Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время элементное химическое загрязнение почвенного покрова урбанизированных территорий является одной из самых актуальных проблем для науки и общественности. Тяжелые металлы (ТМ) в почвах тесно ассоциированы с магнетитом, маггемитом и другими ферримагнетиками (ФМ), что позволяет использовать полевые и лабораторные методы измерения магнитной восприимчивости (MB) для диагностики загрязнения почв ТМ. Однако, в ряде случаев, из-за особенностей техногенной магнитно-геохимической специализации или геологических условий территории, между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах прямая связь отсутствует или она обратная [Молостовский Э.А., 1996; Матасова Г.Г., 2006; Ширкин Л.А., 2012; Karimi R., 2011; Zawadzki J., 2012], что определяет актуальность изучения этой проблемы на региональном уровне.
Степень разработанности темы. Город Пермь - мегаполис с населением свыше 1 млн. человек, является крупным центром многоотраслевой промышленности и энергетики на востоке Европейской части России. Несмотря на исследования Е.А. Ворончихиной [1998], О.З. Ерёмченко [2005], М.Н. Власова [2008], М.А. Шишкина [2009], Р.В. Кайгородова [2010], А.В. Романовой [2012], И.С Копылова [2012] и др., гетерогенность магнитной фазы и элементного химического состава почв г. Перми на профильном и территориальном уровне охарактеризована недостаточно, а закономерности взаимосвязи между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах города изучены не в полной мере. Сведения о MB почв города до настоящего времени не были систематизированы, картографический анализ магнитного состояния почвенного покрова города не был выполнен.
Цели и задачи. Цель исследований - изучить особенности МВ, элементного химического состава почв г. Перми и теоретически обосновать применение магнитометрии для эколого-геохимической оценки почвенного покрова урбанизированных территорий восточной окраины Русской равнины.
Задачи: 1) Изучить профильную неоднородность МВ почв. 2) Выполнить каппаметрическую съемку и составить картосхему МВ почвенного покрова г. Перми. 3) Изучить сезонную динамику МВ поверхностного слоя почв. 4) Определить и оценить элементный химический состав почв. 5) Методом мессбауэровской спектроскопии исследовать железосодержащую фазу почв. 6) Установить индикационное значение MB для эколого-геохимической оценки почвенного покрова г. Перми.
Научная новизна работы. В работе решена актуальная научная задача, имеющая значение для почвоведения - определены закономерности взаимосвязи МВ и концентрации потенциально токсичных элементов в почвенном покрове мегаполиса на территории природно-техногенной геохимической и геомагнитной аномалии в пределах восточной окраины Русской равнины. Впервые показана фазовая и количественная гетерогенность минералов железа в почвах придорожных и внутриквартальных территорий г. Перми. Впервые установлены фоновое значение MB, охарактеризованы магнитные профили основных типов почв и сезонная динамика MB, составлена оценочная шкала MB и создана картосхема МВ почвенного покрова г. Перми. Впервые, для оценки содержания ТМ в городских почвах обосновано использование суммарного показателя загрязнения почв (ZFe), рассчитанного через нормирование концентрации ТМ и As по железу. Определена техногенность основных поллютантов в почвенном покрове города.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выполнена оценка воздействия урбанизации на состояние почвенного покрова города с населением свыше 1 млн. человек, получены новые сведения о его магнитном и эколого-геохимическом состоянии. Базы данных состава и свойств почв, электронные картосхемы, выводы и практические предложения диссертационной работы могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга, разработки природоохранных мероприятий. Результаты исследований нашли практическое применение в учебном процессе кафедры почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА.
Методология и методы исследования. Теоретической основой исследований послужили идеи и принципы эколого-геохимической оценки почв, разработанные В.В. Глазовской [1988], Н.С. Касимовым [1990], В.Б. Ильиным [1991], В.В. Добровольским [1999], А.И. Перельманом [1999], Е.В. Алексеенко [2006], С.И. Колесниковым [2006], М.С. Паниным [2006], Ю.В. Робертус [2010], Е.Г. Язиковым [2010]. Были проанализированы и учтены результаты магнито-геохимических исследований Э.А. Молостовского [1996], В.П. Ковриго [2004], Ю.И. Кудрявцева [2004], М.А. Гладышевой [2007], А.А. Нульман [2007], О.А. Страдиной [2008], А.Н. Чащина [2010], М.В. Решетникова [2011], М.Н. Строгановой [2012], Л.А. Ширкина [2012], L. Bityukova [1999], J. Zawadzki [2008], X. Hu [2010] и других.
В работе использован комплекс методов, включающий полевые и лабораторные исследования: профильно-генетический, морфологический, каппаметрический, трансект, стационарных режимных наблюдений, статистический, картографический; физические, физико-химические, химические лабораторные методы анализа состава и свойств почв. Для описания экспериментальных данных использованы стандартные методы [Дмитриев Е.А., 2009] и пакет прикладных программ (Microsoft Excel, Statistica 8,0, MapInfo Professional 6,5 и Vertical Mapper).
Основные положения, выносимые на защиту. 1) Высокая профильная и территориальная гетерогенность магнитной восприимчивости почвенного покрова г. Перми определяется генетическими и антропогенными факторами дифференциации количества и состава магнитной фазы в почвах. 2) Ферримагнитная фаза почв г. Перми представлена нестехиометричным магнетитом/маггемитом с разной концентрацией дефектов его структуры. 3) Тяжелые металлы (Ni, Cr, Zn, Pb, Cu) – природно-техногенные поллютанты, а соединения Fe, As, Sr, Ga, S, Cl, Ca, Mg, P – антропогенные загрязнители почвенного покрова г. Перми. 4) Нестехиометричный магнетит/маггемит почв связан с геохимическими ассоциациями ТМ: Ni-Cr и Zn-Cu-Pb.
Степень достоверности результатов обеспечена использованием полевых инструментальных исследований в сочетании с применением современных методов для химического и минералогического анализа значительного объема образцов почв, проанализированных в аккредитованных лабораториях ГНУ Почвенного института им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, ОАО «МНИИЭКО ТЭК», Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») на автоматизированном аналитическом оборудовании и приборах, а также сходимостью аналитических и экспериментальных результатов диссертации с исследованиями других авторов. Все экспериментальные результаты исследований обработаны методами математической статистики.
Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Энергия и знания молодых – аграрному сектору» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Экология и научно-технический прогресс» в ФГБОУ ВПО Пермский ГТУ, г. Пермь, 2008; V Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, г. Ростов-на-Дону, 2008; Международной научно-практической конференции «Инновации аграрной науки – предприятиям АПК» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2011, 2012, 2013.
Личный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке разрезов и отборе образцов, их пробподготовке и химико-аналитических работах, каппаметрической съемке почвенного покрова г. Перми. Автором выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов.
Благодарю за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку моих наставников: научного руководителя – канд. с.-х. наук А.А. Васильева и научного консультанта – д-ра с.-х. наук. Ю.Н. Водяницкого. Благодарю за сотрудничество в проведении исследований д-ра с.-х. наук А.Т. Савичева, д-ра геолого-минерал. наук В.В. Коровушкина, канд. биол. наук А.Н. Чащина, канд. биол. наук Е.В. Прокопович и студентов агрохимического факультета ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА Н.В. Трегубову, М.А. Кривощекову, А.Н. Силину.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, практических предложений, списка литературы из 274 источников (из них 53 на иностранных языках), 5 приложений. Диссертация изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 53 таблицы и 37 рисунков.
