Распределение никеля в почвообразующих породах и почвах Алтайского края

УДК 631.438

А.В. Пузанов, М.А. Мальгин

Распределение никеля в почвообразующих породах и почвах Атайского края

Никель - приоритетный элемент-токсикант [1, 2]. Повышенные концентрации никеля в компонентах окружающей среды оказывают негативное воздействие на организмы, являются канцерогенными для человека [3, с. 128-138]. Однако имеются и сведения о необходимости никеля для организмов [3]. Растения, произрастающие на почвах с пониженным содержанием никеля, отзывчивы на внесение его соединений.

Объекты исследований - почвообразующие породы, зональные и интразональные почвы Алтайского края. В основу выполнения полевых работ положен сравнительно-географический метод. Почвенные разрезы закладывали в системе сопряженных ландшафтов. Физические и физико-химические параметры почв определяли общепринятыми в почвоведении методами, никель -атомно-абсорбщюнным методом на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer. В работе приняты следующие обозначения вариационно-статистических параметров: г - коэффициент корреляции; п - число коррелируемых пар; lim - пределы колебаний; М ± m - средняя арифметическая и ее ошибка; V - коэффициент вариации; п - число дат.

Задачи исследований:

1) изучение распределения никеля в почво-образующих породах;

2) определение уровня содержания, характера распределения никеля в почвах в зависимости от их свойств;

3) оценка с экологических позиций концентрации никеля в почвенном покрове региона.

Никель в горных и почвообразующих породах

Кларк никеля в литосфере, по мнению А.П.Виноградова [4, с.555-571], равен 58 мг/кг, по оценкам других исследователей [5, с. 104; 6, с.371-413] 80 и 95 мг/кг. Содержание никеля в основных породах значительно выше, чем в кислых [7, с.274]. Концентрация микроэлемента в осадочных породах существенно варьирует: в песчаниках 1,2-18 мг/кг, глинистых сланцах 21- 100 мг/кг, в карбонатных породах 2,3-16 мг/кг [8]. На невысокий уровень концентрации микроэлемента в гранитном слое (22 мг/кг) указывает А.А. Беус с соавторами [9]. В континентальных отложениях микроэлемент находится в основном в виде сульфидов и арсенидов, а также ассоциируется с фосфатами, силикатами и карбонатами [10]. При выветривании горных пород никель легко освобождается и далее осаждается преимущественно с оксидами железа и марганца.

Сведений о содержании никеля в почвообразующих породах немного. В аллювиальных отложениях Забайкалья концентрация микроэлемента колеблется от 8 до 47 мг/кг, делювиальных - от 10 до 40 мг/кг, эоловых - от 22 до 31 мг/кг [11, с.1291-1298]. Почвообразующие породы региона исследований многообразны по петрографическому и гранулометрическому составу - от глин предгорий Северного Алтая и Салаира до сортированных песков ложбин древнего стока и современных террас Оби [12, с.392; 13].

Степень дисперсности является ведущим фактором, определяющим уровень концентрации никеля в почвообразующих субстратах, о чем свидетельствует сильная коррелятивная зависимость между содержанием фракций физической глины и ила, с одной стороны, и концентрацией никеля, с другой (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициент корреляции между концентрацией никеля и физико-химическими свойствами почвооб-

Физико-химические параметры п г

Ил 23 0,88

Физическая глина 23 0,90

Емкость поглощения 17 0,59

pH водный 22 0,47

СаСоз 14 0,68

Наиболее низким уровнем содержания рассматриваемого микроэлемента характеризуются песчаные отложения ложбин древнего стока и террас рек и озер, наиболее высоким - глинистые отложения подгорных равнин Алтая и Салаира (табл. 2).

Существенное влияние на распределение никеля в почвообразующих породах оказывают содержание карбонатов, реакция среды и поглотительная способность самих пород (см, табл. 1).

Исследуемый микроэлемент осаждается на карбонатном барьере четвертичных отложений степных и сухостепных ландшафтов в условиях щелочной реакции среды. География никеля в почвообразующих породах Алтайского края определяется распространенностью генетических типов четвертичных отложений, в свою очередь тесно связанных с геоморфологическими и ландшафтно-геохимическими особенностями этих пород.

Распределение никеля в почвообразующих породах и почвах Атайского края

Таблица 2

Никель в некоторых типах почвообразующих пород Алтайского края

Глубина образца, Ил Физическая глина СаСОРэ рН водный Емкость поглощения, мг-экв на 100 N1, мг/кг

см % г почвы

Песчаные отложения

160-170 0,5 3,8 — 7,1 6

150-160 0,5 1,6 7,0 9

130-140 0,5 1,8 7,3 13

170-180 0,5 0,5 --- 7,3 — 10

Суглинистые отложения

85-95 19,1 34,1 11,6 8,7 10,6 30

240-250 20,2 34,3 6,0 8,5 16,4 33

80-90 16,3 41,5 13,5 8,5 17,1 30

130-140 15,3 33,6 9,8 9,2 10,4 29

130-140 19,4 35,4 11,5 8,7 16,4 33

120-130 18,4 28,7 1,3 8,4 15,2 27

Глинистые отложения

180-190 26,6 52,3 --- 6,4 23,0 51

160-170 25,5 58,1 -- 8,6 25,2 68

160-170 25,1 49,2 -- 8,2 22,4 47

Примечание: прочерк - не определяли.

Среднее содержание никеля в почвообразующих породах Алтайского края составляет 34,9 ± 1,6 мг/кг, при колебаниях от 6 до 68 „г/кг.

Никель в почвах

Концентрация никеля в почвах Алтайского края варьирует в широких пределах (табл. 3, 4), что обусловлено сложностью структуры почвенного покрова, различиями в минералогаче- ском, петрографическом и гранулометрическом составах почв, разнообразием физикохимических свойств почв разной генетической

принадлежности, контрастностью геохимических ситуаций в ландшафтах основных природных зон (сухие степи - черневая тайга), а главным образом -вариабельностью почвообразующих пород.

Почвообразующие породы определяют уровень концентрации никеля в почвах. Между содержанием никеля в почвах и почвообразующих породах отмечена сильная положительная высокодостоверная коррелятивная зависимость: г = 0,84.

Таблица 3

Сравнительное содержание никеля в почвах Алтайского края и других регионов

Почвы п 11т М± т У,%

мг/кг

Гумусовые горизонты Почвенный покров Почвы Западной сибири [11] Почвы СССР [11] Почвы мира [10] 289 598 2,1-60 2,1-69 36,5 ± 0,7 36,3 ± 0,5 25.9 46.9 20,0 31 36

Таблица 4

Содержание никеля и физико-химические свойства почв Алтайского края

Генетичес кий горизонт Глубина образца, см Гумус Ил Физическая глина СаСОз рН водный *Е N1, мг/кг

%

Дерново-подзолистая песчаная под ленточным бором

А 7-12 4,9 2,5 4,9 Нет 6,6 7,0 15

А 12-17 3,8 2,0 4,4 — 6,1 8,6 15

А1А2 17-22 3,2 1,1 3,2 — 6,6 5,3 15

А1А2 12-27 1,3 0,0 3,8 — 6,3 5,3 13

А1А2 27-32 3,0 0,9 3,2 — 6,4 3,5 13

А2В 35-45 3,1 1,1 3,8 — 6,5 7,0 18

В1 55-65 2,5 2,7 3,8 — 7,0 5,3 22

В2 90-100 0,5 2,7 4Д — 6,8 8,8 12

ВЗ 115-125 0,7 3,4 — 6,9 1,8 18

В4 140-150 2,0 4,5 — 6,9 5,3 15

ВС 170-180 — 1,0 1,7 — 6,9 5,3 15

Чернозем оподзоленный тяжело суглинистый на бурых глинах

Адер 0-6 15,8 0,0 29,0 Нет 6,2 58,6 37

А1 10-20 14,3 5,8 43,4 — 5,8 67,9 39

А1А2 35-45 10,7 5,9 46,6 — 5,8 74,8 43

А1А2 50-60 5,8 4,4 47,3 — 5,8 42,2 43

А1А2 10-80 — 2,1 45,4 _ 5,7 29,3 47

А2В1 85-95 12,4 50,8 — 5,9 27,5 53

А2В1 100-110 _ 14,7 51,8 — 6Д 23,8 39

В1 120-130 18,1 50,4 — 6,3 34,8 57

В 2 150-160 _ 26,1 51,4 — 6,4 33,0 51 [

С 180-190 — 26,6 52,3 — 6,4 33,0 51

Чернозем обыкновенный суглинистый на суглинистых оглеенных отложениях

Ап ах 10-20 5,9 13,8 38,8 0,3 7,6 ' 35,7 39 I

Ак 40-50 4,0 16,7 36,7 3,6 8,4 37,2 33

Ак 80-90 2,4 22,6 48,8 13,9 8,6 26,8 28

АВк 100-110 2,9 23,9 45,0 0,1 8,5 23,8 27

Вк 130-140 0,2 22,7 50,5 4,3 8,5 19,3 33 [

ВСк 160-170 0,2 26,3 42,9 1,7 8,4 34,2 35

Ск 190-200 0,2 21,4 48,3 — 8,4 19,3 35

Луговая суглинистая

Адер 0-5 5,9 10,9 36,0 Нет 7,7 40,5 30

А 5-10 5,0 8,2 27,2 — 8,0 335,6 30

А 10-15 4,3 9,6 31,8 _ 8,3 35,4 32

А 15-20 4,0 10,6 30,2 _ 8,3 335,6 32

А 20-25 3,5 13,2 32,6 — 8,3 22,9 32

А 25-30 2,4 12,9 37,4 — 8,4 31,7 32

А 30-35 2,5 13,2 30,5 — 7,9 15,8 34

А 35-40 2,1 14,0 36,4 _ 7,9 29,9 34 Г

АВк 43-53 2,4 18,8 41,5 10,1 7,9 21,1 36 [

ВкВ 65-75 1,1 24,3 39,6 9,2 8,0 8,8 36 1

Скв 110-120 0,7 19,6 33,0 8,4 21,2 32 [

Лугово-болотная торфянистая (Угловский район, раз эез РСП-14) 4 1

Адер 0-10 3,0 2,0 10,5 Нет _ -

Ат1 15-25 3,1 1,0 6,4 _ _ _ 2 1

Ат2 40-50 2,5 1,4 ,6 _ _ _ 9 1

АтЗ 70-80 0,5 0,1 10,7 _ _ _ 9

АСт 90-100 — 1,5 19,8 — 6,6 — 9

Аллк жиальная де] новая супе зсчаная

Адер.к 0-10 1,4 14,8 15,6 5,8 8.2 28,2 17

Ак 20-30 1,9 14,8 15,3 3,4 8,3 26,9 5 1

АВк 35-45 0,6 9,3 112,0 3,8 8,2 17,8

В1к 50-60 0,4 7,8 13,3 4,6 8,3 14,9 10 I

Ск 80-90 0,4 5,0 12,8 5,1 8,2 13,4 1° 1

СД1к 120-130 0,2 4,3 11,0 4,4 8,4 11,9 7 1

СД2к 145-155 0,4 7,0 12,9 _ 8,3 14,9 7 1

СДЗк 170-180 0,4 10,1 11,8 — 8,3 10,2 10 Ц

Таблица 4

Содержание никеля и физико-химические свойства почв Алтайского края

Генетичес кий горизонт Глубина образца, см Гумус Ил Физическая глина СаСОз рН водный *Е N1, мг/кг

%

Дерново-подзолистая песчаная под ленточным бором

А 7-12 4,9 2,5 4,9 Нет 6,6 7,0 15

А 12-17 3,8 2,0 4,4 — 6,1 8,6 15

А1А2 17-22 3,2 1,1 3,2 — 6,6 5,3 15

А1А2 12-27 1,3 0,0 3,8 — 6,3 5,3 13

А1А2 27-32 3,0 0,9 3,2 — 6,4 3,5 13

А2В 35-45 3,1 1,1 3,8 — 6,5 7,0 18

В1 55-65 2,5 2,7 3,8 — 7,0 5,3 22

В2 90-100 0,5 2,7 4Д — 6,8 8,8 12

ВЗ 115-125 0,7 3,4 — 6,9 1,8 18

В4 140-150 2,0 4,5 — 6,9 5,3 15

ВС 170-180 — 1,0 1,7 — 6,9 5,3 15

Чернозем оподзоленный тяжело суглинистый на бурых глинах

Адер 0-6 15,8 0,0 29,0 Нет 6,2 58,6 37

А1 10-20 14,3 5,8 43,4 — 5,8 67,9 39

А1А2 35-45 10,7 5,9 46,6 — 5,8 74,8 43

А1А2 50-60 5,8 4,4 47,3 — 5,8 42,2 43

А1А2 10-80 — 2,1 45,4 _ 5,7 29,3 47

А2В1 85-95 12,4 50,8 — 5,9 27,5 53

А2В1 100-110 _ 14,7 51,8 — 6Д 23,8 39

В1 120-130 18,1 50,4 — 6,3 34,8 57

В 2 150-160 _ 26,1 51,4 — 6,4 33,0 51

С 180-190 — 26,6 52,3 — 6,4 33,0 51

Чернозем обыкновенный суглинистый на суглинистых оглеенных отложениях

Ап ах 10-20 5,9 13,8 38,8 0,3 7,6 ' 35,7 39 I

Ак 40-50 4,0 16,7 36,7 3,6 8,4 37,2 33

Ак 80-90 2,4 22,6 48,8 13,9 8,6 26,8 28

АВк 100-110 2,9 23,9 45,0 0,1 8,5 23,8 27

Вк 130-140 0,2 22,7 50,5 4,3 8,5 19,3 33

ВСк 160-170 0,2 26,3 42,9 1,7 8,4 34,2 35

Ск 190-200 0,2 21,4 48,3 — 8,4 19,3 35

Луговая суглинистая

Адер 0-5 5,9 10,9 36,0 Нет 7,7 40,5 30

А 5-10 5,0 8,2 27,2 — 8,0 335,6 30

А 10-15 4,3 9,6 31,8 _ 8,3 35,4 32

А 15-20 4,0 10,6 30,2 _ 8,3 335,6 32

А 20-25 3,5 13,2 32,6 — 8,3 22,9 32

А 25-30 2,4 12,9 37,4 — 8,4 31,7 32

А 30-35 2,5 13,2 30,5 — 7,9 15,8 34

А 35-40 2,1 14,0 36,4 _ 7,9 29,9

АВк 43-53 2,4 18,8 41,5 10,1 7,9 21,1 36

ВкВ 65-75 1,1 24,3 39,6 9,2 8,0 8,8 36

Скв 110-120 0,7 19,6 33,0 8,4 21,2 32

Лугово-болотная торфянистая (Угловский район, раз эез РСП-14) 4

Адер 0-10 3,0 2,0 10,5 Нет _ -

Ат1 15-25 3,1 1,0 6,4 _ _ _ 2 1

Ат2 40-50 2,5 1,4 ,6 _ _ _ 9

АтЗ 70-80 0,5 0,1 10,7 _ _ _ 9

АСт 90-100 — 1,5 19,8 — 6,6 — 9

Аллк жиальная де] новая супе зсчаная

Адер.к 0-10 1,4 14,8 15,6 5,8 8.2 28,2 17

Ак 20-30 1,9 14,8 15,3 3,4 8,3 26,9 5 1

АВк 35-45 0,6 9,3 112,0 3,8 8,2 17,8

В1к 50-60 0,4 7,8 13,3 4,6 8,3 14,9 10 I

Ск 80-90 0,4 5,0 12,8 5,1 8,2 13,4 1° 1

СД1к 120-130 0,2 4,3 11,0 4,4 8,4 11,9 1

СД2к 145-155 0,4 7,0 12,9 _ 8,3 14,9 7 1

СДЗк 170-180 0,4 10,1 11,8 — 8,3 10,2 10 Ц

Распределение никеля в почвообразующих породах и почвах Атайского края

Содержание микроэлемента существенно варьируется в почвах сопряженных ландшафтов, особенно, если в аккумулятивном ландшафте происходит накопление тонкодисперсного материала (луговые глинистые почвы).

В большинстве изученных типов почв никель по профилю распределяется равномерно. Биогенное накопление микроэлемента не наблюдается даже в почвах с ярко выраженным дерновым макропроцессом - оподзоленных и выщелоченных черноземах Бие-Катунского междуречья, гумусовые горизонты которых отличаются высоким содержанием органического вещества (см. табл. 4). Между содержанием гумуса и концентрацией никеля в почвах исследуемого региона выявлена достоверная слабая коррелятивная зависимость (табл. 5).

Таблица 5

Корреляционная зависимость между содержанием никеля и свойствами почв

Свойства почв п г

Гумус 101 0,25

Ил 131 0,62

Физическая глина 131 0,79

СаСОз 127 0,34

рН водный 127 0,27

1 Емкость поглощения 126 0,52

Содержание никеля в почвах Забайкалья также слабо зависит от количества органического вещества [11]. Но по данным В.П. Оголе- вой и Л.Е.Чердаковой [14; 15, с. 105-109], в каштановых почвах Волгоградской области существует более тесная корреляционная связь (г = 0,46). Накопление никеля в гумусовых горизонтах почв в результате биологической аккумуляции также отмечают В.А. Ковда с соавторами [16]. По степени влияния физико-химических свойств почв Алтайского края на уровень концентрации никеля можно составить следующий убывакщий ряд: физическая глина -> ил -> емкость поглощения —> СаСОз -> рН -> гумус (см. табл. 3). О решающем влиянии ила и физической глины на поведение никеля в почвах сообщают многие авторы [3, 10, 13, 15, 17]. Высокий уровень концентрации никеля (по сравнению с растениями) свойственен хвойным подстилкам ленточных боров и оторфованным горизонтам лугово-болотных почв. В почвах с элквиальноиллквиальным типом перераспределения продуктов почвообразования (дерново- подзолистые, серые лесные, черноземы оподзо- ленные, луговые оподзоленные) иногда наблюдается пик концентрации никеля в иллквиаль-ных горизонтах, что связано с максимальным содержанием в них глинистых и илистых частиц (см. табл. 4). Неоднородность внутрипро-

фильного распределения никеля в аллювиальных слоистых почвах поймы р.Алей обусловлена различной минеральной основой горизонтов. Погребенные горизонты и много- членность аллювиальных почв хорошо диагностируются по содержанию никеля. Снижение концентрации никеля в пахотных горизонтах черноземов Алтайского края, вероятно, обусловлено отторжением микроэлемента вместе с тонкодисперсным материалом в результате мощных дефляционных процессов прошлых лет. Прослеживается тенденция накопления никеля в иллювиально-карбонатном горизонте или непосредственно над ним в обыкновенных черноземах, что связано с осаждением микроэлемента на карбонатном барьере.

Оценивая уровень концентрации никеля в почвенном покрове Алтайского края с экоток-сикологических позиций, необходимо отметить, что в почвах большей части региона (предгорные равнины, Приобское плато, восточная часть Кулундинской депрессии, Бийско- Чумышская возвышенность) содержание микроэлемента находится на уровне фона, а в глинистых почвах Салаира, Присалаирской равнины и Бие-Катунского междуречья превышает его. Учитывая важную физиологическую роль никеля, можно ожидать негативную реакцию организмов в биогеоценозах, почвы которых характеризуются аномально низким содержанием микроэлемента (песчаные почвы ложбин древнего стока и приозерной части Кулундинской впадины).

Содержание микроэлемента в почвах Барнаула не превышает санитарно-гигиенических норм, что свидетельствует об отсутствии выраженного антропогенного загрязнения никелем компонентов урболандшафтов. Содержание никеля в почвенном покрове окрестностей Алтайского горнообогатительного комбината и в почвах, формирующихся над полиметаллическими месторождениями Западного Алтая, не превышает уровня регионального фона, что связано с особенностями геохимии полиметаллических месторождений. Отложения хвосто-хранилищ Алтайского горно-обогатительного комбината также не накапливают значительного количества никеля.

Выводы

1. Почвы Алтайского края наследуют уровень концентрации никеля почвообразующих пород.

2. Ведущим фактором, определяющим содержание микроэлемента в почвообразующих породах и почвах, является гранулометрический состав.

3. Внутрипрофильное распределение никеля зависит в разной степени от физикохимических свойств и проявления почвообразовательных макропроцессов.

4. Техногенного загрязнения никелем почвенного покрова Алтайского края не выявлено.

Литература

1. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М., 1983.

2. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Л., 1987.

3. Ягодин Б.А., Говорина В.В., Виноградова С.Б. Никель в системе почва - удобрения - растения - животные и человек // Агрохимия. 1991. №1.

4. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры //Геохимия. 1962. №7.

5. Манн А.У. Природные ресурсы // Химия окружающей среды. М., 1982.

6. Брукс P.P. Загрязнение микроэлементами // Химия окружающей среды. М., 1982.

7. Распространенность элементов в земной коре. М., 1972.

8. Браунлоу А.Х. Геохимия. М., 1984.

9. Беус А.А., Г'рабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М., 1976.

10. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.

11. Кашин В.К., Иванов Г.М. Никель в почвах Забайкалья // Почвоведение. 1985. №10.

12. Почвы Алтайского края. М., 1959.

13. Почвенная карта Алтайского края, масштаб 1:500000. Барнаул, 1986.

14. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск, 1991.

15. Оголева В.П., Чердакова Л.Н. Никель в почвах Волгоградской области // Агрохимия. 1980. №9.

16. Ковда В.А., Якушевская И.В., Ткркканов А.Н. Микроэлементы в почвах Советского Сокза. М., 1959.

17. Пашнева Г.Е. Содержание цинка и никеля в почвах Томской области // Микроэлементы в Сибири. Вып.5. Улан-Удэ, 1967.