855

УДК 631.482.1:550.4:502:551.435.122(470.53) ББК 40.38

В-191

Рецензенты:

Н.В. Вашукевич – кандидат биологических наук, доцент, зав. кафедрой почвоведения, агроэкологии и химии им. проф. Н.А. Иванова (ФГБОУ ВО «Уральский государственный аграрный университет»);

Б.А. Смоленцев – кандидат биологических наук, заведующий лабораторией географии и генезиса почв (ФГБУН Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук).

В-191 Васильев, А.А.

Эколого-геохимическое состояние городских аллювиальных почв пойм малых рек на примере города Перми : монография. / А.А. Васильев, М.Н. Власов : Министерство науки и высшего образования РФ, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова». –– Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2023. – 261 с. ; ил. ; 20 см. – Библиогр.: с. 179-204. – 30 экз. – ISBN 978-5-94279-582-5. – Текст : непосредственный.

В монографии рассмотрена проблема загрязнения тяжёлыми металлами почв пойм малых рек городов. Рассмотрены физико-химические свойства, гранулометрический и химический элементный состав почв пойм малых рек территории города Перми. Выявлены характеристики окислительно-восстановительных условий миграции и аккумуляции химических элементов. Охарактеризованы железосодержащие фазы-носители тяжелых металлов. Определены различия в уровнях опасности и степени элементного химического загрязнения аллювиальных почв. Установлены закономерности содержания, распределения и взаимосвязи химических элементов, выявлены приоритетные элементы-загрязнители, оценена их подвижность.

Адресовано специалистам природоохранных ведомств, ученым и обучающимся вузов почвенных и экологических направлений.

УДК 631.4 631.482.1:550.4:502:551.435.122(470.53) ББК 40.38

Печатается по решению научно-технического совета Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д.Н. Прянишникова (протокол №1 от 08 февраля 2023 года).

ISBN 978-5-94279-582-5

© ИПЦ «Прокростъ», 2023

© Васильев А.А., 2023 © Власов М.Н., 2023

2

Оглавление

Введение………………………………………………………………………… 4

ГЛАВА 1. Почвы пойм городов и их эколого-геохимическое состояние.….. 7

1.1Источники и фазы-носители техногенных элементов в почвах пойм.… 7

1.2Техногенные элементы и окислительно-восстановительное состояние почв пойм..………………………………………………………………………. 14

1.3Оценка эколого-геохимического состояния почв пойм………………… 19

1.4Экологическая характеристика территории водосборных бассейнов малых рек г. Перми .……………………………………………………………. 31

ГЛАВА 2. Морфогенетические, физические и физико-химические условия трансформации, миграции и аккумуляции химических элементов в почвах пойм.…………………………………………………………………………….. 37

2.1Морфологические свойства………………………………………………. 42

2.2Гранулометрический состав, общие физические свойства, почвенногидрологические константы и физико-химические свойства почв………….. 52

2.3Окислительно-восстановительное состояние почв..……………………. 61

ГЛАВА 3. Минералы железа в почвах пойм.…………………………………. 77

3.1Фазовый состав минералов железа и тяжелые металлы………………… 77

3.2Минералы железа и оптические свойства почв…………………………. 106 ГЛАВА 4. Геохимическая оценка элементного состава почв пойм…………. 112

4.1Валовое содержание химических элементов.…………………………… 112

4.2Содержание подвижных форм химических элементов…………………. 141

4.3. Оценка взаимосвязи концентрации химических элементов и экологических условий. Геохимические барьеры…………………………………….. 154 ГЛАВА 5. Классификационное положение почв пойм малых рек города Перми……………………………………………………………………………. 175 Заключение……………………………………………………………………… 176

Список литературы..……………………………………………………………. 178

Приложение 1. Нумерация разрезов, образцов горизонтов почв и наилков, отобранных в поймах малых рек г. Перми……………………………………. 204 Приложение 2. Химический состав коренных пород в долине р. Егошиха г. Перми………………………………………………………………………… 205

Приложение 3. Погодно-климатические условия.…………………………… 206 Приложение 4. Окислительно-восстановительное состояние почв пойм..… 207

Приложение 5. Удельная магнитная восприимчивость χ, 10-8 м3/кг, почв и наилков пойм малых рек города Перми.………………………………………. 221 Приложение 6. Химический состав почв..……………………………………. 223

Приложение 7. Эколого-геохимическая обстановка г. Перми………………. 261

3

ВВЕДЕНИЕ

Элементное химическое загрязнение почв промышленных городов России и мира является проблемой как для общественности, так и для науки [213, 308, 321]. Риски накопления техногенных элементов (ТЭ) особенно высоки для почв пойм, что связано с их ландшафтно-геохимическим положением [15, 81, 229].

В г. Перми сосредоточены крупные промышленные предприятия машиностроения и металлообработки, что определяет высокую антропогенную нагрузку на почвенный по-

кров города [33, 87, 105, 206, 269, 270, 271, 272, 283, 291].

На территории г. Перми протекает около 100 малых водотоков [89]. Почвы пойм малых рек, несмотря на малую площадь, выполняют важные функции в поддержании устойчивого функционирования городской среды. Долины малых рек при современных темпах и тенденциях развития г. Перми предусматривается использовать как зоны рекреации [70].

Мониторинг эколого-геохимического состояния почв городских пойм актуален, так как урбо-аллювиальные почвы чутко отражают экологические проблемы урболандшафтов [127, 159, 257]. В почвах пойм городских рек под влиянием урбопедогенеза происходит трансформация морфологических и физико-химических свойств, минералогического и химического составов, а также процессов миграции и аккумуляции техногенных элементов [5, 15, 26, 48, 58, 91, 127, 145, 163, 196, 246, 247, 248, 249, 284, 290, 303, 316, 317, 325, 331, 337, 350,

356, 371, 385, 386; 388, 389, 401]. Оценка эколого-геохимиче-

ского состояния почв пойм малых рек г. Перми имеет актуальное значение для принятия природоохранных решений и организации контроля состояния почвенного покрова на территории города с населением свыше 1 млн. человек, расположенного в пределах водосборного бассейна Воткинского водохранилища на р. Кама.

4

Исследования элементного химического состава подземных вод [137, 285], почв водосборных урболандшафтов [33, 47, 52, 62, 63, 103, 104, 105, 173, 291, 305], донных осадков

[219] и вод малых рек [89], выполненные на территории г. Перми, дают только косвенные представления о химическом составе почв пойм. Информация об элементном химическом составе аллювиальных почв пойм малых рек г. Перми базируется до настоящего времени только на фрагментарных исследованиях [30, 48]. Элементный химический состав аллювиальных почв пойм на условно фоновых слабоурбанизированных ландшафтах в верхних течениях малых рек не изучен, что не позволяет оценить вклад антропогенной деятельности и геологических пород в загрязнение урбо-аллювиальных почв города. Экологические условия формирования элементного химического состава почв, состав минералов железа и конкреций почв пойм малых водотоков г. Перми практически не изучены. Особенности генезиса почв пойм малых рек г. Перми не охарактеризованы, их классификационное положение не установлено.

Материалы монографии включают исследования, проведенные авторами в период с 2006-2020 годы. В монографии применены методы геохимической оценки почв, разработанные В.А. Кузнецовым [163], М.А. Глазовской [79], Н.С. Касимовым [133, 135], В.Б. Ильиным [117], В.В. Добровольским [97], А.И. Перельманом [233], С.И. Колесниковым [149], М.С. Паниным [220], Е.Г. Язиковым [308], В.А. Алексеенко [3], Е.Г. Яниным [317], M. Faměra [339]. Учтён опыт региональных геохимических исследований в Предуралье, основанный на работах М.А. Шишкина [305], И.С. Копылова [151, 152], Е.А. Ворончихиной [63], А.А. Васильева [30, 33], О.З. Еремченко [105], Е.А. Хайрулиной [291]. Анализ ОВ-со- стояния почв опирался на методологию И.П. Сердобольского

[262], И.С. Кауричева [138, 139], Ф.Р. Зайдельмана [106, 110], В.И. Савича [252, 253, 254].

5

Авторы выражают благодарность за сотрудничество при подготовке материалов монографии д-ру с.-х. наук Ю.Н. Водяницкому, д-ру с.-х. наук А.Т. Савичеву, д-ру геол.-минерал. наук В.В. Коровушкину, д-ру. техн. наук Ю.Т. Платову, канд. физ.-мат. наук В.А. Цельмовичу, сотрудникам и студентам кафедры почвоведения ФГБОУ ВО «Пермский ГАТУ».

6

ГЛАВА 1. ПОЧВЫ ПОЙМ ГОРОДОВ И ИХ ЭКОЛОГОГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

1.1Источники и фазы-носители техногенных элементов

впочвах пойм

Впочвах пойм городских речных долин аллювиальный процесс осложняется урбопедоседиментогенезом. Урбопедоседиментогенез выражается в аккумуляции техногенных элементов (ТЭ) в почвах и других компонентах городских пойменных экосистем [246, 247]. Существенную роль в этом играют при- родно-техногенные частицы аллювия, обогащённые ТЭ [322].

Врезультате отложения в почвах пойм городских рек аллювия, насыщенного ТЭ, происходит трансформация естественных геохимических процессов [5, 26, 48, 91, 96, 125, 145, 159, 163,

246, 247, 276, 290, 308, 310, 316, 317, 318, 319, 337].

Впочвы пойм городских рек ТЭ могут поступать гидрогенным, твёрдофазным и аэральным путём [5, 48, 329, 373]. Естественными источниками тяжёлых металлов и неметаллов служат минералы-носители коренных, почвообразующих пород и почв, слагающих речной водосбор, а также грунтовые воды [98, 99, 174, 202, 310, 314, 315, 317, 325]. Природные ми-

нералы-носители определяют фоновое региональное содержание химических элементов в почве [174]. В составе почвообразующих пород высокая концентрация тяжёлых металлов и неметаллов свойственна «тяжёлой фракции» грубообломочных минералов с плотностью более 2,9 г/см3, а также глинистым минералам [96, 219, 280].

Площадными источниками ТЭ в городских поймах являются: промышленная, автотранспортная, уличная, сорбированная снегом и частицами почвы пыль, поступающая с водосборных пространств с поверхностным стоком, рассредото-

7

ченный твёрдый коммунальный мусор, зоны сельскохозяйственного использования. Точечно в реки городов часто сбрасываются сточные промышленные и коммунальные воды, за-

грязнённые ТЭ [117, 125, 158, 163, 203, 207, 212, 215, 305, 313, 314, 319, 325, 337, 373, 385].

Термодинамически неустойчивые техногенные частицы включаются в пойменное почвообразование, подвергаются изменениям под действием физико-химических и биологических процессов, разрушаются и высвобождают в почвенный раствор ионы ТЭ. Освободившиеся ионы ТЭ со временем трансформируются в более стабильные формы органоминеральных или минеральных фаз-носителей, встраиваются в компоненты поч- венно-поглощающего комплекса или осаждаются в виде нерастворимых солей. Проявление буферной способности почв по отношению к ТЭ зависит как от свойств самих соединений, так и от процессов, протекающих в почвах. В результате этих процессов ТЭ временно замедляют движение в геологическом круговороте веществ, аккумулируются на геохимических барьерах почв пойм [82, 181, 185, 236, 258, 297, 361].

В почвах пойм формируется широкий спектр фаз-носи- телей ТЭ. Прежде всего они представлены рассеянными в мелкозёме окристаллизованными формами оксидов железа и марганца, аморфными гидроксидами железа и марганца, их полимолекулярными плёнками и оболочками на крупных зёрнах первичных минералов и высокодисперсных частицах; глинистыми минералами; гумусовыми веществами; карбонатами; сульфатами; сульфидами; фосфатами и силикатами [95, 131]. Локализованными фазами-носителями ТЭ в почвах пойм являются железомарганцевые новообразования [30, 41, 42, 43, 46, 48, 49, 50, 55, 80, 82, 109, 183, 337, 362].

8

Фазы-носители удерживают ТЭ в разных формах (обменных, специфически и химически сорбированных, окклюдированных). Глинистые минералы, карбонаты, оксиды и гуминовые соединения содержат ионообменные мобильные формы тяжёлых металлов и неметаллов, являющиеся источником и ближайшим резервом последних для растений. Прочнофиксированные формы тяжёлых металлов и неметаллов находятся в кристаллической решетке глинистых минералов, в оксидах железа, алюминия, коагелях их с кремниевой кислотой, в форме комплексных хелатных труднорастворимых соединений с гуминовыми веществами. Труднорастворимые формы тяжёлых металлов и неметаллов содержат оксиды, гидроксиды, соли. Изоморфные примеси металлов в кристаллической решётке первичных минералов, прочнофиксированные и труднорастворимые формы тяжёлых металлов и неметаллов в почвах являются потенциальным резервом для образования подвижных форм [185, 204, 337].

Между обменными и подвижными формами тяжёлых металлов и неметаллов в растворах существует тесная связь, и возможно взаимопревращение одних в другие [202]. В загрязненных почвах экологическую опасность представляют подвижные соединения ТЭ. Потенциально подвижные ТЭ, связанные с оксидами Fe, также представляют угрозу, так как в случае изменения кислотно-щелочных и окислительно-вос- становительных условий они могут стать мобильными. В таком состоянии они рассматриваются как ближайший резерв в подпитке ионного потока ТЭ из почвы в воды рек [120, 131, 185, 186, 264, 331, 349, 355, 385, 388, 389]. Ю.А. Мажайский

[182] отмечает, что доля подвижных форм может достигать 63 % от общего содержания. М. Jiang [351], оценивая загрязнение почв пойм обменными формами ТЭ, приводит шкалу риска: менее 1 % – отсутствует, от 1 до 10 % – низкий, 11-30 %

– средний, 31-50 % – высокий и 51-100 % – очень высокий.

9

Аккумуляция и миграция ТЭ в почвах пойм обусловливается внешними и внутренними условиями. Внешние факторы определены биологической активностью почв и её физико-хи- мическими свойствами, в первую очередь ОВ-состоянием, которое является результатом сочетания индивидуальных ОВ - свойств, процессов и режимов (водно-воздушного, окис- лительно-восстановительного, кислотно-щелочного, температурного), количественного и качественного содержания гумуса, химического, минералогического, гранулометрического составов твёрдой фазы почв, ёмкостью катионного обмена, буферностью; особенностями рельефа территории и сопряженностью с источниками техногенной эмиссии. Внутренние факторы связаны со свойствами атомов химических элементов и их соединений: реакционная способность, химическая форма, степень окисления, характер закрепления минеральными и ор-

ганическими носителями [41, 139, 142, 157, 195, 196, 254, 280, 295, 325, 328, 337, 343, 349, 351, 356, 385, 388, 392].

Минералы железа выводят из биологического кругово-

рота около 50 % ТЭ почвы [49, 55, 95, 117, 131, 169, 238, 240, 378, 385]. Сорбционные свойства (гидр)оксидов железа обусловлены дисперсностью, переменной валентностью железа (Fe2+, Fe3+), рН зависимым зарядом [37]. В почве оксиды железа поглощают воду и превращаются в гидратированные оксиды или гидроксиды железа [214]. По сравнению с окристаллизованными частицами оксидов и гидроксидов Fe, аморфные гидроксиды железа (аморфная гидроокись железа, грин раст, ферригидрит, липидокрокит, гетит, ферроксигит) обладают наибольшей адсорбционной ёмкостью к ТЭ. Причём адсорбция ТЭ аморфными гидроксидами железа препятствует их кристаллизации [37, 39, 309, 385]. Однако главную роль в наиболее прочном закреплении ТЭ играют именно окристаллизованные частицы (гидр)оксидов Fe (магнетит, маггемит, гематит) [37]. Если нет поступления и образования новых аморфных

10