Микроэлементы и радионуклиды в почвах и растениях лесного пояса горного алтая
На правах рукописи
Балыкин Сергей Николаевич МИКРОЭЛЕМЕНТЫ И РАДИОНУКЛИДЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ЛЕСНОГО ПОЯСА ГОРНОГО АЛТАЯ Специальность – 03.00.16 – экология
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
Барнаул – 2007 2
Работа выполнена в лаборатории биогеохимии Института водных и экологических проблем СО РАН Научный руководитель – доктор биологических наук, профессор, Пузанов Александр Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор, Соколова Галина Геннадиевна, АлтГУ доктор биологических наук, доцент, Кирста Юрий Богданович, АГТУ Ведущая организация – Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, г. Новосибирск
Защита диссертации состоится « 12 » ноября 2007 г. в 900 ч на засе дании диссертационного совета К 212.005.02 Алтайского государственного университета по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, факс: (3852) 36 30-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института вод ных и экологических проблем СО РАН Автореферат разослан «_» октября 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета К 212.005.02, Елесова Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Несмотря на возросший интерес к экологическим проблемам, в том числе, связанным с увеличением концентраций химичес ких элементов в окружающей среде под влиянием деятельности человека, нельзя забывать и о естественных процессах миграции и концентрации эле ментов. В горных ландшафтах они протекают наиболее интенсивно.
Биогеохимия химических элементов Горного Алтая до настоящего времени остается недостаточно изученной. Особенно это относится к микро элементам и радионуклидам, способным в повышенных концентрациях ока зывать токсическое воздействие на живые организмы, в том числе на чело века.
Лесной пояс располагается в широком диапазоне высот (от 600 до 2400 м над уровнем моря) и занимает около половины территории Горного Алтая (Почвы…, 1973). Геологические и геоморфологические особенности, разнообразие подстилающих и почвообразующих пород, пестрота почвенно го покрова и развитых на нем растительных формаций обусловливают фор мирование в пределах горно-лесного пояса Алтая сложной биогеохимичес кой обстановки. Только комплексное биогеохимическое изучение позволяет наиболее полно охарактеризовать процессы миграции и аккумуляции хими ческих элементов в экосистеме (Ильин, 1973).
Цель работы: выявить закономерности миграции и аккумуляции микроэлементов и радионуклидов в лесных экосистемах Горного Алтая.
Задачи:
1. Изучить природные условия района исследований.
2. Исследовать микроэлементный и радионуклидный состав почв лесного пояса Горного Алтая.
3. Охарактеризовать внутрипрофильное распределение микроэлементов и радионуклидов в лесных почвах Горного Алтая.
4. Выявить зависимость внутрипрофильного распределения микроэлемен тов и радионуклидов от показателей основных физико-химических свойств почв.
5. Изучить особенности вовлечения и вывода микроэлементов из биологи ческого круговорота древесной и травянистой растительностью лист венничных, кедровых и пихтовых лесов Горного Алтая. Определить влияние этих процессов на перераспределение микроэлементов в про филе почв.
6. Дать экологическую оценку биогеохимической ситуации сложившейся в лесных экосистемах Горного Алтая.
Научная новизна. Впервые для основных типов почв лесного пояса Горного Алтая установлено четыре типа внутрипрофильного распределения 238 232 40 радионуклидов ( U, Тh, К, Cs) и микроэлементов (Mn, Zr, Zn, Cu, Ni, Pb, Nb, Co, Sn, Mo). Впервые для основных формаций лесов Горного Алтая (лиственничный разнотравный, кедровый высокотравный, пихтовый высо котравный) установлена доля ежегодного возвращения Mn, Co и Cu на по верхность почвы с опадом.
Практическая значимость. Результаты исследований могут широ ко использоваться при решении задач экологического мониторинга, сани тарно-гигиеническими, ветеринарными, агрохимическими и лесными служ бами, а также в учебном процессе в курсах экологии, химии, географии почв, биогеохимии. Материалы диссертации могут быть полезны специалис там в области экологии, почвоведения и биогеохимии.
Апробация. Основные материалы диссертации докладывались на:
6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых (Пущино, 2002), Все российской конференции "Город. Почва. Экология" (Санкт-Петербург, 2003), международных конференциях "Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде" (Семипалатинск, 2004, 2006), международной научной конференции « Геохимия биосферы» (Москва, 2006), конференциях молодых ученых ИВЭП СО РАН (2004, 2006, 2007) Публикации по теме диссертации. Основные результаты исследо ваний опубликованы в 12 печатных работах, 5 из них в рецензируемых жур налах, входящих в перечень ВАК России.
Объем и структура диссертации. Диссертация представляет собой рукопись объемом 158 страниц, состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, который включает 195 отечественных и 7 зарубежных источников. Диссертация содержит 26 рисунков и 42 таблицы.
Защищаемые положения:
1. Интенсивность и направленность почвенных макропроцессов в основных типах горно-лесных почв Алтая обусловливают внут рипрофильное распределение микроэлементов и радионукли дов.
2. Биогеохимические особенности древесного и травянистого яру са кедровых и пихтовых высокотравных лесов способствуют наиболее активному вовлечению и выводу элементов из биоло гического круговорота за счет травянистого, а парковых лист венничных разнотравных лесов – за счет древесного яруса.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность науч ному руководителю доктору биологических наук, профессору А.В. Пузано ву за консультации и постоянную поддержку при работе над диссертацией, а так же выражает благодарность всему коллективу лаборатории биогеохимии Института водных и экологических проблем СО РАН за помощь в работе.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА I. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ И РАДИОНУКЛИДЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ Предметом исследования данной работы являются концентрации следующих микроэлементов: Mn, Zr, Zn, Pb, Nb, Cu, Ni, Co, Sn, Mo и радио нуклидов: U-238, Th-232, K-40, Cs-137. Исследуемые элементы являются представителями практически всех групп элементов по их особенностям миграции в биосфере и ландшафтах. Особенно широко представлена группа элементов «хорошо мигрирующих в кислых водах окислительной и глеевой обстановки и осаждающихся на щелочном барьере»: Zn, Cu, Ni, Pb. Условия миграции и осаждения данных элементов в большей мере соответствуют свойствам, присущим горно-лесным почвам Алтая. Из всех исследуемых элементов более сильными мигрантами являются калий и цезий. В почвах горно-лесного пояса Алтая, скорее всего, в меньшей степени будет прояв ляться миграционная способность таких элементов, как Mn и Mo (инертные в окислительной обстановке), Th, Zr и Nb (малоподвижные в большинстве обстановок). Большинство элементов являются катионогенными, за исклю чением Sn, Zr, Nb.
Рассмотрены и обобщены результаты исследований многочислен ных авторов по содержанию и поведению микроэлементов и радионуклидов в почвах и растениях.
ГЛАВА II. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ Алтай в геологическом отношении достаточно сложен. Фундамент этой горной страны заложен в докембрии и нижнем палеозое в результате салаирских и каледонских движений. Горный Алтай в основном образован нижнепалеозойскими осадочными, изверженными и метаморфизованными породами, слагающими антиклинали и синклинали, вытянутые к северо-за паду, ограниченные и разбитые разломами. Мезозойские отложения на Ал тае неизвестны, а третичные выполняют некоторые межгорные впадины.
Горный Алтай представляет собой сложное пересечение самых вы соких в Сибири хребтов, разделенных глубокими долинами рек и обширны ми речными котловинами. В простирании хребтов преобладают два направ ления: широтное и северо-западное. На территории горной страны выделе ны две основные категории рельефа: горный тектонико-скульптурный и гор ный тектонико-аккумулятивный. Среди разнообразного рельефа Алтайских гор выделяются районы низкогорья, среднегорья и высокогорья.
Территория Горного Алтая имеет довольно развитую гидрографи ческую сеть, которая принадлежит, за небольшим исключением, бассейнам рек Катуни и Бии. Главные реки Горного Алтая почти на всем своем протя жении приурочены к тектоническим разломам. Основное направление реч ных потоков – широтное и северо-западное.
Чрезвычайное разнообразие и варьирование климатических факто ров на территории Горного Алтая обусловлено его положением почти в цен тре Азиатского континента на стыке двух климатических рубежей и слож ным горно-котловинным характером рельефа.
Горный Алтай характеризуется резко континентальным климатом, не однозначным в отдельных ее частях. В связи с этим территория его по климатическому режиму довольно отчетливо разделяется на три района – Северный Алтай, Центральный Алтай и Юго-Восточный Алтай.
Породы, слагающие горные сооружения рассматриваемой террито рии весьма разнообразны. Они представлены вулканогенно-осадочными толщами преимущественно палеозойского возраста, большей частью мета морфизованными. Среди них преобладают хлоритовые и хлоритово-серици товые, кварцево-хлоритовые и кварцево-полевошпатово-серицитовые, алев ролитовые и кремнисто-глинистые сланцы, эффузивы кислого и среднего состава и их туфы. Местами толщи этих пород прорваны гранитами и грани тоидами. Именно четвертичные коры выветривания этих пород, прежде все го верхнечетвертичные и современные, различные по происхождению и свойствам, служат почвообразующими породами для развивающихся в Гор ном Алтае почв.
ГЛАВА III. ОБЬЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. Объекты Почвы. Почвенный покров исследуемой территории представлен следую щими основными типами: гор но-лесные дерново-подзолис тые, серые, бурые и черноземо видные (рисунок). Площадь этих почв составляет: дерново подзолистых – 440 тыс. га, се рых – 614 тыс. га, бурых – тыс. га, черноземовидных – тыс. га.
Профильное распреде ление показателей основных физико-химических свойств горно-лесных дерново-подзо листых почв следующее. Содер жание гумуса в А-горизонтах Рис. Карта-схема распространения основных типов почв лесного пояса Горного Алтая, где:
горно-лесные дерново-подзолистые;
горно-лесные серые;
горно-лесные бурые;
горно-лесные черноземовидные.
колеблется от 3,5 до 19,0 % (в среднем 8,0 %) и резко падает с глубиной. По казатель рН водной вытяжки гумусовых и элювиальных горизонтов состав ляет 4,8-6,0, что характеризует уровень кислотности этих горизонтов как слабокислый и близкий к нейтральному. Высокой емкостью катионного об мена отличаются гумусовые и В-горизонты (до 40-60 мг-экв/100 г). Наибо лее низкая емкость катионного обмена характерна для элювиальных гори зонтов (5-20 мг-экв/100 г). Это связано с элювиально-иллювиальным распре делением тонкодисперсных фракций гранулометрического состава под вли янием оподзоливания.
Распределение основных показателей физико-химических свойств горно-лесных серых почв незначительно отличается от их распределения в дерново-подзолистых почвах. Отличительной чертой их является более вы сокое содержание гумуса и, соответственно, более высокая емкость катион ного обмена верхних горизонтов.
Горно-лесные бурые типичные почвы отличаются слабой диффе ренциацией профиля по морфологическим признакам. Следов оподзолива ния не обнаружено. Большинство горно-лесных бурых почв относятся к многогумусным. Содержание гумуса постепенно снижается вниз по профи лю от 6,0-15,0 % в гумусово-аккумулятивных горизонтах до 0,2-2,0 % в го ризонтах переходных к породе. Гумусные горизонты характеризуются сла бокислой – нейтральной реакцией среды (рН = 4,9-7,6). К почвообразующей породе она незначительно меняется на нейтральную – слабощелочную (рН не превышает 8,5). Горно-лесные бурые почвы обладают высокой емкостью катионного обмена (до 48,0-56,0 мг-экв/100г почвы в гумусовых горизонтах), что связано, прежде всего, с высокой гумусированностью этих почв и тяжелым гранулометрическим составом. Поступление тонкодисперс ного материала осуществляется за счет активного внутрипочвенного вывет ривания. Периодически промывной тип водного режима и хорошая дрениру емость почвенного профиля (за счет обильного включения обломков горных пород) создают предпосылки для элювиально-иллювиального распределе ния продуктов выветривания. Содержание фракций ила и физической глины в горно-лесных бурых почвах постепенно растет с глубиной.
Черноземовидные почвы характеризуются высокими содержанием гумуса (до 20% в верхней части профиля) и емкостью катионного обмена (в среднем до 50-60 мг-экв/100 г. в гумусовых горизонтах). Реакция среды сла бокислая или нейтральная. Минимальные показатели рН (5,2-5,3) отмечены в гумусово-элювиальных горизонтах черноземовидных оподзоленных почв.
Смещение рН в щелочную сторону (до 8,0-8,4), связанное с присутствием карбонатов (до 16% и более), наблюдается в карбонатных подтипах.
Растительность. В структуре баланса химических элементов в почвенном покрове особенно следует выделить живое вещество. Согласно В.И. Вернад скому, оно является главным фактором миграции химических элементов.
Один из наиболее мощных массопотоков химических элементов обусловлен водным стоком с поверхности суши в систему Мирового океана, а вовлече ние элементов в биологический круговорот в некоторой степени защищает их от этого выноса. Общей биогеохимической особенностью лесных экогео систем является продолжительное удерживание поглощенных химических элементов в живом веществе и продуктах его отмирания. Накопление эле ментов в биомассе находится в прямой зависимости от общего запаса био массы и возрастает с увеличением последней. Основными породами лесов Горного Алтая являются пихта сибирская, сосна сибирская (кедр), листвен ница сибирская, ель сибирская и сосна обыкновенная. Ведущее значение имеют первые три вида. Поэтому объектом исследования стали три типа леса: лиственничный разнотравный, кедровый высокотравный, пихтовый высокотравный.
3.2. Методы При выполнении полевых исследований выбран приемлемый для горных стран метод трансектов – профиль, закладываемый поперёк долин (межгорных котловин), с выходом на водоразделы противолежащих хреб тов. Он позволяет более полно охарактеризовать компоненты ландшафта на определенной территории. Основу трансекта составляли ключевые полно профильные разрезы, приуроченные к главным элементам рельефа с учётом соответствующего геохимического ландшафта (элювиальный, транзитный, аккумулятивный). Выполнялось подробное описание морфологического строения профиля по правилам, принятым в почвоведении. Образцы на мик роэлементный состав и общий анализ отобраны из каждого почвенного го ризонта. При отборе проб на радионуклиды особое внимание уделяли верх ней части профиля (отбор проб производился через 0-5 до 30 см). Запасы фитомассы травянистого яруса определяли путем взвешивания укосов с пло щадок 1 м2, соответствующих определенным почвенным разрезам. Для рас чета запасов фитомассы древесного яруса основных формаций лесов Горно го Алтая использованы базы данных В.А. Усольцева (2001).
Физико-химические свойства почв определены по методикам, при нятым в почвоведении и агрохимии в лаборатории биогеохимии ИВЭП СО РАН. Радиоактивные элементы (238U, 232Th, 40K, 137Cs) определяли гамма спектрометрическим методом в аналитическом центре ОИГГиМ СО РАН.
Погрешность ± 1 Бк/кг. Плотность загрязнения 137Cs (мКи/км2) определяли по формуле: Р = 0,27Аdh. Валовый микроэлементный состав (Mn, Zr, Zn, Cu, Ni, Pb, Nb, Co, Sn, Mo) определен методом количественного плазменно спектрального анализа в ИПА СО РАН.
ГЛАВА IV. СОДЕРЖАНИЕ И РАСРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВАХ ЛЕСНОГО ПОЯСА ГОРНОГО АЛТАЯ В основных типах почв лесного пояса Горного Алтая установлено четыре типа внутрипрофильного распределения химических элементов: ак кумулятивный, аккумулятивно-иллювиальный, элювиально-иллювиальный и равномерный (табл. 1).
Таблица Характер внутрипрофильного распределения микроэлементов и радионуклидов в лесных почвах Горного Алтая Тип почвы Тип Дерново-подзо распределения Серые Бурые Черноземовидные листые Mn, Zr, 238U, Mn, Zn, Nb, Cu, Mn, 137Cs Mn, 137Cs Аккумулятивный 137 U, 137Cs Cs K, 238U, Аккумулятивно — — Zr, Ni, Sn, Mo иллювиальный Th, Zn Zn, Cu, Ni, Pb, Zr, Zn, Pb, Элювиально-ил- Zr, Pb, Cu, Co, Sn, 232Th, Cu, Ni, Sn, K лювиальный Sn 40 K K Co, Nb, Ni, Nb, Co, Mo, 238U, Pb, Co, 232Th Равномерный Mo, Nb Mo Th В горно-лесных дерново-подзолистых и серых почвах в большей степени проявляется элювиально-иллювиальное распределение элементов.
В горно-лесных бурых почвах практически равными долями представлены все типы распределения. Аккумулятивное и аккумулятивно-иллювиальное распределение элементов свойственно главным образом горно-лесным чер ноземовидным почвам.
Рассмотрим поведение каждого элемента в почвах лесного пояса Горного Алтая.
Mn. Тип внутрипрофильного распределения марганца во всех ис следованных почвах лесного пояса Горного Алтая аккумулятивный. Связано это с его, относительно высоким для микроэлемента, содержанием и значи тельным коэффициентом биологического поглощения (7,5). Таким образом, повышение концентрации Mn в гумусовых горизонтах, скорее всего, связано с его биогенным накоплением. Обнаружена прямая зависимость между кон центрациями элемента и содержанием гумуса, а так же величиной емкости катионного обмена. Обратная зависимость прослеживается в отношении по казателей рН и содержания тяжелых гранулометрических фракций.
Zr. Внутрипрофильное распределение циркония не так однозначно.
Несмотря на весьма низкий коэффициент биологического поглощения (0,03) и пока не ясную роль в живом веществе, распределение его в горно-лесных дерново-подзолистых почвах Алтая имеет аккумулятивный характер. Акку мулятивно-иллювиальный тип распределения этого элемента установлен в горно-лесных черноземовидных почвах. В горно-лесных серых и бурых поч вах внутрипрофильное распределение Zr элювиально-иллювиальное. Обна ружена прямая корреляционная зависимость между содержанием циркония и показателями рН в горно-лесных бурых и черноземовидных почвах Алтая.
В отношении гумуса и емкости катионного обмена наблюдается обратная связь. Высокая прямая корреляционная зависимость между концентрацией Zr и содержанием фракций ила и физической глины выявлена в горно-лес ных бурых почвах.
Zn. В распределении цинка в почвах лесного пояса Горного Алтая проявляется следующая закономерность: элювиально-иллювиальное распре деление его наблюдается в горно-лесных дерново-подзолистых и серых поч вах, в бурых почвах проявляется некоторая аккумуляция цинка в гумусовых горизонтах и внутрипрофильное распределение приобретает аккумулятив но-иллювиальный характер, горно-лесные черноземовидные почвы отлича ются аккумулятивным типом распределения Zn.. Наиболее высокий коэффи циент корреляции (0,5) между концентрацией Zn и содержанием гумуса на блюдается в горно-лесных черноземовидных почвах Алтая. С содержанием фракций ила и физической глины тесная корреляция обнаружена в горно лесных дерново-подзолистых и серых почвах.
Ni. Распределение никеля в горно-лесных дерново-подзолистых и серых почвах происходит по элювиально-иллювиальному типу. Слабая ак кумуляция Ni в гумусовых горизонтах отмечена только в черноземовидных почвах. Здесь наблюдается его аккумулятивно-иллювиальное распределе ние. В Горно-лесных бурых почвах Горного Алтая внутрипрофильное рас пределение никеля равномерное. Смена кислотно-щелочных условий в про филе горно-лесных дерново-подзолистых, серых и бурых почв, видимо, ока зывает существенное влияние на распределение Ni. Степень корреляции ни келя с содержанием фракций ила и физической глины возрастает от горно лесных черноземовидных к дерново-подзолистым почвам.
Cu. В большинстве исследованных типов почв лесного пояса Гор ного Алтая внутрипрофильное распределение меди имеет элювиально-ил лювиальный характер. Тесная корреляция концентраций Cu с содержанием ила и физической глины в горно-лесных дерново-подзолистых, серых и бу рых почвах объясняет это явление. В этих типах почв установлена высокая степень корреляции меди с рН. В горно-лесных черноземовидных почвах Горного Алтая тип внутрипрофильного распределения меди аккумулятив ный. Тем не менее, значительной корреляционной зависимости меди с со держанием гумуса не обнаружено.
Nb. Аккумулятивный тип распределения ниобия в горно-лесных черноземовидных почвах Алтая пока не находит объяснения. Коэффициент биологического поглощения у Nb самый низкий из всех исследуемых хими ческих элементов (0,02). В остальных типах почв горно-лесного пояса внут рипрофильное распределение равномерное.
Pb. Равномерное распределение свинца отмечено в горно-лесных черноземовидных почвах. В дерново-подзолистых, серых и бурых почвах тип внутрипрофильного распределения Pb элювиально-иллювиальный. Во всех исследованных типах почв обнаружена слабая корреляционная зависи мость концентрации Pb от показателей рН, ЕКО и содержания гумусовых веществ. При этом влияние содержания фракций ила и физической глины усиливается от горно-лесных черноземовидных к дерново-подзолистым поч вам Алтая (r изменяется от -0,3 до +0,7).
Co. Внутрипрофильное распределение кобальта в горно-лесных се рых, бурых и черноземовидных почвах Алтая происходит по равномерному типу. Только в горно-лесных дерново-подзолистых почвах его распределе ние имеет элювиально-иллювиальный характер. Здесь и в горно-лесных бу рых почвах отмечена тесная положительная корреляция Co с показателями рН и содержанием ила и физической глины.
Sn. В горно-лесных дерново-подзолистых, серых и бурых почвах внутрипрофильное распределение олова элювиально-иллювиальное. Черно земовидные почвы отличаются аккумулятивно-иллювиальным типом рас пределения Sn. Прямая тесная корреляция концентраций олова с содержани ем тяжелых гранулометрических фракций обнаружена только в горно-лес ных серых почвах. В черноземовидных почвах установлена высокая зависи мость Sn от показателей рН. С гумусом и ЕКО в горно-лесных бурых и чер ноземовидных почвах отмечена обратная связь средней и высокой степени.
Mo. Вследствие низкой своей концентрации, молибден, практичес ки, во всех исследованных типах почв лесного пояса Горного Алтая распре делен равномерно. Только в горно-лесных черноземовидных почвах обнару жена его аккумуляция в гумусовых горизонтах. В черноземовидных почвах Sn имеет аккумулятивно-иллювиальный тип распределения. Тесная прямая корреляция концентраций олова с гранулометрическими фракциями и пока зателями рН обнаружена в горно-лесных серых почвах. С содержанием гу муса и ЕКО наблюдается, в основном, обратная зависимость.
U. Для горно-лесных дерново-подзолистых и черноземовидных почв характерен аккумулятивный тип распределения урана. Аккумулятивно иллювиальное распределение 238U обнаружено в горно-лесных бурых поч вах. Соответственно, коэффициент корреляции урана с содержанием гумуса в этих почвах довольно высокий (0,6-0,8), с ЕКО только в бурых и чернозе мовидных почвах. В отношении показателей рН и содержания тяжелых гра нулометрических фракций в большинстве почв наблюдается обратная кор реляционная зависимость.
Th. В горно-лесных серых и черноземовидных почвах установле но равномерное распределение тория, в дерново-подзолистых – элювиально иллювиальное, в бурых – аккумулятивно-иллювиальное. Обнаружена его тесная корреляция с показателями рН в горно-лесных дерново-подзолистых почвах и с содержанием ила и физической глины в дерново-подзолистых и серых почвах. С содержанием гумуса в этих почвах у тория обратная корре ляция.
К. Калий, как и торий, тесно коррелирует с содержанием фракций ила и физической глины в горно-лесных дерново-подзолистых, серых и чер ноземовидных почвах. Практически, во всех типах почв отмечена обратная корреляционная зависимость между концентрацией калия и содержанием гумуса. Таким образом, внутрипрофильное распределение 40К в горно-лес ных дерново-подзолистых, серых и черноземовидных почвах имеет элюви ально-иллювиальный характер. В горно-лесных бурых – аккумулятивно-ил лювиальный.
Cs. Во всех исследованных типах почв искусственный радионук лид цезия отличается аккумулятивным типом внутрипрофильного распреде ления. 137Cs имеет относительно низкий коэффициент биологического пог лощения (0,5), но тесно связывается органоминеральными соединениями гу мусовых горизонтов. Поэтому проникновение его в нижележащие горизон ты происходит довольно медленно. Естественно, что удельная активность цезия тесно коррелирует с содержанием гумусовых веществ.
ГЛАВА V. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В РАСТЕНИЯХ ЛЕСНОГО ПОЯСА ГОРНОГО АЛТАЯ Наибольшее значение, определяющее специфику лесов Горного Ал тая, имеют следующие лесообразующие породы: лиственница сибирская, сосна сибирская (кедр) и пихта сибирская.
Исходя из концентраций микроэлементов в различных частях хвой ных пород и фитомассы ежегодного прироста и опада, а также, учитывая, что расчеты произведены для периода максимального потребления древос тоем элементов питания, были получены данные по максимально возмож ным запасам микроэлементов в ежегодном приросте и опаде лиственнич ных, кедровых и пихтовых лесов Горного Алтая.
Поскольку лиственница сибирская характеризуется сравнительно большей интенсивностью роста, то вполне закономерно, что и ежегодное потребление элементов питания в лиственничных лесах выше. Тем более что в лиственничных насаждениях ежегодно происходит полная смена хвои.
Соответственно, количество элементов поступающих на поверх ность почвы с опадом древесного яруса в лиственничных насаждениях зна чительно больше, чем в кедровых и пихтовых лесах.
Так, в лиственничных насаждениях ежегодно на единицу поверх ности почвы возвращается около 70 % Mn, Cu и Co от количества ежегодно употребляемого приростом (табл. 2), тогда как в кедровых лесах доля воз врата элементов составляет 3,0 % для Cu и Co и 7,0 % для Mn, в пихтовых лесах 2,0-3,0 % для Cu и Co и 4,0 % для Mn.
Таблица Баланс микроэлементов в хвойных лесах Горного Алтая Mn Cu Co Тип леса Статья мг/м Потребление 208,027 4,982 0, Лиственничный Возврат 139,327 3,655 0, (10Л) Баланс -68,700 -1,327 -0, Доля возврата, % 67,0 73,4 73, Потребление 19,920 0,787 0, Возврат 1,375 0,024 0, Кедровый (10К) Баланс -18,545 -0,763 -0, Доля возврата, % 6,9 3,0 2, Потребление 13,235 0,556 0, Возврат 0,529 0,013 0, Пихтовый (10П) Баланс -12,706 -0,544 -0, Доля возврата, % 4,0 2,3 3, Наряду с древесной растительностью, на проявление тех или иных почвенных процессов и, соответственно, на перераспределение микроэле ментов в почвенной толще, значительное влияние оказывает травянистый покров. Наиболее значительное вовлечение микроэлементов травянистым ярусом в биологический круговорот наблюдается в черневых лесах Горного Алтая (табл. 3).
Таблица Запасы микроэлементов в наземной фитомассе травянистого яруса лесов Горного Алтая Mn Cu Co Тип леса мг/м Лиственничный разнотравный 0,74 0,06 0, Кедровый высокотравный 5,85 1,25 0, Пихтовый высокотравный 7,28 1,52 0, Близкими значениями характеризуются запасы микроэлементов в фитомассе травянистого яруса кедровых лесов. Самыми низкими концентра циями микроэлементов, наименьшими значениями фитомассы и, следова тельно, самыми низкими запасами микроэлементов отличается фитомасса травянистого яруса лиственничных лесов Горного Алтая.
Тем не менее, в лиственничных лесах на единицу поверхности поч вы, за счет опада древесного яруса, ежегодно поступает значительно больше микроэлементов, чем в кедровых и пихтовых лесах.
Основная часть микроэлементов в кедровых и пихтовых лесах пос тупает ежегодно на поверхность почвы с опадом травянистого яруса, при чем, доля участия травянистого покрова в возвращении микроэлементов на поверхность почвы в пихтовых лесах выше, чем в кедровых.
Если учесть, что горно-лесные черноземовидные почвы развивают ся главным образом под лиственничными лесами, горно-лесные бурые – под кедровыми лесами, а горно-лесные дерново-подзолистые и горно-лесные се рые почвы в основном под пихтовыми лесами, то аккумулятивное распреде ление большинства микроэлементов в горно-лесных черноземовидных поч вах, в числе прочих причин, может быть обусловлено возвращением 70 % от ежегодно поглощаемого растительностью количества элементов. Роль дре весного яруса в этом отношении видится более существенной. Некоторая аккумуляция микроэлементов в верхних горизонтах остальных типов почв, по всей видимости, связана в большей степени уже с опадом травянистого яруса.
ГЛАВА VI. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БИОГЕОХИМИЧЕС КОЙ СИТУАЦИИ В ЛЕСНОМ ПОЯСЕ ГОРНОГО АЛТАЯ Для эколого-биогеохимической оценки почвенного покрова иссле дуемой территории выполнен сравнительный анализ элементного состава гумусовых горизонтов горно-лесных почв (табл. 4).
Средние значения валовых концентраций микроэлементов в гумусо вых горизонтах почв лесного пояса Горного Алтая в несколько раз ниже нормативов принятых в России, Германии и Нидерландах, и не представля ют опасности для живых организмов, в том числе для человека. Концентра ции Zr и Nb не нормируются.
Интерес представляет теоретическая устойчивость горно-лесных почв к воздействию повышенных концентраций тяжелых металлов. Под ус тойчивостью, прежде всего, понимают потенциальный запас буферности почв. Наиболее высокой буферной способностью отличаются гумусовые го ризонты горно-лесных черноземовидных почв.
По градации В.Б. Ильина (2001), данный тип почвы характеризуется повышенной степенью буферности.
Таблица Микроэлементы в гумусовых горизонтах лесных почв Горного Алтая зательПока Mn Zr Zn Pb Nb Cu Ni Co Sn Mo Тип почвы мг/кг подзолистыеДерново хср 896,0 225,9 50,5 17,5 18,0 30,4 35,9 19,2 6,3 3, Sx 70,0 18,7 3,1 1,4 2,1 2,8 2,7 1,5 2,2 0, min 400,0 100,0 30,0 10,0 10,0 15,0 20,0 10,0 2,0 2, max 1800,0 400,0 75,0 30,0 40,0 54,0 62,0 30,0 40,0 6, n 19 19 19 19 19 19 19 19 17 xср 943,3 197,5 58,6 17,3 14,0 32,6 40,2 22,4 5,1 3, Sx 59,8 14,4 4,5 2,2 1,3 2,3 3,7 1,6 0,7 0, Серые min 428,0 100,0 35,0 8,0 5,0 20,0 18,0 9,2 2,0 1, max 1500,0 338,0 113,0 59,0 29,0 65,0 83,0 35,0 15,0 7, n 22 22 22 22 22 22 22 22 22 xср 848,2 241,1 65,8 15,0 21,8 28,3 39,0 19,1 4,3 4, Sx 59,2 11,7 2,2 1,0 2,0 1,8 1,3 0,9 0,3 0, Бурые min 320,0 100,0 5,0 8,0 6,0 10,0 20,0 9,0 2,0 2, max 3369,0 428,0 110,0 50,0 86,0 87,0 70,0 30,0 12,0 7, n 72 71 71 71 71 71 71 71 71 видныеЧерноземо xср 808,9 237,1 89,6 28,8 30,0 43,5 52,2 13,6 5,3 5, Sx 46,5 10,4 6,1 4,0 2,6 3,2 2,5 0,6 0,4 0, min 403,0 100,0 29,0 13,0 14,0 21,0 35,0 8,7 2,5 2, max 1809,0 352,0 169,0 102,0 64,0 93,0 85,0 22,0 12,0 9, n 34 34 34 34 34 34 34 34 34 Кларк в 1500,0 170,0 83,0 16,0 20,0 47,0 58,0 18,0 3,0 1, Земной коре Кларк в почвах:
850,0 300,0 50,0 10,0 н.д. 20,0 40,0 8,0 10,0 2, мира мира2 545,0 - 61,5 25,0 - 23,0 20,0 8,5 4,5 2, Западной 797,0 265,0 73,0 18,0 16,7 31,0 42,0 13,0 4,8 4, Сибири ПДК: Россия 1500,0 - 220,0 130,0 - 132,0 80,0 5,0 - - - 500,0 150,0 - 100,0 100,0 50,0 50,0 40, Нидерланды - - 300,0 100,0 - 100,0 100,0 50,0 50,0 5, Германия н.д. – нет данных;
1 – По А.П. Виноградову;
2 – А. Кабата-Пендиас, 1989;
3 – А.И. Сысо, 2007;
4 – В.В. Иванов, 1996, 1997, Методические указания…, 2003;
5 – Г.С. Фомин, 2001 (норматив, превышение которого не рекоменду ется);
6 – Kloke, В этом случае допустимый уровень накопления тяжелых металлов находит ся в диапазоне от 10 до 13 фоновых содержаний. Степень буферности гуму совых горизонтов горно-лесных дерново-подзолистых, серых и бурых почв средняя с предельно допустимым уровнем накопления тяжелых металлов от 7 до 10 фоновых содержаний.
Концентрации радионуклидов в почвенном покрове не нормируют ся, поэтому для эколого-биогеохимической оценки использованы среднеми ровые и фоновые значения. Удельная активность естественных радионукли дов находится на уровне или не превышает среднего уровня удельной актив ности почв мира. Содержание 238U в гумусовых горизонтах лесных почв со ответствует его средней удельной активности 25,0-32,0 Бк/кг. Содержание тория несколько ниже. Его удельная активность в гумусосфере лесных почв не превышает 20,0-30,0 Бк/кг. Средняя удельная активность калия в гумусо вых горизонтах исследуемых почв составляет 364,0-428,0 Бк/кг, что не пре вышает среднемировых значений для почв. Для оценки концентраций цезия - 137 рассчитана его плотность загрязнения в почвах лесного пояса (табл. 5).
Таблица Плотность загрязнения лесных почв 137Cs мКи/км Тип почвы среднее min max Дерново-подзолистые 116,0 82,7 156, Серые 124,9 47,2 308, Бурые 121,5 27,5 244, Черноземовидные 88,5 42,3 162, Фон для Горного Алтая* 56-60 - * - Силантьев, 1988- Средняя плотность загрязнения радиоцезием большинства исследо ванных почв в два раза превышает показатели фоновой плотности загрязне ния для региона. С другой стороны, на основании критериев Минприроды (Критерии…, 1992) допустимым уровнем загрязнения почв 137Cs можно счи тать до 1000 мКи/км2. Таким образом, фоновые концентрации, вероятно, требуют переоценки, а концентрации 137Cs в почвенном покрове лесного по яса Горного Алтая являются безопасными для существования живых орга низмов.
Содержание Mn в воздушно-сухой массе высших травянистых рас тений (более 30 видов из 9 семейств) лесного пояса Горного Алтая колеб лется от 5,0 до 2214,0, Cu – 1,5-17,0, Zn – 13,0-56,0, Pb – 1,0-3,8 мг/кг.
Удельная активность естественных радионуклидов и цезия в золе исследуе мых видов изменяется в следующих пределах: 238U – от 1,0 до 13,9, 232Th – 1,0-5,7, 40K – 93,9-876,4, 137Cs – 1,0-12,0 Бк/кг.
ВЫВОДЫ 1. В почвенном покрове горно-лесного пояса Алтая создаются предпо сылки к активной миграции и выносу элементов: периодически про мывной тип водного режима, оподзоливание, слабокислая реакция почвенного раствора. С другой стороны, формируются биогенный, сорбционный и кислотно-щелочной геохимические барьеры, пре пятствующие миграции химических элементов за пределы почвен ного профиля.
2. Содержание микроэлементов в гумусовых горизонтах лесных почв Алтая находится на уровне их кларков в Земной коре или кларков в почвах мира. Удельная активность естественных радионуклидов не превышает среднего уровня удельной активности почв мира.
3. В основных типах почв горно-лесного пояса Горного Алтая уста новлено четыре типа внутрипрофильного распределения химичес ких элементов: аккумулятивный, аккумулятивно-иллювиальный, элювиально-иллювиальный и равномерный. Количество элементов вовлекаемых в процессы восходящей миграции и некоторой акку муляции в гумусовых горизонтах возрастает от горно-лесных серых и дерново-подзолистых почв к бурым и черноземовидным. Коли чество элементов, внутрипрофильное распределение которых в большей степени связано с нисходящей миграцией веществ, увели чивается в обратном направлении: от черноземовидных и бурых к серым и дерново-подзолистым почвам.
4. Внутрипрофильное распределение элементов, в большинстве случа ев, тесно связано с перераспределением в профиле почв тяжелых гранулометрических фракций. Причем, в горно-лесных дерново подзолистых и горно-лесных серых почвах число элементов, кон центрации которых тесно коррелируют с содержанием ила и физи ческой глиной, выше, чем в горно-лесных бурых и черноземовид ных почвах. Обратная ситуация наблюдается в отношении тесной корреляционной зависимости концентраций элементов и содержа нием гумуса, величиной емкости катионного обмена.
5. Основная часть микроэлементов от ежегодно поглощаемого коли чества возвращается на поверхность почвы в лиственничных лесах с опадом древесного яруса, а в кедровых и пихтовых лесах с опадом высокотравья. При этом количество элементов, ежегодно поступаю щее с опадом в лиственничных лесах значительно больше, чем в кедровых и пихтовых, что, в числе прочих причин, способствует на коплению элементов в гумусовых горизонтах горно-лесных черно земовидных почв.
6. Концентрации микроэлементов в гумусосфере почв лесного пояса Горного Алтая являются фоновыми и не превышают Российских и зарубежных санитарно-гигиенических нормативов. Горно-лесные черноземовидные почвы характеризуются повышенной, а горно лесные бурые, серые и дерново-подзолистые – средней буферной способностью по отношению к тяжелым металлам. Плотность за грязнения горно-лесных почв 137Cs находится в пределах допусти мого уровня. Концентрации микроэлементов и радионуклидов в вы сших травянистых растениях лесного пояса Горного Алтая не пре вышают значений характерных для незагрязненных территорий и являются безопасными для животных и человека.
Список публикаций по теме исследований 1. Балыкин, С.Н. Микроэлементы в черноземовидных почвах Гор ного Алтая / Балыкин С.Н., М.А. Мальгин, А.В. Пузанов // Гео химическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы. – М.: изд. МГУ, 2003. – С. 197-199.
2. *Балыкин, С.Н. Микроэлементы в горно-лесных чернозёмовид ных почвах Алтая // Ползуновский вестник, 2004. – № 2. – С.
195-197.
3. Балыкин, С.Н. Микроэлементы и радионуклиды в горно-лесных черноземовидных почвах Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окру жающей среде. – Семипалатинск, 2004. – т. 1.– С. 274-279.
4. Пузанов, А.В. Распределение естественных радионуклидов в почвообразующих породах и почвах Алтая / М.А. Мальгин, М.И. Кузнецова, С.Н. Балыкин, Д.Н. Балыкин, А.В. Салтыков // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека. – Томск: «Тандем-Арт», 2004. – С. 766-769.
5. *Балыкин, С.Н. Радионуклиды в горно-лесных почвах Северо Восточного Алтая / С.Н. Балыкин, О.А. Ельчининова // Ползу новский вестник, 2005. – № 4 – С. 168-170.
6. *Балыкин, С.Н. Радионуклиды в горно-лесных дерново-подзо листых почвах Горного Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов // Ползуновский вестник, 2006. – т.1. – № 4 – С. 305-309.
7. Балыкин, С.Н. Микроэлементы в горно-лесных почвах Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов, Т.А. Рождественская, Р.В. Клипа // Геохимия биосферы: доклады международной научной конфе ренции. – М.-Смоленск, 2006. – С. 53-54.
8. Балыкин, С.Н. Поведение микроэлементов и радионуклидов в основных типах почв горно-лесного пояса Горного Алтая / С.Н.
Балыкин, А.В. Пузанов // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде – Семипалатинск, 2006. – С. 91-99.
9. Балыкин, С.Н. Микроэлементы в горно-лесных дерново-подзо листых почвах Горного Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов // Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопре дельных территорий: настоящее, прошлое, будущее. – Горно Алтайск, 2006 – С.140-141.
10. *Балыкин, С.Н. Микроэлементы в горно-лесных почвах Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов, А.В. Салтыков, Т.А. Рождественс кая, Н.А. Мешков // Ползуновский вестник, 2006. – т. 2. – № 4. – С. 17-21.
11. *Балыкин, С.Н. Микроэлементы в горно-лесных бурых почвах Горного Алтая / С.Н. Балыкин, А.В. Пузанов // География и природные ресурсы, 2007. – № 2. – С. 186-189.
12. Пузанов, А.В. Микроэлементы и радионуклиды в почвах лесно го пояса бассейна Верхней Оби / А.В. Пузанов, С.Н. Балыкин, Д.Н. Балыкин, А.В. Салтыков // Мир науки, культуры, образова ния, 2007. – № 2. – С. 8-12.