CC BY
59
мают аномалии pH, натрия, аммиака, хлоридов и общей минера- 4. Одна и та же геохимическая аномалия в сочетании с анома-
лизации поверхностных вод, а также аномалии органического ве- лиями других веществ имеет разное влияние на онкологическую щества, суммы изомеров ДДТ и ГХЦГ, радия и урана в донных заболеваемость. отложениях.
Библиографический список
1. Скальный, А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. - М.: Издательский дом "ОНИКС 21 век": МИР, 2004.
2. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология / А.П. Авцын, А.А.Жаворонков, М.А. Риш, М.С. Строчкова. -М.: Медицина, 1991.
3. Скальный, А.В. Микроэлементозы человека (диагностика и лечение). - М.: Изд-во КМК, 1999.
Статья поступила в редакцию 12.08.10
УДК 631.42
А.В. Пузанов, д-р биол. наук, проф., зам. дир. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; А.В. Салтыков, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; Т.А. Рождественская, канд. биол. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected]
ПОЧВЕННО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОДОСБОРНОГО БАССЕЙНА РЕКИ ТОМИ
Исследованы почвенно-биогеохимические условия формирования гидрохимического стока р. Томи. Выявлено, что в иллювиальных горизонтах почв формируется мощный геохимический барьер, препятствующий миграции элементов за пределы почвенного профиля. Значительное поступление токсикантов в поверхностные воды в больших количествах возможно только в результате естественной химической денудации почвенного покрова и под действием антропогенной нагрузки.
Ключевые слова: почвенный покров, свойства почв, токсиканты, геохимические барьеры.
Химический состав поверхностных вод определяется комплексом природных условий и масштабом антропогенных нагрузок на наземные и водные экосистемы. Одним из главных факторов формирования гидрохимического стока является почвенно-биогеохимическая обстановка.
Гидрохимическое значение почв определяется их химическим составом, инфильтрационной и водоудерживающей способностью, зависящей, в свою очередь, от гранулометрического состава, структуры, плотности, влажности, содержания органического вещества, характера растительности, глубины и интенсивности промерзания [1-4]. В результате контакта с подстилающей поверхностью атмосферные осадки обогащаются минеральными и органическими соединениями в зависимости от степени их мобильности и интенсивности химических и биологических процессов в ландшафтах. Часть поступившей в почву влаги фильтруется через почвенную толщу и рыхлые породы, а затем поступает в поверхностные и подземные воды.
Изучение почв имеет большое значение, т.к. их свойства определяют аспекты миграции и аккумуляции экологически важных химических веществ. К основным почвенно-биогеохимическим факторам, определяющим формирование потока токсикантов с водосбора в реки, относится содержание гумуса в почве, соотношение его компонентов, емкость катионного обмена, реакция среды, гранулометрический состав, наличие и количество карбонатов, положение почв в системе сопряженных ландшафтов.
Цель работы - выявление почвенно-биогеохимических особенностей формирования гидрохимического стока р. Томи, в бассейне которой наличие ореолов рассеяния ртутных и полиметаллических месторождений и мощный антропогенный прессинг (негативное влияние предприятий цветной и черной металлургии, горнорудной, химической и угледобывающей промышленности, коммунально-бытового и сельского хозяйства, лесоперерабатывающей отрасли) обусловили сложную экологическую обстановку. Почвенный покров и верхнечетвертичные отложения являются основными факторами, определяющими химию поверхностных вод бассейна. Именно депонирующая роль педосферы как на загрязненных, так и фоновых территориях определяет бассейновый баланс химических элементов и их соединений.
Основу структуры почвенного покрова бассейна р. Томь образуют горно-тундровые, горно-луговые, горно-лесные, аллювиальные почвы и чернозёмы. Рассматриваемые почвы являются компонентами различных элементарных геохимических лан-
дшафтов (элювиальных, транзитных, аккумулятивных), что определяет интенсивность и направленность миграционных потоков химических элементов и их соединений.
Почвы альпийского пояса представлены горно-тундровыми торфянистыми, горно-тундровыми перегнойными и горнотундровыми дерновыми подтипами. Большую часть года они находятся в мёрзлом состоянии. Это является причиной очень медленных перемещений веществ по почвенному профилю, осаждения их в виде плёнок и натёков на крупных элементах почвенного скелета.
К обнажениям горных пород, обширным каменным полям и курумам приурочены примитивные горно-тундровые почвы мощностью 1-2 см, с очень низким содержанием оснований. Заметная биогенная аккумуляция кремнезёма и особенно полуторных окислов придаёт им бурый или ржаво-бурый цвет.
Формирование горно-тундровых торфянистых почв происходит обычно на восточных и северных холодных и переувлаж-нённых склонах с обильной мохово-кустарниковой растительностью. Их мощность около 50 см. Реакция среды - очень кислая. Органическое вещество характеризуется малой гумификацией и низкой минерализованностью. На поверхности его содержание достигает 60-80%, на глубине 30-40 см снижается до 5-7%. В составе гумуса преобладают фульвокислоты.
Под мохово-лишайниково-кустарниковой растительностью на относительно крутых склонах южной и юго-западной экспозиции формируются горно-тундровые перегнойные почвы. Они очень кислые, что обусловлено наличием значительных количеств обменного алюминия и гумусовых кислот. В верхней части профиля чётко прослеживается накопление окислов кремния, железа и алюминия. Гумус этих почв грубый, слаборазложившийся, с преобладанием фульвокислот.
Под альпийскими лугами, располагающимися отдельными полосами и куртинами на более низких отметках, развиваются горно-луговые почвы. В зависимости от рельефа и условий дре-нированности в их профиле могут обнаруживаться признаки оглеения или оторфовывания верхней части аккумулятивного горизонта. Горно-луговые почвы характеризуются сероватокоричневой окраской и непрочно-зернистой структурой, высокой обменной и гидролитической кислотностью. Содержание гумуса колеблется от 11 до 17%.
Лесные почвы формируются по склонам гор в условиях промывного водного режима. Под пихтовыми, осиново-пихто-
выми и берёзово-пихтовыми лесами распространены горные дерново-подзолистые почвы, под более светлыми пихтово-осиновыми, пихтово-берёзовыми, осиновыми и берёзовыми лесами - горные серые лесные почвы.
В связи с почти полным отсутствием физического испарения почвенной влаги и большим количеством осадков характерной особенностью лесных почв является быстрое разрушение подстилки в первый же год несмотря на довольно значительное ежегодное поступление лесного (30-40 ц/га сухих веществ) и травянистого (25-35 ц/га и более) опада. Это находит отражение как в формировании почвенного профиля весьма значительной мощности, так и огромной биологической активности и интенсивности гумусонакопления [5].
Подзолистые почвы в бассейне реки Томи распространены локально по северным склонам горных массивов под пихтовыми растительными ассоциациями на бурых бескарбонатных глинах. Они формируются в условиях промывного водного режима, где под действием почвенного раствора, содержащего органические кислоты, происходит распад и вынос из верхней части почвенной толщи продуктов распада первичных и вторичных минералов, а также частичный вынос неразрушенной илистой фракции. Основными признаками подзолистых почв являются малая мощность гумусового, наличие оподзоленного и мощного и самого плотного иллювиального горизонта.
Дерново-подзолистые почвы распространены достаточно широко, формируются в пределах наиболее дренированных участков на бурых бескарбонатных глинах. Профиль этих почв резко дифференцирован по морфологическому строению, химическим, физико-химическим и физическим свойствам на элювиальную и иллювиальную части. Общая его мощность обычно составляет 120-130 см. Хорошо выражены дерновый и гумусово-элювиальный горизонты общей мощностью 8-12 см и содержанием гумуса 2-4 %. Они имеют кислую или слабокислую реакцию среды. В отличие от подзолистых почв, для этого типа характерны более мощный гумусовый и менее выраженный опод-золенный горизонты.
Бурые лесные почвы формируются в верхнем ярусе лесного пояса под кедровыми и кедрово-пихтовыми растительными ассоциациями на суглинисто-щебнистом элювии и элювио-делю-вии плотных осадочных, метаморфических и магматических породах. Наиболее характерными их признаками являются слабая дифференциация на генетические горизонты, сравнительно равномерная и однотонная бурая или коричневато-бурая окраска (за исключением гумусового горизонта), метаморфическое огли-нивание всей толщи профиля и отсутствие или слабо выраженное распределение кремнезёма.
Серые лесные почвы формируются под смешанными осиново-пихтовыми и берёзово-пихтовыми, а также лиственными осиновыми и осиново-берёзовыми лесами. Они характеризуются меньшей степенью текстурной дифференциации профиля, отсутствием или слабовыраженным оподзоленным и менее мощным и плотным иллювиальным горизонтами, более мощным гумусовым горизонтом и аккумуляцией гумуса в нем.
Гумусовый горизонт лесных почв легкосуглинистый (горные серые лесные почвы), среднесуглинистый или тяжелосуглинистый (горные дерново-подзолистые почвы). Мощность его колеблется от 5 до 90 см: максимальная отмечена в горных серых лесных почвах под пихтовыми папоротниково-разнотравными лесами в нижней части западных склонов, а минимальная - в горных дерново-подзолистых почвах под осиново-пихтовыми злаково-разнотравными лесами в нижней части северного склона на бурых бескарбонатных глинах. Подзолистый горизонт имеет лёгкосугли-нистый гранулометрический состав. В горных серых лесных почвах он слабо выражен, а может и полностью отсутствовать.
Иллювиальный горизонт отличается среднесуглинистым или тяжелосуглинистым гранулометрическим составом, богат гумусовыми, железистыми и глинистыми плёнками и затёками. Его мощность может достигать очень больших размеров, например, в горных дерново-подзолистых почвах под осиново-пихтовыми разнотравно-папоротниковыми лесами в средней части северо-северо-восточных склонов на бурых бескарбонатных глинах - до 2 м.
Горные лесные почвы отличаются высоким содержанием гумуса в верхней части профиля (до 16%). Наибольшее его количество отмечается в серых лесных почвах под берёзово-пихтовыми разнотравно-папоротниковыми (до 16%), под разнотравно-осочковыми (до 12%) и под злаково-разнотравно-папоротниковыми (до 11%), а также в дерново-подзолистых почвах под пихтовыми разнотравно-злаковыми (до 13%) и папоротниково-разнотравными (до 10%) лесами. Наименьшее содержание гумуса -в серых лесных почвах под берёзово-пихтовыми разнотравнозлаковыми (до 2%) и под дерново-подзолистыми почвами под пихтовыми злаково-разнотравными (до 3%) лесами.
Наиболее низкие значения pH наблюдаются в иллювиальном горизонте серых лесных почв под осиново-берёзово-пихтовыми разнотравно-папоротниково-злаковыми лесами в средней части восточных склонов на гранитовом элювии (4,7) и под пихтовыми разнотравно-злаковыми лесами в средней части южных склонов на гранитовом элювии (4,8). Высокие значения pH характерны для серых лесных почв под пихтовыми папоротниковоразнотравными лесами в нижней части западных склонов на бурых глинах с включением сланцевого делювия (7,8).
Лесные почвы по содержанию гранулометрических фракций изменяются от легкосуглинистых до легкоглинистых. В целом содержание физической глины изменяется в широких пределах - от 15% (гумусовый горизонт дерново-подзолистых почв под осиново-пихтовыми злаково-разнотравными лесами в нижней части северного склона на бурых глинах) до 65% (иллювиальный горизонт дерново-подзолистых почв под пихтовым разнотравным лесом у основания склона на бурых глинах с включением окарбоначенного сланцевого делювия). Распределение илистых частиц в почвенном профиле имеет выраженный элювиально-иллювиальный характер. Их содержание в гумусовом горизонте дерново-подзолистых почв колеблется от 6 до 25%, серых лесных почв - от 6 до 24%. Иллювиальный горизонт более насыщен илом: дерново-подзолистых почв - от 16 до 39%, серых лесных почв - от 11 до 27%.
Емкость поглощения в горных лесных почвах варьирует от 15 до 65 мг-экв/100 г почвы. Заметное снижение катионного обмена отмечается в элювиальном горизонте дерново-подзолистых почв под берёзово-пихтовыми разнотравно-осочковыми лесами в верхней части юго-юго-западных склонов на бурой глине (до 11 мг-экв/100 г почвы).
У подножий горных массивов под разнотравно-злаковой луговой растительностью происходит формирование чернозёмов выщелоченных и оподзоленных. Они характеризуются сравнительно мощным гумусовым горизонтом (до 40-60 см) со средним содержанием гумуса около 7%. Емкость поглощения чернозёмов высокая, реакция среды почвенного раствора в верхних горизонтах нейтральная или близкая к нейтральной, а в нижних -щелочная.
Лугово-чернозёмные и луговые почвы занимают подчинённые позиции рельефа. Признаки гидроморфизма в этих почвах выражены в виде охристых и сизых пятен, а также в повышенной потёчности гумуса. Реакция почвенной среды в верхней части профиля нейтральная, в нижней - слабощелочная.
Из аллювиальных почв в бассейне Томи встречаются аллювиальные слоистые, аллювиальные дерновые и аллювиальные луговые. Непосредственно к рекам примыкают слоистые аллювиальные почвы, имеющие отчётливо выраженную слоистость, где мощность каждого слоя обычно не превышает 10 см. Содержание гумуса в этих почвах колеблется в широких пределах, но, как правило, не превышает 6 %.
Аллювиальные луговые почвы приурочены к плоским равнинным участкам, пологим гривам и к неглубоким межгривным понижениям в центральной пойме. Они формируются в условиях затопления спокойными паводковыми водами под влажными разнотравно-злаковыми лугами и влажными лесами. Профиль этих почв хорошо развит с достаточной выраженностью гумусового горизонта, мощность которого достигает 50 см, а содержание гумуса в нем составляет 6-9 %.
Аллювиальные дерновые почвы формируются под остеп-нёнными лугами, кустарниками и прирусловыми лесами, в усло-
виях кратковременного затопления. Во внепаводковый период капиллярная кайма грунтовых вод опускается за пределы почвенного профиля. Хорошо сформированный гумусовый горизонт мощностью 25-35 см имеет комковато-зернистую структуру. Содержание гумуса в нем варьирует от 4 до 10%, постепенно уменьшаясь вниз. Обнаруживаются также и погребённые гумусовые горизонты. Реакция среды по всему профилю слабокислая или близкая к нейтральной. Сумма поглощённых оснований в верхних горизонтах высокая, с глубиной она уменьшается. Емкость катионного обмена в аллювиальных почвах находится в пределах от 10 до 30 мг-экв/100 г. Реакция почвенного раствора изменяется от кислой до щелочной.
Почвенный покров - ведущий рассредоточенный источник поступления загрязнителей в гидросеть бассейна Томи. Нарушение почвенного покрова Кузнецкой котловины в процессе горных работ привело к резкому увеличению поступления тонкодисперсного (глинистого и илистого) биогеохимически активного гумусированного материала в гидрологическую сеть, что негативно сказывается на качестве воды. В районах, прилегающих к угледобывающим предприятиям и местам транспортировки угля, кардинально изменился баланс углерода в биогеоценозах. Огромные контуры отвалов горных пород являются источниками загрязнений не только почв, но и вод. На дневной поверхности процессы гипергенеза протекают значительно активнее, а продукты выветривания, вступая в реакцию с фульвокислотами почв, становятся более миграционноспособными. Нарушение гумусосферы в широких масштабах сопровождается изменением отражательной способности земной поверхности и влечет за собой микро- и мезоклиматические изменения. Выбросы предприятий черной и цветной металлургии, а также горнодобывающей промышленности привели к локальному загрязнению почв свинцом, кадмием, цинком, медью, хромом и мышьяком [5-7]. Коэффициент накопления ^с), отражающий отношение содержания тяжелых металлов в загрязненной почве к фоновому, в почвенном покрове г. Новокузнецка достигает 32-128 единиц [8]. Почвы, формирующиеся над полиметаллическим и ртутными месторождениями Горной Шории и Кузнецкого Алатау, характеризуются высоким содержанием РЬ, Щ, Сг, V, Cd, Со, Zn, а геохимические ореолы рассеяния свидетельствуют о поступлении мобильных соединений этих элементов в гидросеть.
Широкомасштабное сведение пихтовых и пихтово-кедровых лесов в низкогорном и среднегорном поясах Кузнецкого Алатау и Горной Шории вызвало региональное изменение биологического круговорота макроэлементов (азот, фосфор, калий) и микроэлементов (Мп, Zn, Си, Со, В, Fe), обусловило повышенное содержание в поверхностных водах азота, железа, спровоцировало мощные эрозионные процессы в условиях склоновых поверхностей транзитных ландшафтов. Эродированные поверхности почв и четвертичных тяжелосуглинистых и глинистых отложений отличаются высоким содержанием фракций физической глины (<0,01 мм) и ила (<0,001 мм) [5]. Если ненарушенные геосистемы черневой тайги Кузнецкого Алатау депонировали весь спектр загрязнений, поступающих с господствующим западным переносом, то сведение лесов и мощная эрозия почвенного покрова обусловливают загрязнение поверхностных вод не только при-
Библиографический список
родными компонентами, но и антропогенными. Таким образом, для бассейна Средней Томи (Кемеровская область) рекультивация почв и противоэрозионные мероприятия являются приоритетными природоохранными мероприятиями, способствующими улучшению качества поверхностных и грунтовых вод.
В настоящее время пахотные почвы в бассейне Томи низко-и среднеобеспечены доступными соединениями S, N Р, К, и элементы, вносимые в малых дозах с удобрениями, практически полностью выносятся растениями из почвы, а оставшаяся малая часть фиксируется почвенно-поглощающим комплексом. В целом, содержание химических элементов в педосфере фоновых территорий бассейна р. Томи находится на уровне кларка (табл.).
Элементный химический состав почв бассейна р.Томи
Химический элемент Среднее содержание, мг/кг
Фосфор 690+64
Титан 57004244
Марганец 785+59
Барий 375+19
Стронций 216+9
Ванадий 113+7
Никель 39+2,6
Кобальт 21+1,9
Цирконий 334+32
Ниобий 20+1,4
Иттрий 43+2,4
Медь 42+2,5
Свинец 23+1,8
Цинк 51+3,3
Бериллий 3,2+0,3
Скандий 17+1,5
Олово 2,4+0,3
Молибден 3,1+0,3
Ртуть 0,065+0,005
Таким образом, почвы бассейна Томи в целом характеризуются высоким содержанием фульвокислот (до 40% от общего содержания гумуса), имеют кислую и слабокислую реакцию среды, которая способствует усилению темпов миграции микроэлементов группы железа: Мп, Zn, Со, Си и т.д. С другой стороны, в иллювиальных горизонтах почв формируется мощный сорбционный геохимический барьер, препятствующий миграции элементов за пределы почвенного профиля. Благодаря относительно высокой гумусированности горно-лесных почв, в гумусовых горизонтах возможно также биогенное накопление элементов. Поэтому в такой обстановке можно ожидать значительного поступления элементов в поверхностные и грунтовые воды в результате естественной химической денудации почвенного покрова и под действием антропогенной нагрузки.
1. Алябина, Г. А. Особенности формирования внешней нагрузки на водные объекты в урбанизированных ландшафтах / Г. А. Алябина, И.Н. Сорокин // Изв. Рус. геогр. общества. - 2001. - Т. 133. - Вып. 1.
2. Кузьмин, В.А. Химический состав вод притоков юго-западного и южного Байкала и его связь с природной обстановкой // География и природные ресурсы. - 1998. - №1.
3. Румянцев, В.А. Качество водных ресурсов Ладожского озера: приоритетные факторы формирования и тенденции изменения / В.А. Румянцев, В.Г. Драбкова, С.А. Кондратьев // Изв. Рус. геогр. Общества. - 2001. - Т. 133. - Вып. 1.
4. Шилькрот, ГС. Механизмы, управляющие химическим составом речных и озерных вод / Г.С. Шилькрот // Изв. Рос. АН. Серия геогр. -199 8. - №4.
5. Трофимов, С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. - Новосибирск: Наука, 1975.
6. Ильин, В.Б. О загрязнении тяжелыми металлами почв и сельскохозяйственных культур предприятием цветной металлургии // Агрохимия. - 1990. - №3.
7. Ильин, В.Б. Загрязнение тяжелыми металлами огородных почв и культур в городах Кузбасса // Агрохимия. - 1991. - №7.
8. кологическая карта Кемеровской области. 1:500000. - -2М., 1995.
Статья поступила в редакцию 14.07.10
