CC BY
70
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 151, кн. 1
Естественные науки
2009
УДК 519.2
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Р.Х. Сунгатуллин, Г.М. Сунгатуллина, М.И. Хазиев Аннотация
Почвы и растительность отражают экологические функции приповерхностных сфер геологического пространства. Среди изученных почв и растительности Набережно-Челнинской площади наиболее емкими биогеохимическими концентраторами являются черноземы и мхи. Методами математической статистики в почвенном и растительном покровах выделены ассоциации «литофильных», «биофильных» и «технофильных» элементов. Выявлена тесная связь между геохимическим составом пород, почв и растительных сообществ. В настоящее время в химическом облике почв и растительности доминирует литологическая составляющая.
Ключевые слова: растительность, почва, биогеохимия, кластерная диаграмма, факторный анализ, экология, модель.
Постановка задачи и объект исследований
Сегодня различными областями знаний широко используется метод изучения экологических функций биотических и абиотических сфер Земли, включая и объекты, рассматриваемые в геологии [1, 2]. Экологический подход относится к общенаучным, которые тесно увязывают в единую систему различные позиции и точки зрения, позволяя приблизиться к выработке геосистемного, многоаспектного взгляда на окружающую среду. Экологизация наук находит свое широкое применение при анализе глобальных и региональных проблем. Исходя из постулата «человеческое общество является составной частью природы», можно утверждать, что для многих урбанизированных и техногенно-преобразо-ванных территорий назрела необходимость изучения природных и антропогенных процессов в геологическом пространстве. Обобщающим методом подобного системного изучения, основанного на взаимосвязности различных процессов («всё связано со всем») в условиях интенсивного техногенеза, может служить моделирование. При этом модели отдельных объектов и сред могут служить основой для интегрального моделирования состояния окружающего пространства [3]. По нашему мнению, разработка методики создания инвентаризационных и прогнозных моделей является актуальной задачей геологии и геоэкологии особенно для территорий, интенсивно преобразованных человеком. Поиск общих закономерностей в разных по размерам объектах геологического пространства может привести к обнаружению качественно новых (эмерджентных) свойств окружающей среды. Это подтверждает вывод В.И. Вернадского, что «одни и те же законы господствуют как в великих небесных светилах и
в планетных системах, так и в мельчайших молекулах.». Другой известный российский ученый Христиан Пандер еще в Х1Х веке отмечал, что «разнообразие растительных форм связано с разнообразием химических соединений и обусловлено внешними влияниями.». К внешним факторам, определяющим само существование и развитие органической жизни, относится и геологическое пространство, в частности, его поверхностная сфера - литосфера. Последняя обладает ресурсными экологическими функциями для жизнеобеспечения и эволюции биоты [4], выделяясь, в частности, как зона минерального питания растений и почв [5]. При этом состав и биопродуктивность растительного и почвенного покровов определяются многими особенностями литосферы, которые включают вещественный и геохимический состав материнских пород, структурно-геологические и геоморфологические условия, состав и динамику подземных вод, тепловое и газовое поля. Поэтому генетическая интерпретация геохимических полей-моделей в почвенном и растительном покровах с установлением связей между данными средами, а также их взаимоотношений с литосферой, гидросферой и антропосферой является актуальной задачей биогеохимии и геоэкологии как научных дисциплин интегральной геологии [3].
Согласно [6] системные мониторинговые исследования окружающей среды должны включать обязательное изучение биогеохимических объектов, явлений и процессов на эталонных объектах. В данной статье объектом биогеохимических исследований являются почвы (педосфера) и растительность Набережно-Челнинской площади, которая представляет собой наиболее промышленный и урбанизированный узел на территории Республики Татарстан. В геологическом отношении здесь встречаются разнофациальные палеозойские, кайнозойские образования морского, переходного и континентального происхождений. Поэтому данная площадь рассматривается нами как эталонный объект биогеохимических исследований для мониторинга в целом геологического пространства.
Методика исследований
Методика биогеохимических работ включала как стандартные приемы маршрутных наблюдений, документации, опробования [6], обработки и анализа проб, так и оригинальные подходы, в основном при создании геологических и геохимических моделей. Последние описаны нами ранее [3, 7] и здесь не рассматриваются. Математическая обработка результатов анализов проводилась с использованием программного пакета «81ай8йса». Для геолого-экологической интерпретации полученных результатов биогеохимического опробования использованы данные съемочных работ масштаба 1:50 000 и многоцелевой геохимической съемки по потокам рассеяния масштаба 1:200 000, выполненных авторами на Набережно-Челнинской площади.
Биогеохимические исследования проводились на участках, выделенных по результатам ландшафтного районирования (рис. 1). Почвенное опробование предусматривалось для выделения ареалов техногенного загрязнения и природных гипергенных аномалий. На Набережно-Челнинской площади выделено девять различных типов и подтипов почв: дерново-подзолистые, дерново-карбонатные, коричневато-серые лесные, серые лесные грунтовоглеевые, серые лесные, черноземные, аллювиально-луговые, аллювиально-дерновые и болотные торфяные.
Рис. 1 Карта ландшафтного районирования. Типы ландшафтов: 1 - лесной (хвойно-широколиственный); 2 - лесной (широколиственный); 3 - садовый; 4 - пахотный; 5 -пастбищный; 6 - селитебный; 7 - лесохозяйственный; 8 - аквальный; 9 -автодорожный; 10 - железнодорожный; 11 - горнотехнический. Классы ландшафтов (почвы): 12 -дерново-подзолистые; 13 - дерново-карбонатные; 14 - серые лесные; 15 - черноземы оподзоленные; 16 - аллювиальные; 17-18 - границы: 17 - типов ландшафтов; 18 -классов ландшафтов
Самыми распространенными типами почв являются серые лесные, дерново-подзолистые и черноземы, занимающие более 95% территории (рис. 1). На опорных участках распространения основных типов почв проведено опробование всего почвенного разреза. Горизонты А и В равномерно опробованы на всей изученной площади из копушей глубиной до 40 см. Пробы из горизонтов А и В отбирались по квадратной сетке со стороной 2*2 км. В зонах промышленного и гражданского строительства сеть опробования сгущалась до 1*1 км. Объединенная почвенная проба составлялась из 5 отдельных проб, отобранных способом «конверта» с площадки 20*20 м. Общее количество площадок составило 503, общее количество почвенных проб (для горизонтов А и В) - 1063. При этом плотность почвенного опробования составила 0.8 пробы/км .
Геохимические исследования растительного покрова проводились впервые для Набережно-Челнинской площади. Растительность является чутким индикатором антропогенного влияния на окружающую среду и экологического состояния почвенного покрова. Это позволяет считать геохимическое исследование растительности неотъемлемой и обязательной составной частью комплексных эколого-геохимических исследований. На опорных участках, выделенных по ландшафтному районированию (рис. 1), осуществлялся выбор представительных видов растений, условий отбора, обработки и анализа проб. Опробованию подверглись растения трех ярусов: трава и низшие формы (мхи), кустарники и деревья. Исходным материалом послужили сборы растительности, осуществленные в период с июня по сентябрь месяцы. Всего отобрано 92 пробы.
Анализ биогеохимических проб проводился приближенно-количественным спектральным, атомно-абсорбционным и спектрометрическим методами в лаборатории ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» Министерства природных ресурсов Российской Федерации (г. Казань). Приближенно-количественный спектральный анализ выполнен на спектрографе ДФС-8 на 29 элементов: алюминий, барий, бериллий, бор, ванадий, галлий, германий, железо, иттербий, иттрий, кальций, кобальт, литий, магний, марганец, медь, молибден, натрий, никель, ниобий, олово, свинец, скандий, стронций, титан, фосфор, хром, цинк, цирконий. Содержания мышьяка определялись атомно-абсорбционным методом на спектрометрах Квант-АФА и АА8-Ш, а содержания золота - спектрозолотометриче-ским анализом на приборах ДФС-458 и МФ-2.
Результаты исследований
Рассмотрим основные результаты почвенного опробования.
Серые лесные почвы наиболее распространены, занимая обширные пространства в долине Камы (рис. 1). Лесная почва имеет самый полный и мощный разрез среди всех типов почв. Материнскими породами, на которых сформировались лесные почвы, являются преимущественно глинистые отложения четвертичного, в меньшей степени - пермского и редко неогенового периодов. Выявляется определенная зависимость разрезов почв от состава и возраста материнских пород (табл. 1, 2). Наиболее полные разрезы, в которых присутствуют все выделяемые горизонты и подгоризонты, характерны для почв, залегающих на глинистых четвертичных и нижнеказанских отложениях. Неполные разрезы формируются на глинистых неогеновых и аллювиально-делювиальных отложениях.
Табл. 1
Зависимость разреза серых лесных почв от состава четвертичных пород
Индекс Горизонты, подгоризонты почвы
С В а! а1а2 а2 а2в В1 в2 ВС
а'Штп-оэ+аТУ суглинок светло-коричневый плотный (125) - суглинок темно-серый зернисто-плитчатый (40) - пылеватый светло-серый, некарбонатный (10) - суглинок светло-коричневый, столбчатый, некарбонатный (35) суглинок серова-то-коричневый, столбчатый, некарбонатный (30) -
сшыу суглинок светло- коричневый плитчатый или комковатый карбонатный или некарбонатный (30-110) - суглинок темно-серый, зернистый, пылеватый или комковатый, некарбонатный (10) - пылеватый светло-серый, плитчатый, некарбонатный (3) суглинок серовато-бурый или коричнева- то-серый с белесой присыпкой, плитчатый или зернистый, некарбонатный (15) суглинок красно-коричневый или коричневый, комковатый, призматический или зернистый, карбонатный или некарбонатный (15-25) суглинок светло-коричневый, комковатый, карбонатный или некарбонатный (10-40)
суглинок коричневый карбонатный (20) - суглинок буровато-серый, зернисто-комковатый, некарбонатный (35) суглинок бурый с белесыми присыпками, призматический, некарбонатный (40) суглинок бурый, некарбонатный (40) суглинок коричневый, бесструктурный, некарбонатный (45)
СЛ а Лй суглинок коричневый, столбчатый, некарбонатный (30) - суглинок корич-невато-серый бесструктурный или зернистый, некарбонатный (5) песок пылеватый белесый (20) - суглинок коричневый с белесой присыпкой некарбонатный (20) суглинок светло-бурый, столбчатый или комковатый, некарбонатный (60) -
И суглинок коричневый плотный (15) кора выветривания желтовато-белесая мучнистая карбонатная со щебнем известняков (10) суглинок темно-серый, зернистый, некарбонатный (15) суглинок серый с белесой присыпкой зернистый, некарбонатный (15) тяжелый суглинок серовато-бурый или красный, слитой или призматический, некарбонатный (20) тяжелый суглинок красный, слитой, некарбонатный со щебнем карбонатов (60) -
ес11-П суглинок коричневый (50) - суглинок серый, зернисто-плитчатый, некарбонатный (10) суглинок серовато-бурый с белесым налетом, призматический, некарбонатный (25) суглинок красновато-бурый, призматический, некарбонатный (80) -
Зависимость разреза серых лесных почв от состава дочетвертичных пород
Индекс Горизонты, подгоризонты почвы
с В А! AiA2 А2 А2В bi в2 ВС
м л £ глина жел- товато-коричневая с карбонатными пятнами (10) глина темно-розовая зернистая с карбонатными пятнами и прослоями карбонатной дресвы (40) глина темно-серая зернисто-комковатая (30) глина красновато-бурая или бурая с белесой присыпкой плитчато-призматическая или зернистая (10) глина красновато-бурая или бурая плитчато-призматическая (30) суглинок желтовато-коричне-вый, с карбонатными пятнами (40)
ец кора выветривания мучнистая на известняках розовая или глина красновато-коричневая плитчатая (150) глина серая или буровато-серая зернистая некарбонатная с карбонатной дресвой (20) глина осветленная буровато-серая порошистая (15) глина красновато-коричневая или бурая призматическая (25)
м s ец глина коричневая или красно-вато-бурая карбонатная (20) песчаник желтова-то-коричневый, красный комковатый карбонатный (20-50) глина коричневая или коричневато-серая зернисто-комковатая или зернисто-плитчатая карбонатная или некарбонатная (10-30) глина буровато-серая (20) глина или песчаник глинистый коричневые или красновато-коричневые комковатые, плитчатые или зернистые, карбонатные, со щебнем и дресвой (25-30) глина красная плотная (20)
J3 с£ глина крас- новато-бурая призматическая (40) глина грязно-розовая комковатая (25) глина буровато-красная плотная некарбонатная с карбонатным щебнем и розовыми карбонатными пятнами (45) песчаник глинистый буровато-серый комковатый некарбонатный с карбонатной дресвой (25) песчаник глинистый светло-серый (5) песчаник глинистый желтовато-серый (30)
s глина коричневая с карбонатными включениями (30) песчаник глинистый красный (10) песчаник глинистый или глина серые пылеватые (15) песчаник глинистый светло-серый (5) глина светло-серая или коричневая с белесой присыпкой пылеватая (10) глина серовато-бурая или коричневая зернистая (30) глина бурая мелко комковатая (55)
Глубина, см
100 .....................................
В2
ВС
150
200 - ________
С2 в
250
0 2 4 6% 0 0,2% 0 0,02 0,04 0,06%
III
\ ч
\ \
\ ;
С а / / Бе А1
-1-
Мп
Рис. 2. Пример поведения элементов в разрезе серой лесной почвы
Глубина, см Оп
12% -0 02 0 0,04 0,08 0,12%
Рис. 3. Пример поведения элементов в обобщенном разрезе дерново-подзолистой почвы
ьо о и)
Образование серых лесных почв происходит на эрозионно-денудационных склонах и позднеплиоценовых поверхностях выравнивания; меньшее распространение они получили на эоплейстоценовых и средненеоплейстоценовых аллювиальных аккумулятивных равнинах (рис. 1). При анализе поведения химических элементов по разрезу лесной почвы намечаются определенные тенденции (рис. 2). Так, алюминий и марганец преимущественно концентрируются в горизонтах А2 и А2В, а максимальные содержания железа приходятся на горизонты ВС и С1. Верхняя часть почвенного разреза обеднена большинством элементов. Исключение составляют марганец и фосфор, накапливающиеся в горизонте Ад.
Дерново-подзолистые почвы развиты преимущественно в хвойно-широко-лиственных лесах с мохово-травянистым наземным покровом. Данный тип почв распространен на территории национального парка «Нижняя Кама» севернее г. Набережные Челны и в районе с. Салауш на четвертичных песчаных отложениях различного генезиса. В геоморфологическом отношении подзолы приурочены к эоплейстоценовым и средненеоплейстоценовым, редко - к поздненеоп-лейстоценовым и голоценовым аккумулятивным равнинам и эрозионно-дену-дационным склонам (рис. 1). Анализ поведения химических элементов по разрезу дерново-подзолистой почвы показывает наличие здесь двух наиболее выраженных уровней концентрации элементов, приходящихся на горизонты С2 и А1 (рис. 3). Как и в лесной почве (рис. 2), верхняя часть почвенного разреза подзолов накапливает марганец и фосфор. Кроме того, для горизонта А1 характерны повышенные содержания хрома. Необходимо отметить равномерное распределение элементов группы железа (Бе, Сг, V, N1) по всему почвенному разрезу.
Черноземы встречаются в пахотном, селитебном, редко - луговом и пастбищном типах ландшафта (рис. 1). Черноземы характеризуются, по сравнению с лесными и дерново-подзолистыми почвами, небольшой мощностью почвенного разреза. Данный тип почв тяготеет к площадям развития эоплейстоцено-вых, ранне- и средненеоплейстоценовых аллювиальных аккумулятивных равнин, реже - к эрозионно-денудационным склонам (рис. 1).
Анализ распределения элементов по основным типам почв (рис. 4) выявил доминирующую роль черноземов в концентрации некоторых элементов. Так, здесь происходит существенное (55-95%) накопление Со, V, РЬ, Ве, У, N1, 8е, Ое. Дерново-подзолистая почва характеризуется повышенным содержанием биофильных элементов (марганец и барий). В лесных почвах химические элементы накапливаются в значительно меньших количествах, что свидетельствует о «стерильности» лесных ландшафтов. При рассмотрении средних содержаний элементов для всех типов почв Набережно-Челнинской площади (табл. 3) выделены группы элементов, концентрирующиеся в горизонтах А и В. Для первого из них характерны повышенные содержания Мп, Р, РЬ, 8г, 2п; для горизонта В -А1, Бе, Mg, Са, Т1. Концентрация литогенных элементов в горизонте В свидетельствует, по-видимому, о важной роли подстилающих пород при формировании геохимического облика почв. Распределение элементов в почвах относительно предельно-допустимых концентраций (ПДК) показывает, что почвы исследуемой площади содержат высокие концентрации мышьяка (более 7 ПДК), повышенные концентрации никеля и цинка (рис. 5). Спектрозолотометрический
Рис. 4. Распределение элементов в основных типах почв
Рис. 5. Распределение элементов в почвах. За 1 принято ПДК элементов в почвах, по [8]
анализ почвенных проб не выявил концентрации золота в определенном типе почв. Содержания золота изменяются от 3.2 до 10 мг/т.
Факторный и кластерный анализы (табл. 4, рис. 6) позволили нам в педо-сфере предварительно выделить параметры, характеризующие природный субстрат (материнскую горную породу), биологическую и антропогенную составляющие, соответствующие условно «литофильному», «биофильному» и «техно-фильному» факторам. Наиболее ярко в «памяти» педосферы выражен «лито-фильный» фактор с общей весовой нагрузкой 27%. Данный фактор формируется за счет Бе, А1, М§, V, Си, Ы (рис. 6), которые являются литогенными элементами пермских неогеновых глин и алевролитов, четвертичных суглинков. В свою очередь, перечисленные литотипы являются почвообразующими (материнскими) породами на Набережно-Челнинской площади. Необходимо отметить, что
Табл. 3
Средние содержания химических элементов в почвах, г/т
Элементы Горизонты Всего для почв
А В
АЭ 13.7 15.1 14.4
Ва 448.4 441.2 444.8
Ве 1.6 1.9 1.7
Са 11361 12733 12046
Бе 24611 28552 26580
Со 14.2 15.4 14.8
В 40.5 41.4 41.0
8с 11.7 13.1 12.4
Р 623.5 561.6 592.6
РЬ 14.8 13.4 14.1
8п 2.8 2.9 2.85
Мй 6924 8094 7508
V 114.5 125.6 120.0
ва 8.9 9.3 9.1
Мп 627.1 555.5 591.3
Т1 3357 3520 3439
№ 11.5 11.7 11.6
Сг 219.9 234.6 227.3
ве 1.3 1.4 1.38
А1 46218 51405 48809
N1 45.5 54.1 49.8
Мо 2.0 2.3 2.16
Ы 37.2 39.4 38.3
гг 163.9 163.1 163.5
Си 27.5 29.1 28.3
УЬ 3.2 3.2 3.2
№ 5276 5346 5311
У 24.5 24.6 24.5
гп 62.6 60.2 61.4
8г 160.0 152.5 156.2
Количество анализов 532 531 1063
выявленные тенденции, в основном, сохраняются и при анализе отдельных горизонтов. Так, наряду с сохранением преобладающего веса «литологического» фактора в геохимическом облике почв (30% и 29% для горизонтов А и В соответственно), сохраняются общие тенденции для следующих элементов: А1, М§, Бе, N1, Со, 8с, Си, УЬ, В, ва. Модели «литологического» фактора (рис. 7) подтверждают приведенные выше данные о геохимическом родстве горизонтов А и В, хотя существуют и некоторые различия. При переходе от горизонта А к горизонту В (сверху вниз по почвенному профилю) увеличивается сила связи между элементами, что может свидетельствовать о приближении к материнской породе. Подобный вывод подтверждается и тем, что в горизонте А более расширен набор «технофильных» элементов за счет включения Мп, У, РЬ, гп, 8п, а количество «литофильных» элементов (А1, М§, N1, 8с) уменьшается за счет
Табл. 4
Факторные нагрузки в почвах
Элементы Фактор «литофильный» Фактор «биофильный» Фактор «технофильный»
Ге 0.849 -0.058 0.126
V 0.795 0.132 -0.028
мй 0.773 0.042 0.040
А1 0.759 0.217 0.247
N1 0.749 -0.030 0.316
В 0.732 -0.005 0.190
Си 0.729 -0.052 0.133
ва 0.729 -0.080 0.151
Со 0.673 -0.047 0.205
8с 0.670 0.298 0.196
УЪ 0.667 0.423 -0.130
ве 0.507 -0.170 0.070
Ы 0.504 -0.331 -0.146
РЪ 0.402 0.184 0.038
гп 0.374 -0.030 -0.101
гг 0.365 0.629 0.247
У 0.171 0.514 -0.136
Ва 0.363 0.498 0.164
№ 0.370 0.395 0.254
Т1 0.575 0.369 0.196
Мп 0.433 -0.046 -0.064
Сг 0.224 0.137 0.777
Мо 0.292 -0.170 0.513
№ 0.338 -0.046 0.407
8п 0.074 -0.022 0.347
8г -0.136 0.123 0.167
Са 0.236 -0.080 0.151
Ве 0.069 0.094 0.134
Р 0.030 -0.006 0.017
АЭ 0.153 0.009 0.008
Вес фактора 27.2% 6% 6.1%
Примечание: жирным шрифтом выделены значимые нагрузки отдельных элементов в факторах.
их перехода в «биофильную» группу. Модели «биофильной» и «технофильной» составляющих, наряду с общими тенденциями, свидетельствуют о значительном загрязнении почв «технофильными» элементами в районе г. Набережные Челны и КамАЗа. Обращает внимание увеличение (приблизительно в 2 раза) значений «технофильного» фактора, что, по-видимому, подтверждает роль почв как депонирующей среды загрязняющих («технофильных») элементов [8].
Перейдем к анализу биогеохимических исследований растительности. Необходимо заметить, что проведенные биогеохимические исследования по растительному покрову носили опытно-методический характер. В большинстве случаев анализировалось от 1 до 3 проб определенного вида растительности, тогда как для статистических выводов необходимо иметь как минимум 10-15 анализов
120 100 80 60
40
20 0
каждого вида. Поэтому результаты и выводы по биогеохимической характеристике растительного покрова, приведенные ниже, рассматриваются нами как первоначальные и требуют дополнительного подтверждения по представительному опробованию.
Изучаемая территория находится в пределах лесостепной зоны, занятой преимущественно пахотными землями и менее распространенными луговыми, селитебными, хвойно-широколиственными растительными формациями. Леса, в которых доминируют липа, береза, дуб, сосна и ель, образуют массивы площадью от 0.5 до 150 км2. Подлесок состоит из рябины, орешника, черемухи. В лесном травостое преобладают сныть, папоротник орляк, копытень, купена, мышиный горошек. Луговая растительность представлена мятликом, осотом, полынью, ромашкой, цикорием и т. д. Селитебный ландшафт характеризуется развитием березы, липы, тополя, ели, сосны, шиповника, костера, крапивы, донника и др. В садовых ландшафтах среди диких видов растений преобладают сурепица, одуванчик, мятлик, полынь, крапива и др.
Анализ ботанической составляющей показывает, что большинство видов растений произрастают во многих типах ландшафтов Набережно-Челнинской площади. Эти виды относятся к сквозным (проходящим) видам, по которым возможно характеризовать экологическое состояние всей площади исследований. Некоторые виды растений распространены в одном или нескольких ландшафтах. Например, герань и орляк характерны для хвойных лесов, копытень и сныть -для широколиственных, рогоз произрастает только в болотистой местности, а крестовник и сусак встречаются исключительно по песчаным берегам рек.
Исследование поведения химических элементов в растениях отдельных типов ландшафтов показало следующее. Наибольшая концентрация химических элементов наблюдается в лесохозяйственном ландшафте в районе с. Салауш.
Ward's method 1-Pearson r
JL "Vn
am ■if к JL J
«ЛИТОФИЛЬНЫЕ»
«БИОФИЛЬ-НЫЕ»
«ТЕХНОФИЛЬНЫЕ»
Рис. 6. Обобщенная кластерная диаграмма почв
ч г
|1 С г
нижН
о
I
еклмско£ воло
V )
_
-
10)" ~
»ь
Значения фактора
1 139900
И 7071
94237
48567
Рис. 7. Модели «литологического» фактора почв
Го
У Г
ниЩ
№шск<* воя»"
,лнилиши
/ ---——.'— ' С Л
1 V ^ V
|
Ок
ь
V®-
Р т ,
Значения фактора
1 14%л1
[т%5\
ЕООО72
50512
0 4 8 12км
- горизонт А; Б - горизонт Б; расшифровку фактора см. табл. 4
ю о чо
В произрастающих здесь растениях (сосна обыкновенная, береза повислая, малина обыкновенная, полынь высокая, крапива двудомная, мох и цикорий обыкновенный) установлены повышенные содержания 17 элементов, многие из которых являются токсикантами и канцерогенами (Сг, РЪ, А8, Со, 8с, гп, ва, ве). Довольно загрязненным является садовый ландшафт. Так, в садах возле с. Иль-бухтино в дикорастущих (сурепица прямая, полынь, пастушья сумка, крапива, цикорий) и культурных растениях накапливаются 8г, РЪ, Мо, 8с, Т1, У, УЪ, ве и др. Источником загрязнения, по всей вероятности, являются промзона г. Набережные Челны и автомобильная трасса с интенсивным транспортным потоком. К традиционно неблагоприятным относится селитебный ландшафт. В черте г. Набережные Челны в дикорастущих травянистых растениях (полынь, цикорий, крапива, донник белый, ромашка лекарственная) установлены значительные концентрации 8г, Си, 8п, Ав, М§, В, Р. Высокая степень загрязнения характерна для горнотехнического ландшафта. Так, травянистые растения (мать-и-мачеха, полынь, цикорий, крапива, ромашка), произрастающие в непосредственной близости от Элеваторного карьера известняка, значительно обогащены 8с, РЪ, ва, Т1, Си, Мо, А1, М§. Наиболее «стерильным» относительно концентрации химических элементов является болотный ландшафт. Например, болотные растения (рогоз широколистный, осот шероховатый, хвощ полевой, лютик едкий, полынь и др.) в окрестностях с. Подгорный Такермен содержат в повышенных количествах только мышьяк и литий. Интересно поведение химических элементов в луговом ландшафте, исследованном в районе с. Икское Устье. С одной стороны, произрастающие здесь растения содержат повышенные концентрации Со, гг, V, 8г, гп, УЪ, что сближает их с растительностью селитебного и горнотехнического ландшафтов. С другой стороны, количество элементов, находящихся в пониженных относительно фоновых значений, содержаниях позволяет относить ландшафт к сравнительно чистым. Аналогичная картина показательна и для лесного ландшафта национального парка «Нижняя Кама», расположенного северо-восточнее г. Набережные Челны. Растительность здесь содержит повышенные концентрации гп, 8п, N1, Ве, ве, Ва, Р и пониженные - Ве, 8с, ва, Сг, Мо, Ы, УЪ, У, 8г. Повышенные концентрации элементов, по-видимому, связаны с воздействием на лесной ландшафт крупных промышленных предприятий г. Набережные Челны.
Изучение химического состава золы растений выявило некоторые закономерности поведения элементов в зависимости от типов ландшафтов, почв и особенностей подстилающих литологических разностей. Сравнение содержаний элементов в золе растений исследуемой площади с известными литературными данными [9] показывает следующее. В растениях Набережно-Челнин-ской площади концентрируются Са, 8г, Ы, Ав (рис. 8). Накопление кальция и стронция, возможно, связано с широким развитием на площади биармийских (среднепермских) карбонатных и известковистых пород. Концентрация мышьяка, также как и в почвах (рис. 5), по-видимому, обусловлена техногенным загрязнением растительного покрова. Остальные элементы в растениях находятся в рассеянном состоянии; особенно подобное состояние характерно для халь-кофильных (Си, Мо, гп) и сидерофильных (Мп, V, Сг, Со) элементов.
Рис. 8. Коэффициент концентрации химических элементов в растениях. За 1 принято содержание элементов в золе растений, по [9]
Среди изученных растений основным концентратором химических элементов является мох, в золе которого установлены аномальные содержания 19 элементов: Аз, Бс, РЪ, V, Мп, Сг, ва, ве, У, УЪ, гп, Бе, Со, Т1, N1, А1, гг, NЪ и Ы (табл. 5). Ряд растений (спорыш, мать-и-мачеха, копытень, береза, крестовник, малина, чина) характеризуется высокими значениями 10-13 элементов. Некоторые виды (ромашка, пижма, дуб, сусак) практически не концентрируют химические элементы.
Среди макроэлементов, содержащихся в золе растений, особо выделяется Мп, который накапливается в 26 опробованных видах (табл. 5). Данный факт подтверждает отнесение марганца к биофильным элементам и его концентрацию в коре выветривания пермских отложений [7]. С учетом того, что последние занимают около 80% площади исследований, кора выветривания может рассматриваться как зона питания растений марганцем. Некоторые травянистые растения (крестовник, мать-и-мачеха, одуванчик, полынь и др.) содержат повышенные количества Бе, А1 и Т1 (табл. 5). Из микроэлементов необходимо отметить Со, который накапливается в крестовнике, мхах, спорыше, иве, копытне, мать-и-мачехе, чине, березе и др. Ва, Бс и ва содержатся в повышенных количествах в крестовнике, мать-и-мачехе, спорыше, герани.
По данным кластерного и факторного анализов химические элементы растений можно объединить в три основные группы (табл. 6, рис. 9, 10). Первую группу составляют А1, Бе, Т1, V, №, гг, У, УЪ, Бс, Ве, то есть элементы пермских, неогеновых и четвертичных глин, песчаников, песков. Эти элементы условно можно отнести к «литофильным». Доля «литофильного» фактора составляет более 25% объема всей геохимической информации, заключенной в растениях.
Табл. 5
Среднее содержание элементов в золе растений, г/т
Наименование растений Ая Ва Ве Са Бе Со В 8с Р РЬ 8п Мё V Мп Оа ■п № Сг Ое А1 № Мо и гг Си УЬ № У гп 8г
Береза повислая 5 2500 0.4 83333 5333 2.7 667 1.2 35000 15 4 45000 22 9333 2.5 600 7 31 0.5 3000.0 30 0.7 18 63 42 0.4 5667 1.5 160 283
Герань 5 1000 0.8 80000 7000 1 150 3 30000 9 2 35000 10 1500 3 500 10 20 1 4000 8 2 10 50 50 0.4 6000 1.5 30 200
Донник белый 5 500 0.6 66667 3333 1.5 450 1.3 18667 5.3 2 21667 9 160 0.8 367 6 27 0.5 3333.3 9 3.2 17 37 28 0.7 5000 1.5 27 517
Дуб обыкновенный 5 500 0.8 100000 5000 1 300 0.5 5000 5 1 30000 7 100 1 700 4 25 0.5 3000 7 2.5 20 50 8 0.8 6000 1.5 30 500
Зонтичное 5 433.3 0.5 76667 6000 0.5 327 1.8 28333 10 2 38333 7 433 2.8 600 6 69 0.5 5333.3 12 2.6 23 60 40 0.7 5000 3.7 43 350
Ива 5 300 0.4 80000 2000 3 80 0.5 30000 10 2.5 30000 60 20000 1 400 4 5 0.5 2000 9 3.5 25 90 20 0.9 15000 1.5 70 400
Копытень европейский 5 500 0.9 80000 10000 3 80 3 8000 6 2.5 35000 15 1000 5 800 8 60 0.5 7000 30 1.5 10 70 30 0.4 6000 9 20 250
Костёр полевой 5 400 0.4 55000 1000 0.5 25 0.5 8000 6 1 15500 2 120 1.3 235 4 23 0.5 1900 10 3 10 20 23 0.4 4000 1.5 40 120
Крапива двудомная 5 2800 0.7 86250 5625 0.9 160 2.1 20250 8 2.9 36250 9 1063 3.4 650 7 54 0.5 7062.5 18 4.2 20 61 48 0.9 4375 4.6 40 825
Крестовник 5 500 0.7 50000 8000 3 300 3 25000 15 2.5 35000 7 2500 7 600 4 60 0.5 9000 8 3 10 70 35 1.5 7000 1.5 70 500
Купена 5 1000 0.4 100000 2000 0.5 80 1 15000 6 1 25000 3 700 2 300 8 30 0.5 1500 10 2.5 10 10 10 0.4 3000 1.5 10 250
Лещина обыкновенная 5 1950 0.6 150000 4000 1.8 750 0.5 29000 8 2 37500 5 7900 3 550 4 39 1.3 1000 33 0.7 15 50 43 0.4 4000 1.5 50 325
Липа сердцевидная 10 600 0.4 80000 2000 0.5 500 0.5 8000 4 1 25000 5 2500 3 500 4 30 0.5 1000 15 0.8 20 60 30 0.4 4000 1.5 40 150
Лютик едкий 15 150 0.7 50000 1000 1 30 1 5000 6 2 15000 3 200 3 100 4 50 0.5 700 9 1 20 10 35 0.8 2000 1.5 50 300
Малина обыкновенная 5 2000 1.2 100000 7000 0.5 250 2 25000 8 4 35000 50 15000 3 800 4 25 0.5 1000 7 2 25 80 35 1.5 10000 15 50 200
Мать-и-мачеха обыкновенная 5 500 0.9 100000 9000 2 150 10 5000 15 2 30000 8 300 8 1500 9 40 0.5 25000 10 5 20 60 40 1 7000 10 50 400
Мох 10 400 0.4 30000 20000 15 50 10 10000 25 2 10000 70 600 10 3500 9 200 1 30000 40 3 30 100 45 3 6000 20 100 40
Мятлик 6 475 0.4 32500 1750 0.6 40 0.8 11750 6 1.6 13750 5 263 1.3 275 5 30 0.75 1700 14 4.5 21 33 38 0.5 3250 1.5 45 100
Одуванчик лекарственный 5 450 0.6 65000 10000 0.8 165 2 22500 8 1 30000 20 350 5 600 8 30 0.5 6500 7 3.5 10 65 28 0.7 6500 5.8 25 400
Наименование растений Ая Ва Ве Са Бе Со В 8с Р РЬ 8п Мё V Мп Оа ■п № Сг Ое А1 N1 Мо и гг Си УЬ № У гп 8г
Орляк обыкновенный 5 3500 0.6 55000 2000 0.5 50 0.5 16000 7 2 25000 4 600 0.8 350 7 33 0.5 1900 10 0.9 15 10 38 0.4 5000 1.5 35 275
Осина 5 400 0.7 80000 2000 2 300 0.5 15000 5 1 20000 5 1000 3 300 4 20 0.5 700 10 0.8 10 20 15 0.4 2000 1.5 30 300
Осот шероховатый 5 550 0.5 65000 6000 0.8 270 0.8 50750 5 2 19000 5 2075 2 550 4 40 0.5 4000 8 2.8 50 75 33 1 17000 5.8 20 400
Пастушья сумка 5 500 0.4 80000 4000 0.5 250 0.5 70000 7 1 30000 8 150 1 300 4 20 0.5 2000 5 3.5 20 40 35 0.4 5000 1.5 30 500
Пижма обыкновенная 5 550 0.4 90000 6000 1.3 150 1.3 26500 7 2 27500 5 300 2.8 350 4 30 0.5 3500 6 2.3 23 30 27 0.7 5000 1.5 55 400
Полынь высокая 5 473 0.7 88182 8818 0.9 221 2.4 30727 10 1.7 36818 22 596 2.6 791 8 47 0.5 10318 19 3.6 17 65 49 1.2 5546 7.2 54 368
Рогоз широколистый 5 500 0.4 50000 3000 0.5 150 0.5 8000 5 1 25000 8 400 0.5 300 4 10 0.5 1000 5 2.5 200 60 25 0.4 5000 1.5 50 400
Ромашка лекарственная 5 520 0.7 59000 4800 1 183 1.8 19000 7 2.1 36000 7 460 2.6 430 7 41 0.5 4800 15 3.9 21 42 41 0.8 5900 3 47 445
Ситняг (болотница) 5 400 0.4 50000 5000 1 50 2 25000 8 2.5 15000 7 3000 5 500 4 20 0.5 6000 8 5 20 70 30 1.5 6000 1.5 60 400
Сныть обыкновенная 5 1400 0.5 65000 3000 0.8 375 0.8 27500 7 2.8 50000 6 2250 2.8 350 4 38 0.75 1250 13 2 18 30 38 0.4 5500 1.5 30 200
Сосна обыкновенная 5 500 0.6 75000 5000 2 330 0.8 29000 16 5 27500 23 3250 2.8 600 6 28 0.5 6500 20 1.5 10 75 35 0.7 4000 1.5 90 200
Спорыш 5 500 1.5 65000 17500 3.5 65 10 17500 12 1 40000 85 350 6.5 2000 10 50 0.5 33500 18 3.3 23 75 25 2.3 5500 17. 5 55 350
Сурепица прямая 5 250 0.6 80000 4000 1 140 2.5 21000 5 1 17500 6 140 0.8 350 8 11 0.5 1250 3 2.5 25 45 25 0.6 3500 1.5 5 450
Сусак зонтичный 5 200 0.4 50000 3000 0.5 80 1 30000 2 2 30000 5 1500 0.5 200 4 10 0.5 2000 3 2 10 40 25 0.9 5000 1.5 30 800
Хвощ полевой 5 500 0.7 50000 8000 0.5 150 0.5 20000 6 2 80000 5 200 1 300 8 30 0.5 1000 7 4 35 20 25 0.4 8000 1.5 50 250
Цикорий обыкновенный 6 505 0.6 91818 5636 1 238 2.4 24364 9 2.3 41364 8 386 2.5 600 7 38 0.5 8773 12 2.7 33 56 42 0.9 5818 4.9 44 486
Чина 5 700 0.8 90000 14500 2 175 4 12500 5 1.8 32500 16 450 3 1050 7 65 0.5 13500 40 3 18 70 40 0.7 5500 12. 5 30 550
Примечание: жирным шрифтом выделены аномальные содержания элементов.
Табл. 6
Факторные нагрузки в химическом составе золы растений
Элементы Фактор «литофильный» Фактор «биофильный» Фактор «технофильный»
Т1 0.936 0.030 0.032
Л1 0.925 -0.049 0.141
8с 0.892 -0.125 0.060
У 0.870 -0.107 -0.091
УЬ 0.834 0.005 0.079
V 0.834 0.193 -0.150
Бе 0.710 -0.038 0.050
гг 0.672 0.248 -0.062
Ве 0.650 -0.091 -0.141
№ 0.430 0.004 0.123
гп 0.173 0.838 0.166
8п -0.058 0.765 -0.011
Мп 0.031 0.596 -0.284
РЬ 0.457 0.576 0.440
В -0.124 0.476 -0.064
Р -0.195 0.259 0.170
Мй -0.061 0.170 0.319
Са 0.045 0.145 0.218
Ва 0.084 0.089 -0.067
8г 0.106 0.034 0.059
Na 0.118 0.014 0.031
Ы -0.027 -0.007 0.055
Мо 0.083 -0.086 0.817
Си 0.031 0.251 0.740
ва 0.677 0.154 0.342
Сг 0.397 0.027 0.115
Л« -0.013 0.010 0.112
ве -0.007 0.054 0.091
N1 0.203 0.307 -0.134
Со 0.546 0.278 -0.138
Вес фактора 25.2% 9.1% 6.7%
Примечание: жирным шрифтом выделены значимые нагрузки отдельных элементов в факторах.
По-видимому, именно состав почвообразующих материнских пород является определяющим фактором химического облика растений Набережно-Челнинской площади. Элементы второй группы (№, Са, Р, Мй, Мп, В и др.) играют важную роль в жизнедеятельности растений. Эти элементы можно выделить как «био-фильные». Наконец, третья группа объединяет элементы (РЬ, Сг, N1, Мо, ва, ве, Со, лб, Си), которые связаны с промышленно-урбанизированной нагрузкой региона и поступают в растения с пылью, атмосферными осадками и грунтовыми водами. Поэтому данные компоненты отнесены к «техногенной» ассоциации и выделены как группа «технофильных» элементов. Намечается тенденция уменьшения силы связи между элементами при переходе от «литофильной» к «технофильной» группе (рис. 10), что связывается с расширением числа элементов, вовлекаемых человечеством в «геохимический круговорот».
120 100 80 60 40 20 0
Рис. 9. Кластерная диаграмма элементов в золе растений
^ага « шешоа 1-Реагеоп г
\ Х^ л
,1 гТГ?-,
ЛИТОФИЛЬН ГРУППА
«БИС ФИЛЬНАЯ» ГРУППА
ГРУППА
Рис. 10. Факторная диаграмма элементов в золе растений. Факторы (см. табл. 6) и группы элементов: 1 - «литофильный», 2 - «биофильный», 3 - «технофильный»
Почвы
Растительность
Фактор «литофильный»
Фактор «биофилъный» (15%)
Фактор «литофильный»
Фактор «биофилъный» (22%)
Фактор «технофилъный» (16%)
«технофилъный» (16%)
ТКтор
Рис. 11. Соотношения факторов в почвах и растительности
При анализе растений, произрастающих на разных почвах, выявлены их геохимические особенности. Например, на дерново-подзолистых почвах в растениях концентрируются Ва, V, Мп, в меньшей степени - А1 и гп. В растениях лесных почв повышены содержания Ы, У, 8п. На черноземах преобладают растения с повышенными концентрациями 8г, которые значительно обеднены Мп и N1. Аналогичная тенденция в поведении элементов характерна в основном и для почв (рис. 4), что подтверждает взаимосвязи элементов в этих средах.
Проведенные биогеохимические исследования на Набережно-Челнинской площади позволяют сформулировать некоторые выводы.
1. Методами математической статистики в почвенном и растительном покровах выделены ассоциации «литофильных», «биофильных» и «технофиль-ных» элементов.
2. С применением компьютерно-математического моделирования выявлена тесная связь между химическим составом пород, почв и растительных сообществ. Вклад «литофильного» фактора в геохимический облик почвенного и растительного покровов, по сравнению с «биофильным» и «технофильным» факторами, является доминирующим, составляя более 60% (рис. 11).
3. Среди почв доминирующая роль в концентрации химических элементов принадлежит черноземам.
4. К относительно чистым ландшафтам относятся болота. К наиболее неблагополучным относятся лесохозяйственный, садовый и селитебный ландшафты, которые подвержены атмо- и гидрохимическому воздействиям промышленных предприятий и городов Набережные Челны, Менделеевск.
В заключение отметим, что биогеохимическая информация необходима при системном изучении различных сфер Земли с целью получения эмерд-жентного знания о геологическом пространстве. Напомним здесь пророческие слова В. И. Вернадского: «Изучение биохимических явлений, в своем возможно глубоком подходе, вводит нас в область неразрывного проявления явлений жизни и явлений физического строения мира, в область новых построений научной мысли будущего. В этом глубокий, и научный и философский, жгучий современный интерес проблем биогеохимических».
Основные выводы
Summary
R.Kh. Sungatullin, G.M. Sungatullina, M.I. Khaziev. Biogeochemical Research of Geological Space.
Soil and vegetation reflect ecological functions of near-surface spheres of geological space. Among the Naberezhbye Chelny area soils and vegetation studied, the most significant biogeochemical concentrators are black soils and mosses. Using mathematical statistical methods, associations of "lithophilic", "biophilic" and "technophilic" elements have been specified in soil and vegetation covering. A correlation has been revealed between geochemi-cal structure of sediments, soils, and vegetation communities. Currently, lithological compound dominates in chemical structure of soils and vegetation.
Key words: vegetation, soil, biogeochemistry, cluster diagram, factor analysis, ecology, model.
Литература
1. Трофимов В. Т. Об экологических функциях абиотических сфер Земли // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. - 2005. - № 2. - С. 59-65.
2. Экологические функции литосферы / Под ред. В.Т. Трофимов. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. - 432 с.
3. Сунгатуллин Р.Х. Интегральная геология. - Казань: Изд-во ООО «Образцовая типография», 2006. - 142 с.
4. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологические функции литосферы // Вестн. Моск. унта. Сер. 4. - 1997. - № 5. - С. 8-17.
5. Бгатов В.И. и др. Экологическая геология, объект изучения и картографирования // Отечеств. геол. - 1996. - № 5. - С. 4.
6. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию масштаба 1:50000 - 1:25000. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1990. - 127 с.
7. Сунгатуллин Р.Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). - Казань: Мастер-Лайн, 2001. - 140 с.
8. Головин А.А. и др. Оценка ущерба окружающей среде от загрязнения токсичными металлами. - М.: ИМГРЭ, 2000. - 134 с.
9. Войткевич Г.В. и др. Краткий справочник по геохимии. - М.: Недра, 1970. - 280 с.
Поступила в редакцию 20.09.07
Сунгатуллин Рафаэль Харисович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры региональной геологии и полезных ископаемых Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Сунгатуллина Гузаль Марсовна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры исторической геологии и палеонтологии Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Хазиев Марсель Ильгизович - начальник геологического отдела ООО «Татар-стангеология».
E-mail: [email protected]
