Магнитная восприимчивость и эколого-геохимическая оценка почвенного покрова урбанизированных территорий восточной окраины русской равнины (стр. 1 )

На правах рукописи

 

ЛОБАНОВА Евгения Сергеевна

Магнитная восприимчивость и эколого-геохимическая оценка почвенного покрова

урбанизированных территорий восточной

окраины русской равнины

(на примере г. Перми)

Специальность 03.02.13 Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Уфа 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика »

Научный руководитель ВАСИЛЬЕВ Андрей Алексеевич

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент.

Официальные оппоненты: СУЛЕЙМАНОВ Руслан Римович

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвоведения Учреждения Российской академии наук Институт биологии УНЦ РАН;

БУСОРГИНА Нина Александровна

кандидат сельскохозяйственных наук,

доцент кафедры лесоустройства и экологии ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет».

Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, .

Тел./факс + 7(3

E-mail: *****@***ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «8» ноября 2013 г. и размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации www. vak. ***** и сайте ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ www. *****

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время элементное химическое загрязнение почвенного покрова урбанизированных территорий является одной из самых актуальных проблем для науки и общественности. Тяжелые металлы (ТМ) в почвах тесно ассоциированы с магнетитом, маггемитом и другими ферримагнетиками (ФМ), что позволяет использовать полевые и лабораторные методы измерения магнитной восприимчивости (MB) для диагностики загрязнения почв ТМ. Однако, в ряде случаев, из-за особенностей техногенной магнитно-геохимической специализации или геологических условий территории, между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах прямая связь отсутствует или она обратная [, 1996; , 2006; , 2012; Karimi R., 2011; Zawadzki J., 2012], что определяет актуальность изучения этой проблемы на региональном уровне.

Степень разработанности темы. Город Пермь - мегаполис с населением свыше 1 млн. человек, является крупным центром многоотраслевой промышленности и энергетики на востоке Европейской части России. Несмотря на исследования [1998], [2005], [2008], [2009], [2010], [2012], И. С Копылова [2012] и др., гетерогенность магнитной фазы и элементного химического состава почв г. Перми на профильном и территориальном уровне охарактеризована недостаточно, а закономерности взаимосвязи между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах города изучены не в полной мере. Сведения о MB почв города до настоящего времени не были систематизированы, картографический анализ магнитного состояния почвенного покрова города не был выполнен.

Цели и задачи. Цель исследований - изучить особенности МВ, элементного химического состава почв г. Перми и теоретически обосновать применение магнитометрии для эколого-геохимической оценки почвенного покрова урбанизированных территорий восточной окраины Русской равнины.

Задачи: 1) Изучить профильную неоднородность МВ почв. 2) Выполнить каппаметрическую съемку и составить картосхему МВ почвенного покрова г. Перми. 3) Изучить сезонную динамику МВ поверхностного слоя почв. 4) Определить и оценить элементный химический состав почв. 5) Методом мёссбауэровской спектроскопии исследовать железосодержащую фазу почв. 6) Установить индикационное значение MB для эколого-геохимической оценки почвенного покрова г. Перми.

Научная новизна работы. В работе решена актуальная научная задача, имеющая значение для почвоведения - определены закономерности взаимосвязи МВ и концентрации потенциально токсичных элементов в почвенном покрове мегаполиса на территории природно-техногенной геохимической и геомагнитной аномалии в пределах восточной окраины Русской равнины. Впервые показана фазовая и количественная гетерогенность минералов железа в почвах придорожных и внутриквартальных территорий г. Перми. Впервые установлено фоновое значение MB, охарактеризованы магнитные профили основных типов почв и сезонная динамика MB, составлена оценочная шкала MB и создана картосхема МВ почвенного покрова г. Перми. Впервые, для оценки содержания ТМ в городских почвах обосновано использование суммарного показателя загрязнения почв (ZFe), рассчитанного через нормирование концентрации ТМ и As по железу. Определена техногенность основных поллютантов в почвенном покрове города.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выполнена оценка воздействия урбанизации на состояние почвенного покрова города с населением свыше 1 млн. человек, получены новые сведения о его магнитном и эколого-геохимическом состоянии. Базы данных состава и свойств почв, электронные картосхемы, выводы и практические предложения диссертационной работы могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга, разработки природоохранных мероприятий. Результаты исследований нашли практическое применение в учебном процессе кафедры почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА.

Методология и методы исследования. Теоретической основой исследований послужили идеи и принципы эколого-геохимической оценки почв, разработанные [1988], [1990], [1991], [1999], [1999], [2006], [2006], [2006], [2010], [2010]. Были проанализированы и учтены результаты магнито-геохимических исследований [1996], [2004], [2004], [2007], [2007], [2008], [2010], [2011], [2012], [2012], L. Bityukova [1999], X. Hu [2010], J. Zawadzki [2012] и других.

В работе использован комплекс методов, включающий полевые и лабораторные исследования: профильно-генетический, морфологический, каппаметрический, трансект, стационарных режимных наблюдений, статистический, картографический; физические, физико-химические, химические лабораторные методы анализа состава и свойств почв. Для описания экспериментальных данных использованы стандартные методы [, 2009] и пакет прикладных программ (Microsoft Excel, Statistica 8,0, MapInfo Professional 6,5 и Vertical Mapper).

Основные положения, выносимые на защиту. 1) Высокая профильная и территориальная гетерогенность магнитной восприимчивости почвенного покрова г. Перми определяется генетическими и антропогенными факторами дифференциации количества и состава магнитной фазы в почвах. 2) Ферримагнитная фаза почв г. Перми представлена нестехиометричным магнетитом/маггемитом с разной концентрацией дефектов его структуры. 3) Тяжелые металлы (Ni, Cr, Zn, Pb, Cu) – природно-техногенные поллютанты, а соединения Fe, As, Sr, Ga, S, Cl, Ca, Mg, P – антропогенные загрязнители почвенного покрова г. Перми. 4) Нестехиометричный магнетит/маггемит почв связан с геохимическими ассоциациями ТМ: Ni-Cr и Zn-Cu-Pb.

Степень достоверности результатов обеспечена использованием полевых инструментальных исследований в сочетании с применением современных методов для химического и минералогического анализа значительного объема образцов почв, проанализированных в аккредитованных лабораториях ГНУ Почвенного института им. Россельхозакадемии, ТЭК», Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») на автоматизированном аналитическом оборудовании и приборах, а также сходимостью аналитических и экспериментальных результатов диссертации с исследованиями других авторов. Все экспериментальные результаты исследований обработаны методами математической статистики.

Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Энергия и знания молодых – аграрному сектору» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Экология и научно-технический прогресс» в ФГБОУ ВПО Пермский ГТУ, г. Пермь, 2008; V Всероссийском съезде Общества почвоведов им. , г. Ростов-на-Дону, 2008; Международной научно-практической конференции «Инновации аграрной науки – предприятиям АПК» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2011, 2012, 2013.

Личный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке разрезов и отборе образцов, их пробподготовке и химико-аналитических работах, каппаметрической съемке почвенного покрова г. Перми. Автором выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов.

Благодарю за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку моих наставников: научного руководителя – канд. с.-х. наук и научного консультанта – д-ра с.-х. наук. . Благодарю за сотрудничество в проведении исследований д-ра с.-х. наук , д-ра геолого-минерал. наук , канд. биол. наук , канд. биол. наук и студентов агрохимического факультета ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА , , .

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, практических предложений, списка литературы из 270 источников (из них 50 на иностранных языках), 5 приложений. Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 54 таблицы и 37 рисунков.

1.  ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ В ПОЧВАХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Рассмотрены источники и эколого-геохимическая оценка содержания ТМ в почвах урбанизированных территорий. Дана характеристика особенностей МВ городских почв и рассмотрена ее взаимосвязь с аккумуляцией ТМ.

2.  ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЯ

ФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА Г. ПЕРМИ

Объекты и методы исследований. Объектом исследования являлся почвенный покров основных функциональных зон г. Перми. На территории структурных элементов функциональных зон города: бульвары и скверы «ПР», внутриквартальные территории «ПК», придорожные территории «ПД» и земли сельскохозяйственного значения «СХ» [Генеральный план города…, 2010], были заложены 10 разрезов, 20 полуям, 90 прикопок. Исследованы основные типы почв города: урбаноземы, урбо-дерново-подзолистые, агроземы, серогумусовые, агро-дерново-подзолистые и дерново-подзолистые почвы.

Морфогенетические признаки почв соответствуют их классификационному положению [, 1992; Классификация и диагностика…, 2004]. Поверхностные горизонты почв селитебно-транспортной части г. Перми характеризуются преимущественно нейтральной реакцией среды (pHH2O 6,8-7,3), высоким содержанием Сорг (6,3-13,7%) и высокой ЕКО (32-55 мг-экв./100 г).

Полевые методы. Магнитометрическая съемка осуществлялась по сетке квадратов 600 м, а в центре города шаг опробования составил 100 м. В каждом углу квадрата закладывалось по пять наблюдательных площадок площадью 1 м2. МВ придорожных почв изучена в трансектах. Площадки закладывались на расстоянии до 3, 3-5, 5-10 и более 10 м от проезжей части. Измерение ОМВ на каждой площадке проводилось каппаметром КТ – 6 с поверхности почвы в 10-кратной повторности [, 2007]. Всего за период гг. было заложено более 2600 наблюдательных площадок, выполнено около 27 тыс. локальных измерений ОМВ. Фоновая величина ОМВ установлена в трансектах длиною 100 м на залежных и лесных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах на южной окраине г. Перми. В полнопрофильных разрезах (0-160 см) и полуямах (0-60 см) трансект измерение ОМВ проводилось непрерывно через каждые 6 см (диаметр измерительной части прибора) на трех стенках разреза в 4-кратной повторности на каждой глубине. Всего на условно фоновой территории выполнено около 2,6 тыс. локальных измерений ОМВ. Образцы почв для химических анализов отбирались из генетических горизонтов основных разрезов; смешанные образцы отбирались равномерно по территории города методом конверта с глубины 0-20 см [ГОСТ 17.4.3.01-83; МУ 2.1.7.730-99; СанПиН 2.1.7.1287-03, 2007].

Лабораторные методы. Были выполнены следующие анализы: физико-химические свойства и гранулометрический состав по стандартным методикам [ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ ]; валовой химический состав – рентгенфлуоресцентным методом, Tefa-6111 и методом спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, iCAP-6000; валовое содержание La, Ba и Ce – радиометрическим методом, Tefa-6111; подвижные формы ТМ и Fe в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера (ААБ) при рН=4,8 – атомно-абсорбционным методом, AAS-3; удельная магнитная восприимчивость (УМВ) почв, Kappabrige KLY-2; мессбауэровская спектроскопия в режиме постоянных ускорений с источником 57Со в матрице хрома при комнатной температуре, Ms-1104 Em.

Расчеты. Оценка МВ и эколого-геохимического состояния почвенного покрова проведена по следующим показателям: стехиометричность (S) магнетита и концентрации дефектов структуры магнетита (С) по H. Topsoe [1974]; содержание магнетита в почве (мг/кг) по [2010]; коэффициент магнитности (КМ) по [1996]; коэффициент изменчивости (Кæ) МВ материнской породы по [1972]; суммарный показатель загрязнения (Zc) по [1990]; техногенность профильная (Тп) и относительно фона (Тф) по S. Baron [2006]; коэффициент профильной дифференциации ТМ по [1999]. Нормирование содержания ТМ в почве по железу выполнено по [2001]:

Кi = (Хпр / Feпр) / (Хкл / Feкл), (1)

где Кi – коэффициент обогащения ТМ, Хпр содержание ТМ в образце, Хкл – кларк ТМ для почв мира, Feпр – содержание железа в образце, Feкл – кларк для почв мира. Суммарный показатель загрязнения почв (ZFe) рассчитан через нормирование концентрации ТМ по железу:

ZFe= (Кi+…+Кn) - (n-1), (2)

где Кi – нормированная по железу концентрация элемента, n – количество элементов.

Оценка аккумуляции-рассеивания химических элементов была проведена по коэффициентам концентрации Кк, путем сравнения содержания элемента в изученном образце или среднеарифметического содержания в выборке образцов с рядом установленных показателей: Ккм – кларк почв мира [, 1957]; Кке – кларк почв Европы [Batista M. J., 2006]; Ккфр – региональный фон [, 2011]; Ккуф – условный местный фон [, 2007], Ккэт – содержание элементов в эталонных подзолистых почвах лесных ландшафтов Пермского края [, 2012], Ккреп – среднее содержание ТМ в почвах 15 реперных участков [Состояние и охрана..., 2008], Ко - ПДК [СанПиН 2.1.7.1287-03, 2007]. Для валового содержания Cr было принято ПДК 100 мг/кг [, 2006; , 2008].

Дендрограммы кластер-анализа построены по методу Варда, мера расстояния – коэффициент Пирсона. Уровень значимости оценки результатов статистической обработки достоверен при Р=0,95 (*).

Условия формирования и загрязнения почвенного покрова г. Перми. Антропогенное воздействие изменило ретроспективно-естественную структуру почвенного покрова г. Перми [, 2012], в которой преобладали дерново-подзолистые тяжелосуглинистые почвы [, 1962;. В, 1982]. По данным [2005], в районах многоэтажной застройки г. Перми 76% почвенного покрова заняты урбаноземами, 14% – экраноземами и 10% – реплантоземами.

Техногенное загрязнение почвенного покрова городов восточной окраины Русской равнины происходит на фоне повышенного природного содержания ФМ [, 1998; , 2000; , 2002; , 2003; , 2004; , 2006; , 2012] и ряда ТМ [, 1994; , 2004; , 2005; , 2011] в отложениях пермской геологической системы и почвообразующих породах региона. На территории Пермского Предуралья в структуре почвенного покрова выделяется 15 крупных геохимических аномалий. Город Пермь расположен в пределах Среднекамской геохимической аномальной зоны [, 2011].

В атмосферу города ежегодно поступает около 130 тыс. тонн пылегазовых выбросов, в состав которых входит свыше 450 наименований загрязняющих веществ. Среди основных примесей атмосферного воздуха на территории г. Перми преобладают органические загрязняющие вещества, а также пыль, Fe, Cr6+, Ni, Pb [Состояние и охрана…, ].

3.  МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ПОЧВЕННОГО

ПОКРОВА Г. ПЕРМИ

Закономерности профильного и территориального распределения магнитной восприимчивости. Фон. Магнитная восприимчивость фоновых почв была исследована по всей мощности вскрытых разрезов, так как в результате проведения строительно-планировочных работ в процессе формирования городских почв вовлекаются все генетические горизонты естественных почв и их материнские породы. В генеральной совокупности измерений МВ в профилях фоновых почв среднеарифметическое и медианное значения совпадают – 0,51±0,10*10-3 СИ (табл. 1).

Таблица 1 - Статистические параметры ОМВ (*10-3 СИ)

в профиле фоновых почв

Глубина, см	n	M1±m	σ	lim	V, %	Md
Генеральная совокупность
0-160	2580	0,51±0,10	0,13	0,10-1,26	26	0,51

Центильный интервал МВ «средняя» или «норма» в слое 0(2)-30 см (n=1020) составляет 0,43-0,62*10-3 СИ (табл. 3), среднеарифметические и медианные значения МВ в лесных и залежных почвах не различаются. Варьирование МВ среднее (V=25-29%). По совокупной оценке фоновая величина ОМВ составляет 0,50*10-3 СИ, что в 2-3 раза выше, чем фон ОМВ для почв г. Москвы и г. Владимира, расположенных в центральной части Русской равнины [, 2012; , 2012]. Пороговое значение МВ для разделения высокомагнитных и низкомагнитных почв г. Перми 1,0* 10-3 СИ – величина двукратного превышения местного фона.

Профильное распределение. Дифференциация магнитного профиля фоновых почв свидетельствует о низкой магнитно-техногенной нагрузке на почвы естественных и агрогенных ландшафтов города, Кæ на залежи и в лесу составляет 0,53-1,02*10-3 СИ, соответственно.

Магнитный профиль урбо-дерново-подзолистых почв и агрозема имеет четко выраженный аккумулятивный характер (рис. 1). Коэффициент Кæ аномально высокий – 8 единиц.

*10-3 СИ	*10-3 СИ

 

*10-3 СИ

Рисунок 1 - Магнитные профили почв г. Перми по данным каппаметрии

Магнитные профили урбаноземов отражают синлитогенный характер их формирования. Максимальные значения МВ могут быть приурочены к любой части их профиля. В целях оценки магнитной структуры профилей урбаноземов нами предлагается использовать показатель Кæсв – средневзвешенное значение МВ, рассчитанное через нормирование отдельных горизонтов и их мощность. Для урбаноземов г. Перми величины Кæсв составляют от 2,0 до 4,6 единиц. В ядре городского центра Кæсв в профиле урбаноземов выше, чем в урбаноземах микрорайонов, прилегающих к центру города, так как периоды техногенного воздействия на почвы существенно отличаются по продолжительности.

Территориальное распределение. На 2636 наблюдательных площадках селитебно-транспортной части города средняя арифметическая величина ОМВ в 3,6 раза выше фона. Стандартное отклонение и коэффициент вариации очень высокие (табл. 2).

Таблица 2 - Статистические параметры ОМВ (*10-3 СИ) почв г. Перми

n	M	±m	σ	lim	V, %	Mo	Md
2636	1,83	1,42	2,12	0,07-19,31	116	0,90	1,10

Статистические параметры ОМВ и высокие значения КМ свидетельствуют о значительной и крайне неоднородной магнитно-техногенной нагрузке на почвенный покров г. Перми.

Распределение ОМВ в почвенном покрове г. Перми не подчиняется нормальному гауссовому закону. Использование центильного анализа позволило создать объективную шкалу МВ почв г. Перми и оценить репрезентативность выборки образцов почв, подвергнутых химическому анализу (табл. 3). Репрезентативность выборки высокая, так как границы центильных интервалов оценочной шкалы и выборки близки.

Таблица 3 - Шкала магнитной восприимчивости почв г. Перми

№ гр.	Центиль, %	Оценка МВ	УМВ*10-8 м3/кг, n=122*	ОМВ*10-3 СИ n=122*	Шкала ОМВ n=2636	Фон ОМВ n=1020
1	< 5	очень низкая	< 22	< 0,22	< 0,21	<0,29
2	5-10	низкая	22-34	0,22-0,3	0,21-0,3	0,29-0,34
3	10-25	ниже средней	34-79	0,3-0,6	0,3-0,57	0,34-0,43
4	25-75	средняя «норма»	79-239	0,6-3,1	0,57-2,1	0,43-0,62
5	75-90	выше средней	239-447	3,1-5,4	2,1-4,5	0,62-0,70
6	90-95	высокая	447-568	5,4-7,4	4,5-6,3	0,70-0,75
7	> 95	очень высокая	>568	>7,4	> 6,3	>0,75

* - центильные интервалы МВ в образцах почв, подвергнутых химическому анализу