Эти соединения ответственны за миграцию и перераспределение железа в почвенных горизонтах, а также выщелачивание его из почвенных профилей. Кроме того, они играют большую роль в обеспечении железом корневых систем растений. Кобальт в геохимических циклах тесно связан с железом и марганцем. В природных условиях встречается в двух состояниях окисления Со2+ и Со3+. При выветривании горных пород никель легко высвобождается, а затем осаждается преимущественно с оксидами железа и марганца.
Со и N1 образуют соединения с оксидами железа, которые содержатся в почве в больших количествах, поскольку и само железо является одним из главных компонентов литосферы, и кислая среда почвы способствует образованию оксидов железа, с которыми впоследствии образуют соединения N1 и Со [6]. Видимо, большая часть образованных соединений не является летучей, и после горения они не только не выносятся в атмосферу, но и накапливаются в почвах, что и показывают результаты наших аналитических исследований (табл. 4).
Катионы меди обладают многообразными свойствами и в почвах, и в осадках проявляют большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. Ионы меди могут также легко осаждаться такими анионами, как сульфид, карбонат и гидроксид. В итоге Си относительно малоподвижный элемент в почвах, и ее суммарные содержания обнаруживают сравнительно слабые вариации в почвенных профилях. Закономерное в широком масштабе распределение Си в почвах показывает, что ее начальным состоянием в них управляют два главных фактора - материнское вещество и почвообразовательные процессы.
Большая часть Бг осаждается в виде биогенных карбонатов. Бг существует преимущественно в виде иона Бг2+, однако хелатные формы также играют важную роль в круговороте Бг, который тесно связан с круговоротом Са. Содержание Бг в почвах в большой степени контролируется составом материнских пород и климатом. Интервал его содержаний в поверхностных горизонтах составляет 18-3500 мг/кг. Распределение Бг в почвенном профиле наследует главные тенденции циркуляции почвенного раствора. Но в зависимости от свойств почвы оно может быть и незакономерным. В кислых почвах Бг активно вымывается вниз по профилю почвы, в известковых может замещаться различными катионами, в особенности Н+.
В геохимических процессах Ва обычно ассоциируется с К+ из-за большой близости их ионных радиусов, поэтому он присутствует в основном в составе щелочного полевого шпата и биотита. Ва, высвобождающийся при выветривании, малоподвижен, поскольку он легко осаждается в виде сульфатных и карбонатных солей, сильно адсорбируется глинами и концентрируется. Корки, образующиеся на поверхности почв в аридном климате, всегда обогащены барием. В почвах Ва легко мобилизуется в различных условиях, поэтому его концентрации в почвенных растворах обнаруживают значительные вариации. Поскольку данные элементы малоподвижны при осаждении в виде сульфатных и карбонатных солей, то они тоже не выносятся в атмосферу при горении, а накапливаются на горелых участках. черноземный почва радионуклид пожар
С8, как и другие одновалентные катионы, концентрируется преимущественно в кислых магматических породах и глинистых осадках. Пределы содержаний С8 в почвах - 0,3-26 мг/кг. 137С8 является побочным продуктом атомной энергетики. Поскольку геохимические свойства этого радионуклида точно такие же, как у нерадиоактивных изотопов цезия, 137С8 сразу же поглощается глинистыми минералами, а также органическим веществом почв. По- видимому, встречающиеся различия в характере поведения стабильного цезия и 137С8 в почвенных геохимических процессах обязаны разному пути их поступления - из почвообразующих пород у стабильного и из атмосферы у радиоизотопов. Для обсуждения этой проблемы наших данных недостаточно, а задачей настоящего сообщения служило выяснение возможности поступления искусственных радионуклидов в район исследований после прекращения открытых испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне (1962 г.). Такие явления отмечались нами ранее для некоторых регионов Сибири [10]. Причиной этого могут служить как выбросы Чернобыльской АЭС, так и эоловый перенос радиоцезия в составе пыли из других областей.
Соединения Мп и 2п являются подвижными и биологически доступными. Поскольку они относятся к биофилам, то при горении попадают в атмосферу за счет сгорания растений. Среда исследуемых почв кислая (pH меньше 6), что обеспечивает большую подвижность цинку. Кроме того, атмосферное поступление 2п превышает его вынос за счет выщелачивания и образования биомассы [6]. Аналитические данные показывают, что его содержание на фоновых площадях выше, чем на горелых. С^ по-видимому, концентрируется в глинистых осадках и сланцах. Геохимия Cd тесно связана с геохимией 2п, но Cd имеет большее сродство к 8, чем 2п, и обнаруживает большую, чем 2п, подвижность в кислых средах. Превращение соединений ртути с органическим веществом, особенно метилирование элементарной Н§, играет наиболее важную роль в цикле ртути в окружающей среде. Метилированная Н§ легкоподвижна и легко поглощается живыми организмами, в том числе некоторыми высшими растениями. Горение сопровождается выносом летучих соединений Н§ и Cd в атмосферу. Вместе с тем комплексные соединения Н§ и Cd являются малоподвижными и остаются в почвах, о чем свидетельствуют аналитические данные, которые показывают некоторые содержания Н§ и Cd на исследуемых объектах и небольшое различие в содержании на фоновых и горелых площадях.
Исходя из геохимической природы каждого из указанных элементов, нами рассмотрено влияние температуры низового пожара на их поведение в зависимости от температур кипения. Проведено сравнение Ткип (Тисп) для данных элементов (рис. 2).
Как видно на графике, Ткип большей части элементов значительно выше этих температурных показателей низового пожара - 400-600 °С. Сравнение аппроксимированных значений выноса/накопления элементов в пожарище и температур их кипения позволяет в целом отметить закономерность: чем ниже температура кипения элемента, тем выше его способность мигрировать из пожарища. И наоборот - чем она выше, тем ниже возможность воздушной миграции.
Примечание. г2 = 0,098, г2 - коэффициент детерминации. Температура кипения элементов отмечена серыми кружочками, коэффициент выноса/накопления - черными квадратиками. Линия аппроксимации температуры кипения - серая прерывистая, линия аппроксимации коэффициента выноса/накопления - сплошная черная
Рис. 2. Зависимость выноса/накопления элементов от температуры их кипения
Однако это не более чем общая закономерность, о чем свидетельствует резкое различие соседних данных на кривой, характеризующей поведение элементов при пожаре. Например, И§, Мп, 2п, Cd и 137С8 составляют группу атмосферных мигрантов, но температуры у них различаются весьма значительно. Ткип 2п и Мп выше 600 °С, в то время как Ткип И§, 137С8 и Cd соответствует температуре низового пожара.
Следует отметить пары элементов, которые, находясь в одном интервале температур кипения, ведут себя по-разному. На графике рис. 2 видно, что содержание № при Ткип 892 °С накопилось на 36 %, а 2п при Ткип 907 °С вынеслось 11,8 %. Следующая пара элементов, имеющих близкие температуры кипения, это А1 и Мп. Накопление А1 составляет 48 % (Ткип А1 - 2056 °С), вынос Мп (Ткип - 2151 °С) равен 12 %. Температуры кипения К и Cd также находятся в одном интервале (774 и 765 °С соответственно), но при этом содержание К на пожарище увеличилось на 33 %, а Cd, являясь подвижным элементом в кислых почвах, вынесся в составе дымового шлейфа (-46 %).
Такое различие в поведении элементов при низовом пожаре объясняется тем, что из рассмотренных пар алюминий, калий и натрий, являющиеся породообразующими элементами, находятся в составе достаточно стойких минералов почв (полевых шпатов, слюд, хлоритов и т. д.), что определяет их накопление в почвах. Ткип А1 и Мп более чем в три раза выше температуры низового пожара, и если в случае с алюминием наблюдается закономерное поведение для породообразующих элементов в виде накопления на пожарищах, то в случае марганца происходит вынос элемента при его горении. Вынос Mn связан с тем, что растительные материалы поглощают его двухвалентные соединения и при горении этот элемент выделяется в атмосферу в составе компонентов дымового шлейфа. K и № поглощаются растительными материалами, но при этом являются породообразующими элементами, поэтому на фоне их накопления вынос не может быть зафиксирован.
Zn, имея Ткип выше температуры низового пожара, аналогично марганцу, выносится при горении, поскольку он также легко поглощается органикой: одна часть его остается в золе, друга мигрирует в составе дымового шлейфа.
Несколько неожиданным выглядит уменьшение содержания Ca на пожарище. Он относится к породообразующим элементам и по характеру поведения при пожаре должен быть ближе к остальным элементам этой группы. Поэтому поведение его при лесных пожарах обязывает обратить на него особое внимание. Пока же можно лишь предположить, что высокие температуры пожара способствовали разогреву и движению к поверхности почвенных растворов, в которых его нахождение - обычное явление.
Заключение
В результате пожара любого типа (верховой или низовой) повышается зольность почв, что приводит к снижению кислотности (повышение рН). Поскольку тепловой градиент низового пожара не вызывает кардинальных изменений минеральной части и образование золы происходит за счет сгорания растительных компонентов, снижение кислотности в данном случае незначительно. рН почв фоновой и горелой поверхности составила 5,5 и 5,8 соответственно. С изменением физико-химических показателей почвенного покрова связано и различное поведение отдельных элементов.
Кроме того, поведение различных групп элементов при лесном пожаре низового типа зависит от температуры пожара и их начального состояния в компонентах биогеоценоза; породообразующие элементы, находящиеся в минеральной части, пассивно накапливаются за счет выноса других элементов. Однако и разница в поведении при пожаре элементов последней группы (породообразующих) дает основание считать, что на него влияет и их форма нахождения в почвах. Примером может служить Са, содержание которого на горелой поверхности ниже фоновой, что не соответствует его породообразующей природе. Коэффициент выноса атмосферных мигрантов С^ И§, 137С8, температура кипения которых соотносится с температурой низового пожара, - 46, 21 и 25 % соответственно.
Есть основания полагать, что при сильных пожарах (верховые, повальные), имеющих температуру 1000-1200 °С, ряд мигрирующих элементов увеличится, поскольку в него войдут элементы с температурой кипения, близкой к температуре верховых пожаров, в том числе Ва, 8г и РЬ.
Список литературы
1. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв / Е. В. Аринуш- кина. - М. : Изд-во МГУ, 1970. - 491 с.
2. Бабкин В. В. Физиолого-биохимические особенности аспекта действия тяжелых металлов на растения / В. В. Бабкин, А. А. Завалин // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 5. - С. 17-21.
3. Безель В. С. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности / В. С. Безель, Т. В. Жуйкова // Экология. - 2007. - № 4. - С. 259-267.
4. Будыко М. И. Глобальные климатические катастрофы / М. И. Будыко, Г. С. Голицын, Ю. А. Израэль. - М. : Гидрометеоиздат, 1986. - 159 с.
5. Валендик Э. Н. Экологические аспекты лесных пожаров в Сибири // Сиб. экол. журн. - 1996. - № 1. - C. 1-8.
6. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата- Пендиас, Х. Пендиас. - М. : Мир, 1989. - 439 с.
7. Парамонов Е. Г. Крупные лесные пожары в Алтайском крае / Е. Г. Парамонов, Я. Н. Ишутин. - Барнаул : Дельта, 1999. - 193 с.
8. Пустовалов Л. В. Методы определения рН и Eh в осадочных породах / Л. В. Пустовалов, Е. И. Соколова // Методы изучения осадочных пород. Т. 2. - М., 1957. - С. 116-127.
9. Щербов Б. Л. Биогеохимические особенности постпирогенных площадей в ленточных борах Западной Сибири // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. - 2011. - № 3 (17). - С. 41-50.
10. Щербов Б. Л. Существует ли современное атмосферное загрязнение искусственными радионуклидами // Материалы V Междунар. биогеохим. шк. (Семипалатинск, 8-11 сент. 2005 г.). - Семипалатинск, 2005. - С. 499-500.
11. Щербов Б. Л. Лесные пожары и их последствия / Б. Л. Щербов, Е. В. Лазарева, И. С. Журкова. - Новосибирск : ГЕО, 2015. - 154 с.
12. Shcherbov B. L. Migration factors of radionuclides and heavy metals during forest fi res in Siberia / B. L. Shcherbov, E. V. Lazareva // Adv. Environ. Res. - 2010. - Vol. 4. - P. 99-120.