Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геохимия основных типов почв Верхнего Приангарья

ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Седых, Елизавета Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ ПОЧВ ПРИАНГАРЬЯ И ПРИБАЙКАЛЬЯ.

1.1. Общие представления о формировании химического состава почв.

1.2. Вопросы генетической классификации почв Приангарья и Прибайкалья.

1.3. Изученность химического состава почв Приангарья и Прибайкалья.

ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ВЕРХНЕГО ПРИАНГАРЬЯ.

2.1. Природные факторы формирования основных типов почв Верхнего Приангарья.

2.2. Морфологические, химические и физические свойства основных типов почв Верхнего Приангарья.

2.3. Гранулометрический состав основных типов почв Верхнего Приангарья.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАБОТ.

3.1. Опорные участки.

3.2. Полевое изучение почвенных разрезов.

3.3. Опробование.

3.4. Проеоподготовка.

3.5. Аналитические работы.

3.6. Определение подвижных форм химических элементов.

3.7. Изучение гранулометрического состава.

3.8. Определение фракционного состава гумуса.

ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ВЕРХНЕГО ПРИАНГАРЬЯ.

4.1. Распределение химических элементов в основных типах почв Верхнего Приангарья.

4.1.1. Породообразующие элементы.

4.1.2. Микроэлементы.

4.2. Подвижные формы химических элементов в основных типах почв Верхнего Приангарья.

ГЛАВА 5. АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ РТУТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАЙОНА ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМБИНАТА «УСОЛЬЕХИМПРОМ»).

5.1. Распределение ртути в почвах зоны воздействия комбината «Усольехимпром».

5.2. Влияние техногенной нагрузки на гумусную систему почв.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геохимия основных типов почв Верхнего Приангарья"

Актуальность работы. Верхнее Приангарье с начала освоения является одним из основных сельскохозяйственных районов Восточной Сибири. За годы послевоенной индустриализации здесь созданы крупнейшие водохранилища, энергетические и химические комплексы, существенным образом изменившие экономическую и экологическую обстановку в регионе. Как следствие, значительные территории Приангарья подверглись загрязнению продуктами техногенеза, а ртутное загрязнение вошло в число наиболее острых проблем региона. Антропогенная трансформация почв стала, таким образом, одним из существенных факторов современного почвенного процесса в Приангарье.

Имеющиеся сведения об особенностях распределения породообразующих элементов и микроэлементов в почвах Верхнего Приангарья не дают представления о современном химическом состоянии и степени техногенного преобразования основных типов почв района. Они получены в ходе решения различных, преимущественно не геохимических задач, отличаются спецификой методических подходов, недостаточным аналитическим обеспечением и трудно сопоставимы между собой.

Таким образом, геохимическое изучение типичных и «статистически усредненных» разрезов основных типов почв, а также геохимических особенностей антропогенной трансформации почв под действием загрязнения является актуальной научной задачей, отвечающей практическим запросам природопользования и охраны окружающей среды в Приангарье. Учитывая отсутствие специальных работ по этому вопросу, решение его потребовало также подготовки детальной методики полевого и лабораторного изучения почв применительно к основной геохимической задаче.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение геохимических характеристик основных типов почв Верхнего Приангарья и геохимической специфики их антропогенного преобразования в зоне наиболее опасного в регионе источника ртутного загрязнения - комбината «Усольехимпром». Задачи, выполнявшиеся для ее достижения, включали: 1) разработку методики полевого и лабораторного изучения почв, основанной на современной почвенной классификации, применительно к задачам исследования и природным условиям региона; 2) изучение региональных геохимических характеристик, закономерностей вертикальной профильной дифференциации химических элементов и генетическом ряду основных типов почв; 3) исследование подвижных форм элементов в основных типах почв; 4) изучение геохимических особенностей техногенной трансформации почвы на примере ртутного загрязнения комбината «Усольехимпром» - наиболее крупного источника антропогенного воздействия на окружающую среду в районе работ; 5) оценку состояния гумусной системы почв в зоне интенсивного ртутного загрязнения.

Объектами исследования являлись наиболее распространенные (основные) типы почв Верхнего Приангарья: дерновые лесные (Дл), серые лесные (Л), дерново-карбонатные почвы (Дк) и черноземы (Ч). Работы проведены на территории, протягивающейся на 300 км вдоль р. Ангары и Братского водохранилища, от г. Усолье-Сибирское до п. Балаганск. Участки детальных работ удалены на максимальное расстояние друг от друга. Они представляют как природные экосистемы (Балаганский), так и антропогенно-преобразованные, находящиеся под мощным техногенным давлением на природную среду (Усольский).

Наиболее детально исследован Усольский участок, где, кроме традиционных почвен-но-геохимических исследований, проводилось изучение техногенной трансформации почв, сопровождавшееся анализом приоритетного элемента-индикатора - ртути. В качестве показателя степени трансформации использовалось изменение фракционного состава гумуса. Фоновые участки сравнения располагались в 65 и 80 км от источника загрязнения.

Методы исследования включали 1) специально разработанную методику детального полевого и лабораторного изучения почв применительно к основным геохимическим задачам; 2) последовательную экстракцию подвижных форм элементов; 3) изучение группового фракционного состава гумуса; 4) аналитические работы (РФА, ПКАЭА, ИСП-МС, AAA, определение органического углерода и др.); 5) формирование почвенно-геохимической базы данных; 6) компьютерную обработку результатов с использованием методов статистического анализа, 7) интерпретацию геохимических материалов с привлечением доступной почвен-но-геохимической информации.

Фактические данные и личный вклад автора. Эмпирическую основу работы составляют 109 почвенных разреза (547 проб), включая 64 опорных разреза. Они изучены автором в ходе работ по плану НИР, грантам РФФИ, экологическим программам, выполнявшимся отделом проблем прикладной геохимии Института геохимии СО РАН в 1998-2002 г.г. Автор подготовил методику детального полевого и лабораторного изучения почв, провел отбор всех образцов, выполнил значительную часть работ по пробообработке, механическому анализу, подготовил базу данных, выполнил обработку и интерпретацию результатов. Основные защищаемые положения.

1) Региональной особенностью почв Верхнего Приангарья является более высокое по сравнению с кларком содержание В, Ni, Со, Са, Mg, Na и пониженное - Cr, Mo, Sn, Be. В ряду основных типов почв: дерновые лесные - серые лесные - дерново-карбонатные - черноземы повышаются концентрации Са, Mg, Al, Fe, Ti, Mn, P, S, B, Ni, Co, V и уменьшаются - Si, Na, Pb, Sn, Be. С глубиной в них увеличивается основность и понижаются концентрации Ti, Al, Fe, Mn, С, P, S, Pb, Cu, Zn.

2) Почвам Верхнего Приангарья присуща высокая актуальная подвижность Са, Mg, Sr, Mn, Си, Zn и потенциальная подвижность - Fe, Со, Ni, Cr и Pb; в ряду типов почв, от дерновых лесных к черноземам, происходит возрастание общей подвижности Са, Mg, Sr, Mn, Cr, Ni и Си.

3) Структура геохимического поля техногенного загрязнения почв (зоны воздействия комбината «Усольехимпром») определяется положением основных источников загрязнения, направлением преобладающих ветров и особенностями рельефа. Внутрипрофильная миграция загрязнителей, в частности ртути, зависит от типа почвы.

4) Геохимические изменения почвы в зонах интенсивного техногенного загрязнения вызывают трансформацию гумусовой системы почвы, выражающуюся в аномальном преобладании фракции ГКЗ над ГК2 и изменению характера зависимости между содержанием в них органического углерода и приоритетного загрязнителя - ртути.

Достоверность научных результатов обеспечена корректностью методики пробоот-бора и пробообработки, метрологическими характеристиками аналитических работ, использованием статистически представительных выборок, корректным применением методов обработки и графического представления геохимических данных, представительностью эмпирического материала, на котором базируются основные выводы работы.

Научная новизна. На представительном материале, отобранном на основе принципов и методов современной генетической классификации почв, впервые проведено комплексное геохимическое изучение основных типов почв Верхнего Приангарья.

Выявлены различия их геохимических характеристик, форм нахождения отдельных элементов, рассмотрены факторы их распределения в генетическом ряду типов почв и внут-рипрофильной дифференциации. Полученная почвенно-геохимическая информация является одним из первых шагов к геохимической типизации почв региона.

Исследован характер распределения приоритетного загрязнителя района - ртути в поверхностном слое почвенных образований Усольской промзоны и прилегающей к ней территории, а также закономерности внутрипрофильной дифференциации элемента в типичных почвенных разрезах, расположенных на различном удалении от источника загрязнения. Выявлены особенности преобразования гумусной системы почв в зоне влияния комбината «Усольехимпром», обусловленные техногенным загрязнением.

Практическая значимость работы. На основе апробированной методологии почвен-но-геохимических исследований и современных аналитических методов получены геохимические характеристики наиболее распространенных типов почв Верхнего Приангарья.

Установлены параметры подвижности и закрепления элементов в почвах, что дает возможность оценить доступность их для питания растений, а также степень опасности токсичных элементов, попадающих в почву с промышленными выбросами.

Изучены закономерности распределения ртути в почвенном покрове зоны влияния комбината «Усольехимпром», что может быть использовано для прогноза поступления ртути из загрязненных почв на прилегающую территорию и проектирования природоохранных мероприятий. Изменения в групповом фракционном составе гумуса рекомендовано использовать в качестве одного из критериев оценки степени антропогенной трансформации почв.

Разработанный формат полевой документации почв при геохимических работах, в котором учтены рекомендации Рабочей группы МСГН/АГП, принят за основу в Институте геохимии СО РАН и может быть использован другими организациями.

Материалы работы использованы при подготовке отчета и рекомендаций по государственному контракту «Обоснование возможных технологических решений по локализации аномального загрязнения ртутью и очистке загрязненных территорий» (Иркутск, 2001 г.).

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на Молодежной конференции по проблемам геохимии и аналитическому обеспечению (Иркутск, 1998), XVIII Всероссийской молодежной конференции по геологии и геодинамики Евразии (Иркутск, 1999), Всероссийском научно-практическом молодежном симпозиуме по экологии Байкала и Прибайкалья (Иркутск, 1999), Международной конференции по проблемам ртутного загрязнения природных и искусственных водоемов и способов его предотвращения и ликвидации (Иркутск, 2000), Рабочем совещании по междисциплинарным исследованиям в Байкальском регионе (Иркутск, 2001), и Молодежной конференции по проблемам геохимии и аналитическому обеспечению (Иркутск, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ: 7 тезисов и материалов конференций, 3 статьи в центральной печати.

Структура, объем и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (164 ссылки). Материал изложен на 149 страницах текста, содержит 25 рисунков и 36 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых", Седых, Елизавета Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Верхнее Приангарье - важный индустриальный и сельскохозяйственный район Сибири, в котором представлены природные и техногенно-преобразованные экосистемы. В защищаемой работе впервые дано систематическое описание и геохимическая характеристика опорных и статистически усредненных разрезов основных типов почв района: дерновых лесных, серых лесных, дерново-карбонатных и черноземов. Получение этих результатов потребовало предварительной подготовки комплексной методики почвенно-геохимических исследований, включавшей полевое описание и опробование, пробообработку, гранулометрический анализ и аналитические работы, исследование подвижных форм химических элементов, а также фракционного состава гумуса почв, которое сопровождалось анализом приоритетного элемента-загрязнителя региона - ртути. Особое внимание было уделено изучению преобразования почв в зоне влияния комбината «Усольехимпром», являющегося крупнейшим источником ртутного загрязнения в районе. Таким образом, впервые для Верхнего Приангарья была подготовлена начальная база образцов и геохимических данных, опирающаяся на детальное морфогенетическое описание значотельного количества разрезов основных типов почв, их гранулометрические и химические характеристики, а также параметры фракционного состава гумуса.

Показано, что геохимическая специфика почв находится в тесной взаимосвязи с составом почвообразующих пород, морфогенетическими и физическими параметрами почв. Общей тенденцией распределения химических элементов по генетическим горизонтам изученных почв является уменьшение вниз по профилю концентрации Ti, AI, Fe, Mn, С, Р, S, Pb, Cu, Zn и увеличение Ca, Mg, Na. Изменение концентрации элементов в генетических горизонтах почв обусловлено, в основном, составом минеральных частиц различного размера.

Рассчитано среднее содержание макро- и микроэлементов в гумусовой толще основных типов почв Верхнего Приангарья. Выявлено, что каждый тип почв характеризуется определенным концентрационным рядом, причем в ряду почв, от дерновых лесных до черноземов, отчетливо проявляется тенденция возрастания концентрации Mn, Ti, Al, Fe, Са, Mg, Р, S, В, Ni, Со, V и уменьшение - Si, Na, Sn, Be, Pb. В целом почвы региона заметно обогащены В, Ni, Со, Са, Mg, Na и обеднены Cr, Mo, Sn, Be по сравнению с кларками.

Анализ распределения подвижных форм химических элементов в генетических горизонтах основных типов почв показал, что более высокая подвижность Mn, Fe, Со, Cr, Zn, Си, Pb характерна для верхней части профиля почв, а Са, Mg, Sr для нижней части, что согласуется с распределением среднего валового содержания элементов в данных почвах. В целом, почвам Верхнего Приангарья присуща высокая актуальная подвижность Са, Mg, Sr, Mn, Си, Zn, и потенциальная подвижность - Fe, Со, Ni, Cr и Pb. В ряду типов почв от дерновых лесных к черноземам, возрастает общая подвижность Са, Mg, Sr, Mn, Cr, Ni и Си. Полученные градации подвижности химических элементов позволили установить степень их доступности для питания растений и «опасности» в зонах техногенного загрязнения. В частности, показано, что в зонах интенсивного загрязнения может существенно возрастать доля подвижных форм таких токсичных элементов как свинец, медь и кобальт.

На примере воздействия техногенной эмиссии ртути на территорию, прилегающую к комбинату «Усольехимпром», показано, что строение геохимического поля техногенного загрязнения почв определяется положением основных источников загрязнения, особенностями рельефа и направлением преобладающих ветров. Вертикальное распределение приоритетного загрязнителя - ртути в ненарушенных почвах в зоне воздействия комбината зависит от их типа. Максимальная ее концентрация приходится на гумусовые горизонты и резко уменьшается с глубиной.

Изучение группового фракционного состава гумуса с непосредственным определением концентрации ртути в его фракциях в почвах Усольского района и в почвах «фоновых» участков выявили тесную взаимосвязь техногенного воздействия (в частности, мощной техногенной эмиссии ртути) с инверсией фракционного состава гумуса почв. В гумусной системе почв, находящихся в непосредственной близости к источнику загрязнения, происходит нарушение природного баланса процессов гумификации-минерализации, проявляющееся в аномальном преобладании фракции ГКЗ над ГК2 и изменении характера зависимости между концентрацией органического углерода и ртути во фракциях гумуса. Третья фракция гуми-новых кислот в обстановке интенсивной техногенной нагрузки становится концентратором ртути. В разрезах, удаленных от эпицентра ртутного загрязнения всего на 7-8 км, и почвах «фоновых» участков, отстоящих на 65 и 80 км от источника загрязнения, наблюдается близкое к типичному для почв Приангарья распределение Сорг по фракциям гумусовых кислот, где ГК2 преобладает над ГКЗ.

Результаты проведенных работ помогли наметить актуальные задачи дальнейших поч-венно-геохимических исследований в регионе. В качестве одной из важных и сложных задач представляется разработка основ геохимической типизации почв. Решение этой задачи, помимо методологической проработки вопроса, потребует дальнейшего наращивания банка почвенно-геохимической информации и ее сравнительного анализа, особенно в плане взаимосвязи геохимических свойств почв и факторов почвообразования. Этот аспект может стать ключевым в разработке принципов геохимической классификации почв. По-прежнему одним из наиболее актуальных вопросов остается исследование количественной оценки реакции почвенной системы на антропогенное воздействие, включая трансформацию гумусовой системы, изменение подвижности и биологической доступности элементов питания растений и токсичных веществ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Седых, Елизавета Сергеевна, Иркутск

1. Абрамов С.П., Ачасова А. А. Некоторые особенности пространственного распределения тяжелых металлов в почвах северной лесостепи Украины. - Харьков: Ин-т почвоведения и агрохимии, 1997. - 11 с.

2. Агапитов Н.Н. Краткий очерк о поездке в Балаганский и Иркутский округа, совершенной летом 1877 г. //Изв. Вост.-Сиб. отд. рус. геогр. о-ва. 1978. - Т.9, №3/4. - С. 80-96.

3. Адерихин П.Г., Беляев А.Б. Химический состав механических фракций черноземов центральных областей // Почвоведение. 1974. - №4. - С. 99-110.

4. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987 -142 с.

5. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. - 627 с.

6. Аношин Г.Н., Маликова И.Н., Ковалев С.И. Ртуть в окружающей среде юга Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. 1995. - Т.З, №1-2. - С. 69-111.

7. Артемьев В.Е. Геохимия органического вещества в системе река море. - М.: Наука, 1993.-204 с.

8. Атлас Иркутской области. Иркутск: ГУГК, 1962. - 182 с.

9. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. Механический подход. М.: Агропромиздат, 1988. - 376 с.

10. Безуглова О.С., Орлов Д.С. Биогеохимия: Учеб. для ВУЗов -Ростов н/Д: Феникс, 2000 -320 с.

11. Белоусова Т.Н. Геохимическое поведение меди в почвах Белорусского Полесья //15 Менделеев, съезд по общ. и прикл. химии: Тез. докл. Минск, 1993. - Т.4. - С. 16-17.

12. Березин П.Н. Особенности распределения гранулометрических элементов почв и почво-образующих пород//Почвоведение. 1983. - №2. - С. 64-72.

13. Беус А.А., Грабовская Л.И., ТихоноваН.В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976.-248 с.

14. Большаков В.А., Борисочкина Т.И. Группировка почв по устойчивости к воздействию тяжелых металлов с целью ее картографического отражения // 2 Съезд о-ва почвоведов: Тез. докл.-М., 1996.-Т. 1.-С. 149-150.

15. Борисов А.А. Климаты СССР в прошлом, настоящем и будущем. Л: ЛГУ, 1975. - 434 с.

16. Буфал В.В. Условия формирования современного климатического фона//Природопользование и охрана среды в бассейне Байкала / Под ред. В.В. Воробьева, А.В. Мартынова. -Новосибирск: Наука, 1990. С. 29-40.

17. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. - 426 с.

18. Варшал Г.М., Кощеева И.Я., Хушвахтова С.Д. и др. О механизме сорбции ртути (II) гу-миновыми кислотами//Почвоведение. 1998. - № 9. - С. 1071-1078.

19. Веригина К.В. Роль микроэлементов (Zn, Си, Со, Мо) в жизни растений и их содержание в почвах и породах // Микроэлементы в некоторых почвах СССР / Под ред. Д.Н. Иванова. М: Наука, 1964. - С. 5-26.

20. Веригина К.В. Цинк, медь, кобальт в почвах Московской области // Микроэлементы в некоторых почвах СССР / Под ред. Д.Н. Иванова. М: Наука, 1964. - С. 27-85.

21. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 238 с.22.