Геохимические параметры оценки мигрантов

«Изменение массы мигранта или вообще внутренних параметров миграции (t°, P, Eh, рН, концентрации и форм химических элементов) в направлении миграции химического элемента называется градиентом барьера» - Перельман А.И. (1975).

Введем необходимые обозначения: m₁ – масса мигранта (допустим, углерода ВОВ) на «входе» в барьер (50 г/м² · год^­1); m₂ – масса ВОВ на «выходе» из барьера (8 г/м² · год^­1; 1 – мощность барьера (0,25 м), заданная в виде горизонта А₁ дерново­подзолистой среднесуглинистой почвы. По формуле G = dm/dl или G = (m₁ - m_2­­)/1 можно рассчитывать величину рассматриваемого почвенно­геохимического барьера G = (50 – 8)/0,25 м = 168 г/м³·год^­1. При условии, что за 1 год в А₁ минерализуется 75...83% ВОВ, сорбированных компонентами почвы, здесь останется, допустим, лишь 1/5 часть от 168 г/м³·год^­1, или 33,6 г/м³·год^­1. Эта масса ВОВ и будет участвовать в различных химических реакциях: гумусообразовании, трансформации веществ и минералов, детоксикации тяжелых металлов...

Пример участия сорбированной массы ВОВ с кислотными свойствами в обновлении гумусовых соединений (прежде всего мобильной группы – фульвокислот гор. А₁). Для этого необходимо последовательно провести ряд расчетов: 1) определить массу почвы (гор. А₁) при заданной площади S = 1 м², плотности ρ = 1,25 г/см³ и l = 0,25 м. Тогда объем почвы составит 25·10⁴ см³, а масса 312,5 кг; 2) в отмеченной массе почвы следует найти массу углерода фульвокислот, которая и будет обновляться миграционными компонентами ВОВ. Известно, что содержание углерода ГС в твердой фазе почвы составляет 1,2%, а на долю группы фульвокислот (согласно фракционно­групповому составу гумуса) приходится 70%, или в массовых долях – 0,84%, т.е. 840 мг/100 почвы, и на всю массу почвы 2625 г «С» ФК; 3) следует рассчитать коэффициент обновления k_oбн на 1 кв м = m_вов/m_фк = 33 г/м²/2625 г/м² = 0,0128, или 1,28%. Таким образом, за 1 год обновляется 1,28% массы «С» ФК, а полное время обновления структур ФК (при указанном масштабе миграции ВОВ) составит 78 лет. Гуминовые кислоты, как более инертные и конденсированные природные полимеры, будут обновляться еще более медленно.

Сравнивая коэффициенты обновления k_обн и минерализации фульвокислот k_мин, можно понять, в каком направлении в данный период идет эволюция структур ГС конкретного типа почв.

Следовательно, в нашем примере k_обн > k_мин и процесс гумусообразования доминирует над утилизацией ГС. Если резко уменьшить источник ВОВ (растительный опад), то ФК быстро минерализуются, а в почве останется в основном инертный гумус, как, например, в погребенных почвах. Это наблюдается при аридизации ландшафтов и почв зоны степей, в частности, в современный период.

Другим важным показателем активности миграции химических элементов является ее интенсивность, т.е. количество атомов (ионов, молекул), мигрирующее за реальный отрезок времени через заданную площадь сечения или объем:

Р_х = db/dt или P_x = (b₂ – b₁)/(t₂ – t₁). (1)

Однако без учета общей (валовой) массы мигранта в форме оксида параметр Р_х отражает не интенсивность миграции, а скорость мобилизации в раствор конкретного химического элемента. Величину db/dt следует разделить на исходную массу элемента в форме оксида, или кларк, %. Тогда получим (А.И. Перельман, 1975):

(2)

Если принять соотношение db/dbx за U (импульс миграции), найдем

Р_х = U/dt. (3)

Выражение db/dbx – это приращение небольшой мобильной массы мигранта к валовой на расчетной площади (в принципе, это соотношение масс мигранта в жидкой и твердой фазах). По смыслу оно подобно k_моб.

Из выражения P_x = U/dt можно найти значение импульса миграции dU = P_x·dt. Импульс миграции – это плотность потока мигранта за конкретный промежуток стационарного опыта через заданную (расчетную) площадь (м²) почвы.

Поскольку dU = db/dbx·dt, то взяв определенный интеграл, получим:

­ (4)

После преобразования найдем вид функции. Это восходящая экспонента:

b₂ = b₁·exp(U) = b₁·exp[P_x(t₂ – t₁)]. (5)

Пример. В результате техногенного загрязнения агроэкосистемы Подмосковья с дерново­подзолистыми почвами в гор. А_пах содержание мобильной формы меди (Cu-R, CuCl₂) за 1 год достигло экологически опасного уровня – 2%, а кларк меди в коре выветривания – 4,5·10^­3 %. Отсюда:

U = lnb₂/b₁ = ln 2 – ln 4,5·10^-3 = 0,693 – (– 5,404) = 6,1 (6)

Таким образом, импульс миграции ионов Cu²⁺ в гор. А_пах­ довольно значительный.

Отмеченные параметры используются при оценке экологической ситуации и загрязнении почв в ландшафтах Европейского Севера.

Загрязнение почвенного покрова. По эффекту воздействия на почвы токсичные химические элементы и сложные вещества, содержащиеся в техногенных продуктах, могут быть дифференцированы на две группы: первая – биохимически (точнее, биогеохимически) активные соединения (М.А. Глазовская, 1988). В этом случае техногенные продукты, сорбируясь гумусом, коллоидами и тонкодисперсными вторичными минералами генетических горизонтов почв, изменяют кислотно­основные условия, окислительно­восстановительный потенциал, соотношение металлов по фракциям гуминовых и фульвокислот и т.д. Подобные изменения в основном вызывают элементы с высокими кларками и слаботоксичные – Fe, Mn, Ca, Mg, Na, K, ... и aнионы сильных и слабых минеральных кислот.

Во втором случае на почву действуют высокотоксичные элементы (и вещества): Ве, Hg, As, Cd, Se, ..., диоксины, опасность влияния которых реализуется не столько в изменении свойств почв, сколько в их биогеохимической миграции, попадании, например, в трофические цепи и живые организмы, где они аккумулируются и вызывают негативные изменения в биохимических реакциях, циклах обмена веществ и энергии, функционировании клеток и отдельных органов людей, животных, то есть вызывают экологические заболевания.

Содержание токсичных химических элементов в ландшафтах нормируется обычно путём сравнения трёх показателей: 1) почвенно­геохимического фона, 2) Кларков литосферы (кор выветривания и почвообразующих пород), 3) предельно допустимых концентраций – ПДК (точнее масс) конкретных элементов для ЭГЛ. Нельзя использовать одни и те же значения ПДК для разных географических зон.