Особенности распределения тяжелых металлов в почвах агроландшафтов

Цель исследования заключается в теоретической разработке и научном обосновании количественных и качественных показателей потребности растений в отдельных элементах, повышении устойчивости сельскохозяйственных культур к загрязнению почвы тяжелыми металлами путем оптимизации их питания, в агроэкологической оценке различных видов удобрений, в т.ч. в условиях техногенной нагрузки на почву. ...

Введение 4
Глава 1. Элементарные ландшафтно-геохимические системы 7
Глава 2. Три основных элементарных ландшафта 11
Глава 3. Геохимический ландшафт 17
Глава 4. Примеры геохимических лесных ландшафтов 19
Глава 5.Ландшафтно-геохимическая катена. 23
Заключение 29
Список литературы 30

Реализация потенциальных возможностей сельскохозяйственных культур возможна при строгом обеспечении оптимального уровня их сбалансированного питания элементами с учетом почвенно-климатических условий, биологических особенностей, технологических условий выращивания, а также целого ряда других факторов. Несмотря на значимость проблемы минерального питания, теоретические основы и технологические приемы питания растений, способные обеспечить получение стабильно высокой продуктивности, до настоящего времени разработаны недостаточно. Одной из причин этого является непостоянство экологических условий.
Решение многих экологических вопросов становится в последнее время не просто актуальным, а необходимым условием для сохранения жизни на .............

к. их размеры ограничены и варьируют в пределах одного порядка величин. Это, по Б.Б. Полынову – предельные структурные элементы или детали ландшафта. Однотипность ЭЛ определяется устойчиво повторяющимся сочетанием определённых предельных элементов ландшафта.Классификация элементарных ландшафтов по Б.Б. Полынову.элювиальные ландшафты (на плоских водоразделах с глубоким залеганием грунтовых вод, не оказывающих существенного влияния на биологический круговорот); водные связи – прямые нисходящие;супераквальные ландшафты – с близким залеганием грунтовых вод, поставляющих в Л различные вещества и оказывающих существенное влияние на химические процессы в Л; преобладают обратные водные связи; подтипы: транссупераквальные и собственно супераквальные (замкнутые понижения со слабым водообменом);субаквальные ландшафты – подводные; характерен большой боковой принос материала, не связанного с местным субстратом; водные связи – обратные (как «+», так и «-»; подтипы: трансаквальные (проточные) и собственно аквальные (непроточные).Элювиальные ландшафты являются автономными, т.к. смежные ландшафты не оказывают на них существенного (за исключением циркуляции атмосферных вод и ветрового переноса) влияния. Другие типы – подчинённые, т.к. приурочены к пониженным частям рельефа, благодаря чему в них в больших объемах поступает вещество смежных Л.Выделяются также переходные формы:трансэлювиальные (верхние части склонов);элювиально-аккумулятивные (нижние части склонов, сухие лога);аккумулятивно-элювиальные (замкнутые понижения с глубоким уровнем грунтовых вод).В зависимости от ведущего типа миграции А.И. Перельман выделил три ряда ландшафтов: абиогенный (с физико-химической и механической миграцией), биогенный (ведущее значение имеет биогенная миграция) и техногенный (все четыре типа миграции при ведущем значении техногенеза).Биогенные ландшафты – это сложные биокосные системы, в которых почва, кора выветривания, континентальные отложения, грунтовые и поверхностные воды, растительность, животный мир и приземный слой атмосферы тесно связаны между собой миграцией элементов и образуют единое целое. В 40-е годы прошлого столетия выделилось самостоятельное научное направление в изучении ландшафтов – геохимия ландшафта, основоположником которого был Б.Б. Полынов. Самые крупные единицы геохимической систематики ландшафтов – группы, выделяются по характеру фотосинтеза, т.е. особенностям растительного покрова, биомассе и годичной продукции. Различают группы лесных, степных и луговых, тундровых, пустынных и прочих ландшафтов. Группы расчленяются на типы, типы – на семейства. Например, в лесной группе выделяются типы влажных тропиков, тайги и т.д., а в таежном типе, в свою очередь, - семейства северной, средней и южной тайги. Типы и семейства различаются по годичной продукции вещества. В пределах семейств - главная роль принадлежит водной миграции, по особенностям которой выделяются классы геохимических ландшафтов. Различаются ландшафты сернокислого, кислого, содового, кислого глеевого и других классов. Так как химизм природных вод в различных частях одного и того же ландшафта неодинаков (в почвах – один, коре выветривания другой и т.д), при выделении классов исходят из геохимических особенностей горизонта А водораздельных почв (почвы центра ландшафта).Геохимическая характеристика биогенных ландшафтов складывается из сведений об их биологическом круговороте, водной миграции, геохимических барьерах, зонах выщелачивания, геохимических формулах и т.д.Влажные тропики являются ландшафтами с наиболее интенсивны биологическим круговоротом атомов. Главные условия изобилия жизни – тепло и влага здесь присутствуют в достаточном количестве. Поэтому для влажных тропиков характерно исключительное разнообразие жизни. Здесь сосредоточен большой объем биологической информации. Именно здесь сосредоточена основная биомасса Земли – более 5000 ц/га. Разложение остатков организмов здесь происходит очень быстро и биологический круговорот характеризуется очень большой скоростью. В результате бурного разложения остатков организмов почвенные воды обогащаются углекислым газом и органическими кислотами. В результате на различных горных породах (и на гранитах, и на базальтах и на сланцах и даже на известняках) формируются сходные кислые красные почвы и коры выветривания. Именно во влажных тропиках формируются латерит-бокситовые коры выветривания. В депрессиях рельефа широко развивается оглеение, грунтовые воды нередко относятся к глеевому ряду и кислому классу. Там, где глеевая обстановка сменяется окислительной (в краевых зонах болот, там, где глеевая обстановка сменяется окислительной (в краевых зонах болот, а дне озер и т.д.) возникает кислородный барьер, на котором происходит окисление железа. В этом процессе важную роль играют железобактерии. Так образуются железистые конкреции.Полного выноса подвижных элементов из почв тропиков все же не происходит, т.к. часть их захватывается организмами и не выходит из биологического круговорота. И все же ландшафт заметно обеднен кальцием. С дефицитом кальция связываются небольшие размеры многих животных.Кремнезем, образующийся при выветривании, выносится из почв и коры выветривания, поэтому грунтовые воды здесь обычно относительно обогащены данным компонентом. В некоторых тропических растениях также наблюдаются повышенные содержания кремнекислоты (например, бамбук, полые стебли которого иногда даже содержат довольно крупные стяжения опала).В целом, влажные тропики – ландшафты резкого дефицита подвижных элементов. Организмы путем биогенной аккумуляции могут лишь несколько ослабить эффект выщелачивания почв, но не могут его предотвратить.Таким образом, главная геохимическая особенность влажных тропиков, отличающая их от других ландшафтов, - огромная биомасса и ежегодная продукция, исключительно быстрый биологический круговорот. Большинство элементов включается в интенсивную миграцию. Тяжелые металлы мигрируют вместе с органическими веществами в виде органо-минеральных комплексов. Характерна и коллоидная миграция.Пустыни – ландшафты слабого влияния живого вещества на водную миграцию.Биомасса в пустынях в сотни раз меньше, чем во влажных тропиках, число видов животных и растений намного меньше. Почти полная минерализация органических остатков до углекислого газа, воды и неорганических солей определяет малое содержание восстановителей в почвах и природных водах. В сочетании с чрезвычайно малым количеством атмосферных осадков это приводит к господству окислительной среды и максимальную валентность железа, серы, ванадия, урана и т.д. Только в солончаках развивается восстановительная среда, но такие очаги очень локальны.Угольная и органические кислоты, в небольших количествах образующиеся здесь при разложении органических веществ, полностью нейтрализуются кальцием, натрием и другим катионами почв и горных пород, поэтому здесь преобладает нейтральная и щелочная среда. Кислая реакция наблюдается только на участках окисления сульфидных и серных руд.Чрезвычайно малое количество органических веществ в водах определяет малую роль коллоидной миграции и миграции металлов в виде органо-минеральных комплексов. Воды пустынь – это, как правило. Истинные растворы, в которых преобладают элементы с низкой валентностью и большими ионными радиусами (в том числе, бор, молибден, селен, уран)Как справедливо отмечал А.И. Перельман: «Пустыня – это царство низковалентных и крупных ионов. Элементы, образующие многовалентные ионы небольших размеров, малоподвижны. Главная геохимическая особенность пустыньА.И. Перельман предложил классифицировать наземные ландшафты на основе параметров биомассы и продуктивности.Химические элементы, ионы, соединения, определяющие условия миграции в определенной системе, называются типоморфными (ведущими). Остальные – второстепенные.Число ведущих элементов невелико (наиболее типичные – Ca, H+, Fe, S, Cl…).Ландшафты можно типизировать по типоморфным химическим элементам (кальциевые, натриевые, кислые и т.д.). Один и тот же элемент может быть в разных системах типоморфным, либо второстепенным. Fe – типоморфный элемент в таёжных болотах, но второстепенный в пустынных ландшафтах (потому что в засушливых обстановках не мигрирует)Способность элементов быть типоморфными зависит от:кларка (с учётом концентрации в данной системе): низкие кларки такую возможность исключают. Так, Na может быть типоморфным элементом в некоторых ландшафтах (солончаки, соляные озёра), а его аналоги Rb и Cs – нет.Способности элемента мигрировать и накапливаться. Элементы с высокими кларками, но не мигрирующие, или мигрирующие, но не накапливающиеся, типоморфными не становятся.Из этого вытекает принцип подвижных компонентов А.И. Перельмана: Геохимическая специфика системы (в частности – ландшафта) определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте.Глава 3. Геохимический ландшафтМиграция веществ с водой осуществляется во взвешенном, истинно растворимом и коллоидном состоянии. Чем выше растворимость веществ в воде, тем больше их миграционная способность. Б.Б.Полынов установил пять групп миграции веществ при элювиальном выветривании:Участки, где изменение условий миграции приводит к снижению подвижности или накоплению веществ, Б.Б.Полынов назвал геохимическими барьерами. Им выделено три типа геохимических барьеров.1. Биогеохимические барьеры, при которых происходит биогенная аккумуляция химических элементов в лесных подстилках, гумусовых горизонтах почв, торфах и др.2. Физико-химические барьеры приводят к накоплению химических соединений за счет осаждения при смене физико-химических условий. Выделяют окислительные, восстановительные, сульфатные, карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, термодинамические барьеры. В качестве примеров можно привести образование ожелезненных горизонтов в подзолистых почвах, накопление болотных руд (окислительный барьер), образование ареалов с повышенным содержанием солей (испарительный) и др.3. Механические барьеры образуются на участках изменения скорости движения вод, при этом происходит механическое осаждение взвешенных частиц. Они характерны для аллювиальных, делювиальных и иллювиальных процессов.Геохимические барьеры могут быть вертикальными (на границе почвенных горизонтов), линейными (на границе различных геохимических ландшафтов), площадными, формирующими ареалы аккумуляции продуктов выветривания.Глава 4. Примеры геохимических лесных ландшафтовПинежский заповедник находится в европейской части подзоны северной тайги, в юго-восточной части Беломорско-Кулойского плато, в районе с интенсивным развитием карста в нижнепермских плотных гипсах. На территории, где проводились исследования, распространён карстовый рельеф двух типов. Для правобережья р. Пинеги (Голубинский заказник) типичны крупные карстовые лога с выходами гипсов в бортах и в днище и с активными обвально-осыпными процессами. Вне границ крупных отрицательных карстовых форм гипсовые отложения практически полностью перекрыты четвертичными отложениями ледникового происхождения, и наблюдается покрытый карст. Карстовый рельеф иного типа находится в бассейне левого притока р. Пинеги - р. Чуги, где в настоящее время организован Чугский заказник. Здесь обнаруживаются значительные площади с незадернованными и слабозадернованными межвороночными гипсовыми останцами куполообразной формы. Местное название такого карстового рельефа - "шелопняки". "Шелопняки" чередуются с поверхностями, перекрытыми тонким слоем четвертичных отложений (мощностью до полуметра), с многочисленными карстовыми воронками, колодцами и рвами. Такое интенсивное проявление карста и отсутствие четвертичного чехла на больших площадях связано с сохранением и последующим таянием глыб льда в поздневалдайское время, при котором большие массы воды под давлением промывали трещиноватый гипсовый массив и выносили ледниковые отложения сначала в подземные полости, а затем - в речную сеть.Наиболее ярко геохимические особенности карстовых ландшафтов на плотных гипсах проявляются на участках, где гипсовые отложения выходят на дневную поверхность. Причина своеобразной геохимической обстановки в ландшафтах на гипсах заключается в том, что гипсовые отложения мономинеральны (практически не содержат примесей) и очень однородны по составу - по данным валового химического анализа, на 95-98% состоят из СаSO4. Такой химический состав пород совершенно не характерен для типичных северотаёжных ландшафтов на отложениях ледникового происхождения. Так, в моренных суглинках содержится SiO2 - порядка 80% от суммы оксидов, Fe2O3 и Аl2O3 (в сумме) - около 15%, содержание Р2O5, Na2O, К2O и др. также на 1-2 порядка выше, чем в гипсах.Несколько слов о методах. Пробы, отобранные в карстовых и моренных ландшафтах, прошли ряд химических анализов: определялась минерализация и кислотность поверхностных вод, кислотность почв и содержание в них органического вещества, валовой состав минеральных горизонтов почв, массовая доля золы в органах растений и лесных подстилках, а также - азота, фосфора и калия в органах растений и почвах.Выбор азота, фосфора и калия для более подробного изучения объясняется особой важностью их круговорота в ландшафте. Как известно, азот, фосфор и калий относятся к группе биофильных элементов, без которых невозможно существование какого бы то ни было живого организма, а в ландшафтах на однородных гипсах они оказываются в остром дефиците. В то же время азот, фосфор и калий - это элементы, имеющие разную геохимическую судьбу в ландшафте. В круговороте азота важнейшую роль играет атмосфера (где он содержится преимущественно в форме газа N2). Обитающие в почве азотфиксирующие микроорганизмы усваивают азот из воздуха, растения поглощают азот, который накопился в почве благодаря деятельности микробиоты. Первичным источником фосфора и калия в почвах являются горные породы. Затем фосфор концентрируется в продуктах разложения "трупов" живых организмов, а калий, образующий более легкорастворимые соединения, быстрее вымывается из почв.Типичная северная тайга Архангельской области - это редкостойные еловые кустарничково-зеленомошные леса, местами - сосняки которые произрастают на сильнозаболоченных территориях. Почвообразующими являются, как правило, суглинки ледникового происхождения. На водоразделах (то есть привершинных поверхностях плоских моренных холмов) преобладают подзолистые почвы, на болотах - торфяные болотные,а нижних частях склонов вокруг болот - переходные: болотно-подзолистые.В отличие от этого в гипсово-карстовых ландшафтах формируются почвы, не имеющие аналогов в других ландшафтах, (в том числе, карбонатным карстом). Наиболее яркий пример - это сульфорендзины - почвы, которые приурочены к выходам гипсов. Нижние горизонты (слои) этих почв представляют собой выветренный в различной степени гипс, сверху - единственный тёмный перегнойный горизонт и лесную подстилку. Химические свойства почв, формирующихся на гипсах, также специфичны по всем рассмотренным показателям: а) сульфорендзины наследуют от породы исключительно низкие содержания азота, фосфора и калия в гипсовых минеральных горизонтах; б) имеют низкие содержания органического вещества и золы в подстилках; в) слабокислую реакцию, значительно меньшую кислотность, чем подзолистые почвы.Влияние карстовых процессов на качество леса неоднозначно. Карстовый рельеф даёт хороший дренаж, которого недостаёт в типичной северной тайге, и это является положительным моментом. Однако бедность почв жизненно необходимыми элементами (за исключением кальция и серы) отрицательно сказывается на состоянии древостоя: наблюдается сильная разреженность, замедленный рост деревьев и внешние проявления болезней (усыхание верхушек, побегов, пожелтение хвои). Можно сказать, что растения тех редколесий, что существуют на гипсовом карсте, имеют "проблемы со здоровьем", похожие на проблемы человека, которого всю жизнь кормят только макаронами с тушёнкой (в данном случае - кальцием и серой). Поэтому из растительного покрова исчезают наименее устойчивые виды, зато появляются редкие и уникальные растения-"гипсолюбы", к примеру, качим пинежский (семейство гвоздичные), и остаются ягель и отдельные кустарнички багульника и голубики. Нормальный для северной тайги лес встречается только в крупных карстовых воронках со сплошным четвертичным чехлом (четвертичные отложения богаты калием, они - как слой кетчупа поверх вышеуказанного блюда, и "аппетит" растительного сообщества здесь резко растёт).На гипсах массовая доля золы в листьях и хвое в среднем на 1/3 меньше, чем в зональном растительном сообществе. При этом растёт содержание азота в органах растений, но это увеличение не абсолютное, а относительное, и объясняется недостатком других биофильных элементов в растительных тканях. Однако, несмотря на различия субстратов, порядок величин фосфора и калия ассимилирующими органами и мелкими ветвями совпадает и в берёзово-хвойных редколесьях на плотных гипсах, и в ельнике-зеленомошнике на моренных суглинках. Очевидно, в этом проявляются консервативности видов растений по отношению к потреблению химических элементов. Уровни накопления биофильных элементов сохраняются вне зависимости от геохимической обстановки в ландшафте и передаются по наследству; растения либо обеспечивают тем или иным способом потребление элементов-биофилов в необходимом объёме, либо сокращают ареалы своего произрастания.