Эколого-биогеохимическая оценка почвенного покрова долины Средней Катуни

АГРОЭКОЛОГИЯ

УДК 631.4

А.В. Пузанов, С.С. Мешкинова

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

ДОЛИНЫ СРЕДНЕЙ КАТУНИ

Ключевые слова: почва, разрез, реакция среды, емкость поглощения, карбонаты, гранулометрический состав, гумус, микроэлементы, радионуклиды, Катунь.

Введение

Эколого-биогеохимическая оценка экосистемы является актуальной в связи с гидроэнергетическим освоением Катуни. Необходим экологически грамотный подход при планировании, сооружении и эксплуатации проектируемых водохранилищ. И одним из важных составляющих экосистемы является почва. Поэтому нужно изучить почвенный покров данной территории, а в особенности содержание в нем микроэлементов (тяжелых металлов) и радионуклидов. Так как почва, будучи продуктом совместного воздействия многих факторов, в том числе климата и растительности, наиболее полно передает специфику экологической, биогеохимиче-ской ситуации территории. К тому же пе-

досфера является главным источником элементов питания живых организмов, основным звеном в биологическом круговороте элементов [1]. Почва, выполняя аккумулирующую функцию химических элементов, может накапливать тяжелые металлы и радионуклиды до высоких концентраций, что может негативно отразиться на экосистеме водохранилища и близлежащей территории.

Рельеф долины Средней Катуни преимущественно низкогорный. Только отдельные вершины и небольшие кряжи выходят за абсолютную отметку 1000 м. Исследуемый район охватывает долину Катуни от южной границы Северного Алтая до устья р. Ак-Кема и участки долин притоков близ их устьевой части. Климат этого района ветреный (с годовой повторяемостью ветров (фенов) около 100 дней) и засушливый, годовая сумма осадков 200-300 мм, среднегодовая температура составляет +2...+3°С [2]. Долина реки широкая, хорошо разработанная,

врезанная в коренные породы, имеет выработанную форму и комплексы низких и высоких террас.

Объекты и методы исследования

Объекты исследования: черноземы

обыкновенные и южные, темно-каштановые, горно-лесные черноземовидные почвы на элювиальных, делювиальных, аллювиально-делювиальных, аллювиальных отложениях, щебнисто-песчаных, щебнистосупесчаных, галечниково-песчаных и га-лечниково-супесчаных, а также хорошо сортированных песчаных отложениях [3, 4]. Наибольшее распространение имеют черноземы южные и обыкновенные.

Физико-химические и физические свойства почв (величина рН, гумус, ил, физическая глина, карбонаты, емкость поглощения) определяли общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами [5, 6]. Валовое содержание микроэлементов в почвах определяли методом количественного плазменно-спектрального анализа, ртуть — атомно-абсорбционным методом, естественные радиоактивные элементы (уран-238, торий-232, калий-40) и цезий-137 — гамма-спектрометрическим методом.

Почвенные разрезы закладывали в системе ландшафтно-геохимических катен, охватывая все геоморфологические элементы.

Результаты и их обсуждение Горно-лесные черноземовидные почвы

формируются под лиственничным или березово-лиственничным лесом с мощным травянистым покровом, преимущественно злаково-разнотравной ассоциацией. Почвенный профиль горно-лесных черноземовидных почв образует следующая система генетических горизонтов: (Ао)-Аг(АВ)-В(В,В2)-ВСк-Ск.

Черноземы обыкновенные и южные. Площади данных подтипов черноземов распространены на право- и левобережных террасах долины Средней Катуни, на конусах выносов ее притоков, на склонах и шлейфах различных экспозиций.

Черноземы обыкновенные сформировались под разнотравно-луговыми степями. Практически все площади, занимаемые данным подтипом черноземов, распаханы. В настоящее время большинство из них находятся в виде залежей и используются как пастбища. Черноземы обыкновенные имеют хорошо развитый профиль с полным набором генетических горизонтов.

Обобщающая схема строения профиля:

А,(Апах)-АВ(СаСО3)-В(СаСО3)-С(СаСО3).

Черноземы южные в целинном варианте формируются под разнотравно-полынно-злаковыми степями. Почвенный профиль черноземов южных образован системой генетических горизонтов: А(СаСО3)-В(СаСО3)-ВС(СаСО3)-С(СаСО3).

Темно-каштановые почвы формируются на песчано- и супесчано-галечниковых аллювиальных отложениях под полынноразнотравными и полынно-ковыльно-разнотравными ассоциациями, для которых свойственна низкая биологическая продуктивность. Доступные массивы этих почв освоены. Строение почвенного профиля: А(СаСО3)-В(СаСО3)-ВС(СаСО3)- С(СаСО3).

Физико-химические свойства почв долины Средней Катуни

Реакция среды. Только гумусовоаккумулятивные горизонты горно-лесных черноземовидных почв обладают реакцией среды, близкой к нейтральной, с характерным увеличением этого показателя вниз по профилю за счет аккумуляции значительного количества карбонатов. В среднем рН для них составляет 7,9±0,1 с вариационными изменениями 6,4-9,2 (табл. 1). Темно-каштановые почвы и черноземы обыкновенные и южные имеют щелочную реакцию среды по всему профилю. Показатель рН водной суспензии для этих почв, соответственно, варьирует в диапазоне: 7,2-8,6 (8,0±0,2); 6,4-9,2 (8,3±0,1); 7,1-9,1 (8,3±0,1) (табл. 1).

Емкость поглощения. Значение емкости поглощения для всех типов почв резко снижается вниз по профилю аналогично концентрации гумуса и тонкодисперсных фракций мелкозема, которые интегрально определяют поглотительную способность. В дерновых и гумусовых горизонтах емкость поглощения может достигать существенных величин —

83,2 мг-экв/100 г в горно-лесных черноземовидных почвах. Средние значения по типам и подтипам составляют: горно-лесная черноземовидная — 35,2±6,0 (7,683,2) мг-экв/100 г; чернозем обыкновенный — 16,7±1,9 (2,3-52,8); чернозем южный — 16,9±2,2 (0,8-72,2); темно-каштановая — 21,3±3,3 (7,8-29,9) мг-экв/100 г (табл. 1).

Карбонаты. Формирование почв на мощных карбонатных аккумулятивных корах выветривания является геохимической особенностью почв и почвообразования в долине Средней Катуни.

Таблица 1

Физико-химические свойства и гранулометрический состав почв

долины Средней Катуни

Генетический горизонт Глубина образца, см Гумус СаС03 рН водный Емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы Физическая глина Ил

% %

Горно-лесная черноземовидная. Разрез 1

Адер (1-11) 16,2 0,8 6,7 79,9 10,9 2,2

А (15-25) 13,6 1,1 7,2 77,3 8,9 0,7

А (35-45) 6,0 0,8 7,4 53,8 30,7 10,9

АВ (45-55) 4,9 2,5 7,7 27,7 36,1 14,8

в к (56-66) 1,2 33,6 8,0 14,3 31,7 12,0

В 2 (70-80) 1,0 3,1 8,7 15,1 36,6 16,7

Ск (90-100) 0,5 23,1 8,1 10,9 31,9 12,8

Горно-лесная черноземовидная. Разрез 2

Адео 0,5-9 17,1 1,1 7,2 83,2 8,9 0,4

А 5-15 16,6 0,8 7,2 83,2 9,5 1,3

АВ 32-40 11,8 1,3 7,4 48,7 11,8 0,4

ВС ич#к 43-53 3,4 6,8 8,2 21,0 20,7 2,5

вск 60-70 1,4 13,3 8,3 12,6 39,4 10,4

Ск 90-100 1,0 5,7 8,4 21,0 14,3 3,7

Чернозем обыкновенный. Разрез 3

Апах (5-15) 7,4 12,9 8,2 34,9 34,2 11,1

АВ' (30-40) 4,9 18,0 8,4 25,6 37,8 11,3

АВ" (60-70) 4,1 13,8 8,4 24,1 37,5 9,7

В (95-105) 2,1 26,1 8,5 19,4 63,4 21,3

ВС (123-133) 1,1 17,4 8,6 10,1 37,4 16,3

Чернозем обыкновенный. Разрез 4

А (0-9) 6,1 22,22 8,1 21,7 21,0 9,4

А (9-19) 4,1 20,0 8,3 17,1 15,8 4,6

АВ (22-32) 3,4 35,8 8,3 12,4 26,0 14,3

В (36-46) 1,2 34,5 8,6 7,8 21,1 6,2

ВС (50-60) 0,9 31,3 8,8 7,8 27,4 10,1

Чернозем южный. Разрез 5

А (0-16) 10,5 11,9 8,1 20,9 8,5 3,1

АВ (20-30) 2,7 18,3 8,5 7,0 12,4 3,8

В, (45-55) 2,5 19,3 8,7 5,4 6,3 2,7

В2 (65-75) 2,4 19,3 8,8 5,4 9,1 3,7

ВС (80-103) 2 22,9 8,9 3,9 6,1 3,1

Чернозем южный. Разрез 6

Ат (0-5) 19,8 9,0 7,1 59,0 15,0 3,6

А' (7-17) 12,1 13,8 8 32,6 11,1 3,5

А" (18-28) 8,7 19,0 8,2 35,7 14,7 9,7

АВ (36-46) 6,4 23,8 8,2 28,7 24,4 7,5

ВС (62-78) 4,7 52,0 8,4 11,6 22,3 9,0

Темно-каштановая. Разрез 7

Ад (0-5) 6,3 6,7 7,2 29,5 10,6 3,6

А (5-15) 5,1 5,7 7,5 23,3 15,4 4,8

АВ (18-28) 4,2 25,1 8,2 17,1 18,9 9,6

СD (> 35) 2,1 25,8 8,6 7,8 17,5 10,1

В рассмотренных почвенных разрезах ризонте их максимальной аккумуляции

наибольшее содержание карбонатов в го- достигает 52,0% и в среднем равно

14,7±0,9% при коэффициенте вариации 65,9%. Высокие концентрации карбонатов выявлены в черноземах южных и темнокаштановых почвах.

Наибольшее накопление карбонатов в исследуемых почвах свойственно горизонтам, где они встречаются в форме пропитки и корочек на нижней поверхности щебня, гальки, валунов. В меньшем количестве карбонаты накапливаются в горизонтах, где они находятся в псевдомице-лярной форме.

Органическое вещество. Для горнолесных черноземовидных почв долины характерен довольно мощный гумусовый горизонт, в среднем достигающий 30-40 см, с содержанием гумуса до 17,1%. В среднем в горизонте А содержание гумуса составляет 9,9±1,6%.

Относительно равномерное распределение гумуса в обыкновенных черноземах наблюдается в аккумулятивно-иллювиальных горизонтах. Содержание гумуса в них колеблется от 0,7 до 11,8% при мощности А горизонта 20±8 см. Максимальные значения характерны для дерновых горизонтов. Немного ниже содержание гумуса в верхнем горизонте пахотных почв. В среднем концентрация гумуса составляет 5,1±0,3%.

Черноземы южные характеризуются маломощным и среднемощным гумусовым горизонтом. В большинстве разрезов содержание гумуса в иллювиальном горизонте резко снижается. Количество его в верхнем слое в среднем составляет 4,1±0,5% с варьированием от 0,2 до 17,1% в дерновых горизонтах.

Темно-каштановые почвы характеризуются относительно равномерным распределением гумуса по профилю. Мощность гумусосферы рассматриваемых почв равна 15±8 см. В горизонте А содержание

гумуса 4,3±0,4 %, при колебаниях от 2,8 до 6,8%.

В среднем запасы гумуса в 40-сантиметровом слое почв долины Средней Ка-туни небольшие — примерно 65 т/га. Запасы наземной и подземной фитомассы соответствуют запасам фитомассы зоны сухих степей — 4-5 ц/га [7].

Гранулометрический состав. Так как почвы долины Средней Катуни формируются в основном на песчаных, супесчаных аллювиальных отложениях террас, конусов выноса и делювиальных склонов, то в составе мелкозема почв (< 1 см) превалируют фракции крупного, мелкого и среднего песка.

Содержание пылеватой фракции находится в пределах первых десяти процентов. Фракция физической глины равна 17,1±1,0% при существенном варьировании от 0,9-63,4%. Содержание илистой фракции очень низкое и достигает всего лишь 5,6±0,4% (табл. 1, 2).

Микроэлементы в почвах долины Средней Катуни

Цинк. В почвах исследуемой территории распределение цинка по профилю равномерное. Средняя концентрация валового цинка в изученных почвах не превышает ПДК. Гумусово-аккумулятивному горизонту ряда разрезов свойственно биогенное накопление (рис. 1, табл. 3).

Кобальт. В черноземах обыкновенных и горно-лесных черноземовидных почвах подтверждается зависимость между содержанием валового кобальта в гумусовом горизонте и в почвообразующих породах, значения которых соответствуют и немного превышают значения регионального фона почв Горного Алтая 15,8±0,2 мг/кг (рис. 1, табл. 3) [3].

Таблица 2

Вариационно-статистические параметры содержания фракций мелкозема

в почвах долины Средней Катуни

Фракции, мм n lim Х±х V

%

1-0,25 123 1,5-83,5 31,0± 1,7 59,9

0,25-0,05 123 1,1-72,7 34,3± 1,1 35,3

0,05-0,01 123 2,2-48,9 17,7± 0,9 59,3

0,01-0,005 123 0,3-15,7 5,2± 0,3 66,2

0,05-0,001 123 0,5-26,5 6,2±0,4 70,1

< 0,001 123 0,0 -21,3 5,6± 0,4 83,5

< 0,01 123 0,9-63,4 17,1± 1,0 63,9

Примечание. n — число образцов; lim — лимиты; Х — средняя арифметическая; х — ошибка средней арифметической; V — коэффициент вариации.

В черноземах южных отмечается накопление данного элемента в иллювиальном горизонте. Более высокие концентрации кобальта, по сравнению с другими типами и подтипами почв долины Средней Катуни, выявлены в темно-каштановых почвах. По профилю наблюдается увеличение содержания элемента (рис. 1, табл. 3).

Свинец. Содержание свинца в почвах исследуемого района находится в пределах фоновых значений и существенно ниже ПДК свинца для почв. В горно-лесных черноземовидных почвах отмечается увеличение содержания элемента по профилю. Для черноземов обыкновенных и южных характерны аккумуляции элемента в гумусовом горизонте. В темно- каштановых почвах концентрации свинца, как и для кобальта, относительно высокие и прослеживается зависимость между гумусово-аккумулятивным горизонтом и почвообразующими породами (рис. 1, табл. 3).

Медь. Концентрация меди в почвах долины Средней Катуни существенно ниже ПДК в почвах. В целом содержание меди соответствует и немного превышает региональный фон элемента в почвах Горного Алтая и Западной Сибири. По профилю распределение элемента равномерное. В ряде почв обнаруживается аккумуляция элемента в верхнем горизонте (рис. 1, табл. 3).

Ртуть. Содержание ртути в почвенном покрове долины существенно ниже ПДК элемента для почв, и находится в пределах фоновых величин. В профиле горнолесных черноземовидных почв, черноземов обыкновенных и темно-каштановых почв отмечается накопление элемента в иллювиальном горизонте. Для черноземов южных свойственно увеличение содержания ртути вниз по профилю (рис. 2, табл. 3).

Чернозем южный

60 п 50 40 30 20 10 0

И

Ш

с N

О о

РЬ

3 О

с

Темно-каштановая

С^п

Со

РЬ

Рис. 1. Содержание микроэлементов в почвах долины Средней Катуни по генетическим горизонтам

Таблица 3

Вариационно-статистические параметры концентрации микроэлементов в почвах долины Средней Катуни

Химический элемент Долина Средней Катуни ПДК [8] В почвах мира [9] Западная Сибирь [10] Кларк в земной коре [11]

lim X± х

мг/кг

Цинк 20-200 63,0±5,1 300 61,5 73 83,0

Кобальт 10-60 22,2±1,5 50 8,5 13 18,0

Свинец 9-80 21,6±1,7 100 25 16,4 16,0

Медь 35-100 58,9±2,0 100 20 33,8 47,0

Ртуть 0,1-1,8 0,2±0,0 2 0,4 0,023 0,083

1,2

1

0,8

ё 0,6 2

0,4

0,2

0

/ ¿і

,

нт- ІІ+ 1*1

С

Горно-лесная черноземовидная

Чернозем обыкновенный

Чернозем южный

Темно-каштановая

Рис. 2. Содержание ртути в почвах долины Средней Катуни по генетическим горизонтам

Радионуклиды в почвах долины Средней Катуни Уран. В почвах долины Средней Катуни содержание ^ и его распределение по профилю разнообразны. Удельная активность ^ в почвах долины варьирует от

15,2 до 67,8 Бк/кг и в среднем составляет 25,0±1,4 Бк/кг. В черноземах обыкновенных наблюдается аккумуляция в верхних горизонтах, а черноземах южных происходит накопление и в иллювиальных горизонтах почвы. В темно-каштановых почвах распределение 23^ равномерное по профилю (табл. 4, рис. 3).

Торий. В черноземах обыкновенных долины Средней Катуни 232^ по профилю распределяется равномерно. В каштановых почвах и черноземах южных наблюдается уменьшение удельной активности радионуклида с глубиной, что коррелирует с содержанием гумуса данных почв. Средняя концентрация 232^ в почвах исследуемой территории составляет 15,1±0,6 Бк/кг, которая превышает среднее содержание в почвенном покрове России в два раза [13], при распространении от 6,9 до 24,4 Бк/кг, что ниже кларков в земной коре [14] и в почве (табл. 4, рис. 3).

Таблица 4

Концентрация основных естественных радиоизотопов и Сs-137 в почвах долины Средней Катуни

Элемент Почвы долины Cредней Катуни Мировой почвенный фон [12]

Бк/кг

40К 360,0±7,7 (235-455) 370

232™ 15,1 ±0,6 (6,9-24,4) 25

25,0±1,4 (15,2-67,8) 25

13^ 14,9±(3,0-69,0) 15

Чернозем обыкновенный

50

45

40

35

30

Бк/кг 25

20

15

10

5

0

0-5 5-10 10-15 33-43

глубина, см

238и 111232™ П137С8

Чернозем южный

Бк/кг

<45

глубина, см

238и  2327Ъ  137Сэ

Чернозем южный

Бк/кг

глубина, см

238и П232™ П137Сз

Темно-каштановая

Бк/кг

70

60

50

40

30

20

10 п

Е,

0-5

5-10

18-28

>35

глубина, см  238и 232™ 137Сs

Содержание К-40 в почвах

500 450 400

350 300 Бк/кг 250 200 150 100 50 0

Темно- Чернозем Чернозем

каштановая южный обыкновенный

і

I

0-5  5-10  18-28  35-45  >45

Рис. 3. Содержания естественных радионуклидов и цезия-137 в почвах долины Средней Катуни

Калий. Равномерно распределен 40К в черноземах обыкновенных и черноземах южных, но в некоторых разрезах прослеживается аккумулятивно-иллювиальное распределения радионуклида. В темно-

каштановых почвах содержание 40К, как и 232^, уменьшается вниз по профилю и коррелирует с содержанием гумуса в данном подтипе почвы. Концентрация радионуклида в почвах долины колеблется

от 235 до 455 Бк/кг, в среднем — 360±7,7 Бк/кг, что почти равна кларку в почвах [15] и ниже мирового фона почв (табл. 4, рис. 3).

Цезий-137. Распределение 137Cs по профилю во всех исследованных типах почв одинаково. В зависимости от свойств

~ 137/-

почв основной запас Cs сосредоточен в

верхнем 5- или 10-сантиметровом слое гумусового горизонта целинных почв и на глубине 15-20 см в пахотных почвах. Удельная активность радионуклида в пахотных почвах незначительна и колеблется от 0 до 11,0 Бк/кг, а в нескольких образцах дерновых горизонтов (0-5 см) активность составляет 61 и 69 Бк/кг, что соответствует фону Горного Алтая [16]. В иллювиальном горизонте и почвообразующей породе Cs-137 не обнаружен (табл. 4, рис. 3).

Выводы

1. Основу структуры почвенного покрова долины образуют следующие типы и подтипы почв: горно-лесные черноземовидные, черноземы обыкновенные, черноземы южные и каштановые.

2. Разнотипные почвы долины Средней Катуни относятся к средне- и высокогу-мусным, состав гумуса преимущественно фульватно-гуматный, за исключением каштановых почв, отличающихся гуматно-фульватной природой качественного состава гумуса, характеризуются слабощелочной и щелочной реакцией среды, легким гранулометрическим составом, высоким содержанием карбонатов.

3. Уровень содержания тяжелых металлов в исследованных почвах не превышает фоновых значений.

4. Удельная активность естественных радионуклидов 238и, 232Т^ 40К и искусственного радионуклида 137Cs в почвах долины не превышает среднего уровня удельной активности почв мира.

5. Эколого-биогеохимическую обстановку в районе исследований можно квалифицировать как фоновую.

Библиографический список

1. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в почвах Западной Сибири / В.Б. Ильин // Почвоведение. 1987. № 11. С. 87-94.

2. Сухова М.Г. Климаты ландшафтов Горного Алтая и их оценка для жизнедеятельности человека / М.Г Сухова, В.И. Русанов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 150 с.

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

4. Почвы Горно-Алтайской автономной

области. Новосибирск: Наука, 1973.

351 с.

5. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.

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

7. Отчет по теме «Изучение водохозяйственного, гидрохимического и экологического состояния рек бассейна Верхней Оби». (Раздел 3: Природные условия зоны Крапивинского водохранилища). Новосибирск; Барнаул; Томск: ИВЭП СО РАН, ИПА, 1990. 92 с.

8. Kloke A. Richtwerte'80. Orienti-rungsdaten fur tolerierbare е^дег Elemente in Kulturboden / Mittailungen des VDLUFA. 1980. H. 1-3. S. 9.

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

10. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири / А.И. Сысо. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 277 с.

11. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры /

A.П. Виноградов // Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.

12. Ковда В. А. Почвоведение. Ч. 1. /

B.А. Ковда, Б.Г. Розанов. М.: Высш. шк.,

1988. 400 с.

13. Титаева И.А. Геохимия природных радиоактивных рядов распада / И.А. Титаева. М.: ГЭОС, 2005. 226 с.

14. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере: миграция и биологическое действие на популяции и биогеоценозы / Р.М. Алексахин, Н.П. Архипов, Р.М. Бархударов и др. М.: Наука, 1990. 368 с.

15. Радиобиология / А.Д. Белов,

В.А. Киршин, Н.П. Лысенко, В.В. Пак и др.; под ред. А.Д. Белова. М.: Колос, 1999. 384 с.

16. Силантьев А.Н. Вертикальная миграция в почве радионуклидов, выпавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС / А.Н. Силантьев, И.Г. Шкуратова, Ц.И. Бобовникова // Атомная энергия.

1989. Т. 66. Вып. 3. С. 194-197.