Ландшафтно-геохимические особенности Нижнего Прииртышья

УДК 911.52: 550.4

Д.В. Московченко, А.А. Тигеев, Т.А. Кремлева

ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НИЖНЕГО ПРИИРТЫШЬЯ

Рассмотрен микроэлементный состав почв, донных отложений и поверхностных вод в Нижнем Прииртышье. Педогеохимический фон характеризуется сниженным содержанием лития, бария, стронция, кобальта, хрома, ванадия, концентрации которых меньше кларка в 2-5 раз, увеличено содержание циркония и титана. В органогенных горизонтах почв происходит аккумуляция халькофильных элементов, главным образом цинка и кадмия. Определены закономерности распределения нефтяных углеводородов в почвах. Наиболее активная водная миграция характерна для кадмия, свинца и меди.

Геохимия ландшафтов, микроэлементы, Прииртышье.

Анализ вещественного состава геосистем представляет особую важность в разработке ландшафтно-динамических проблем регионов промышленного освоения [Нечаева, 1985; Природа..., 1987]. Задача исследования структуры и динамики геосистем Обь-Иртышья особенно актуальна в связи с освоением многочисленных нефтяных месторождений, в том числе одного из крупнейших в России Приобского месторождения, промышленные объекты которого расположены как на водораздельных участках, так и в поймах Оби и Иртыша, что предопределяет особую значимость оценки экологических рисков. Неизбежные при промышленном освоении изменения структуры геосистем проявляются в том числе и в изменении их химических параметров под влиянием механических нарушений и загрязнения. Поэтому знание особенностей химического состава компонентов ландшафта, его метаболизма необходимо для обоснования и эффективного проведения геохимического мониторинга.

В работе проведена оценка геохимической структуры ландшафтов Нижнего Прииртышья на участке Тюли — Горноправдинск. Этот район исследован значительно слабее, чем прилегающая с юга территория Тобольского материка, где вещественный состав геосистем изучался в ходе стационарных и маршрутных наблюдений [Нечаева, 1983, 1985, 1986, 1988, 1994; Природа..., 1987].

Описываемая территория находится в южной части подзоны средней тайги. Для растительности краевой части водоразделов характерно широкое распространение темнохвойных лесов (пихтово-елово-кедровых и березовотемнохвойных зеленомошных), а также вторичных мелколиственных мелко-травно-зеленомошных лесов. Близость к долине Иртыша обусловливает специфику микроклиматических, геоморфологических и гидрологических условий (повышенная теплообеспеченность, хорошая дренированность). Это дало основания для отнесения этих участков к увалисто-склоновому варианту придолинного типа местности [Москвина, Козин, 2001]. По мере удаления от речных долин возрастает распространение заболоченных лесов. Центральные части водоразделов и внутренние части надпойменных террас заняты верховыми болотами. Почвообразующие породы водоразделов представлены преимущественно средне- и позднеплейстоценовыми озерно-аллювиальными отложениями, на которых развиты подзолистые почвы. Для поймы р. Иртыш на

данном отрезке русла характерно доминирование злаково-осоковых, злаковоразнотравных и канареечниковых лугов при значительном участии темно-хвойно-березово-осиновых лесов и древовидных ивняков на фоне заболоченных осоково-ситниковых лугов. Почвы в большинстве массивов пойменные дерновые и дерново-глеевые.

Материалы и методы

При оценке фонового состояния выделяется степень типичности эталонных участков, оцениваются характер и степень литогеохимической дифференциации ландшафтов, радиальная и латеральная геохимическая структура [Касимов и др., 1994]. Изучение ландшафтно-геохимической структуры проводилось на основании анализа водораздельно-пойменного типа геохимических сопряжений. Геохимическое опробование было выполнено в пойме р. Иртыш и его притоков (рек Карагайка, Нелым, Гришкина протока), на склонах речной долины и прилегающей части водоразделов на ландшафтно-геохимических профилях (катенах), в пределах которых были заложены 3-4 почвенных разреза и отобраны пробы из различных генетических горизонтов почв. Отбор проб сопровождался описаниями морфологии почвенного профиля. Также были отобраны пробы донных отложений и речных вод. В пробах почв и донных отложений определено содержание тяжелых металлов (валовых и кислоторастворимых форм) и нефтяных углеводородов (НУВ).

Определение валовых концентраций выполнено методом приближенноколичественного спектрального анализа. Пробы почв, предварительно растертые до фракции с диаметром частиц 0,07 мм, подвергались сухому озоле-нию. Определение микроэлементного состава проводилось на спектрографе СТЭ-1 по методике спектрального анализа УСА-5 методом просыпки.

Определение кислоторастворимых форм проведено методом атомноабсорбционной спектрофотометрии с электротермической атомизацией. Измерения выполнены на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS vario 6 (ANALITIK JENA). Почвы, предназначенные для анализа, высушены до воздушно-сухого состояния, измельчены и просеяны через сито с диаметром ячеек 0,5 мм. В пробах почв определено содержание гигроскопической влажности согласно ГОСТ 5180-84 гравиметрическим методом. Из почв извлекали кислоторастворимые формы металлов по соответствующей методике (РД 52.18.191-89). Экстракцию металлов проводили раствором 5М НNО3. К навеске почвы 2,00 ± 0,01 г приливали 10 мл раствора азотной кислоты (5М) и помещали на водяную баню на 3 ч. Охлажденный раствор фильтровали в мерную колбу (50 мл), доводили до метки дистиллированной водой. Полученный экстракт по мере необходимости дополнительно разбавляли (в 50200 раз) и в нем определяли массовую концентрацию металлов. Результат определений использовали для расчета содержания металлов в почвах (с учетом гигровлажности).

Измерения массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях были выполнены с помощью метода инфракрасной спектроскопии. Метод основывается на установленных эмпирически закономерностях, связывающих структуру вещества и параметры спектра. Анализы выполнялись с помощью спектрометра Avatar 380 с применением программного обеспечения Thermo Nicolet OMNIC. Экстракция нефтепродуктов из почв и донных отложений производилась четыреххлористым углеродом (CCL4). После хроматографического отделения нефтепродуктов от сопутствующих органических соединений других классов было проведено количественное определение нефтепродуктов по интенсивности поглощения в ИК-области спектра. Для расче-

тов использовалась высота пика графического отображения спектра в области 3000-2500 см-1.

Математическая обработка результатов проведена с применением стандартных пакетов программ для статистических вычислений (Бхое! и 81айз1юа-6). Были вычислены средние значения (М), кларки концентрации химических элементов в почвах обследованной территории (КК) (использовался кларк почв по А.П. Виноградову [1957]). Изменчивость показателей оценивалась по коэффициенту вариации V. Геохимическая структура ландшафтов характеризовалась радиальным и латеральным распределением вещества. Для ее описания были рассчитаны общепринятые в геохимии ландшафта коэффициенты [Авессаломова, 1987]. В качестве важнейшего показателя, отражающего радиальную структуру ландшафтов, использовался коэффициент радиальной дифференциации (Кр). Количественная оценка распределения химических элементов в ряду сопряженных ландшафтов проводилась на основе сравнения значений коэффициента латеральной дифференциации (Кл). Для оценки миграционной активности металлов вычислены соответствующие коэффициенты водной миграции (Кх) с использованием данных о среднем содержании элементов в земной коре [Виноградов, 1962].

Результаты и обсуждение

Обобщенные данные о микроэлементном составе почв и донных отложений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Микроэлементный состав почв и донных отложений Нижнего Прииртышья

Элемент М, мг/кг V, % КК М, мг/кг V, % КК

Почвы, п = 25 Донные отложения, п = 11

Мп 631 38 0,74 850 30 0,85

V 46,9 31 0,46 75 14 0,83

И 6875 24 1,49 5500 18 1,22

Сг 70,6 54 0,35 80 16 0,96

гг 556 38 1,85 250 49 1,47

У 28,7 43 — 22,5 22 0,77

во 30,6 66 — * * —

Ва 206 51 0,41 125 86 0,19

вг 122 89 0,4 * — —

8,25 39 0,28 12,2 17 0,38

1\П 26,9 30 0,67 37,5 26 0,65

Со 5 37 0,5 8 36 0,44

Си 18,7 23 0,93 16,2 15 0,34

гп 49,4 16 0,98 60 23 0,72

РЬ 14,9 17 1,49 15,5 21 0,96

вп 1,35 22 0,14 1,55 34 0,62

С<^ * *

Оа 13,8 25 — 20 28 1,05

Примечание: * — количественное значение содержания элемента получено менее чем для 50 % проб; тире — содержание элемента ниже предела обнаружения.

По сравнению с условным мировым кларком [Виноградов, 1957], обследованные почвы характеризуются повышенным содержанием циркония, титана, свинца. Повышенное содержание циркония, минералы которого являются одними из наиболее устойчивых к выветриванию, свидетельствует об интенсивной гипергенной переработке почвообразующих пород. Для пород цен-

тральных районов равнины породообразующим является преимущественно комплекс устойчивых минералов (кварц, циркон, эпидот) [Атлас..., 1971]. Соотношение содержания Т1/2г, свидетельствующее о преобразовании почвенных минералов процессами выветривания, составляет около 12, что укладывается в рамки приводимых в работе А.И. Сысо [2007] значений для севера Западной Сибири (4-20) и также свидетельствует о значительной переработке гипергенными процессами. Околокларковые показатели типичны для меди и цинка. Незначительно ниже кларка содержание марганца и никеля. Крайний дефицит отмечен для лития, бария, стронция, кобальта, хрома, ванадия, концентрация которых меньше кларка в 2-5 раз.

Донные отложения, как правило, характеризуются повышенными концентрациями большинства микроэлементов по сравнению с почвами, хотя накопление выражено довольно слабо. В 1,3-1,6 раза выше, чем в почвах, содержание Ы1, Со, V, Сг, Мп, и. Таким образом, в донных отложениях наблюдается накопление элементов, которые в условиях ландшафтов кислого и кислого глеевого классов проявляют анионогенные свойства. Напротив, сильные катионы (Ва, Бг, гг) в донных отложениях находятся в пониженных концентрациях по сравнению с почвами.

Сопоставление с кларком литосферы [Виноградов, 1962] свидетельствует, что донные отложения Иртыша и притоков характеризуются дефицитом большинства микроэлементов, в особенности катионогенных (Бг, Ва). Близки к кларковым показателям концентрации Мп, V, Сг, РЬ. Незначительно выше кларка содержание гг и Т1. Таким образом, микроэлементный состав донных отложений зависит в первую очередь от их минералогического состава, степени гипергенных преобразований минералов. Подтверждением служит анализ кислоторастворимых форм. По данным выполненных анализов, кислоторастворимые формы металлов в почвах составляют от 35 до 74 % от валовых, в то время как в донных отложениях их содержание, как правило, менее 50 % от валовых форм (за исключением цинка) (табл. 2). Следовательно, доля потенциально подвижных форм микроэлементов, не связанных с кристаллической решеткой минералов, в почвах выше, чем в донных осадках, что связано с биогенной миграцией элементов и накоплением на гумусовом геохимическом барьере.

Таблица 2

Соотношение валовых и кислоторастворимых форм тяжелых металлов

Элемент Почвы Донные отложения

мг/кг % мг/кг %

Мп 631 291 46 830 346 42

Сг 70,6 52 74 80 25 31

1\П 27 9,4 35 36,5 8,7 24

Си 18,7 8,9 48 16,2 7 43

гп 49,4 33 67 60 44 73

РЬ 14,9 11 74 15,5 6,1 39

Примечание. Числитель — валовые формы, знаменатель — кислоторастворимые.

Таким образом, процессы формирования химического состава геосистем зависят от соотношения двух основных процессов — биогенной и водной миграции, формы и интенсивность которых определяются как ландшафтными условиями, так и геохимическими свойствами отдельных элементов.

На состав почв непосредственное влияние оказывают процессы биологического накопления, что приводит к аккумуляции С^ Мп, 2п в поверхностных горизонтах. Это весьма наглядно проявляется при анализе распределения элементов в вертикальном профиле подзолистых почв (рис. 1). В распределении кадмия, марганца и цинка наблюдаются отчетливо выраженный минимум в нижней части профиля и накопление в поверхностном грубогумусовом горизонте, причем наиболее контрастное распределение характерно для кадмия (Кр > 10). Незначительная элювиально-иллювиальная дифференциация с возрастанием концентраций в нижней части профиля типична для хрома и меди. Распределение свинца в почвенном профиле относительно равномерное. Можно отметить, что распределение элементов в почвенном профиле зависит от их геохимических свойств. Выделяются две группы химических элементов: элементы с пониженным содержанием в напочвенном опаде и гумусовом горизонте (кобальт, никель, хром) и элементы, накапливающиеся в органогенных горизонтах (цинк и кадмий). Таким образом, в минеральной толще преобладают сидерофильные элементы, а в органогенных горизонтах — халькофильные.

мг\кг

0,1 1 10 100 1000

Си гп са

РЬ N1 Мп Сг

Рис. 1. Распределение микроэлементов в профиле подзолистых почв долины Нижнего Иртыша

Геохимическая структура ландшафтов — это закономерное сочетание природных комплексов, отличающихся качественным своеобразием химического состава и характером протекающих в них процессов метаболизма. Изучение геохимической структуры проведено на серии ландшафтно-геохимических рядов, охватывающих несколько типов фаций. Элювиальный тип фаций (Э) занимает участки пологоволнистых водоразделов и представлен елово-кедровыми кустарничково-мелкотравно-зеленомошными лесами на подзолистых глееватых почвах. Утяжеление механического состава почв индицируется присутствием в составе древостоя ели и пихты, а в травяно-кус-тарничковом ярусе — багульника и бореального мелкотравья. Трансэлювиальный тип (ТЭ) распространен на склонах приречных террас и представлен

лесами смешанного состава (мелколиственно-темнохвойными) со значительной долей бореального мелкотравья в напочвенном покрове. Аккумулятивный тип фаций (А) охарактеризован составом аллювиальных почв.

Для оценки латеральной структуры ландшафтов были вычислены средневзвешенные концентрации в верхнем слое почв с учетом структуры и мощности почвенных генетических горизонтов. Для каждого типа фаций (элювиальные, трансэлювиальные и аккумулятивные) были рассчитаны коэффициенты латеральной дифференциации, графическое отображение которых представлено на рис. 2.

Рис. 2. Величины коэффициентов латеральной дифференциации в различных типах фаций

Необходимо отметить, что водораздельно-долинный тип ландшафтногеохимических сопряжений значительно различается для р. Иртыш и его малых притоков. Если в аллювиальных почвах поймы Иртыша наблюдается увеличение содержания биогенных кадмия и цинка при низкой концентрации остальных микроэлементов, то в поймах малых рек увеличено, по сравнению с водоразделами, содержание хрома и никеля. Медь и свинец демонстрируют незначительное увеличение содержания в нижних звеньях ландшафтногеохимической катены. Отмеченные ранее слабые различия в микроэлемент-ном составе пойменных и лесных почв таежного Прииртышья [Нечаева, 1983] типичны для большинства элементов, однако в конкретных ландшафтных условиях могут значительно меняться. Геохимическая контрастность сильнее выражена в ландшафтно-геохимических сопряжениях малых рек, в то время как для поймы Иртыша только кадмий распределен весьма контрастно.

В поверхностных водах различия между содержанием микроэлементов в воде Иртыша и его притоков выявляются весьма отчетливо. Для вод Иртыша характерны минимальные концентрации всех элементов, что нашло выражение в сниженных значениях коэффициентов водной миграции (табл. 3).

По сравнению со средними показателями Кх для поверхностных вод [Добровольский, 2003], в обследованных пробах речных вод значительно ак-

тивнее мигрирует кадмий. В водах притоков Иртыша близки к среднему значению величины Кх свинца. Водомиграционная активность Ы1, Сг, Мп существенно ниже средних величин.

Таблица 3

Коэффициенты водной миграции тяжелых металлов Кх в поверхностных водах нижнего Прииртышья

Участок Си 1\П Cd Мп РЬ Сг

р. Иртыш 0,93 0,28 15,4 0,0026 0,13 0,053

Гришкина протока 1,62 0,34 19,2 0,020 0,47 0,060

р. Нелым 1,83 0,41 22,7 0,017 0,59 0,071

Среднее значение Кх для поверхностных вод Земли [Добровольский, 2003] 2,64 0,81 10,6 0,12 0,52 0,24

Геохимический фон нефтяных углеводородов в почвах изменяется в пределах 102-626 мг/кг, что типично для незагрязненных территорий [Пиков-ский, 1993]. Максимальные концентрации свойственны поверхностным органогенным горизонтам, в нижней части профиля концентрация НУВ во всех обследованных почвенных разрезах уменьшается. Очевидно, что нефтяные углеводороды связаны с органическим веществом почвы, это подтверждается корреляционной зависимостью между содержанием кадмия и НУВ. В донных отложениях содержание нефтяных углеводородов изменяется незначительно, от 159 до 171 мг/кг.

Заключение

Исследование ландшафтно-геохимической структуры Нижнего Прииртышья свидетельствует о повышенном содержании в почвах и донных отложениях элементов, которые входят в состав минералов, устойчивых к выветриванию, в особенности циркония. Снижено содержание относительно кларка лития, бария, стронция, кобальта, хрома, ванадия. Высокая подвижность Cd обусловливает его активную миграцию с закреплением на гумусовом геохимическом барьере в поверхностных горизонтах почв. В минеральной толще преобладают сидерофильные элементы, а в органогенных горизонтах — халькофильные. Латеральная миграция элементов различается в ландшафтно-геохимических сопряжениях Иртыша и его притоков. Если в малых притоках аллювиальные почвы в повышенных количествах содержат сидерофильные элементы (Ы1, Сг), что свидетельствует о связи с железоорганическими комплексами, осаждающимися на окислительном барьере, то в почвах поймы Иртыша повышено содержание биогенных кадмия и цинка, поступающих в составе водных растворов и закрепляющихся на гумусовом геохимическом барьере. Геохимический фон нефтяных углеводородов в почвах составляет 100-600 мг/кг.

ЛИТЕРАТУРА

Авессаломова И.А. Геохимические показатели при изучении ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1987. 108 с.

Атлас Тюменской области. М.; Тюмень: ГУГК, 1971. Вып. 1. 216 с.

Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 238 с.

Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.

Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Издат. центр «Академия», 2003. 397 с.

Касимов Н.С., Геннадиев А.Н., Лычагин М.Ю. Пространственные аспекты фонового геохимического мониторинга // Геохимические методы в экологических исследованиях. М.: ИМГРЭ, 1994. С. 20-35.

Москвина Н.Н., Козин В.В. Ландшафтное районирование Ханты-Мансийского автономного округа. Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2001. 40 с.

Нечаева Е.Г. Тенденции изменения почв и развития почвенно-геохимических процессов в таежном Прииртышье // Географические условия и особенности природы таежного Прииртышья. Иркутск: ИГ СО РАН, 1983. С. 119-132.

Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимический анализ динамики таежных геосистем. Иркутск: ИГ СО РАН, 1985. 210 с.

Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимическая специфика Западно-Сибирской долинно-таежной геосистемы // Региональные ландшафтно-геохимические исследования. АН СССР. Ин-т географии. Иркутск, 1986. С. 54-66.

Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимические черты зональных подразделений долинно-таежного Обь-Иртышья // География почв и геохимия ландшафтов Сибири. Иркутск: ИГ СО РАН, 1988. С. 3-17.

Нечаева Е.Г. Гидрохимическая обстановка в таежном Обь-Иртышье // География и природные ресурсы. 1994. № 1. С. 110-117.

Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. М.: Изд-во МГУ, 1993. 208 с.

Природа таежного Прииртышья / А.Н. Антипов, Е.Г. Нечаева, Н.П. Дружинина и др. Новосибирск: Наука, 1987. 257 с.

Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 277 с.

ИПОС СО РАН, г. Тюмень

D.V. Moskovchenko, А.А. ligeyev, Т.А. ^emleva LANDSCAPE AND GEOCHEMICAL FEATURES OF THE LOW IRTYSH BASIN

The article considers microelement composition of soils, benthic sediments and surface waters in the Low Irtysh basin. Pedogeochemical background is characterized by a decreased content of lithium, barium, strontium, cobalt, chromium, vanadium which concentrations being 2-5 times less than the abundance ratio, with an increased content of zirconium and titanium. It is in organogenic soil horizons that accumulation of chalcophile elements, mainly zinc and cadmium, occurs. Subject to determination being regularities in the distribution of oil hydrocarbons in soils. The most active water migration is typical of cadmium, lead and copper.

Geochemistry of landscapes, microelements, Low Irtysh basin.