Элементарный состав и оценка загрязнения почв на территории национального парка "Таганай"

П очвообразовательные процессы с геологической точки зрения можно рассматривать как процессы диагенетические, а почву, как первую стадию изменений осадочных отложений при литификации. Поэтому описание формирования и свойств почвенного разреза на исследуемой территории необходимо рассмотреть в связи с ландшафтно-фациальным строением поверхности и генетической классификацией подстилающих почвообразующих горизонтов.

Формирование ландшафтов территории парка следует отнести к событиям четвертичного периода, современный облик которых сформировался в плейстоцене. Зональные факторы дифференциации ландшафтов в парке подчиняются зонально-высотным особенностям микроклимата территории, в котором наблюдается широкая амплитуда параметров (температурная инверсия, перераспределение барических градиентов и др.). Все ландшафты территории парка относятся к классу горные и подклассу возрожденных складчато-глыбовых среднегорий, с уникальной зонально-высотной структурой, характерной только для горных хребтов Южного Урала, т.е. сменой основных фитоценозов от под-

ножий к вершинам гор (снизу вверх): широколиственные леса, темно - хвойная тайга, лесотундра, тундра (Пояснительная записка…, 1996).

В ходе геологической съемки были выделены генетические формации и типы почвообразующих пород:

• 1.    Склоновая формация , в составе которой выделены нерасчлененные кол-лювиально-солифлюкционные (c-sf) и элювиально-делювиальные (ed) типы, а также элювий (е) кор выветривания.

• -    коллювиально-солифлюкционные отложения широко распространены на исследуемой территории, образуя конусы осыпания в привершинных частях гор и сплошные осыпные и аккумулированные шлейфы в пониженных частях рельефа, образуя так называемые «каменные реки». Возраст отложений датируется как нижне-средне четвертичный, что вполне увязывается с их солифлюк-ционным происхождением. Повсеместно, это средне окатанные глыбовые отложения, открытые (с лишайником, реже мхом) или слабо задернованные с небольшой мощностью аккумулированного почвенного покрова.

• -    элювиально-делювиальные современные верхнечетвертичные отложения, перекрывающие маломощным чехлом склоны и слагающие верхи присклоно-вых шлейфов у подножий хребтов и горного обрамления речных долин. Они отсутствуют лишь на крутых обвально-осыпных склонах, где процессы денудации абсолютно преобладают. По литологическому составу среди элювиальноделювиальных отложений преобладают два типа. Для первого из них характерно преобладание суглинистого материала с подчиненным значением обломков, на субстрате которого развиты почвы, разрез которых прослеживается на глубину до 60 см с ярко выраженными почвенными горизонтами. Такие почвенные разрезы слагают обычно верхние части элювиально-делювиальных шлейфов, мощность которых резко уменьшается вверх по склону. Второй тип – это обломочные отложения (щебень, дресва коренных пород) с суглинистым заполнителем, залегающие преимущественно по склонам с крутизной более 6º, а также на участках водоразделов, где они располагаются в форме линз и карманов в коре выветривания, ограниченные в пространственном отношении обнажениями коренных пород (кварцитов, кристаллических сланцев). Почвообразование на обломочном элюво-делювии идет также в двух направлениях: на дренированных участках – это маломощные, преимущественно минеральные горизонты с покровом из слабогумусированных горизонтов; на участках избыточного увлажнения – элюво-делювий служит основой для формирования торфяно-глеевых почв.

• -    элювий на исследуемой территории в соответствии с имеющейся классификацией принадлежит к площадной и линейной корам выветривания, датировка возраста которых (нерасчлененный кайнозой) основана на сопоставлении вещественного состава элювия с региональной схемой кор выветривания Урала (Инженерная геология…, 1978). Тектоника, геоморфологические особенности и, связанный с ними, вещественный состав элювия в полной мере определяют характер почвенного покрова, развивающегося на элювиальном субстрате. Линейный тип элювия на исследуемой территории прослеживается в пределах

• 2.    Аккумулятивно-эрозионная формация , в составе которой выделяются аллювиальный (а), аллювиально-пролювиальный (ар) и аллювиальноделювиальный (ad) типы отложений нижнее-средне четвертичного и современного (голоцен) возраста.

тектонических депрессий (Киалимский и Тесьминский разломы) и многочисленных оперяющих дизъюнктивных нарушений (трещин меньших порядков), геоморфологически располагаясь на пологих водоразделах и склонах, а также в пониженных частях рельефа (долины рек и межгорные распадки). Состав элювия линейного типа суглинистый с включением рухляковых (ломаются руками) обломков коренных пород (преимущественно сланцев), что связано с продолжительностью и интенсивностью процессов дробления в пределах подвижных тектонических зон, имевших место на исследуемой территории с позднего протерозоя (рифей) на протяжении активного тектогенеза (время заложения Тага-найского орогена). На мощном и однородном линейном элювии имело место равномерное почвообразование с хорошо выраженными, в большинстве гуммированными, почвенными горизонтами, в условиях замедленных процессов плоскостного смыва и эрозии. Напротив, площадной тип залегания элювия, почти сплошным чехлом покрывающий протерозойские кварциты и сланцы территории парка, имеет малую мощность и обломочный состав в сочетании с линзами и гнездами суглинков, тяготеющими к локальным зонам дробления. Описываемый тип элювия характеризуется пестрой цветовой гаммой и вещест -венным составом в зависимости от рудоносности вмещающих материнских пород. По этому же признаку наблюдается и дифференциация почв, бедных по составу, но обогащенных компонентами породо- и почвообразующего субстрата. Пестроцветные почвы встречаются на исследуемой территории повсеместно в зонах плоскостной денудации, залегая непосредственно на элювии, обогащенном Fe, Mn и другими металлами. В процессе окисления металлы мигрируют в почву (химическое выветривание, вымывание), изменяя ее химические и физические свойства (охристый цвет, слюдистость, образованные в результате окисления сгустки и хлопья в форме натечных коллоидных образований). Подобные почвы прослежены в южной части парка.

• -    аллювиальные отложения представлены русловыми, пойменными, надпойменными (валунно-галечники) и старичными (иловатые суглинки) фациями с двумя типами почвенного разреза, формирующегося на них. Грубообломочные отложения в пределах участков с активными речными эрозионными процессами (реки парка имеют незавершенный базис эрозии) несут на себе слабо-сгумусированные подзолы малой мощности. Старичные фации, отложения которых указывают на исчезнувшие русла рек, сложены пластичными мелкоземами с прослоями илов, имеющие соответствующий глеево-торфянистый почвенный покров.

• -    аллювиально-пролювиальные и аллювиально-делювиальные отложения имеют на территории подчиненной значение и представляют собой конусы выноса в пределах денудационно-аккумулятивных склонов речных долин. На территории парка взвешенные наносы аллювия бровок долин в сочетании с мелко-

• земом делювия и пролювия являются основанием для образования луговых почв с хорошо развитой дерниной и почвенными горизонтами.

• 3.    Биогенная формация включает один тип отложений – биогенный (b).

• -    биогенные отложения на исследуемой территории нельзя представить как торф или ил. Скорее всего, это многообразие переходных типов от торфянистоглеевых до илисто-глинистых, но повсеместно с включением слаборазложив-шейся органики, переувлажненных, с коэффициентом пористости 1-2 и выше, сжимаемостью от 100 до 150 мм на 1 м толщи (Промежуточный отчет…, 1976). Часто переход минерального горизонта в почвенный органический горизонт наблюдать не представлялось возможным, поэтому мощность биогенного поч-во-иллювия при описании почвенного разреза суммировалась от слоя, лежащего на почвообразующем горизонте, вверх по разрезу, тем более что она невелика (не более 1 м) по сравнению с торфяными залежами соседствующих с парком заболоченных долин (в долине р. Миасс мощность торфяников составляет 10-15 м). Встречены биогенные почвы преимущественно в пределах тектонических депрессий (днища долин рек, моховые болота).

В схеме почвенного районирования (Пояснительная записка…, 1976) парк находится в пределах зон распространения горных серых лесных, горных дерново-подзолистых, горно-луговых и горно-тундровых почв. В высокогорных участках можно наблюдать целую гамму переходов от самых начальных стадий почвообразования (каменных глыб, одетых скудным лишайниковым покровом) до хорошо сформировавшихся плодородных почв горнолесного и нижней части подгольцового пояса. На каменных россыпях и останцах гольцовых вершин формируются примитивные аккумулятивные почвы. В местах накопления мелкозема развиты горно-тундровые и дерновые горно-луговые почвы. Низкорослые и изреженные леса подгольцового пояса произрастают на дерновых горнолесных почвах.

Горно-тундровые почвы развиты на маломощном площадном элювии коренных пород и поэтому имеют характер почво-элювия. В поясе распространения данных почв климатические условия суровы, поверхность не всегда хорошо прогревается и деятельность почвенных организмов ослаблена. Ввиду этого отмершие растения разлагаются очень медленно. Верхний горизонт горнотундровых почв перегнойно-торфянистый, в нем значительно больше разложившихся растительных остатков, чем минеральных частиц. Ясного разделения на генетические горизонты нет. Почвы имеют сильнокислую реакцию.

Дерново-луговые почвы характерны для подгольцового пояса, они лучше развиты, чем предыдущие почвы, особенно под крупно травными и злаковыми лугами. Они характеризуются большой мощностью (до 40-50 см), рыхло задер-ненной поверхностью, явным подразделением на горизонты. Перегнойный горизонт богаче гумусом, также содержит торфянистые вещества, но в меньшем количестве. В этих почвах накапливается илистая фракция; по механическому составу они суглинистые. Сумма поглощенных оснований значительно выше, чем в горно-тундровом поясе; реакция почвы слабокислая и чем ниже по склону, тем более нейтральная.

Дерновые горнолесные почвы низкорослых лесов подгольцового пояса по механическому составу суглинистые, развиваются на щебнистом элювии и имеют очень однообразный профиль коричнево-бурой окраски, почти без расчленения на горизонты. Реакция почв кислая, высока обменная кислотность и наблюдается слабая оподзоленность.

Горные серые лесные почвы распространены под лесами горнолесного пояса, а на заболоченных участках с ними сочетаются болотные торфяноглеевые почвы. Эти почвы намного богаче почв вышележащих поясов по содержанию гумуса и количеству обменных катионов. По механическому составу и кислотности слабо отличаются от дерновых горнолесных почв, в них также наблюдается более явное расчленение на горизонты.

В результате почвенного профилирования (почвенный профиль № 1: западный склон гора Ицыл - днище Киалимской депрессии - восточный склон горы Дальний Таганай, протяженностью 8 км) в схеме вышеописанных типов почв были описаны следующие генетические почвенные горизонты :

органические:

лесная подстилка (А0), мощностью до 5 см, представленная суглинком темно-серым и коричневым, с включением растительных остатков и мелкой дресвы коренных пород (кварц, кварцит, сланец), различной степени влажности в зависимости от дренированности участка и глубины залегания грунтовых вод;

торфянистый (Ат), мощностью до 20 см, представленный супесью черной, с прослоями суглинка, с включением слаборазложившихся растительных остатков и дресвы коренных пород, различной степени влажности, слюдистый;

торфяно-глеевой (Ад), мощностью до 10 см, представленный суглинком серым с красновато-бурыми линзами и пятнами продуктов окисления, с включением полуразложившихся растительных остатков и мелкой дресвы коренных пород, сильновлажный, слюдистый;

минеральные :

гумусово-элювиальный (А1 А2), мощностью до 40 см, представленный суглинком серым и коричневым, с включением дресвы и мелкого щебня (2 см) коренных пород, различной степени влажности, слюдистый;

иллювиально-почвообразующий (ВС), мощностью до 60 см, представленный тяжелыми суглинками коричневыми, бурыми с охристыми прослоями и пятнами продуктов окисления, с включением дресвы и щебня (3 см) коренных пород, сланец которых в большинстве случаев выветрелый (рухляк, ломается руками), преимущественно слабовлажный, слюдистый;

почвообразующий (С), мощностью более 40 см, представленный коренными породами разной степени выветрелости, с суглинистым заполнителем светло-коричневым, слабовлажным, сильно слюдистым.

Таким образом, на исследуемой территории для каждой классификационной группы почв определены наборы генетических горизонтов:

• •    горно-тундровые почвы:

А0 - Ат - ВС - С; А0 - ВС - С; ВС - С

• •    дерново-луговые почвы:

А0 – Ат – А1 А2 - ВС – С

• •    дерновые горнолесные почвы:

А0 – Ат – А1 А2 - ВС – С;  А0 – А1 А2 - ВС – С

• •    горные серые лесные почвы:

А0 – Ат – Аg - А1 А2 - ВС – С

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

Известно, что рано или поздно, бóльшая часть всех промышленных выбросов непосредственно из воздуха, с растений или окружающих предметов попадает на землю: газы преимущественно в виде осадков или непосредственно самих газов (при благоприятном температурно-ветровом режиме); пыль – под действием силы тяжести. В почве они не остаются бездеятельными: в зависимости от количества, длительности воздействия и вида загрязнителей, а также свойств почвы это приводит к различным отрицательным последствиям.

Дымовые газы вносят в почву сернистые кислоты и серную кислоту (SO2 и SO3), которые с воздухом и водой проникают в поры и соединяются с основными элементами почвы, образуя труднорастворимые сульфаты. В результате сокращается запас питательных веществ при одновременном увеличении кислотности, т.е. снижении значения рН. Еще А. Wieler (1905) указывал, что, хотя SO2 действует преимущественно через органы ассимиляции, однако в почве в относительно небольших (при длительном воздействии довольно значительных) количествах в виде свободной кислоты и газа SO2 оказывают отрицательное действие, способствуя скоплению под пораженными дымовыми газами хвойными насаждениями неразложившейся лесной подстилки (Wieler, 1902). Часто это приводит к образованию более или менее угнетенных древостоев. Скопление неразложившейся подстилки является следствием отравления земляных бактерий (Stoklasa, 1923) и истощения почвенных организмов: многие организмы при низких показателях рН в таких почвах становятся нежизнеспособными. И, наконец, все перечисленные воздействия приводят к негативным изменениям физических свойств почвы, например, уплотнению и снижению ее водопоглощения.

Токсичные вещества обнаруживаются в почве непосредственно (т.е. как аналитическое вещество) или косвенно (например, за счет измерения показателя рН), но в большинстве случаев как скопление в верхнем слое почвы. Закрепление фитотоксичных микроэлементов наиболее эффективно происходит в почвах с высоким минералогическим содержанием глины. Однако лучше всего микроэлементы поглощаются растениями из песчанистых почв. Почвенные разрезы исследуемой территории свидетельствуют о наличии в своем составе как глинистой (накопительной), так и супесчанистой фракций, причем с большим количеством обломочного материала, увеличивающего абсорбционный эффект поглощения вредных веществ растениями.

В результате аналитических исследований почвенных проб, отобранных по трансекте через каждые 5 км, общей протяженностью 40 км с юга на север бы- ло установлено, что содержание большинства тяжелых и легких металлов не превышает фоновые значения, либо они отсутствуют локально или повсеместно (Pb, Cd, Cr, Mg, Fe, Ca, Na, K).

Содержание меди в почвенных пробах в пределах 6 из 9 площадок превышает ПДК от 1,7 до 670 раз, причем максимальное содержание отмечается при приближении к Карабашскому медеплавильному комбинату (КМК): в 25 км от КМК – 500 ПДК; в 20 км от КМК – 634 ПДК; в 15 км от КМК – 670 ПДК. Отсутствие компонента установлено в пробах в центре трансекты, что, вероятно, связано как с удаленностью от источников эмиссии, так и с химизмом ионов Cu², обладающих способностью образовывать комплексы с растворимыми в воде органическими соединениями. Этому также способствует высокая фильтрационная способность почвенного разреза в пределах центральных площадок. Почвы на этом участке представлены супесью и легким суглинком с содержанием обломочной фракции до 40%.

Схожая ситуация наблюдается по цинку, содержание которого установлено во всех пробах вдоль трансекты, центр которой характеризуется условно фоновым содержанием компонента (не более 0,5 ПДК). На остальном протяжении трансекты содержание цинка в пробах повышенное 1-2 ПДК. Максимум наблюдается вблизи источников эмиссии: 35 ПДК в 5 км от Златоуста (Златоустовский металлургический комбинат) и 109 ПДК в 20 км от Карабаша.

Содержание марганца в среднем составляет 0,5 ПДК на большей части трансекты. Незначительное превышение (1,1 ПДК) наблюдается в 10 км от Златоуста, максимальное (8 ПДК) – в 5 км от Златоуста.

Отсутствуют или крайне низкие показатели определены для карбонатов: 0,075-4,5 мг-экв/кг.

Неравномерное содержание питательных элементов в почве, таких как Ca, Mg, Na, K и N, скорее всего, связано с динамикой гидрологического и пищевого режима почв. Пробы на анализ отбирались в середине лета. Как известно, максимум содержания перечисленных компонентов в верхнем слое почвы (до 30 см) содержится в начале лета, когда уровень почвенно-грунтовых вод высокий и в силу этого способность корней поглощать из почвы питательные вещества ослаблена, а в течение лета, по мере аэрации грунтов, запас этих веществ уменьшается в связи с потреблением их растительностью.

Содержание производных газообразных поллютантов по результатам анализов водных вытяжек почв в большинстве случаев не превышает ПДК: нитраты – 0,01-0,2 ПДК; сероводород – 0,06-0,2 ПДК.

Содержание сернистых компонентов в почве повышено в пределах крайних к источникам эмиссии площадках: 1,3 ПДК в 15 км от Карабаша; 2,2 ПДК в 10 км от Златоуста и 58 ПДК в 5 км от Златоуста. На остальных площадках трансекты № 1 содержание серы и сульфатов в среднем составляет 0,2 ПДК. Однако полностью исключить влияние эмиссии по серосодержащим показателям на эти участки нельзя, так как соединения серы имеют незначительный период обращения в биохимическом круговороте, в газообразной форме вступая в соединение с составными частями почвы, что затрудняет их определение как вредного вещества, в отличие от ионов металлов (Деслер, 1981).

Уровень эмиссионного загрязнения почв во многом зависит от их кислотно-основных свойств. Обычно с увеличением кислотности почвы возрастает подвижность элементов (Майстренко и др., 1996). В свою очередь, к снижению водородного показателя приводит превышение естественной концентрации оксидов серы и диоксида углерода, поступающих в атмосферу с отработанными газами, пороговый предел которого (рН) равен 5,6 (Грин и др., 1990). Под влиянием высокой кислотности из почвы и листового опада вымываются жизненно необходимые для растительности магний и кальций, а металлы увеличивают миграционную способность с интенсификацией перераспределения и аккумуляции в почвенных горизонтах и в процессе ассимиляции у растений.

Значения актуальной кислотности водной вытяжки из почв в пределах трансекты № 1 коррелируют с содержанием импактных поллютантов (Cu, Zn, Mn, S, SO4). Максимально к фоновым значениям близки рН центральной части участка, они равны 5,7-6,5. По мере приближения к источникам выбросов прослеживается тенденция роста кислотности, где рН достигает 5,33 в 15 км от Ка-рабаша и 5,47 в 20 км от Карабаша, а также 5,08 в 5 км от Златоуста. Аномальное отклонение значения рН, равное 3,64 в 25 км от Карабаша, вероятно, связано с автономным подкисляющим действием грунтовых и почвенных вод, имеющих место на территории парка (рН поверхностных водотоков по данным анализа равен 4,5-5,0), в совокупности с наложенным эмиссионным эффектом. Кроме этого, в пределах поглощающего почвенного комплекса трансекты № 1 отсутствуют карбонаты (или их содержание минимально), кальций и магний, сдерживающие смещение рН в кислую среду, поэтому на участке создаются условия низкой кислотной буферности почв, определяющие их высокую чувствительность к таким техногенным воздействиям, как кислотные осадки (Оценка окружающей…, 2003).

Резюмируя аналитические данные почвенных водных вытяжек и коллекторскую документацию механического состава почв в пределах трансект можно сделать следующие выводы.

• 1.    Техногенная трансформация почвенного покрова в большей степени наблюдается в северной и южной частях исследуемой территории в радиусах влияния около 10 км к северо-востоку от Златоустовского металлургического комбината и до 30 км к западу и северо-западу от Карабашского медеплавильного комбината, где количество превышений ПДК основных токсинов составляет более трех случаев.

• 2.    Токсичность почвенных разрезов уменьшается к центру территории (превышение ПДК основных токсинов от двух до нуля случаев) и к восточной границе парка (превышение ПДК основных токсинов от одного до двух случаев).

• 3.    Содержание в почве основных токсинов также увеличивается по мере приближения к источникам эмиссии. Высокое содержание Сu в почвах на всем

• 4.    Техногенная трансформация почв на исследуемой территории происходит также за счет изменения окислительно-восстановительной обстановки. Слабокислая реакция почвенной среды в центральной и восточной частях парка обеспечивает снижение токсичности элементов, увеличение же кислотности почв ближайших к источникам эмиссии участков активизирует миграцию токсинов в биохимическом круговороте.

протяжении трансекты обусловлено усилением признаков элювирования почвенного разреза в пределах естественной геохимической аномалии.

В целом, исследованные почвы в парке характеризуются бедным микро-элементным составом. Отсутствие или низкое содержание ряда питательных веществ отрицательно сказывается на протекании биохимических реакций внутри растительного сообщества, что в совокупности с чрезмерной техногенной нагрузкой приводит к угнетению древостоя.

Таким образом, почвенный покров парка, отличающийся специфическими свойствами, а именно: генетическим разнообразием в пределах автономных (водораздельных), транзитных и аккумулятивных (пониженных) ландшафтных позиций; высокой буферностью к подщелачиванию, обеспечивающей затрудненный биохимический круговорот элементов; бедностью питательными веществами; высоким сорбирующим эффектом – является, с одной стороны, негативным отражением, а с другой, эффективным диагностическим признаком техногенного загрязнения территории парка.