Радиальная миграция сидерофильных (Co, Cr) и халькофильных (Zn) микроэлементов в почвах горного массива Ергаки (западный Саян)

Е.А. Григорьева, И.В. Борисова, Г.Ю. Ямских

РАДИАЛЬНАЯ МИГРАЦИЯ СИДЕРОФИЛЬНЫХ

Рассмотрены генетические типы почв горного массива Ергаки; изучены их морфологические, физические, физико-химические и химические свойства. Выявлена закономерность распределения кобальта, цинка и хрома в почвенных профилях и почвообразующих породах горной территории в условиях смены высотной поясности и геохимических фаций. Рассчитаны элювиально-аккумулятивные коэффициенты для исследованных типов почв, позволяющие охарактеризовать особенности радиальной миграции Со, Сг и 7п. Построены ряды радиальной миграции, отражающие неоднородность распределения кобальта, хрома и цинка в почвах катен северной и южной экспозиций. Анализ радиальной миграции изучаемых элементов (Со, Сг и 7п) показал, что накопление 7п и Со происходит в серых почвах (катена 1), ржавоземах типичных и горно-луговых почвах (катена 2), соответствующих трансэлювиальным фациям; в остальных исследованных почвах, относящихся к различным геохимическим фациям, происходит рассеяние Со, Сг и 7п.

Ключевые слова: горные почвы; геохимические фации; микроэлементы; радиальная миграция.

Многообразие и сложность геохимических процессов, протекавших и идущих в настоящее время в природных ландшафтах, накладывающихся на тот или иной литогеохимический фон, обусловливают пространственную неоднородность естественного геохимического фона в содержании микроэлементов в различных компонентах ландшафта. Анализ взаимосвязей между распределением элементов в почвах и их генетическими особенностями является важной задачей изучения элементного состава почв разных типов [1]. Для ряда почв эти вопросы достаточно хорошо изучены, однако почвы Западного Саяна, в частности горного массива Ергаки, в этом отношении не были исследованы.

Объектом исследования явился почвенный покров горного массива Ергаки, расположенного в центральной части Западного Саяна, в пределах ЗападноСаянского нагорья. Общая его протяженность с севера на юг около 20 км и столько же с запада на восток. Массив сильно изрезан древними ледниками и имеет разветвленную орографию [2] (рис. 1).

Цель исследования заключается в установлении закономерностей внутрипрофильного распределения микроэлементов (Со, Сг, 2п) в почвенном покрове горного массива Ергаки (Западный Саян).

Задачи исследования: 1) изучение макроморфологиче-ских свойств почв и почвообразующих пород; 2) установление физических, физико-химических и химических свойств почв и почвообразующих пород данной территории; 3) определение валовых содержаний кобальта, цинка и хрома в почвах и почвообразующих породах; 4) изучение особенностей миграции микроэлементов (Со, Сг и 2п); 5) расчет элювиально-аккумулятивных коэффициентов для цинка, кобальта и хрома.

Для изучения основных особенностей почвенногеохимической структуры территории использовался катенарный метод с выделением элювиальных, трансэлювиальных, трансэлювиально-аккумулятивных и супераквальных фаций [3].

В ходе полевых исследований было выполнено макроморфологическое описание почв и почвообразующих пород горного массива Ергаки по стандартной методике изучения почв и подстилающих пород [4].

Гранулометрический состав почв и почвообразующих пород был определен методом пипетки в стоячей воде в варианте Н.А. Качинского [5]. Физико-химические и химические свойства почв определялись общепринятыми в почвоведении методами [6]. Валовое

содержание микроэлементов (Со, Сг, 2п) определялось нейтронно-активационным методом (прибор ДТДК-50). Для количественной характеристики почвенно-геохимических процессов перераспределения веществ в системе «почва - порода» применялись элювиальноаккумулятивные коэффициенты [7].

Для исследования почв и подстилающих пород горного массива Ергаки было заложено две катены: катена 1 на высоте 1313-1510 м, соответствующая склону южной экспозиции, и катена 2, соответствующая склону северной экспозиции (интервал высот 1313-1898 м).

Макроморфологические исследования на территории горного массива Ергаки зафиксировали формирование различных типов почвенного профиля. По морфологическим, физическим, физико-химическим и химическим свойствам почвы относятся к аллювиальным серогумусовым глеевым почвам (О-АУ-в-Св—); серым почвам (О-АУ-АЕЬ-БЕЬ-БТ-С); ржавоземам типичным (О-АУ-ББЫ-С); буроземам типичным (О-АУ-БМ-С) [9], горно-луговым почвам (А^А-ВС-С) [10].

По распределению гумуса ржавозёмы типичные, соответствующие элювиальной фации катены 1 (южная экспозиция, точка 1) (рис. 2), характеризуются как вы-сокогумусные. Его содержание в горизонте О - 14,8%. Высокое содержание гумуса обусловлено тем, что почва формируется на поверхности элювиальной фации под разнотравным пихтово-кедровым лесом. По величине рН водной вытяжки горизонты О и АУ характеризуются кислой реакцией среды (4,1), вниз по профилю кислотность снижается до 5,5 в горизонте ББМ и до 5,3 в почвообразующей породе. Снижение кислотности объясняется присутствием в этом горизонте карбонатов (0,34%). По содержанию гранулометрических фракций профиль ржавоземов типичных дифференцирован -зафиксировано утяжеление гранулометрического состава от песка рыхлого (горизонт АУ) до легкого суглинка (горизонт ББМ). Содержание илистой фракции по всему почвенному профилю незначительно [11].

Анализ распределения полуторных окислов показал, что профили ржавоземов типичных характеризуются высоким содержанием Бе2О3 - до 1598,74 мг/кг в горизонте ББМ. Это обусловлено протеканием метаморфического почвообразовательного процесса - оже-лезнения, а также составом почвообразующей породы, которая представлена метаморфическими сланцами. Содержание А12О3 увеличивается вниз по профилю к почвообразующей породе от 12,85 до 26,37 мг/кг [11].

Рис. 1. Схема строения хребтов Западного Саяна [8]

*' - кустарнички; 111 -разнотравье

Рис. 2. Ландшафтно-геохимические сопряжения: А - катена 1; Б - катена 2.

Почвы: 1 - ржавоземы типичные; 2 - серые слаборазвитые почвы; 3 - серые почвы; 4 - торфяные эутрофные почвы;

5 - аллювиальные серогумусовые глеевые почвы; 6 - ржавоземы типичные; 7 - горно-луговые почвы;

8 - ржавоземы типичные; 9 - буроземы типичные

По содержанию цинка профили ржавоземов типич- зафиксировано в почвообразующей породе - 608 мг/кг.

ных, соответствующих элювиальной фации катены 1, Это обусловлено максимальным содержанием в почво-

не дифференцированы, максимальное его содержание образующей породе А12О3 (26,27 мг/кг), который явля-

ется сорбентом 2п [12]. По содержанию хрома и кобальта почвенные профили также слабо дифференцированы, зафиксировано лишь незначительное увеличение количества Сг и Со вниз по профилю к почвообразующей породе, что объясняется их низкой миграционной способностью в кислой среде, которой характеризуются эти почвы (табл. 1).

Серые почвы, соответствующие трансэлювиальной фации катены 1 (южная экспозиция, точка 2) (рис. 2), по содержанию гумуса характеризуются как среднегу-мусные. Его содержание в горизонтах О и ЛУ колеблется от 4 до 6%, в нижних горизонтах содержание гумуса в среднем составляет 1,3%. По величине рН водной вытяжки серые почвы характеризуются кислой

Максимальная концентрация 2п в серых почвах зафиксирована в горизонте ЛБЬ - 483 мг/кг, где наблюдается высокое содержание Л1203 - 20,03 мг/кг. Так же как и в ржавоземах типичных, содержание хрома и кобальта постепенно увеличивается вниз к почвообразующей породе (табл. 1) [11].

Исследования почв, формирующихся на поверхности супераквальной фации катены 1 (южная экспозиция, точка 5) (см. рис. 2), соответствующей пойме р. Малая Буйба, зафиксировали формирование аллювиальных серогумусовых глеевых почв. По содержанию гумуса эти почвы классифицируются как среднегумус-ные, его количество в почвенном профиле колеблется от 3,0 до 6,0%. По величине рН водной вытяжки аллювиальные серогумусовые глеевые почвы характеризуются слабокислой реакцией среды, кислотность снижается вниз по профилю от 4,69 до 5,27. Отсутствие карбонатов в профиле аллювиальных серогумусовых глее-вых почв обусловлено периодически водозастойным водным режимом, свойственным пойменным почвам. Содержание илистой фракции по всему почвенному профилю 4% [Там же].

Аллювиальные серогумусовые глеевые почвы характеризуются высоким содержанием окислов железа, при этом максимальное их количество фиксируется в нижней части профиля - в глеевом горизонте (1117,19 мг/кг), что также объясняется особенностями водного режима. По содержанию Л1203 профиль слабо дифференцирован, максимальное содержание отмечено в горизонте Св - 5,29 мг/кг [Там же].

По содержанию гранулометрических фракций профиль аллювиальных серогумусовых глеевых почв слабо дифференцирован, почвы классифицируются как супесчаные.

Содержание 2п, Со и Сг в аллювиальных серогумусовых глеевых почвах, так же как и в ржавоземах типичных и серых почвах, характеризуется нисходящей миграцией (см. табл. 1).

(3,5) и слабокислой (4,7) реакцией среды, кислотность снижается вниз по профилю к почвообразующей породе. Снижение кислотности связано с элювиальноиллювиальной дифференциацией карбонатов по профилю и, соответственно, их аккумуляцией в нижней части профиля (горизонт ВТ). По гранулометрическому составу профили серых почв дифференцированы -зафиксировано его утяжеление от песка связного (горизонт О) до легкого суглинка (горизонт ВТ). Содержание илистой фракции составляет в среднем 3%. По содержанию полуторных окислов профиль серой почвы элювиально-иллювиально дифференцирован. Количество Ре203 изменяется в пределах от 317,46 до 855,56 мг/кг, Л1203 - от 3,02 до 20,03 мг/кг [Там же].

Ржавозёмы типичные, соответствующие элювиальной фации катены 2 (северная экспозиция, точка 6) (рис. 2), по содержанию гумуса характеризуются как высокогумусные. Количество общего углерода в горизонте ЛУ - 10,4%. По величине рН водной вытяжки ржавоземы типичные характеризуются кислой реакцией среды 4,5. По содержанию карбонатов профили почв слабо дифференцированы. Так же как и в ржаво-земах типичных, формирующихся на поверхности элювиальной фации катены 1, наблюдается утяжеление гранулометрического состава от песка рыхлого (горизонт ЛУ) до легкого суглинка (горизонт ВБМ).

По содержанию полуторных окислов профили ржа-воземов типичных характеризуются увеличением содержания Ре203 в горизонте ВБМ до 457,6 мг/кг, что, так же как и в ржавоземах типичных (катена 1, точка 1), соответствующих элювиальной фации, обусловлено протеканием метаморфического почвообразовательного процесса - ожелезнения, а также составом почвообразующей породы.

В ржавозёмах типичных 2п характеризуется нисходящей миграцией: его количество в горизонте С составляет 56 мг/кг, что обусловлено высоким содержанием Бе203 в этом горизонте (486,2 мг/кг). По содержанию Сг и Со профили слабо дифференцированы (табл. 2).

Изучение физико-химических свойств горнолуговых почв, развивающихся на поверхности трансэлювиальной фации катены 2 (северная экспозиция, точка 7) (см. рис. 2), зафиксировало максимальное количество общего углерода в горизонте Ad - 15,00%. По величине рН водной вытяжки горно-луговые почвы характеризуются кислой и слабокислой реакцией среды от 4,5 до 5,3. По содержанию гранулометрических фракций горно-луговые почвы дифференцированы, наблюдается утяжеление от песка связного (горизонт Л) до легкого суглинка (горизонт ВС). Количество окислов железа увеличивается вниз по профилю к почвообразующей породе до 629,2 мг/кг [11].

Т а б л и ц а 1

Средние содержания Со, Сг и Zn в почвах горного массива Ергаки (катена 1), мг/кг

Фации

Элемент элювиальная трансэлювиальная супераквальная

Ржавоземы типичные Серые почвы Аллювиальные серогумусовые глеевые почвы

2п 285,75 114,83 329,50

Со 10,13 9,25 15,45

Сг 101,05 87,73 84,37

Средние содержания Со, Сг и Zn в почвах горного массива Ергаки (катена 2), мг/кг

Фации

Элемент элювиальная трансэлювиальная трансэлювиально- аккумулятивная

Ржавоземы типичные Горно-луговые почвы Ржавоземы типичные Буроземы типичные

гп 38,67 139,33 118,25 243,33

Со 8,77 2,37 2,9 13,7

Сг 77,03 23,8 63,18 92,13

Максимальная концентрация гп, Со и Сг в горнолуговых почвах установлена в горизонте ВС (213, 2,7 и 32,7 мг/кг соответственно), высокое содержание гп обусловлено максимальным содержанием Л1203 в этом горизонте (51,98 мг/кг), а концентрация Со и Сг объясняется кислой реакцией среды, в которой эти элементы слабо мигрируют (табл. 2).

Исследования ржавозёмов типичных, соответствующих трансэлювиальной фации катены 2 (северная экспозиция, точка 8) (см. рис. 2), показали, что по содержанию гумуса они характеризуются как высокогу-мусные. Количество общего углерода в горизонте О составляет (15,36%). По величине рН водной вытяжки профили ржавоземов типичных характеризуются кислой реакцией среды (3,7). По содержанию карбонатов профили слабо дифференцированы, их количество незначительно. Для этих почв также характерно утяжеление гранулометрического состава от песка рыхлого (горизонт О) до легкого суглинка (горизонт ВБМ).

Максимальное количество Ре203 в профилях ржавозе-мов типичных отмечено в горизонте ВБМ - 890,89 мг/кг. Содержание Л1203 увеличивается вниз по профилю к почвообразующей породе от 8,31 до 20,60 мг/кг.

Со и Сг в профиле ржавоземов типичных характеризуются нисходящей миграцией, максимальное содержание гп наблюдается в горизонте ВБМ -313 мг/кг, обусловленное максимальным содержанием в этом горизонте Л1203 (24,95 мг/кг) (табл. 2) [13].

Буроземы типичные, относящиеся к трансэлюви-ально-аккумулятивной фации катены 2 (северная экспозиция, точка 9) (см. рис. 2), по содержанию гумуса характеризуются как высогумусные до 13,54% в горизонте ЛУ. По величине рН водной вытяжки почвы характеризуются кислой и слабокислой реакцией среды (от 3,55 до 5,21), при этом кислотность снижается вниз к почвообразующей породе. Профили буроземов типичных характеризуются высоким содержанием Ре203, увеличивающимся вниз по профилю от 810,66 до 1106,81 мг/кг в горизонте С. Распределение Л1203 в профилях этих почв характеризуется восходящей миграцией - максимальная концентрация отмечена в горизонте ЛУ (7,56 мг/кг). По гранулометрическому составу профили буроземов типичных дифференцированы, зафиксировано его утяжеление от песка рыхлого (горизонт О) до легкого суглинка (горизонт ВМ).

В профилях буроземов типичных, соответствующих трансэлювиально-аккумулятивной фации, распределение гп, Со и Сг характеризуется нисходящей миграцией - максимальное количество установлено в горизонте С (670, 16 и 104,5 мг/кг соответственно) (табл. 2).

Для анализа закономерностей и интенсивности радиальной миграции микроэлементов (Со, гп, Сг) в почвах горного массива Ергаки рассчитаны элювиальноаккумулятивные коэффициенты и построены ряды радиальной миграции (табл. 3, 4).

Т а б л и ц а 3

Ряды радиальной миграции Со, Zn и Сг в почвах горного массива Ергаки

Тип почв Накопление Рассеяние

сильное; Кэа > 5 среднее; Кэа 2-5 слабое; Кэа 1-2 Вынос; Кэа < 1

Ржавозёмы типичные (элювиальная фация) - - - Со, гп, Сг

Серые почвы (трансэлювиальная фация) - гп - Со, Сг

Аллювиальные серогумусовые глеевые почвы (супераквальная фация) - - - гп, Со, Сг

Примечание. «-» - отсутствуют элементы с данным значением элювиально-аккумулятивного коэффициента.

Т а б л и ц а 4

Ряды радиальной миграции Со, Zn и Сг в почвах горного массива Ергаки

Тип почв Накопление Рассеяние

сильное; Кэа > 5 среднее; Кэа 2-5 слабое; Кэа 1-2 Вынос; Кэа < 1

Ржавозёмы типичные (элювиальная фация) - - - Со, гп, Сг

Горно-луговые почвы (трансэлювиальная фация) - - Со гп, Сг

Ржавозёмы типичные (трансэлювиальная фация) - гп - Со, Сг

Бурозёмы типичные (трансэлювиально-аккумулятивная фация) - - - Со, гп, Сг

Примечание. «-» - отсутствуют элементы с данным значением элювиально-аккумулятивного коэффициента.

Анализ радиальной дифференциации химических элементов показал, что для исследуемых почв радиальная неоднородность в целом выражена слабо (см. табл. 3, 4). Среднее накопление цинка зафиксировано в серых почвах и ржавоземах типичных трансэлювиальных фаций катен северной и южной экспозиций. Кобальт сла-

бо аккумулируется в профиле горно-луговых почв (трансэлювиальная фация) (табл. 4). В профилях остальных исследованных почв, формирующихся на поверхностях элювиальной, трансэлювиально-акку-

мулятивной и супераквальной геохимических фаций, происходит рассеяние гп, Со и Сг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тяжелые металлы в природных и техногенных ландшафтах / под ред. М.А. Глазовской. М. : Изд-во МГУ, 1983. 220 с.

2. Смирнов М.П. Почвы Западного Саяна. М. : Наука, 1970. 171 с.

3. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР : учеб. пособие. М. : Высш. шк., 1988. 328 с.

4. Розанов Б.Г. Морфология почв. М. : Академический проект, 2004. 589 с.

5. Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы и методы его изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 192 с.

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

7. Гаврилова И.П., Касимов Н.С. Практикум по геохимии ландшафта. М. : Изд-во МГУ, 1989. 73 с.

8. Кушев С.Л., Леонов Б.Н. Рельеф и геологическое строение // Природные условия и естественные ресурсы СССР. Средняя Сибирь. М. : Нау-

ка, 1964. С. 23-83.

9. Классификация и диагностика почв России / под ред. Г.В. Добровольского. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

10. Классификация и диагностика почв СССР / В.В. Егоров, В.М. Фридланд, Е.Н. Иванова. М. : Колос, 1977. 224 с.

11. Григорьева Е.А., Борисова И.В., Ямских Г.Ю. Химические и физико-химические свойства почв, формирующихся на территории горной тайги (хребет Ергаки) // Материалы X Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Молодежь и наука XXI века», посвященной 85-летию со дня рождения В.П. Астафьева и 100-летию со дня рождения Л.В. Киренского. Красноярск : Изд-во КГПУ, 2009.

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

13. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М. : Астрея-2000, 1999. 768 с.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 14 декабря 2010 г.