Пространственно-временная динамика содержания органического вещества в почвах урбанизированных ландшафтов г. Архангельска

УДК 630.160.22

корЕльскАя татьяна Александровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 29 научных публикаций, в т. ч. одной монографии

попова людмила фёдоровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова, профессор Российской Академии Естествознания. Автор более 132 научных публикаций, в т. ч. двух монографий и двух учебно-методических пособий

пространственно-временная динамика содержания органического вещества в почвах урбанизированных ландшафтов г. Архангельска*

В статье проанализирована пространственно-временная динамика содержания общего органического вещества (ОВ) и его группового состава в различных типах почв урболандшафтов г. Архангельска. Выявлены особенности накопления в них ОВ и преимущественное направление процесса гумусообразования. Дана оценка выполнения экопротекторной роли гумусовыми веществами в сезоннопромерзающих почвах.

ключевые слова: урбанизированные ландшафты, почва, органическое вещество, гумусовые кислоты

Введение. Одной из основных проблем современного общества стало химическое загрязнение окружающей среды. В связи с этим все более остро встает вопрос о регулировании биогеохимических потоков техногенных пол-лютантов, в том числе и тяжелых металлов, в природных средах. В воде и почве гумусовые кислоты (ГФК) связывают в прочные комплексы ионы металлов, исполняя роль естественных детоксикантов. Поэтому исследование группового состава органического вещества почв различных урболандшафтов промышленного города на сегодняшний день особенно актуально.

Объекты и методы исследования. Для

химического анализа были взяты 69 почвенных образцов, отобранных из генетических горизонтов различных типов почв (урбанозе-мы - У, реплантоземы - Р, культуроземы - К, дерновые - Д и торфяные почвы - Т) на пробных площадях (1111), заложенных в районах селитебного, промышленного, лугового и лесного ландшафтов г. Архангельска. Урбаноземы, формирующиеся на культурном слое, включают верхнюю прогумусированную часть и по морфологическим свойствам различаются набором насыпных горизонтов и их мощностью.

* Исследования поддержаны грантом РФФИ-м № 12-05-31512

© Корельская Т.А., Попова Л.Ф., 2012

Профили этих почв характеризуются чередованием супесчаных горизонтов с песчаными и глинистыми прослойками. Реплантоземы

- почвенно-технические образования, созданные путем смешивания торфа с песком при обустройстве территории, толща их наполнена строительным мусором. Они формируются как на насыпных грунтах, так и на погребенных естественных почвах. В Петровском парке (исторический центр г. Архангельска) выявлен культурозем легкосуглинистый, по свойствам близкий к дерновой окультуренной естественной почве. В качестве контроля использовали условно чистую природную дерновую маломощную легкосуглинистую почву - ЕП, сформированную на суходольном лугу в 35 км от г. Архангельска.

Для изучения сезонной динамики содержания гумуса и его группового состава исследовались образцы различных типов почв селитебного ландшафта, отобранные в весенний (май), летний (июль) и осенний (сентябрь) периоды.

Определение общего органического углерода проводилось методом Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-84) [1], группового состава гумуса - методом М.М. Кононовой и

Н.П. Бельчиковой, основанном на извлечении гумусовых веществ (ГВ) смесью раствора пирофосфата натрия и щелочи [2, 3].

Определение валового содержания Cu, Zn, Pb было выполнено методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» САФУ имени М.В. Ломоносова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, ГК от 29.04.2011 г. №16.552.7023. Данные химического анализа были статистически обработаны с использованием программы Excel.

Для оценки процессов гумификации были использованы следующие коэффициенты:

1) степень гумификации органического вещества (СГ), показывающий степень преоб-разованности органических материалов в гу-миновые кислоты: СГ = СГ / С , 100%, где

гк общ 7

СГГК - количество углерода гуминовых кислот;

Собщ - общее количество органического углерода почвы.

2) коэффициент местной миграции (К), равный отношению содержания гумусовых кислот в верхнем почвенном горизонте к их содержанию в нижнем горизонте (материнской породе).

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования показали, что в городских почвах органическое вещество накапливается с разной интенсивностью. В целом по уровню его накопления почвы исследуемых ландшафтов можно расположить в убывающий ряд: луговой (24,9 %) • промышленный (24,7 ^%) > лесной (19,5 %) > селитебный (8,1 %) > природный (3,8 %).

Значительно большее содержание органического вещества в городских почвах по сравнению с естественной дерновой почвой можно объяснить его антропогенным поступлением

- внесением органического углерода техногенного происхождения, который попадает из строительного и бытового углеродсодержащего мусора, при сжигании бензина, нефти и продуктов ее крекинга. Эти вещества сорбируются на поверхности почвенных частиц и повышают содержание общего органического вещества. Максимальное содержание органического вещества наблюдается в почвах лугового и промышленного ландшафтов. Накопление органического вещества в почвах городских лугов обусловлено активным поступлением растительных остатков луговых трав и высоким содержанием тонкодисперсной фракции в гу-мусированной части профиля дерновых почв, на которой происходит закрепление ГВ. В торфяных почвах городских лесов процесс гумификации протекает медленнее, чем в луговых, за счет лигнинно-целлюлозных компонентов древесных растений, лиственного и хвойного опада, (сосна, рябина, черемуха, шиповник, ива, смородина). Наименьшее содержание органического вещества отмечено в почвах селитебного ландшафта.

В различных типах почв одного ландшафта органическое вещество аккумулируется неодинаково. Так, для селитебного ландшафта

можно составить следующий убывающий ряд: К (10,58 %) > Р (7,5 %) > У (6,09 %), а для промышленного ландшафта - У (31 %) > Р (20 %).

Культуроземы среди городских почв отличаются высоким содержанием органического вещества, что обусловлено, прежде всего, территориальным их расположением. Данные почвы сформированы на территории бывших огородов. Кроме того, в парковой зоне (Петровский парк) сосредоточено большое количество зеленых насаждений, обуславливающих значительный опад, следовательно, наиболее интенсивную жизнедеятельность животных и микроорганизмов, что влияет на накопление органического вещества в почве. Высокое содержание органического углерода в этих почвах можно объяснить и некоторым вкладом промышленного загрязнения, так как Петровский парк расположен в непосредственной близости от автотранспортной развязки. В реплантоземах и урбаноземах содержание органического вещества гораздо ниже, так как эти почвы наименее сформированы.

Неодинаково соотношение лабильных и стабильных фракций органического вещества в почвах различных ландшафтов. На долю гумина во всех исследованных почвах прихо-

дится более 50 %. Это свидетельствует о том, что почвы содержат большое количество слабо гумифицированных органических остатков. Возможно, это связано с относительно небольшим возрастом почв и их тяжелым гранулометрическим составом, который способствует образованию значительного количества органоминеральных соединений, не извлекаемых пирофосфатной смесью.

Во всех исследованных почвах происходит преимущественное накопление фульвокислот

- ФК (0,04-28,45 %), содержание гуминовых кислот (ГК) при этом составляет 0,02-6,77 %. Максимальная степень преобразования органических веществ в ГК отмечена в торфяных почвах лесного ландшафта (в среднем соотношение ГК:ФК составляет 2:3) вследствие большего поступления растительных остатков, а также высокой интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

В почвах промышленного, селитебного и лугового ландшафтов преобладает фульватный тип гумуса, что характерно для дерновых почв. Данный факт подтверждается расчетом коэффициентов гумификации (СГ) и соотношений ГК:ФК. Эти величины являются количественной характеристикой преобразованности органических веществ в ГК (табл. 1).

Таблица 1

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ГУМИФИКАЦИИ ПОЧВ г. АРХАНГЕЛЬСКА

Ландшафт К СГ, % С : Сф гк фк Тип гумуса [5, 6]

ГК ФК

Селитебный п=8 0,72-2,01* 1,39±0,43 0,97-4,15 1,72±0,69 3,68-21,19 9,35±3,48 0,15-1,50 0,44±0,11 Фульватный

Промышленный п=6 0,45-2,19 1,18±0,48 0,26-4,87 3,07±0,99 0,67-6,21 3,29±1,03 0,02-3,85 0,14±0,07 Фульватный

Луговой п=7 0,22-12,00 3,01±1,01 0,10-7,47 2,88±0,95 0,06-3,61 0,83±0,48 0,01-1,75 0,11±0,05 Фульватный

Лесной п=5 1,25-12,97 4,69±1,52 0,99-14,92 4,61±1,48 1,04-34,17 13,36±5,32 0,05-2,24 0,64±0,25 Гуматно-фульватный

Природный п=2 1,11-1,43 1,27±0,28 0,26-2,68 1,48±0,56 3,61-46,25 12,01± 5,15 0,28-1,28 0,60±0,26 Фульватный

Примечание: * в числителе - минимальное и максимальное значения показателя, в знаменателе - среднее.

содержание гумусовых веществ

Рис. 1. Содержание гумуса и гумусовых веществ в почвенных профилях различных урболандшафтов г Архангельска

В почвах лесного ландшафта процесс гу-мусообразования протекает по гуматно-фуль-ватному типу. Снижение значений С /С, ,

*/ */ гк фк

обусловленное возрастанием доли фульвокис-лотной фракции гумуса, возможно связано с преобладанием хвойных древесных форм, опад которых благоприятствует накоплению именно фульвокислот.

Выявлена зависимость накопления гумуса и ГВ от глубины залегания почвенного горизонта. Вниз по профилю во всех исследованных образцах отмечается уменьшение содержания органического вещества (рис. 1), что подтверждает имеющиеся данные [4, 5, 6, 7]. Это обусловлено поступлением отмерших частей растений и животных, активной жизне-

деятельностью почвенной биоты, обитающей преимущественно в верхних горизонтах, а также наибольшим промышленным загрязнением поверхности почв. Уменьшение содержания ГК и ФК вниз по почвенному профилю, подтверждается расчетом коэффициентов местной миграции (К) (см. табл. 1).

Большое влияние на накопление гумуса в профиле оказывает гранулометрический состав почвы. Чем тяжелее гранулометрический состав горизонта, тем больше гумуса накапливается в почве при разложении растительных остатков (от 10,3 % в глинистой почве до 7,2 % в супесчаной). Такое накопление обусловлено образованием ряда нерастворимых в воде органоминеральных производных и их сорбцией

на поверхности минеральных частиц почвы. Однако в супесчаных и песчаных почвах также отмечено значительное количество органического вещества, что может быть обусловлено хорошей аэрацией и быстрым прогреванием этих почв, в результате чего разложение органических остатков ускоряется.

Исследование сезонной динамики содержания органического вещества в различных типах почв позволяет расположить их в убывающий ряд: К

> ЕП

> Р (5,2 %) > ЕП (4,3 %) осенью. Резкое увеличение содержания гумуса в урбаноземах по сравнению с другими типами почв в осенний период возможно связано с интенсификацией разложения опада прошлого года.

Сезонная динамика группового состава органического вещества отличается в разных типах городских почв (рис. 2).

В течение всего вегетационного периода в культуроземах сохраняется одинаковое процентное содержание фракций гумуса, что связано со степенью сформированности этих почв

и стабильностью процесса гумусообразования. Для реплантоземов от весны к осени характерно уменьшение содержания ГК и гумина и увеличение количества ФК. Это относительно молодые почвы, в которых процессы разложения органического вещества находятся на начальных этапах формирования, в большей степени образуются лабильные формы, в том числе ФК.

Соотношение ГК:ФК весной составляет примерно 1:2 во всех типах почв, к осени это соотношение сохранятся только в культурозе-мах, в остальных типах почв увеличивается содержание ФК относительно ГК.

В течение вегетационного периода происходит снижение степени гумификации и изменение типа гумуса от гуматно-фульватного к фульватному во всех типах почв селитебного ландшафта (табл. 2), что подтверждает данные о деградационном типе направления процесса гумификации в почвах г. Архангельска, за исключением культуроземов, где выражен конденсационный тип.

В отдельных случаях в летний период наблюдается снижение степени преобразования органических веществ в ГК, а к осени вновь

Рис. 2. Сезонная динамика группового состава органического вещества в почвах селитебного ландшафта г. Архангельска

Таблица 2

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА СТЕПЕНИ ГУМИФИКАЦИИ И ТИПА ГУМУСА ПОЧВ г. АРХАНГЕЛЬСКА

Тип почвы СГ, % Сгк : Сфк Тип гумуса [5, 6]

Весна

Реплантоземы 7,73 0.65 Гуматно-фульватный

Культуроземы 6,16 0.43 Фульватный

Урбаноземы 13,13 0.75 Гуматно-фульватный

Среднее п = 9 5.23-17.96 9,61 0.21-1.53 0.65 Гуматно-фульватный

Естественная почва 5.43 0.62 Гуматно-фульватный

Лето

Реплантоземы 9,17 0.61 Гуматно-фульватный

Культуроземы 5.94 0.57 Гуматно-фульватный

Урбаноземы 10.51 0.72 Гуматно-фульватный

Среднее п = 9 3.74-10.55 8,16 0.33-0.96 0.67 Гуматно-фульватный

Естественная почва 8,16 0.42 Фульватный

Осень

Реплантоземы 5.99 0.25 Фульватный

Культуроземы 7,28 0.50 Фульватный

Урбаноземы 7,33 0.48 Фульватный

Среднее п = 8 2.26-10.61 6.60 0.23-1.15 0.48 Фульватный

Естественная почва 4,26 0.48 Фульватный

увеличивается. В начале вегетационного периода, во время интенсивного роста растений, происходит усиленная минерализация лабильной части гумусовых веществ, отмечается достоверное снижение содержания гумуса. В середине лета наблюдается его минимум, причем в составе собственно ГФК остаются наиболее устойчивые соединения. Со второй половины вегетационного периода начинается активное пополнение почвенного гумуса вначале преимущественно за счет продуктов ресинтеза

микробной массы, а позднее - за счет поступления свежих растительных остатков. В течение последующих 2-3 месяцев происходит их гумификация, результатом которой является стабилизация содержания и состава гумуса на определенном уровне (конец осени).

Значение коэффициента местной миграции для ГК осенью по сравнению с весенним периодом в целом увеличивается, для ФК уменьшается (табл. 3). Происходит большее концентрирование в верхних слоях почвы ГК и меньшее

Таблица 3

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА МИГРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ В ПОЧВАХ СЕЛИТЕБНОГО ЛАНДШАФТА г. АРХАНГЕЛЬСКА

К

№ 1II1 весна осень

ГК ФК ГК ФК

Реплантоземы 1,43±0,23 2,59±0,89 2,18±0,73 1,00±0,09

Культуроземы 1,50±0,48 1,52±0,57 1,63±0,59 1,00±0,09

Урбаноземы 1,25±0,11 1,36±0,18 1,11±0,12 1,68±0,51

Среднее 0,72-2,01 0,97-4,15 0,97-3,32 0,48-2,87

п = 9 1,39±0,20 1,72±0,50 1,82±0,60 1,21±0,10

ФК, так как последние обладая большей растворимостью, вымываются в нижние горизонты, а ГК связываются в комплексы с минеральными составляющими почвы и удерживаются на поверхности.

Оценка экологической роли органического вещества почв была проведена с использованием корреляционного анализа. Отмечается прямая зависимость валового содержания тяжелых металлов свинца (РЬ), цинка ^п) и меди (Си) в почвах г. Архангельска от количества в них органического вещества (гСиОВ = 0,61±0,11; г^ОВ= = 0,66±0,09; грьОВ = 0,б8±0,10), незначительно усиливающаяся влиянием уровня рН.

Множественные коэффициенты корреляции соответственно равны RCu*ОВрН = 0,63 ± ± 0,11; Б „ = 0,67 ± 0,12; Б™, = 0,69 ±

’ ’ Zn*ОВ,рН ’ ’ ’ РЬ*ОВ,рН ’

± 0,08. Также была дана оценка экопротектор-ной роли ГФК и коэффициенты множественной корреляции составили: БСи*рНГК= 0,41 ±

± 0,07, RZn*pH,ГК = 0,70 ± 0,10, БСрьРрН,ГК = 0,73 ±

± 0,12; БСи*рН,ФК = 0,42 ± 0,10, Б2п*рН,ФК = 0,74 ±

± 0,20, БрЬ*рНФК = 0,84 ± 0,21. гФк образуют более прочные комплексные соединения с ионами цинка и свинца, в отличие от таковых с медью при данном уровне рН (6,3-7,7). ГФК играют важную роль в комплексообразовании ТМ, в том числе и меди, делая их недоступными для растений, таким образом, они выполняют значительную экологическую роль, выводя данные поллютанты из биогеохимических потоков. Видимо, с этим связано закономерное

уменьшение содержания тяжелых металлов и органического вещества вниз по почвенному профилю, исключение составляют репланто-земы и естественная почва, где такой зависимости не обнаружено. Это обусловлено тем, что на естественной почве преобладает травянистая растительность, нет мощной корневой системы, которая способствует перекачке микроэлементов из нижележащих слоев почвы и задерживает тяжелые металлы у поверхности, а реплантоземы являются сильно переслоенными почвами.

Заключение. Таким образом, процесс гумификации в почвах г. Архангельска идет по деградационному пути с формированием фуль-ватного типа гумуса и лишь в почвах лесного ландшафта гумусообразование идет по гумат-но-фульватному типу.

Накопление органического вещества в почвах различных ландшафтов происходит в последовательности: луговой > промышленный > лесной > селитебный > природный. Различные типы почв техногенно-антропогенных ландшафтов по уровню накопления органического вещества можно расположить в убывающий ряд: К

- для промышленного ландшафтов. В почвах всех типов ландшафтов с увеличением глубины залегания горизонта содержание органического углерода, ГВ и гумина уменьшается. При этом ГК в течение вегетационного периода на-

капливаются в верхних горизонтах, а ФК преимущественно вымываются в нижележащие горизонты.

В течение вегетационного периода происходит снижение степени гумификации и изменение типа гумуса от гуматно-фульватного к фульватному. В культуроземах процессы преобразования органического вещества идут стабильнее по сравнению с другими типами почв, в которых к осени доля ФК становится выше.

Содержание гумуса в почве зависит от гра-

нулометрического состава. Чем тяжелее гранулометрический состав, тем больше гумуса накапливается в почве при разложении растительных остатков.

Данные о содержании гумуса и его фракций в городских почвах позволяют оценить миграционную способность ГВ, предположить их буферную активность в отношении тяжелых металлов. Установлена зависимость накопления тяжелых металлов от содержания органического вещества в почвах.

Список литературы

1. ГОСТ 26213-84. Почвы. Определение гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО.

2. Ганжара Н.Ф. Почвоведение. М., 2001.

3. Ганжара Н.Ф., Борисов Т.А. Практикум по почвоведению. М., 2002.

4. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л., 1980.

5. ОрловД.С. Химия почв. М., 1992.

6. Его же. Гуминовые вещества в биосфере. Соровский образовательный журнал. № 2. 1997.

7. Его же. Гумусовые кислоты и общая теория гумификации. М., 1990.

Korelskaya Tatiana Alexandrovna

Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov,

Institute of Natural Sciences and Biomedicine,

Popova Liudmila Fedorovna

Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov,

Institute of Natural Sciences and Biomedicine; Russian Academy of Natural History

SPATIOTEMPORAL DYNAMICS OF ORGANIC MATTER CONTENT IN THE SOILS OF ARKHANGELSK URBANIZED LANDSCAPES

The article analyses spatiotemporal dynamics of the content of total organic substance (OS) and its group structure in various soil types of Arkhangelsk urbanized landscapes. Peculiarities of accumulation of OS in them and the priority direction of humification were revealed. Eco-protective function performed by humic substances in seasonally freezing soils was evaluated.

Key words: urbanized landscapes, soil, organic matter, humic acids.

Контактная информация: Корельская Татьяна Александровна e-mai: takorelskaya@yandex.ru Попова Людмила Фёдоровна e-mai: ludap9857@mail.ru

Рецензент - Боголицын К.Г., доктор химических наук, профессор, проректор по научной работе Северного