Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ЮЖНОГО УРАЛА

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ЮЖНОГО УРАЛА"

(

АСЫЛБЛЕВ ИЛЬГИЗ ГАЛЛЯМОВИЧ

С О ДЕРЖ А НИ Е II РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ЮЖНОГО УРАЛА

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Уфа 2004

АСЫЛБАЕВ ИЛЬГИЗ ГАЛЛЯМОВИЧ

СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ЮЖНОГО УРАЛА

Специальность 05.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Уфа 2004

* ЧГ» ШКА ■ фаид ^Щ'^-гц"-

Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Хабиров И.К. кандидат сельскохозяйственных наук, Чанышев И.О.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Нурмухаметов Н.М. кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник . < Абзалов Р.З.

Ведущее предприятие: Институт биологии УНЦ РАН

Защита состоится « /0* 06- 2004 г. в /Г ч на заседании диссертационного совета Д 220. 003.01 в Башкирском государственном аграрном университете по адресу: 450001, Башкортостан, г.Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, Башкирский госагроуниверситет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан « -9 »_ОУ__2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /> V-,. В.А.Печаткин

Г

Актуальность проблемы. В условиях возрастания антропогенных воздействий на педосферу объективная оценка содержания химических элементов в почвах, особенно токсичных, приобретает большую эколого-социальную значимость.

На Южном Урале - пегноне богатом полезными ископаемыми с развитой добывающей и перерабатывающей промышленностью, опасность накопления в почвах многих химических эле,ментов очень высокая.

В почва* региона ишболее широко изучено содержание элементов, важных с агрономической точки зрения и процессов почвообразования (Шаров, Чмелев, Радцева, 1963; Гирфаиов, Ряховская, 1975; Хазиев с соавт. 1995, 1997; Середа, 2002; Багаутдинсв, 2000; Хабиров, 1993; Кольцова с соавт., 2001). Исследования по накоплению и миграции элементов, имеющих общеэкологическое ' значение немногочисленны и ограничены преимущественно тяжелыми металлами (Минигазимов, 1999; Мукатанов, 2001, 2002; Кулагин, 2001; Галяутдинон, 2002).

Вместе с тем, дня рационального размещения сельскохозяйственных культур и получения экологически чистой продукции, принятия адекватных мер по детоксикации почв и рекультивации нарушенных ландщафтов, необходима информация по содержанию многих других элементов, особенно первого, второго и третьего классов токсичности.

Цель и задачи исследований. Целью работы явилось изучение содержания и распределения химических элементов в почвах различных экосистем (лес, пашня, луг) и с разными уровнями антропогенной нагрузки на Южном Урале.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие основные задачи-.

1. Выявить особенности накопления элементов в зависимости от: а) пути их поступления в почвы, 6) характера почвообразовательных процессов, в) принадлежности к экосистеме.

2. Изучить содержание и распределение в профиле почв элементов первого, второго и третьего классов токсичности.

3. Дать агроэкологическую оценку химического состава почв по трем классам токсичности.

Научная новизна. Впервые определено содержание 63 химических элементов .в почвах луговых, лесных и агроэкосистем Северной, Северовосточной лесостепной зоны и Зауралья (в пределах Учалинского района), подверженных разноуровневым антропогенным нагрузкам. Установлены особенности и закономерности распределения химических элементов по профилю почв в зависимости от путей их поступления, свойств почв, наличия тех или иных геохимических барьеров, естественных аномалий и техногенных факторов.

Впервые для условий региона дана экологическая оценка химического состава почв по трем классам токсичности, определен вклад отдельных элементов в суммарный показатель загрязнения.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Содержание и распределение в профиле почв химических элементов в условиях Северной, Северо-восточной лесостепной зоны и Зауралья (в пределах Учалинского района) обусловлено как генетическими свойствами почв, сформированных в различных экосистемах и ландшафтах, так и характером и уровнем антропогенных воздействий.

2. Экологические условия региона ухудшаются с.запада на восток. Основная нагрузка среди элементов первого класса токсичности причодится на цинк, селен и мышьяк; второго - на молибден, хром и медь, третьего - на барий, вольфрам и марганец.

Практическая значимость. Материалы по содержанию химических элементов в почвах являются основой для эколсгического мониторинга, экспертизы и зонирования территорий. Выявление высоких концентраций ряда элементов, особенно первого и второго классов токсичности, а так же источников их поступления, способствуют разработке конкретных мероприятий по оздоровлению техногенно-загрязненных почв, особенно сельскохозяйственных угодий. С другой стороны, обнаружение дефицита ряда микроэлементов (например меди в пахотных темно-серых лесных черноземах оподзоленных в Северо-восточной лесостепи) позволяет обоснованно рекомендовать использование микроудобрений для повышения продуктивности пахотных почв.

Апробация работы И публикации. Материалы диссертации доложены на .научно-практической конференции «Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы природопользования», посвященной 95-летию со дня рождения профессора С.Н.Тайчинова (Уфа, 2001); международной научно-практической конференции «Проблемы, и перспективы агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа, 2002); международной конференции «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов», посвященной 75-летию кафедры почвоведения Казанского государственного университета (Казань, 2003); научно-практической конференции посвященной 125-летию Уфимского лесхоз техникума (Уфа, 2003); Всероссийской научно-практической конференция, посвященной 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РФ и РБ, д.с.-х.н, профессора Ю.А. Усманова (Уфа, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и переспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003); Республиканской научно-практической конференции посвященной 90-летию мелиорации земель в РБ (Уфа, 2004); Результаты исследований опубликованы в восьми печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вЕ!едения, пяти глав, выводов и предложений производству, Она включает 195 страниц машинописного текста, 12 таблиц и 51 рисунков. Список литературы включает 182 наименований, в том числе 20 иностранных.

Условия и методика проведения исследований. Работа выполнена в рамках Государственной научно-технической, программы №15/12 Академии

наук Республики Башкортостан «Экология Башкортостана в пространственно-временном единстве» под общим руководством профессора Старовой Н.В.

В связи с этим, почвенные разрезы закладывали на постоянных экологических стационарах Южного Урала.

В Северной лесостепной зоне (Уфимское плато) исследования велись на 6 стационарных участках: L Стационар Байки. Р. 7 -99, темно-серая лесная остаточно-карбонатная, лес (соска, береза); Р. 1-2000, торфянисто-перегнойная остаточно-карбонатная, лес (ель); Р. 8-99, темно-серая лесная, луг. 2. Стационар Магинск. Р. 9-9'). торфянисто-перегнойная, остаточно-карбонатная, лес (лиственница, береза). 4.Стационар Абызово. Р. 10-99, аллювиальная серая лесная на погребенной лугово-зернистой почве, луг. 5. Стационар Караяр. Р. 22000, темно-серая лесная неполноразвитая, луг; Р. 3-2000, темно-серая лесная неполноразвитая, лес (сосна); 6. Стационар Бнрск. Р 1-2002, темно-серая лесная, пашня (пряные культуры).

В Северо-восточной лесостепной зоне (Юрюзано-Айская депрессия) исследования велись на 6 стационарах: 1. Стационар Вознесенка. Р 4-2000, серая лесная каменисто-щебнистая неполноразвитая, луг; Р. 16-99, темно-серая лесная, лес (сосна); Р.15-99, серая лесная, луг; Р. 5-2000, темно-серая лесная, пашня (пшеница); 2. Стационар Кольшеустикинское. Р. 14-99, светло-серая лесная, лес (сосна); Р. 9-2000, темно-серая каменисто-щебнистая, пашня (гречиха); Р. 10-2000, чернозем оподзоленный, пашня (гречиха); 3. Стационар Карлыханово- Ногуши. Р. 11-99, светло-серая лесная, лес (сосна); Р. 12-2000, светло-серая лесная, луг. 4. Стационар Ургапа. Р. 13-99, серая лесная, лес (сосна); P. 11-2000, темно-серая лесная, лес (сосна); 5. Стационар Еланлино. Р. 8-2000, дерново-карбонашая щебнисто-каменистая, лес (сосна), б. Стационар Аркаулово. Р. 13-2000, серая лесная неполноразвитая, лес (сосна); Р. 14-2000, серая-лесная неполноразвитая, луг.

В горнорудном регионе Зауралья исследования велись на 5 стационарах. 1. Стационар Сафарово. Р. 15-2000, темно-серая лесная неполноразвитая, лес (сосна). 2. Сгационар Комсомольск. Р. 16-2000, темно-серая лесная неполноразвитая луг. 3. Стационар Кирябинка. Р. 17-2000, темно-серая лесная неполноразвитая, лес (сосна). 4. Стационар Ахуново. Р. 18-2000, дерновая-неполноразвитая, лес (сосна). 5. Стационар Учалинский ГОК. Р. 19-2000, почва техногенного происхождения, редколесье (сосна); Р. 20-2000, дерновая неполноразвитая, лес (сосна)

Экспериментальная работа выполнялась маршрутно-экспедиционным и лабораторно-аналитическими методами. Элементный состав почв (63 химических элемента) определялся методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой - ICP-MS, PLASMA-QUAD, фирма VG instruments. Агрохимические исследования почв проводились общепринятыми методами (Аринушкина, 1970).Полученные результаты обрабатывались статистически (Доспехов, 1979: Дмитриев, 1995) с помощью программы Microsoft Excel, statistica for Windows 4.5 и stadia 6.2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Особенности накопления элементов, в зависимости от свойств почв и путей их поступления " Северная лесостепная зона. Уфимс кое плато - это плоская возвышенность с сильно расчлененным карстово-эрозионным рельефом, сложенная твердыми известняками, доломитами, пестроцветными мергелями, местами песчаными отложениями. Почвообразуюшие породы представлены преимущественно известняковыми элювиально-делювиальными глинами. В почвенном покрове преобладают серые лесные, дерново-карбонатные и перегнойно-карбонатные почвы. Перегнойно-карбонагные почвы приурочгны в основном к замшелым пихтарникам, соснякам и ельникам. В этих почвах под слаборазложенной оторфованной подстилкой залегает органо-минеральный горизонт, состоящий из перегноя и мелких обломков щебня карбонатных пород, мелкозем часто вышёлочен от карбонатов, вскипание от 10% соляной кислоты бурное только по обломкам щебня.

Наиболее общей особенностью почв, сформированных на уфимском плато, является укороченность почвенного профиля и наличие карбонатов в нижней его части. В процессе развития почвы по мере уменьшения влияния карбонатности почвообразующих пород в них начинает проявляться подзолистый процесс.

Особенностью почв региона является также относительно высокое содержание гумуса, ч"го обусловлено минерализацией достаточно большого лесного опада и растительных остатков в условиях континентального климата и близкого залегания известковых коренных пород, состав и свойства которых способствуют нейтрализации кислых продуктов разложения и закреплению гумуса в форме гуматов кальция. Эти почвы насыщены основаниями, реакция среды изменяется от слабокислой до слабощелочной.

Поскольку район Уфимского плато расположен в значительном отдалении от промышленных центров с залгсенностью территории, составляющей более 75% и является фоновым, в почвах не отмечается накопление токсичных элементов. Относительно повышенные концентрации некоторых элементов обусловлены наличием соответствующих геохимических барьеров. В первую очередь это биогенное накопление фосфора и серы. С составом почвообразующих пород связано накопление лития, титана, ванадия, алюминия, железа, вольфрама. В иллювиальных горизонтах почв повышается содержание алюминия, железа и марганца.

Высокая гумусированность и поглотительная способность почв, напичие карбонатов в профиле обеспечивают высокую геохимическую устойчивость почв Уфимского плато. К югу от Уфимского плато, граничащего с увалистым междуречьем Уфа-Белая, в почвенном покрове преобладают темно-серые лесные почвы, сформированные на пермских глинах, профиль которых более мощный и развитый. '

В пахотном слое стационара пряных культур содержится дс 7,1% гумуса, 0,36% общего азота и 0,28% фосфора Реакция почвенного раствора слабокислая, в поглощающем комплексе преобладает кальций. В отличие от

короткопрофмльиых почв Уфимского плато, в них наблюдается повышенное содержание урана, тория и редкоземельных элементов обусловленное характером коренных пород.

Северо-восточная лесостепная зона. Почвенный покров на стационарах Юрюзано-Айской депрессии представлен преимущественно светло-серыми, серыми, темно-серыми лесными почвами, сформированными на элювии песчаников, мессами карбонатных и загипсованных, пермских красноцветных глинах, элюеии глинистых сланцев и алевролитов. Лесные почвы в основном неполнораз змтые, гумусово-аккумулятивный горизонт мощностью 15-20 см, подстилается сразу переходным к почвообразующей породе ВС, иллювиальный горизонт не сформирован.

Светло-серые лесные почзы характеризуются низким содержанием гумуса (3,6-3,8%), средне- и слабокислой реакцией среды (табл.1). В серых и темно-серых лесных почвах содержание гумуса возрастает до 6,4-8%, которое вниз по профилю резко уменьшается, реакция среды изменяется также от сильно- до слабо-кислой. Содержание обменных оснований невелико, в их составе преобладает калышй.

• Территория Юрюзано-Айской впадины относительно мало загружена промышленными объектами. Однако анализ химического состава почв показал наличие повышенных концентраций ряда токсичных элементов: ртути, свинца, мышьяка, селена, цинка, никеля, меди, бора, вольфрама, ванадия, титана, стронция, церия, рубидия, гафния. Характер профильного распределения этих элементов в исследованных почвах определяется в основном их поступлением из почвообразующих и коренных пород. Так, в почвах Вознесенского стационара, выделяющихся существенно повышенным содержанием селена, стронция, кадмия, мышьяка и бора в нижней части профиля, отмечено их высокое содержание в породах (рис. 1а). Почвы стационара Болъшеустикинское, отличаются повышенным количеством циркония, поступающего также из материнской породы.

Довольно высокие концентрации многих токсичных элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв Юрюзано-Айской депрессии связаны с их воздушно-техногенным поступлением. Это - свинец, ртуть, ванадий, цинк, вольфрам к др. (рис. 16). Почва стационара Аркаулово (под лесом) выделяется исключительно высоким содержанием редкоземельных элементов, особенно празеодима, неодима и гадолиния, содержание которых в профиле почвы почти одинаково во всех генетических горизонтах и значительно выше, чем в почвообразующей породе (от 10 до 30 раз). Если исключить природную аномалию, то такое накопление редкоземельных элементов мсжет быть обусловлено достаточно давним локальным привносом.

Процесс оподзоливаиия, развивающийся в лесных почвах региона, обусловливает миграцию многих элементов в иллювиальные горизонты почвенного профиля (кобальт, медь, марганец, никель, титан, ванадий, цирконий) (рис.1 в). Биогенное накопление некоторых элементов может также привести к чрезмерному повышению их концентрации. Например, в пахотных

почвах Вознесенского и Большеустикинского стационаров выявлено очень высокое содержание серы.

Таблица 1. Физико-химические свойства почв

Горизонт и рН Поглощенные оснока-ния, мг.экв/100 г Гумус Сорг.

глубина, см Н20 КС1 Сумма Са++ М.д41" %

Разрез. 11-99. Светло-серая лесная. Белокатаиский эайон, лес

Ао 0-5 5,1 : 4,3 22 19 3 - 8,34

А, 6-20 5,5 I 4,6 18 16 2 3,57 -

ВС 40-50 | 5,7 4,4 20 14 6 0,95

Разрез. 13-99. Серая лесная. Белокатаиский район, лес

Ао 0-5 5,5 4,9 42 32 10 15,74

А, 6-20 5,8 5,0 27 17 10 6,44 -

ВС 40-50 5,85 4,4 23 11 12 0,87 -

Разрез. 16-99.Темно-серая лесная. Дуванский район, лес

А0 0-7 5,5 5,3 31 27 4 - 8,79

АВ 8-24 5,5 4,75 18 11 7 6,84

Сд 25-50 5,0 4,0 8 5 3 1,88 -

Разрез 16-2000. Темно-серая лесная неполноразвитая. Учалннский район, луг

А, 3-20 6,4. 5,6 25 20 5 6,6

АВ 21-35 5,9 4,9 19 14 5 2,9

ВС 36-80 7,4 5.0 19 13 6 0,83 - . 1

Разрез 8к-99. Торфянисто-перегнойная о ста"о ч н о-к ар бо натн ая. Караидельскин район, лес

Ао0-3 5,5 5,2 ! 64 52 12 - 31,8

А, 3-15 7,7 6,8 I 54 33 21 11,6 -

ВС 41-50 7,7 6,8 1 .93 62 31 • 3,37

С 51-70 8,2 7,2 40 30 10 1,71 -

Разрез 10 — 2000. Чернозем оподзоленный. Мечетлинский район, пашня

Ап 0-30 6,5 . 6,0 ■ 48 42 6 9,5 -

А2В 31-45 6,3 5,9 45 39 6 5,1 -

В, 46-60 6,7 6,3 1 42 37 5 1,8 • -

ВС 61-70 6,2 5,8 39 35 4 0,6 -

а) поступление из материнских пород Р. 15-99

б) поступление из атмосферы Р. 10-2000

о 5 10 15 20 -25 30 35 40

Мг/кг

20 40 60 80

в) вынос в процессе подзолообразования Р 4-2000 (Со, Си), 2-2000 (№, V) Рисунок 1. Содержание элементов в профиле почв

Накопление токсичных элементов в почвах в значительной степени определяется также их принадлежностью к различным экосистемам. Так, лес способствует выносу из почвообразующих пород стронция, мышьяка, титана, скандия и др., но задерживает поступление в почву элементов из атмосферы. Луговая растительность аккумулирует бор, кадмий, селен, литий, ванадий, цезий, железо. В почвах пашни высокие концентрации ряда элементов обусловлены их привносом с удобрениями, мелиорантами, пестицидами (ртуть, селен, литий, стронций, алюминий и др.)

Аккумуляция многих элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв тесно коррелирует с содержанием в них гумуса. Регрессионный анализ показал наличие достоверной зависимости (Р=0,95) между содержанием бора, никеля цезия, висмута, кадмия и золота с содержанием гумуса в почве.

Таким образом, в почвах стационаров Юрюзано-Айской депрессии загрязнение токсичными элементами имеет как техногенный, так и природный характер. Естественное загрязнение обусловлено поступлением токсичных элементов из почвообразующих и коренных пород. Этому способствует разработка карьеров, глубокая вспашка с оборотом пласта. Поскольку в регионе широко представлены неполноразвитые почвы, очевидно, что их использование под пашню нецелесообразно.

Горнорудный регион Зауралья. Многообразие почвообразующих пород, частая смена их на близких расстояниях, различная история происхождения, свойства и составы, а также контрастный рельеф осложняют структуру почвенного покрова региона. В полосе расчлененных предгорий под лесами сформированы преимущественно серые лесные почвы. Эти почвы часто близко подстилаются коренными породами, поэтому профиль их неполноразвитый. В типе серых лесных почв зоны преобладают темно-серые лесные почвы.

На хорошо дренированных участках под - хвойными и лиственно-хвойными лесами с развитым травяным покровом на элювии коренных пород формируются дерновые литогенные почвы, зачастую также неполноразвитые.

В морфологическом строении почв выделяется лесная подстилка и" дернина, более развитая в дерновых почвах, гумусово-аккумулятивный горизонт небольшой мощности, постепенно переходящий в почвообразующую породу. Иллювиальный горизонт, как правило, не выражен и полностью не сформирован.

Темно-серые лесные почвы характеризуются слабокислой реакцией среды, довольно высоким содержанием гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте, которое резко уменьшается с глубиной. Содержание обменных оснований невелико.

Дерновые литогенные почвы в связи с развитым травяным покровом и небольшой мощностью профиля содержат относительно большее количество гумуса и поглощенного кальция, чем темно-серые лесные почвы и имеют средне и сильнокислую реакцию среды.

Таблица 2. Содержание химических элементов в почвах Южного Урала

(мг/кг, среднее по профилю)

Элемент Северная лесостепь -(Бирский, Караидельский районы) п=8 Северо-восточная лесостепь (Дуванский, Мечетлинский, Кигинский, Белокатайский, Салаватский районы) п=17 Зауралье (Учалинский район) п=6 пдк в почве, в скобках известные фоновые значения

1 2 '.з Л \ 4 ' 5

Элементы 1 класса токсичности

РЬ 22 11 25 30

Нв 0,82 1,03 0,07 2,1

Сс1 0,42 0,97 0,39 0,9

Бе 4,9 6,7 5,3

АБ 20 31 96 2(5-6)

гп 42 86 87 100

Элементы 2 класса токсичности

БЬ 0.13 1.04 2.83 4.5 (2-10)

Мо 0.51 0.64 0.59

Си 14 31 195 55

Со 10 19 19 5

N1 42 67 61 85

Сг 55 91 96 6

Элементы 3 класса токсичности

V/ 2.25 1.67 2.66

Ва 171 771 2494

Бг 76 84 182

Мп 577 1190 1283 1500

V 134 277 421 150

Бс 26 34 35 (10-50)

Щелочные металлы

1л 394 414 61

К - 6266 -

ЯЬ 38 52 32

СБ 3,3 3,3 3,6

Щелочноземельные металлы

Ве 2,02 1,78 | 1,22

Са - 8553 | - '

Переходные металлы

И 4209 6370 4446

Ие 56546 66430 84128

продолжение таблицы 2

1 2-Г "Г з ! .,1

Биофильные элементы

Р 1346 2817 2510

Б 19266 | 78553 2180

Неметаллы

В | - I 746 1-1

Металлы

N3 - 7330 -

мё , 5719 -

А1 45577 47246 -

ва 9 16 22 (30)

ве 0,99 1,07 1,58

У 17 16 17 (10-50)

Ъх 87 90 65

ЫЬ 3,7 4,4 4,2

ра 0,58 0,45 0,34

4,9 19,5 0,6

8п 2,6 2,0 2,3

Те 0,56 0,60 0,47

Редкоземельные элементы

Ьа 33 28 17 (23)

Се 57 57 37 (ПО)

Р г 8,5 6,9 4,6 (5,9)

Ш 35 28 19 (23)

8ш 6,8 5,8 3,7 (5,0)

Ей 1,6 1,6 1,4 (1,6)

вд 7,7 6,6 4,9 (4,1)

ТЬ 1,04 0,83 0,73 (0,52)

Оу 6,2 4,7 4,2 (2,8)

Но 1,15 0,93 0,84

Ег 3,55 2,93 2.54

Ти 0,53 0,42 0,39

УЬ 3,50 2,66 2,47 (1,9)

Ьи 0,52 0,39 0,42

Н{ 5,96 4,42 3,10

Та 0,35 0,39 0,48 (0,1)

Р1 0,59 1,10 0,91

Ац 0,0 0,17 0,16

Т1 0,43 0,29 0,38

В1 0,70 0,47 0,63

ТЬ 11,3 7,52 5,74

и 1,89 1,22 1,57

Развитие горнодобывающей промышленности повлекло за собой нарушение почвенного покрова на значительной территории региона и формирование специфических техногенно-нарушенных почв. Эти почвы не дифференцированы по ге нетическим горизонтам, перемешаны с щебенкой и обломочным материалом коренных пород. Заселение таких участков естественной растительностью затруднено. Содержание органического вещества в верхних горизонтах изменяется в широком диапазоне - от высоких значений до крайне низких, кислотность определяется характером вмещающих пород.

В почвах, залегающих в зоне техногенного воздействия Учалинского горно-обогатительного комбината наблюдается самое высокое среди изученных псчв содержание многих токсичных элементов (ванадия, марганца, железа, меди, сурьмы, теллура, цезия, бария, вольфрама, свинца, висмута).

Почвы стационара Кирябинка и Ахуново выделяются чрезвычайно высоким содержанием хрома, келеза, цинка и стронция, а в почвах, залегающих вблизи марганцевого рудника - марганца. Почвы вблизи карьера по добыче золота открытым способом, характеризуются также повышенным содержанием золота, серы, мышьяка, хрома и никеля.

Накопление большинства элементов в почвах Зауральского горнорудного региона обусловлено преимущественно их наличием в коренных породах, добываемых рудах и трансрегиональным переносом.

Агроэкологичеекан оценка химического состава почв по классам

токсичности

Одним из основных критериев экологической безопасности является содержание токсичных элементов в почвах. Оценка проводится путем сравнения концентрации каждого элемента с известными пороговыми и критическими нагрузками, установленными нормативами и величинами ПДК. Поскольку нормативы содержания ряда веществ не установлены, а уровень токсичности элеменгсв в значительной степени зависит от генетических свойств почвы (содержания гумуса, питательных элементов и вторичных минералов, pH среды, окислительно-востановительных условий и т. д.), устойчивости естественных растений и сельскохозяйственных культур, многие ученые (Добровольский В.В., Глазовская М.А., Ковда В.А., Кабата-Пендиас А., Кобага К.) считают более целесообразным ориентироваться по фоновым значениям. Токсичными считаются концентрации веществ, превышающие их естественное содержание: в 5, 10 и более раз. Недостатком экологической оценки по ПДК, как отмечает В.И. Кирюшин (1966), является еще и тот факт, что не учитывается сложение негативного действия нескольких элементов, каждый из которых присутствует в субкригических концентрациях. Очевидно, что если содержание многих элементов повышенное, то их суммарный эффект может привести к экологическому бедствию.

Роль отдельных элементов в пределах своего класса токсичности определяли по отношению к фоновым показателям и выразили в процентах.

Суммарный химический показатель рассчитали как сумму коэффициентов

концентрации веществ по формуле: Ъе~- ^Ксг(п-1), где п-число определяющих элементов; Ксгкоэффициент концентрации ¡-го элемента, Ко==С,/Сф|. Фоновые значения были определены по минимальной величине или среднему значению из нескольких минимальных дал каждого региона.

Элементы 1-го класса токсичности. Анализ данных по загрязнению почв элементами первого класса токсичности посазьтает, что оснозиая нагрузка во всех регионах приходится на цинк, селен и мышьяк. Вместе с тем, имеются и свои особенности (рис 2,3). В раРоне Уфимского плато (Северная лесостепь), где содержание элементов в почзах определяется естественными факторами и прежде всего их содержанием в коренных и почвообразующих породах, суммарный химический показатель элементов первого класса токсичности невелик. Исключением являются торфянисто-перегнойные почвы на стационарах Байки (лес еловый) и Магинск (лиственница), в которых обнаружено высокое содержание ртути и селена, достигающее 50,9 и 62,5% соответственно. Суммарный показатель загрязнения на этих участках составляет 34,8-36,6 ед.

Для Юрюзано-Айской депрессии (Северо-восточная лесостепь) характерен большой диапазон изменения суммарного химического показателя от 10 до110 ед. причем до 90 % загрязнения приходится на цинк.

Аномально высокие концентрации селена (до 70 %) в почвах обусловлены его высоким содержанием в органогенных известняках в полосе пермских рифовых массивов. Поступление селена в почвы связано с разработкой карьеров и известкованием кислых почв.

В пахотных почвах региона существенный вклад в суммарный показатель загрязнения вносит ртуть (до 60%). Поскольку в породах ее почти нет, накопление ртути связано, по всей видимости, с пестицидкой нагрузкой.

По величине суммарного показателя загрязнения пахотные темно-серые лесные почвы стационаров Вознесенка и Большеустикинское относятся к категории высокотоксичных почв (Методические указания ЦИНАО).

В Зауральском горнорудном регионе, перегруженном естественным содержанием в коренных породах хрома, никеля, кобальта, мышьяка, сурьмы, меди, цинка, свинца и др., множество токсичных элементов поступает в результате трансрегионального переноса главным образом со стороны Магнитогорска. Величина этого переноса здесь колеблется от 191,5 до 2456,6 мкг/л (Лапиков, 2003).

В связи с тем, что фоновые значения содержания некоторых элементов (цинка, мышьяка и селена) в почвах этого региона завышены по указанным причинам, для расчета вклада этих элементов в суммарный показатель загрязнения в качестве фоновых величин были взяты соответствующие данные Уфимского плато. Фоновые значения других элементов близки.

Северная лесостепная зона

гс

2.7

6.3

34.8

36.6

18.9

7.5

9 4

Горнорудный регион Зауралья

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

. СЭе ЕНд

сс<1

ВРЬ □гп ИАв гс

51,2

Сафпрово, лес

40.3 12.2 7.6 15.5 6.1 13.3 27.8

33,2

раши

ча

за,?

36.«

15 9

шш «

¡111

КОМСОМОЛЬСК

гуг 511,2

С,2

6.2 2И.2 22,4

Кирябинка, лас Ахуиозо. лес

33,2 5,1

5.1 13,8

9.2 33,7 14,6

27,3

12.5 4,6

11.6 8,3 35,6

16,6

Учалы (ГОК), лес 15,9 1.5 1,5 30,1 9 42 62,9

11.2

ЯДДНР!

»с

Учалы (ГОК). ПЭП 11.2 2.2 12.6 2,4 . 7,6 63,6 34,5

Рисунок 2. Агробиологическая оценка содержания элементов 1-го класса токсичности

Северо-еостячная-лесостепная-зона

шт

Ш

т

ВЩ IIт!

гя

■т

ш

65Й .

К*-

эдЁ

ей

ш

Вознес, Вознес, 9оз*ес, Вознес, Вознес, Рухтино, Р-ухтино, Б.Усти», Ь.Устик, БУстик, Ног/щи, Ургола, Ургала, Еганл*но Арк&ул, А&коул. Ногуаи.

пес /1уГ пешня Пашня лес ЛУГ лес пацтя пашня лес лес луг , лес л луг пу г

□ 5е 2,1 2.6 6,8 14,8 7 2 ■3.1 2.4 73,9 7 2,5 1,3 9,2 6,4 7,9 8,4 ЙЯ

аНд 0,9 ЦВ 2,9 56,7 60,2 0,9 76,3 1,4 5,7 54 1 0? 53 3 4,1 4,6 63,1

ИСс! 5,7 8,2 11,8 0,1 18,8 2 11.4 4.9 5,7 19,3 3 4,6 4.3 17,9 11.6 21,2 0

ВРЬ 2,1 5,2 3,8 3,3 7 1,4 2,2 3.1 5,7 3,5 1,6 1,7 3,6 7.9 0 п 7.6

пгп 78,7 го 68,7 1Е.6 0 91,6 2,2 81,5 0 86.2 85,5 26,6 84,8 76,4 67,8 0

а Аз 10,5 2.4 0 2,5 7 1,1 4,8 6,7 12 4,2 5,5 8 3,3 0 0 0 19,7

Хс 100,2 Я2 33,9 47,1 ЮЛ 101,5 42,7 йо.5 13,5 57,3 101,9 108,7 55,6 29,0 21.1 18,8 15,5

Рисунок-3. Афоэкоа1огшеская-01денка-содф;каш1Я'Хгтемет1ТОБ Ьго-кпзсса-токпгчности

Наиболее высокие значения суммарного показателя загрязнения в этом регионе выявлены вблизи Учалинского ГОКа (39,5-62,9), самые низкие - на стационаре Кирябинка и Ахуново под лесом. Основной вклад, независимо от общего уровня загрязнения, среди элементов 1-го класса токсичности вносят мышьяк и селен. Содержание ртути и свинца ,в значительной степени определяется техногенным фактором и в меньшей мере зависит от естественных характеристик территории. Содержание ртути в почвах этого региона относительно невелико (1,5-10,2), но доля свинца достигает 30,3 % в почвах вблизи ГОКа.

Элементы 2-го класса токсичности. По содержанию элементов 2-го класса токсичности и их суммарному химическому показателю регионы значительно различаются (рис 4,5). В наиболее чистом районе Уфимского плато суммарный показатель загрязнения не превышает 10 ед. (3,3-8,5). Основную роль в этом плане играет молибден, доля которого составляет от 13,7 до 69,6 %. На втором месте высупает хром (16,4-30,4 %), далее кобальт, никель и медь, количество которых изменяется в близком диапазоне.

В почвах Юрюзано-Айской депрессии общий уровень нагрузки элементами 2-го класса токсичности заметно различается в зависимости от принадлежности к экосистеме. Самыми низкими суммарными показателями загрязнения характеризуются пахотные почвы (1,0-3,6), самыми высокими -луга (6,3-40,3), промежуточное положение занимают леса (16,0-26,0). Основной вклад в накопление элементов этого класса в почвах всех экосистем вносит молибден. На втором месте в почвах пашни находится кобальт (20,0-33,2 %), под лесом и лугом больше содержится меди (16,8-49,3 %). Содержание хрома и никеля в целом незначительно.

В почвах Зауральского горнорудного региона суммарный показатель загрязнения изменяется также в широком диапазоне (1,3-25,9). Минимальные значения характерны для почв стационара Комсомольское, максимальные -Ахуново. Вблизи Учалинского ГОКа в почвах почти половину нагрузки среди элементов 2-го класса токсичности, как и следовало ожидать, составляет медь. Доля молибдена и хрома здесь также велика (18,2-27,6 и 15,9-18,2 % соответственно).

В почвах стационаров Сафарово, Кирябинка и Ахуново преимущество составляет хром (41,1-65,1%), относительно высрко содержание в них никеля и кобальта (18,3-28,5 и 7,6-24,4 % соответственно).

Северная лесостепная зона

Байки, лес Байки, луг Байки, лес Магинск. лес Абызово. луг Караяр лес Караяр, луг

ВМо 44 69,6 56,4 37.3 13.7 ' 46.7 50.4

□ Си 0 0 . 11,9 , 13,3 16,4 13,1 19,1

П№ - . 13,4 0 10.9 20 22 6,2 11.3

□ Со 19,4 0 10,9 13,3 23,3 15,6 0

□ Сг 23,2 30,4 9.9 16,1 24.6 16.4 19,1

'" 5,2 5.9 6,1 3.5 3,3 8,2 8,5

Горнорудный регион Зауралья

ВМо 16.5 18.9 6,1 13,6 18,2 27.6

оси 6.3 18,9 6,1 3,4 47 43

ЕЭ№ 28,5 18,9 18.3 13.2 6.4 7,6

О Со 7,6 24,4 10,4 4,4 10,2 5,9

ОСг 41,1 16,9 59,1 65,1 18,2 15,9

2с 11.8 1.3 2.4 25.9 14.7 13.0

Рисунок 4. Агроэкологическая оценка содержания элементов 2-го класса токсичности

Северо-восточяая-лееостеиная'зона

■ У Вознес,

' '.. . луг ■

i а Mo eii ,

'Ъси п? .■

Г 'им* -5.4

; а Со •'■

□ Cr ; 3,4 .

Zc 40,3

Вознес, Вознес, Вознес,; Рухтино, ' Рухтино, Б.Устих, Б.Устж,

лес луг паиня лес луг лес пашня

59,3 «1,2 1С,7 ; 27 42.8 41 ,3 17,9

•.-18.Э . 31,9 16,7 Г зо.б ' 16,8 . 28,1 17,9

*3 8,8 ' 16,7 16,7 .. 14,4 8,9 17,9

-13,4 11,4 , 33,2 ; 14,7 . 15,6 14,6 28,4

4,2 6,7 ': 16,7 11 ; 10,4 6,9 17,9

20,8 30,2 2,0 26,0 13,3 15,2 1,6

Рисунок-5. Афоэкологическая оценка содфжання-

Ногуии, ; лес Ургалв, лес Ургала, луг, Еланл, лес Аркаул, • лес Аркаул, пуг- Ногуии, луг

28,2 ' _10,9 16,1 25,6 ' ЗЭ£ • 64,6 0

34,4 - '25,4 16.1 49,3 43,5 22,3 0

10,7 -21,6 , .16,1 93 7,5 5,7 34,9

16,7 16,8 .. 22,7 8,1 : 8 4,6 41

8. ; 15,3 29 7,7 7,5 .': 2,8 24,1

22.2 " 22,8 " ' 2,2 20,6 16,0 34.7 "6.3

1емшт< >в 2-го класса токсичносга

Элементы 3-го класса токсичности. Основная нагрузка среди элементов этого класса токсичности во всех регионах приходится на барий, вольфрам и марганец, что обусловлено их исключительно высоким содержанием в коренных и почвообразующих породах.

Самое высокое содержание бария (50-90 %) и соответственно максимальные значения суммарного показателя загрязнения элементами 3-го класса опасности (до 76 ед.) наблюдаются в почвах стационаров Юрюзано-Айской депрессии, где барий является сопутствующими элементов в хемогенных и органогенных известняках.

Повышенное содержание вольфрама выявляется локально в почвах Юрюзано-Айской депрессии, а максимальное (67,3%) - в почвах вблизи Учалинского ГОКа.

Содержание марганца в почвах регионов возрастает с запада на восток и его максимальные значения (30,8-44,1 %) определены в почвах стационаров Комсомольское и Кирябинка Зауральского горнорудного региона, расположенных в относительной близости от карьеров по добыче марганца.

Меньшими по значимости среди элементов 3-го класса токсичности являются стронций и ванадий, доля которых во всех регионах изменяется в диапазоне 10-20 % и зависит преимущественно от содержания в коренных породах.

Выводы

1. Содержание валовых форм изученных 63 элементов в почвах Южного Урала в связи со сложным геологическим фоном, разнообразием антропогенных воздействий и трансрегиональным переносом изменяется в очень широком диапазоне от нуля до п*105 мг/кг.

2. В Северной лесостепной зоне темно-серые лесные и торфянисто-перегнойные остаточно-карбонатные почвы Уфимского плато характеризуются укороченностью почвенного профиля, высокой гумусированностью и поглотительной способностью, наличием карбонатов. В связи с отдаленностью региона от промышленных центров, высокой залесенностью (более 75 %) и геохимической устойчивостью почв в них не выявлено накопление токсичных элементов.

3. В Северо-восточной лесостепной зоне (Юрюзано-Айская депрессия) обнаружено повышенное содержание многих элементов, обусловленное как природными, так и техногенными факторами. Естественное загрязнение обусловлено в основном поступлением токсичных элементов из почвообразующих и коренных пород (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, селен, цинк, никель, бор, медь, вольфрам, ванадий, барий, титан, стронций, рубидий, гафний, цирконий и др.)> биогенным накоплением (особенно серы, мышьяка), наличием природных аномалий (редкоземельные элементы, особенно празеодим, неодим и гадолиний в серой лесной почве стационара Аркаулово). С техногенными факторами связана аккумуляция свинца, ртути, селена, цинка, ванадия, стронция и др.

4. Содержание и распределение многих элементов в профиле почв определяется процессом оподзоливания, который приводит--к обеднению ими гумусово-акккумулятивных горизонтов, миграции и накоплению в иллювиальных слоях почвенного профиля. Наряду; с щелочными и щелочноземельными элементами, это проявляется для кобальта, меди, марганца, никеля, ванадия. ,

5. Аккумуляция многих элементов в почвах.,, обусловлена.,'их гумусированностью, но наличие достоверной (при Р=0,95%) корреляционной зависимости с содержанием гумуса выявлено только для бора, кадмия, цезия, висмута, никеля и золота. , . ; ,

6. Накопление токсичных элементов в почвах в значительной степени определяется также их принадлежностью к различным .экосистемам. Так, лес способствует выносу из почвообразующих пород стронция, мышьяка, титана, скандия и др., но задерживает поступление в почву элементов из атмосферы. Луговая растительность аккумулирует бор, кадмий, селен, литий, ванадий, цезий, железо. В почвах пашни высокие концентрации ряда элементов обусловлены их привносом с удобрениями, мелиорантами, пестицидами (ртуть, селен, литий, стронций, алюминий и др.). .

7. В почвах, залегающих в зоне техногенного воздействия Учапинского горно-обогатительного комбината наблюдается самое высокое среди изученных почв содержание многих токсичных элементов (ванадия, марганца, железа, меди, сурьмы, теллура, цезия, бария, вольфрама, свинца, висмута). Почвы вблизи карьера по добыче золота открытым способом характеризуются также повышенным содержанием золота, серы, мышьяка, хрома и никеля, а вблизи марганцевого рудника - марганца.

8.Агроэкологические условия в исследованном регионе Южного Урала ухудшается с запада на восток: Уфимское плато - Юрюзано-Айская депрессия -Зауральский горнорудный регион. Среди элементов первого класса токсичности основная нагрузка приходится на цинк, селен и мышьяк; второго класса - на молибден, хром и медь; третьего класса - на барий, вольфрам и марганец.

Предложения производству

Для предотвращения дальнейшего загрязнения окружающей, среды высоко токсичными элементами при выветривании вскрышных и выведенных на поверхность рудных пород необходимо своевременное, проведение рекультивации отвалов и карьеров, образованных при добыче полезных, ископаемых. .... ..,..

В Дуванском районе необходимо провести рекультивацию карьера по. добыче известняка на горе Малиновая. Карьер в настоящее время не разрабатывается, но является источником поступления в окружающую среду ряда токсичных элементов, прежде всего селена.

2Ь

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. Асылбаев И.Г., Хабиров И.К. Экология и геохимия почв под сосновыми лесами Северо-восточной лесостепной зоны РБ.// Лесное образование, наука и хозяйство: сборник докладов научно - практической конференции, 30 мая 2003 г. - Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ. С.126-127.

2. Хабиров И .К., Асылбаев И.Г. Распределение ртути в горных породах, почвах и растениях.//' Всероссийская научно-практическая конференция. «Роль средств химизации в повышении продуктивности агроэкосистем» Уфа: Изд-во БГАУ, 2003. С. 186-189.

3. Хабиров И.К.; Асылбаев И.Г. Распределение свинца в горных породах, почвах и растейиях.// Всероссийская научно-практическая конференция. Роль средств химизации в повышении продуктивности агроэкосистем. Уфа: Изд-во БГАУ, 2003. С. 189-192".

4. Хабиров И.К^ Асылбаев И.Г. Особенности химического состава почв Уфимского" плато. // Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО (Международная конференция Агро-2003.), Уфа. 2003. С. 200-201.

5. Хабиров И.К., Асылбаев И.Г. Содержание высокотоксичных элементов в почвах Зауралья РБ. Труды Международной конференции « Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» Изд-во ФЭН. 9-12 июня 2003 г., Казань. С. 221-222.

6. Хабиров И.К., Старова Н.В., Абдрахманов Р.Ф., Давлетшина М.Р., Асылбаев И.Г. Геохимия и экология почв Северо-восточной лесостепной зоны РБ: вопросы устойчивости и математического моделирования.// Сборник докладов научно-практической конференции «Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы природопользования». Уфа: изд-во БГАУ, 2001. С. 16-22.

7. Хабиров И.К., Якупов И.Ж., Асылбаев И.Г., Абдуллин Т.Н. Влияние содержания токсичных химических элементов в почве на их концентрацию в продукции растениеводства. // Проблемы и переспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Уфа: БГАУ, 2002. С.461-464.

8: Хабиров'И.К., Асылбаев И.Г., Абдуллин Т.Н. Эколого-геохимическое обоснование необходимости рекультивации отвалов и карьеров, образованных при добыче полезных ископаемых на Южном Урале. // Республиканская научно-практическая конференция посвященная 90-летию мелиорации земель в Республике Башкортостан. г.Уфа: БГАУ, 2004. С.99-102.

Лицензия РБ на издательскую деятельность №0261 от 10 апреля 1998 г. Подписано в печать с оригинал-макета О/г О2004 г.

Формат 60/МБумага типографская. Гарнитура Тайме. Усл.леч.л/, Я 5* Тираж 100 экз. Заказ № 2 26 Издательство Башкирского аграрного университета. Адрес издательства и типографии: 450001, г.Уфа, ул.50 лет Октября 34.

f/1

»-830F