Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах (РГО)НИР

Metals fractions in southern taiga landscapes

Источник финансирования НИР

другие гранты РФ, Русское географической общество

Этапы НИР

# Сроки Название
1 15 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: Проведены полевые работы. Выбрана типичная для Центрально-Лесного заповедника катена на лессовидных суглинках, подстилаемых моренными карбонатными суглинками. Получены данные об условиях миграции химических элементов, охарактеризованы уровни содержания металлов в основных горизонтах сопряженных почв.
2 1 января 2018 г.-14 мая 2018 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: 1. Исследован баланс соединений металлов в почвах типичной южнотаежной катены в Центрально-Лесном заповеднике. 2. Оценена подвижность металлов в дерново-подзолистых почвах таежной катены. Охарактеризовано радиальное и латеральное распределение подвижности металлов в дерново-подзолистых почвах южнотаежной катены. 3. Исследована зависимость элементного состава почв от их физико-химических свойств: величины рН, содержания гранулометрических фракций и углерода органических веществ. 6. Оценена почвенно-геохимическая дифференциация монолитной катены.
3 1 ноября 2018 г.-31 декабря 2018 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: Для выявления специфических черт химического состава различных растений А.П. Ковалевский (1969) предложил использовать специальный параметр – коэффициент ОСВР (относительное содержание химических элементов в видах растений), который оценивает степень отличия конкретного вида от эталонного, произрастающего в том же элементарном ландшафте. Вычисление коэффициента ОСВР проводилось отношением содержания элемента в изучаемом виде к его содержанию в эталонном. За эталон сравнения во всех исследуемых ландшафтах были приняты листья липы сердцевидной. Максимальный уровень биогеогеохимической дифференциации растений по видовому признаку, не выходит за пределы умеренного концентрирования или деконцентрирования элементов (за исключением сфагнума: Pb54,6; Ti38,3; Zr25,6;). В древесном ярусе относительно эталона сравнения наибольшее число элементов концентрируется в хвое ели обыкновенной и листьях клена остролистного, при этом, в автономном и трансэлювиальном ландшафтах хвоя ели обыкновенной обогащена Pb8-3,3> Сo6,4-4,6> Mn5,4-4,4, а листья клена остролистного - Cd4,7-6,9> Pb5,1. С увеличением гидроморфизма ландшафтов у ели обыкновенной отмечается относительное концентрирование Сo4,4 в переходном и Pb4 в переувлажненном ландшафтах, а Mn3,8-4,5, Сd3,4-8 и Zn2,5-4,8– у обоих видов в переходном ландшафте. По сравнению с липой сердцевидной и кленом остролистным, ель обыкновенная слабее накапливает Сu 0,4-0,7 и Zr0,5-1,3, причем концентрации этих элементов понижены незначительно, а с увеличением увлажненности почв хвоя ели обыкновенной деконцентрирует Сu0,4. Травянистый ярус в ландшафтах катены представлен как неморальными, так и бореальными видами. Большинство растений травянистого яруса, за исключением сфагнового мха, относительно эталонного вида являются деконцентраторами химических элементов (Cr, Ni, Cu, Sr). Однако травянистые растения концентрируют малоподвижные элементы Ti, Zr, а также Fe, Cd, Cr. Среди видов травянистого яруса кислица обыкновенная характеризуется наиболее пониженными концентрациями элементов. Концентратором наибольшего числа элементов является плюризональный вид ̶ орляк обыкновенный (Ti4,3-11,6; Fe1,2-4,7; Cr3,5-4,3; Zr3,8-8,9). В сфагновом мхе выявлено наибольшее относительное накопление элементов в золе (Pb54,6> Ti38,4> Zr25,6> Cr18,5> Fe6> Co3,3> Cd2,5> Ni2,4), что отмечено в работе (Markert, 1992).
4 1 января 2019 г.-31 октября 2019 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: Биогеохимическая дифференциация лесных сообществ катены определяется структурой фитоценозов. Большинство древесных пород изученных лесных сообществ катены в листьях накапливают Mn и Zn, а также Сo и Сd, в то время как растения травянисто-кустарничкового яруса относительно древесных концентрируют элементы с низкой биофильностью Ti, Fe, Zr, в отдельных случаях Cd и Cr. Сфагнум при низком содержании зольного остатка и макроэлементов (особенно К, P, S) выступает в качестве умеренного концентратора более широкого спектра элементов с относительно низкой биофильностью - Fe, Ti, Cr, Co, Zr и Pb. В распределении элементов по надземным органам древесных растений прослеживаются разные стратегии накопления: в широколиственных породах наибольшая концентрация элементов происходит в фотосинтезирующих органах растений, а в хвойной породе (ели обыкновенной) – в ветках и коре. Филогенетическая специализация определяет биогеохимическую активность в поглощении микроэлементов из почв. Растения древесного яруса – ель обыкновенная и клен остролистный, а также эдификатор в трансэлювиально-супераквальном ландшафте – сфагновый мох, характеризуются максимальной биогеохимической активностью. Среди растений травяно-кустарничкового яруса максимальную активность проявляют сфагнум, произрастающий в трансэлювиально-супераквальном ландшафте (БХА=109), звездчатка ланцетолистная (БХА=76-80) и листья черники обыкновенной (БХА=53-98). Вяз шершавый (БХА=6), хвощ лесной (БХА=7) и кислица обыкновенная (13-33) по величинам коэффициента БХА слабо участвуют в биогеохимических циклах микроэлементов. Aктивность поглощения микроэлементов меняется у растений одного вида в зависимости от условий местообитания и положения сообщества в катене. Ель обыкновенная активнее участвует в биологическом поглощении элементов в автономном ландшафте (БХА=108), а клен остролистный – в трансэлювиальном (БХА=156). Липа сердцевидная отличается наиболее стабильным поглощением микроэлементов из почв и слабыми пространственными вариациями микроэлементного состава зеленых органов (БХА=19-39). Листовой опад, поступающий на поверхность почв в конце вегетационного периода, не наследует элементный состав зеленых частей растений древесного яруса, а характеризуется более низкими концентрациями элементов, что свидетельствует о важности процессов ретранслокации химических элементов в растениях и консервации части элементов в их тканях. Скорости разложения мертвого органического вещества и мощности органогенных горизонтов почв зависят от гидротермических условий и биохимического состава разлагающихся остатков. В нижних звеньях катены создаются благоприятные условия для медленной деструкции и минерализации органического вещества, в результате чего происходит формирование торфянистых горизонтов. В автономном и трансэлювиальном ландшафте формируются лесные подстилки, в которых при ферментации опада происходит интенсивное накопление Ti, и Pb (Кт =10-16), умеренное – Cd, Fe, Co (Кт=4-10), и слабое – Mn, Ni, Cu (Кт=2-4). В конечном звене катены при трансформации опада в торфяной массе интенсивно накапливается только Pb, умеренно – Тi и Fe, слабо - Сu и Zn. Благодаря поступлению с отмершими растительными остатками в процессы биогенной аккумуляции в почвах активно вовлекаются Mn, Zn и Cd. В радиальном распределении для данных элементов прослеживается поверхностно-аккумулятивный тип распределения с максимальным накоплением в лесной подстилке и поверхностных грубогумусовых горизонтах автономного и транэлювиального ландшафта. Поглощение Mn, Zn и Cd растениями определяется количеством легкодоступных (водорастворимых и обменных) форм в почвах, для Mn характерно активное извлечение доступных форм элементов из корнеобитаемого слоя почв, наиболее явно проявляющееся в трансэлювиальном ландшафте (Bх= 12-206). Доступные формы Zn и Cd не так активно извлекаются растениями, коэффициент Вх для данных элементов близок к 1. В поглощении Cu (Bх=31-299) и Sr (Bх= 19-141) для всех растений отмечается дефицит содержания легкоподвижных форм в корнеобитаемом слое, а в поглощении Zr (Bх= 0,002-0,12) и Pb (Bх= 0,01-0,16), напротив, избыток, определяющий низкую биогеохимическую подвижность этих двух элементов в ландшафтах.
5 13 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: Почва традиционно определяется как один из компонентов геосистем, где происходит накопление и сохранение информации о состоянии природной среды. В концепции «почва-память» предполагается сохранение в ходе эволюции гранулометрического состава почв и валового содержания элементов. К понятию «почва-момент» относятся факторы и свойства, быстро меняющееся в процессе эволюции почв: рН, содержание гумуса, засоление, содержание питательных элементов и подвижных форм элементов (Соколов, Таргульян, 1976, 1978). Однако, анализ сезонной динамики свойств и элементного состава почв фоновых южнотаёжных ландшафтов неожиданно показал значимую сезонную вариабельность (с p value <0,001, 0,01 и 0,05) абсолютного большинства рассмотренных показателей (Приложение H). Причем изменяются не только факторы состояния «почва-момент». Сезонную вариабельность содержания органического углерода можно легко объяснить: в ноябре его больше, чем в июне за счет накопления и преобразования органических остатков на поверхности почв. Прослеживаемые во все сезоны значимые изменения pH, а также содержания обменных, органоминеральных и сорбированных гидроксидами Fe и Mn форм всех рассматриваемых химических элементов трудно интерпретируемы и требуют вовлечения в анализ дополнительных предикторов, пока не имеющихся в нашем распоряжении, например, состава атмосферных осадков и сезонной динамике состава поверхностных вод в фоновых ландшафтах южной тайги. Для факторов состояния «почва-память», которые изначально предполагались консервативными, также прослеживаются значимые сезонные вариации. Так, в разные сезоны в изученных почвах отличается содержание мелкого песка, ила, крупной и мелкой пыли. Можно было бы предполагать их механический перенос талыми (в мае) и дождевыми водами (в июне и ноябре). Однако, для поддержания почвенного гомеостаза должны быть и восходящие потоки перемещения вещества, существование которых маловероятно в южнотаежных ландшафтах. Валовое содержание некоторых элементов также изменяется: в сентябре увеличивается содержание Pb, Sb, U, Mo, Ni, Ti, Fe, в июне – Zr, Pb, Cr, Sb, в ноябре – Cd, Ni, Pb, Sb, Sr, U, Zn, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ti, As, Cu, в мае – Cd, Fe, Mn, U, Zr, Cu, Ni, Ti, Zn, Cr, Mo, Sr, As, Co.
6 1 января 2021 г.-30 ноября 2021 г. Формы миграции металлов в южнотаёжных ландшафтах
Результаты этапа: По уровням содержания валовых и подвижных форм элементов изучаемую южнотаежную катену можно рассматривать в качестве модельной, так как элементный состав почв соответствует данным по фоновым почвам тайги. В валовом содержании во всех сезонах наблюдаются относительно устойчивые ассоциации микроэлементов: 1 – активно мигрирующие Mn и Zn. Однако Mn в мае выделяется, поскольку его содержание увеличивается, вероятно, из-за переувлажнения, выщелачивания из пород и поступления с талыми водами и перегнившими остатками растений. 2 – сидерофильные Fe, Cr, Ni, халькофильная Cu и литофильный Cr, 3 – халькофильные Cd, Sb и сидерофильный Mo, 4 – литофильные Ti, La, Rb, Sr, 5 – литофильные слабо мигрирующие U, Zr, 6 – As и W В распределении обменных форм сохраняется ассоциация U–Zr и Mn–Zn. При этом отдельно ассоциация Mn–Zn выделяется только летом, а весной и осенью, за счёт поступления и разложения растительных остатков, к ней добавляется Cd. Также наблюдаются следующие устойчивые ассоциации: – катионогенные сидерофильный Ni и литоильный Sr – Fe ассоциируется с литофильными малоподвижными Ti и Cr, а весной – с U и Zr. В распределении органоминеральных соединений наблюдается сезонная дифференциация и можно выделитьследующие ассоциации: – катионогенные Mn и Co, – Zn и Cd наблюдается в ноябре и мае, вероятно, из-за активного поступления элементов в почву при разложении растительного опада. В распределении сорбированных соединений также не выделяется устойчивых ассоциаций, но можно наблюдать: –в июне и мае ассоциации Fe с Co и Ni соответственно, –выделяется группа слабо мигрирующих As, U, Zr, Ti. В южнотаёжных ландшафтах катены наиболее биогеохимически активными (эссенциальными) элементами являются Mn, Zn, Cd и Cu, которые эффективнее поглощаются древесными растениями, а также возвращаются на поверхность почв с обильным хвойным и лиственным опадом. Наибольшая подвижность элементов наблюдается в органогенных горизонтах почв. Здесь сильноподвижны халькофильные Bi, Cd, Pb, Zn, литофильные Mn, Cu, сидерофильные Fe, Co, Ni. К нижележащем минеральным горизонтам подвижность значительно снижается. В горизонте E сильноподвижными остаются халькофильные Cd, Pb и литофильные Ti. В горизонтах В и С сильноподвижны халькофильные Cd, Pb и литофильных Mn, La. Радиальная почвенно-геохимическая структура фоновой южнотаежной катены вне зависимости от сезона опробования характеризуется поверхностно-аккумулятивным распределением соединений халькофильных элементов за счет накопления на биогеохимическом барьере в гумусовом горизонте за исключением валового As, обменной Cu, органоминеральных соединений Bi, Cd, Cu и сорбированных соединений Bi, имеющих элювиальный и срединно аккумулятивный типы распределения, в большей степени из-за лессиважа и сорбции Fe-Mn конкрециями. Валовые, обменные и сорбированные соединения литофильных элементов выносятся из верхней части почвенного профиля за счет кислотного гидролиза, не компенсированного биогенной аккумуляцией гумидокатной растительностью. Органоминеральные соединения этих элементов накапливаются на биогеохимическом барьере, и только наименее востребованные растениями Ti и Zr выносятся из верхней части профиля. Сидерофильные элементы относительно равномерно распределены по профилю, часто с тенденцией к элювиальному распределению за счет компенсации кислотного гидролиза восходящей миграцией в растворах и аккумуляций на сорбционном барьере Fe-Mn конкреций в Е и ВТ горизонтах и биогеохимическом барьере в гумусовом горизонте. Необходимый растениям Mo в обменной и органоминеральной формах накапливается на биогеохимическом барьере гумусового горизонта, обменное Fe – на сорбционном барьере иллювиального горизонта. Латеральная почвенно-геохимическая структура структура фоновой южнотаежной катены характеризуется ярче выраженной сезонной вариабельностью. Валовые формы халькофильных элементов (As, Bi, Cd, Cu, Sb, Pb, Zn) накапливаются преимущественно в верхних звеньях катены. Только для Pb в мае и ноябре наблюдается равномерное распределение в ландшафтах. В сентябре и июне из-за обильного поступления растительных остатков большая часть халькофильных элементов накапливается на склоне. Литофильные La, Ti и Zr во все исследуемые сезоны накапливаются в нижней части катены. Для сидерофильных элементов характерно равномерное распределение по катене. Обменные формы халькофильных Bi, Cu и Pb накапливаются в нижней части катены. В мае большая часть обменных соединений As, Bi, Cd, Co, Cu, La, Mn, Ni, Pb, Rb. Sr, Zn, Zr аккумулируется в автономном ландшафте, вероятно, из-за физиологической сухости почв и затруднения поглощения растениями. Органоминеральные соединения As, Cd, Fe, La, Mo, Sb, Zr в июне и cентябре аккумулируются преимущественно в подчиненном ландшафте, где накапливается большое количество органического вещества в торфе. Высокое содержание органоминеральных соединений в горизонтах породы для большинства элементов наблюдается в склоновых подчиненных ландшафтах, чему может способствовать частая смена окислительно-восстановительных условий при близком залегании грунтовых вод и формирование комплексного окислительного и восстановительного барьера. Сорбированное гидроксидами Fe и Mn соединения As, Ni, Pb, Rb, Sb, U в сухие ноябрь и май имеют равномерное распределение в ландшафтах катены. В целом, контрастность латеральной дифференциации элементов снижается в ряду горизонтов: органогенные – органо-минеральные – элювиальный – иллювиальный – порода, что связано с ослаблением латеральных миграционных потоков при увеличением глубины.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".