Закономерности пространственного и внутри-профильного распределения микроэлементов (ванадия и никеля) в почвах бассейна реки катунь

БИОЛОГИЯ

Раздел

ЭКОЛОГИЯ

закономерности пространственного и внутри-профильного распределения микроэлементов (ванадия и никеля) в

В настоящее время имеется значительное количество сведений о содержании микроэлементов в почвах различных регионов России и мира. Однако этот вопрос для Алтая изучен недостаточно. В связи с этим было проведено изучение валового содержания ванадия и никеля в почвообразующих породах и основных типах почв, формирующихся на территории региона. Объектами исследований были почвообразующие породы и почвы в системе высотной поясности Алтая.

В задачи исследований входило изучение уровня содержания и особенностей распределения микроэлементов в материнских породах в зависимости от их петрографического и гранулометрического состава и генетической принадлежности, а также выявление закономерностей внутрипрофильного и пространственного распределения ванадия и никеля в почвах различных типов. Изучено также влияние физико-химических свойств почв на распределение элементов.

Исследуемая территория охватывает бассейн р. Катунь. Ее рельеф - горный, расчлененный. В морфологическом отношении в бассейне Катуни выделяют низкогорье, среднегорье и высокогорье. От предгорных равнин до высокогорных областей резко меняются условия почвообразования (климат, рельеф, почвообразующие породы), что предопределяет зональные особенности и определенную последовательность высотных почвенных поясов с ярко выраженными типами почв и характерными физическими, химическими и биогеохимическими признаками.

Для Алтая свойственно наличие трех почвенных поясов: горно-тундровых, горнолуговых, горно-лугово-степных почв высокогорий; горно-лесных почв высокогорий, среднегорий и низкогорий; лесостепных почв низкогорий. Кроме этих поясов, выделяются межгорные районы степных почв высокогорных, среднегорных и низкогорных котловин и речных долин.

Почвенные пояса Алтая, обусловленные особенностями рельефа, геологическим строением и условиями климата, имеют разную структуру. Все эти факторы в известной степени влияют на характер распределения и миграцию элементов в почвах. Учитывая эти особенности, были проведены исследования почв различных элементов рельефа: надпойменных террас, макросклонов, предгорий.

При выполнении полевых работ использовали сравнительно-географический и сравнительно-генетический методы [1]. Пробы почв отбирали по генетическим горизонтам. Почвенные разрезы закладывали в системе геохимически сопряженных ландшафтов. Физико-химические свойства почв определяли общепринятыми в почвоведении методами. Содержание микроэлементов в породах и почвах определяли методом количественного плазменно-

почвах бассейна реки катунь

И.А. Архипов

Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул

спектрального анализа в ИПА СО РАН. Для характеристики геохимии отдельных типов ландшафтов и выявления особенностей распределения в них микроэлементов был подсчитан ряд геохимических показателей и коэффициентов; элювиально-аккумулятивный, местной миграции и региональный фон микроэлементов.

Микроэлементы в почвообразующих породах. Отложения, на которых формируется почвенный покров Горного Алтая, весьма неоднородны по своему происхождению, минералогии и химическому составу. В качестве почвообразующих пород здесь представлены остаточные и аккумулятивные коры выветривания четвертичного возраста таких пород, как хлоритовые и хлоритово-серицитовые сланцы, кварцево-хлоритовые сланцы, алевролитовые и кремнисто-глинистые сланцы, песчаники, кристаллические известняки и кварциты [2-3]. Полученные данные показали, что по валовому содержанию элементов почвообразующие породы Алтая располагаются в следующем убывающем ряду: глины, суглинки, щебнистые и галечниковые отложения, песчаные отложения.

Микроэлементы в почвах. В почвенном покрове Алтая валовое содержание элементов варьирует в широких пределах, что обусловлено разнообразием природных ландшафтов, неоднородностью физико-химических свойств и гранулометрического состава материнских пород и сформированных на них почв. Значительные различия по уровню содержания микроэлементов наблюдаются в почвах различных типов (и даже одного типа), занимающих различное положение в системе высотной поясности (табл. 1-2).

Биогеохимический пояс высокогорных тундр и альпийских лугов. Биогеохимический пояс высокогорных тундр и альпийских лугов характеризуется в основном низким и средним валовым содержанием микроэлементов.

Таблица 1

Содержание микроэлементов в почвах биогеохимических поясов Алтая, мг/кг

Почвы Никель Ванадий

п Нш среднее Нш Среднее

Горно-тундровые 10 49-64 55,3 102-226 157,6

Горно-луговые 79 43-91 65,7 55-150 82,3

Горно-лесные дерново-глубокоподзолистые 55 52-88 75,4 60-180 101,6

Горно-лесные серые 44 47-91 72,6 70-180 127,5

Горно-лесные черноземовидные 34 36-85 65,3 70-267 102,6

Горно-лесные бурые 56 30-60 42 75-220 129,02

Господствующие здесь гидротермические условия не способствуют быстрой минерализации мертвого органического вещества и переходу элементов в подвижное состояние. Поступление микроэлементов в почвенные растворы незначительно, гидрогенная миграция поддерживается лишь элементами, подвижными в кислой среде. В данных конкретных условиях ванадий мигрирует в водных растворах в форме иона V+4, чему способствует общая восстановительная обстановка миграции [4].

Биогеохимический горно-лесной пояс. У верхней границы леса широко распространены горно-лесные бурые почвы, в нижней части пояса преобладают горнолесные серые щебнистые почвы и своеобразные горно-лесные черноземовидные. Самая нижняя часть пояса представлена дерново-глубокоподзолистыми почвами [5]. В поведении элементов в горно-лесном биогеохимическом поясе общим является интенсивность поглощения, круговорот их в системе «почва-растение» связан с деятельностью древесной растительности.

Природные условия способствуют интенсивному круговороту элементов. Пышная древесно-кустарниковая растительность способна поглощать микроэлементы в большом количестве. Кислая реакция среды и обилие осадков способствуют выносу микроэлементов как вниз по профилю, так и с внутрипочвенным боковым стоком в пониженные элементы рельефа, ручьи и реки. Благодаря высокому снежному покрову почвы не промерзают и процесс миграции микроэлементов (хотя и замедленно) идет и зимой. Наиболее распространенные почвы у верхней границы леса - горно-лесные бурые, ниже их - горно-

лесные торфянистые неоподзоленные и оподзоленные. Благодаря кислой реакции почвенной среды, микроэлементы приобретают высокую подвижность.

Хорошая дренированность и увлажненность почв, большая крутизна склонов способствуют перемещению микроэлементов с внутрипочвенным боковым стоком, но только в летние месяцы.

Таблица 2

Содержание никеля и ванадия в черноземах пояса степных и сухостепных межгорных котловин и

речных доли, мг/кг

Почвы п Никель Ванадий

Нш среднее Нш Среднее

В черноземах

А 69 25-60 45,5 80-239 133

АВК 27 40-70 54,2 75-175 126

Вк 39 35-60 48,8 60-191 107

ВоСк 22 40-50 45,0 78-200 132

Ск 32 45-70 53,1 60-273 115

В каштановых почвах

А 13 30-152 64,5 60-120 80,4

Вк 12 20-201 59,4 60-150 80,7

ВСк 7 23-90 56,3 60-90 74,3

Ск 18 20-123 54,8 55-90 75,2

Пояс степных и сухостепных межгорных котловин и речных долин. Почвенный покров среднегорных котловин Центрального Алтая и низкогорных котловин и речных долин Северо-Западной части Алтая представлен почвами черноземного типа [3]. Степная растительность и почвы степного ряда почвообразования предопределили характер поведения элемента в ландшафте. Природная обстановка (незначительное количество осадков, нейтральная среда почвенного раствора, наличие карбонатного горизонта в профиле) не способствуют выносу элементов как вниз по профилю почвы, так и за пределы пояса. Водная миграция элементов вследствие сухости климата котловин и выравненности их поверхностей практически исключена.

Каштановые почвы составляют основу почвенного покрова межгорных котловин Юго-Восточного Алтая [2]. Суровый климат, бедная растительность, низкий уровень осадков и обилие карбонатов приводят к формированию мощных (даже сцементированных) карбонатных горизонтов, являющихся одним из геохимических барьеров для микроэлемента. В условиях щелочных почв сухих степей, где господствует ультраокислительная обстановка миграции, ванадий находится в форме иона V+5.

Миграция и аккумуляция микроэлементов на равнинах и возвышенностях аридных районов происходит в локальных ландшафтно-геохимических системах, где областями сноса являются местные водораздельные пространства (автономные ландшафты), а областями аккумуляции - заболоченные западины, долины мелких рек (подчиненные ландшафты). В качестве объектов для изучения латеральной миграции микроэлементов выбраны монолитные катены.

Для этого был вычислен коэффициент местной миграции по [6]. Для никеля он составил 1,1, для ванадия - 1,5. Это свидетельствует о накоплении в подчиненных ландшафтах сухостепной зоны элементов анионогенов. В общем виде миграцию и аккумуляцию элементов в сухостепных ландшафтах можно представить следующим образом. В автономных ландшафтах начинается латеральная миграция анионогенных элементов в подчиненные ландшафты, элювиально-аккумулятивные ландшафты с солончаками представляют собой зону дальнейшей мобилизации микроэлементов. Никель слабоподвижен в сухостепных ландшафтах, которые более благоприятны для миграции анионогенных элементов. По степени влияния физико-химических свойств почв на уровень

концентрации микроэлементов составлен убывающий ряд: физическая глина > ил > емкость поглощения > СаС03 > рН > гумус (табл. 3).

Таблица 3

Корреляционная зависимость между содержанием микроэлементов и физико-химическими

свойствами почв Алтая

Физико-химические свойства почв Ванадий Никель

Ил 0,65 0,37

Физическая глина 0,82 0,40

рН водный 0,31 0,16

Емкость поглощения, мг/экв на 100 г почвы 0,58 0,22

Гумус 0,27 0,2

Никель в растениях. Никель легко извлекается растениями из почвы. Нормальное его содержание в злаковых - 0,1-1,7, в бобовых - 1,2-2,7 мг/кг сухого вещества [7-9]. При техногенном загрязнении почв в пищевой цепи может появиться опасная для здоровья животных и человека концентрация. Его природный недостаток или избыток, способный оказать токсическое воздействие, в почвах Алтая не выявлен (табл. 4).

Таблица 4

Никель в растениях и гумусовых горизонтах почв Алтая

Вид растения

Ni, мг/кг

р*

П*

Чернозем обыкновенный, разрез 15а Астра алтайская (Aster altaicum) Астрагал холодный (Astragalus frigidus) Полынь тархун (Artemisia Dracunculus) Вероника колосистая (Veronica spicata) Эспарцет песчаный (Onobrychus arenaria) Полынь туполопастная (Artemisia) Подмареник северный (Galium boreale) Полынь чернобыльник (Artemisia) Лапчатка многонадрезанная (Potentulla multifida) Чернозем южный, разрез 16а Полынь холодная (Artemisia frigida) Подмареник настоящий (Galium verum) Лапчатка бесстебельная (Potentulla acaulus) Тимьян алтайский (Thymus altaicus) Каштановая почва, разрез 17а Полынь холодная (Artemisia frigida) Панцерия шерстистая (Panzeria lanata) Каштановая почва, разрез 24а Панцерия шерстистая (Panzeria lanata) Каштановая почва, разрез 25а Войлок степной Каштановая почва, разрез 26а Чий блестящий (Achnatherum splendens) Надземная масса Войлок степной

3,2 0,5 2,8 0,1 5,2 0,9

I,9 5,6

II,9

2, 2 2,4 0,1 7,8

17,1 10,9

19.6

14.7

2 1,6 15,7

40

33

50

69 49 47

По данным таблицы 4 можно заключить, что некоторые виды растений сухостепных котловин Алтая обладают аккумулирующей способностью и накапливают никель в довольно значительных количествах (от валового содержания его в почвах до 35 %). Содержание никеля в почвах России регламентируется следующими нормативами: ОДК песчаных и супесчаных почв - 20 мг/кг, суглинистых и глинистых (кислых) - 40, суглинистых и глинистых (нейтральных) - 80 мг/кг. В Германии относительно безопасным валовым содержанием никеля в пахотных почвах считается 80-200 мг/кг [9].

Заключение. В Алтайской горной стране среднее содержание валового ванадия в почвенной толще равно 105±1, никеля 42±1,3 мг/кг, отдельно в пахотном А горизонте - 105±2 и 43±1,8 мг/кг, соответственно, что близко к среднемировым показателям. Обнаружены значительные колебания в концентрации ванадия (от 10 до 267 мг/кг) при коэффициенте варьирования, равном 27 %, для никеля - 20-201 мг/кг (32 %).

Список литературы

1. Роде А.А. Система методов исследований в почвоведении. - Новосибирск: Наука, 1971. - 92 с.

2. Волковинцер В.И. Степные криоаридные почвы. - Новосибирск: Наука, 1978. -

208 с.

3. Хмелев В.А. Черноземы Горно-Алтайской Автономной области // Вопросы развития сельского хозяйства Горного Алтая. - Новосибирск: Наука, 1968. - С. 51-58.

4. Микроэлементы в почвах Советского Союза. - М.: Изд-во МГУ, 1973. - Вып. 1. -

281 с.

5. Мальгин М.А. Биогеохимия микроэлементов в Горном Алтае. - Новосибирск: Наука, 1978. - 272 с.

6. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. - М., 1999. - 768 с.

7. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

8. Брукс Р.Р. Загрязнение микроэлементами // Химия окружающей среды. - М.: Химия, 1982. - С. 371-413.

9. Иванов В.В. и др. Экологическая геохимия элементов. Справ. - М., 1994-1996.