Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Медь, кобальт и йод в природных ландшафтах Нечерноземной Русской равнины

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Медь, кобальт и йод в природных ландшафтах Нечерноземной Русской равнины"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

Коробова Елена Михайловна

МЕДЬ, КОБАЛЬТ И ЙОД В ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ РУССКОЙ РАВНИНЫ г.

11.00.01 — физическая география, геофизика и геохимия ландшафта

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва • 1992

Работа выполнена в Биогеохимической лаборатории Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской Академии наук.

Научные руководители: член-корреспондент ВАСХНИЛ

В. В. Ковальский

доктор геолого-минералогических наук, профессор А. И. Перельман

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор В. А. Снытко кандидат географических наук, старший научный сотрудник И. А. Авессаломова

Ведущая организация — Московский государственный педагогический университет у . ^

Зашита состоится «—. _1992 г. в ^_

Защита состоится —* -1992 г. в.

часов на заседании физико-географического специализированного совета Д-053.05.29 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1807.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан ■ _ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук Т. И. Кондратьева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теш. Рациональное использование природных ресурсов, решение значительного числа экологических и медико-биологи-. ческия проблем связано с изучением закономерностей распределения и миграции химических элементов в ландшафтах . Нечерноземная зона России характеризуется низким естественным содержанием в _ породах и почвах многих биологически важных микроэлементов, в том числе меди, кобальта и йода, что приводит к их дефициту у культурных растений, сельскохозяйственных,-тавотных и сказывается на экологии человека (Ковальский, 1974). Особый интерес представляют комплексные биогеохими-Чёские исследования поведения этих трех элементов в различных геохимических ландшафтах (Шрельман, 1975), что позволяет дифференцировать природные ландшафту региона по особенностям шграции исследуемых эле-!<эн70в, по биологическим реакциям згавыя организмов и человека и способствует ресенгаэ важных практических вопросов сельского хозяйства и геохимичес^го мониторинга.

Цели и задачи исследований. Пель настояоей работы - изучить поведение меди, кобальта и йода з геохимически контрастных природных ландшафтах региона, выявить особенности биологического накопления указанных элементов н дать эколого-геохишческуп оценку региона на ландшафтно-геохимической основе.

Для достияения указанной цели решались следуй&ще задачи.

1. Установить особенности и основные факторы накопления и миграции меди, кобальта и йода в основных компонентах природных ландшафтов региона и выявить их специфику в геохимически контрастных Ондшафтах.

2. Изучить особенности биологического накопления элементов в условиях их низкого содержания в среде на примере растений и почвенных микроорганизмов.

3. Охарактеризовать основные типы почв, систематические и экологические группы растений по их обеспеченности исследуемыми элементами.

4. Проанализировать накопление элементов в естественных кормах, молоке и покровных тканях сельскохозяйственных яивотных. Оценить распространение соответствующих микроэлементозов по меди и йоду в геохимически контрастных ландшафтах. -

5. Уточнить эколого-геохимическую оценку дефицитности региона по

меди, кобальту и йоду с учетом его яандшфтно-геохимической дифференциации. . •

В связи с поставленными задачами.решанся ряд дополнительных вопросов: 1/разраСотка метода совместного количественного определения меди и кобальта в природных объектах и адаптация существуюа^го метода определения йода в растениях и почвах к более широкому кругу объектов биосферы; 2/ создание компьютерной, базы экспериментальных данных; 3/ разработка специальных алгоритмов статистической обработки геохимических данных на ЭВМ.

Материалы. Диссертация основана на полевых и лабораторных исследованиях 1977-1990 гг. В Новгородской, Ярославской, Рязанской, Владимирской, Костромской, Кировской, Пермской областях обследовано 32 ландшафтно-геохимических профиля,232 тестовых участка. Проалализиро-вано 800 образцов почв, 1000 проб растений, 80 (Образцов природных вод, 120 проб биомассы почвенных микроорганизмов, 100 образцов молока и тканей крупного рогатого скота. Всего произведено около 6000 элемент-определений, 70Х которых выполнено автором. Материал частично проанализирован в Бронницкой лаборатории ИМГРЭ и ШКС РАН, сходимость методов определения проконтролирована.

Научная новизна Впервые в основных типах природных ландшафтов нечерноземной воны Европейской России комплексно рассматриваются геохимические и Сиогеохимические особенности меди, кобальта и йода Впервые изучено накопление указанных элементов почвенными микроорганизмами. ( in vivo и in vitro), te примере кеди,кобальта в йода предло- . яен новый вариант классификации систематических и экологических груш растений по их способности концентрировать элемента Для йода в почвах выявлен сорбционно-шраочной барьер. Раврайотан вариант exott-но-эмиссионного метода количественного определения меди, кобальта в других металлов в пшроком диапазоне is концентраций, начиная с фонового содержания. 1 Í

фактическое вначеняе работы определяется ее экологической я индикационной направленностью. Установлены ландшафт но-геохимические и экологические факторы, способствующие обеднению почв и растении медью, кобальтом и йодом до уровней экологического яефшита и появай чгацмикроэлементовов у сельскохозяйственных животных. Показано, что

использование е качестве кормовых добавок влаголюбивых трав и растений супераквальных ландшафтов в целом является местным источником улучшения рационов животных по содержания йода. Выявленную способ • ность растений и почвенных микроорганизмов вовлекать Си, Со и 1 в биологический круговорот при их низком содержании в среде с повышенной активностью целесообразно учитывть при фоновом геохимическом мониторинге, а также при выявлении загрязнения полесских ландшафтов, в частности радионуклидами йода, происходящем при авариях на предприятиях ядерного цикла

Апробация работа Основные положения диссертации отражены в 26 публикациях- Они докладывались на IX Всесоюзной конференции по проблемам микроэлементов в биологии (Кишинев, 1981), заседаниях Научного Совета по проблемам микроэлементов АН СССР в ГЕОХИ АН СССР в 1980 и 1981 гг., на Всесоюзной конференции "Методы анализа объектов окружающей среды" (Мзсква. 1983), I Всесоганом совещании-по геохимии техно-генеза (Иркутск,1885), Всесоюзной школе по геохимии ландшафта (Новороссийск. 1986), на ХХУП а ШЗ- конференциях аспирантов и молодых сотрудников по история естествознания и техники (Москва, 1986, 1987 гг.), на X Всесоюзной конференции "Микроэлементы в биологии и их применение в биологии и сельском хозяйстве" (Чебоксары, 1986): на IX Международном симпозиуме по б ко геохимии окружающей среды (Мзсква, 1889); - X Всесоюзной конференции "Биологическая роль микроэлементов и ах применение в сельском хозяйстве и медицине" (Самарканд, 1990); I Конгрессе "Сельское хозяйство и окружающая среда в Восточной Европе и Нидерландах" (Вагенинген, 1890); П Международном симпо'зиумРло геохимии окружающей среды в Швеции (Уппсала, 1881).

За Сиогеохимичеекне исследования указанных элементов в нечерноземной воне автор удостоен серебряной медали ВДНХ (1888 г.); раврабо-тайный метод атомно-эмиссионного анализа природных объектов отмечен бронзовой медалью (1883 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит иэ введения, Б глав, заключения, изложенных на 14? страницах машинописного текста, и тома приложений (74страницы),содержит 34 таблица 42рисунка., описок литературы из 427 наименований отечественных и 90 зарубежных публикаций. Общий объем диссертации - 285 страниц."

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Объекты и методы исследований Полевые исследования. Образцы пород, почв, воды растений отбирались маршрутно и на ландшафгно-геохимических профилях (Гла-а'овская,1964). Растительный покров характеризовался пробами доминирующих видов древесных и травянистых растений, а такяе укосами. Почленно -грунт о в ив воды исследовались в случае их вскрытия почвенными шурфами. Образцы молока и опорно-покровных тканей сельскохозяйственных иивотных, растительных кормов, питьевых вод из колодцев и артезианских сквалин собирались в ближайших сельских населенных пунктах.

Лабораторные исследования.. Содержание йода определялось кинетическим роданидно-нитритным методом (Проскурякова, Никитина,1976), адаптированным автором для анализа более широкого круга объектов (Коробова, 1983). Мздь и кобальт в большинстве образцов определяли яа спектрографе ДОС-8 по особой методике (Савинова, Коробова, ¡Думская, 1981,1983 и др.). Для автоматизированной обработки была создана база экспериментальных данных с соответствующими классификаторами, по которым проведены расчеты основных геохимических показателей: средневзвешенных содержаний, кларков концентрации (ККх), активности водной миграции (Кх), интенсивности биологического поглощения (Ах по А. IIШ-рельману), коэффициентов корреляций и их статистических оценок.

feopeTH4ecKofl основой слушан полоязмш В. Е Полыноео (1943, 1953), М. А. Гдазовской (1964, 1973, 1CQ7, 1988), L IL Сэрельшва (19G1. 1976, 1979, 1989), Е Е Ковальского (1874,1983), & В. Добровольского (1964, 1966, 1983), • Л Г. Рейнского (1954), Н А. Сшшаэ (1078,1982) R других авторов.

2. Основные особенности природных дандвафгсв печзрновеиной воны Район исследований расположи с тсекюй зоне Русской равнина (Гвоздецкий, 1969; Гвоздецюй, Щучкова 1963; Тюркканов, Выстригая, 1971;Гвоэдецкий,Зворыкин, 1987 и др.). Отличительная черта природных ландшафтов региона - разновозрастность их формирования под влиянием серии оледенений от днепровского до валдайского возраста. Восточные н

- б -

его-восточные части принадлежат к наиболее древним «неледниковым областям. Это существенно сказалось на рельефе и составе рыхлых отложений, нашло отражение в провинциальных особенностях геохимии их лито-гениой основы (Перельман.1963. 1976; Добровольский. 1964.1966 и др.). • ' В данной главе приводятся физико-географическая характеристика региона и поломгние изученных ландшафтов в системах физико-географического районирования,- дается краткая геохимическая характеристика изученных ландшафтов. Провинциальные геохимические и биогеохимические особенности м*>ди, кобальта и йода рассматриваются в дальнейшем в геохимически контрастных "ландпафгах: полесских (кислых, кислых глеевых на песчаных отложениях разного генезиса), моренных (кислых, кислых кальциевых на ледниковых отложениях разного состава), опольных (переходных от кислых к каяышевым на лессовидных и осадочных карбонатных породах ). эровионнф равнин на элювио-делювии пермских красноцветных отлояенид (кислых,переходных от кислых к кальциевым).

3. Медь,, кобальт и йод в основных компонентах ландшафтов

Атмосферное поступление элементов в ландшафтах региона. Анализ литературных данных и выполненные по ним расчеты автора показали, что атмосферное техногенное загрязнение фоновых ландшафтов региона металлами пока незначительно: еяе годное атмосферное поступление меди составляет 0.02-0,08* от ее средни запасов в 0-20 см слое почвы, для кобальта' - 0,01-0,042; для йода - 0,1-0,5 (до 1,6)Х. Для растений су-вественно поступление атмосферного йода, однако доля его антропогенного источника на фоновых территориях пренебрежимо «ала.

Медь, кобальт и йод в почвообразутаих породах. Содержала металлов увеличиваются в ряду: водноледниховые пески - моренные суглинки -покровные суглинки, элювий коренных пород. Накопление элементов в значительной' мере контролируется литологическиы составом отложений (рис. 1). В элювиальных (автономных) позициях отмечается закономерное возрастание содержания металлов в восточном направлении^

Для сопоставления региональной и местной специфики концентрирования элементов в породах рассчитаны КК относительно литосферных клерков (КК1). гранитной оболочки. (КК2) и регионального минимума (ККЗ). По полученным величинам исследованные почвообразугадие породы )разделя-

X

Рис.

1) - древнеаллввиалыше песчание отложения; 2 - моренные песчаные и супесчаные отложения; 3 - современные песчаный аллювий; 4 - флювио-<' глнцнальные пески; 5 - современные аллювиаль-«V ' ные отложении разного состава; 6 - моренные суглинистые и глинистые отложения; 7 - современные аллювиальные суглинки и глины; в - покровные суглинки; 9 - элово-делюскй известняков; 10 - эливо-делювяк пермских красноцветных отвожениИ

1 Кларки концентрация элементов в почвообрезугедх породах относительно кларка литосферы по А.П.Виноградову/I/ и регионального минимума Л\/

ются на 3 основнь» группы: 1/ песчаные моренные, фдювиогляциальные и аллювиальные отлоиения, обедненные всеми элементами (КК1 Си,Со-О,2; ККИ -0,7-1,1); 2/ суглинистые и глинистые разности моренных, аллювиальных и покровных отложений. Для этой группы характерно рассеяние металлов относительно литосферного кларка (КК1Си*0,б; КК1Со-0,6-0,9). >йод накапливается в этой группе пород: КК11 варьирует от 1,2 до 6,3 .(до 13,2 относительно регионального минимума,рис. 1), достигая максимального вначеиия в аллювиальных глинистых отложениях; 3/ элювий пермских пород, обогащенный медью, в меньшей степени - ио-Ъальтом р йодом: КК1Си,Со-1,2-2, до 7-8 по меди относительно регио-

кадь но го минимума. •

Таким образом, литогенная основа играет существенную роль в геохимической яифферанцшиии ивученных ландшафтов. Области распространения четвертичных песчаных отложений различного генезиса (моренных, . флювиогляциальных, древнеаллювиальных) - пород наиболее обедненных изучаемыми эл. .<?нтами, представляют собой типологические геохимические провинции, способствующие дефициту рассматриваемых элементов в организмах.

Медь, кобальт и йод в природных водах. Содержание элементов в водах рассмотрено по Основным типам вод (почвенные, грунтовые, арте-8капские, речные, ©верные} и конкретным ландшафтам. Наиболее обогащены йодом артезианские воды (И мкг/л), металлами - почвенные и грунтовые воды (12-16 мкг/л меди, 0.8-1.1 мкг/л кобальта), что согласуется с литературными данными. Для оценки интенсивности водной миграции элементов в почвенных водах рассчитаны величины Кх по А. К Перельмзяу относительно литосферных кларков (общая оценка миграционных свойств элементов - Кх1) и относительно конкретных почв (оценка реальной мобилизации, Кх 2). Интенсивность водной миграции оценивалась и по соотношению весовых содержаний элементов в системе: воды-почвы (Кхп).

С почвенными год:. «1 йод мигрирует активно (К I -64), медь и кобальт - средне (К Си-4; К Со-0,6). Элементы перемешается более актив-

«

во с более кислыми, богатыми органическим веществом слабоминерализованными водами. Полученные корреляции между интенсивностями миграции изученных элементов позволяют предполагать общность их носителей в этих водах, которыми могут являться органические комплексы. О

Реальная мобилизация йода та почв в почвенно-грунтовые воды (Кх2) в 2-4 раза ниже, а металлов - в 5 раз выше по сравнению с оценкой относительно кларка литосферы. По величинам Кх" выявлена более 'активная мобилизация йода и меди в водную фазу пойменных луговых почв (К" 1-6 ; К"Си-3 - для дерновых) по сравнению с дерново-подволистыми и серыми лесными почвами. Интенсивность миграции йода (Кх") снижается в .водах заболоченных почв полесских и моренных ландшафтов (до 3-4), а металлов,- в водах серых лесных почв опольных ландшафтов (меди - до 0,2, кобальта - до. 0,06), что,, очевидно, обусловлено более" прочной

фиксацией элементов в почвах.

Расчет контрастности миграции элементов (соотношение величин ин-тенсивностей миграции) позволил более четко выявить разную приоритетность факторов их подвижности. В поверхностных водах контрастность водной миграции йода и наименее подвижного кобальта особенно велика б полесских и моренных оеерах (К1/КОо достигает 3500), а также в рек&А*„ дренирующих, заболоченные территории. В подземных н грунтовых ьодая, где миграция обоих металлов снижается до* слОой, а йод ост&йте.^ активным мигрантом, К1/Ь?о составляет Ю4, К1/КСи - 10а.

Полученные выьоды позволяют рекомендовать: 1/для реиекиа еадач оценки и прогноза самоочиайеюсти ландшафтов 8а счет водной мигр&шш учитывать реальную мобилизацию элементов в водную фаеу почв: 2/ при решении аадач оценки обеспеченности местных пищевых цепей микроэлементами учитывать то, что: а/активная водная .миграция йода способствует его накоплению влаголюбивыми травами, в том числе, в полесских ланшшафгах; ¿Г/использование артезианских питьевых вод юкгт способствовать снижению дефицита йода у животных и человека.

Медь, кобальт и йод в почвах. В этом разделе диссертации рассматриваются основные факторы дифференциации почвенного покрова по иэ-ди,кобальту и йоду в зависимости от типа почв, их гранулометрического состава, автоморфности, вида геохимического ландшафта. Оценена обеспеченность почв изучаема« элементами с позиций их пороговых концентрация, принятых в геохимической экологии (Ковальский. 1974). Анализ вертикальной дифференциации почв и расчеты коэффициентов корреляции выявили различную значимость геохимических барьеров & накоплении меди, кобальта и йода для ландшафтов разного класса. Установлена роль сорбционно-палочного барьера в концентрировании йода, рассмотрена радиальная и латеральная контрастность ландшафтов региона; определены типа изученных ландпвфтно-геохимических сопряжений (по Гавркло-вой, Касимову, 1989). Все это позволило сделать следующие, выводы.

1. Для'.йода подтверждена его связь с содержанием гумуса (г-0.626). Накопление элемента в нижних частях почвенного профиля связано с щелочно-карбонатным, сорбционным барьером (Ка-1,б-4). Согласно расчетам коэффициентов корреляции, из элювиальных горизонтов йод выплачивается так же интенсивно, как медь, в иллювиальных накаплива-

- в -

втся вместе с ж левом, марганцем, цинком. • ......

2. Мель концентрируется главным образом на глеевом и биогеохимическом барьерах (Ка-1,5-5), меньа» - на сорбционном. Ранее отмечалась корреляция между содержанием меди и марганца в почвах (Зборищук,

• 1975; Ипа?о. 1979;ПЬбаева, 1987).. И наш расчет показал, что эта свяэь прослеживается практически по всем основным горизонтам дерново-подзолистых почв региона. В элювиальных и иллювиальных оглеенных горизонтах содержание меди коррелирует с железом. Это подтверждает ведущую роль типоморфных гидроксидов в геохимической миграции меди (Добровольский, 1988). В элювиальный моренных ландшафтах выявлена корреляция между интеисивностями концентрирования меди и марганца (совместное биологическое накопление), в супераквальных - меди и цинка.

3. Кобальт как наиболее инертный элемент накапливается На сорбционном и сорбционнС'кислородном барьерах (Ка-1,7-7,3). В иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв он концентрируется с железом и йодом. В глеевых горизонтах его накопление, вероятно, обусловлено сорбцией пленками гидроксидов палева на тонкодисперсных минералах.

4. Минимально обеспечены всеми тремя элементами почвы элювиальных . полесских ландшафтов (менее 0,5 мг/кг йода, менее 2 иг/кг кобальта,. 6-12 мг/кг меди). В их подчиненных элементарных ландшафтах йод накапливается преимупрственно на биогеохимических барьерах (Кл-2-23). медь - на глеевых и биогеохимических (Кл~2) (рис.2). В полесских ландшафтах с неглубоким подстиланием морены создаются условия для вторичного обогащения почв иедых ГЬэтому тага» ландшафты более обеспечены этим элементом (относительно нижнего порога в почвах по Ковальскому).

Почвы опольных ландшафтов н особенно ландшафтов', р.Овитых 'па дериватах коренных пород, обогаврны изученными элементами, в перйутэ очередь, исходно (эа счет обогааэнности почвообразующк пород), а таю® благодаря вторичной аккумуляции в подчиненных ландшафтах. Мо-'ренные ландшафты занимают промежуточное положение, причем камовые варианты по обедненностн рассматриваемыми элементами наиболее близки полесскому типу.

С позиций пороговых концентраций элементов в почвах к дефицитнш почвеннотгеохимическим провинциям в пределах выделенных ранее литоге-ох;1 ^ких провинций дефицитных могут быть отнесен^ ареалы п'олессКЖ

ЭЛГС- AL С f тМ т ( 3 f эс 1 Э

КлАСС was Н\ Н'-Яе" —Л ....... н- j н-.Гс'Ч н*

w WW

fcoi^O'?

V

'W

CSC G6>

^LCuo^o^dCii'

|Cu».»Coni3<»|4| ]Cna.tCoatJ«.T»l

W

л- О r.«»

~ G6 — -p. О . • -vr '■„ t-CuwsC»^«! • ■ ТСимййЛУ.

'т.* ~ .-г ':Г Г, .^^нГГотовы, ^ .4

• 0

. Г-.

Масштаб i-ioooo

КР.,

li^SVrrni

KWW^-cWWWN to

7

t.c

•/.5

4.5

Рис.2 Ландшафтио-геохимический профиль в бассейне р пры

1.С

■XZ

А*К!»МУЛЯТУ»6НЫЕ

Поч&ы

SS3

ЕЗЗ

ОГАОХСМИЛ

У10РБИНО1Б pASMOro СОСТАВА

Д»Ы>«еАЛАЮ»ИАА>К«£

и вадмоладни<в««е пески CO»»lMtMH*lt АЛМв»*-ААЬНЫС. ПМ** COSPS»»EWM»li AAvOftM" Alu»Hne СУГЛИНКИ СКЛОНОВЫЕ.

Растительный nowoa

% СОСНА Q> ДуБ

ЕЕЕЗ

в

ЕЗ

межко

и подзолы ■

ДЕРМОЬО-ПОддаиг-

ТЫ*

ffOAOTHWt

AAAtQtvtAAkMMi Д(М1№ <• МГИИ(

АААЮ*МАД»Н»11

itUTKMl

»

9

KtPtSA ЭААКОЬЫИ

ОАЬХА

V HOMtPA ПЛОШАЛО* r»w>6

ЧГ »ASMOTPABHWM

Its ОСО*060-*ОлОТмьн* КЛАРКИ КОНЦЕНТРАЦИИ

\____l 6 ПОРОДА* С 3 b ПОЧВАХ (0.20см) IX» КААЧ. AMTOOBCPBl)

Миграция 6euie.ct&

О поступление Ь «ЛНАШАОТ • УДАЛЕНИЕ Hi ЛАИАОА»ТА.

ГСОхимкиЕСКИЕ. ASQ-типы BAPHPO& шЛски>и>о ,

ККл «АТеРАЛЬнА* КОНТРАСТНОСТЬ шРИЮ мхич; ГР. - р»ссм ИИ» ■)

интенсивность поглощения (а*)

f > vrnr I UACtk

V i »tot V «»мм

< U шстасчмче до>.и и*»л во г листм. «мл

< > Х&эмиые ДОМИНАНТЫ i\.*OW>

- и -

и моренных ландшафтов о преобладанием песчаных дерново-подзолистых почв.

5. Высокая Подвижность йода обусловливает наибольшую контрастность содержания этого элемента в изученных почвенно-геохимических . Катена по сравнению с металлами (Кл-1-34;Кр-3-15 для Пода; для металлов - Крд-0,2-4; Кл-1,2-8; табл. 1). В опольных' ландвафгах выщелачивание и накопление йода на щелочно-карбонатном барьере может .приводить к относительному обеднению этим элементом • верхних горизонтов (Крд-0,5-0,9).

Медь, кобальт и 525 ® почвенных микроорганизмах. По биогеох.чми-ческой методике (Летунова,Ковальский, 1979) было определено накопление меди, кобальта и йода биомассой микроорганизмов в почвах ряда сопряженных ландшафтов на примере двух восточных ( Пермская, Кировская) и центральна (Тверская. Новгородская) областей. В 1 кг биомассы микроорганизмов содержится 2-362 ыг меди, 1-22 от кобальта, 2-315 мг йода, что составляет (для максимальных значений) 3,9; 0,05 и 3,2Х от запасов элементов в 0-20 см слое почвы. Вовлечение элементов в биологический круговорот' почвенными микроорганизмами определяется содержанием элементов в почвах ы активностью их поглощения, а так® размерами самой биомасса

Молодые тверские л новгородские моренные ландшафты характеризуются более низкими концентрациями и запасаки элементов в почвенных кикроорг'аниашх по сравнений с более старыми приуральскими и вятскими ландшафтами,сформированными tía элювии коренных пород. При низких концентрациях в почвах микроорганизмы накапливают элэменты, особенно т-таллы, активнее: коэффициенты биологического поглощения* ( КЕГ> отноггэ-цием содержания элемента в вовд. сух. биомассе к его содержанию в почве, Летунова, Ковальский. 1978) для первой группы ландшафтов колеблются в пределах 3-50 (медь); 0,5-4 (кобальт); 1-40 (йод); для второй '- î-3; 0,5-1,5 и 5-20 соответственно. Накопление йода микроорганизма-ш выше, чем кобальта н меди в 10 и в 3-10 раз соответственно, оно заметно возрастает в супераквальных условиях, что, по-видимому, свя-.зако с миграцией элементов в более доступных формах.

In vitro изучено накопление элементов штаммами распространенного i¿.„иа Pénicillium chrysogenum, выращенного при разных концентрациях

ХвОляив-1

Кате нарвал дандвэфтно-геохвыячесхая дифференциация меди, кобальта я вола в некоторых ландшафтах

Ландшафты

! Вид латеральной 1 | оопрдоввооти*

Формула дяфферевцаацяя по элементам:

меди

кобальту

йоду

Мещёрский Угличский Валдайский г Алексинскяй

Пермский ;

Акадвдлятивво- И (» 0,86 0,9е 0,6^1 2,4 * (а0.5«г 1.0* 1.5*13.0 * (а2.0' 1,5

мпмадо*"0"' Н(а0.2ь 0,4в2,0)1'2.0 Й <а1,263,7в2,0)ь2.3 й<а3.2,:3,7 в2.0>ь2'$

5КГ В<»0.8,:Г.1б2.7>ь3.1 * «».1.0*3.1® О.^Чб * >7.4*12.8 « 6,1> V 6..'

даЩии™0" Я (*0.5к0.5в0.4>1;4.б 8 «•0.6*0.6«1Л5)11.88 <"0,9 4,6 « 7)(9>1'10,7 дивергентный

ЗмШмдо. В^0.6*6.5в1.2>Ь5,0 К<«0,8к"1,7в.0,9)11.8 **3.0*7.5 ^ 3.4^8,0

канный (гетерономный тяп катева)

кпо Гавриловен» Касимову. (1989) .

^ - рэдиальвая контрастность автономных (а), транзитных ( ь) я гетерономвых ( е) элементарных

ландшафтно-геохимическах систем (ЭДГС): I - латеральная контрастность каскадвой ландшафтно-геохимической системы (КЛГС); индексы - соответотвувошв эваченвя коэффициентов ковтрастностя.

г» ■

меди, кобальта и йода в питательной среде. У большинства штаммов аккумуляция элементов повышена в области низких концентраций 10^ X), достигая величин ' 130-210 (КБП меди); 17—960 (КБП кобчльта) и , 14-160 (КБП йода). Пороги концентрирования у большинства штаммов также близки к естественным уровням содержания элементов в почвах (10"'' -1бЧ) (рис.3). Это может служить индикатором адаптации микроорганизмов к ниэкому содержании элементов в среде.

Таким образом, почвенные микроорганизмы интенсивно вовлекают изученные элементы в биологический круговорот (Си>1>Со), причем особенно активно при их ниэком содержании в среде, т.е. в полесских и молодых камовых ландшафтах, где они могут быть наиболее первоочередными объектами мониторинга. В случае испбльеоваиия распространенного В почвах гриба Репю1Шшп сГ1гузо?епит в качестве индикатора еагряв-нения ландшафтов медью, кобальтом и йодом, при Невысоких уровнях загрязнения наилучшим объектом сравнения о фоновыми величинами будет служить абсолютное накопление элемента биомассой, а при высоких -уменьшение размеров биомасса

Ыедь, кобальт и йод в растениях. Ряд исследователей иьучалн накопление этих элементов растениями в моренных и полесских ландшафта* Имя отмечено накопление меди и (Юла растениями в супераквальных условиях по сравнению с элюекальньми позициями (Авессаломова, 1979; Але-вукин, 1076; Вадковская, 1988; Головенко, Герасимова, 1981; Ники£тро-ва н др.; Ряаксиискал, 1975; Оаова,19бб; Хрусталева й др/, 1981,1987). Для кобальта подобная зависимость прослеживается не всегда (Никифорова и яр., 1979; Юихова, 1986).

Автором неучено концентрирование меди, кобальта и йода систематическими я экологическими (по Л. Г. Раменскому) группами растений в вависимости от геохимических особенностей- ландшафтов. Рассмотрена так» обеспеченность растений микроэлементам в связи с еадачаш био-Геохиыического районирования;

1. По соотношению абсолютных содержаний и интенсивности поглощения элементов растения пред.ю*йНо разделять на группы привычных (типичных) , пассивных и активных концентраторов и деконцентраторов о различной индикационной значимостью (табл. 2). Среди систематических групп привычными концентраторами и биологическими индикаторами йода

□ □ □ l x я

ЕЗ О

1 3

CbiU порог««л для кшмоищ ii предиыпа дм рост« *0И-шгтриш1 г.-г»: !„П.» . лрммыша их роет« *охц»ктр»вп loot ииог'мс* соотаггстмгао dpi 1.10""*. I.IO"1, I Xj I - ворог ШОШ1Ш лр< I.tСГН lot*! 1 - ворог впшп про 1.10"% Ком; J - й*э порог».

Ряс. 3 Дифференциация штаммов .Penlclllluo chryeogenun' по

способности к росту й накоплению Вода при его различном содержании в питательной среде

Таблица 2

Геохимическая классификация растений пэ характеру концентрировано! элементов

Содержание' ч. элементов ! . { 1 i

СИВНОСТЬ Hffb^- копления ку. НИЗКОВ ! -.СШНЕЕГ- . 1 ВЫСОКОЕ. ' 1

' шщшь* привычные да- j слабые накош-концентратора , толк ! {пассивные .концентраторы

? • ■' СРЕДНЯЯ слабые декой- {средние накопк-центраторц ' ,телн i I

БШОКАЯ * активные концентра Т 0 D н 1щ>ивачныо-1 концентратор:

- го

являются осоковые и лишайники, кобальта - ивовые (листья), меди - буковые и норичниковые. Привычными декониентратораыи меди и кобальта является представители семейства злакоьых; кобальта - рогоцьетных и сложноцветных-, йода - буковых. Мхи и кора сосны и ели -концентрируют металлы иеспецифнчески, так как их содержания в указанных группах коррелируют между собой и с содержанием железа, марганца, иинкр, никеля, а также зольностью растений в целом.

2. Определено содержание меди, кобальта и йода в ведущих древесных и травянистых видах основных типов ландшафтов, их элови&льных и сулераквальных вариантов. Для ряда ландшафтов рассчитаны коэф1;ици-енты корреляции содержаний элементов в укосах трав и хьое(листьях) древесных доминантов. Установлено, что растения ландшафтов,сформированных на красноцветных породах, отличаются повышенной вольностью, относительной обогаагнностью медью (12-16 мг/кг в ведущих травянистых видах против 3, 9 и 6-9 мг/кг в полесских, моренных и опольных ландшафтах соответственно). Наиболее сильно медь накапливается в коре сосны (16 мг/кг) и чернике (63 мг/кг) - типичном концентраторе меди (Шихова,1986). При более низких содержаниях элементов в почвах, полесские растения активно их концентрируют, особенно йод (А I - до 20; А Сн-10: А Со-2-3).

Специфика полесских и моренных ландшафтов состой! в устойчивой корреляции интенснвностей поглощения кедп и иаргшша распрестраленны-и» вндаиа. Закреплйпиз пода на склочно-карбонатном барьере в опольных сшдаафтах ведет к пониженной интенсивности его погловяния и отрица-' тельноП корреляция А I и А Ре у трав сулераквальных ландшафтов, А I и А Ся у древесных (в листьях) элювиальных даядвзфгов, В полесских и {»репных лаядгафгах, где под более подвизая, эти связи положительны.,

В суиераквальпых ландшафтах в целом возрастает число элементов-коррелятов не только в почвах, но и в растениях,, отмечается обо-газенность фятоценозов йодо|£ Последнее связано с относительным накоплением Пода рсеш влаголюбивыми видами, в том числе и представителями семейства злаковых. &го показано нами впервые. В связи с этим представляется, что явления дефицита меди у злаков на осушенных торфяниках полесий (Ковальский, Масляная,1969; Лукашев,Вадковская,1973) являются приобретенными (по Торнтону) и нетипичны для естественной

растительности. Данный вывод подтверждается отсутствием выраженного дефицита у растений в природных ландшафтах (наши исследования) и сни-»юписм дефицит г* м<-ди у растений при воостановлении естественного уровня грунтовых вод на торфяниках (Нпави, ¡979)

3. Ниакое содержание изученных элементов в почвах региона существенно и.для животных. Поэтому ь диссертации приведен список видов растений различных ландшафтов (оценка по доминантам), недостаточно и нормально обеспеченных микроэлемег..чми с точки зрения их кормовой ценности (на основе пороговых концентраций Е Е Ковальского). С этих позиций к естественным Фитэгеохимическим провинциям с дефицитом (для животных) изученных элементов отнесены суходольные луга с пребладани-ем злаков. Низко содержание микроэлементов в хвое сосны и ели.иногда используемой в качестве витаминной добавки. Супераквальные ландшафты относительно благополучны.

4. В работе рассмотрены особенности накопления элементов отдельными представителями древесных (сосна, ель,, береза), кустарничков (черника) и трав (злаков) в различных ландшафтно-геохимических условиях. В ельниках, хвоя которь-< относительно обогащена йодом, отмечено повышение его содержания и в чернике предположительно ва счет вымывания элемента из полога с осадками, а такие за счет связи корневых систем.

Приоритетность систематической либо экологической принадлежности конкретных видов растений как факторов накопления изучаемых элементов в условиях их■ низких концентраций в среде труднодифференцируема и требует дополнительного анализа для каждой конкретной ландшафт но-геохимической обстановки.

Оценка запасов меди, кобальта и йода в почвах, почвенных микроорганизмах и растениях лесных и луговых ландшафтов региона. Дня оценки активности вовлечения элементов в биологический круговорот на основе литературных (Базилевич, Тишков, 1983; Вгорова, 1982; Сысуев, 1977; Шихова, 19б& и др.) и собственных данных построена обобщ иная структурная модель запасов меди, кобальта и йода в лесных и луговых южнотаежных ландша^ггах.-

Наиболее активно вовлекается в биологический круговорот медь. В фитомассе и почвенных микроорганизмах концентрируется около 3,6 % от

ее вапасов в 0-20 см слое почьы в лесных фитоценовах и 1,1 X - в луговых. Для йода эти ьеличины составляют 1.8 и 0,38Х; для кобальта -0.9 и 0,25*. Основная часть биологически поглощенного кобальта . (70-60Х) в отличие от меди к особенно йода сосредоточена ь корнс-вой массе растений. Значительная часть йода как элемента ати-с^рного поступления сосредоточена в лесных ценозах в лишайниках 12.и рт запаса в фитомассе против 0,7 и 0,3?. для !*еди и кобальта.!. Таким оора-вом; по масплгабам вовлечения в биологический кругоьорот злтм-нты располагаются в ряд: Си>1>Со. Лишайники могут служить индикаторами атмосферного загрязнения ландшафтов йодом.

4. Л-дь м йод в молоке и покровных'тканях сельскохозяйственных

амвотных и микроэлеьягнтоз!! в различных геохимических ландшафтах В ряде колхозов было научено содеряание меди и йода в молоке и волосе коров, которое в страдает геохимические особенности

местных ландшафтов и структуру рационов. В полесских и (молых моренных ландшафтах у коров выраяены ваболеваяия, обусловленные дефицитом аед'и (10-481 обследованных) а йода (10-24?, Кондратьев н др., 1983). 3 ховяйствах опольных лаядЕафтоэ эгаотные практически не страда» гт от недостатка йода, но имеет признака медной недостаточности, что требует дополнительных исследований. 0 ландшафтах на элювио-делывии коревых пород концентрация элементов в волосе в 1.6-2 рада выше, чем в зоаяйствах, располовэиных в полесских и молодых моренных ланДшафгах (рис. 4). Это косвенно потверадает вывод, что содержание элементов в волосяном покрове зиготных может использоваться при биогеохимической оценке местной-лицевой цепи (Рта и др., 1980). По выраженности

эндемических ваболеваний у тавотных полесские и молодые моренные ландшафты отнесятся к биогеохимическим провинциям с дефицитом меди и йода. Обширные озерные котловины с богатыми пойменными лугами (например, а районе оэ. Ильмень) являются локальными областями относительного благополучия.

5. Эколого-геохимическая оценка ландшафтов Основные закономерности геохимической дифференциации природных ландшафтов региона по меди, кобальту и йоду. Проведенные исследования

7/МЮ шш ш\

Ж ж

¡1.10

т ' -

1ММ 11М111 "Т:

1

* г о 1 % >14 1

1о 5~П

Рис. 4 Мель в компонентах ландшафтов и звеньях пищевой цепи

1-УШ - ландшафты: I - валдайские ; П - мещерские ; Ш - .угличские ; 1У - сладимирские ; У - лузскпе ; У1 - чепецкие ; УП - малмнжские ; УШ - пермские Э - элювиальные ; С - супераквальмые условия — пороговые концентрации меди в почвах и расге-• ниях по В.В.Ковальскому /1974/, ниже которых наблюдаются явления дефицита

показали, что ведущим фактором геохимической дифференциации таежных природных ландшафтов Ш является их литогенная основа: в почвообраау-одос породах наученных ландшафтов накопление меди, кобальта и йода колеблется в пределах порядка. Это находит отрадение в первую очередь в почвенном, в меньшей степени - . растительном покрове элювиальных ландшафтов, а по меди прослеживается до высагих звеньев трофической цепи (рис.4). В элювиальных ландшафтах КК меди, кобальта и йода в породах и почвах возрастают в ряду ландшафтов: полесья - моренные ландшафты - ополья - ландшафты эроэионных равнин на коренных породах. Интенсивность биологического поглощения при этом убывает (при расчете относительно почвенного слоя), что способствует снижению различий в абсолютных содержаниях элементов в травах различных ландшафтов, за исключением пермских по меди. В супераквальиых позициях рассмотренных аандвафтов наблюдаются рааличт» типы концентрирования элементов, что свявано о их гетерономноетья. 0?носительное накопление алиментов в основных компонентах ланювафгов проявляется в притеррасьях и понижениях о заболоченными почвами. Супераквальньн ландшафты на пойманных гривах и повышениях, занятые, как правило, песчаными асчв^ш, хярял-"еризуются относительным рассеянием элементов.

Это лого- геохимическая оценка ландшафтов и не которые методологические подходы к изучению биогеохимический эндемий. Проведенный аяа-ят позволил дать эколого-геохимическую оценку региона на ландшафтов- геохимической основе. Наученные типы ландшафтов и их компоненты оценены с точки врения их обеспеченности медью, кобальтом и йодом, зреди них выявлены группы <с содержанием пиле уровня экологического дефицита по Е-В. Ковальскому (1974)1 Элювиальные полесские и молодые моренные ландшафты на песчаных отложениях рационально выделить как биогеохимические провинции с дефицитом меди, кобальта и йода для оельскоховяйственных животных. Ландшафты на элювии красноцветных пермских отложений являютсй провинциями, относительно обогащенными медью. Остальные природные типы геохимических ландшафтов с их характерными особенностями распределения и миграции элементов представляют собой условно комфортные субрегиона В главе предложен вариант классификации биогеохимических эндемий по их генезису и характеру проявления. Направление исследований, сочетающее в себе экологический

и ланлша4тно-геохимический подходы с экологической оценкой геохимических ландшафтов, предлагается именовать экогеохимней ландшафтов. Одной их ватаых 8адач этого направления представляется установление срчри пороговых концентраций элементов с ландшафгно-геохимическими условиями природной среды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Эколого-геохимические исследования наиболее рационально провогтгь на лочдшафтно-геохимической основе с учетом экологических критериев обеспеченности живых органиэмзв химическими элементами. Это поаволяет всесторонне охарактеризовать специфику отдельных провинций и параметры миграции элементов в их пределах. Подобное направление исследований в геохимии ландшафта может быть названо экогеохимней ландшафта.

2. Особенности геохимии йода, меди и кобальта в основных типах природных ландшафтов региона заключаются в следующем.

йод характеризуется интенсивной водной миграцией (К1-б4)и высокой биогеохимической активнос тью, " которая выражается в высоких коэффициентах биологического поглощения растениями (А1 до 42) и почвенными микроорганизмами (КБП-2-60), что приводит к наиболее высокой латеральной и радиальной контрастности автономных и подчиненных ландшафтов по этому элементу (Крд до 9.0; Кл до 6.0). Как элемент атмосферного поступления йод особенно активно накапливается лишайниками, что позволяет использовать их.в качестве индикаторов загрязнения. Пэмиш

биологического поглодания важную роль в перераспределениии этого эле>

мента играет сорбционно-щелочной (карбонатный) барьер,, приводящий к его накоплению в нижних горизонтах почв, развитых на карбонатных породах (опольные ландшафты, ландшафты на коренных породах, на двучленных отложениях). Это необходимо учитывать при прогнозах самоочищения ландшафтов, загрязненных радиоизотопами йода.

Роль биогенной и водной миграции в геохимии меди меньше, чем у йода, но также.значительна (АСи-1,5-4,6;КБП-0,3-45;КСи-4), что приводит к меньшей радиальной и латеральной контрастности ландшафтов по этому элементу СКрд-1,1-3,7; Кл-1.1-2,4). Медь наиболее активно вовлекается в биологический круговорот: до 3,6Х общего количества эле-

мента в 0-20 см слое почв в лесных элювиальных ландшафтах. Для нее наиболее характерна аккумуляция в почвах на глеевом, биогеохимическом и сорбционном барьерах,с чем связано относительное накопление меди в почвах и растениях, проявляющаяся также и в полесских .ландшафтах, сформировавшихся на флювиогляциальных песках с близким залеганием моренных отложений. В процессах накопления в почвах и растениях для меди отмечается высокое геохимическое сродство к марганцу.

Кобальт отличается низкой водной миграцией и наименее биогенен среди изученных элементов (КБП-0,2-5; АСо-О,2-0,9, КСо-0,6; содержание з биомассе не превышает 0.9Х от запасов элемента в верхнем сло^ почв). Аккумуляция в почвах происходит в первую очередь на сорбционном и сорбционно-кислородном барьерах. Радиальная и латеральная контрастность распределения кобальта а ландшафтах аналогична меди (Кря-1,1-2,3; Кл-1,5-3,7).

3. Наибольший контраст основных типов природных ландшафтов НЗ по

ТАЩИ,

содержанию т-зн прослеживается з почвообразуадих породах. Та же тенденция характерна для верхних почтеяныч горизонтов. Дифференциация по .^оду, • элементу 'атмосферного поступления, контролируется глав ним образом его закреплением на бногеохимичесгсом и сорбционно-склочном барьерах. ,

С»тогеохи!:ическая дифференциация ландшафтов маскируется способ-нсстьп ргстеннЯ активно поглсгзть элздзнты при их низком содержании в среде. Поэтому выразэнпое накопление во всея основных компонентах .•злдпафтоз и звеньях тазгвой цепи каблэдается' лишь для меди в перксютс ¿«.чдгпЗтах, гочзосбр&зуетэ породы которых существенно обпга-дзка агам элементом по сравнения с другими яаидшафгакя региона.

По проявлению негативных биологических реакций я брогеохими-изския провкнш'ЛУ с ге£::дотои кеди и йода (по Е К Козельскому) следует отнести хзядЕафта полесского типа, причем супераквальние позиции в них локально комфортна

4. Растения и почвеияь» микроорганизмы полесских ландшафтов обладают способностью к повышенному концентрированию элементов в области ил низкого содержания б среде; почвенные микроорганизмы имеют низкие пороги поглодения ■ эдеюитов (э эксперименте). Поэтому з случае' антропогенного оагрязиення, особенно полесских ландшафтов, эти компо-

ненты наиболее уяэвимы и должны являться первоочередными объектами геохимического мониторинга.

5. Концентрирующую и индикационную способность растений целесообразно оценивать на основе сопряженного анализа содержания элементов в растениях и интенсивности их биологического поглощения с выделением групп привычных, активных и пассивных концентраторов и де-концентраторов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях.

1. О прямом совместном спектральном определении меди, кобальта и молибдена в почвах и растениях//ЖАХТ. 36.Вып.7.1081. С. 1267-1271. (в соавторстве с Е. Н. Савиновой и Т. Е Щумокой).

2. Накопление йода биомассой почвенной микрофлоры в условиях нечерноземной зоны // Агрохимия. 1983. N2. С. 85-90 (в соавторстве с С. А. Алексеевой и С. Е Летуновой).

3. Иод в ландшафтах Нечерноземного центра Русской равнины

//Геохимия. 1984. N9.С. 1378-1388 (в соавторстве с Э.ЕТюрюкановой). *

4. Накопление меди и кобальта биомассой почвенных микроорганизмов в условиях Нечерноземной зоны //Агрохимия. 1984. N10. С. 101-109 (в соавторстве с С. Е Летуновой, С. А. Алексеевой, Е Н. Золотаревой).

5. Концентрирование йода грибом Perilci11iura chrysogenun, обитавшим в почвах Нечерноземной зоны // Научные доклады высшей школы. Сер. Виол. науки. N10. 1986. С. 94-98 (в соавторстве с С.Е Летуновой, С. А. Алексеевой).

6. Геохимия меди, кобальта и йода в ландшафтах Юккой Нэверы '//Тезисы Всесоюзной школы по геохимии ландшафтов. Новороссийск. 1986 Ростов: РГУ. 1986. С. 120-122. . • '

7. Развитие представлений о биогеохимических провинциях//Доклады XXYÜI Всесоюзной конференции аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники. Секция геолого-географичесикх наук. Деп. 29.10i 87. N 7631. С. 42-63.

8. Биогеохимическое районирование Европейской части Нечерноземной зоны РСФСР* пЬ йоду, кобальту и меди' на основе ландшафгно- и эко-лого-геохимического подходов//Те8Исы X Всесоюзной конференции "Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и. медицине". Самарканд. 1990. С. 48-49.

. 9. Особенности накопления меди, кобальта и йода растениями лесной вони Русской равнины // Там же. С. 293-294.

10. Copper and cobalt migration and accumulation in soils, soil microorganisms and plants of different geochemical landscapes or the Russian plain // Congress " Agr 1cu1ture&Env1ronnent in Eastern Europe and the Netherlands. Sept. 6S6&. 1990. Vageningen. 1992. P. 206-316.

11. Distribution and migration of iodine in some landscapes of the Russian plain //2nd International Symposium on Environmental Geochemistry. 16-19 September. 1991. Uppsala 1991. 1 p.