| Результаты этапа: В рамках Проекта проведены полевые работы на 11 ключевых участках, характеризующих катены в пределах водосборов первого порядка в ландшафтах тайги, подтайги и лесостепи Западной Сибири. Кроме того, обработаны материалы по трем ключевым участкам в тундровых и лесотундровых ландшафтах Западной Сибири. Всего обработано около 1000 проб почв, собранных примерно на 200 точках (включая 171 разрез), 720 – растений (характеризующих 23 вида), 56 – почвенных и поверхностных вод, 12 – кернов верхней части почв ненарушенного сложения.
Выполнены следующие виды химико-аналитических работ:
1. Лазерная дифрактометрия для исследования гранулометрического состава почв.
2. Потенциометрическое определение величины рН.
3. Кондуктометрия для определения электропроводности водной вытяжки почв и поверхностных вод.
4. Титриметрия для определения щелочности поверхностных вод и водной вытяжки из почв и определения углерода органических веществ.
5. Сухое озоление.
6. Жидкостная хроматография для анализа катионно-анионного состава поверхностных вод и водной вытяжки из почв.
7. Центрифугирование для выделения илистой фракции почв.
8. Параллельные вытяжки для извлечения четырех подвижных форм химических элементов.
9. Рентген-флуоресцентный, ICP-MS, AES-ICP для исследования элементного состава почв, растений, почвенных вытяжек и поверхностных вод.
10. Рентгеновская томография кернов почв ненарушенного сложения.
11. Рентген-дифракционный анализ для исследования минералогического состава почв.
12. AMS и LSC датировки для определения радиоуглеродного возраста органического вещества почв.
Обобщены данные по элементному и минеральному составу 980 и 170 (включая 35 проб илистой фракции) проб почв соответственно, содержанию четырех подвижных форм металлов в 980 пробах (обменные соединения по методу Tessier et al. (1979) определены в 450 пробах, а во всех пробах – 3 формы соединений по Minkina et al. (2019)), собранных на 14 ключевых участках. По сравнению с исходной заявкой объем проведенных химико-аналитических работ увеличен в два раза. Объем собранных данных сопоставим с существующими базами данных, полученных в последние десятилетия за рубежом по итогам региональных съемок в Австралии, США, Китае и Европе (например, проект GEMAS), а по подвижным формам химических элементов в почвенных катенах, накопленный материал не имеет аналогов в мире.
Опубликована 21 научная работа, в том числе 10 статей в журналах, индексируемых в базах данных «Scopus» и/или «Web of Science», из которых четыре статьи опубликовано в журналах Q1 и две статьи – в журналах Q2. Одна статья опубликована в научно-популярном издании. Подготовлено 2 пресс-релиза для СМИ. Результаты работ доложены на 6 международных конференциях и 3 – всероссийских конференциях с межународным участием (в гг. Москва, Новосибирск, Санкт-Петербург, Сочи, Тегеран) в виде девяти устных и двух постерных докладов.
В рамках настоящего Проекта ключевыми направлениями были анализ элементного состава (с особым упором на подвижные формы) и минералогического состава почв. Выбранные 10 металлов являются типоморфными элементами (Fe и Ca в исследованных ландшафтах), важными биогенными микроэлементами (Co, Cu, Mn, Zn) или приоритетными загрязнителями окружающей среды региона (Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr и Zn).
Инициативными направлениями исследований (отсутствующими в исходном плане работ по Проекту) стали:
-анализ мирового опыта нормирования качества почв по содержанию химических элементов.
-исследование элементного состава растений.
-анализ кластеризации на филогении видов-гипераккумуляторов ТММ и ПАУ.
-разработка классификации катен лесостепи Западной Сибири.
-исследование радиоуглеродного возраста органического вещества почв, включая илистую фракцию.
-анализ физических свойств кернов почв ненарушенного сложения с помощью компьютерной томографии.
Основные результаты по проекту можно сгруппировать в следующие блоки:
I. Элементный состав почв
II. Минералогия почв Западной Сибири
III. Обзор нормирования качества почв по содержанию химических элементов в России и за рубежом
IV. Радиоуглеродное датирование органического вещества почв Западной Сибири
V. Сопряженный анализ миграции веществ в элементарных и каскадных ландшафтно-геохимических системах
I. Элементный состав почв
Определены типичные уровни содержания трех подвижных форм десяти металлов в почвах Западной Сибири (мг/кг):
-обменные соединения – Ca (0,1 – 2,6%), Co (0,1 – 0,7), Cr (0,2 – 0,9), Cu (0,1 – 1,5), Fe (5 – 400), Mn (5 – 300), Ni (0,2 – 1,2), Pb (0,3 – 9), Sr (1 – 160) и Zn (0,6 – 11).
-комплексные соединения – Ca (0,02 – 0,3%), Co (0,2 – 2,2), Cr (0,01 – 0,1), Cu (0,3 – 5), Fe (50 – 1000), Mn (1 – 250), Ni (0,2 – 5), Pb (0,6 – 50), Sr (0,1 – 10) и Zn (0,7 – 25)
-сорбированные гидроксидами железа и марганца – Ca (0,1 – 1%), Co (0,2 – 3), Cr (0,3 – 3), Cu (0,5 – 4), Fe (200 – 2500), Mn (2 – 300), Ni (0,3 – 5), Pb (1 – 25), Sr (0,3 – 70) и Zn (1 – 30).
В гумусовых, срединных и нижних горизонтах от тундровых почв к таежным, подтаежным и лесостепным увеличивается среднее содержание обменных соединений Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr и Zn. Лишь в гумусовом горизонте этого ряда почв увеличивается содержание комплексных соединений Cu, Co, Ni, Pb и Fe. Зональные особенности фракционирования сорбированных соединений Co, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Sr и Zn не обнаружены. По подвижности в изученных почвах металлы образуют ряд: Mn> Zn, Ni, Co, Pb, Cu> Ca, Sr> Fe> Cr.
По соотношению подвижных соединений горизонты изученных постлитогенных почв Западной Сибири можно объединить в 5 групп: органогенные, верхние органоминеральные и элювиальные, срединные минеральные, аккумулятивно-карбонатный и глеевый. Для каждого из них выявлены преобладающие подвижные формы металлов.
Определены наиболее значимые физико-химические факторы, влияющие на радиальное и латеральное распределение металлов и форм соединений в почвах катен Западной Сибири:
-в почвах тундровых ландшафтов повышенное содержание тонких гранулометрических фракций и гумуса способствует росту содержания металлов и форм их подвижных соединений, а грубых напротив – уменьшению.
-в таежных ландшафтах наиболее ярко влияние гранулометрических фракций на радиальное распределение металлов и их соединений проявляется в текстурно-дифференцированных почвах и слабее – в глееземах и подзолах. Во всех обследованных минеральных почвах региона повышенная щелочность и гумусность способствуют росту валового содержания и форм Co, Cu, Mn, Ni, Pb и Zn и снижению содержания отдельных форм Cr, Fe и Sr.
-в подтаежных и лесостепных ландшафтах влияние гранулометрического состава на радиальное и латеральное распределение металлов и форм их соединений в почвах имеет подчиненное значение относительно величины рН и содержания гумуса.
(Лесо)тундровым почвам Западной Сибири свойственна преимущественно элювиальная дифференциация. Торфяные почвы тайги характеризуются пониженным валовым содержанием тяжелых металлов и трех их подвижных форм в верхней части почвенного профиля относительно нижней. Подзолистые почвы выделяются преимущественно элювиальной дифференциацией по валовому содержанию большинства металлов за исключением отдельных подвижных форм биофильных Mn, Zn и Ni, аккумулирующихся на биогеохимическом барьере в верхней части почвенного профиля. Подзолы тайги характеризуются исключительно элювиально-иллювиальной дифференциацией по валовому содержанию и подвижным формам всех изученных металлов со слабым накоплением на биогеохимическом барьере подвижных соединений Mn, Co, Zn, Ni, Cu. Черноземы характеризуются элювиальной дифференциацией валового содержания и обменных соединений изученных металлов (а также всех форм Ca) при накоплении на биогеохимическом барьере комплексных и сорбированных соединений Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb.
По мере уменьшения продолжительности промерзания почв в ряду ландшафтов «типичная тундра – южная тундра – лесотундра»:
-в органогенном горизонте почв уменьшается содержание обменных соединений Na, Mg, Ca и Sr, комплексных соединений Ca, подвижность Na, Mg, K, Ca, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Sr и увеличивается содержание обменных соединений Ba и Pb, комплексных соединений Al и Pb.
-в гумусовом горизонте почв уменьшается содержание комплексных соединений Mg, Ca, Cu, сорбированных соединений Na, Cu и увеличивается содержание обменных соединений и подвижность Pb.
-в минеральных горизонтах почв с нарастанием кислотности уменьшается содержание комплексных соединений Zn, подвижность Ti, Co, Ni, Zn и Sr.
Повышенное засоление (оценка выполнена по показателю электропроводности) и содержание хлора способствует:
-увеличению содержания соединений наиболее подвижных катионогенных элементов (Na, Mg, Ca, Sr, Pb), а также Cr, Fe, Cu;
-уменьшению содержания комплексных соединений Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pb.
II. Минералогия почв Западной Сибири
В валовых образцах почв Западной Сибири неглинистые минералы (кварц и полевые шпаты) значительно преобладают над глинистыми минералами. Колебания в соотношении минералов незначительны и обусловлены локальными особенностями почвообразования и генезиса материнских пород. В органоминеральных горизонтах почв тундр понижено содержание кварца и иллита относительно нижележащих минеральных и повышено – смектита и каолинита. Таежные светлоземы, дерново-подзолистые почвы и глееземы хорошо дифференцированы по минералогическому составу. В их А-горизонтах относительно породы повышено содержание каолинита. В средней части профиля (особенно в элювиальном горизонте) повышено содержание иллита и почвенных хлоритов. Темно-серые почвы и солоди севера Ишимской равнины также хорошо дифференцированы по минералогическому составу. В верхней части почвенного профиля повышено содержание минералов группы смектита. С глубиной возрастает содержание кальцита. Черноземы Западной Сибири слабо дифференцированы по минералогическому составу.
В таежных ландшафтах состав взвеси почвенных вод сильно отличается от состава почв, в том числе и по сравнению с верхними горизонтами. Преобладающими минералами взвеси являются кварц и полевые шпаты. Но их содержание гораздо выше, чем в почвах и составляет в сумме до 70% и более. Содержание глинистых минералов сильно варьирует от образца к образцу: иллит – 4-13%, хлорит – 0-4%, смектит – 0-40%. В составе взвеси почв подчиненных ландшафтов доля педогенного каолинита больше (до 3-11%), чем во взвеси почв автономных ландшафтов. В твердой фазе почвенных вод относительно илистой фракции почв содержится меньше смектита, близко количество иллита и существенно больше – полевых шпатов и кварца. В почвенных водах из глеевых подзолов содержится меньше каолинита, а в ползолистых глеевых почвах – больше, чем в илистой фракции.
Для основных горизонтов изученных почв выявлены ассоциации минералов, которые, преимущественно, наследуются от почвообразующих пород, что особенно ярко проявляется в подзолах:
Органогенные горизонты почв лесостепи Западной Сибири отличаются от органогенных горизонтов тундр, тайги и подтайги повышенным содержанием кварца, меньшей долей иллита и смектита, а также наличием значимых количеств кальцита.
В суглинистых А-горизонтах почв ландшафтного ряда «тундра – тайга – подтайга – лесостепь»:
-уменьшается содержание калиевых полевых шпатов;
-содержание каолинита и смектита максимально в темно-серых почвах, уменьшаясь к северу и югу;
-увеличивается содержание легкорастворимых и слаборастворимых минералов (в горизонте AJ появляется галит, а в AU черноземов и AJ солончаков – кальцит).
При равном соотношении глинистых и неглинистых минералов горизонт EL солодей и солонцов отличается от горизонта EL подзолистых почв повышенным содержанием иллита и смектита, а также наличием кальцита.
По сравнению с вышележащей элювиальной толщей горизонты BT и BI отличаются высоким содержанием глинистых минералов (что обусловлено, преимущественно увеличением доли смектита), и пониженным – кварца при возможном наличии доломита.
В минеральном составе илистой фракции почв (под)тайги неглинистые минералы (кварц, плагиоклаз, калиевые полевые шпаты и кальцит) имеют подчиненное значение (суммарно на них приходится 8 – 25%) относительно глинистых минералов, что отражает преимущественно педогенное происхождение вещества. Преобладает иллит и ССМ типа иллит – смектит. До 1% кальцита диагностировано в илистой фракции глееземов, подзолистых, дерново-подзолистых, темно-серых почв и солодей.
В илистой фракции изученного зонального ряда почв выявлены следующие особенности:
-В почвообразующих породах (карбонатных лессовидных суглинках и древних озерно-аллювиальных суглинках и песках) содержание глинистых минералов слабо отличается. С севера на юг уменьшается содержание кварца (а также при утяжелении гранулометрического состава) и увеличивается содержание кальцита.
-В срединных горизонтах (элювиальных и иллювиальных) содержание глинистых и неглинистых минералов наследуется от пород. С севера на юг уменьшается содержание смектита и увеличивается доля ССМ группы иллит-смектит.
-В гумусовых и органо-минеральных горизонтах с севера на юг уменьшается содержание кварца. Содержание каолинита максимально в песчаных подзолах и понижено в суглинистых почвах при обратной тенденции для ССМ.
III. Обзор нормирования качества почв по содержанию химических элементов в России и за рубежом
По итогам сравнительного анализа систем нормирования содержания химических элементов в почвах России и 10 стран мира установлено, что нормативы содержания веществ в почве разрабатывают на основе нескольких входных параметров, среди которых наиболее важны: субъект нормирования, учет геохимического фона и риска канцерогенных эффектов, действия в случае превышения норматива, универсальность показателя. В зависимости от свойств почв нормативы содержания химических элементов дифференцированы в России, Германии, Китае и Чехии; в зависимости от функциональных зон – в Канаде, Германии, ЮАР, Китае, Австралии, Новой Зеландии и США. Синергизм негативного воздействия на биоту при полиэлементном загрязнении учитывается лишь в России и США, а антагонизм в усвоении поллютантов не рассматривается.
IV. Радиоуглеродное датирование органического вещества почв Западной Сибири
По итогам анализа радиоуглеродного возраста древесных углей (в рамках договора на выполнение НИР с Институтом географии РАН), погребенных между торфом и гумусовым горизонтом в торфяной олиготрофной почве по подзолу в средней части бассейна реки Пур и Обь-Пуровском междуречье, установлено, что после пожаров середины – конца XVIII века обе территории заболачиваются (болото наступает на лес). В результате, в подчиненных ландшафтах на месте выгоревших сосновых боров на подзолах стали формироваться торфяные олиготрофные почвы. Таким образом, в краевых частях болот (или в разреженном заболоченном сосновом бору) у подножий песчаных холмов в средней части бассейна реки Пур и Обь-Пуровском междуречье возраст торфа составляет около 300 лет, а скорость торфонакопления достигает 2 мм/год.
В солодях серогумусовых и темно-гумусовых северной части Ишимской равнины возраст илистой фракции и валовых образцов с одной и той же глубины отличается в 2 раза. Илистая фракция по всему профилю серогумусовой солоди существенно старше илистой фракции темногумусовой солоди. Возраст органического вещества илистой фракции из почвообразующих карбонатных лессовидных суглинков солодей составляет 6,5 – 7,9 тыс. лет.
V. Сопряженный анализ миграции веществ в элементарных и каскадных ландшафтно-геохимических системах
5.1. Связь элементного и минералогического состава почв
По связям между минеральным составом и уровнями содержания форм металлов изученные почвы Западной Сибири можно объединить в две группы: 1. Подзолы и (дерново-)подзолистые, 2. Темно-серые и черноземы, а также сопряженные с ними солоди, солонцы и солончаки. Общей особенностью всех рассмотренных почв Западной Сибири является накопление со смектитом Cr, сорбированного гидроксидами Fe и Mn; текстурно-дифференцированных почв (солодей, (дерново-)подзолистых и темно-серых) – уменьшение содержание комплексных соединений Fe и специфически сорбированных соединений Sr с ростом количества хлорита (вероятно, почвенного хлорита), аккумулирующегося в средней части почвенного профиля.
Для подзолов и (дерново-)подзолистых почв свойственно накопление со смектитом валовых Fe и Cr, а также сорбированных Fe и Co; с каолинитом – обменных Ca, Mn, комплексных соединений Fe, Co, Cu, Zn, Pb, а также сорбированных Co и Sr; с хлоритом – сорбированных Fe и Cr. В этих почвах с ростом количества кварца значимо уменьшается содержание валовых Fe и Cr, обменного Ca и Sr, сорбированных Cr, Co, Cu, Zn, Pb.
В почвах подтайги и лесостепи Западной Сибири совместно с иллитом увеличивается содержание комплексных соединений Cr; повышенное содержание хлорита способствует уменьшению содержания комплексных соединений Fe, Ni, Cu, Zn, Pb, сорбированных – Cu, Sr и Pb. В нижней части профиля почв подтайги и лесостепи в карбонатных горизонтах совместно с кальцитом значимо увеличивается содержание обменных Ca, Sr и Pb.
По уменьшению степени влияния на радиальное и латеральное распределение металлов минеральные фазы почв образуют ряд: хлориты> смектиты, кварц> кальцит> каолинит> иллиты, плагиоклазы и полевые шпаты.
5.2. Связь элементного состава почв и растений
Химический состав ризосферного пространства черноземов слабо меняется под действием однолетних злаков и многолетней травосмеси. Степень преобразования элементного состава ризосферного пространства агрочерноземов Плавского плато уменьшается в ряду растений: соя> пшеница, козлятник > кострец.
В таежных ландшафтах Обь-Пуровского междуречья Ca и Zn с очень высокой подвижностью в подзолах относятся к энергично накапливающимся в хвое и ветках сосны. Большинство металлов (Mg, Ba, Sr, Mn, Pb, Al, Ni, Fe) с сильным накоплением среднеподвижны в подзолах. Исключениями являются биогенные K и P, а также биофильная Cu с Ах=10-1000, а также Cr с Ах=1 с достаточно низкой подвижностью. Элементы же с невысокой подвижностью (Co, Na, Ti) в подзолах тайги относятся к средне захватываемым растениями с Ах=0,1 – 1. При учете фракционно-группового состава подвижных форм элементы четко делятся на две группы: элементы с Ах>1 (P, Ca, Zn, Mn, Mg, K, Cu, Ba, Ni, Sr, Pb, Cr, Fe) имеют повышенную долю обменных и/или комплексных соединений в подзолах. У элементов с Ах<1 (V, Na, Ti, Zr) среди подвижных соединений строго преобладают сорбированные гидроксидами Fe и Mn.
В глееземах и криометаморфических почвах Большеземельской тундры элювиально-иллювиальное распределение преобладает у металлов с Ax<1 (Co, Cr, Fe, Mn). Металлы с Ax>1 (Zn, Ni, Cu, Sr) имеют преимущественно поверхностно-аккумулятивное распределение в почвах тундр за исключением Sr, у которого среди подвижных соединений преобладают обменные, которые легко мигрируют и не закрепляются в верхней части почв в условиях повышенного увлажнения.
При деградации многолетнемерзлых пород увеличится поступление тяжелых металлов и металлоидов в подчиненные ландшафты и речную сеть, что может негативно сказаться на балансе веществ в ранимых и медленно восстанавливающихся экосистемах Севера.
|
