CC BY
78
УДК: 504.54: 631.41
ЭКОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ И ЛЕСОПАРКОВЫХ ФАЦИЙ ПЕТРОЗАВОДСКА
И.М. ЯШИН1, П.В. КУЗНЕЦОВ2, А.А. ПЕТУХОВА1
(1 Кафедра экологии РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева;
2 Институт геохимии имени А.П. Виноградова СО РАН)
С помощью методов оперативного мониторинга выполнена экогеохимическая оценка состояния фаций лесопарка Петрозаводска. Выявлены особенности локального загрязнения почв и лесопарковых фаций пригорода Петрозаводска ионами тяжёлых металлов и их вовлечение в биогеохимический круговорот. Исследована водная миграция некоторых веществ в подзолах катены лесопарка: плакор (элювиальный ЭГЛ) — склон (трансэлювиальный ЭГЛ) — подошва склона увала (трансаккумулятивный ЭГЛ).
Ключевые слова: лесопарк Петрозаводска, подзолы, двучленные отложения, кислотность, миграция, сорбционные лизиметры, экогеохимическая оценка почв и фаций.
Почвы и географические ландшафты Республики Карелия изучены довольно полно, особенно активно исследования проводились в 60-70-е гг. прошлого столетия. В них участвовали сотрудники Карельского научного центра АН, Петрозаводского университета, Тимирязевской сельскохозяйственной академии, Почвенного института имени В.В. Докучаева, Санкт-Петербургского университета, Почвенного музея имени В.В. Докучаева [9, 11, 12, 14, 15, 20]. Были охарактеризованы фракционногрупповой состав гумуса, водный, тепловой, окислительно-восстановительный и пищевой режимы, промерзание и оттаивание почв, исследованы процессы глее- и подзолообразования, проведено крупномасштабное картирование почв аграрных и иных ландшафтов, осуществлены мониторинговые наблюдения в заповедниках «Кивач» и «Кижи», дана геохимическая оценка содержания микроэлементов [15, 16]. В то же время недостаточное внимание уделялось экогеохимической оценке лесных и лесопарковых фаций, их экологическому нормированию, устойчивости, самоочищению, а также функционированию почвенных барьеров миграции и специфике их трансформации. Данным вопросам и посвящена настоящая работа.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования служили почвы и фации лесопарковой катены Петрозаводска, карта-схема которой представлена на рисунке 1. Географически ключевые участки приурочены к подзоне средней тайги с типичным моренным рельефом. Ка-тена выбрана нами на С-З пригорода Петрозаводска, вблизи ул. Университетская и крупной развязки автодорог, чтобы определить интенсивность и характер антропогенного влияния на фации лесопарка. Почвообразующие породы представлены зава-луненными двучленными отложениями — крупнозернистыми песками, подстилаемыми в пределах метра бескарбонатными и каменистыми тяжёлыми суглинками.
почвенные
разрезы
лесопарковая
зона
застроенная
территория
автомобильные
дороги
: 4000
Рис. 1. Карта-схема катены лесопарка Петрозаводска; ключевые участки фаций и места установки в профиле почв сорбционных лизиметров обозначены значками Кар-1, Кар-2 и Кар-3.
Абс. отметка плакора — 141 м над у. м.
Мониторинговые изыскания почв, ландшафтов и оценка экогеохимической ситуации проводятся здесь одним из авторов с 2002 г. по научной программе РФФИ [19-21]. В 1966-1972 гг. в почвах заповедника «Кивач» изучалась1 миграция водорастворимых веществ (ВОВ), Бе- и ЛЬ-органических соединений [8, 10]. Их роль учитывалась при оценке кислотности и генезиса почв. В 2008-2009 гг. в исследовании состояния и устойчивости фаций участвовали студенты-дипломники и аспиранты РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.
Изучаемый лесопарковый ландшафт Петрозаводска представлен различными фациями: ельником мертвопокровным на подзолах иллювиально-железистых песчаных, приуроченным к плакору (Кар-1 — условно фоновый участок — здесь рубки отсутствуют, кострищ, мусора и муравейников не отмечено); ельником-черничником-сфагновым, в редколесье, на подзолах контактно-глееватых трансформированных — микрозападина на склоне увала (Кар-2; здесь отмечены очень крупные муравейники, остатки кострищ, много тропинок); ельником разнотравно-чернично-зеленомошным, в редколесье, на подзолах контактно-глееватых трансформированных — нижняя треть склона увала (Кар-3). Для сравнения и оценки степени загрязнения ионами
1 С мая по октябрь 1967 г. И.М. Яшин проходил практику после 3-го курса обучения в ТСХА (по рекомендации И.С. Кауричева) в составе экспедиции, руководимой с.н.с. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева Е.Н. Рудневой, в заповеднике «Кивач». Были установлены плоские лизиметры Шиловой в почвах, развитых на ленточных глинах (правый берег р. Суны). Осенью во время откачки из приёмных бутылей лизиметрических вод наблюдался их выброс, поскольку они были насыщены углекислым газом — продуктом трансформации ВОВ.
ТМ нами были отобраны образцы почв, мхов и лишайников с других фоновых ключевых участков, заметно удалённых от Петрозаводска: на острове Кижи в Онежском озере, в заповеднике «Кивач» и на острове Большой Соловецкий в Белом море. Особенности трансформации веществ почвенных барьеров миграции в лесопарковой катене Петрозаводска были охарактеризованы на основе сравнительного изучения их морфологии, химического состава почв и водной миграции продуктов почвообразования. Ниже приведены особенности ключевых участков лесопарковой катены, где в разные годы были установлены сорбционные лизиметры.
Разрез Кар-1. Микрорельеф бугристо-западинный. Напочвенный покров представлен куртинками черники. Морфология подзола типична для таких почв с ненарушенным сложением. С глубины 43-58 см появляются завалуненные тяжёлые суглинки, являющиеся водоупором. Здесь скорость фильтрации воды в 2,8-5,6 раза меньше, чем у микропрофиля подзола [6].
Разрез Кар-2. Редколесье и микрозападина на вырубке площадью 52 м2. Растительный покров: черника (Vaccinium myrtillus) по периферии понижения, зеленые и сфагновые мхи (Sphagnum). Эпифитных и других видов лишайников (напочвенных, накипных) не отмечено. Редко остатки кострищ, очень крупные муравейники. Лесная подстилка состоит из трёх слоёв: А0 0-2 см — очес из живых зеленых и сфагновых мхов; А0т 2-6 см — торфяный слой лесной подстилки, А0тп 6-9 см — торфяно-перегнойный, тёмно-бурый, мажущийся; Еь 9-35 см — подзолистый горизонт влажный, серый, пропитан ВОВ, бесструктурный, слабо уплотнён; Bftr 35-39 см — трансформированный иллювиально-железистый горизонт: буроватый с сизыми пятнами, сырой, супесчаный (заилен); El’gtr 39-50 см — контактно-глееватый трансформированный горизонт — белесо-сизый, сырой, средний суглинок, крупно плитчатый, очень сильно уплотненный, мелкие Fe-Mn конкреции (до 2 мм в диаметре), переход заметный по цвету. От 10%-го раствора НСЬ не вскипает по профилю.
Разрез Кар-3. Наземный покров представлен черникой (Vaccinium myrtillus) и сфагновыми мхами (Sphagnum), образующими оторфованную подстилку. Среди лесных трав в 2002 г. отмечены майник двулистный, вейник лесной. К 2008 г. лесные травы почти вытеснены зелёными и сфагновыми мхами, которые стали доминантами. Горизонты Bftr и El’gtr в профиле Кар-3 диффузионно размыты: здесь наблюдается «разгрузка» мигрантов — ВОВ и органоминеральных соединений в местный базис эрозии.
Методика
Для оценки экогеохимической ситуации были использованы методы оперативного мониторинга [11, 21]. Перед лабораторным определением химических элементов в лесных подстилках, мхах и лишайниках их пробы предварительно озолялись. Полученные результаты пересчитывали на воздушно-сухую массу субстратов. Оксиды SiO2, Fe2O3, AL2O3 определяли методом рентгено-флуоресцентного анализа, Сорг и групповой состав гумуса почв — по методу Тюрина, микроэлементы и тяжелые металлы (ТМ) — с помощью количественного атомно-эмиссионного анализа по аттестованной методике (Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск). Содержание суперэкотоксикантов — кадмия и ртути — методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Формы и масштаб водной миграции ионов микроэлементов, ТМ, а также состав и свойства ВОВ в почвах фаций изучали с помощью метода сорбционных лизиметров — МСЛ [21]. Сорбенты — ионообменные смолы (они наиболее эффективны в песчаных подзолах), оксид алюминия и низкозольный активированный уголь «карболен» смешивали с песком. В сорбентах и в элюентах элементы и Сорг определяли
холостым способом; рН в солевой вытяжке устанавливали ионометрически, гидролитическую кислотность (Нг) — с СН3СООКа, поглощённые ионы кальция и магния — на ААС (пламя ацетилен-воздух); сокращённый гранулометрический состав — методом Качинского [11].
Ключевые участки перед установкой сорбционных лизиметров картировали в детальном масштабе М 1: 500. Фотосъёмку почвенных разрезов и биоты осуществляли цифровыми фотокамерами Lumix Panasonic DMC-FZ10, Nicon Coolpix P90*.
Результаты и их обсуждение
Полевые исследования лесопарковых фаций и почв в катене показали, что за период 2002-2009 гг. по микрозападинам и ветровалам отмечено резкое сокращение эвапотранспирации, что привело к изменению гидрологического режима почв, сформированных на двучленах, активизации гидроморфизма и оглеению профилей (рис. 2). Водоудерживающая и водорегулирующая функции почв нарушены. Здесь отмечено доминирование олиготрофной растительности и очаговое заболачивание; при этом наблюдается поэтапная трансформация подзолов на двучленах с постепенным образованием болотно-подзолистых почв [3].
Кар-1 Кар-2 Кар-3
Рис. 2. Изменение морфологии подзолов, развитых на двучленах, в катене лесопарковых фаций Петрозаводска: разрез Кар-1 — на плакоре; Кар-2 — в микрозападине на вырубке;
Кар-3 — в нижней 1/3 склона увала
Нарушение водного баланса и гидрологического режима сопровождается заметным изменением морфологии и химических свойств подзолов вследствие активизации глеевого процесса и последующих трансформации веществ [(Ре(ОИ)3] горизонта Бг и формировании, в частности, Бе-органических комплексных соединений, а также их водной миграции. Элювиально-глеевый процесс связан с сорбционнокаталитическими реакциями и комплексообразованием. В нём важную роль играют
* В почвенной съёмке в 2002 г. участвовал аспирант Е.В. Мухин.
анаэробные микроорганизмы — плесневые микроскопические грибы — кислото-образователи: Mucor, Aspergillus niger, Penicillium. Процесс глеевого обезжелезнения иллювиально-железистого горизонта при застойно-промывном режиме диагностируется специалистами как «оливизация» [4, 5]. В сухой летний период 2003 и 2008 гг. нами была отмечена сильная цементация мелкозёма контактно-глееватого и в меньшей мере иных горизонтов, связанная, по-видимому, с адгезией почвенных минералов оксигидроксидами кремния, железа, алюминия.
В профиле почвы микрозападины отмечены миграционные тяжи голубоватого цвета с охристой каймой из Fe(OH)3 — они отчётливо видны на рисунке 2 (фация Кар-2). Их полная химическая диагностика и генезис требуют дальнейшего изучения. Неясны также причины, вызывающие постепенное заиливание профиля микроподзола, цементирование мелкозёма в летний засушливый сезон, изменение морфологии и свойств таких почв (табл. 1). Возможно, это обусловлено восходящей миграцией коллоидов Fe, Si, AL под защитой ВОВ из контактно-оглеенного горизонта за счёт градиентов температуры, влажности и концентрации веществ [7, 8, 14].
Химические свойства подзолов катены свидетельствуют об их очень сильнокислой реакции среды (рН колеблется от 3,0 до 4,3, что косвенно указывает на
Т а б л и ц а 1
Физико-химические свойства подзолов, развитых на двучленах, в лесопарковой катене Петрозаводска
Генети- ческий горизонт Глубина отбора образцов, см Сорг по Тюрину, % PHkol Нг S Размер фракций, мм, % Сгк/Сфк
мг-экв/100 г < 0,001 <0,01
Подзол иллювиально-железистый под ельником мертвопокровным (разрез Кар-1)
А т А0 0-6 — 3,2 39,3 15,3 — — —
Eh 9-14 0,5 3,6 4,2 5,4 0,6 3,4 0,3
Bfh 20-30 0,7 3,3 5,3 2,3 1,3 5,3 0,5
EL'g 41-46 0,4 4,1 4,1 4,7 4,9 29,7 0,3
EL'g/Bg 53-59 0,3 3,9 3,5 4,9 7,3 34,9 0,2
Подзол контактно-глееватый под ельником-черничником сфагновым (разрез Кар-2)
Л тп А0 3-10 — 3,0 47,4 19,7 — — —
Ehg 10-20 0,9 3,3 8,8 6,9 1,4 5,7 0,4
Bftr 35-39 1,3 3,4 9,3 7,3 2,3 10,4 0,7
EL'gtr 39-49 0,8 3,8 5,7 8,4 13,7 34,2 0,4
EL'gtr/B2g 50-60 0,7 4,1 4,2 5,8 19,8 38,3 0,3
Подзол контактно-глееватый под ельником разнотравно-зеленомошным (разрез Кар-3)
Л тп А0 2-9 — 3,4 44,1 16,4 — — —
Eh 10-20 0,6 3,7 6,4 5,3 1,9 9,5 0,3
Eg 30-40 1,1 3,9 4,7 6,8 2,2 14,8 0,3
Bftr 44-54 1,4 4,1 7,9 5,5 4,8 15,6 0,4
EL'gtr 57-67 0,4 4,3 5,6 8,4 21,5 39,4 0,2
П р и м е ч а н и е. * В органогенных горизонтах Сорг не определяли.
мобилизацию и участие ионов ЛЬ3+ в обменной кислотности), слабой гумусирован-ности и низкой величины суммы поглощённых щелочноземельных оснований, высокой гидролитической кислотности, в частности, в органогенных субстратах. В составе гумуса почв преобладают фульвосоединения, гуминовых веществ очень мало, о чём свидетельствует низкое отношение масс Сорг гуминовых веществ (ГВ) к Сорг фульвокислот (ФК): в пределах 0,2-0,7. Содержание частиц размером менее 0,01 мм указывает на двучленность профилей подзолов. Поверхностное оглеение подзолов в микрозападинах носит биохимический характер, приводит к мобилизации из опа-да и лесных подстилок значительных масс ВОВ с кислотными свойствами, ионов микроэлементов и ТМ из пылевых частиц и сажи, а полифенолы с ионами железа и марганца способствуют меланизации (почернению) веществ горизонтов А0тп, Еь при нисходящей водной миграции. В этой связи подзолистый горизонт Е, прокрашенный Бе-полифенольными комплексами, нередко некорректно определяют как гумусовый горизонт, а почву называют «дерново-подзолистая». Контактно-осветлённый горизонт в глубине профиля испытывает полиозацию (посерение), причём механизм оглеения здесь в большей мере обусловлен восстановительными свойствами ВОВ и комплексообразованием, а участие биоты незначительное в сравнении с верхними горизонтами [4, 5, 20]. Таким образом, процесс оглеения генетических горизонтов подзолов в микрозападинах неоднозначен по направленности и цветовой гамме, отличается различными механизмами трансформации соединений железа, их сегрегации в Бе-Мп конкреции, примазки, а также водной миграции комплексных соединений железа и других ионов металлов с полифенолами и органическими кислотами. Всё это обусловливает разнообразие форм миграции микроэлементов, ТМ, а также разную токсичность и доступность их биоте.
Заслуживает внимания очень высокая кислотность подзолов Карелии [8, 10,
12, 13, 15]. Основную роль в диагностике обменной кислотности специалисты отводят химическим реакциям мобилизации ионов ЛЬ3+ в раствор из образца почвы и их трансформации с участием воды, ионов водорода и водного раствора нейтральной соли (КСЬ) в лабораторных модельных опытах. На наш взгляд, это положение требует уточнения с позиций экологии. При диагностике кислотности таёжной экосистемы прежде всего следует выделить изучаемые уровни организации веществ. Также нужно объяснить, почему использован такой десорбент, как раствор КСЬ? Ведь в таёжных экосистемах наблюдается мобилизация ионов ЛЬ3+ в раствор, но в этом процессе участвуют не катионы калия, а ионы водорода, образующиеся при диссоциации функциональных групп органических кислот и фульвокислот; ионы водорода стоят на 1-м месте в ряду катионов-десорбентов. Затем ионы ЛЬ3+ комплексуются с кислотами, образуя устойчивые комплексные ЛЬ-органические соединения, способные к миграции [7, 8, 15]. Ионы алюминия и водорода в почвах взаимосвязаны: первый инициирует появление обменного алюминия, а трансформация последнего увеличивает концентрацию Н3О+ в результате гидролиза ЛЬ(ОН)3. В экосистемах тайги идёт активное комплексообразование, также способствующее повышению концентрации ионов водорода в растворах подзолов, а часть комплексов продуцируется биотой [2, 7, 20].
При оценке общей кислотности экосистем тайги авторами предлагается различать антропогенную компоненту («кислотные дожди»), биогенную (экологическую) и почвенную (физико-химическую). Основным источником ионов водорода является функционирующая таёжная биота. В этой связи экологическое нормирование экотоксикантов нужно ориентировать не на людей (как предполагают санитарно-
гигиенические нормативы ПДК), а на биоту: сохраним биоту, биосферу, значит, сохраним и человеческую цивилизацию. Наряду с этим экологическое нормирование загрязнителей должно учитывать и состояние барьеров миграции, где происходит аккумуляция экотоксикантов.
Токсичное действие поллютантов на биоту зависит от их формы миграции, степени окисления ионов ТМ с переменной валентностью, биодоступности, характера закрепления минералами, коллоидами и органическими лигандами [1]. Известно, что среди носителей ионов ТМ и микроэлементов в фациях тайги основную роль играют компоненты ВОВ, а также коллоиды Бе, Мп.
В целом изучаемые подзолы катены бедны микроэлементами, что согласуется с литературными данными [14, 15], но имеют повышенное содержание 8гО. В то же время для большинства из них отмечено локальное биогенное накопление в оторфо-ванных лесных подстилках — на сорбционных органогенных барьерах миграции. Нагляднее всего это выражено в почве микрозападины разреза Кар-2, где отмечены комплексные барьеры миграции. Здесь основная масса, в частности ионов ТМ первого класса опасности — ртути, кадмия и свинца, — сосредоточена в очесе — гор. А0т (0-2 см), таблица 2.
Для оценки степени и характера химического загрязнения лесопарковых фаций Петрозаводска и вовлечения ионов ТМ — кадмия, свинца и микроэлементов (меди и цинка) — в биогеохимический круговорот было изучено их содержание в золе растений (табл. 3).
Рассчитаны коэффициенты контрастности кн почв, коэффициенты биогенного накопления кбн ТМ и индексы суммарного загрязнения лесопарковых фаций. В лесной подстилке, состоящей из трёх слоёв, содержание элементов суммировалось. При расчёте коэффициента технофильности (контрастности) кн важно правильно выбрать фоновые участки в Карелии [18, 21]. Рекогносцировочные исследования, выполненные нами в 2002-2004 гг., показали, что для этих целей нельзя использовать в качестве фона почвы о. Кижи (высокоуглеродистые сланцы в почвах на шунгитах являются ёмкими сорбционными барьерами и загрязнены некоторыми ТМ) и заповедника «Кивач» — в очёсе гор. А0т было диагностировано высокое содержание Н (в нескольких километрах находится Кондопожский ЦБК). Поэтому в качестве фона были выбраны фации и подзолы острова Большой Соловецкий на удалении 7 км к северу от стен Соловецкого Кремля к Секирной горе (см. табл. 3).
Установлено, что коэффициенты контрастности кн, отражающие соотношение масс мигранта в загрязнённой и фоновой почвах, для фации Кар-1 оказались равными: Cd — 10; РЬ — 54; для почв фации Кар-2: Cd — 38; РЬ — 755. Следовательно, подзолы микрозападин лесопарка загрязняются ТМ особенно интенсивно. Использование для этих целей параметра ПДК невозможно: он не учитывает генезис почв, трансформацию барьеров миграции и должен быть усовершенствован с биогеохими-ческих позиций. Оценка загрязнения с помощью коэффициента биогенного накопления кбн показала, что в фоновой (автономной) фации Кар-1 кбн для ртути равен 10,4, свинца — 1,0 и кадмия — 4,2. В то же время кбн для фации транс-аккумулятивного ЭГЛ (микрозападины с активным оглеением профиля подзола и образованием коллоидов) были следующие: для ртути — 5,4; кадмия — 9,5 и свинца — 19,9. Таким образом, часть ионов ТМ включается в биогенный круговорот и в более концентрированном виде с опадом возвращается в лесную подстилку.
При определении степени химического загрязнения лесопарковых фаций Петрозаводска использовали показатель 1сз (индекс суммарного загрязнения) на основе
Валовое содержание тяжёлых металлов, микроэлементов и вг в подзолах лесопарковой катены Петрозаводска в 2008 г., мг/кг
Почвенный горизонт Глубина отбора, см Химические элементы
(и объекты) МпО СоО 1\1Ю СиО гпО БгО С<Ю НдО РЬО
Подзол иллювиально-железистый под ельником мертвопокровным (разрез Кар-1)
А т А0 3-7 190 4,3 12 7,0 12 210 0,21 0,114 13
БИ 9-14 220 4,6 11 6,5 16 260 0,05 0,011 13
ВГ 20-30 310 11 27 9,3 32 260 0,09 0,013 9,7
БІ’д 41-46 280 8,9 20 14 22 290 0,11 <0,002 11
БІ’д/Вд 53-59 330 12 21 17 30 310 0,06 0,004 11
Подзол контактно-глееватый под ельником-черничником сфагновым (разрез Кар-2)
А т А0 0-2 — — — 48 88 — 0,43 — 145
А т А0 2-5 — — — 7,4 21 60 0,22 — 9,1
Л тп А0 5-11 190 10 54 15 12 47 0,11 0,322 27
БИ 20-26 320 11 23 13 30 260 0,08 0,006 9,1
ВПг 31-37 290 11 23 16 32 270 0,08 0,022 10
Бі’д 43-53 350 15 32 10 <10 290 0,09 0,004 10
БІ’дМВ2д 60-70 440 19 35 32 38 270 0,08 0,013 11
Подзол контактно-глееватый под ельником разнотравно-зеленомошным (разрез Кар-3)
БИ 10-20 400 10 24 12 28 230 0,16 0,032 15
Е1д 30-40 650 20 36 9,3 39 250 0,09 0,016 11
в^ 44-55 430 15 28 17 38 240 0,07 0,018 10
Б!'д& 59-69 370 17 37 20 25 240 0,1 0,02 12
А0т после отмывки в воде — — — — 21 34 — 0,11 — 58
Зелёные мхи (2004, Кар-2) — 221 — 4,8 12,2 66 — 0,19 — 9,4
Хвоя ели (2004, Кар-2) — 223 — 3,7 5,6 26 — 0,12 — 6,2
Разнотравье о. Кижи; Р2. — 47 — 5,5 9,0 73 — 0,66 — 0,4
О. Б. Соловецкий, Р 48я Гор. Е (4-14см) — — 0,6 1,1 1,5 — 0,02 — 0,2
ПДК в почве 1500 — 85 55 100 — 0,5 2,1 32
кбн [17, 21]. Ю. Сает с соавторами (1988) предложил шкалу 1сз: 0-16 — не загрязненные экосистемы; 16-32 — слабо-, 32-64 — средне-, 64-128 — сильно- и > 128 — чрезвычайно загрязненные. Показано, что условно фоновая фация катены лесопарка Петрозаводска имеет 1сз = 15,6 и не загрязнена этими ТМ. Фация на вырубке, в редколесье (микрозападина) характеризуется 1сз = 34,8 — среднее очаговое загрязнение. В формуле Ю. Саета нами использован не кн почвой, а кбн биотой. Устойчивое оглее-
Валовое содержание тяжелых металлов и микроэлементов в растениях ели лесопарка Петрозаводска в 2008 г, мг/кг (на воздушно-сухую массу)
Опад растения Зола, % Си гп С< РЬ
Хвоя и веточки ели, растущей по периферии микрозападины* 1,9 3,6 16,0 0,07 5,0
Тот же опад растений, но после отмывки в воде 1,2 2,1 8,5 0,06 3,0
* Зольность очёса составила 0,22%, мхов — 0,15%, лишайников — 0,31%, хвои ели — 1,7%. Низкая зольность органогенных субстратов, дефицит N и обменного кальция в фациях тайги способствуют интенсивному образованию органических кислот.
ние подзолов и продуцирование в раствор ВОВ с кислотными свойствами усиливают её самоочищающую способность.
Коэффициенты биогенного накопления кбн у микроэлементов оказались равными для условно фоновой фации Кар-1 в 2008 г.: Мп — 0,9; Со — 0,9; N1 — 1,1; Си — 1,1; ¿п — 0,8; а для транс-аккумулятивной Кар-2: Мп — 0,6; Со — 0,9; N1 — 2,4; Си — 5,4; ¿п — 3,7. Следовательно, при оглеении почв активизируются мобилизация и биогенная миграция ионов никеля, меди и цинка. Ионы марганца и кобальта слабо поглощаются мхами подстилки. Поглощение ионов ТМ и микроэлементов древесной растительностью (в частности елью), произрастающими по периферии микрозападин, отличается следующими коэффициентами биогенного накопления кбн в хвое и веточках: Си — 0,3; ¿п — 1,3; РЬ — 0,6; Cd — 0,9. Микроэлементы слабо поглощаются биотой (см. табл. 3). По сведениям [1, 17], в условиях нормального развития экосистем кбн, в частности, для Бе, Н§, варьируют от 0,1 до 1,0. При антропогенном загрязнении фаций ландшафтов кбн возрастают с 1,0 до 30. Примечательно, что после 5-кратного ополаскивания образца очёса сфагнового мха в дистиллированной воде масса металлов в нём заметно снизилась. Это указывает на поступление пол-лютантов в фации лесопарка с частицами пыли, тумана, аэрозолей и сажи не только из местных, но дальних источников, возможно, из Финляндии, Норвегии, Швеции, Кондопоги, Санкт-Петербурга и Сегежи. На самом деле, спектр экотоксикантов здесь более разнообразный, чем был нами охарактеризован [1, 15] и заслуживает дальнейшего изучения.
Установлена лито-геохимическая взаимосвязь изучаемых элементов с помощью корреляционного анализа в Ехе1. Исходя из полученных значений коэффициентов корреляции, скомпонованы три группы металлов. В первую группу входит стронций. Он имеет невысокую корреляционную связь (К = 0,71- 0,95) с большинством породообразующих оксидов кремния, щелочноземельных и щелочных металлов. Накопление стронция у животных и людей вызывает «уровскую болезнь». Вторая группа металлов представлена элементами, находящимися в корреляционной зависимости с оксидами алюминия и железа (К = 0,85-0,96). К ним относятся микроэлементы группы железа — Mn, ^ и №. Оглеение почвы способствуют увеличению их доступности для растений и накоплению в них до токсичных значений, если почва загрязнена ими [4, 5, 16]. Третья группа элементов представлена кадмием, свинцом и ртутью, образующими тесную корреляционную связь с органическим веществом почвы и с анионами фосфорной кислоты (К = 0,97-0,99). Комплексообразование этих химических элементов с ВОВ и фульвокислотами подзолов переводит их в доступные для биоты и способные к водной миграции комплексные соединения [9, 17, 20].
Масштаб вертикальной нисходящей миграции компонентов ВОВ и соединений железа в подзолах контактно-глееватых на двучленах в лесопарковой катене Петрозаводска, а также в почвах фоновых стационаров Карелии: заповедников острова Кижи
и заповедника «Кивач»
Горизонт Вынос Сорг ВОВ, г/м2 за 1 год Ре3+, мг/м2 за 1 год
и глубина установки сорбционных лизиметров, см в водоацетоновом элюате из угля (ИОВ) в аммонийном элюате из угля (ФС) по сорбции ВОВ на А1_2О3 после разрушения ВОВ, 20% Н2О2 % массы ионов Ре3+, прочно связанных с ВОВ
Контроль 1. Разрез 4п. (Кар-1). Ландшафт автономный (плакор) нетрансформированный — ельник-черничник. Наблюдения: июль 2003 — июль 2004 гг.
Аот - 3 5,2 ± 1,5 2,4 ± 0,9 1,3 ± 0,5 449,2 ± 18,2 54,3
Еь - 14 4,6 ± 1,3 2,1 ± 0,8 0,9 ± 0,1 316,6 ± 27,4 59,6
В, — 36 0,5 ± 0,1 0,9 ± 0,2 0,1 ± 0,0 38,5 ± 5,7 72,4
Разрез 5п. (Кар-2). Ландшафт трансэлювиальный. Вырубка (западина с олиготрофами; средняя часть склона увала). Наблюдения: июль 2002 — июль 2003 гг.
Аотп — 5 17,9 ± 3,5 8,3 ± 1,6 4,7 ± 1,5 429,4 ± 44,9 67,2
Е^д — 12 14,1 ± 3,2 10,9 ± 1,9 2,5 ± 0,7 697,5 ± 72,1 70,4
ВАід (тр.) — 39 ВАі (не тр.)-38 3,7 ± 1,1 1,9 ± 0,7 14,4 ± 2,4 4,9 ± 1,6 0,8 ± 0,3 0,5 ± 0,1 722,5 ± 95,7 189,2 ± 17,4 70,8 76,3
Разрез 5п. (Кар-2). Ландшафт трансэлювиальный. Вырубка (западина с олиготрофами в средней части склона увала). Наблюдения: июль 2003 — июль 2004 гг.
4 — тп т А 10,5 ± 2,7 5,4 ± 1,8 3,8 ± 1,3 318,4 ± 71,5 52,7
Е^д — 11 7,9 ± 1,4 2,8 ± 0,7 2,9 ± 0,8 224,2 ± 66,9 58,6
В*д — 37 1,4 ± 0,3 2,6 ± 0,7 0,4 ± 0,0 112,8 ± 43,8 64,3
Разрез 3п. (Кар-3). Ландшафт трансаккумулятивный. Вырубка на опушке леса — нижняя 1/3 склона увала (на поверхности почвы зеленые и сфагновые мхи). Наблюдения: июль 2003 — июль 2004 гг.
Аотп — 5 14,7 ± 3,1 6,8 ± 1,4 5,8 ± 1,9 543,9 ± 112,2 59,6
ЕИд (тр.) — 15 8,5 ± 1,8 9,6 ± 2,2 4,1 ± 1,3 705,3 ± 23,8 38,4
Вд (тр.) 40 2,3 ± 0,8 3,7 ± 1,1 2,0 ± 0,6 198,2 ± 63,7 29,7
Разрез 18. Контроль 2 — заповедник «Кивач». Ландшафт автономный лесной: «Сопохский бор» — сосняк-беломошник. Почва — подзол иллювиально-гумусовожелезистый песчаный на флювиогляциальных бескарбонатных отложениях. Наблюдения: сентябрь 1971 — сентябрь 1972 гг.
Аотп — 5 1,8 ± 0,3 3,3 ± 0,7 не исп. 321,7 ± 24,1 68,1
Еь — 12 0,3 ± 0,1 3,2 ± 1,5 не исп. 391,3 ± 17,9 92,4
В,—37 0,4 ± 0,1 3,7 ± 1,3 не исп. 286,8 ± 18,4 94,3
Разрез 2. Контроль 3 — заповедник «Кижи» в Онежском озере. Ландшафт полевой с луговым разнотравьем (склон гряды). Почва: дерновая шунгитовая среднесуглинистая на аллювиальных (озерных) отложениях. Наблюдения: июль 2003 — июль 2004 гг.
4 — <с 3,4 ± 0,2 0,6 ± 0,1 0,9 ± 0,1 21,1 ± 5,4 44,7
А1 — 10 0,9 ± 0,0 0,2 ± 0,0 0,2 ± 0,0 66,7 ± 8,2 53,9
Соединения железа при оглеении подзолов на двучленах мигрируют и в коллоидной форме «под защитой» ВОВ [4, 5, 9], хотя прямых доказательств этого факта в полевых опытах пока не получено. Но при просасывании в лаборатории вытяжек из сорбентов через керамическую свечу Шамберлена отмечалось достоверное (на 21-43%) уменьшение концентрации ионных форм Бе, а на поверхности свечи накапливался бурый мажущийся осадок коллоидного гидрозоля Ре(ОИ)3.
В почвах лесопарковых фаций Петрозаводска наибольший масштаб радиальной водной миграции ВОВ установлен в подзолах микрозападин: на вырубках — 30, 9 г/м2 Сорг и в нижней трети склона увала — 27,3 г/м2. Железо мигрирует в подзолах преимущественно в форме комплексых органоминеральных соединений. Максимальный их вынос отмечен из трансформированного горизонта В( подзолов катены. Установлено, что в зимний сезон при промерзании почв наблюдается восходящий поток мигрантов, особенно активный у ионов железа и компонентов ВОВ.
В фациях лесопарковых подзолов характерен сезонный пульсирующий, но не однонаправленный нисходящий вектор миграции. Использование ионообменных смол в сорбционных лизиметрах позволило установить масштаб миграции комплексов ТМ с разными знаками заряда. Так, среди ионов-мигрантов ¿п2+, РЬ2+ преобладают фракции с отрицательным знаком заряда. Для железа данная особенность выражена в меньшей мере: заметная масса ионов железа не закомплексована органическими лигандами и имеет положительный заряд (по сорбции катионитом в Н+ форме). Возможно, это связано с ассоциацией ионов железа в коллоидные системы при оглеении и их миграции в профиле под «защитой» ВОВ, обладающих свойствами поверхностно-активных веществ [2]. Данные факты требуют уточнения.
На основе данных таблицы 5 рассчитаны градиенты барьеров миграции О [1, 15]. Показано, что для ионов ¿п2+ они равны (мг/м3 за 1 год): разрез Кар-2, гор. ЕЬ — 320, ВГ4г — 46; разрез Кар-3, гор. ЕЬ — 209, ВГ4г — минус 17. Для ионов РЬ2+ разрез Кар-2, гор. ЕЬ — 20, гор. ВГ4г — 14; разрез Кар-3, гор. ЕЬ — 46, ВГ4г — 11. Соотношение масс мигрантов в лизиметрических водах и породах позволяет судить о степени их подвижности в ландшафтах [1, 21]; она выражается через коэффициенты водной миграции кмиг (табл. 6). По сведениям [15], в ландшафтах Карелии наиболее активно мигрируют ¿п (кмиг = 306), Мо (кмиг= 19), Си (кмиг=17) и Мп и накапливаются в органогенных субстратах ионы РЬ2+, С^+ и Си2+. Активными мигрантами является Сорг ВОВ. При трансформации барьеров миграции наблюдается уменьшение кмиг. Ранее было показано, что гидрохимический состав поверхностных вод ландшафтов заповедника «Кивач» отличается заметными концентрациями ВОВ, поступающими из почв [10], причём ВОВ не насыщены ионами металлов, что и определяет их химическую активность, способность трансформировать коллоиды и почвенные минералы [2, 18, 21]. Появление миграционных ЛЬ-органических комплексов в почвенных растворах подтверждает высокую кислотность подзолов [5, 8, 10, 13]. Методика диагностики кислотности должна носить не только агрономическую, но и экологическую направленность.
Рассчитаны также абсолютные величины аккумуляции ¿п, РЬ на некоторых барьерах по формуле: Ь = кмоб (т1 - т2)/а1 - а2, взятой из работы [1]. Величины а1 и а2 выражали в %, а массы мигрантов — в мг/м2. Для Кар-2 гор. ЕЬ и В& значения Ь оказались соответственно равны (мг/м2): для ¿п — 140, РЬ — 5,3; для ¿п — 7,2, РЬ — 0,26 (табл. 6). В гор. ВГ4г коллоиды Бе, Мп сорбируют данные ионы, уменьшая их радиальную водную миграцию.
Форма и масштаб миграции соединений Ре, 2п, РЬ, а также ВОВ в подзолах катены Петрозаводска (наблюдения 12.07.2003-l5.07.2004 гг) мг/м2 ■ год-1
Горизонт и Сорг ВОВ, г/м2 Ре-органические соединения Общий вынос ТМ по сорбции ионитами гп2+ РЬ2+
глубина установки лизиметров, см по сорбции КУ-2 (Н+ форма) по сорбции АВ-17 (ОН- форма) по сорбции КУ-2 в 0,1 н. НМОз по сорбции АВ-17 в 0,1 н. ЫаОИ гп2+ РЬ2+ по сорбции анионитом АВ-17 (отрицательно заряженные комплексы)
Подзол контактно-глееватый под ельником-черничником сфагновым (разрез Кар-2)
А0тп - 7 8,7 ± 1,8 8,6 ± 2,0 260 ± 64 322 ± 91 35 5 27 4
Еь - 12 7,4 ± 1,6 14,4 ± 3,8 143 ± 72 184 ± 75 19 4 13 2
В* -36 2,1 ± 0,7 2,1 ± 0,7 74 ± 29 122 ± 59 8 0,6 6 0,4
Восходящая из г°р- ВПг 6,6 ± 1,5 8,1 ± 2,2 305 ± 95 395±124 13 2 7 1,5
Подзол контактно-глееватый под ельником разнотравно-зеленомошным (разрез Кар-3)
Аотп — 5 10,8 ± 2,7 11,6 ± 2,7 327 ±132 615±204 44 8 34 6
Е^д — 16 3,9 ± 0,8 9,4 ± 2,9 397 ± 92 422±144 21 3 14 2
В* — 40 0,4 ± 0,0 5,7 ± 1,7 85 ± 30 131 ± 58 25 0,4 17 0,1
Т а б л и ц а 6
Коэффициенты водной миграции кмиг некоторых химических элементов в фациях лесопарка Петрозаводска
Горизонт и глубина установки лизиметров, см Сухой остаток, г/л С ВОВ ^орг Ре РЬ гп Си С<^
кмиг по А.И. Перельману
Подзол иллювиально-железистый под ельником мертвопокровным (Кар-1)
А О 3 0,12 322 6,7 4166 287 637 2292
В, 36 0,08 215 5,0 1250 129 588 1875
Подзол контактно-глееватый под ельником-черничником сфагновым (Кар-2)
А0тп 7 0,17 793 5,9 968 3125 519 4118
3 О) 0,23 278 6,4 87 544 307 98
Подзол контактно-глееватый под ельником разнотравно-зеленомошным (Кар-3)
А0тп 5 0,29 370 3,7 448 216 219 3218
Вг 40 0,34 124 2,0 32 101 363 342
1. Изучены экогеохимическое состояние лесопарковых фаций Петрозаводска, их загрязнение ионами ТМ и сравнительная трансформация почвенных барьеров миграции в ка-тене. Полученные данные можно использовать при разработке параметров экологического нормирования загрязнения лесопарковых ландшафтов с учётом кн, кбн, 1сз, а также кмиг.
2. Установлено, что на вырубках уменьшается эвапотранспирация и активизируется аккумуляции в почве избытка влаги. Оглеение способствует интенсивному продуцированию ВОВ с кислотными свойствами из лесной оторфованной подстилки, которые и обусловливают мобилизацию из пыли, сажи, а также из почвенных минералов и коллоидов различных ионов ТМ и микроэлементов.
3. Аккумуляция ионов тяжелых металлов в лесопарковых фациях Петрозаводска происходит на органогенных и биогенных сорбционных барьерах миграции локально. Выявлен атмосферный вектор поступления химических элементов в почвы и лесопарковые ландшафты. Происходит очаговое загрязнение ТМ (Б^, С4 РЬ) фаций и почв лесопарка, но степень их загрязнения пока низкая.
4. Трансформация нативных горизонтов Вг сопровождается перераспределением в профилях подзолов химических элементов по сравнению с ненарушенными аналогами плакоров. Интерпретация результатов валового анализа применительно к почвам с неоднородным сложением профиля затруднительна. Можно говорить лишь о тенденции варьирования признаков и свойств подобных почв.
5. Установлена геохимическая связь ионов суперэкотоксикантов РЬ, и Cd с органическим веществом почвы (и ВОВ), что было подтверждено данными корреляционного анализа. Ионы ТМ загрязняют фации лесопарка и могут вызвать также локальное загрязнение грунтовых вод, ягод и грибов: необходим их мониторинг.
6. С помощью метода сорбционных лизиметров установлена динамика масштаба миграции ВОВ и формы миграции соединений ТМ и Бе с разными знаками зарядов в подзолах лесопарка. Элементы с высокими Кларками являются слабыми мигрантами.
7. Охарактеризованы градиенты барьеров, коэффициенты интенсивности водной миграции кмиг некоторых химических элементов в лесопарковом ландшафте Петрозаводска. Наиболее активно мигрируют Сорг, Cd, РЬ, Си. Высокую миграционную способность ТМ обеспечивают ВОВ и комплексообразование.
Библиографический список
1. Алексеенко В.А. Миграция и концентрация химических элементов в биосфере: В кн. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. С. 259-296.
2. Варшал Г.М., Кащеева И.Я, Сироткина И.С. и др. Изучение органических кислот поверхностных вод и их взаимодействия с ионами металлов // Геохимия, 1979. № 4. С. 598-607.
3. Васенев И.И. Почвенные сукцессии. М.: ЛКИ, 2008.
4. Водяницкий Ю.Н. Изучение тяжёлых металлов в почвах. М.: Почв. ин-т имени
B.В. Докучаева, 2005.
5. Зайдельман Ф.Р. Трансформация органического вещества при оглеении и его роль в миграции Бе, ЛЬ: В кн. Подзоло- и глееобразование. М.: Наука, 1974.
6. Карпачевский Л.О. Лизиметрические методы оценки выноса веществ из почвы: В кн. Лес и лесные почвы. М.: Лесная промышленность, 1981. С. 69-76.
7. Карпухин А.И., Яшин И.М., Черников В.А. Формирование и миграция комплексов водорастворимых органических веществ с ионами тяжёлых металлов // Известия ТСХА, 1993. Вып. 2. С. 107-126.
8. Кауричев И.С., Ноздрунова Е.М. Условия образования и масштабы миграции органоминеральных соединений в почвах таёжно-лесной зоны // Известия ТСХА, 1969. Вып. 3.
C. 103-110.
9. Кауричев И.С., Яшин И.М. Образование водорастворимых органических веществ как стадия превращения растительных остатков // Известия ТСХА, 1989. Вып. 1. С. 47- 57.
10. Кауричев И.С., Кащенко В.С., Яшин И.М. Некоторые аспекты подзолообразования в почвах средней тайги // Известия ТСХА, 1976. Вып. 2. С. 81-90.
11. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами / Н.Г. Зырин,
С.Г Малахов. М.: МГУ, 1981.
12. Морозова Р.М. Почвообразование на песчаных отложениях Карелии: В кн. Почвы лесов Карелии. Петрозаводск: Ин-т Леса КНЦ, 1978. С. 4-43.
13. Морозова Р.М., Федорец Н.Г. Современные процессы почвообразования в хвойных лесах Карелии. Петрозаводск, 1992.
14. Петрухин В.А. Фоновое содержание Pb, Hg, As, Cd в природных средах (по мировым данным) // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. Вып. 3. С. 3-27.
15. Перевозчикова Е.М, Тойкка М.А, Левкина Т.И. К геохимии микроэлементов в ландшафтах Карелии (материалы к Х Международному съезду почвоведов): В кн. Почвенные исследования в Карелии. Петрозаводск: Ин-т Леса КНЦ, 1974. С. 23-36.
16. Почвы Карелии: геохимический атлас / Н.Г. Федорец, О.Н. Бахмет, А.Н. Солодовников, А.К. Морозов. Петрозаводск: Ин-т леса КарНЦ РАН. М.: Наука, 2008.
17. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Наука. 1990.
18. Федорец Н.Г., Бахмет О.Н., Морозова Р.М., Солодовников А.Н. Почвы и почвенный покров особо охраняемых природных территорий Карелии. Петрозаводск: Ин-т Леса РАН, 2009.
19. Яшин И. М. Водная миграция веществ в глееподзолистых почвах северной тайги // Известия ТСХА, 2006. Вып. 4. С. 21-27.
20. Яшин И.М., Кауричев И.С. Особенности процессов глее- и подзолообразования в почвах таёжных экосистем // Известия ТСХА, 1996. Вып. 1. С. 79-97.
21. Яшин И.М., Карпачевский Л.О. Экогеохимия ландшафтов: Уч.-практ. пособ. М.: Изд-во РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева, 2010.
Рецензенты: д. б. н. Л.О. Карпачевский, д. с.-х. н. И.Г. Платонов SUMMARY
By the instrumentality of on-line monitoring methods, eco-geochemical evaluation of recreational forest facies condition in Petrozavodsk has been made. Peculiarities of both local soils contamination and recreational facies contamination in Petrozavodsk suburb with heavy metals ions are discovered, their involvement into biochemical circulation has been discovered besides. Water migration of some substances is investigated in recreational forest catena podzols: plane (plakos) (eluvial) - slope trans-eluvial - ridge slope base (trans-accumulative).
Key words: Petrozavodsk recreational forest, binary deposits, acidity, migration, sorptive lysimeters, eco-geochemical assessment of both soils and facies.
Яшин Иван Михайлович — д. б. н. Тел. (499) 976-45-60. Эл. почта: imja2005@mail.ru
Кузнецов Петр Викторович — асп. кафедры экологии. Тел. (499) 976-45-60.
Петухова Анастасия Александровна — асп. кафедры экологии. Тел. (499) 976-45-60.
