Экологические функции почв и их реализация на примере железомарганцевых конкреций

7. Справочник по климату СССР. - Вып. 27. Камчатская обл. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - Ч. 2. - 184 с.

8. Grishin, S.Yu. Influence of 1996 Eruption in the Karymsky volcano group, Kamchatka, on vegetation / S.Yu. Grishin, P.V. Krestov, V.P. Verkholat// Nat. Hist. Res. - 2000. - № 7. - P. 39-48.

'---------♦-------------

УДК 631.416.9 В.И. Голов, Я.О. Тимофеева

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ НА ПРИМЕРЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ

В статье рассматриваются основные экологические функции почвенного покрова и некоторые механизмы реализации одной из ключевых функций - поддержания гомеостаза биосферы.

Ключевые слова: самоочищение почв, почвенные железо-марганцевые новообразования, тяжелые металлы.

V.I. Golov, Ya.O. Timofeeva ECOLOGICAL FUNCTIONS OF SOILS AND THEIR REALISATION ON THE EXAMPLE OF FERRIMANGANESE CONCRETIONS

The article deals with the basic ecological functions of the soil cover and some mechanisms to realize one of its key functions concerning maintenance of biospherical homeostasis.

Key words: soil self-cleaning, soil ferrimanganese neoformations, heavy metals.

Прогрессирующее воздействие хозяйственной деятельности человечества на природную среду достигло уровня, при котором происходят резкие глобальные и региональные изменения почвенного покрова обширных территорий, которые нередко приводят к сокращению продуктивности наземных экосистем и представляют реальную опасность для человека. Почвенный покров планеты помимо плодородия (человечество получает из почвы более 90 % всех продуктов питания) в значительной мере определяет и регулирует многие жизненноважные экологические функции биосферы. Из множества экологических функций почв, которые выделяют Г.В. Добровольский и Е.Д. Никитин, выделим пять основных [5, 6].

1. Почва - аккумулятор органического вещества.

2. Почва контролирует постоянство газового состава атмосферы.

3. Почва участвует в формировании речного стока и его химического состава.

4. Почва является средой обитания живых организмов и поддерживает их биоразнообразие.

5. Санитарные функции почвы.

Устойчивость почв к воздействию потоков с несвойственной для природы концентрацией элементов зависит от многих факторов (от содержания высокодисперсных минеральных частиц, гумусовых веществ, реакции среды и т.д.), среди которых особое место занимают железо-марганцевые конкреции (далее ЖМК). Они являются неотъемлемыми компонентами и важными индикаторами многих процессов, происходящих в почвах. В настоящее время в области исследования почвенных ЖМК имеется большой объем информации, посвященный вопросам их состава, строения, распределения и генезиса [1, 2, 7, 10, 11, 14]. Однако слабо изученной остается их аккумулирующая способность, приводящая к ограничению миграции некоторых элементов, включая большинство тяжелых металлов [13, 15-17]. Особый интерес вызывает снижение подвижности биофильных элементов конкрециями, сопровождаемое их выводом из биологического круговорота на неопределенное время. Следовательно, изучение роли ЖМК в процессе самоочищения почв является важной задачей экологии, решение которой позволит оценить роль этого процесса для поддержания оптимального состояния почвенного покрова.

Исследования проводили на экспериментальном участке, почвенный покров которого представлен лугово-бурыми почвами. Почвы залегают в юго-восточной части Ханкайско-Уссурийской равнины в 7 км северо-восточнее г. Уссурийска Приморского края, сформированы на озерно-аллювиальных отложениях тяжело-

го механического состава под разнотравно-злаковыми группировками в комплексе с кустарниковыми зарослями. Как наименее загрязненные, использованы почвы старой залежи, залегающие на плоской равнине, на высоте около 60 м над уровнем моря. Формула профиля: АоА1В1дВ2дСд. Образцы почв, испытывающих постоянное, но не экстремальное антропогенное воздействие, представлены пахотными почвами, расположенными на той же плоской равнине. Профиль этой почвы отличается большей мощностью гумусового горизонта и отсутствием явных признаков оглеения в горизонте В1. В качестве почв, расположенных в ареалах повышенного содержания элементов, рассмотрены почвы, залегающие вдоль автотрассы федерального значения М-60 с интенсивностью движения транспортного потока 234 автомобиля в час. Опытный материал отобран на расстоянии 13 м от дорожного полотна. Орография территории залегания этих почв идентична вышеуказанным точкам отбора. В морфологическом отношении почвенный профиль аналогичен профилю залежной лугово-бурой почвы.

Отбор почвенного и конкреционного материала проводился с каждого генетического горизонта. ЖМК выделяли из почвы методом мокрого просеивания [8]. Дальнейшая очистка конкреций проводилась в лабораторных условиях с помощью электромагнитного сепаратора марки 138Т.

В почвах и конкрециях определяли содержание валовых и кислоторастворимых форм элементов, относящихся к группе тяжелых металлов (Мп, Zn, N Со, РЬ, Сг, Си, Cd), методом атомной адсорбции. Экстракция валовых форм проводилась после полного химического разложения пробы. При анализе кислоторастворимых форм была использована 1,0 н НС1 вытяжка. Определение каждого элемента проводили в трехкратной повторности. Все полученные аналитические данные подвергали статистической обработке. Уровень значимости не превышал 5% (а < 0,05) [4].

Для оценки степени загрязнения тяжелыми металлами исследуемых образцов были использованы региональные кларковые (средние) концентрации элементов в почвах [3]. По результатам определения валового содержания рассчитывали коэффициент накопления (Кх), показывающий, во сколько раз интенсивность процесса накопления элементов в конкрециях опережает интенсивность их накопления во вмещающей почвенной массе [11]. При изучении почв, подверженных интенсивной антропогенной нагрузке, для выделения техногенной составляющей в общем объеме элементов был определен коэффициент техногенности (Кт) [9].

Выделенные конкреции представляют собой плотные, компактные, резко отличающиеся от почвы стяжения. Согласно современной классификации, в нашей работе изучен род круглых или эллипсовидных гладких конкреций [7]. В профиле исследуемых почв различные виды конкреций образуют иерархически соподчиненную структуру. В горизонте А1 формируются темно-серые мелкие конкреции (2-3 мм). В переходных горизонтах к ним добавляются мелкие бурые, в нижележащих горизонтах бурые конкреции занимают доминирующее положение и с глубиной сменяются примазками. В лугово-бурых пахотных почвах встречаются бурые крупные ЖМК (6-8 мм) и отмечается существенное увеличение интенсивности их образования (7-8% от массы почвы).

С усилением влияния техногенных факторов в лугово-бурых почвах происходит увеличение содержания 7п, N1, РЬ, Сг, Си, Сс1 (табл. 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в железо-марганцевых конкрециях и вмещающих горизонтах лугово-бурых почв

Элемент Региональный кларк в почвах Залежь Пашня Почвы участка прилегающего к автотрассе

А1 0-19 см В1д 19-43 см В2д 43-76 см Апах 0-29 см В1 29-52 см А1 0-12 см А1В 12-26 см Вд 26-58 см

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Мп 1510 701,92 4123,61 1141,54 3014,77 1508,32 6207,44 935,61 3117,53 1083,02 7170,41 1080,95 6723,51 1141,36 6665,54 970,70 3833,71

7п 70 26,06 8,31 23,56 8,02 31,22 8,02 364,15 341,20 383,52 385,71 95,09 54,52 41,57 24,46 38,83 13,01

N1 46 27,89 100,91 44,22 220,51 41,34 119,23 37,42 152,80 43,39 204,15 116,90 278,07 54,52 189,91 40,02 163,76

Со 22 21,42 144,86 19,28 334,51 17,13 139,58 16,41 175,58 27,92 348,02 24,45 405,60 19,53 333,41 18,89 168,39

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

РЬ 32 35,36 137,45 41,90 209,74 44,14 172,31 58,97 252,40 66,33 291,18 85,58 465,21 64,79 265,80 53,62 182,47

Сг 66 62,53 140,92 61,14 130,15 58,20 94,00 103,31 144,22 145,21 273,73 75,33 299,39 56,70 175,21 45,09 165,13

Си 20 77,29 79,42 56,31 74,61 61,33 97,11 76,16 119,40 49,37 70,24 118,23 196,62 76,80 184,71 91,60 87,88

СС 0,6 0,52 0,33 0,59 0,12 0,37 0,32 1,02 0,82 0,64 0,60 1,49 1,93 0,71 0,87 0,43 0,30

Примечание. Над чертой - содержание элемента в почве; под чертой - содержание в конкрециях.

Максимальное увеличение содержания Ип и Сг отмечено в пахотных почвах. Загрязнение почвы транспортными выбросами сопровождается активным поступлением Си, Сс1 и N1. Концентрация Си выше регионального кларка в 3-7 раз, СС и N1 в 1,5-3 раза. РЬ в почвах присутствует в количестве, превышающем кларковую величину: в залежи - в 1,4 раза, в пашне - в 2, в почвах, прилегающих к автотрассе - в 3 раза. С нарастанием уровня антропогенного воздействия в ЖМК лугово-бурых почв содержание элементов также увеличивается. Превышение кларковых концентраций тяжелых металлов в ЖМК всегда выше, чем в почвах, и для отдельных элементов достигает 10 и более раз (табл. 1). В залежных почвах отмечена высокая зависимость между содержанием валовых форм Сг в почвенном мелкоземе и конкрециях, коэффициент корреляции при этом достигает 0,98. Для Ип, СС, Си установлена отрицательная корреляция. В пахотных почвах корреляционная связь между содержанием всех тяжелых металлов в почвах и конкрециях существенно возрастает и приближается к единице, что может быть принято за проявление почвенного антропогенного загрязнения. В ЖМК наиболее активно накапливаются Со, Мп, РЬ и № Менее интенсивно стягиваются в конкреции Си, Сг, не накапливаются Ип, СС (рис.).

Кх

Залежь

Кх

Пашня

Коэффициенты накопления (Кх) тяжелых металлов в железо-марганцевых конкрециях лугово-бурых почв

ЖМК лугово-бурых пахотных почв содержат до 90% почвенного Со, 60-75% Мп и N1, от 35 до 47% Си, РЬ и 16-20% Сг и СС. Такая специализация конкреций, с одной стороны, приводит к снижению высоких концентраций тяжелых металлов в почвенной среде, с другой - к дефициту элементов, необходимых для получения высококачественной растениеводческой продукции. Приоритетность в накоплении элементов конкрециями почв, расположенных возле автотрассы, остается прежней, но отличительной особенностью является аккумуляция ими СС. Показатель Кх СС в верхних горизонтах профиля увеличивается до 1,2-1,3. По сравнению с конкрециями выделенных из залежи в ЖМК почв, расположенных вдоль автотрассы, в верхней части профиля увеличивается интенсивность аккумуляции Сг (Кх = 2-4) и Со (Кх = 12-17), накопление N1 (Кх = 2-4) и Ип (Кх = 0,3-0,6) незначительно снижается.

Отрицательное влияние высокого содержания тяжелых металлов на окружающую среду определяется их подвижностью. Нарастание уровня антропогенной нагрузки, как правило, сопровождается увеличением количест-

ва кислоторастворимых соединений элементов в почвах и снижением их в ЖМК. Под влиянием агрогенного фактора наиболее существенным изменениям подвержены находящиеся в конкрециях Co, Cr, Cd. В ЖМК залежных почв доля кислоторастворимой фракции Co составляет 30-38% от валового содержания, Cr 12-25%, Cd 9-33%. В конкрециях пахотных почв диапазон варьирования кислоторастоворимых форм этих элементов сужается и уменьшается величина максимального предела. Содержание Co снижается до 18-21%, Cr до 15-18%, а Cd до 712%. Количество Pb в ЖМК пахотных почв увеличивается в два раза и достигает 16-30% от валового. ЖМК лугово-бурых почв, испытывающих воздействие дорожно-транспортных выбросов, характеризуются максимальной концентрацией кислоторастворимого Pb (до 36%) и Cu (до 21%). По сравнению с почвенной массой в ЖМК почв этого участка снижается доля кислоторастворимых форм Mn, Ni, Co, Cr, Cd.

Выделение техногенной составляющей в общем потоке микроэлементов не выявило существенного загрязнения лугово-бурых почв. Самые высокие значения коэффициента техногенности (Кт) отмечены для Pb (в почвах - 0,43; в конкрециях - 0,55) в почвах около автотрассы, и для Си (Кт = 0,47) в пахотных почвах.

Полученные результаты свидетельствуют об устойчивости лугово-бурых почв к техногенной трансформации. Вклад ЖМК в этот процесс сопровождается увеличением аккумуляции и инактивации тяжелых металлов в конкрециях с нарастанием техногенной нагрузки. Различия в возможности ЖМК фиксировать отдельные элементы указывают на их идентичные свойства в накоплении определенного набора тяжелых металлов и снижении подвижности этих элементов по сравнению с вмещающей почвенной массой. При этом проявляется способность конкреций "адаптироваться" к поступлению продуктов техногенеза и увеличивать объемы аккумуляции элементов, которые в природных условиях накапливаются в меньших количествах или вовсе не накапливаются.

Литература

1. Аристовская, Т.В. Микробиология процессов почвообразования / Т.В. Аристовская. - Л.: Наука, 1980. - 187 с.

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

3. Голов, В.И. Микроэлементный состав почв Приморья / В.И. Голов // Характеристика агроземов Приморья. - Уссурийск: Изд-во ПГСХА, 2002. - С. 76-84.

4. Дмитриев, Е.А Математическая статистика в почвоведении / ЕА Дмитриев. - М.: Изд-во МГУ, 1972. - 292 с.

5. Добровольский, Г.В. Экологические функции почв / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. - М.: Изд-во

МГУ, 1986. - 137 с.

6. Добровольский, Г.В. Экология почв / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. - М.: Наука, 2006. - 364с.

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

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

9. Кадаикий, В.Б. Распределение форм тяжелых металлов в естественных ландшафтах Беларуси / В.Б. Ка-

даикий, Л.И. Васильева, Н.И. Тановицкая, С.Е. Головатый // Экология. - 2001. - № 1. - С. 33-37.

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

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

12. Мотузова, Г.В. Вещественный состав почв - индикатор выполнения почвами экологических функций / Г.В. Мотузова // Мат-лы IV Докучаевкого общества почвоведов. - Новосибирск: Наука, 2004. - Кн. 2. - 538 с.

13. Орешкин, В.Н. Свинец в марганцовисто-железистых конкрециях различного размера из аллювиальных почв и отложений / В.Н. Орешкин, Т.И. Ульяночкина, В.С. Кузьменкова, П.Н. Балабко// Геохимия. - 2000. - № 6. - С. 680-684.

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

15. Тимофеева, Я.О. Накопление и фракционирование микроэлементов в почвенных железо-марганцевых конкрециях различного размера / Я.О. Тимофеева// Геохимия. - 2008. - № 3. - С. 293-301.

16. Тимофеева, Я.О. Железо-марганцевые конкреции как накопители тяжелых металлов в некоторых почвах Приморья / Я.О. Тимофеева, В.И. Голов// Почвоведение. - 2007. - № 12. - С. 1463-1471.

17. Latrill, C. Phisical speciation of trace metals in Fe-Mn concretions from a rendzic lithosol developed on Sinemurian limestone (France) / C. Latrill, F. Elsass, F. van Oort, L Denaix// Geoderma. - 2001. - Vol. 100. - P. 127-146.

'--------♦-----------