Возможности самоочищения почв от избытка тяжелых металлов с помощью железо-марганцевых конкреций

Вопросы экологии

В.И. ГОЛОВ,

Я.О. ТИМОФЕЕВА

Возможности самоочищения почв от избытка тяжелых металлов с помощью железо-марганцевых конкреций

Рассматривается одна из ключевых функций почвенного покрова в поддержании гомеостаза биосферы - способность его к инактивации избытка химических элементов, в частности тяжелых металлов, оказывающих токсичное действие на биоту. Показано, что эту функцию в почве выполняют железо-марганцевые конкреции, которые при меняющейся увлажненности переводят тяжелые металлы в инертное, недоступное для растений состояние.

Возрастающее действие антропогенных факторов на биосферу Земли привело к возникновению глобальных экологических проблем (парниковый эффект, кислотные дожди, исчезновение лесов, опустынивание, загрязнение среды токсикантами, обеднение генофонда и др.). Все это грозит исчезновением современной цивилизации, если не изменится наше потребительское отношение к природе.

Наиболее важным компонентом биосферы, поддерживающим ее гомеостаз и принимающим на себя основной удар антропогенного пресса, является почвенный покров планеты. И в то же время почвенный покров обладает наиболее развитой и эффективной системой самоочищения за счет буферных, адсорбционных и поглотительных свойств в отношении многих токсикантов, в том числе тяжелых металлов (далее - ТМ).

В отечественной экологической науке в настоящее время, несмотря на важность данной проблемы, к сожалению, очень мало внимания уделяется роли почвенного покрова в поддержании гомеостаза биосферы. Это в равной мере относится и к программам экологического обучения как школьников, так и студентов. В США, например, и во многих странах Западной Европы в общеобразовательных школах, а также в программах экологического образования населения, финансируемых различными фондами, значительно больше внимания уделяется основам почвоведения, агрохимии и особенно влиянию химизации сельскохозяйственного производства на состояние почвенного покрова. И это вполне оправданно, т.к. почвенный покров планеты помимо плодородия (человечество получает из почвы около 95% всех продуктов питания) в значительной

мере определяет и регулирует многие жизненно важные экологические функции биосферы, такие как поддержание постоянного газового состава атмосферы, химического состава поверхностных, прежде всего речных вод, биоразнообразия, в первую очередь живых организмов, обитающих в почвах, и т.д. Из множества экологических функций почв напомним только о пяти основных:

1. Почва - аккумулятор органического вещества, которое используется живыми организмами почвы в качестве источника энергии. Процессы биогенного накопления, трансформации и перераспределения энергии, поступающей от Солнца на Землю, протекают в почве непрерывно, и в этом заключается ее своеобразная космическая роль. Сосредоточена потенциальная биогенная энергия в почвенном покрове главным образом в виде корней, отмерших растений, биомассы микробов и других организмов, а также в гумусе. Ученые подсчитали, что запасы биомассы в почве соизмеримы с общей массой живого вещества на Земле и равны 1015-1021 т [6]. Несколько позже эта цифра была подкорректирована, и в настоящее время считается, что запасы органического вещества составляют 2,4-1012 [4]. Благодаря этой функции почв все жизненно важные процессы биосферы поддерживаются постоянно.

2. Почва контролирует постоянный газовый состав атмосферы. В настоящее время почве отводится более существенная роль в поддержании постоянного газового состава атмосферы. Раньше (50-100 лет назад) считалось, что основную роль в этом играет гидросфера, которая в холодный период времени больше выделяет углекислого газа и поглощает кислорода, а в теплый - наоборот. Сейчас считается, что основную роль в этом процессе играют почвы. Почвенный покров планеты может выделять газы как напрямую в атмосферу, так и опосредованно, т.е. через растительный покров (как, например, кислород). Интенсивность газообмена между почвой и атмосферой зависит от многих причин, главными из которых являются пористость почв, которая колеблется от 10 до 60%, ее влажность, разность температур между поверхностью почвы и нижними слоями атмосферы, наличие ветра и его силы. Так, при изменении влажности почв от влажной до водонасыщенной скорость газообмена уменьшается в миллион раз. Это свидетельствует о том, что газообмен между почвой и атмосферой протекает намного легче, чем между водными массами и прилегающими к ним воздушными слоями. Чтобы представить себе масштабы потребления и выделения газов почвой, достаточно сказать, что за 1 ч почвенный покров площадью в 1 га потребляет 1000-4000 л кислорода, и в таких же примерно количествах выделяется углекислый газ. Газовый состав почвенного воздуха резко отличается от атмосферного в основном по содержанию кислорода, количество которого колеблется от 0,1 до 21%, углекислого газа - от 0,03 до 12% и паров воды (насыщенность влагой бывает близка к 100%). Различия по азоту несущественны.

3. Участие почвы в формировании речного стока и его химического состава. Основная масса воды на земном шаре представлена водами Мирового океана (94% по объему и 72% по площади). Остальные 6% распределены следующим образом: 4% приходится на подземные воды, 1,6% - полярные ледники. Доля пресных поверхностных вод со-

ставляет 0,25%, а запасы речных вод всего 0,0002%. В.И. Вернадский впервые обратил внимание на определяющую роль почвы в трансформации химического состава атмосферных осадков при прохождении таковых через почвенную толщу и при стоке их по ее поверхности в моря и океаны. Это позволило академику А.П. Виноградову [7] предположить, что катионный состав морской воды в процессе геологической истории Земли сформировался в основном за счет речного стока, т.е. при участии почвенного покрова. Несмотря на незначительные запасы, речные воды играют исключительно важную роль в жизни земной биоты, и в частности в жизни человека, т.к. они являются практически единственным источником пресной воды, применяемой для питья и хозяйственных нужд. В настоящее время на земном шаре запасы питьевых природных вод благодаря антропогенному фактору резко сократились. Этому способствовало как прямое загрязнение поверхностных водоемов, так и косвенное влияние техногенеза. Например, Nelson [19] показал, что из-за уничтожения лесов и интенсивной распашки земель уменьшилось содержание некоторых важных для жизни микроэлементов в почвенных водах, что обнаружилось при анализе раковин речных двустворчатых моллюсков из индейских кухонных куч возрастом 1000-2000 лет. Они содержали на 50-100% больше марганца и бария, чем раковины современных моллюсков. Это произошло из-за того, что вода сейчас имеет тенденцию быстро скатываться по голой земной поверхности, а не просачиваться через почвенный профиль, где она обогащалась этими элементами. Данные факты свидетельствуют о том, что почвы изначально выполняют очень важную биосферную функцию по поддержанию оптимального химического состава земных поверхностных вод и человечество обязано следить за их нормальным функционированием в этом отношении.

4. Почва как среда обитания для организмов суши и поддержания их биоразнообразия. До недавнего времени считалось, что основная биомасса Земли сосредоточена в Мировом океане. Однако более точные подсчеты показали, что масса живого вещества континента многократно превышает биомассу океана. Так, несмотря на то что пространство, пригодное для жизни на суше, меньше в 2,4 раза по площади и в 11 раз по объему, чем в океане, биомасса суши, по современным данным, в 200 раз больше, чем океана, а в единицах сухой массы - в 350 раз. На единицу поверхности, таким образом, биомассы суши в 1000 раз больше, чем в океане.

Систематики насчитывают на Земле около 2 млн видов живых организмов, из них 1,5 млн животных и около 500 тыс. растительных организмов, включая водоросли и грибы. При этом в океане обитает около 160 тыс. видов животных и 10 тыс. видов растений. Следовательно, более 90% видов организмов, существующих в настоящее время на Земле, обитают на суше. Особенно велико преобладание наземных видов в мире растений. Лишь около 1% видов растительных организмов - обитатели океанов, остальные - сухопутные организмы, теснейшим образом связанные с почвой.

Известно также, что 85% видов насекомых проходят полностью или частично свои циклы развития в почве. Таким образом, почва, судя по приведенным фактам, является наиболее надежной экологической

нишей для живых организмов и способствует сохранению биоразнообразия на земной поверхности.

5. Санитарные функции почвы. Почва является конечным пунктом поступления всех загрязняющих веществ в биосфере и наиболее надежным ее компонентом, способным к самоочищению. Поэтому почву наиболее часто используют для захоронения отходов хозяйственной деятельности человека, включая радиоактивные отходы, отходы химической промышленности и трупы животных, павших от особо опасных инфекций. Однако экологам следует помнить, что возможности самоочищения почв не беспредельны и этой способностью почв не следует злоупотреблять.

Почвы являются если не конечным этапом поступления загрязнителей хозяйственной деятельности человека, то во всяком случае тем звеном в цепи их миграции, где они могут длительное время сохранять свои негативные свойства. С другой стороны, как уже отмечалось, почвенный покров является тем компонентом биосферы, который в большей мере, по сравнению, например, с атмосферой и гидросферой, способен к самоочищению и детоксикации загрязнителей как антропогенного, так и природного происхождения. Поэтому познание механизмов самоочищения почв и их потенциальных возможностей нам представляется одной из актуальнейших проблем сохранения экологически приемлемой среды обитания человека.

Одним из таких механизмов является образование и рост в верхних горизонтах почв особых органо-минеральных тел, названных железомарганцевыми конкрециями (далее - ЖМК). Территория их распространения весьма обширна, они встречаются от зоны арктической тундры до тропиков [16]. На сегодняшний день существует большой объем информации, посвященной составу, строению, распределению и генезису ЖМК [10, 14, 16]. Однако роль железо-марганцевых конкреций в поддержании химического гомеостаза почвенного покрова, и в первую очередь в отношении ТМ, до сих пор не рассматривалась. Следует отметить, что сам процесс формирования конкреций до настоящего времени остается дискуссионным. И все же большинство ученых склонно считать, что их образование связано с деятельностью особой группы анаэробных микроорганизмов, которые в отсутствии кислорода используют для своей жизнедеятельности поливалентные химические элементы. Эти элементы в условиях анаэробиозиса способны терять с внешней орбиты электроны и таким образом служить заменой кислороду в роли окислителя (Мп, Бе, Со, Мо и др.) [2, 6, 17]. В процессе изучения ЖМК было замечено, что наиболее интенсивный рост их наблюдался при периодическом затоплении и переувлажнении почв, которое происходит во время обильных атмосферных осадков, снеготаяния, искусственного затопления почв, например при возделывании риса и т.д. [12, 13, 16]. Железо-марганцевые конкреции были обнаружены не только в почве, но и на дне океанов, морей и внутренних континентальных водоемов (озер, болот и др.). Происхождение любых ЖМК, несмотря на некоторые различия в их строении и химическом составе (морские конкреции крупнее, в них больше марганца, чем железа и др.), в общих чертах идентично [5]. Поскольку

элементы, входящие в состав ЖМК, становятся малоподвижными и недоступными в первую очередь для растений, они выходят из биологического круговорота на неопределенное время. Поэтому конкреции следует рассматривать как биогеохимический барьер, на котором происходит резкое уменьшение интенсивности их миграции и, соответственно, увеличение концентрации рассматриваемых элементов, в том числе и ТМ [15]. В связи с этим мы вправе рассматривать ЖМК как одну из субстанций, способных очищать почву от избытка тех элементов, которые накапливаются в ней в результате хозяйственной деятельности человека. Следовательно, изучение роли железо-марганцевых конкреций в процессе самоочищения почв от избытка загрязняющих элементов является важной задачей экологии, решение которой позволит оценить роль и возможности этого процесса для поддержания экологически оптимального состояния почвенного покрова и в целом биосферы.

Исследования и мониторинг антропогенного влияния на почвенный покров планеты в настоящее время становятся все более популярными и входят во многие программы по изучению окружающей среды. За рубежом эти тенденции более заметны, чем в нашей стране. Все большую актуальность приобретает проблема устойчивости почв к избыточному поступлению одной из самых распространенных групп загрязняющих веществ - тяжелых металлов. Последние способны вызывать многочисленные химические, физические и биологические изменения в почвенной среде и при избыточной концентрации приводят к снижению продуктивности наземных экосистем.

Целью настоящей работы явилось изучение потенциальной возможности ЖМК в поддержании химического гомеостаза почв в отношении ТМ. Решение данной проблемы поможет выявить степень участия почвенных конкреций в функционировании почвенного покрова и обеспечении ими ряда глобальных экологических функций.

Исследования были проведены на почвах, в различной степени подверженных техногенной нагрузке, что дало возможность реально оценить интенсивность происходящих в почвенной среде процессов, вызванных поступлением ТМ.

Для этого были использованы образцы почв, наиболее распространенных в предгорьях Сихотэ-Алиня и на Ханкайско-Раздольненской равнине: бурые лесные, буро-подзолистые и лугово-бурые [11]. Мы остановились на выборе именно этих почв потому, что по результатам работ многих авторов, чьи исследования проводились ранее на рассматриваемой территории, установлено, что в данных типах почв наиболее ярко выражены условия, приводящие к образованию и росту ЖМК [8, 9,

12, 13].

Бурые лесные почвы характеризуются равномерно окрашенным профилем, как правило, они хорошо дренированы, поэтому в них преобладают окислительные процессы. Буро-подзолистые почвы отличаются наличием ярко выраженного светло-серого элювиального (подпахотного) горизонта, в котором накапливается большое количество железо-марган-цевых конкреций, а также тяжелым механическим составом, поэтому они часто переувлажняются. В морфологии лугово-бурых почв из-за по-

стоянного притока грунтовых вод присутствуют явные признаки процессов оглеения (накопления восстановленных продуктов), которые являются стартовыми механизмами образования ЖМК. Эти почвы характеризуются тяжелым механическим составом в средней и нижней частях профиля, изменением окраски от темно-серой и бурой в верхней части до охристо-бурой и сизо-бурой (глеевой) в нижней.

Как наименее загрязненные и поэтому более показательные в экологическом плане были использованы почвы лесных массивов. Почвы, испытывающие постоянное, но не экстремальное антропогенное воздействие и получающие ежегодные дозы ТМ (в большинстве случаев при внесении минеральных удобрений, использовании гусеничной техники и химических средств защиты растений), представлены пахотными почвами, состояние которых по ряду показателей является неблагоприятным. В качестве почв, расположенных в ареалах аномально повышенного содержания ТМ, в зоне с опасным уровнем загрязнения и по всем признакам утративших способность к самовосстановлению, изучены почвы на территории, прилегающей к горно-химическому комбинату г. Дальне-горска ОАО «Энергомаш-Бор».

Для достоверности выводов о влиянии железо-марганцевых конкреций на процесс миграции тяжелых металлов в почвах на выбранных участках закладывалось не менее двух почвенных разрезов на разном расстоянии от источника загрязнения. Контрольные разрезы (с фоновым содержанием ТМ), заложенные на лесных почвах, находились за пределами зоны техногенных потоков ТМ. В представленных ниже таблицах приведены данные по наиболее характерным разрезам.

Отбор почвенных образцов проводился по почвенным генетическим горизонтам с учетом массы отобранных образцов для последующего пересчета относительного содержания ЖМК к весу почвенной массы. Из почвы выделяли ЖМК методом мокрого просеивания через мелкоячеистые капроновые сита с предварительным отмачиванием в воде и последующей декантацией. Дальнейшая очистка конкреций от посторонних примесей проводилась в лабораторных условиях с помощью электромагнитного сепаратора марки 138Т, что стало возможным за счет повышенного содержания в конкрециях высокодисперсных гидроокислов железа, обладающих магнитными свойствами [3].

В отобранных образцах почв и конкреций определяли валовое и подвижное содержание ряда элементов, относящихся к группе ТМ (Сг, Мо, Мп, Со, N1, Си, 2п, С^ РЬ). В настоящее время термин ТМ получил широкое распространение в литературе, но до сих пор не имеет однозначного определения. Представление о тяжелых металлах всегда связано с их негативным воздействием на окружающую среду. Данное утверждение является обоснованным для таких элементов, как ртуть, кадмий, свинец, которые являются токсичными и опасны даже в незначительных концентрациях, поэтому были включены природоохранной комиссией ЮНЕСКО в список десяти главных загрязнителей (экотоксикантов) биосферы. Вместе с тем в группу тяжелых металлов включены и микроэлементы (Мп, 2п, Си, Мо, Со), необходимые живым организмам и выполняющие важную физиологическую роль в процессах их роста и развития.

При этом живые организмы чувствительны и требовательны к содержанию микроэлементов в окружающей среде и, начиная с определенных концентраций, превышающих местный геохимический фон, данные элементы оказывают угнетающее воздействие [1].

Валовые и подвижные концентрации ТМ определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, при этом валовые формы определяли после полного химического разложения пробы, подвижные -в однонормальной солянокислой вытяжке (1,0 н. HCl).

Для оценки степени загрязнения ТМ исследуемых образцов почв и конкреций были использованы региональные кларковые (средние) содержания элементов в почвах [9]. По результатам определения валового содержания рассчитывали Кк (коэффициент концентрирования), показывающий, во сколько раз интенсивность процесса накопления элементов в конкрециях опережает интенсивность их накопления во вмещающей почвенной массе. По разности между валовым и подвижным содержанием ТМ рассчитывали прочно связанную (инертную) форму.

Все цифровые данные, полученные в результате исследований, подвергали статистической обработке с использованием компьютерных программ Statistic и Microsoft Excel.

Основная масса ЖМК во всех исследованных типах почв приурочена к верхней части почвенного профиля. Вследствие того что для их формирования первостепенным и непременным условием является чередование окислительно-восстановительных процессов, верхнюю часть почвенного профиля можно считать идеальным местом для их образования и развития. Выделенные конкреции представляют собой плотные образования темно-бурого или коричнево-бурого цвета, в большинстве случаев имеющие правильную шарообразную форму с шероховатой и мелкопористой поверхностью.

Размер конкреций варьирует в зависимости от места положения в почвенном профиле. Самые крупные экземпляры обнаружены в гумусоаккумулятивных, элювиальных и верхней части иллювиальных горизонтов, где их объем достигает 10-12 мм в диаметре. Размер ЖМК нижней части профиля, как правило, не превышает 1-1,5 мм, и здесь же встречаются зародышевые конкреции в виде минеральных частиц, покрытых темной, тонкой и рыхлой пленкой гидроокислов Fe и Mn.

Необходимо отметить, что содержание конкреций достигает наибольших значений в автоморфных бурых лесных и буро-подзолистых почвах, с увеличением степени обводненности почвенного профиля в гидроморфных лугово-бурых почвах содержание их снижается.

Изучение роли ЖМК в процессах устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами следует начать с рассмотрения влияния почвенных конкреций на естественные миграционные потоки изучаемых элементов в пределах территории, не подверженной прямому воздействию каких-либо техногенных источников поступления ТМ.

По результатам проведенных экспериментальных работ установлено, что в целом для почв исследованной территории характерно присутствие Mn, Ni, Mo, Со в количествах ниже значений региональных почвенных кларков, очень близкое к кларкам содержание Cr и Cd, не-

сколько более высокое РЬ, а количество Си и 2п превышает кларк в 2-3 раза (табл. 1). Содержание исследуемых элементов в ЖМК резко возрастает, исключение составляют 2п и С^ концентрация которых в конкрециях, как правило, ниже, а в некоторых случаях равна таковой в почвах. Содержание некоторых элементов, входящих в состав ЖМК, в несколько раз превышают кларковые. Так, для Мп и Си характерно 3-9-кратное превышение, для РЬ 4-6-кратное, а для Со даже 15-кратное. Кстати, содержание Со в морских конкрециях может достигать 2,5%, и поэтому они вполне могут конкурировать с другими, традиционными источниками рудопроявления [5]. Впрочем, то же самое можно сказать и о других элементах, входящих в состав морских ЖМК (Мп, 2п, Си, Мо, РЬ). Этот вопрос довольно подробно обсуждался на XXVII сессии Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в августе 1984 года [18].

Таблица 1

Содержание валовых и инертных форм химических элементов в бурых лесных почвах и конкрециях, мг/кг

Элемент Региональный кларк в почвах Кк Почвы Конкреции

А -^пах ИБ: 2 Б ад А -^пах И ад 2 Б2 ад

Мп 1510 4,2 701 1141 1508 4123 3014 6207

401 907 971 3371 1089 5070

2п 70 0,9 336 232 148 238 185 174

236 135 72 95 90 40

N1 46 3,8 27 44 41 100 220 119

22,5 39 35,3 89 192 112

Мо 1,6 1,5 1 1 1 15 2 11

0,3 0,2 0,4 0,9 1,2 0,8

Со 22 10,8 21 19 17 144 334 139

12 12 10 92 232 86

РЬ 32 4,2 35 41 44 137 209 172

13 13 13 35 135 109

Сг 66 2 62 61 58 140 130 94

25 19 27 96 116 83

Си 20 1,3 77 56 61 79 74 97

26 9 17 23 24 27

са 0,6 0,6 0,52 0,59 0,37 0,33 0,12 0,32

0,41 0,46 0,31 0,3 0,08 0,29

Примечание. Апах - верхний пахотный горизонт; иБь иБ2 - оглеенные, иллювиальные горизонты (вмывания). В числителе - валовое (общее) содержание элемента; в знаменателе - содержание инертной (прочно связанной) формы элемента.

По содержанию инертных форм элементов выявлено снижение потенциально доступных для растений Мо, Со и Сг, Сd в конкрециях по сравнению с почвенной массой в 2-5 раз в пределах всего почвенного профиля (табл. 1). В отношении остальных элементов характерен наибольший спад подвижности для конкреций из верхних гумусо-аккумуля-тивных горизонтов, и далее по мере увеличения глубины отмечается некоторое снижение прочносвязанных и увеличение подвижных соединений.

При сопоставлении результатов анализа по содержанию рассматриваемых тяжелых металлов во вмещающих почвенных горизонтах и железо-марганцевых конкрециях установлено существенное накопление большинства определяемых элементов в последних по сравнению с почвенной массой. Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что накоплению в конкреции в большей мере подвержены Мп, Со, РЬ и N1, у которых Кк наиболее высокие среди изученных элементов. Значительно менее интенсивно стягиваются в конкреции Си, Сг и Мо и не накапливаются 2п и Сd, у которых Кк не превышает 1. Наибольшие значения Кк ТМ приурочены к конкрециям, образованным в верхней части почвенного профиля.

Ограничения миграции ТМ почвенными ЖМК имеет особо важное значение для пахотных почв с интенсивной сельскохозяйственной нагрузкой. Для этих почв характерно формирование локальных потоков с повышенным содержанием ТМ и, как следствие, увеличение их количества в биологическом круговороте. Это в свою очередь ведет к накоплению ТМ в сельскохозяйственной продукции до концентраций, нередко превышающих санитарно-гигиенические нормы.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что в пахотных почвах содержание многих ТМ превышает кларковое, что характерно для 2п, Си, РЬ, Сг, Cd (см. рисунок). Источниками поступления ТМ в данные почвы могут служить выбросы промышленных предприятий, ТЭЦ, автотранспорта, а также применение органических и минеральных удобрений, где ТМ присутствуют в качестве примесей [9].

В ходе выполнения исследований установлено, что железо-марган-цевые конкреции пахотных почв значительно больше и активнее накапливают тяжелые металлы (см. рисунок). Например, основная часть Мп, Со и N1 этих почв сосредоточена в конкрециях (до 85% в пахотном горизонте и до 92% в подпахотном). Конкреции из пахотных почв содержат РЬ в 3, а Си в 1,5 раза больше по сравнению с вмещающей почвенной массой, немного ниже эти показатели у ЖМК залежных почв. Содержание подвижных форм элементов в конкрециях этих почв не обнаруживает новых тенденций и максимально приближено к их поведению в конкрециях почв, не подверженных антропогенному влиянию, о которых упоминалось выше. В том случае, когда конкреции составляют существенную часть от веса почвы, доля тяжелых металлов, входящих в их состав, представляет значительную величину. Это, с одной стороны, приводит к снижению (детоксикации) высоких концентраций ТМ (РЬ, Cd, N1) в почвенном растворе и с другой - к дефициту тех элементов, которые крайне необходимы для производства высококачественной сельскохозяйственной продукции (Р, Мо, Со).

Процесс поступления и вовлечения в экосистемы ТМ бывает особенно интенсивным в районах активной деятельности промышленных предприятий и в местах разработки рудных месторождений. К таким районам относится территория, на которой расположен горно-химический комбинат г. Дальнегорска. Почвы, прилегающие к исследуемой территории, испытывают загрязнение как под влиянием отходов предприятия, так и в результате того, что находятся в пределах ореола рассеяния

полиметаллического месторождения. Валовое содержание и варьирование изученных элементов в почвах исследуемой территории представлено в табл. 2.

В РЬ

О Со ш N1

Влияние загрязнения на накопление ТМ в почвах и конкрециях: А - в почвах лесных массивов, Б - в пахотных почвах, В - в почвах, сформированных в ареалах аномально повышенного содержания ТМ

Б

Таблица 2

Накопление тяжелых металлов конкрециями сильно загрязненных почв, мг/кг

Элемент Кк Бурая лесная * Бурая лесная **

А1 В: В2 А1 В1 В2 Вэ

Мп 4,4 6578 5426 5768 4748 4636 2894 3876

32840 26200 12629 24568 31001 12260 9600

2п 0,9 3331 2008 1205 718 1340 920 515

3150 2254 1210 805 1250 810 520

N1 3,3 542 621 126 186 131 152 33

2100 2500 455 540 465 470 67

Мо 1,2 19 15 16 19 12 14 07

2,4 2,4 2,8 2,3 1,5 1,5 1

Со 2,3 302 193 172 161 210 112 84

517 531 310 415 505 243 208

РЬ 2,5 3322 4148 1848 1374 1667 471 330

7441 6200 3851 3020 5281 2180 508

Сг 1,5 190 142 71 130 142 81 77

390 265 68 241 194 110 65

Си 1,8 1451 934 331 781 323 343 118

2513 1457 657 1241 452 485 359

Са 1,3 26 14 12 8 6 4 2

31 17 14 11 7 5 3

Примечание. А - верхний горизонт, В1, В2, В3 - иллювиальные горизонты (вмывания). В числителе - валовое содержание элемента в почве; в знаменателе

- валовое содержание элемента в ЖМК.

* - разрез заложен в 1500 м от горно-химического комбината; ** - разрез заложен в 4500 м от горно-химического комбината.

Среднее содержание элементов в почвах рассматриваемого района превышает природный геохимический фон для Мп, Сг, N1 в 3-3,5 раза, Со в 5-7 раз, Си, 2п, Cd, РЬ в 20-50 раз. Интенсивность поступления и повышенное содержание ТМ обусловливает формирование экстремальной геохимической аномалии, что в свою очередь приводит к появлению несвойственных природе концентраций рассматриваемых элементов.

Наибольшие значения содержания ТМ в почвах характерны для верхних органогенных и элювиальных горизонтов. Содержание ТМ максимально в пробах, отобранных на расстоянии 1500 м от источников загрязнения, по мере удаления от них концентрации элементов закономерно снижаются. В растворимом или потенциально доступном для живых организмов состоянии в почвенной массе находится 60% РЬ, 2п, Си, около 50% N1, Сг, Со и до 13% Cd. Высокое содержание растворимых форм элементов в почвах способствует их накоплению в биомассе, вызывая угнетение, а в некоторых случаях частичную или полную гибель растительности рассматриваемой территории.

Кк исследуемых элементов в ЖМК имеют наибольшие значения в верхней части почвенного профиля и образуют следующий убывающий ряд: Мп, N1 (2,5-6) > РЬ (1,5-5) > Со (1,5-3) > Си (1,5-2) > Cd (1-1,5) > Сг (0,8-2) > Мо (0,8-1,5) > 2п (0,8-1,1). Характерной особенностью ЖМК

рассматриваемой территории является аккумуляция Cd. Данные образцы конкреций оказались единственными, в которых величина Кк этого элемента выше единицы.

Обращает на себя внимание тот факт, что на фоне интенсивного снижения содержания ТМ в почвах уровень уменьшения их концентрации в конкрециях происходит постепенно по мере удаления от источника загрязнения. В результате чего даже на значительном удалении от горнохимического комбината содержание ТМ в конкрециях превышает природный геохимический фон в несколько раз, что свидетельствует о положительной экологической функции данного механизма самоочищения почв.

Содержание инертных форм всех изученных элементов в ЖМК обнаруживает тенденцию к увеличению. В подвижном состоянии находится от 5% (Си, Сг, Мо) до 25% (РЬ, N1) от общего содержания. Это значит, что большая часть ТМ, входящих в состав конкреций, на время исключается из биологического круговорота. Таким образом, процесс насыщения тяжелых металлов почвенными железо-марганцевыми конкрециями мы склонны рассматривать как своеобразный механизм защиты и очищения почв от повышенных концентраций данных экотоксикантов.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

В процессе образования, роста и развития конкреции активно взаимодействуют с почвенным раствором, адсорбируя на своей поверхности катионы и прежде всего ТМ. По величине Кк установлено, что наиболее интенсивно в ЖМК накапливаются Мп, Со, РЬ, N1, в меньшей степени это присуще Си, Сг, Мо. Нахождение 2п и Cd в конкрециях обнаруживает прямую связь с техногенной нагрузкой на почвы и варьирует в интервале от 0,4 до 1,5.

Процесс аккумуляции тяжелых металлов железо-марганцевыми конкрециями сопровождается резким снижением подвижности и переводом их в инертную форму. Это, несомненно, способствует экологическому оздоровлению почв, т.к. приводит к временной, а возможно и необратимой фиксации рассматриваемых элементов, в том числе и особо опасных для живых организмов.

С увеличением техногенной нагрузки на почвенный покров и повышением концентрации ТМ в почвах интенсивность инактивации и поглощения их в ЖМК увеличивается. Причем в верхней части профиля эти процессы идут более интенсивно, чем в нижней, видимо, за счет более контрастных окислительно-восстановительных условий, которые стимулируют образование и рост ЖМК.

Литература

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

2. Аристовская Т.В. Превращение марганца почвенными микроорганизмами / Т. В. Аристовская // Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине. Л.: Наука, 1970. С. 121-122.

3. Бабанин В.Ф. Магнитные свойства конкреций подзолистой поверх-ностно-оглеенной почвы / В.Ф. Бабанин, А.В. Иванов, Д.Э. Пухов, А.М. Шипилин // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1224-1232.

4. Базилевич Н.И. Сколько весит живое вещество планеты? / Н.И. Базилевич, Л.Е. Родин, Н.Н. Розов // Природа. 1971. № 1. С.46-53.

5. Батурин Г.Н. Геохимия железомарганцевых конкреций океана / Г.Н. Батурин. - М.: Наука, 1986. - 328 с.

6. Вернадский В.И. Биосфера: избр. труды по биогеохимии / В.И. Вернадский. - М.: Мысль, 1967. - 376 с.

7. Виноградов А.П. Введение в геохимию океана / А.П. Виноградов. -М.: Наука, 1967. - 215 с.

8. Голов В.И. Микроэлементный состав почв Приморья. Характеристика агроземов Приморья / В.И. Голов. - Уссурийск, 2002. С. 76-84.

9. Голов В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока / В.И. Голов. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - 315 с.

10. Зайдельман Ф.Р. Генезис и диагностическое значение новообразований почв лесной и лесостепной зон / Ф.Р. Зайдельман, А.С. Никифорова. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. - 215 с.

11. Иванов Г.И. Классификация почв равнин Приморья и Приамурья / Г.И. Иванов. - Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1966. - 45 с.

12. Иванов Г.И. Почвообразование на юге Дальнего Востока / Г.И. Иванов. - М.: Наука, 1976. - 198 с.

13. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения / Н.М. Костенков. - М.: Наука, 1987. - 191 с.

14. Македонов А.В. Современные конкреции / А.В. Македонов. - М.: Наука, 1966. - 283 с.

15. Перельман А.И. Геохимия / А.И. Перельман. - М.: Высш. шк., 1979.

- 422 с.

16. Росликова В.И. Марганцево-железистые новообразования в почвах равнинных ландшафтов гумидной зоны / В.И. Росликова. - Владивосток: Дальнаука, 1996. - 290 с.

17. Тен-Хак-Мун. О биологической природе железо-марганцевых корок почвообразующих пород в горных почвах Сахалина / Тен-Хак-Мун // Микробиология. 1968. Вып. 37, № 4. C. 749-753.

18. Яшин А. Л. В геологии - время больших перемен / А. Л. Яшин // Химия и жизнь. 1984. № 8. С. 10-11.

19. Nelson D.J. Microchemical constituents in contemporari and preColumbian clam shells / D.J. Nelson // Quaternary Paleoecology, Proc. V11 Cong. Int. Assoc. Quaternary Research. Vol. 7. Р. 185-204.

© Голов В.И., Тимофеева Я.О., 2005 г.