Особенности почвообразования и геохимии почв в условиях активного вулканизма (на примере Камчатки)

Вид материала

Содержание

Геохимические особенности вулканических
Фоновые содержания элементов в поверхностных горизонтах почв и подстилающих их вулканических пеплах
Обеспеченность почв растворимыми формами микроэлементов
Оценка санитарно-гигиенического состояния почв
Формирование почвенно-растительного покрова в

Подобный материал:

1 2 3

Глава 5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВУЛКАНИЧЕСКИХ
ПОЧВ КАМЧАТКИ

Роль почвообразующих пород для большинства почв Камчатки выполняют вулканические пеплы, которые представляют собой в основном мелкие обломки вулканического стекла и лишь незначительное количество силикатных минералов, что и определяет их бедный элементный состав. В процессе извержения и далее при движении от источника до места выпадения пеплы сорбируют на поверхности частиц широкий спектр дополнительных химических элементов из газовой фазы (тучи) [Башарина, 1958; Гущенко, 1965; Мархинин и др., 1963; Товаров, 1958; Транбенкова, Муравьев, 2003]. В результате на поверхность Земли пеплы выпадают обогащенными растворимыми формами элементов, которые, благодаря своей высокой подвижности, безусловно, должны оказывать существенное влияние на геохимический состав формирующихся на них почв.

С целью установления роли пирокластического материала в формировании геохимических особенностей вулканических почв нами проведен сравнительный анализ геохимических характеристик почв выделенных районов провинций Камчатки, развитых на разных по химическому составу пирокластических отложениях. В качестве объекта геохимических исследований был выбран поверхностный грубогумусовый горизонт (АО) вулканических почв и подстилающий его горизонт приповерхностных вулканических пеплов: андезитовых в обоих районах Северной провинции; риолито-дацитовых в Западном и Центральном районах Южной провинции и андезито-базальтовых в Юго-Восточном районе Южной провинции. Обследования почв и пеплов проведены на территориях развития сообществ березовых лесов, представляющих наиболее характерные ландшафты в районах распространения вулканических почв. Поверхностный органогенный горизонт почв опробован с глубины 3–10 см, приповерхностные вулканические пеплы – в среднем с глубины 10–15 см.

В зависимости от масштабов оценки различаем региональный и глобальный геохимические фоны элементов для почв. Региональный фон характеризует средние содержания элементов в почвах крупных регионов (районы Северной и Южной провинций Камчатки), выделенных по наличию у почвенного покрова устойчивых площадных отличительных признаков (состав приповерхностных вулканических пеплов). Глобальный фон отражает распространенность элементов в почвах континентов в целом. Оценка геохимических особенностей вулканических почв и приповерхностных пеплов Камчатки, развитых в районах выделенных почвенных провинций Камчатки, проведена путем расчетов кларков концентрации (Кк) элементов [Соловов, 1990]. Для почв – это отношение валовых концентраций химических элементов в исследуемых почвах (в нашем случае – регионального фона) к их общей распространенности в почвах континентов [Ярошевский, 2004]. Аналогично для пеплов – как отношение регионального фона к кларкам элементов в соответствующих типах магматических пород [Соловов, 1990].

Фоновые содержания элементов в поверхностных горизонтах почв и
подстилающих их вулканических пеплах

Установлено, что все приповерхностные вулканические пеплы Камчатки, характеризуются пониженными фоновыми валовыми концентрациями большинства элементов относительно их кларков в соответствующих магматических горных породах, т.е. для большинства элементов Кк (кларки концентраций) < 1. Число элементов с надкларковыми фоновыми содержаниями колеблется от 4 до 6 (из 21, по данным спектрального анализа), общий уровень превышений концентраций над кларками не велик (не более 2.26 раз). Состав аномальных элементов изменяется в зависимости от петрохимического состава пеплов и их принадлежности к разным районам выделенных почвенных провинций. Наблюдается общий более высокий геохимический фон для пеплов среднего и основного составов и пониженный геохимический фон для пеплов кислого состава. Это соответствует литературным данным о характере распределения кларков этих элементов в магматических породах соответствующего состава.

Оценка геохимических особенностей вулканических почв Камчатки показала их низкий элементный потенциал относительно распространенности элементов в почвах континентов [Захарихина и др., 2005а; Литвиненко, Захарихина, 2009]. Большинство элементов, для которых установлены кларки концентраций (Кк) имеют значение этого показателя < 1. Составлены геохимические формулы для выделенных районов почвенных провинций Камчатки. В числителе формул помещены элементы c региональными фоновыми концентрациями, превышающими их общую распространенность в почвах континентов (Кк > 1), а в знаменателе – элементы, дефицитные относительно этой величины (Кк < 1). Элементы в формулах ранжированы по значениям Кк, приведенным в скобках:

Южная провинция

Западный район:

Cu(1.74) – Р(1.43)

Ag(1.00) – Mo(0.97) – Ti(0.81) – Mn(0.80) – V(0.68) – Sc(0.66) – Co(0.66) –Zr(0.52) – Ga(0.50), Pb(0.50) – Sn(0.42) – Nb(0.41) –Y(0.40), Ba(0.40) – Zn(0.35) –B(0.33), Ni(0.33) – Cr(0.30) – Sr(0.18)

Центральный район:

Cu(1.77) – Р(1.68) – Mn(1.03)

Sc (0.83) – Ag(0.80) – Mo(0.78) – V(0.77) – Zn(0.75) – Co(0.65) – Ba(0.59) – Pb(0.53) – Sn(0.52) – Ti(0.52) – Ga(0.51) – B(0.39) – Nb(0.36) – Ni(0.35) – Sr(0.30) – Y(0.26) – Zr(0.20) – Cr(0.18)

Юго-восточный район:

Р(3.75) – Cr(2.78) – Cu(2.77) – Mn(2.47) – Sc (1.88) – Zn(1.52) – Co(1.18) – Ag(1.1)

V(0.95) – Mo(0.77) – Ga(0.74) – Sr(0.61) – Pb(0.6) – Y(0.45) – Zr(0.4), Ba(0.4) – Ti(0.39) – Sn(0.36) – Ni(0.29) – Nb(0.27) – B(0.20)

Северная провинция

Западный район:

Р(3.71) – Cu(2.56) – Sc (1.25) – Mn(1.1) – V(1.03)

Ni(0.91) – Mo(0.86) – Ti(0.8) – Ba(0.79) – Cr(0.72) –Co(0.67) – Sr(0.63) – Zn(0.62), Ga(0.62) – Ag(0.60) – B(0.57) – Zr(0.50) –Sn(0.42) – Y(0.31), Pb(0.31) – Nb(0.28)

Восточный район:

Р(2.50) – Cu(2.17) – V (2.0) – Mn(2.0) – Zn (2.10) – Co(1.67)

Ni(0.97) – B(0.97) –Sr(0.91) – Sc(0.86) – Cr(0.85) – Ag(0.80) –Ga(0.65) – Mo(0.63) – Ni(0.55) –Nb(0.45) – Ba(0.40) – Sn(0.39) – Y(0.28) – Pb(0.25) – Zr(0.22)

Представленные формулы отражают геохимические особенности почв, выделенных районов почвенных провинций Камчатки. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

вулканические почвы в целом, и особенно формирующиеся на кислых пеплах, обеднены большинством элементов относительно их общей распространенности в почвах континентов;
более высокие общие содержания большей части элементов характерны для почв, образованных на основных и средних вулканических пеплах, в сравнении с почвами, развитыми на кислых пирокластических отложениях;
для почв разных районов в той или иной степени характерны повышенные содержания элементов (Кк > 1) типоморфных для магматических пород среднего и основного составов (содержащиеся в них в больших количествах, чем в кислых разностях) – Sc, V, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ag и P;
для почв всех районов характерны устойчивые повышенные содержания P и Cu;
элементы, типоморфные для кислых магматических пород (B, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Ba, Pb) имеют устойчиво низкие фоновые содержания во всех рассматриваемых почвах, в том числе непосредственно сформированных на пеплах кислого состава, вероятно, в связи с изначальной общей обедненностью этими элементами всех вулканических пеплов Камчатки;
количество элементов с надкларковыми содержаниями (Кк > 1) в вулканических почвах разных районов обнаруживает тесную зависимость от петрохимического состава пеплов, на которых они сформированы: отмечается общее увеличение их числа в ряду кислые – средние – основные пеплы.

Устойчиво повышенное общее содержание Р в вулканических почвах Камчатки объяснимо его высоким содержанием в приповерхностных вулканических пеплах региона (для пеплов всех районов Кк > 1). Оценка процессов накопления или выноса вулканогенных элементов в процессе почвообразования, проведенная путем сопоставления фоновых валовых содержаний элементов в почвах с их средними концентрациями в приповерхностных пеплах, позволяет предположить, что высокое содержание меди в почвах Камчатки обусловлено изначальной обогащенностью всех пеплов региона ее легко подвижными формами, накапливающимися в почвах при каждом новом привносе свежего пирокластического вещества. Перечисленные особенности геохимических свойств вулканических почв Камчатки отражены на рис. 4.

Рис. 4. Кларки концентраций элементов для почв Камчатки

По результатам более тонкого и точного ICP анализа для обеих провинций установлены также устойчивые надкларковые содержания Se. Обобщенные данные спектрального и ICP анализов почв, показывают наличие общей региональной геохимической специализации вулканических почв Камчатки, относительно распространения химических элементов в почвах континентов, которую определяют Р, Cu и Se.

Обеспеченность почв растворимыми формами микроэлементов

При рассмотрении вопросов, связанных с оценкой возможности почвы обеспечивать микроэлементами растения, большее значение, нежели их валовой геохимический состав, имеют данные о содержании в почвах растворимых (подвижных) форм элементов.

Оценка обеспеченности поверхностного грубогумусового органического горизонтов почв подвижными формами микроэлементов проведена для наиболее распространенных почв Камчатки: слоисто-охристых, сформированных на пеплах среднего состава в пределах Западного района Северной провинции, и охристых типичных, образованных на кислых пеплах в Центральном районе Южной провинции. Концентрации растворимых форм элементов, установленные методом ICP анализа в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера, приведены в табл. 4.

Согласно существующим критериям оценки [Александрова и др., 1991], обеспеченность поверхностных грубогумусовых горизонтов вулканических почв обеих провинций подвижными формами Mn, Co, Mo и Zn низкая. Уровень обеспеченности почв Cu для почв Северной почвенной провинции средний, для почв Южной провинции – низкий.

Таблица 4. Средние содержания растворимых форм (мг/кг) микроэлементов в поверхностных грубогумусовых горизонтах слоисто-охристых почв Северной провинции и охристых типичных почв Южной провинции Камчатки

Элемент	Северная провинция, n=10	Южная провинция, n=10	Элемент	Северная провинция, n=10	Южная провинция, n=10
Sc	0.10	0.20	Y	0.14	0.026
Ti	2.38	0.72	Zr	0.55	0.05
V	0.21	0.08	Mo	0.20	0.03
Cr	0.57	0.20	Cd	0.04	0.006
Mn	5.51	12.00	Ba	15.25	6.50
Co	0.18	0.08	Yb	0.01	0.004
Ni	0.59	0.80	Bi	0.002	0.004
Cu	0.59	0.11	Th	0.024	0.04
Zn	1.20	2.60	As	0.009	0.012
Ga	0.03	0.05	Se	0.065	0.15
Ge	0.01	0.01	Pb	0.094	0.39
Sr	3.85	2.90

Примечание: n – количество проб, включенных в расчеты.

Оценка санитарно-гигиенического состояния почв

Основным показателем санитарно-гигиенического состояния почв является уровень содержаний в них микроэлементов относительно установленных нормативов ПДК и ОДК (ГН 2.1.7.2041-06, 2006; ГН 2.1.7.020-94, 1994), превышения над которыми характеризует степень загрязнения почв. Фоновое санитарно-гигиеническое состояние вулканических почв Камчатки в целом может быть признано благополучным. В почвах всех районов выделенных провинций полуострова общие (валовые) содержания Mn, Ni, Pb, Sb значительно ниже ПДК. Наиболее «чистыми» в санитарно-гигиеническом отношении являются охристые типичные почвы Южной почвенной провинции, сформированные на кислых пеплах (Западный и Центральный район), где не установлены превышения ПДК ни для одного из нормируемых элементов.

Преимущественно незначительные превышения нормативов по отдельным элементам отмечаются только для почв, сформированных на пеплах среднего (Северная провинция) и основного (Юго-Восточный район Южной провинции) петрохимических составов. Наиболее сильное природное «загрязнение» почв установлено в Юго-Восточном районе Южной провинции, где фоновые концентрации Cr составляют 3.34 ПДК. Повсеместное превышение ПДК в почвах характерно для Сu: в Западном и Восточном районах Северной провинции, соответственно, 1.07 и 1.36 ПДК, в Юго-Восточном районе Южной провинции 1.16 ПДК. Наибольшее число сверхнормативных элементов установлено для почв Восточного района Северной провинции, образованных на самых молодых (возраст 50 лет) андезитовых вулканических пеплах – уже упомянутая выше Сu (1.36 ПДК), V (1.20 ПДК), Zn (1.10 ПДК) и Cr (1.02 ПДК). Кроме того, наблюдается повышенное фоновое содержание As для почв Западного района Северной провинции, составляющее 1.53 ОДК.

Содержания подвижных форм всех контролируемых элементов (хром, марганец, кобальт, никель, медь, цинк и кадмий) в слоисто-охристых и охристых типичных вулканических почвах обеих почвенных провинций Камчатки значительно ниже ПДК. С одной стороны, это свидетельствует о благополучной экологической обстановке почв. С другой – является еще одним подтверждением их слабой обеспеченности подвижными формами микроэлементов для растений и, соответственно, повышенной уязвимостью почв при изъятии химических элементов из системы почвы – растения при сельскохозяйственной деятельности, вырубке лесов, пожарах и т.п.

Таким образом, почвы Камчатки, образованные на вулканических пеплах, имеют невысокое общее (валовое) содержание элементов и слабо обеспеченны их подвижными формами. Бедный геохимический состав вулканических почв полуострова обусловлен бедным элементным составом вулканических пеплов, на которых они образованы, специфическим генезисом почвообразования, природно-климатическими условиями региона и физико-химическими свойствами почв.

В почвах отсутствует поступление элементов из выветривающихся пород геологического основания, от которого современные органогенные горизонты «оторваны» многочисленными минеральными прослоями пеплов. При этом сами вулканические пеплы Камчатки наряду с бедным элементным составом являются достаточно инертными почвообразующими породами. Все пепловые горизонты, залегающие в почвах, как правило, слаботрансформированы, плохо выветрены (исключение составляют лишь пеплы, слагающие охристые горизонты). Слабую преобразованность камчатских вулканических пеплов обусловливают суровые природно-климатические условия региона.

Физико-химические свойства почв полуострова мало благоприятны для накопления легкоподвижных форм элементов, поступающих со свежими пеплами в процессе вулканических извержений. Почвы характеризуются подвижным фульватным гумусом, имеют преимущественно кислую реакцию среды и низкую насыщенность основаниями.

Глава 6. ФОРМИРОВАНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА В
ЗОНЕ СОВРЕМЕННЫХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПЕПЛОПАДОВ

Геохимические особенности вулканических почв разных районов полуострова рассмотрены в связи с различиями в петрохимическом составе вулканических приповерхностных пеплов, отложившихся в результате давних извержений вулканов Камчатки (см. гл. 5). Подвижные формы элементов, наследованные ими в процессе извержений, в результате гипергенеза и почвообразования, либо утрачена (десорбция, активный переход в атмосферные осадки, грунтовые и поверхностные воды с последующим выносом), либо трансформирована (переход в слабо подвижные или прочносвязанные формы). Оценить процессы миграции и трансформации подвижных форм элементов, поступающих со свежими вулканическими пеплами в процессе извержений, можно в зонах влияния современных извержений вулканов.

С целью выявления особенностей формирования геохимических свойств почв и растений в условиях непрерывных вулканических пеплопадов изучена специфика почвенно-растительного покрова, обусловленная региональной вулканической деятельностью действующего вулкана Карымский [Захарихина, 2009а].

Исследования проводились на востоке полуострова Камчатка в окрестностях озера Карымское, расположенного в кальдере вулкана Академии наук в 6 км от действующего вулкана Карымский, который является одним из самых активных в восточной вулканической зоне Камчатки [Федотов, 2002 и др.]. В начале января 1996 г. здесь произошло одновременное извержение двух вулканов
[Федотов, 1996, 1997; Фазлуллин и др., 2002]. Одно из них было приурочено к вершине вулкана Карымский, другое – к северной части Карымского озера в кальдере Академии наук. Подводное извержение в кальдере сопровождалось разовым выбросом значительного количества пирокластического материала базальтового состава. В результате в окрестностях озера в верхней части профиля современных почв сформировался горизонт базальтовых пеплов средней мощности ~ 2–3 см, а в северной части озера образовался новый элемент рельефа – полуостров Новогодний, изменивший береговую линию. Выпадение андезитовых пеплов вулкана Карымский в окрестностях Карымского озера началось до начала извержения в кальдере Академии наук и продолжается поныне.

Почвы, развитые в окрестностях озера Карымское состоят из пяти наложенных друг на друга элементарных профилей, в каждом из которых выделяются органогенные горизонты и четко диагностируемые слои слабо трансформированных вулканических пеплов извержений вулкана Карымский. Расположенный на юго-восточном побережье озера Карымское вновь образованный вулканогенный элемент рельефа (полуостров Новогодний) образован пирокластическим материалом современного извержения в озере. Поверхность его сложена рыхлым андезитовым пеплом современных извержений влк. Карымский, с глубины 10–15 см залегает уплотненный базальтовый пепел извержения в Карымском озере.

Оценка фоновых валовых содержаний элементов в почвенных горизонтах и пеплах территории по их кларкам концентраций (Кк) показала, что все выделенные образования почвенно-пирокластического чехла характеризуются пониженными концентрациями большинства рассматриваемых элементов относительно их кларков в соответствующих средах литосферы.

Иная картина наблюдается при анализе данных по Кк для растительности. Для большинства микроэлементов, входящих в состав растений, заселяющих как почвы, так и покровы свежих вулканических пеплов территории, установлено превышение над кларком живого вещества. Относительно растительности Западного района Северной почвенной провинции (района, идентичного по петрохимическому, андезитовому составу ПП) содержания микроэлементов в живой массе растений, произрастающих вблизи действующего вулкана Карымский, для большинства контролируемых элементов также значительно выше. Так концентрации V и Ag в них выше в 43 и 28 раз соответственно, Ni, Pb и Со – в среднем в 3.6 раза.

Повышенные содержания элементов в растительном покрове при их общем дефиците в пеплах и почвах в зоне современных пеплопадов обусловлены регулярным привносом свежего пирокластического материала, обогащенного растворимыми и легкодоступными формами элементов. Свидетельством этого являются высокие содержания растворимых форм элементов в свежевыпавших пеплах вулкана Карымский (не промытых атмосферными осадками) относительно всех горизонтов почвенно-пирокластического чехла территории.

Расчет % потерь и накопления подвижных форм элементов для андезитовых пеплов, слагающих поверхностный покров полуострова Новогодний, относительно содержаний этих форм элементов в свежевыпавших пеплах вулкана Карымский показал, что уже в первые годы выпадения на поверхность Земли под воздействием различных гипергенных процессов в вулканических пеплах значительно (до 91%) снижается количество подвижных форм большинства элементов.

Основная причина их потерь связана с десорбцией, активным переходом в атмосферные осадки, грунтовые и поверхностные воды с последующим выносом из пеплов. Некоторая часть подвижных форм элементов трансформируется, закрепляется в почвах, пеплах, поглощается растительностью в ходе биологического круговорота, обеспечивая их богатый зольный состав. Трансформация подвижных форм элементов связана с переходом их ацетат-аммонийнорастворимых форм в слабо подвижное или прочносвязанное состояние (абсорбция, вхождение в структуру глинистых минералов, образование собственных гипергенных минералов и органоминеральных соединений и т.п.). Подтверждением этому являются близкие или более высокие валовые концентрации для большинства элементов в современном пепловом покрове извержений вулкана Карымский (андезитовый пепел на полуострове Новогоднем) и в почвенных горизонтах территории относительно свежевыпавших пеплов этого вулкана, несмотря на отмеченные выше значительные потери ими подвижных форм.

Изначальная общая обедненность пеплов элементами наряду с частичным выносом и частичным переходом в слабо подвижное или прочносвязанное состояние их легкоподвижных форм, поступающих при извержениях, обусловливают слабую обеспеченность почв подвижными формами элементов даже в зоне активных пеплопадов. Обеспеченность почв территории для растений подвижными формами Mn, Co, Mo и Zn – низкая. Исключение составляет Cu, уровень содержания подвижных форм которой для всех почвенных горизонтов в зоне пеплопадов – высокий.

Однако относительно вулканических почв Камчатки, развитых в сходных условиях, но вне зоны активных пеплопадов (Западный район Северной провинции), в почвах вблизи действующего вулкана Карымский содержания подвижных форм элементов существенно выше. Концентрации Ti, Ga, Yb, Bi, Y в них выше от 19.2 до 10.1 раза; Cu, Pb в 7.1 и 4.4 раза соответственно. С большой долей уверенности можно утверждать, что относительно повышенные содержания подвижных форм элементов в почвах и пеплах окрестностей озера Карымское обусловливают богатый элементный состав живой массы растений в зоне современных пеплопадов.

Blog

Особенности почвообразования и геохимии почв в условиях активного вулканизма (на примере Камчатки)

Содержание