Некоторые особенности распределения тяжелых металлов в гранулометрических фракциях и подфракциях дробной пептизации в серых суглинистых почвах Владимирского ополья

свойства почв и их продуктивность

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЯХ И ПОД-ФРАКЦИЯХ ДРОБНОЙ ПЕПТИЗАЦИИ В СЕРЫХ СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ

П.Н. Балабко, Д.В. Карпова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Н.П. Чижикова

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Серые лесные почвы Владимирского Ополья прошли длительную и сложную эволюцию, подтверждающуюся наличием реликтовых признаков и связанную с эволюцией рельефа и почвообразующих пород в плейстоцене. Почвенный покров характеризуется палеокриогенной комплексностью, связанной с микрорельефом и представленной следующими компонентами: почвами со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ) в микропонижениях, остаточно-карбонатными почвами микроповышений и по-верхностно-оглеенными почвами глубоких западин.

По мнению Е.А. Дмитриева (2000), роль микрорельефа в формировании почв с ВГГ преувеличена и в почвенном покрове серых лесных почв Владимирского ополья отсутствует отчетливая приуроченность серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом к отрицательным элементам микрорельефа - гумусово-аккумулятивный горизонт в почвенном покрове формировался как единое целое с весьма изменчивой мощностью, причем микрорельеф, если и играл какую-то роль в дифференциации почвенного покрова, то существенно меньшую, чем это принято считать и перемещение твердофазного материала вдоль земной поверхности и связанное с ним изменение микрорельефа не влияло на направленность и выраженность отдельных процессов почвообразования в пространстве почвенного покрова. Второй гумусовый горизонт, нередко выделяемый в этих почвах, представляет нижнюю, не затронутую вспашкой часть перегнойно-аккумулятивной толщи, когда мощность гумусного слоя превышает глубину вспашки.

Нами были проанализированы серые лесные почвы: целинная (разрез 17) и пахотные (р. 23, 24 и 27). По-

следние сформированы на различных элементах микрорельефа (р. 23 - микропонижение, 24 и 27 - микропо-вышния). Разрезы 17 и 27 находятся на территории землепользования Владимирского НИИСХ, а разрезы 23 и 24 на территории Юрьев-Польского госсортучастка. Почвообразующая порода - лессовидный покровный суглинок.

Гранулометрический состав определяли по методу

Н.И. Горбунова (1960), анализ подфракций дробной пептизации - по Горбунову (1978), минералогический состав - рентгендифрактометрическим методом с использованием ориентированых препаратов. Соотношение основных минеральных фаз определяли по методу Бискайя (ЫБкауе, 1964). В выделенных фракциях содержание гумуса определено методом Тюрина со спектрометрическим окончанием и ряд тяжелых металлов (РЬ, 2п, Си, N1, Со, Сг, Мп, Бе) - рентгенфлюоресцентным методом при помощи спектрального анализатора «8рес-йоБсап».

Исследуемые почвы обладают низкой пептизируемо-стью почвенной массы - всего 0,8-1,72 % от общей массы почвы (табл. 1). В этом отношении они занимают промежуточное положение между пептизируемостью почвенного материала дерново-подзолистых почв на покровных лессовидных суглинках и черноземами на лессовидных суглинках разной степени карбонатности (Чижикова, 1991).

Минералогический состав водно-пептизированного ила (ВПИ) представлен в основном обломочными формами кварца микронной размерности, слоистыми силикатами с сильно дифференцированной структурой и

1. Содержание гранулометрических фракций и подфракций дробной пептизации, %

Генетические горизонты Глубина взятия образца, см ВПИ АИ Фракции, мкм

1-5 5-10 >10

Серая типичная среднесуглинистая

АУ 2-17 1,14 6,34 9,43 8,42 70,29

АЕ [ЬЬ] 17-26 1,25 18,69 11,25 9,66 53,19

ВТ 26-39 1,72 22,88 12,23 9,39 47,67

Агросерая со вторым гумусовым горизонтом ВГГ

РУ 0-20 1,05 13,46 15,02 10,53 53,26

АЕЬ 20-40 1,41 19,63 11,96 10,27 55,17

Агросерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

РУ 0-20 1,57 12,63 13,31 10,44 52,84

АЕЬ 20-40 1,44 15,07 17,07 11,60 49,14

Аг росерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

РУ 0-20 0,81 16,06 11,76 10,35 51,27

АЕЬ 20-40 1,05 17,37 11,62 9,20 54,73

2. Гумус фракций серой лесной почвы, %

Генетические Глубина взятия ВПИ АИ Фракции, мм

горизонты образца, см 0,00і-0,005 0,005-0,0 і >0,0 і

Серая типичная среднесуглинистая

АY 2-і7 і0,99 7,34 6,07 6,4. 3,86

AE[hh] і 7-26 6,74 3,55 3,72 2,44 0,87

BT 26-39 3,6і 2,02 2,76 і,64 і,38

Агросерая со вторым гумусовым горизонтом ВГГ

PY 0-20 8,55 5,08 5,7 і 5,і4 і,46

AEL 20-40 7,38 5, і і 5,07 3,57 0,73

Агросерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

PY 0-20 7,і5 4,36 4,65 5,03 2,і5

AEL 20-40 6,70 3,23 3,і6 3,35 і,64

Агросерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

PY 0-20 і3,7 8,94 3,37 6,85 2,33

AEL 27 (20-40) 8,88 7,і7 7,3 і 5,32 і,53

рентгено аморфными компонентами, включая органическое вещество. Количество последнего в целинной почве составляет 11% (табл. 2), которое постепенно снижается до 3,6 % в горизонте ВТ. Доля органического вещества с учетом количества ВПИ в почве невелика. Агрегированная категория илов микронной размерности составляет 6,3-22,9% от суммы подфракций и фракций более крупных размерностей (см. табл. 1).

Наименьшее количество этой категории илов отмечается в верхних горизонтах, книзу количество АИ - 1 составляет 6,3 от суммы фракций почвы, в черноземе ВТ ее количество увеличилось до 22,9 %. Распашка почв привела к усреднению содержания этой категории илов (12,6-16,0%) в пахотных горизонтах исследуемых почв и вследствие этого меньшей дифференциации ила в пределах пахотного и подпахотного горизонтов.

Минералогический состав АИ - 1 представлен ассоциацией минералов, характерных для покровных лессовидных суглинков. Преобладают два основных компонента гидрослюды дитриоктаэдрического типа 43-66 % от фракций или 4-14 % от почвы в целом, и смешаннослойные образования слюдасмектитового типа как с низким содержанием слюда-смектитовых пакетов, так и с высоким их содержанием. В сумме она составляет - 2139%, что составляет 1-7% от всей почвенной массы. Сопутствующими минералами является тонкодисперсный кварц. Профиль глинистого материала носит явный эл-лювиальный характер. Минимальное количество илистой фракции, а в ней смектитовой фазы мы отмечаем в верхней части профиля. Наиболее резкую дифференциацию по смектитовой компоненте мы отмечаем в целинной почве: 1,4-1,6 % в горизонтах ЛУ и ВТ соответственно. В пахотных горизонтах повсеместно отмечаются более высокие количества гидрослюд. Важным показателем состояния илистого вещества почв является отношение кварца к слоистым силикатам. Наиболее высокие показатели по этому признаку отмечаются в горизонте ЛУ целинной почвы, наименьшие значения - в агросерой.

Минералогический состав фракции 1-5 мкм существенно отличается по содержанию и соотношению минералов как слоистых, так и кластогенных от рассмотренных ранее состава компонентов фракций менее 1 мм. Значительно возросло количество тонко-пылеватого кварца, появились полевые шпаты. Среди слоистых силикатов возросла роль минералов: гидрослюд хлоритов, каолинита,

значительно снизилось содержание смешанослойных образований слюда-смектитового типа. Указанная закономерность отмечается во всех исследуемых образцах. В пределах анализируемых частей профилей можно отметить более высокое содержание кварца в верхних горизонтах как целинной почвы (р. 17), где в образце 2-17 см содержание тонкодисперсного кварца выше, чем в нижележащих горизонтах, так и при сравнении пахотного-подпахотного горизонтов используемых почв (разрез 23 и 24).

Тяжелые металлы (ТМ) в почвах естественного происхождения преимущественно находятся в составе соединений, прочно связанных с минеральной основой почв. В загрязненных почвах, напротив, преобладают непрочносвязанные соединения техногенного происхождения, их экстрагируемые формы. Это обусловлено, главным образом, поглотительной способностью глинистых минералов. Глинистые минералы удерживают загрязняющие вещества в результате обменного и фиксирующего поглощения. Способность к обменному поглощению ТМ глинистые минералы приобретают вследствие гетеровалентного изоморфного замещения в кремнекислородных тетраэдрах и алюмогидроксильных октаэдрах тонкодисперсных алюмосиликатов, наличия некомпенсированных зарядов в дефектных пустотах их кристаллов и ненасыщенных валентностей на поверхностях, углах и гранях кристаллов. При фиксации ионы ТМ предположительно могут удерживаться в межпакет-ных промежутках минералов. Обладая максимальной удельной поверхностью монтмориллонит поглощает ТМ больше (в массовых долях), чем каолинит, но удерживает их менее прочно. Поглощение каждой единицей поверхности минерала определяется особенностями как минерала, так и поглощаемого элемента. По способности поглощаться на поверхности минералов металлы образуют убывающий ряд: Са, РЬ, С4 2п, Си. Предполагается, что металлы с координационным числом 6 (Мп, Сг, 2п, N1, Си, Со) активнее поглощаются глинистыми минералами, так как они способны изоморфно заместить октаэдрические позиции в минералах.

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов характеризуется значениями рН и окислительновосстановительного потенциала БИ среды миграции. В условиях низких значений рН значительно возрастают растворимость и миграционная способность металлов. Такие катионы, как Со3+, Сг3+, В3+, 8п2+, ТИ4+, гп4+, 8Ь3+,

3. Процентное содержание гумуса фракций относительно почвы, %

Генетические горизонты Глубина взятия образца, см ВПИ АИ Фракции, мкм

1-5 5-10 >10

Серая типичная среднесуглинистая

АУ 2 - 17 0,1252 0,46 0,57 0,54 2,71

АЕ[ЬЬ] 17 - 26 0,084 0,66 0,41 0,23 0,46

ВТ 26 - 39 0,062 0,46 0,33 0,15 0,65

Агросерая со вторым гумусовым горизонтом ВГГ

РУ 0 - 20 0,0897 0,68 0,85 0,54 0,77

АЕЬ 20 - 40 0,104 1,00 0,60 0,36 0,40

Агросерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

РУ 0 - 20 0,112 0,55 0,61 0,52 1,13

АЕЬ 20 - 40 0,105 0,48 0,53 0,38 0,80

Агросерая остаточно-карбонатная среднесуглинистая

РУ 0 - 20 0,111 1,43 0,39 0,70 1,19

АЕЬ 20 - 40 0,092 1,24 0,84 0,48 0,83

Бе3+, могут мигрировать только в кислых растворах и легко осаждаются при повышении рН (Орлов, Садовни-кова, Лозановская, 2002).

Определение гумуса в составе фракций разных размерностей позволяет заметить, что он распределен неравномерно. Максимум в содержании гумуса водно-пептизированного ила приходится на верхние горизонты средне-окультуренной и целинной почвы (табл. 2). В серой лесной почве гумус достаточно равномерно распределен по фракциям, хотя, если смотреть процентное содержание гумуса фракций, то нужно отметить, что наибольшее количество гумуса зафиксировано в подфракции воднопептизированного ила, выделенного из верхнего горизонта целинной серой лесной почвы (11%). Однако, учитывая тот факт, что количество этой подфракции составляет всего 1-1,5 %, пересчеты показали, что его содержание в почве составляет всего 0,12 % (табл. 3).

В почве со вторым гумусовым горизонтом содержание гумуса в подпахотном горизонте выше как во фракции водно-пептизированного, так и агрегированного илов.

Впервые установлено распределение ТМ по под-фракциям, различающихся степенью подвижности -агрегированности размерностью менее 1 мкм.

В какой-то мере эти материалы подтверждают вывод Г.В. Мотузовой (2000) о том, что металлы в почвах естественного происхождения преимущественно находятся в составе соединений, прочно связанных с минеральной основой почв. В загрязненных почвах, напротив, преобладают непрочносвязанные соединения техногенного происхождения, их экстрагируемые формы. Концентрация многих металлов в составе тонкодисперсных фракций почв как природных, так и техногенных ландшафтов, как правило, в 2-4 раза выше, чем почвы в целом.

По данным Н. Л. Байдиной (2001), концентрация ТМ в мелкодисперсных фракциях, в иле, мелкой и средней пыли - выше, чем в крупной пыли и песке. В илистой фракции (<0,001 мм), фракциях мелкой пыли (0,001-

0,005 мм) и средней пыли (0,005-0,001 мм), которые составляют от 34 до 45% от общего количества всех фракций, содержится до 40% всего количества ТМ в почве. Эти фракции являются наиболее опасными, так как оседают в бронхах и альвеолах легких и относятся, по мнению Уэста к опасной респирабельной фракции.

Насыщенность мелкодисперсных фракций ТМ, как правило, убывала в ряду: ил > мелкая пыль > средняя пыль. По нашим данным эта закономерность подтверждается, а распределение ТМ по подфракциям, различающимся по степени подвижности - агрегированности размерностью менее 1 мкм, осуществляется следующим образом:

такие техногенные элементы, как РЬ, Си, Мп, 2п в большей мере сосредоточены во фракции ВПИ, что свидетельствует об их подвижности и способности перемещаться без связи с минеральной компонентой почв;

такие элементы, как Бе, Сг, N1, Со тесно связаны с поведением слоистых силикатов, обладающих большей поглотительной способностью и фиксировать ряд элементов.

В качестве примера содержания изучаемых элементов во фракциях в работе представлен горизонт А1 целинного разреза N 17.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Содержание свинца максимально в водно-пептизированном иле (в агрегированном иле и фракции мелкой пыли свинец не обнаружен). В очень незначительных количествах свинец содержится во фракциях крупной пыли и немного больших количествах в остатке почвы.

2. Медь присутствует только в водно-пептизируемом иле и фракции крупной пыли (в агрегированном иле она присутствует только в горизонте целинной почвы, а во фракции мелкой пыли - в горизонте целины и подпахотном горизонте высоко-окультуренной серой лесной почвы на возвышении).

3. Марганец равномерно представлен по всем фракциям, кроме остатка почвы, здесь его значительно меньше, чем в остальных фракциях.

4. Содержание цинка зависит от фракции: чем крупнее почвенная фракция, тем меньшее количество его в ней содержится (максимум приходится на водно-пептизируемый ил, а минимум - на остаток почвы);

5. Наибольшая фиксация таких металлов, как Со, Щ, Сг, Же установлена для глинистых минералов в АИ-1.

6. Привнесенные извне ТМ содержатся, в основном, в наиболее подвижной и мелкодисперсной части почвы, а именно, в составе ВПИ.