Микроэлементный состав зональных и интразональных почв Западной части Алейской степи

УДК 631.4

Т. А. Рождественская, А. В. Пузанов

МИНРОЭЛИИИТИЫЙ СОСТАВ ЗОВАВЬНЫХ И ИКТП301МЬНЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ АЛЕЙСКОЙ СТЕПИ

Определено валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в незагрязненных почвообразующих породах и почвах Алейской степи, выявлены ведущие факторы, обусловливающие закономерности распределения и миграции микроэлементов в почвах. Полученная информация может быть использована при мониторинге окружающей среды.

Опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является одной из основных экологических проблем современности. В условиях техногенеза токсичные соединения включаются в биогеохимические круговороты, поступают через почву, гидросферу и атмосферу в растения, корма, продукты питания, в организмы животных и человека. Изучение биогеохимиче-ского поведения приоритетных элементов-токсикантов в компонентах биосферы - одна из актуальнейших задач современной экологии, так как биогеохимическая ситуация в регионах является существенным фактором их устойчивого развития и функционирования. Для исследуемого района информация такого рода практически отсутствует. Большая часть изучаемой территории удалена от крупных промышленных центров, полиметаллических месторождений, перерабатывающих руду предприятий и отвалов отходов их производства, являющихся источниками техногенного загрязнения тяжелыми металлами и мышьяком, и может служить полигоном для определения фоновых концентраций приоритетных элементов-токсикантов в компонентах экосистем.

Цель исследований - определение фонового содержания тяжелых металлов и мышьяка в почвенном покрове Алейской степи и изучение особенностей биогео-химического поведения элементов в разнотипных почвах. Задачи исследования: выяснить уровень концентрации элементов-токсикантов в почвообразующих породах и почвах, выявить ведущие факторы, определяющие биогеохимическое поведение элементов, дать санитарногигиеническую оценку сложившейся на изучаемой территории ситуации.

Объектами исследования являются почвообразующие породы и наиболее распространенные зональные почвы Алейской степи (в пределах Угловского и Локтевского административных районов Алтайского края) - черноземы южные. В комплексе с ними встречаются интразональные - дерново-подзолистые под сосновыми ленточными борами и почвы полугидроморфного генезиса.

Восточная часть исследуемого региона представляет собой слабоволнистые и широкоувалистые предгорные равнины Западного Алтая с отдельными сопками и широкими долинами рек. Боровые ложбины древнего стока являются бугристо-грядовыми и грядово-ложбинными равнинами с озерами и болотами. Климат территории -резко континентальный, характеризуется небольшим количеством осадков - от 150-200 мм в год на западе до 300 мм на востоке. Сумма температур выше 10о за период активной вегетации изменяется от 1800° на северо-востоке до 2400° и более на юго-западе [1-2]. Коренная растительность восточной части представлена предгорным вариантом разнотравно-типчаково-ковыльной степи; песчаные террасы ложбин древнего стока заняты со-

сновыми борами [3-4].

Черноземы южные формируются в условиях засушливой степи с обедненным и разреженным типчаково-ковыльным растительным покровом на лессовидных суглинках, местами на тяжелых глинистых отложениях. В настоящее время практически все площади южных черноземов распаханы. Реакция среды профиля южных черноземов щелочная (табл. 1), содержание карбонатов достигает в отдельных разрезах 16%, гранулометрический состав суглинистый или супесчаный. Количество гумуса в верхнем горизонте не превышает 7%, резко уменьшается вниз по профилю, гумус, как правило, гу-матного состава. Следовательно, миграция вещества в профиле почв происходит в условиях щелочной реакции среды, окислительной обстановки и мощных карбонатных систем. В таких условиях миграция большинства тяжелых металлов по профилю затруднена: карбонатные горизонты выполняют функцию геохимического барьера. Тип водного режима - непромывной.

Дерново-подзолистые почвы формируются под сосновыми борами на древнеаллювиальных тонко- и среднезернистых песках ложбин древнего стока. Они составляют почвенные комплексы в структуре почвенного покрова с черноземами или каштановыми почвами. Отличительная особенность фитоценоза бора - практически полное отсутствие травяного яруса, что приводит к слабому проявлению дернового процесса и формированию весьма маломощного гумусового горизонта, где содержание гумуса менее 1% (см. табл. 1). Почвы имеют песчаный гранулометрический состав (доля илистой фракции редко превышает 3%), и даже при небольшом количестве выпадающих в степной зоне атмосферных осадков профиль дерново-подзолистых почв периодически промывается, что приводит к формированию отчетливых иллювиальных горизонтов, характеризующихся накоплением окислов железа. Реакция среды - слабокислая в верхней части профиля и близкая к нейтральной - в нижней. На исследуемой территории по понижениям рельефа формируются луговые почвы, имеющие среднесуглинистый гранулометрический состав, характеризующиеся довольно высоким содержанием гумуса, щелочной реакцией среды (см. табл. 1), что препятствует удалению микроэлементов за пределы почвенного профиля. Таким образом, разнообразие типов почвообразования, ландшафтно-геохимических условий миграции химических элементов, неоднородность почвообразующих материалов предопределили особенности накопления и миграции микроэлементов в почвах.

Свойства почв определены общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами, содержание химических элементов - методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer.

Таблица 1

Свойства почв и содержание тяжелых металлов и мышьяка_______________________________________________________

Г енетический горизонт Г лубина образца, см Гумус Ил Физическая pH водный Cd РЪ Си Zn Mn Cr Ni Со As

глина Е* мг/кг

%

Чернозем южный суглинистый на темно-бурой карбонатной глине. Разрез РСП-19

Адер к 0-6 6,8 0,0 2,2 8,1 86 0,23 31 27 88 949 70 37 14 25,12

к 10-20 3,5 15,4 41,1 8,4 29 0,18 21 27 79 837 67 35 9 15,20

АВК 22-32 2,5 21,2 45,7 8,7 37 0,14 18 26 79 744 66 38 13 14,14

вк 40-50 1,4 23,3 57,4 8,8 50 0,12 20 27 81 642 72 35 14 20,17

ВСК 60-70 - 8,3 63,4 8,0 60 0,12 21 28 83 818 76 40 13 22,35

ск 90-100 - 20,1 70,0 8,0 57 0,13 22 27 77 818 79 43 15 20,64

Дерново-подзолистая песчаная . Разрез РСП-16

А0 0-5 - - - - - 0,50 38 11 10 736 15 6 6,0 16,51

Адер 5-9 0,9 0,1 2,1 6,4 18 0,38 18 6 74 332 8 9 3,0 1,00

А!А2 9-19 0,1 0,0 1,9 6,0 13 0,11 11 7 23 242 26 9 6,5 0,09

а2в 25-35 0,0 0,0 1,3 6,8 11 0,19 11 6 19 207 9 9 7,0 1,29

В 50-60 - 0,0 3,3 6,9 13 0,08 11 8 18 171 19 8 4,0 2,71

ВС 90-100 - 1,2 1,9 7,2 11 0,09 22 7 19 233 11 12 5,0 2,30

с 130-140 - 0,0 1,8 7,3 11 0,46 15 5 15 171 19 13 2,4 4,49

Луговая суглинистая солончаковатая. Разрез РСП-7

Адер 0-7 9,8 10,6 32,1 7,5 - - 17,5 21,5 67,5 800 82,2 32,5 12,5 15,0

А 10-20 3,9 10,5 26,0 8,0 - - 15,0 26,8 69,3 775 112,4 45,0 13,3 11,5

А 22-32 3,0 15,1 31,3 8,2 - - 12,5 22,5 64,0 750 90,8 37,5 12,5 13,8

АВК 40-50 2,4 16,5 35,4 8,8 - - 17,5 21,8 62,3 675 95,2 37,5 12,5 11,5

Bi 53-63 2,1 19,4 39,5 9,0 - - 15,0 24,3 68,3 650 108,1 42,5 12,0 17,2

в2 70-89 - 20,4 33,5 9,4 - - 15,0 19,5 57,5 550 90,8 35,0 12,0 11,5

ВСК 90-100 - 18,4 39,7 9,4 - - 15,0 18,3 51,8 562 103,8 36,9 11,4 7,8

ск 125-135 - 11,5 18,3 9,7 - - 15,0 13,3 42,0 600 60,5 27,5 11,0 8,5

ПДК [5] 3 100 100 300 100 50 50 20

Е - емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы. Прочерк здесь и далее - не определяли

Результаты исследования

Выявлено, что содержание исследуемых гранулометрического состава неодинаково (табл. 2).

элементов в почвообразующих породах разного

Таблица 2

Тяжелые металлы и мышьяк в почвообразующих породах __________________________________различного гранулометрического состава (мг/кг)_____________________________

Почва, номер разреза Глубина образца, см Cd Pb Cu Zn Mn Cr Ni Co As

Песчаные отложения

Дерново-подзолистая, 90-100 0,06 9 6 16 335 34 7 5 0,71

разрез РСП-18 160-170 0,05 10 5 15 260 34 8 5 2,24

Суглинистые отложения

Чернозем южный, разрез 80-90 - 12,5 20 55 500 87 35 13 18,5

РСП-10 115-125 - 12,5 18 53 500 83 34 13 15,6

Глинистые отложения

Чернозем южный, разрез 60-70 0,12 21 28 83 818 76 40 13 22,35

РСП-19 90-100 0,13 22 27 77 818 79 43 15 20,64

Довольно большое варьирование содержаний элементов обусловлено разнообразием почвообразующих пород по гранулометрическому составу (табл. 3). Средние концентрации элементов меньше их кларков в земной коре [6] и приближаются к среднему содержанию в кислых породах, так как основой продуктов выветривания на исследуемой территории являются гранитоиды. Исключение составляет мышьяк, количество которого в почвообразующих породах на порядок превышает кларк, что связано с фосфоритоносностью горных пород Алтае-Саянской горной страны, а мышьяк геохимически близок фосфору.

Разнородность почвообразующих пород по содержанию элементов обусловливает пространственное разнообразие их накопления в почвах. В целом почвы содержат большинство элементов в количествах, близких

их содержанию в аналогичных образованиях различных регионов [7-9]. Луговые почвы и черноземы южные часто накапливают хрома выше ПДК, однако это связано, как нам представляется, скорее с несовершенством существующих нормативов, так как, по данным [8-9], незагрязненные почвы бывшего СССР содержат элемента в количестве более 250 мг/кг. Вероятно, принятая для почв ПДК Сг является заниженной и нуждается в уточнении. Почвами наследуются и повышенные количества мышьяка в почвообразующих породах (см. табл. 1).

Наиболее низкими концентрациями, за исключением свинца, характеризующегося большей приуроченностью к первичным минералам по сравнению с другими тяжелыми металлами, отличаются дерново-подзолистые почвы, имеющие песчаный гранулометрический состав (табл. 4).

Таблица 3

Статистические параметры содержания тяжелых металлов и мышьяка в почвообразующих породах

Элемент Кларк в земной коре [6], мг/кг Песчаные породы

lim X + X V,% lim X + X V,%

мг/кг мг/кг

Cd 0,13 0,05-0,09 0,06+0,01 26

Pb 16 9,0-22,0 14,0+1,8 34 12,5-17,5 13,1+0,6 13

Cu 47 3,0-7,0 5,3+0,5 24 11,8-22,3 16,5+1,2 23

Zn 83 9-19 14+1 23 37-61 49+3 18

Mn 1000 81-254 209+30 38 425-675 538+23 13

Cr 83 6,0-34,0 19,6+4,4 59 56,2-95,2 75,3+4,3 18

Ni 58 5,5-13,0 8,6+1,1 34 22,5-36,3 30,6+1,3 14

Co 18 2,4-5,9 4,5+0,5 28 11,0-13,0 11,9+0,2 6

As 1,7 0,71-4,49 2,22+0,47 56 6,5-25,2 12,37+1,85 47

Здесь и далее: n - объем выборки; lim - пределы колебания параметров; X + x" сРеДняя арифметическая и ее ошибка; V,% - коэффициент вариации

В луговых почвах, несмотря на их формирование в понижениях, накопления исследуемых элементов (в сравнении с черноземами южными) не отмечено, что еще раз указывает на ведущую роль гранулометрического состава в распределении микроэлементов.

Внутрипрофильное распределение микроэлементов в большинстве разрезов всех изучаемых почв согласуется с особенностями почвообразовательных процессов. Отмечается тенденция накопления большинства биогенных элементов в верхних горизонтах почв (см. табл. 1).

Таблица 4

Статистические параметры содержания тяжелых металлов в почвах

Почвы n lim X ± х V,%

мг/кг

Кадмий

Черноземы южные 26 0,12-0,33 0,17+0,02 29

Дерново-подзолистые 27 0,05-0,5 0,14+0,03 86

Свинец

Черноземы южные 26 12,5-31 14,9+1,0 29

Дерново-подзолистые 27 11 3,0-38,0 13,8+1,6 51

Луговые 12,5-17,5 15,0+0,6 13

Медь

Черноземы южные 26 16,0-28,0 21,9+0,7 16

Дерново-подзолистые 27 11 3,0-11,0 5,7+0,3 31

Луговые 19,5-28,3 24,3+0,9 12

Цинк

Черноземы южные 26 21,5-88,0 65,0+3,0 20

Дерново-подзолистые 27 11 10,0-74,0 21,9+2,4 58

Луговые 57,5-82,5 67,6+2,5 12

Марганец

Черноземы южные 26 475-949 682+25 18

Дерново-подзолистые 27 11 91-736 233+28 60

Луговые 500-850 697+36 17

Хром

Черноземы южные 26 66,0-112,4 86,7+2,4 14

Дерново-подзолистые 27 11 8,0-43,3 21,4+1,9 46

Луговые 86,5-112,4 98,1+2,5 8

Никель

Черноземы южные 26 30,0-41,3 36,9+0,7 10

Дерново-подзолистые 27 11 5,2-22,5 10,7+0,8 37

Луговые 30,0-45,0 36,4+1,3 12

Кобальт

Черноземы южные 26 9,0-14,5 12,9+0,2 9

Дерново-подзолистые 27 11 1,6-9,0 5,4+0,5 44

Луговые 12,0-13,3 12,7+0,2 4

Мышьяк

Черноземы южные 26 6,50-25,12 15,29+0,87 29

Дерново-подзолистые 27 11 0,09-16,51 3,11+0,62 103

Луговые 4,00-17,20 11,73+1,04 29

Выводы: ределяется соответствующими почвообразовательными

Концентрации тяжелых металлов в исследованных процессами и составом почвообразующих пород. Веду-

почвах в целом находятся на уровне кларков. Высокие щим фактором, определяющим биогеохимическое пове-

содержания мышьяка связаны с литологическими осо- дение элементов, является соотношение гранулометри-

бенностями исследуемой территории. ческих фракций.

Распределение элементов в разнотипных почвах оп-

Работа выполнена при поддержке грантов РГНФ 07-06-18019е и РФФИ 06-08-00438а.

Библиографический список

1. Агроклиматический справочник по Кулундинской группе районов Алтайского края (Бурлинский, Славгородский, Табунский, Кулундинский, Ключевской, Михайловский, Волчихинский, Угловский). - Новосибирск, 1969. - 88 с.

2. Агроклиматические ресурсы Алтайского края. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 155 с.

3. Александрова, В.Д. Растительный покров и природные кормовые угодья Алтайского края / В.Д. Александрова, Н.П. Гуричева, Л.И.

Иванина // Природное районирование Алтайского края. Т.1. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - С. 135-160.

4. Терехина, Т.А. Растительность бассейна р. Апей и ее изменение в связи с хозяйственной деятельностью / Т.А. Терехина, Т.И. Зеленцова, В.И. Кошелев // Природные ресурсы бассейна реки Алей, их охрана и рациональное использование. - Иркутск, 1980. - С. 81-90.

5. Kloke A. Richtwerte'8o. Orientirungsdaten fur tolerierbare einiger Elemente in Kulturboden / A. Kloke // Mittailungen des VDLUFA. - 1980. - H.1-3. - S.9.

6. Виноградов, А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры / А.П. Виноградов // Геохимия - 1962. - №7. - С. 555-571.

7. Ильин, В.Б. Фоновое количество тяжелых металлов в почвах юга Западной Сибири / В.Б. Ильин, А.И. Сысо, Н.Л. Байдина [и др.] //

Почвоведение. - 2003. - №5. - С.550-556.

8. Беус, A.A. Геохимия окружающей среды / A.A. Беус, Л.И. Грабовская, Н.В. Тихонова - М.: Недра, 1976. - 248 с.

9. Якушевская, И.В. Микроэлементы в ландшафтах колочной степи / И.В. Якушевская, А.Г. Мартыненко // Почвоведение. - 1972. - №4. -

С. 44-63.

Материал поступил в редакцию 9.09.07.