содержится информация не только о состоянии поймы, но и о состоянии территории водосбора. Аллювиальные почвы наряду с донными отложениями, которые М.А.Глазовская, Н.С.Касимов и др. (1989) считают наиболее информативным объектом для расшифровки особенностей миграции и концентрации химических элементов, должны быть предметом наиболее пристального внимания при разработке систем регионального и локального мониторинга.

С этих позиций выбранные нами для проведения исследований ключевые участки пригодны и для целей мониторинга. В основном они позволяют решить проблему фонового регионального мониторинга аллювиальных почв. Для этих целей в рамках областной программы «Мониторинга земель Томской области» создана сеть мониторинга пойменных почв, в основу которой положе

Следует еще раз отметить, что работы по изучению форм микроэлементов в почвах поймы Средней Оби проводятся впервые. Это самый первый, необходимый этап фонового мониторинга.

Результаты, изложенные в настоящей работе, внедрены в Государственном комитете земельных ресурсов и Государственном комитете по охране окружающей среды Томской области. Они послужили основой для создания сети мониторинга пойменных почв Средней Оби.

При выполнении работ по мониторингу должны решаться задачи, включающие в себя изучение почвенного покрова пойм притоков р. Оби, выявление влияния гидрохимического состава паводковых вод и ее притоков на пойменные почвы, изучение связей микроэлементного состава вод с почвами водораздельных пространств.

В рамках выполнения работ по мониторингу аллювиальных почв планируются ежегодные наблюдения за следующими параметрами:

• Содержание гумуса, легкогидролизуемого азота, подвижного фосфора, калия, кальция, магния, величины гидролитической кислотности, рН, емкости катионного обмена.

• Содержание общих и подвижных форм цинка, меди, марганца, кобальта, бора, свинца, кадмия, стронция, молибдена, а также их содержание в растительности.

Исследование этих вопросов дает возможность прогнозировать устойчивость и изменчивость геохимического фона пойменных ландшафтов, разрабатывать рекомендации по оптимизации природной среды и сохранению плодородия аллювиальных почв

Автор глубоко благодарен научному руководителю, кандидату биологи

150 ческих наук Любови Антоновне Изерской, коллективу лаборатории почвоведе ния НИИ биологии и биофизики, кафедры почвоведения Томского госуниверси тета, кандидату географических наук Валерию Спиридоновичу Хромых за цен ные консультации при выполнении данной работы.