Воронеж, Воронежская область, Россия
В настоящее время повышенной актуальностью характеризуются исследования эколого-геохимического состояния почвенного покрова в условиях интенсивной техногенной нагрузки. На территории Южного Битюго-Хоперского эколого-географического района располагается медно-никелевое месторождение, которое оказывает существенное влияние на ряд геохимических показателей компонентов окружающей среды. Пойменные ландшафты с аллювиальными почвами занимают значительные площади в пределах этого района. Они отличаются способностью к интенсивной аккумуляции макро- и микроэлементов, в том числе тяжелых металлов. Под воздействием паводковых и грунтовых вод в профиле пойменных почв происходит неравномерное перераспределение и их локальное накопление. Для изучения фонового эколого-геохимического состояния аллювиальных почв использовались стандартные методы исследований в сочетании с ландшафтно-геохимическим подходом. На основе разносторонних исследований определена специфика ландшафтной структуры пойменного типа местности долины р. Елань территории Южного Битюго-Хоперского эколого-географического района лесостепной провинции Окско-Донской равнины. Показано доминирование супераквальных фаций в различных частях поймы р. Елань, сформировавшимися на аллювиальных почвах под луговой растительностью с различным уровнем залегания грунтовых вод. Охарактеризованы физико-химические, химические и биологические свойства аллювиальных почв. Установлен диапазон колебаний валовых форм тяжелых металлов (ТМ) в почвах пойменного типа местности. Определен наиболее чувствительный почвенный фермент к неблагоприяному экологическому состоянию аллювиальных почв. Предложено использовать в качестве индикатора эколого-геохимического состояния для пойменных почв инвертазную активность. Полученные результаты планируется использовать при разработке Программы экологического мониторинга состояния почвенного покрова ландшафтов в Новохоперском районе Воронежской области
пойменный ландшафт, супераквальные фации, аллювиальные почвы, свойства, ферментативная активность, тяжелые металлы
В ряду ландшафтов Среднерусского Черноземья особое место занимают поймы, которые среди структурных частей зрелых речных долин (русло, пойма, надпойменные террасы, коренной склон) являются самыми молодыми и самыми уязвимыми участками суши, где в современный период происходят сложные процессы становления и развития многих компонентов ландшафта, в том числе почв и почвенного покрова. Они отличаются большой динамичностью протекающих здесь естественных и антропогенных процессов, сложной биоценотической структурой и благоприятными условиями для интенсивного развития фито-, зоо- и микробоценозов и по запасам биомассы превосходят черноземные степи [9].
Особенностью почв пойменных ландшафтов является зависимость их эколого-геохимического состояния от часто меняющихся экологических условий, связанных с рельефом, гидрологическим режимом, динамикой отложения аллювиальных наносов, изменчивым характером увлажнения и состава растительности, а также уровнем антропогенной нагрузки на водоразделах. Они характеризуются высокой биогенной и гидрогенной аккумуляцией макро- и микроэлементов, которые накапливаются в многочисленных бессточных понижениях центральной части поймы; выносятся грунтовыми и паводковыми водами за пределы почвенного профиля; неравномерно распределяются в почвенных горизонтах, имея тенденцию к локальному накоплению в том или ином генетическом горизонте. Все это обуславливает необходимость проведения детальных исследований по выявлению уровня их содержания в аллювиальных почвах [10].
Целью исследований была разносторонняя характеристика свойств аллювиальных почв и количественная оценка их фонового эколого-геохимического состояния.
Методологической основой послужил ландшафтно-геохимический подход к определению региональных нормирующих концентраций тяжелых металлов в почвах пойменного ландшафта, позволяющий обнаружить слабоконтрастное загрязнение уже на ранней стадии его формирования, сравнить контролируемые элементы с нормированными характеристиками, оценить динамику их концентраций в различных условиях прирусловой, центральной и притеррасной частей поймы.
Объектами исследований послужили аллювиальные почвы пойменных ландшафтов долины р. Елань расположенной в пределах Южного Битюго-Хоперского эколого-географического района лесостепной провинции Окско-Донской равнины.
Отбор образцов почв осуществлялся с глубины 0-
Лабораторно-аналитические исследования свойств почв выполнены с использованием общепринятых методов[1].
Для оценки эколого-геохимического состояния почв было определено валовое содержание основных ТМ, а также их подвижные формы. К приоритетным экотоксикантам, оказывающим сильное токсичное действие на живые организмы отнесены свинец, кадмий и медь [2, 11, 12]. Анализировались смешанные образцы, отобранные в соответствии с методическими указаниями по определению ТМ в почвах сельскохозяйственных угодий.
Достоверность результатов обеспечена применением современных методов математической статистики [3]. Графики выполнены с помощью программы Statistica 6.0
Результаты и их обсуждение:
Южный Битюго-Хоперский район занимает южную часть Окско-Донской равнины. Его площадь 10171 км2. В ландшафтной структуре района на пойменной тип местности приходится 14,8% от общей его площади или 1503 км2 [8]. Одной из многочисленных рек, дренирующих указанный эколого-географический район, является река Елань. Ее долина хорошо разработана, представлена всеми характерными для такого типа ландшафтов морфологическими структурными комплексами. Среди них значительную территорию занимает группа пойменных ландшафтных комплексов.
Полевыми исследованиями установлено, что пойменный тип местности распространен попеременно на левобережье и правобережье долины р. Елани. Его максимальная высота над урезом воды в реке не превышает 1-
В целом, в ландшафтной структуре пойменного типа местности долины реки Елань доминируют супераквальные фации центральной части поймы на собственно аллювиальных луговых насыщенных суглинистых и глинистых почвах различной степени гидроморфизма. На их долю приходится 65-75% площади исследуемого ландшафта [9]. Меньшую площадь занимают супераквальные фации прирусловой части поймы на аллювиальных дерновых слоистых почвах легкого гранулометрического состава.
Результаты исследований физико-химических и химических свойств аллювиальных почв пойменных фаций поверхностного слоя (0-
Гумусовые горизонты изученных почв характеризуются близкой к нейтральной и нейтральной реакцией почвенного раствора. Гидролитическая кислотность изменяется от 0,8 до 3,8 ммоль(экв)/100 г почвы. Сумма обменных оснований колеблется от 8,2 до 39,7 (экв)/100 г почвы. Показатель степени насыщенности основаниями изменяется в пределах 71-97%. Большинство почв пойменных фаций, за исключением аллювиальных дерновых слоистых, относится к среднегумусным видам и содержит 6,3-8,5% гумуса. Содержание щелочногидролизуемого азота, обменного калия и подвижных соединений фосфора наименьшее в аллювиальных дерновых слоистых почвах и достигает максимума в аллювиальных лугово-болотных почвах.
Биологические свойства изученных почв отражены в таблице 2.
Усредненные показатели ферментативной активности аллювиальных почв пойменных фаций соответственно равны: фосфатаза – 3,26 мг Р2О5 на 10г почвы; инвертаза – 15,81 мг глюкозы на 1г почвы за 24часа; каталаза – 0,60 мл 0,1н KMnO4 на 1г почвы за 20мин; уреаза – 1,07 мг NH3 на 1г почвы за 24часа.
Таблица 1.
Физико-химические и химические показатели аллювиальных почв долины р. Елань (пределы колебаний в гумусовом горизонте)
|
pH водн. |
Hг |
Ca2++Mg2+ |
V, % |
Гумус, % |
Nщ. |
К2О |
Р2О5 |
|
ммоль(экв)/100 г почвы |
мг/100г почвы |
||||||
|
Аллювиальные дерновые слоистые супесчаные почвы |
|||||||
|
3,4-3,8 |
8,2-11,5 |
71-75 |
1,8-2,4 |
4,4-6,0 |
4,2-6,2 |
3,2-4,4 |
|
|
Аллювиальные луговые насыщенные глееватые тяжелосуглинистые почвы |
|||||||
|
0,8-1,5 |
29,9-33,5 |
96-97 |
6,3-7,0 |
13,1-17,4 |
6,6-12,4 |
4,7-8,8 |
|
|
Аллювиальные лугово- болотные перегнойно-глеевые тяжелосуглинистые почвы |
|||||||
|
2,0-3,1 |
35,0-39,7 |
93-95 |
7,0-7,9 |
11,0-15,9 |
14,2-16,6 |
6,9-12,2 |
|
|
Аллювиальные болотные иловато-глеевые глинистые почвы |
|||||||
|
3,1- 3,5 |
21,3-40,4 |
87-92 |
7,5-8,5 |
17,3-23,5 |
11,8-20,2 |
6,7-9,6 |
|
Таблица 2
Биологические свойства гумусовых горизонтов аллювиальных почв
|
Фосфатаза (мг Р2О5 на 10г почвы) |
Инвертаза (мг глюкозы на 1г почвы за 24часа) |
Каталаза (мл 0,1н KMnO4 на 1г почвы за 20мин) |
Уреаза (мг NH3 на 1г почвы за 24часа) |
|
Аллювиальные дерновые слоистые супесчаные почвы |
|||
|
2,81 |
11,5 |
0,25 |
0,33 |
|
Аллювиальные луговые насыщенные глееватые тяжелосуглинистые почвы |
|||
|
2,98 |
17,3 |
0,72 |
1,22 |
|
Аллювиальные лугово- болотные перегнойно-глеевые тяжелосуглинистые почвы |
|||
|
4,11 |
18,22 |
0,74 |
1,39 |
|
Аллювиальные болотные иловато-глеевые глинистые почвы |
|||
|
3,15 |
16,2 |
0,67 |
1,34 |
По усредненным показателям биогенности изученные почвы можно разместить в ряд по степени убывания активности почвенных ферментов: аллювиальные лугово- болотные перегнойно-глеевые тяжелосуглинистые ˃ аллювиальные болотные иловато-глеевые глинистые ≥ аллювиальные луговые насыщенные глееватые тяжелосуглинистые ˃ аллювиальные дерновые слоистые супесчаные (рис.1).
По материалам полевых и экспериментальных исследований осуществлен анализ эколого-геохимического состояния аллювиальных почв пойменного ландшафта. На фоне общих особенностей пространственного варьирования валового содержания тяжелых металлов (ТМ) в почвах различных ландшафтных фаций, были выявлены их индивидуальные особенности. Среди сформировавшихся сочетаний природных и природно-антропогенных территориальных комплексов, в большей степени ТМ аккумулируются в почвах супераквальных пойменных фаций центральной части поймы р. Елань, а так же в почвах бессточных понижений. Варьирование средних показателей содержания валовых форм ТМ (мг/кг) соответственно равно: As и Hg <0,1; Pb 5,7 – 8,7; Cd 0,23 – 0,28; Cu 12,1 – 16,8; Zn 39,1 – 61,1; Ni 16,2 – 20,2; Cr 9,5 – 20,2; Co 6,7 – 9,7; Mn 167 – 382 (таблица 3).
Рис.1 Кластерный анализ, отражающий формирование групп исследуемых почв по близости биологической активности.
Примечание: С_1 - аллювиальные болотные иловато-глеевые глинистые; С_2 - аллювиальные дерновые слоистые супесчаные; С_3 - аллювиальные луговые насыщенные глееватые тяжелосуглинистые; С_4- аллювиальные луговые болотные перегнойно-глеевые тяжелосуглинистые почвы.
Таблица 3
Валовое содержание ТМ в гумусовых горизонтах аллювиальных почв
|
Почвы |
Валовое содержание металлов, мг/кг |
|||||||||
|
As |
Hg |
Pb |
Cd |
Cu |
Zn |
Ni |
Cr |
Co |
Mn |
|
|
Аллювиальные дерновые слоистые супесчаные |
<0,1 |
<0,1 |
5,7 |
0,23 |
12,1 |
39,1 |
16,2 |
14,7 |
6,7 |
167 |
|
Аллювиальные луговые насыщенные глееватые тяжелосуглинистые |
<0,1 |
<0,1 |
8,7 |
0,28 |
16,8 |
61,1 |
23,2 |
20,2 |
9,7 |
382 |
|
Аллювиальные лугово - болотные перегнойно-глеевые тяжелосуглинистые |
<0,1 |
<0,1 |
8,5 |
0,26 |
15,3 |
57,6 |
20,8 |
18,2 |
9,1 |
222 |
|
Аллювиальные болотные иловато-глеевые глинистые |
<0,1 |
<0,1 |
7,5 |
0,27 |
13,9 |
43 |
19,5 |
9,5 |
8,3 |
367 |
Валовое содержание изученных тяжелых металлов ниже их кларка для почв по А.П. Виноградову [4]. Помимо валового содержания ТМ, в этих пробах и ландшафтах была определена подвижная форма металлов. Из литературных источников известно, что в незагрязненных ландшафтах доля подвижных форм тяжелых металлов от их валового содержания в почвах не превышает 2-5% [5].
В почвах супераквальных пойменных фаций доля извлеченных подвижных форм тяжелых металлов колеблется:
Pb=7,8%; Cd<3,6; Zn=1,5; Cu=3,6; Co=8,2; Mn=6,8; Ni=4,1; Cr<0,5.
Из полученных данных следует, что в аллювиальных почвах пойменных фаций подвижные формы отдельных элементов, таких как Cо , Pb и Mn превышают 5% барьер.
Несмотря на то, что почвы пойменных фаций отличаются своими повышенными показателями содержания ТМ, по сравнению с почвами водораздельных пространств, категория их загрязнения – допустимая. Суммарный показатель загрязнения почв – Zc<1.
В целом, диапазон колебаний валовых содержаний многих элементов не превышают показатель ПДК (ОДК) по большинству отобранных проб и подтверждает благоприятную экологическую ситуацию на исследуемой территории.
По количественным показателям содержания ТМ выявлен наиболее типичный ряд по степени их убывания: Mn˃Zn˃Cr˃Ni˃Cu˃Pb˃Co˃As˃Hg˃Cd.
Многолетними исследованиями показана значительная эффективность диагностики экологического состояния почвенного покрова биохимическими методами; доказана ведущая роль показателей ферментативной активности почв при оценке их экологического состояния [6,7 и др.]
По степени чувствительности к концентрации ТМ почвенные ферменты можно расположить в следующий ряд: инвертаза ˃ каталаза ˃ уреаза ˃ фосфатаза (рис. 2).
Данные корреляционного анализа показали высокие положительные коэффициенты корреляции между валовым содержанием ТМ и биологической активностью исследованных почв Усредненный коэффициент корреляции валового содержания ТМ и инвертазной активности – 0,83; каталазной активности – 0,82; уреазной активности – 0,72; активности фосфатазы – 0,43. На уровень ферментативной активности наибольшее влияние оказывает свинец (rср.= 0,84), наименьшее хром (rср.= 0,23) (таблица 4).
Рис. 2 Кластерный анализ, отражающий формирование групп по степени чувствительности почвенных ферментов к валовому содержанию ТМ.
Таблица 4
Коэффициенты корреляции, отражающие взаимосвязь между валовым содержанием ТМ и биологической активностью исследованных почв
|
|
Фосфатаза |
Инвертаза |
Каталаза |
Уреаза |
|
Мышьяк |
--- |
--- |
--- |
--- |
|
Ртуть |
--- |
--- |
--- |
--- |
|
Свинец |
0,55 |
0,97 |
0,96 |
0,89 |
|
Кадмий |
0,18 |
0,84 |
0,91 |
0,86 |
|
Медь |
0,34 |
0,86 |
0,85 |
0,74 |
|
Цинк |
0,48 |
0,82 |
0,76 |
0,64 |
|
Никель |
0,30 |
0,88 |
0,88 |
0,78 |
|
Хром |
0,24 |
0,35 |
0,25 |
0,08 |
|
Кобальт |
0,44 |
0,94 |
0,93 |
0,85 |
|
Марганец |
-0,20 |
0,56 |
0,67 |
0,65 |
Выводы:
- Определена специфика ландшафтной структуры пойменного типа местности долины р. Елань, приуроченной к территории Южного Битюго - Хоперского эколого-географического района лесостепной провинции Окско-Донской равнины. Она представлена супераквальными фациями прирусловой, центральной и притеррасной частей поймы р. Елань, сформировавшимися на аллювиальных почвах разной степени гидроморфизма под луговыми биоценозами на аллювиальных отложениях различного гранулометрического состава при близком залегании к поверхности поймы уровня грунтовых вод.
- Выявлены параметры физико-химических, химических и биологических показателей свойств основных типов аллювиальных почв, обусловленные особенностями ландшафтной принадлежности. Наиболее благоприятными свойствами обладают аллювиальные луговые насыщенные тяжелосуглинистые почвы супераквальных фаций центральной части поймы, которые содержат 6,3 - 7,0% гумуса, характеризуются нейтральной реакцией почвенного раствора, степенью насыщенности основаниями равной 96-97%, высокой и средней обеспеченностью подвижными элементами питания, высокими показателями ферментативной активности.
- Установлен диапазон колебаний валовых содержаний большинства изученных тяжелых металлов в почвах пойменного типа местности, который ниже их кларка для почв по А.П. Виноградову. Категория загрязнения почв ТМ находится на допустимом уровне. Суммарный показатель загрязнения почв – Zc < 1.
- Инвертазная активность показала себя как наиболее чувствительный фермент неблагоприятного экологического состояния аллювиальных почв большинства пойменных фаций.
- Полученные результаты послужат основанием для разработки Программы экологического мониторинга состояния почвенного покрова ландшафтов на этапах геологоразведочных и проектных работ на участке медно-никелевого месторождения в Новохоперском районе Воронежской области.
1. Воробьева, Л.А. Химический анализ почв [Текст] / Л.А. Воробьева. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.
2. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте [Текст] /Ю.В. Алексеев. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2008. - 216 с.
3. Дмитриев, Е.А. Математическая статистика в почвоведении [Текст] / Е.А. Дмитриев. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 320с.
4. Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах [Текст] / А.П. Ви-ноградов. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 238 с.
5. Обухов, А.И. Тяжелые металлы в почвах и растениях Москвы / А.И. Обухов // Экологические иссле-дования в Московской области. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - С. 148-161.
6. Девятова, Т.А. Антропогенная динамика и биодиагностика экологического состояния черноземов ЦЧР: дис. … д-ра биол.наук [Текст] /Т.А. Девятова. - Воронеж, 2006. - 352с.
7. Звягинцев, Д.Г. Биология почв [Текст] / Д.Г Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 445с.
8. Эколого-географические районы Воронежской области [Текст] / под ред. Ф.Н Милькова. - Воро-неж: Изд-во ВГУ, 1996. -216с.
9. Яблонских, Л.А. Аллювиальные почвы речных долин Среднерусского Черноземья: дис. … д-ра биол.наук [Текст] /Л.А. Яблонских.- Воронеж, 2002. - 526с
10. Jablonskikh, L.A. Content and vertical distribution of heavy metals and radionuclides in hydromorphic Soils of the Forest Steppe, Eurasian Soil science, Moscow, 1999, vol. 32, no 4, pp. 394-403.
11. Protasova, N.A., Scherbakov A.P. Microelemental composition of zonal soils in the Central Chernozemic region, Eurasian Soil science, Moscow, 2004, vol. 37, no 1, pp. 40-48.
12. Protasova N.A., Belyaev A.B. Macro- and microelements in soils of Central Chernozemic Area and its soils-geochemical zoning, Eurasian Soil science, Moscow, 2000, vol. 33, no 2, pp. 177-183.
