Динамика содержания подвижных соединений кадмия в подзолистых почвах с разной степенью антропогенной нагрузки

Аграрная наука Евро-Северо-Востока, № 1 (38), 2014 г. УДК 631.445.2:631.416.9

Динамика содержания подвижных соединений кадмия в подзолистых почвах с разной степенью антропогенной нагрузки

Елена Александровна Русских, младший научный сотрудник ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г.Киров, Россия

E-mail:edaphic@mail.ru

Исследовали почву под ельником-кисличником и ее антропогенно измененный аналог под посевами многолетних бобовых трав. Выявлены различия в содержании и распределении подвижных соединений кадмия по генетическим горизонтам почв в течение вегетационного периода. Отмечено влияние некоторых физико-химических свойств почв на подвижность кадмия.

Ключевые слова: почва, кадмий, антропогенная нагрузка, сезонная динамика

С нарастанием антропогенного воздействия возрастает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), в число которых входит и кадмий, относящийся к 1 классу опасности. Попадая различными путями в атмосферу и почву, ТМ сначала поступают в растения, а затем - в организм животных и человека [1]. Высокому риску загрязнения ТМ подвержены пахотные почвы, поскольку использование техники для обработки почвы, применение удобрений и химикатов могут способствовать накоплению в пахотных почвах ТМ [2]. С практической точки зрения особый интерес представляют наиболее доступные для растений подвижные соединения микроэлементов. В течение вегетационного периода содержание ТМ в почве может меняться и в отдельные периоды быть критическим для растений [3]. Однако исследования по содержанию и поведению кадмия в почвенном покрове не многочисленны.

Цель исследований - определение основных закономерностей изменения содержания подвижных соединений кадмия в лесной и пахотной почвах в динамике и особенностей их профильного распределения.

Материал и методы. Исследования проводили в 2009-2010 гг. Объектом служила подзолистая почва под ельником-кисличником и ее антропогенно измененный аналог под посевами многолетних бобовых трав (Кирово-Чепецкий район Кировской области). В течение вегетационного периода из трех верхних горизонтов почв (органогенные Ао - 0.. .5 см, Ап - 0.. .28 см; элювиальные А2 - 5-13 см, А2Вх - 28-46 см; иллювиальные В - 20-48 см, В2 46-81 см) отбирали пробы в пяти повторностях при помощи

почвенного бура. Почва - подзолистая, супесчаная на водно-ледниковых песчаных отложениях, подстилаемых суглинистыми отложениями. Водное питание - смешанное, режим увлажнения промывной. В весенний период вода в почвенном профиле находится на глубине 48 см, в летний период - на уровне 110 см. Содержание подвижных соединений Cd определяли в ацетатно-аммонийном буферном растворе с рН 4,8 методом атомно-абсорбционной спектрофо-тометрии. Кислоторастворимые соединения Cd - в 1 М азотной кислоте при соотношении почва:раствор 1:10 [4]. Для выявления влияния почвенных факторов на подвижность кадмия параллельно определяли: полевую влажность почвы - термостатно-весовым методом [5], обменную кислотность рНКС потенциометрически [6], содержание общего углерода гумусовых соединений (Собщ) по методу Тюрина [5], содержание лабильного углерода гумуса (Слаб) в 0,1 М нейтральной пирофосфатной вытяжке с рН 7,0 при соотношении почва : раствор 1:2, по методике Почвенного института им. В.В. Докучаева (по К.В. Дьяконовой) [5]. Статистическая обработка полученных результатов проведена методами дисперсионного и корреляционного анализов с использованием пакета программ AGROS.

Результаты и их обсуждение. Содержание валового кадмия в подзолистых и дерново-подзолистых почвах 0,70.. .2,31 мг/кг [7]. Доля легкоподвижного кадмия от валового около 10% [8]. Содержание кислотораствори-мых соединений кадмия (КРСК) в исследуемых почвах значительно ниже представленных данных и в лесной подзолистой почве колеблется в пределах от <0,0001 до 0,153 мг/кг;

в пахотной дерново-подзолистой почве - от <0,0001 до 0,082 мг/кг в зависимости от горизонта и срока отбора проб. В целом количество подвижных соединений кадмия не превышает 0,041 мг/кг. Ориентировочно-допустимая концентрация (ОДК) кадмия для песчаных и супесчаных почв - 0,5 мг/кг [9].

Таким образом, содержание как подвижных, так и КРСК в исследуемых почвах небольшое и находится в допустимых пределах.

В лесной подзолистой почве содержание подвижных соединений кадмия колеблется в пределах от 0,002 до 0,047 мг/кг (рис. 1).

мг/кг 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

ю о

I Ао

°Л2

ю о со сч

ю о

о

со

со о

со о

со о

со о

о

СЧ

со о

СЧ

о

о

со о

о

со о

СЧ (Ч

ст> о 10 о

ст> о

дата

(Ч

о

со

Рис. 1. Динамика содержания подвижных соединений кадмия в генетических горизонтах

лесной подзолистой почвы

Наибольшее количество подвижных соединений кадмия наблюдается в лесной подстилке и колеблется в пределах от 0,002 до 0,041 мг/кг, что составляет в среднем 9,5% от содержания КРСК (табл.). Лесная подстилка имеет достаточно высокую кислотность (рН = 3,5), а в кислой среде подвижность ТМ увеличивается.

Также лесная подстилка обогащена органическим веществом, с которым кадмий образует органо-минеральные комплексы и очень подвижен [2]. В данном горизонте выявлены достоверные корреляционные связи содержания подвижных соединений кадмия с содержанием общего углерода гумуса

(г = 0,77) и влажностью почвы (г = 0,67). Кадмий обладает наименьшей способностью связываться с почвой и с током почвенной влаги мигрирует вниз по профилю. С глубиной содержание подвижных соединений элемента увеличивается. В элювиальном горизонте содержание лабильных соединений кадмия находится в пределах от 0,002 до 0,031 мг/кг. Кислотность элювиального горизонта также высокая (рНКс1 = 2,94-3,50), следовательно, кадмий представлен в большей степени именно в подвижной форме. Так, его количество от КРСК в некоторые периоды вегетации достигает 100%.

Таблица

Содержание подвижных соединений кадмия от содержания КРСК в лесной подзолистой и пахотной дерново-подзолистой почвах, %

Горизонт Лесная подзолистая почва Горизонт Пахотная дерново-подзолистая почва

Ао 1,3-16,9 Ап 2,6-81,3

А2 8,5-100,0 А2В 0,9-30,0

В 10,0-96,9 В2 1,6-70,6

В

Иллювиальный горизонт содержит подвижные соединения кадмия в количестве от 0,003 до 0,046 мг/кг. Кислотность иллювиального горизонта ниже (рНка = 4,02), следовательно, подвижность кадмия уменьшается, и он большей частью накапливается именно в этом горизонте.

В элювиальном и иллювиальном горизонтах наибольшее влияние на содержание лабильных соединений кадмия оказывает содержание лабильных соединений железа (56%). Такую зависимость отмечают и другие исследователи [10].

2010 год был засушливым, что отразилось и на содержании лабильных соединений кадмия (содержание снизилось более чем в два раза). В течение вегетационного периода содержание подвижных соединений элемента в генетических горизонтах также меняется. В целом наблюдается общая тенденция повышения содержания подвижных соединений кадмия в начале весны и летом, что может быть связано с

переувлажнением почвы и минерализацией органической массы. При этом содержание лабильных соединений кадмия в течение всего вегетационного периода 2009 года снижается, в 2010 году - увеличивается. Это обусловлено, прежде всего, погодно-климатическими условиями года. Высокая температура воздуха и отсутствие обильных осадков в данный период способствовали просыханию почвы и тем самым снижению подвижных соединений кадмия в ней. Непосредственную роль в снижении количества доступных соединений кадмия играет и вовлечение элемента в биологический круговорот за счет активного развития растений и почвенной биоты.

В пахотной дерново-подзолистой почве содержание подвижных соединений кадмия в целом небольшое. Антропогенная деятельность повлияла и на распределение элемента по профилю. Максимальное содержание кадмия наблюдается в пахотном горизонте (не более 0,037 мг/кг) (рис. 2).

мг/кг

] Ап

А2В

В2

0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 -0,005 -

0 4

ю о

ю о со см

ю о о со

со о со о

со о

со о о см

со о

см

о

о см

оо оо о о см

о см

СП

о ю о

СП о

О т-

00 см

т- О

о со

дата

Рис 2. Динамика содержания подвижных соединений кадмия в генетических горизонтах пахотной

дерново-подзолистой почвы

Вниз по профилю содержание доступного кадмия снижается. Пахотные почвы сильнее аэрированы, в них более высокий окислительно-восстановительный потенциал,

кислотность менее выражена (рИКс1 = 5,3) и, следовательно, кадмий связан в более окисленных и малоподвижных соединениях, чем в лесной подзолистой почве. Также на поле

часть кадмия отчуждается с продукцией, таким образом происходит его вынос из почвенного слоя. В пахотном горизонте содержание подвижных соединений кадмия колеблется в широких пределах от 0,001 до 0,037 мг/кг. Его содержание в данном горизонте на 32,5-40% обусловлено влажностью почвы. В периоды весеннего промачивания почвы талыми вода-

ми и обильных дождей осенью подвижные соединения кадмия с нисходящим током воды уходят в нижележащие горизонты и даже за пределы почвенного профиля.

Элювиальный горизонт характеризуется содержанием лабильных соединений кадмия в пределах от 0,001 до 0,015 мг/кг, что составляет не более 30% в КРСК. Иллювиальный горизонт содержит не более 0,0120 мг/кг доступного кадмия. В минеральных горизонтах большая часть подвижных соединений металла закрепляется оксидами и гидроксидами железа и марганца [3]. Нами выявлена корреляционная связь содержания подвижных соединений кадмия и содержания подвижных соединений железа (г = 0,70). Непосредственное влияние оказывает и кислотность почвы (58%).

В 2010 году в пахотной почве содержание подвижных соединений кадмия снизилось в 4-5 раз, в иллювиальном горизонте содержание подвижных соединений кадмия обнаружено лишь в следовых количествах.

В пахотной почве в целом наблюдается общая тенденция повышения содержания подвижных соединений кадмия в начале весны и летом, в период максимального промачивания почвы. При этом содержание подвижных соединений кадмия достигает 81,3% от КРСК. В течение всего вегетационного периода содержание подвижных соединений кадмия в 2009 г. снизилось, а в 2010 г. - увеличилось.

Выводы. 1. Содержание подвижных соединений кадмия в исследуемых почвах незначительно (от 0,0013 до 0,0408 мг/кг). 2. Вовлечение земель в сельскохозяйственное использование приводит к изменению профильного распределения подвижных соединений кадмия. Так, в лесной подзолистой почве вниз по профилю содержание подвижных соединений кадмия увеличивается, в пахотной - снижается. 3. Содержание подвижных соединений кадмия может, в зависимости от погодно-климатических условий, многократно варьировать по годам (в лесной подзолистой почве

в 2 раза, в пахотной дерново-подзолистой в 4-5 раз); в течение вегетационного периода наблюдается значительная динамика содержания подвижных соединений кадмия. Их максимальные значения приходятся на весну - начало лето, а также осень.

4. Степень влияния содержания общего углерода гумуса на подвижность Cd в органогенных горизонтах составляет 59%, влажности почвы - 32,5...45%. В элювиальных и иллювиальных горизонтах наибольшее влияние оказывают кислотность (58%) и содержание подвижных соединений железа (49-56%).

Список литературы

1. Ермохин Ю.И., Синдирева А.В. Основные критерии агроэкологической оценки действия микроэлементов в системе почва-растение-животное // Проблемы агрохимии и экологии. 2008. №3. С. 19-22.

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агро-ландшафте. СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.

3. Лаврентьева Г.В., Круглов С.В., Анисимов В.С. Динамика катионного состава почвенного раствора известкованной дерново-подзолистой почвы при загрязнении ^ и Cd и изменении pH // Почвоведение. 2008. № 9. С. 1092-1100.

4. Практикум по почвоведению. Под ред. И.С. Кауричева. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1980. 272 с.

5. ГОСТ 26485-85 «Почвы. Определение обменного (подвижного) алюминия по методу ЦИНАО».

6. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 488 с.

7. Орлов Д.С. Химия почв. М., 1985. 376 с.

8. Обухов А.И., Лурье Е.М. Закономерности распределения тяжелых металлов в почвах дерново-подзолистой подзоны // Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах. М., 1983. 324 с.

9. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг) (Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91): Гигиенические нормативы. М.: Информационно-издательский центр Госкомэпиднадзора России, 1994. 8 с.

10. Тимофеева Я.О. Специфика фиксации тяжелых металлов в почвах юга Дальнего Востока // Почвы - национальное достояние России: Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов: в 2-х кн. Новосибирск: Наука - центр, 2004. кн.1. 720 с.

Dynamics of content of mobile cd in podzol soils having different levels of anthropogenic loading

Russkikh E.

Soil under wood sorrel spruce forest and its anthropogenic changed analogue under crops of long-term bean grasses were investigated. Distinctions in the maintenance and distribution of mobile complexes of cadmium on genetic horizons of soils, and during the vegetative period are revealed. Influence of some physical and chemical properties of soils on mobility of cadmium is noted.

Key words: soil, cadmium, anthropogenic impact, seasonal dynamics