Оксидогенез железа и марганца и тяжелые металлы в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья

Романова, Ангелина Витальевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оксидогенез железа и марганца и тяжелые металлы в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Оксидогенез железа и марганца и тяжелые металлы в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья"

5Г

На правах рукописи

005014580

РОМАНОВА Ангелина Витальевна

ОКСИДОГЕНЕЗ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА И ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ

Специальность: 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 ГЛДР 2012

Уфа-2012

005014580

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

ВАСИЛЬЕВ Андрей Алексеевич,

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА;

БАГАУТДИНОВ Фатих Ягудович,

доктор биологических наук, профессор кафедр агрохимии, защиты растений и агроэкологи ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, г. Уфа;

ЕРЁМЧЕНКО Ольга Зиновьевна,

доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой физиологии растений микроорганизмов ФГБОУ ВПО «Пермский гос дарственный национальный исследовательски университет», г. Пермь;

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, г. Ижевск.

Защита диссертации состоится 06 апреля 2012 г. в 14.00 ч. в 252/1 аудитории на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «05» марта 2012 г. и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» www.bsau.ru, а также в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук, доцент

Р.Р. Гайфуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы наследования, образования, накопления, трансформации оксидов и гидроксидов железа и марганца или оксидогенез (Глазовская, 1988; Водяницкий, 1992; Алексеев, 2010) в почвах пойм Среднего Предуралья исследованы только фрагментарно (Попов, 1967; Морозов, 1987; Паутов, 1991а и др.). Анализ состояния (гидр)оксидов железа и марганца в почвах на разных сегментах пойм позволит уточнить генезис аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья и совершенствовать методы их диагностики.

(Гидр)оксиды железа, наряду с органическим веществом и глинистыми минералами, играют большую роль в адсорбции тяжелых металлов в почве (Переломов, 2001; Пляскина, 2005; Минкина, 2008 и др.). Химический состав аллювиальных почв Среднего Предуралья изучен не в полной мере. Не установлено участие почв пойм агроландшафтов и железомарганцевых новообразований в концентрировании тяжелых металлов, хотя проблема металлополлютантов в почвах региона весьма актуальна (Ковриго, 2004; Ерёмченко, 2005; Власов, 2008 и др.).

Цель исследований - выявить условия и закономерности оксидогенеза, особенности содержания и профильного распределения тяжелых металлов в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья на примере пойм рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки.

Задачи исследований:

1. Оценить окислительно-восстановительные условия оксидогенеза на генетически разных сегментах поймы по результатам изучения морфологических свойств почв и их режимов влажности, температуры, рН, ЕЙ, гН.

2. Изучить валовой химический состав, гранулометрический состав, основные физические и физико-химические свойства почв, влияющие на условия оксидогенеза и закрепление тяжелых металлов.

3. Определить в почвах фазовый состав оксидов и гидроксидов железа и марганца.

4. Охарактеризовать степень развития оксидогенеза по результатам изучения магнитной восприимчивости и форм соединений железа и марганца, извлекаемых химическими вытяжками из почв и конкреций.

5. Определить количественные характеристики цвета почв и выявить влияние оксидогенеза железа на оптические показатели.

6. Определить и оценить валовое содержание, концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в почвах и конкрециях, и охарактеризовать их связь с оксидогенезом.

ны окислительно-восстановительные условия почвообразования в основных типах аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья. Выявлено, что оксидогенез в почвах пойм проявляется в форме образования ге-тита, марганецсодержащего фероксигита, фероксигита и ферригидрита. Гематит в аллювиальных почвах имеет не только литогенное, но и педо-генное происхождение. Предложен новый диагностический критерий ок-сидогенеза - интенсивность конкреционного оксидогенеза (Г), который учитывает отношение содержания форм несиликатного железа и марганца в конкрециях и в мелкоземе почвы. Впервые, для количественной характеристики цвета почв пойм, была опробована современная оптическая система CIE~L*a*b*. Разработана новая методика диагностики степени гид-роморфизма аллювиальных почв, основанная на изменении оптических показателей в системе CIE-Z*a*b* при обработке почвы перекисью водорода. Оценено валовое содержание тяжелых металлов и их подвижных форм в почвах пойм на территориях Пермского края с разной экологической ситуацией. Для определения природно-техногенного загрязнения тяжелыми металлами аллювиальных почв предложена модифицированная формула Саета.

Практическая и теоретическая значимость. Уточнен генезис аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья. Предложены новые оптические критерии оценки их гидроморфизма. Выявленные закономерности внутрипрофильного и пространственного распределения тяжелых металлов в почвах пойм дополняют оценку экологической ситуации на территории южной тайги Среднего Предуралья. Полученные данные могут быть использованы для практического применения почвенно-агрохимическими, мелиоративными и природоохранными службами региона. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА по дисциплинам «Почвоведение» и «Картография почв» для студентов направления 110100 «Агрохимия и агропочвоведение».

Защищаемые положения. 1) Оксидогенез железа и марганца - современный почвообразовательный процесс в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья. Степень и формы развития оксидогенеза зависят от окислительно-восстановительных условий почвообразования. 2) Тяжелые металлы (Ni, Cd, Mn, Cu, Zn) и As - природно-техногенные поллютанты аллювиальных почв. 3) Fe-Mn-ортштейны и Fe-роренштейны - локальные внутрипочвенные центры оксидогенеза и концентрации тяжелых металлов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (2004, Москва), LXVII и LXIX Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов (2007, 2009, Пермь), расширенном заседании отдела химии и физико-химии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева (июнь, 2009, Москва).

Публикация результатов. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 из них в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Личный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке и морфологическом описании почвенных разрезов, отборе образцов, их пробоподго-товке и химико-аналитических работах. Автором проведены полевые режимные наблюдения, определены оптические, физико-химические и физические свойства почв, выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов. Экспериментальные исследования осуществлены в 2002-2007 гг. в соответствии с программой научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Пермская ГСХА на 2001-2005 и 2006-2010 гг. Тема 9.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 303 источников, в т.ч. 34 на иностранных языках, 12 приложений. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 24 рисунка.

A.А. Васильеву и научному консультанту - д-ру. с.-х. наук Ю.Н. Водяницко-му. Благодарю за содействие в выполнении экспериментальных работ д-ра. техн. наук Ю.Т. Платова, канд. физ.-мат. наук А.Т. Савичева, А.В. Сивцова, М.П. Ускову, а также студентов кафедры почвоведения за помощь в проведении режимных наблюдений. Автор признателен сотрудникам Почвенного института им. В.В. Докучаева д-ру. с.-х. наук Н.Б. Хитрову, д-ру. с.-х. наук

B.П. Белоброву, д-ру. с.-х. наук И.Н. Любимовой, д-ру. с.-х. наук Н.П. Чижи-ковой, канд. с.-х. наук Т.Н. Авдеевой за ценные консультации, советы и рекомендации.

1 ГЕНЕЗИС АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОКСИДОГЕНЕЗА (обзор литературы)

Рассмотрены процессы формирования речных долин и особенности почвообразования в поймах рек. Охарактеризованы физические, химические свойства и режимы аллювиальных почв, а также их аккумулятивные функции по отношению к тяжелым металлам (ТМ). Дана характеристика оксидо-генеза, его показателей и описано проявление оксидогенеза в различных типах почв.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Характеристика условий почвообразования в бассейнах рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки. Приведены характеристики климата, рельефа, растительности, состава речных и грунтовых вод, подстилающих и почвооб-разующих пород в районе проведения исследования. Рассмотрены природные и техногенные источники ТМ в почвы изучаемых пойм рек.

Общая характеристика объектов исследований. Объектами исследований были аллювиальные почвы трех трансект правобережной части пойм рек Камы, Обвы и В. Мулянки. Трансекты имеют протяженность около 400-500 м, включают по три разреза почв разной степени шдроморфизма на генетически разных сегментах поймы. Первая трансекта расположена в пой-•ме р. Камы в пределах Боткинского водохранилища на территории г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная перегнойно-глеевая типичная (разр. 41, координаты: широта №8°01'44,52\ долгота Е56°14'32.57'', абсолютная высота 90 м) (Классификация и диагностика..., 2004), аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая легкосуглинистая (разр. 42, Н58°0Г46,32", Е56°14'33,83", 90 м), аллювиальная серогумусовая типичная легкоглинистая (разр. 43, №8°0Г44,87", Е56°14'35,37", 90 м). Вторая трансекта расположена в Карагай-ском районе Пермского края в пойме среднего течения реки второго порядка (/ = 247 км) Обвы на расстоянии 15 км к западу от с. Карагая и 130 км к северо-западу от г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая среднесуглинистая (разр. 51, Ы58°16'42,14", Е54°41'18,78", 127 м), аллювиальная серогумусовая типичная легкоглинистая (разр. 52, Ы58°16'47,34", Е54°41'47,94", 125 м), аллювиальная слоистая типичная супесчаная (разр. 53, Ы58°1б'56,54", Е54°42'18,22", 125 м). Третья трансекта находится в Пермском районе Пермского края в пойме среднего течения малой реки (/ = 52 км) Верхней Мулянки в 5 км к юго-западу от г. Перми. Изучены почвы: аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная (разр. 32, Ы57°55'42,57", Е56°13'20,8б", 105 м), постагрогумусовая аллювиальная глее-ватая среднесуглинистая (разр. 33, №7°55'39,21", Е56°13'16,61", 103 м) и аллювиальная слоистая типичная легкосуглинистая (разр. 34, К57°55'35,75", Е56°13'15,ЗГ, 103 м). Экологическая ситуация территорий, в пределах г. Пермь, Пермского и Карагайского районов, оценивается, соответственно, как напряженная, удовлетворительная и благоприятная (Двинских, 2007).

Методы исследований. В полевых условиях изучен режим влажности почв под естественной луговой растительностью пойм рек В. Мулянки и Камы. В период с мая по сентябрь 2003-2005 гг. ежедекадно отбирались образцы почв через 10 см до глубины 1 м. Влажность почвы определялась термостатно-весовым методом. Величины ЕЬ, рН и ^ измерялись в трехкратной повторности рН-метром Анион-7010 в свежевыкопанных прикопках по генетическим горизонтам (Сердобольский, 1960). Сроки измерения совпадали с отбором образцов почв на влажность.

При выполнении лабораторных анализов использованы общепринятые методики (Александрова, 1986; Вадюнина, 1986) и некоторые специальные методы. В Почвенном институте им. В.В. Докучаева определены: валовой химический состав рентгенфлуоресцентным методом, Tefa-6111; содержание Бе и Мп в вытяжках Тамма и Мера-Джексона и подвижные формы ТМ в ацетатно-аммонийном буфере (ААБ) с рН 4,8 атомно-абсорбционным методом, АА8-3; магнитная восприимчивость, КЬУ-2. Фазовый состав минералов определен на просвечивающем электронном микроскопе 1ЕМ-

ЮОС методом микродифракции электронов в сочетании с качественным определением состава фазы на микроанализаторе «Kevex» (Drits, 1987) в лаборатории кристаллохимии ИГЭМ РАН. Спектрофотометрическая характеристика почв получена в Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова на спектроколориметре «Пульсар» с интегральной сферой в системе CIE-L*a*b* (Barron, 1986). Изменение цвета почв после окисления органического вещества описано через нормированное приращение светлоты AI* (Light) и красноты Да* после двукратной обработки 50% раствором Н2О2. Первый раз образцы обработаны при комнатной температуре, второй раз - на водяной бане. Оценка содержания ТМ в почвах проведена по ОДК (ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2511-09), ПДК (ГН 6229-91), кларку почв (Виноградов, 1957), содержанию ТМ в зональных почвах (Состояние и охрана... , 2009) и по значениям регионального фона (Копылов, 2011). Математическая обработка результатов исследований выполнена с использованием прикладных программ Microsoft Excel и Statistica.

3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА И АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Состав и свойства аллювиальных почв пойм рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки. Аллювиальные отложения и почвы изученных пойм наследуют основные черты гранулометрического состава пород и почв территорий бассейнов рек южной тайги Среднего Предуралья (Коротаев, 1962). В суглинистых и легкоглинистых почвах центральной и притеррасной пойм высокое содержание ила - 18-35% (таблица 1) и крупной пыли - 28-46%. В легкосуглинистых почвах прирусловой поймы преобладает фракция мелкого песка.

Содержание органического вещества в суглинистых разновидностях почв среднее и высокое, а в супесчаных - низкое, сумма обменных оснований, соответственно, высокая и низкая (таблица 1). Проявление зонального подзолистого процесса формирует кислую реакцию среды и высокую гидролитическую кислотность почв пойм. При вовлечении в почвообразование продуктов выветривания карбонатных верхнепермских отложений, образуются почвы с нейтральной и слабощелочной реакцией среды и высокой степенью насыщенности основаниями.

Между составом, свойствами почв и валовым содержанием ТМ выявлены закономерности взаимосвязи. ТМ накапливаются и в органической, и в минеральной частях аллювиальных почв. Содержание физической глины связано с содержанием Zn (г = 0,85), Ni (г = 0,77), Си (г = 0,70), Rb (г = 0,70), Y (г = 0,71); содержание органического вещества коррелирует с Zn (г = 0,73), Ni (г = 0,49), Си (г = 0,74); сумма обменных оснований имеет тесную корреляционную сязь с содержанием цинка с Zn (г = 0,86), Ni (г = 0,49), Си (г = 0,82), Мп (г = 0,55).

Таблица - 1 Физико-химические свойства и содержание фракций

гранулометрического состава в аллювиальных почвах

Горизонт, глубина, см Сорг, % мг-экв на 100 г почвы рНка а г" 3 2 р г а; >3 о V V 1 = я 5 с 5 о^-¡? ?

Б Нг ЕКО

а тттттгтияттняя пепегнойно-глеевая типичная, разе. 41, Кама

Н 0-23 28.1 ■ - 4.6 - -

ГП 23-89 40.1" - - 4.2 - -

89-110 1.5 12.7 9.9 22.6 56 3.9 21.6 36,0

С1е~ 110 и> 0.5 8,4 8,4 16,8 50 3.7 16.9 32,3

Аллювиальная сепогумусовая глеевая опуд енелая. оазр. 42. Кама

АУе 0-25 2.6 26.6 10.2 36.8 72 4.4 27.9 47.0

С1в~ 25-31 1.0 28.5 7.7 36.2 79 4,2 27.4 59.3

0&Г 31-55 0.5 23.4 5.4 28.8 81 4.4 32.8 59.3

С2е" 55 и > 0,5 23.6 3,4 27.0 87 4.6 33,6 50.9

Аллювиальная серогл тесовая глееватая, разр. 43. Кама

АУ 0-20 4.2 26.1 10.4 36.5 71 4.4 25,7 52.8

С1ГШ 20-30 3,8 28.7 13.1 41,8 69 4.1 39.0 69.8

С2Ш 30-53 1.2 20.7 8,8 29.5 70 3.9 39.1 63.5

С3е~ 53-75 0.5 12.5 6.3 18.8 67 3,9 18,2 31,1

С6е~ 150 и > 0.3 8.8 6,6 15.4 57 3.7 1 17,4 27.2

Аллювиальная сетгагумусовая глеевая оруд енелая. разр. 51, Обва

АУе 0-22 2.0 30.0 4,3 34.3 88 5.1 18.3 38,2

С1е~ 22-37 2.8 32.8 6.7 39.5 83 4.7 22,3 38,5

С2е.&~ 37-75 1.8 22.2 15.2 37.4 59 3.5 26.5 44,1

75 и > 0.9 26,2 9,7 35,9 73 3.5 25.6 42.6

Аллювиальная серол лиусовая типичная, разр. 52, Обва

АУ 0-24 1.8 26,4 3,7 30,1 88 4,9 26.5 51,8

С2~ 47-70 0,6 25,0 2,8 27.8 90 4,6 24,5 44.9

С4~ 101 и > 0,5 24,4 2.8 27.2 90 4.7 35,3 66,9

Аллювиальная слоистая тиг тчная, разр. 53. Обва"

W(,AУ) 0-20 0,6 26,2 0.2 26.4 99 8,1 7,5 12,0

С3~ 36-52 0.2 37.8 0.4 38.2 99 8,1; 4.0 7,3

С4~ 52-71 0,6 46.6 0,5 47,1 99 8,2' 12.6 24,6

Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. Мулянка

Н тг 0-15 а. .н 25.2 _ _ 6,4 - -

Н 15-32 25.2 _ 5.8 - -

С1е~ 32-49 0.9 15.8 0,5 16.3 97 5,9 18.2 46,6

в" 78-92 1.34 14,4 0,8 15,2 95 5,9 24.1 45,4

ГШ 92-110 62.0" - 6,1 - -

ГТ21 110 и > 81,7" _ - - 6,1 - -

Постагппгумусовая аллювиальная глееватая. разр, 33, В. М' /лянка

АУра 0-29 4.0 17.1 3.7 20.8 82 6.0 18,4 40.0

С1~ 29-49 0.6 10.8 1.8 12.6 86 5.8 21.3 39.2

С4г~ 107-137 0.8 15.1 1.6 16.7 91 6.0 31,1 55.9

С5е~ 137 и > 0,5 11,8 1,2 13.0 91 5.9 22,5 37.2

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка""

0-30 1,3 38.8 0.7 39.5 98 7.7' 11.7 24,6

С2~ 41-48 1.0 40,6 0,5 41.1 99 7,5' 11.5 24,9

С4~ 76-100 0.7 31.0 0.4 31.4 99 7,9' 8.8 18,7

С7~ 130 и > 0.6 34.4 0,4 34.8 99 7,9' 13.7 21,3

Примечание:"-" - не определяли, - рНшо, - потери при прокаливании, * * - Б рассчитана как сумма обменных Са и Mg

При снижении величины pHKci почвы происходит увеличение содержания подвижных форм Zn, Ni (г = -0,4) и Sr (г = -0,71).

Концентрация железа и марганца в аллювиальных почвах выше кларка и достоверно взаимосвязана, что свидетельствует об их совместном накоплении и участии в почвообразовательных процессах (рисунок 1).

Tree Diagram for Variables Ward's method 1-Pearson r

3,0-•--' —-'-'-'-----1——

/ 5 ■

§ 2,0 " fi

2 1.5-

ra __I__

2 _ ._

.E 1,0..................... .....-........Г I =•........

0,5................................------ ! |

Р205 Na20 CaO MgO Mn02 Fe203 ТЮ2 K20 AI203 S¡02 Рисунок 1 - Дендрограмма кластер-анализа R-типа валового содержания основных породо- и почвообразующих химических элементов в аллювиальных почвах, п = 52

Окислительно-восстановительные условия в почвах пойм рек Камы и Верхней Мулянки. Средняя величина показателя парциального давления водорода (гНсР) в 2003-2005 гг. в поверхностных горизонтах ило-вато-перегнойно-глеевой почвы поймы реки В. Мулянки составила 31,4±0,7, в постагрогумусовой глееватой - 31,5±2,0, в слоистой почве -33,0±0,3. Минимальные значения показателя парциального давления водорода (гНмин) составили, соответственно, 24,0, 28,9, 27,5. В 2004-2005 гг. показатель гНср почв разной степени гидроморфизма в пойме р. Камы изменялся от 2б,5±1,3 в перегнойно-глеевой почве до 36,9±1,1 в серогумусовой глееватой почве. Величина гНми„ в этих почвах составила, соответственно, 19,9 и 22,4. Динамика гН определялась режимом влажности почв (рисунок 2) и изменением температуры, Eh, рН (рисунок 3). Окислительно-восстановительное состояние почв пойм создает условия для образования свободных оксидов и гидроксидов железа и марганца.

Локальными внутрипочвенными центрами проявления оксидогенеза на макроморфологическом уровне являются Mn-Fe- конкреции. Морфология и количество Mn-Fe-конкреций в изученных почвах различны. Формируются крупные буровато-охристые роренштейны и темно-бурые орт-штейны.

Количество осадков, мм

Рисунок 2 - Режим влажности почв (в % от массы и категориях почвенной влаги) аллювиальных почв поймы р. В. Мулянки, 2005 г. (средний по увлажнению год): А - аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, В - постагрогумусовая аллювиальная глееватая, С - аллювиальная слоистая типичная. (1 - < ВЗ, 2 - ВЗ-ВРК, 3 - ВРК-ППВ, 4 - ППВ-ПВ, 5 - ПВ)

1 1 ч \ \ ✓ ✓ "Ч \

:Г\ ¡ | —i—1— - — Ч ч

650 • L. 9

650 • в 4S0 J 350 -- L, <■•■ \ .'"I i / 8 ■ 7 • —1 Г" ______ / -V \ \ /f]

1 / /1 6 5 / 4j

250 150 i ^ i 4 3 - - - 1

Eh, мВ

Рисунок 3 - Динамика окислительно-восстановительного потенциалами, мВ) и реакции почвенного раствора (рН) в поверхностных (А) и подповерхностных (В) горизонтах аллювиальных почв поймы р. В. Мулянки, 2005 г. (средний по увлажнению год):

-•— иловато-перегнойно-глеевая типичная (разр. 32) Нтг, 0-15 см; Н, 15-32 см;

— -»- - постагрогумусовая глееватая (разр. 33) AYpa, 0-29 см; С1~, 29-49 см; -■-•-- слоистая типичная (разр. 34) W(AY), 0-30 см; С1~, 30-41 см.

4 ФОРМЫ И СТЕПЕНЬ РАЗВИТИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА

Фазовый состав минералов железа и марганца в почвах. Электронно-микроскопические данные показали, что разнообразие оксидов и гидрок-сидов железа в большинстве проанализированных образцов высокое (N=3-4) (таблица 2). Фазовый состав оксидов железа в аллювиальных почвах представлен гематитом aFe203. Основными фазами гидроксидов железа в аллювиальных почвах Среднего Предуралья являются гетит aFeOOH, фер-ригидрит Fe203'2Fe00H-2. 5Н20 и фероксигит 8FeOOH. Анализ не выявил самостоятельных минералов марганца, он преимущественно входит в состав марганецсодержащего фероксигита 8(Fei.xMn)Oi+x(OH)i.x.

Монокристаллы литогенного гематита пластинчатой формы с неровными краями (рисунок 4, I-A). Размер монокристаллов педогенного гематита значительно меньше (рисунок 4,1-B). Кристаллическая решетка гематита на дифракционной картине характеризуется хорошо упорядоченным расположением ионов железа (рисунок 4, II-A, В).

Форма агрегатов гетита волокнисто-игольчатая, фероксигит и ферри-гидрит представлены тонкодисперсными спутанно-волокнистыми агрегатами (рисунок 4,1-C, D).

увел. х35 ООО

Гематит

увел. х50 ООО Гематит мелкодисперсный со слоистыми силикатами

увел. х50 ООО

Гетит

увел. х140 ООО

Мп-фероксигит

Рисунок 4 - Электронно-микроскопические изображения (I, III) и микродифракционные картины (II, IV)

(гидр)оксидов железа в аллювиальных почвах (разр. 33, гор. AYpa(A), разр. 43, гор AY (В), разр. 43, гор. C5g (С), разр. 42, гор. Clg (D))

Таблица 2 - Минералы железа, магнитная восприимчивость и формы соединений железа и марганца в аллювиальных почвах

Горизонт, глубина, см Минералы Бе РеЮч. % рбокс/ мв*, ■кг* МпОз, %

вал 1 лит I оке вал 1 дит 1 оке

Дтппппияттыняя перегнойно-глеевая типичная, разр. 4 , Каш

Н 0-23 Фр 5,83 1,46 0,53 0,36 11 0,18 0,08 0,03

ГП 23-89 5,74 1,39 1,30 0,94 0,1 0,17 0,04 0,04

0~89-1Ю Фр 3,84 0,52 0,31 0,60 8 0,08 0,03 0,02

С1е~110и> _ 3,99 0,65 0,41 0,63 9 0,09 0,03 0,02

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама

АУе 0-25 Фр>Гм> Г 11,0 1,13 0,46 0,41 34 0,58 0,47 0,34

С1е~ 25-31 _ 10,2 3,82 2,08 0,54 17 1,28 0,91 0,87

ОЙ1~ 31-55 Г> Фр 7,48 2,52 1,41 0,56 16 0,25 0,14 0,14

С2г~ 55 и > 7,43 2,49 1,42 0,57 18 0,37 0,25 0,23

Аллювиальная сесотгтеовая типичная, разр. 43, Кама

АУ 0-20 Фр>Гм>Г>Сд 6,43 1,75 0,64 0,37 34 0,20 0,09 0,04

СИМ-20-30 _ 8,01 2,81 1,89 0,67 13 0,19 0,09 0,06

С2ГВД~ 30-53 _ 7,11 1,95 1,7 0.87 12 0,14 0,05 0,05

С4~ 75-100 Фр>Г> Сд 6,87 2,08 1,09 0,52 16 0,19 0,09 0,07

Сб~150и> _ 3,84 0,77 0,28 0,36 7 0,09 0,03 0,03

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва

АУе 0-22 Гм>Г>Фг 6,32 2,89 0,72 0,25 15 0,20 0,17 0,11

С1е~ 22-37 _ 6,19 1,83 0,66 0,37 14 0,17 0,09 0,07

С2й,&Г 37-75 _ 6,00 1,11 0,60 0,55 12 0,09 0,03 0,02

0~75и> Гм>Г 6,64 1,37 0,59 0,42 16 0,10 0,04 0,02

Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 52, Обва

АУ 0-24 Г 5,53 1,62 0,43 0,27 18 0,13 0,07 0,06

С2~ 47-70 _ 5,68 1,78 0,46 0,26 15 0,11 0,07 0,05

С4 101 и> Гм>Г 5,88 2,04 0,48 0,24 17 0,18 0,12 0,10

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 53. Обва

наилок Г 6.08 2,44 0,51 0,21 21 0,31 0,29 0,17

№(АУ) 0-20 Г>Гм 4,79 1,59 0,27 0,17 26 0,15 0,08 0,06

С4~ 52-71 Г 5,04 1,63 0.29 0,18 20 0,16 0,08 0,06

С7~90и> Г 3,80 1,09 0,16 0,15 16 0,10 0,05 0,04

Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. Мулянка

Нтг 0-15 Гм>Г 6,88 2,30 0,66 0,29 37 0,22 0,15 0,12

Н 15-32 6,68 2,01 0,68 0,34 33 0,11 0,04 0,04

С2е~ 49-78 Гм>Г 6,60 1,72 0,16 0,09 13 0,09 0,01 0,002

в" 78-92 5,66 1,33 0,14 0,11 20 0,07 0,01 0,001

ГТ21110 и > 2,31 0,26 0,15 0,58 1 0,04 0,01 -

Постапзогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33. В Мулянка

АУра 0-29 Гм>Фр>Г>Сд 6,96 1,88 0,81 0,43 30 0,21 0,10 0,10

С1~ 29-49 7,20 1,69 0,59 0,35 31 0,19 0,09 0,08

С4г~ 107- Г> Гм>Сд 7,32 1,97 0,91 0,46 17 0,19 0,09 0^10

С5е~ 137 и 7,23 2,21 0,75 0,34 24 0,11 0,03 0,02

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка

\У(АТ> 0-30 Гм> Фр>Г 6,50 1,52 0,43 0,28 55 0,19 0,07 0,06

С2~ 41-48 _ 6,54 1,60 0,38 0,24 60 0,16 0,06 0,04

С5~ 100-108 Г> Гм 6,23 1,45 0,17 0,12 49 0,22 0,08 0,02

С7~130и> 6,63 1,52 0,13 0,09 57 0,13 0,04 0,02

Примечание: Г - гетит, Гм - гематит, Фр - фероксигит, Фг - ферригидрит, Сд - сидерит, "-" - не определяли, * - для разр. 41-43, по данным Ю.Н. Водашцкого (2007).

Расположение катионов железа в кристаллической решетке гетита упорядоченное, а аморфного фероксигита - слабоупорядоченное (рисунок 4, П-С, Б). Дисперсность (гидр)оксидов железа определяет их высокую пигментирующую способность и значительную адсорбционную емкость по отношению к катионам ТМ и анионам арсенатов.

Состояние минералов железа и марганца в почвах и конкрециях, по данным химических вытяжек. В изученных почвах пойм выраженность оксидогенеза Редит/РеВАЛ, по шкале Л.А. Кармановой (1978), оценивается как низкая и средняя 21-37%. При этом критерий гидроксидогенеза Беокс/Тедит в этих почвах высокий и очень высокий (таблица 2). Степень развития оксидогенеза марганца превышает почти в два раза выраженность оксидогенеза железа. Доля свободного марганца (Мпдат) от валового преимущественно составляет 31-62%. В отдельных случаях (гор. С^, разр. 42; гор. AYg, разр. 51; гор. СЗ, разр. 53; наилок в прирусловой пойме р. Обвы, гор. Етг, разр. 32) отношение Мпдит/Мпвал достигает 68-94%.

Различия в концентрации свободных форм железа и марганца объясняются тем, что динамика ЕЬ в аллювиальных почвах создает условия преимущественного восстановления-окисления марганца по сравнению с железом. Редуктогенез Мл начинается уже при ЕЬ 400 мВ, тогда как для начала восстановления Бе необходимо снижение ЕЬ до 200 мВ (Савич, 2008). При повышении ЕЬ, из восстановленных форм железа и марганца образуются термодинамически нестабильные гидроксиды, которые со временем превращаются в термодинамически стабильные гетит и (или) гематит (8сЬ\уеИтапп, 1988).

В конкрециях оксидогенез железа и марганца проявляется в большей степени, чем во вмещающей почвенной массе (таблица 3).

Таблица 3 - Формы соединений Fe и Мл в конкрециях аллювиальных почв

№ п/п Горизонт, глубина, см Fe203, % Мп02, %

вал | дит I оке Вал 1 дит I оке

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 42, Кама

1 1 G&- 31-55 I 62.9 | 13,1 I 1,17 1 1.11 1 1.07 1 0.55

Аллювиальная серогумусовая глееватая разр. 43, Кама

2 С2|ЫЛ~ 30-53 20,9 8,6 0,82 3,88 3,18 0,58

3 СЗ ~ 53-75 17,3 7,8 1.11 3,36 2,36 0,57

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва

4 |C2ß,fh~ 37-75 I 27.6 I 10.3 1 1.29 1 0.07 1 0.04 1 0.02

Постагрогумусовая аллювиальная глееватая. разр. 33, В. Мулянка

5 С2~ 49-75 16,9 3,9 1,19 4,69 1,00 0,57

6 С3~ 75-107 18,3 7,4 1,18 5,23 3,43 0,57

1 С4Й~ 107-137 22,4 9.1 1,23 6,56 4,75 0,59

8 C5g~ 137 и > 27,9 10,5 1,25 0,66 0,65 0,32

Интенсивность конкреционного оксидогенеза (Г) высокая и составляет для дитионитрастворимых форм железа и марганца, соответственно, 4,8 (lim = 2-9) и 27,4 (lim = 1-64), для оксалаторастворимых форм интенсивность ниже (рисунок 5).

63,6 52,8

Ревлл Р®дегг Реокс Мпвал Мпдат Мпокс

Рисунок 5 - Интенсивность конкреционного оксидогенеза Бе (7Ре) и Мп (/ш) в аллювиальных почвах

Магнитная восприимчивость почв и конкреций. Развитие гидро-ксидогенеза (Реокс^едат) в аллювиальных почвах приводит к снижению их магнитной восприимчивости (г = -0,54...-0,64). Антропогенное воздействие на аллювиальные почвы сопровождается накоплением техногенного магнетита и увеличением магнитной восприимчивости в поверхностных горизонтах почв пойм рек Камы и В. Мулянки (таблица 2). Магнитная восприимчивость конкреций, в результате накопления окристаллизованных соединений железа, выше, чем восприимчивость вмещающей почвы в 1,12,1 раза.

5 ОКСИДОГЕНЕЗ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГИДРОМОРФИЗМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ

Оптические показатели почв в красной цветовой гамме системы С1Е-Ь*а*Ь*: краснота а*, индекс красноцветности ЩЬаЬ), количество условного красного пигмента Нетусл - определяются развитием оксидогенеза железа. В горизонтах почв пойм, где среди (гидр)оксидов железа преобладают гематит, а также Мп-фероксигит и фероксигит, краснота а* наиболее высокая и изменяется в интервале от 5,8 до 8,2 (таблица 4).

Степень развития оксидогенеза железа в аллювиальных почвах, оцененная по оптическим показателям, зависит от окислительно-восстановительных условий почвообразования. Основными оптическими показателями оксидогенеза, как «процесса-результата» (Соколов, 2004), по которым оглеенные горизонты аллювиальных почв отличаются от неогле-енных, являются: более низкие значения К(ЬаЬ), а*/Ъ* (таблица 5). В огле-енных почвах (разр. 41, 42, 51, 52, 32, 33) средневзвешенный профильный индекс красноцветности Я(ЬаЬ) ниже, чем в неоглеенных на 27-47%. Величина показателя Негпусп в оглеенных горизонтах стремится к нулю. В глеевых горизонтах аллювиальных почв краснота а* низкая, но варьирует в широких пределах - от 2,6 (гор. в, разр. 41) до 7,0 (гор. С&, разр. 42) и не всегда надежно отражает гидроморфизм почв.

Таблица 4 - Оптические характеристики аллювиальных почв в системе С1Е-1*а*6*

Горизонт, глубина, см I* а* Ъ* а*/Ъ* Щ1аЬ) Нет уел

Аллювиальная перегнойно-глеевая типичная, разр. 41, Кама

Н 0-23 41,8 4,8 13,8 0,35 - 0,09

ГЛ 23-89 36,7 5,4 9,9 0,55 - 0,17

• 89-110 44,5 2,6 9,9 0,26 3,5 0,00

С1й~ 110 и> 54,7 2,9 15,9 0,18 1,1 0,00

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, )азр. 42, Кама

АУё 0-25 47,6 6,0 19,2 0,31 5,4 0,18

25-31 49,0 6,4 18,6 0,34 4,9 0,22

вйТ 31-55 53,5 7,0 21,4 0,33 3,1 0,26

С2(Г 55 и > 53,3 7,1 20,3 0,35 3,3 0,27

Аллювиальная серогумусовая глееватая, разр. 43, Кама .

АУ 0-20 45,2 5,3 14,5 0,37 6,6 0,14

С2[ВД~ 30-53 56,8 4,9 16,5 0,30 1,5 0,10

С3~ 53-75 49,3 7,4 19,0 0,39 5,5 0,30

С5к~ 100-150 52,5 8,0 21,2 0,38 4,1 0,35

С6Й~ 150 и > 55,1 5,8 16,1 0,36 2,2 0,17

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая, разр. 51, Обва

АУЙ 0-22 50,0 6,8 18,9 0,36 4,6 0,25

С1|ЪЦё~ ~ 22-37 48,8 6,5 17,7 0,37 5,1 0,23

37-75 57,5 3,9 16,0 0,24 1,1 0,02

75 и > 56,7 3,6 15,9 0,23 1,1 0,00

Аллювиальная серогумусовая типичная, разр. 52, Обва

АУ 0-24 47,4 7,3 18,0 0,41 7,0 0,30

С1~ 24-47 51,0 8,2 20,1 0,41 5,0 0,37

С2~ 47-70 52,6 8,0 47,7 0,17 4,0 0,35

С4~ 101 и> 51,3 7,9 20,2 0,39 4,7 0,34

Аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая типичная, разр. 32, В. М улянка

Нтг 0-15 38,3 4,6 9,4 0,49 - 0,10

Н 15-32 40,2 5,0 10,7 0,47 - 0,13

С18~ 32-49 48,8 6,2 13,9 0,45 5,0 0,22

78-92 45,8 5,0 11,4 0,44 5,9 0,12

ГТ1] 92-110 26,0 4,7 2,1 2,24 - 0,56

Постагоогумусовая аллювиальная глееватая, разр. 33, В. Мулянка

АУра 0-29 38,8 3,8 10,5 0,36 11,8 0,02

С1~ 29-49 47,8 6,0 16,4 0,37 5,4 0,19

С2~ 49-75 48,4 6,4 17,6 0,36 5,3 0,22

С4Й~ 107-137 50,6 5,8 17,0 0,34 3,7 0,17

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34, В. Мулянка

\У(АУ) 0-30 42,3 4,9 13,7 0,36 9,1 0,10

С4~ 76-100 44,9 5,7 12,5 0,46 7,7 0,18

С5~ 100-108 48,8 5,0 14,3 0,35 3,9 0,11

С7~ 130 и > 43,6 5,8 13,0 0,45 9,3 0,19

Примечание: (Вапда, 1986), Нет^ = [Д(аЬ)-0.54]/1.97 (Воданиикий, 2004)

Обработка почв Н202, в сочетании с системой оценки цвета CIE-L*a*b*, повышает точность диагностики оглеенных горизонтов аллювиальных почв, так как устраняет маскирующее действие органического вещества. После обработки Н202 в образцах почв из оглеенных-горизонтов происходит заметное уменьшение красноты: Ла*<0; в неоглеенных горизонтах краснота возрастает: Да*>0. Соответственно, зависимость Аа* от степени осветления (Light) обратная или прямая (таблица 5).

Особенностью проявления оксидогенеза в аллювиальных почвах Среднего Предуралья являются более низкие, относительно почв бассейнов рек, значения показателей R(Lab), HemYCsi, а*/Ъ*, что связано с частичным разрушением основного красного пигмента почв - гематита в восстановительных условиях формирования аллювия и развития почв пойм. Между оптическими показателями оксидогенеза (а*, Яетусл) и его химическими показателями (Бедит, FeOKPHCT, РеДИт/РеВАл) в почвах пойм существует достоверная положительная связь (г = 0,45-0,59, п = 43).

Таблица 5 - Оптические показатели аллювиальных почв до (1) и после (2) обработки перекисью водорода

Оптические показатели Горизонты

органогенные (п = 6/2)" глеевые и глееватые (п = 19/5) без признаков оглеения (п = 25/4)

М lim М lim М lim

1 а* 5,3 4,6-6,4 5,9 2,6-8,0 6,3 3,8-8,2

R(Lab) _ - 4,0 1,1-6,3 6,3 1,50-11,8

Нетусл, % 0,26 0,09-0,56 0,19 0,0-0,36 0,21 0,02-0,37

а/Ъ 0,84 0,35-2,24 0,35 0,18-0,45 0,38 0,30-0,46

2 Аа* -3,7 -4,3... -3,1 -1,6 -2,6... -0,4 +1,4 +0,5... +2,9

Light 10,8 6,0-9,0 8,9 2,0-14,4 5,4 2,3-9,2

Примечание: "-" - не определяли, - в числителе - количество образцов без обработки Н202, в знаменателе - количество образцов, обработанных Н202.

6 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И ОКСИДОГЕНЕЗ

Природно-техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами и мышьяком. Среднепрофильные концентрации ТМ по отношению к кларку (Кк) в почвах поймы р. Обвы составляют ряд: Си 2,4 > Сг 2,4 > № 1,6 > 2п 1,5 > Аб 1,1. В почвах поймы р. Камы ряд накопления ТМ, в соответствии с Кк, следующий: Мл 1,9 > Сг 1,9 > Си 1,8 > Аэ 1,5 > Ъа. 1,4 > № 1,3. Наиболее высокие коэффициенты концентрации ТМ и Аэ в почвах поймы р. В. Мулянки: Си 2,9 > Сг 2,7 > № 2,2 > Аэ 1,5. Содержание ЯЬ, ва, У и Ъх в исследованных почвах пойм ниже кларка (таблица 6).

Содержание ТМ в аллювиальных почвах в несколько раз превышает уровень их концентрации в почвах водоразделов южной тайги Среднего Предуралья (К30Н): Аз (14-27), Си (2,0-3,5), Ъп (1,1-2,1).

Таблица 6 - Валовое содержание ТМи Аэ (мг/кг) в аллювиальных почвах

Горизонт, мощность, см

Хп

Сг

№

Си

Мп

вг

1т

Аллювиальная перегнойно-глеевая типичная, разр. 41. Кама

М>

ва

0-23

130 64 50 1146 140 182

ГП

23-89

125

1053

141

127

89-110

110и>

130

140

488

164

375

534

172

380

АУк

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруленелая. разр. 42. Кама

20 20

0-25

104__11__135 69 I 39 136791 149 I 245

18 19

ш:

25-31

«п"

31-55

125

_С2£[

55 и>

125

8062

148

130

.40

267

1572

171

363

2339

172

374

Ауа

Аллювиальная серогумусовая глеевая оруденелая. разр.

0-22

СИЪЫе" 22-37

С2е.Й1~

37-75

75 я >

104

101

158

144

.164

164

.78

1234

1077

511

597

207

192

168

173

254

257

244

наилок

ЩАХ) 0-20

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 53. Обид -81. 8_Г1?2 1 65 I 52 118981 249 I 269

,Обва

14 13

С3~ С4~

36-52

С6~

52-71

78-90

С7~ 90 и >

308

130

172

109

110

Нтг

Аллювиальная шювато-перегнойно-глеевая типичная, разп. 32

0-15

СЦЦ

15-32

ш:

32-49

49-78

78-92

ГТП 92-110

ГТ21 110 и >

150

184

198

192

198

184

164

.31

907

899

976

883

643

264

235

265

254

267

418

167

296

251

172

104

110

114

1364

721

589

511

434

457

263

338

352

337

351

370

481

280

125

120

148

128

139

Аура 0-29

Постагротгусовая аллювиальная глееватая. разр. 33. В. \

СГ

С2~

29-49

С3~

49-75

75-107

С4е~ 107-137

С5е~ 137 и >

150

178

184

212

150

192

1363

1169

1308

1422

1194

664

309

315

304

339

262

284

\УГАТ) 0-30

Аллювиальная слоистая типичная, разр. 34. В.

241

265

288

277

249

296

В. Мулянка

20 17

улянка

СГ

С4~

30-41

С5~

76-100

С6~

100-108

.108-130

58 55

154

172

226

12201 400

Мулянка

1011

935

1397

853

424

438

401

469

203

143

197

109

223

СГ

130 и >

КЛСГУК

220

зон, почвы

45,6

Фон

ПДК_

0,37

51 20

840

439

212

850

280

100

14,7 50

300

100

900

1500

350

ОПК(песч. почвы)

ОПКт<5.5)

.110

ОДКШ>5.5) I 220 1/0 1-180 1зГ\~Т ,

Примечание: - кларк по Н.Ш. Во^'еп (1979),- данные отсутствуют

Аллювиальные почвы, по отношению к региональному фону, также характеризуются повышенным содержанием ТМ (таблица 6). Для почв поймы р. Камы ряд поллютантов следующий: Аб 7,7 > Бг 2,3 > Мп 1,9 > № 1,5 > Zn 1,2; в почвах поймы р. Обвы: Аэ 6,0 > Бг 3,1 > № 1,8 > 1п 1,2; в почвах поймы р. В. Мулянки: Аэ 7,3 > Бг 2,8 > № 2,6 > 2п 1,2 > Си 1,2 > Мп 1,1. Мониторинг загрязнения почв ТМ в поймах рек на территории Пермского края не осуществляется (Состояние и охрана..., 2009), но геохимическая роль почв пойм в аккумуляции ТМ очевидна и требует контроля за их состоянием.

Среднепрофильная концентрация Аб, №, Си, 2п в почвах поймы р. В. Мулянки выше ПДК и ОДК. В иловато-перегнойно-глеевой почве (разр. 32) содержание М превышает ОДК в 1,3 раза. В постагрогумусовой глее-ватой почве (разр. 33) концентрация № выше ОДК в 1,1-1,2 раза. Наиболее загрязнена ТМ слоистая типичная почва на супесчаном аллювии (разр. 34), в которой превышение ОДК, с учетом ее легкого гранулометрического состава, установлено для Си (1,2-1,7), № (3,2-4,4), Аз (2,5-5,5), Ъ\ (1,1-1,2). В перегнойно-глеевой тишиной почве (разр. 43) поймы р. Камы валовое содержание № и Аэ превышает ОДК в 1,4 раза. Загрязнение Мп в большей степени выражено в серогумусовой глеевой почве (разр. 42), где в гор. С^ содержание Мп достигает 8062 мг/кг, что в 5,4 раза выше ПДК. В почвы пойм рек Камы и В. Мулянки ТМ поступают из природных и техногенных источников.

Средневзвешенное профильное валовое содержание № и Аэ в почвах поймы р. Обвы превышает ОДК, соответственно, в 1,6 и 1,1 раз. Почвы поймы р. Обвы, удаленные от промышленных центров, аккумулируют ТМ, в основном, из природных источников. Концентрация № , Аб, Мп, 2п, Си в наилке на прирусловой части поймы р. Обвы выше, чем в поверхностном гор. АУ.

Для подсчета суммарного загрязнения аллювиальных почв был использован новый критерий - среднепрофильный суммарный показатель загрязнения 2„роф.

где Ъ] - показатель загрязнения Саета для .¡-го горизонта, к - мощность ]-го горизонта.

Критерий 2проф позволяет дать обобщенную оценку всей загрязненной толщи почв, что имеет особое значение для характеристики почв, отличающихся литологической прерывистостью пород в профиле.

Почвы поймы р. Обвы, характеризуются относительно слабым суммарным загрязнением, критерий г^ф-пи* составляет 6,8; 6,0; 6,5 (разр. 51, 52, 53). Более сложное среднепрофильное суммарное загрязнение в почвах пойм рек Камы и В. Мулянки, здесь 7проф выше. Загрязнение ТМ распространяется на значительную глубину аллювиальных почв, что свидетель-

ствует о длительном и регулярном поступлении поллютантов гидрогенным путем. Максимального значения показатель суммарного загрязнения достигает в серогумусовой глеевой оруденелой почве (разр. 42, Кама), где 2проф-тах в слое 0-100 см составляет 14,1. В почвах поймы р. В. Мулянка 2цроф-тах ниже 6,7-7,3.

Корреляционный анализ по Спирмену показал, что в аллювиальных почвах Мп, Ъъ, Аб, №, Шэ, У и Оа связаны, прежде всего, железосодержащими минералами. Следовательно, трансформация железосодержащих соединений в процессе почвообразования или при проведении мелиоративных мероприятий будет влиять на состояние ТМ в аллювиальных почвах (таблица 7).

Таблица 7 - Корреляционная матрица валового содержания ТМ и Аэ в аллювиальных почвах (п = 52)

Бе Хп Ая Сг № Си Мп Эг 7,г 1?Ь У Па

Ке 1,0

/п 0,55* 1.0

АЭ 0,50* 0,00 1,0

Сг -0,09 -0.42* 0,21 1,0

N1 0,50* 0,52* 0,09 0,26 1,0

Си 0,27 0,57* -0,02 0,10 0,78* 1,0

Мп 0,63* 0,22 0,42* -0,19 0,06 -0,07 1,0

«г -0,19 -0.32 0.10 0,45* 0,34* 0.31 -0,26 1.0

Zr 0,12 0,02 0,08 -0,08 -0,40* -0.43* 0,11 -0.58* 1,0

Ш> 0,62* 0,57* 0,20 -0,24 0,10 0.00 0,37* -0.70* 0,58* 1 0

У 0,48* 0,63* 0,22 -0,13 0,24 0,33* 0,28 -0.53* 0 3?. 0 77* 1.0

Оа 0,49* 0,42* 0,26 0,14 0,30 0,33* 0,27 -0.20 -0,05 0,32 0,46* 1,0

Примечание: * - достоверно при Р = 0,95.

Множественный корреляционный анализ по методу Варда выявил, что железо и марганец образуют с ТМ самостоятельные кластеры. Цинк, никель и медь объединены в отдельный кластер с сильной достоверной связью (г-РеагБОп = 0,15-0,32, п = 52). Эти техногенные металлы активно вовлечены в производственный цикл машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий Среднего Предуралья, и совместно загрязняют окружающую среду.

В почвах пойм, по сравнению с почвами водораздельных пространств, содержание подвижных форм Ъп, Мп и Сс1 выше (таблица 8). Подвижность Бг и Мп в аллювиальных почвах высокая, а N1, 2п и Си малоподвижны. Основными поллютантами в подвижной форме для почв пойм Среднего Предуралья являются №, Мп и Сй. Содержание №, РЬ, Сс1, 7л, Си, Со и Бг связано с концентрацией Мп (г = 0,35-0,90, п = 49).

Марганцево-железистые конкреции как концентраторы тяжелых металлов. Высокая концентрация оксидов и гидроксидов железа и марганца в ортштейнах и роренштейнах аллювиальных почв сопровождается накоплением Аб 5,2> № 4,2 > Си 1,6 > У 1,4 > 1п 1,1. Анализ взаимосвязи ТМ в конкрециях выявил, что марганец образует кластер с Си, У, Бг (г-РеагБоп = 0,1-0,4); железо - с Аэ, ЯЬ (0,2-0,3); Ъа. с ва (0,2), Ъх с Сг (0,9).

Таблица 8 - Подвижность и средневзвешенное (М) содержание ТМ в профиле аллювиальных почв

Пойма реки ТМ М, мг/кг Нт Подвижность, % зон Кзон пдк Кпдк

№ раз зсза 41 42 43 41 42 43 41 42 43 41 42 43

(в 1 « РЬ 1,7 0,8 0,4 0.2-2,0 - - - - - - 6 0,3 0,1 0,1

Сг1 0.4 0,3 0,3 0,1-1,3 » - - 0.85 0,5 0,4 0,4 0,5 0,8 0,6 0,6

7п 6,1 6,0 3,9 0,2-11,7 3,5 9,7 3,9 1,34 4,6 4,5 2,9 23 о,з 0,3 0,2

N1 6 7 2.9 3,8 2,0-8,4 6,7 1,9 4,1 - - - 4 1,6 0,7 1,0

Си 1.5 1.2 1,2 0,5-2,4 1,6 1,3 3,2 4.2 0,4 0,3 0,3 3 0,5 0,4 0,4

Со 04 0,1 0,1 0,1-0,5 - 2,12 0,2 0,0 0,0 5 0,1 0,0 0,0

Мп 110 116 41 23,6- 2,1 1,6 19,8 41,9 2,6 2,8 1,0 80 1,4 1,5 0,5

Яг 16 32 21 33,3 19,1 26,3 - - - - - - - -

№ пазпсза 51 52 53 51 52 53 51 52 53 51 52 53

я о ю О РЬ Я 5 1,3 1,7 0,9-5,5 _ _ - - - - 6 0,6 0,2 0,3

сл 1 5 0,4 0,8 0,3-2,4 _ _ 0,85 1,8 0,5 0,9 0,5 3,0 0,8 1,6

7,п 6 8 1,6 0,8 0,1-9,4 6,2 2,3 1,9 1,34 5,1 1,2 0,6 23 0,3 0,1 0,0

N1 П 4,0 1,7 1,0-25,2 17,5 5.9 3,4 - - - 4 3,3 1,0 0,4

Си 2 4 1.2 0,7 0,6-4,1 4,2 2,5 1,8 4.2 0.6 0,3 0,2 3 0,8 0,4 0,2

Со 2,9 0,7 0,7 0,2-6,4 - 2,12 1,4 0,3 0,3 5 0,6 0,1 0,1

Мп т 16 42 7,9-278,8 21,5 2,0 4,8 41,9 3,3 0,4 1,0 80 1,7 0,2 0,5

«г 36 38 32 20,9 16,8 13,0 - - - - - - -

№ раз реза 32 зз 34 32 33 34 32 33 34 32 33 34

я £ к Ц £ Д РЬ 34 0,6 3,0 0,3-6,2 _ - - - - - 6 0,6 0,1 0,5

С(1 09 0,3 1,2 0,3-2,7 _ - - 0,85 1,1 0,4 1,4 0,5 1,8 0,6 2,4

7,п 1,6 6,1 2,5 0,1-6,8 3,5 9,7 3,9 1,34 1,2 4,6 1,9 23 0,1 0,3 0,1

N1 2,6 1,7 2,8 1,7-4,9 6,7 1,9 4,1 - - - - 4 0,7 0,4 0,7

Си 0,7 1,4 0,4-2,7 1,6 1,3 3,2 4,2 о,з 0,2 0,3 3 0,4 0,2 0,5

Со 1,1 0,2 0,7 0.1-1,4 - 2,12 0,5 0,1 0,3 5 0,2 0,0 0,1

Мп ?.?, 19 183 3,3-489,2 2,1 1.6 19,8 41,9 0,5 0,5 4,4 80 0,3 0,2 2,3

Яг 98 57 108 33,3 19,1 26,3 -

Примечание: подвижность - содержание элемента в ААБ в % от валового, «-» означает «данные отсутствуют», «зон» - содержание подвижных форм тяже-

лых металлов в зональных почвах, по данным ГЦАС «Пермский».

Новообразования разного генезиса имеют особенности химического состава. Ортштейны серогумусовой глеевой почвы (разр. 41) содержат 26% Мп и 29% № от их валового содержания в почве. Конкреции серогумусовой глееватой почвы (разр. 42) депонируют 49% Аэ и 35% N1.

Следовательно, при проведении гидротехнических мероприятий в поймах рек (осушение, орошение) следует учитывать, что мобилизация ТМ из конкреций, в результате изменения окислительно-восстановительных условий, приведет к увеличению степени загрязненности почв и речных вод тяжелыми металлами.

Тяжелые металлы и показатели оксидогенеза. Показатели оксидо-генеза и валовое содержание ТМ в аллювиальных почвах не всегда имеют положительную корреляцию. Можно отметить следующие закономерно-

сти. Содержание оксалаторастворимого железа и концентрация Мп, №, Шэ, У и Аб взаимосвязаны (г = 0,20-0,91). Концентрация окристаллизован-ного железа коррелирует с валовым содержанием № (г = 0,32-0,51), а величина критерия оксидогенеза железа - с содержанием марганца (г = 0,310,54). В загрязненных и относительно чистых почвах пойм закономерности взаимосвязи показателей оксидогенеза и ТМ имеют свои особенности.

В почвах пойм рек Камы и В. Мулянки в большей степени проявляется связь между содержанием Ре0КР, Бедат, отношением Редат/Ревдл и содержанием техногенных металлов - 2п, Си (г = 0,23-0,74). Дитионитра-створимые формы Мп наиболее тесно связаны с содержанием 2п, Шэ, У, ва и Ая (г = 0,25-0,70) в почвах поймы р. Камы.

В почвах поймы р. Обвы окристаллизованное железо достоверно связано с валовым содержанием №, Мп и Бг (г = 0,39-0,70), а аморфные соединения железа активно концентрируют 2п, Си, №, ЛЬ, У, ва (г = 0,310,91). Активная роль гидроксидов железа в сорбции ТМ в кислых почвах подтверждается достоверной положительной корреляционной связью между содержанием Ре0кс и отношением Ре0кс/Редит с концентрацией подвижных форм Мп, РЬ, Сё, Тп, Си, Со и Бг (г = 0,51-0,93).

ВЫВОДЫ

1. Окислительно-восстановительные условия оксидогенеза в поверхностных горизонтах аллювиальных почв характеризуются переменными временными, пространственными, внутрипрофильными значениями ЕЬ: от умеренно-восстановительных - интенсивно-окислительных (Нт = 210-583) в перегнойно-глеевых почвах до слабо восстановительных - интенсивно-окислительных (Нт = 323-724) в серогумусовой типичной и слоистой почвах. Реакция почвенного раствора (рНюо) зависит от состава аллювия и изменяется в широком интервале: в пойме р. Камы - от 3,9 до 6,5, а в пойме р. В. Мулянки - от 5,1 до 8,1.

2. Общие тенденции оксидогенеза железа как «процесса-механизма» в почвах пойм южной тайга Среднего Предуралья заключаются в том, что в восстановительную фазу почвообразования происходит частичная редукция железа и марганца, а в фазу окисления образуются термодинамически нестабильные гидроксиды - марганецсодержащий ферокси-гит, ферригидрит и фероксигит, которые постепенно превращаются в тонкодисперсные педогенные фазы гетита и (или) гематита. Оксидогенез железа в аллювиальных почвах как «процесс-результат» диагностируется по следующим основным признакам: а) доля несиликатных форм железа составляет 21-37% от валового; б) содержание сильноокристаллизованного железа - 28-85% от несиликатного; в) содержание аморфного и слабоокри-

сталлизованного железа - 4-15% от валового. Образование термодинамически нестабильных гидроксидов железа сопровождается снижением магнитной восприимчивости почвы.

3. Оксидогенез марганца проявляется в образовании Мп-фероксигита. Степень проявления оксидогенеза марганца (Мпдит/Мпвал) составляет 31-62%, доля оксалаторастворимого Мп от валового - 17-60%. Оксидогенез марганца выражен в гораздо большей степени, чем оксидогенез железа, особенно в условиях переменного редокс-потенциала в верхних горизонтах почв пойм.

4. Выявлено, что оптические и химические показатели оксидогенеза взаимосвязаны. Краснота а* почв и НетУСд достоверно возрастают с увеличением' содержания Еедат. ^остист и величины отношения Бедит/РевАЛ. Установлено, что железосодержащими пигментами почв пойм, определяющими их красноцветность, являются не только гематит, но и фероксигит.

5. Железосодержащая фаза аллювиальных почв Среднего Преду-ралья концентрирует тяжелые металлы (Ъп, Мп, Шэ, У, ва) и Аб. Валовое содержание Си, Сг, N1, Ъа., Мп и Аэ в почвах пойм выше их кларков, содержания в зональных почвах и регионального фона. В напряженной и удовлетворительной экологической обстановке территории бассейнов рек поллютантами аллювиальных почв являются Аэ, Си, Хп природно-техногенного происхождения. В условиях благоприятной экологической ситуации бассейнов рек происходит загрязнение аллювиальных почв Аэ и М из техногенно-природных источников. Аллювиальные почвы загрязнены подвижными формами №, Сё, РЬ, Си, их содержание тесно связано с концентрацией подвижных форм марганца.

6. Марганцево-железистые конкреции аллювиальных почв являются формой интенсивного проявления оксидогенеза и чувствительными сорбционными барьерами для тяжелых металлов. Интенсивность конкреционного оксидогенеза марганца /мвдит, Дйшкс выше, чем железа /редии /Реокс, В конкрециях преобладают окристаллизованные формы железа и марганца. В конкрециях, по сравнению с вмещающей почвой, накапливаются АБ>№>Си>У>гп.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Рекомендовать почвенно-агрохимическим и мелиоративным службам при проведении почвенных обследований в поймах рек южной тайги Среднего Предуралья апробировать в производственных условиях использование оптических показателей почв в системе С1Е-Ь*а*Ь*.

2. Рекомендовать природоохранным службам, при осуществлении мониторинга почв на территориях с разной экологической ситуацией южной тайги Среднего Предуралья, предусмотреть размещение реперных участков в пределах пойменных агроландшафтов малых и средних рек. Контролировать содержание тяжелых металлов в слое 0-100 см по моди-' фицированной формуле Саета.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Кожева (Романова), A.B. Модификация формулы Ю.Е. Саета для определения суммарного внутрипрофильного загрязнения почв тяжелыми металлами / Ю.Н. Водяницкий, A.A. Васильев, A.B. Кожева (Романова) // Материалы Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 24-28 мая, 2004. - С.191-193.

2. Кожева (Романова), A.B. Тяжелые металлы в аллювиальных почвах Среднего Предуралья / Ю.Н. Водяницкий, A.A. Васильев, A.B. Кожева (Романова) // Доклады РАСХН. - 2004. - № 5. - С.23-25.

3. Кожева (Романова), A.B. Особенности поведения железа в дерново-подзолистых и аллювиальных почвах Среднего Предуралья / Ю.Н. Водяницкий, A.A. Васильев, A.B. Кожева (Романова), Э.Ф. Сатаев // Почвоведение. - 2006. - № 4. - С.396-400.

4. Кожева (Романова), A.B. Влияние железосодержащих пигментов на цвет почв на аллювиальных отложениях Средне-Камской равнины / Ю.Н. Водяницкий, A.A. Васильев, Э.Ф. Сатаев, A.B. Кожева (Романова), М.Н. Власов //Почвоведение. -2007. -№ 3. - С.318-330.

5. Кожева (Романова), A.B. Бе-Мп-конкреции агрозема аллювиального темно1умусового поймы р. Мулянки // Пермский аграрный вестник: LXVT Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и аспирантов «Вклад молодых ученых в развитие АПК». Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО ПГСХА, 2007. - Вып. XVII. - 4.1. - С. 121-122.

6. Климова (Романова), A.B. Режим влажности аллювиальных почв поймы р. Верхняя Мулянка Пермского края / A.B. Климова (Романова) // Пермский аграрный вестник , LXIX Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и аспирантов «Молодежная наука: технологии, инновации»: сб. науч. трудов. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2009.-С. 94-96.

7. Романова, A.B. Магнитная восприимчивость аллювиальных почв пойм рек Верхняя Мулянка и Обва Пермского края / A.A. Васильев, A.B. Романова // Инновационные научные решения - основа модернизации аграрной экономики, Всероссийская заочная науч.-практич. конф. (2011, Пермь). - 4.1. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2011.-С.61-65.

Формат 60x84 716. Печ. л. 1.0. Тираж 130 экз. Заказ № 30

Отпечатано в ШЦЩюкростЪ» Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д. Н. Прянишникова 614990, Россия, г. Пермь, ул. Петропавловская, 23 Тел.:210-35-34

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Романова, Ангелина Витальевна, Уфа

61 12-3/809

Федеральное государственное оюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

На правах рукописи РОМАНОВА Ангелина Витальевна ^

ОКСИДОГЕНЕЗ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА И ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ

Специальность: 03.02Л3 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -кандидат сельскохозяйственных наук Васильев Андрей Алексеевич

Пермь-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... 4

1 ГЕНЕЗИС АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ. ХАРАКТЕРИСТИКА ОКСИДОГЕНЕЗА (обзор литературы)....................................................... 9

1.1 Генезис, свойства и режимы аллювиальных почв........................... 9

1.2 Оксидогенез как почвообразовательный процесс........................... 20

1.3 Аккумулятивные функции аллювиальных почв по отношению

к тяжелым металлам............................................................................... 39

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................47

2.1 Характеристика условий почвообразования в бассейнах

рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки......................................................47

2.2 Общая характеристика объектов исследований............................... 57

2.3 Методы исследований......................................................................... 59

3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА

И АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ............................................65

3.1 Состав и свойства аллювиальных почв пойм рек Камы, Обвы

и Верхней Мулянки.................................................................................. 65

3.2 Окислительно-восстановительные условия в почвах пойм

рек Камы и Верхней Мулянки............................................................... 93

4 ФОРМЫ И СТЕПЕНЬ РАЗВИТИЯ ОКСИДОГЕНЕЗА.............................113

4.1 Фазовый состав минералов железа и марганца в почвах............... 113

4.2 Состояние минералов железа и марганца в почвах и конкрециях

по данным химических вытяжек..............................................................118

4.3 Магнитная восприимчивость почв и конкреций............................. 125

5 ОКСИДОГЕНЕЗ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГИДРОМОФИЗМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ.......................................................................... 132

6 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И ОКСИДОГЕНЕЗ.............................................. 147

6.1 Природно-техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами

и мышьяком.................................................................................................147

6.2 Марганцево-железистые конкреции как концентраторы тяжелых металлов.................................................................................................... 158

6.3 Тяжелые металлы и показатели оксидогенеза................................. 159

ВЫВОДЫ.......................................................................................................... 162

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................................................ 164

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................. 165

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................ 195

Приложение А..............................................................................................196

Приложение Б.............................................................................................. 197

Приложение В.............................................................................................. 198

Приложение Г...............................................................................................199

Приложение Д..............................................................................................201

Приложение Е..............................................................................................202

Приложение Ж.............................................................................................203

Приложение И..............................................................................................207

Приложение К..............................................................................................208

Приложение Л..............................................................................................209

Приложение М.............................................................................................210

Приложение Н.....................,....................................................................... 211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Большое народнохозяйственное и важное экологическое значение аллювиальных почв определяют актуальность уточнения их генезиса и диагностики. Почвы пойм характеризуются значительной неоднородностью гидрологических условий почвообразования. Рациональное использование и охрана почв пойм предполагают обязательный учет их окислительно-восстановительного состояния [Зайдельман, 1981; Добровольский, 2005; Балабко, 2010]. Одним из важных направлений изучения полу-гидроморфных и гидроморфных зональных почв южной тайги Среднего Предуралья является анализ форм и интенсивности проявления в них оксидо-генеза [Водяницкий, 1992; Васильев, 1994; Бусоргина, 2002; Сатаев, 2005; Гилев, 2007]. Несмотря на исследования A.A. Лютина [1956], Н.Я. Коротаева [1962], Ю.К. Попова [1967], Ф.И. Пермякова [1972], Б.Н. Нешатаева [1989], А.И. Паутова [19776, 1988, 19916, 1996, 1998], В.П. Ковриго [2004] и др., процессы наследования, образования, накопления, трансформации оксидов и гидроксидов железа или оксидогенез [Глазовская, 1988; Алексеев, 2010] в почвах пойм Среднего Предуралья исследованы только фрагментарно [Попов, 1967; Паутов, 1991а; Морозов, 1987]. Анализ состояния (гидр)оксидов железа и марганца в почвах на разных сегментах пойм позволит уточнить генезис аллювиальных почв Среднего Предуралья и совершенствовать методы их диагностики.

(Гидр)оксиды железа, наряду с органическим веществом и глинистыми минералами, играют большую роль в адсорбции тяжелых металлов в почве [Переломов, 2001; Пляскина, 2005; Минкина, 2008 и др.] Оценка степени развития техногенных форм оксидогенеза железа используется для выявления загрязнения почв тяжелыми металлами [Дуров, 2009; Чащин, 2010]. Химический состав аллювиальных почв Среднего Предуралья изучен не в полной мере. Не установлено участие почв пойм агроландшафтов и железомар-ганцевых новообразований в концентрировании тяжелых металлов, хотя проблема металлополлютантов в почвах региона весьма актуальна [Кузне-

цов, 1994; Ковриго, 2004; Еремченко, 2005; Осовецкий, 2006; Власов, 2008; Шишкин, 2009; Копылов, 2011 и др.].

Цель исследований - выявить условия и закономерности оксидогене-за, особенности содержания и профильного распределения тяжелых металлов в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья на примере пойм рек Камы, Обвы и Верхней Мулянки.

Задачи исследований:

3. Определить в почвах фазовый состав оксидов и гидроксидов железа и марганца.

Научная новизна. Впервые, на основании многолетних комплексных исследований, установлены закономерности сезонной динамики влажности, температуры, реакции среды, окислительно-восстановительного потенциала, редокс-потенциала гН и охарактеризованы окислительно-восстановительные условия почвообразования в основных типах аллювиальных почв южной тайги Среднего Предуралья. Выявлено, что оксидогенез в почвах пойм проявляется в форме образования гетита, марганецсодержащего фероксигита,

фероксигита и ферригидрита. Гематит в аллювиальных почвах имеет не только литогенное, но и педогенное происхождение. Предложен новый диагностический критерий оксидогенеза — интенсивность конкреционного окси-догенеза (7), который учитывает отношение содержания форм несиликатного железа и марганца в конкрециях и в мелкоземе почвы. Впервые, для количественной характеристики цвета почв пойм, была опробована современная оптическая система С1Е-Ь*а*Ь*. Разработана новая методика диагностики степени гидроморфизма аллювиальных почв, основанная на изменении оптических показателей в системе С1Е-£*а*Ь* при обработке почвы перекисью водорода. Оценено валовое содержание тяжелых металлов и их подвижных форм в почвах пойм на территориях Пермского края с разной экологической ситуацией. Для определения природно-техногенного загрязнения тяжелыми металлами аллювиальных почв предложена модифицированная формула Саета.

Защищаемые положения. 1) Оксидогенез железа и марганца - современный почвообразовательный процесс в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья. Степень и формы развития оксидогенеза зависят от окислительно-восстановительных условий почвообразования. 2) Тяжелые металлы (№, Сё, Мп, Си, Ъъ) и Ав- природно-техногенные поллютанты ал-

лювиальных почв. 3) Fe-Mn-ортштейны и Бе-роренштейны - локальные внутрипочвенные центры оксидогенеза и концентрации тяжелых металлов.

Личный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке и морфологическом описании почвенных разрезов, отборе образцов, их пробоподготов-ке и химико-аналитических работах. Автором проведены полевые режимные наблюдения, определены оптические, физико-химические и физические свойства почв, выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов. Экспериментальные исследования осуществлены в 2002-2007 гг. в соответствии с программой научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Пермская ГСХА на 2001-2005 и 2006-2010 гг. Тема 9.

Благодарности. Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и абсолютную поддержку своим наставникам - научному руководителю - канд. с.-х. наук A.A. Васильеву и научному консультанту - д-ру. с.-х. наук Ю.Н. Водяницко-му. Благодарю за содействие в выполнении экспериментальных работ д-ра. техн. наук Ю.Т. Платова, канд. физ.-мат. наук А.Т. Савичева, A.B. Сивцова,

М.П. Ускову, а также студентов кафедры почвоведения за помощь в проведении режимных наблюдений. Автор признателен сотрудникам Почвенного института им. В.В. Докучаева д-ру. с.-х. наук Н.Б. Хитрову, д-ру. с.-х. наук В.П. Белоброву, д-ру. с.-х. наук И.Н. Любимовой, д-ру. с.-х. наук Н.П. Чижи-ковой, канд. с.-х. наук Т.Н. Авдеевой за ценные консультации, советы и рекомендации.

1 ГЕНЕЗИС АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ. ХАРАКТЕРИСТИКА ОКСИДОГЕНЕЗА

(обзор литературы)

1.1 Генезис, свойства и режимы аллювиальных почв

Генезис аллювиальных почв связан с общими условиями формирования пойм рек. Изучению образования, строения речных долин и пойм рек Европейской части России уделяли большое внимание видные ученые-почвоведы В.В. Докучаев [1878], Б .Б. Полынов [1909], Л.И. Прасолов [1927], В.Р. Вильяме [1949], Н.М. Сибирцев [1951] и др. Их взгляды получили развитие в работах учеников и последователей.

По современным представлениям, поймы рек Русской равнины сформировались в голоцене, они относятся к числу наиболее молодых и динамичных элементов рельефа речной долины [Печеркин, 1966; Чернов, 1983; Александровский, 2004]. В соответствии с гидролого-геоморфологической концепцией, пойма представляет собой часть дна речной долины, затапливаемую в половодье и формируемую в результате отложения наносов в процессе эро-зионно-аккумулятивной деятельности речного потока [Чеботарев, 1978; Маккавеев, 1986, 2003]. Рекам принадлежит важная роль в процессе релье-фообразования: их воды разрушают старые геоморфологические формы дневной поверхности, переносят и переотлагают продукты разрушения, преобразуя рельеф и создавая новые эрозионные и аккумулятивные его формы [Чернов, 1983; Барышников, 1984]. Рельеф, создаваемый рекою на водосборных территориях, определяется характером речной сети, типом ее рисунка, скоростью течения потока, временем года, климатом, составом горных пород, геологическим строением бассейна и усложняется от верховьев к низовьям [Введенская, 1968; Егоркина, 2004; Симонов, 2004].

В поймах рек В.И. Шраг [1954] выделяет три части: прирусловую - с прибрежными пляжевыми полосами и прирусловыми валами; центральную -ровную, сложенную половодными наносами, часто имеющую старицы и вторичные озерные водоемы; притеррасную - заболоченную ложбину, примы-

кающую к первой надпойменной террасе с остатками староречья. А.Л. Александровский [2004], выделяет в пойме три крупных участка: 1) современные пояса меандр, на которых русло блуждает, разрушая и создавая новые поверхности; 2) стабильные участки, в пределах которых идет накопление отложений; 3) древние стабильные участки с хорошо развитыми почвами. Почвы пойм А.Л. Александровский [2004] разделяет по возрасту соответственно участкам поймы: пионерные, хорошо развитые и зрелые; а также по степени гидроморфности: на хорошо дренированные, с признаками гидроморфизма и заболоченные.

Эволюционно-генетические связи между различными аллювиальными почвами обусловлены общим процессом развития ландшафтов речных долин. Сегменты поймы, русловые валы, старицы, протоки и другие элементы рельефа долины имеют системный характер расположения, по которому могут быть восстановлены пути и этапы перемещения русла, а также закономерности осадконакопления и почвообразования. На примере лесостепной и степной зон Русской равнины, Л.А. Яблонских [2001] показано, что образование аллювиальных почв в поймах рек происходит согласно закону аналогичных топографических рядов почв. В каждой зоне и их подзонах аналогичные ряды почв формируются под влиянием мезо- (высокая, средняя, низкая пойма) и микрорельефа (старичные понижения, гривы, западины), уровня грунтовых вод, степени увлажнения и состава растительности.

Почвообразовательные процессы в поймах развиваются на аллювиальных отложениях. Исходным материалом образования аллювия являются породы и почвы на склонах долин и берегах рек, подверженные водной эрозии. Кроме того, эрозия проявляется в русле действующей реки и в пойме, старичных и озерных водоемах или водохранилищах. Перенос разрушенного материала и осадконакопление в речной долине происходит в различных формах и объемах и влияет на химические особенности аллювия. На состав аллювия влияют почвенно-гидрологические, климатические и другие природные условия, а также степень развития техногенеза в бассейнах рек [Куз-

нецов, 1986; Назаров, 2004]. Деятельность рек создает специфические фаци-альные условия осадконакопления и литогенеза. Для равнинных рек выделяют три основные фазы осадконакопления: русловая, пойменная и старинная с их более детальными подразделениями. Аккумуляция аллювия в русловой форме незначительна и проявляется, в основном, на первой фазе формирования поймы, когда ведущим геологическим процессом является глубинная эрозия. Для русловой фации типичны: большая динамичность осадков, косая слоистость, разнородный состав грубозернистого гравийного и песчаного материала, плохая сортированность отложений. Накопление аллювия за счет пойменных фаций на второй фазе происходит при усилении боковой эрозии и сопровождается блужданием русла по дну долины реки. В пойменной фации преобладает супесчаный, илистый и глинистый материал, часто насыщенный органическим вещ

Информация о работе

Романова, Ангелина Витальевна
кандидата биологических наук
Уфа, 2012
ВАК 03.02.13

Диссертация

Оксидогенез железа и марганца и тяжелые металлы в аллювиальных почвах южной тайги Среднего Предуралья - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы