Содержание кислоторастворимых форм меди и кобальта в почвах Приенисейской части Батеневского кряжа

ПОЧВОВЕДЕНИЕ

УДК 631.48 С.П. Кулижский, В.З. Спирина, Е.В. Саранчина

СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОТОРАСТВОРИМЫХ ФОРМ МЕДИ И КОБАЛЬТА В ПОЧВАХ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ

ЧАСТИ БАТЕНЕВСКОГО КРЯЖА

В работе рассмотрены результаты определения кислоторастворимых форм меди и кобальта в почвах Приенисейской части Батеневского кряжа. Выявлены некоторые закономерности внутрипрофиль-ного распределения микроэлементов в зависимости от генетических особенностей исследуемых почв.

Ключевые слова: почва, медь, кобальт, закономерность, распределение, юг Сибири.

S.P. Kulizhsky, VZ. Spirina, Ye.V. Saranchina

AVAILABILITY OF COPPER AND COBALT ACID-SOLUBLE FORMS IN THE SOILS OF THE PRIYENISEYSK PART OF THE BATENEVSKY RANGE

The results of determination of the acid-soluble copper and cobalt forms in the soils of the Priyeniseysk part of the Batenevsky range are considered in the article. Some regularities of the microelements inside-profile distribution depending on the researched soil genetic peculiarities are revealed.

Key words: soil, copper, cobalt, laws, distribution, the south of Siberia.

Основные особенности содержания и профильного распределения химических элементов, в том числе и тяжелых металлов, почвы наследуют от почвообразующих пород, однако почвообразовательные процессы накладывают на них свой отпечаток в виде специфических проявлений биогенной аккумуляции, физико-химической и механической миграции веществ. Данные о валовом содержании элементов дают представление только об общем их количестве в почвенной толще, но не раскрывают почвенно-геохимической и эколого-биогеохимической особенности [1, 2]. Для этого необходимо иметь сведения о формах химических элементов, от которых зависит их доступность растениям, способность переходить в водные растворы из твердой фазы [3].

Исследователи, изучающие содержание элементов в почвах, часто подчеркивают условность имеющихся методов определения их доступных соединений из различных вытяжек [3, 4]. Это обусловлено тем, что количество извлекаемых из почвы растениями химических элементов является сложной функцией как состава и свойств почв, так и вида, сорта, фенологической стадии и других свойств растения.

В рамках данных исследований использовалась методика определения кислотнорастворимых форм меди и кобальта атомно-абсорбционным методом, разработанная Л.А. Васильевой и А.А. Акатовым (свидетельство об аттестации МВИ № 242/120-2005). Данный метод имеет ряд преимуществ, среди которых - возможность определения элемента в присутствии большого числа других элементов, универсальность и сравнительно высокая чувствительность. При взаимодействии пробы с 5м азотной кислотой при нагревании в раствор переходят химические соединения первой, второй и частично третьей группы системы соединений (по Мотузовой Г.В. [3]), представляющие собой потенциальные запасы подвижных микроэлементов. К ним относятся не только непосредственно подвижные формы меди и кобальта, но и частично прочносвязанные, способные переходить в доступное для растений состояние в определенных условиях почвенной среды, то есть являющиеся своеобразным дальним резервом. В дальнейшем в целях упрощения для обозначения исследуемых форм микроэлементов будет использоваться термин ''подвижные формы'', хотя в строгом вы-

ражении он и не отражает ту часть общего количества меди и кобальта, которое может усваиваться растениями.

Исследовались почвы склонов северной экспозиции, обладающие разной крутизной, высотой над уровнем моря, формой, характеризующиеся различными почвенными сочетаниями. Особенно заметные отличия в верхних частях склонов. При большей крутизне уменьшается увлажненность, в элювиальнотранзитной (ЭТ) позиции формируются почвы дерновой формации - маломощные рендзины, на верхних частях пологих склонов при умеренном дополнительном поступлении воды и растворимых веществ развиваются паралуговые формации - мощные луговато-черноземные почвы и выщелоченные черноземы. Вниз по склону различия в структуре почвенного покрова нивелируются и выравниваются в степной части меж-горных понижений. Такая неоднородность почвенного покрова аккумулятивных равнин, согласно А.И. Перельману [5], является характерной чертой эрозионно-расчлененного рельефа. Увеличение увлажненности нижних частей склонов с увеличением крутизны, отмеченное А. Дж. Джеррардом [6], имеет место и в рассматриваемых условиях Приенисейской части Батеневского кряжа. Рендзин типичный выщелоченный маломощный тучный легкосуглинистый (Р20) приурочен к верхней части склона 45° северной экспозиции. Вниз по склону в элювиально-транзитной позиции сформировался рендзин иллювиально-глинистый выщелоченный маломощный тучный среднесуглинистый (Р21). В средней, менее крутой (20°), части склона залегает чернозем криптоглееватый карбонатный среднемощный многогумусированный тяжелосуглинистый (Р22). Мице-лярные формы карбонатов появляются в пределах гумусового горизонта. Наличие новообразований железа в горизонте ВС свидетельствует о длительном сохранении льдистой сезонной мерзлоты, играющей роль водоупора и обеспечивающей внутрипочвенный сток.

В нижней части склона в транзитно-аккумулятивной позиции (ТА), характеризующейся значительными запасами снега в зимне-весенний период и усиленным увлажнением за счет вод поверхностного стока, сформирован чернозем солонцеватый среднемощный тучный легкосуглинистый (Р12).

К подножию склона приурочен чернозем засоленный маломощный среднегумусированный среднесуглинистый (Р11).

Медь и кобальт - элементы биофилы, относятся к группе тяжелых металлов и обладают некоторыми индивидуальными особенностями. Кобальт в почве находится в двух- и трехвалентной формах. Двухвалентный кобальт легко мигрирует в составе почвенных растворов в виде хлоридов, сульфатов и бикарбонатов, но он малоустойчив и быстро переходит в трехвалентную форму, которая прочно связывается с органическим веществом почв [4]. Медь в почвах находится в одно- и двухвалентной формах, которые образуют многочисленные соединения. В частности - нерастворимые комплексы с органическим веществом, фосфатами, сульфатами, карбонатами [7].

Увеличение значений pH, количества гумуса, глинистых частиц и карбонатов способствует повышению поглощения почвами элементов из почвенного раствора и переходу их части в труднорастворимые формы [8].

Данные о роли отдельных факторов в содержании и распределении подвижных форм меди, полученные разными исследователями, противоречивы. Одни находят определяющим в содержании данного микроэлемента наличие тонкодисперсной фракции [9], другие отмечают тесную положительную связь с количеством гумуса [2]. Ю.Н. Водяницкий [10] также указывает на то, что сродство меди с органическим веществом зависит от концентрации ее в почве. При низких концентрациях ионов меди основная ее доля связывается с органическим веществом, тогда как при увеличении содержания данного элемента значительная ее часть закрепляется не только гумусом, но и глинистыми минералами.

Большая часть меди фиксируется высокодисперсной частью почвы в обменной форме, но некоторая доля закрепляется необратимо. Это явление, по мнению М.С. Панина, Т.И. Гулькиной [11], связано с осаждением малорастворимых соединений меди на поверхности кристаллов. Кроме того, катионы меди способны проникать внутрь кристаллов и замещать ионы кристаллической решетки. Подобным образом медь взаимодействует с каолинитом, монтмориллонитом, биотитом, мусковитом, вермикулитом.

В почвах Приенисейской части Батеневского кряжа содержание гумуса оказывает слабое влияние на подвижность меди. В поверхностных горизонтах почв, за исключением чернозема криптоглееватого, содержание меди ниже, чем в нижележащих горизонтах (табл.). Среднее количество подвижной меди в гумусовоаккумулятивных горизонтах составляет 7,65 мг/кг, это несколько меньше, чем в среднем по всей почвенной толще (8,45 мг/кг).

Содержание кислоторастворимых форм меди и кобальта и факторы их определяющие

Разрез, горизонт Си, мг/кг Со, мг/кг Физическая глина,% Ил,% Гумус,% рН СаС03,%

Рендзин типичный выщелоченный маломощный тучный легкосуглинистый

Ад 7,44 11,09 21,93 13,55 14,14 6,91 0,37

А 7,86 10,78 40,74 23,17 6,72 7,57 1,10

АВк 7,88 10,66 36,00 21,60 3,10 8,25 31,92

ВСк 7,61 10,78 31,17 18,38 2,41 8,26 12,84

Рендзин иллювиально-глинистый выщелоченный маломощный тучный среднесуглинистый

А 6,64 10,82 36,78 21,59 9,65 7,29 0,55

АВ 7,05 10,12 35,60 27,20 2,79 8,19 0,18

Вк 6,99 10,57 34,35 22,77 1,55 8,35 1,83

ВСк 6,89 11,17 30,66 18,31 1,12 8,38 15,78

Чернозем криптоглееватый карбонатный среднемощный многогумусированный тяжелосуглинистый

Ад 8,01 11,14 46,30 32,33 7,58 7,68 1,10

АВк 6,96 12,95 42,37 31,98 5,52 8,15 6,24

В1к 7,38 14,43 45,96 34,77 3,28 8,41 6,24

В2к 8,33 14,25 45,36 25,86 0,59 8,60 18,35

В3к 5,88 10,61 42,70 24,34 0,33 8,63 12,11

СВк 8,32 8,97 37,79 23,07 0,26 8,44 18,71

Чернозем солонцеватый среднемощный тучный легкосуглинистый

Ад 7,49 7,63 29,19 19,2 11,27 5,60 0,92

А 8,24 11,22 48,33 33,55 5,52 6,63 0,55

АВк 7,35 13,70 48,74 34,76 1,76 7,67 4,59

Вк 7,23 12,16 46,29 30,33 1,14 7,87 54,85

ВСк 8,49 11,80 36,30 27,52 0,16 7,55 31,74

Чернозем засоленный маломощный среднегумусированный среднесуглинистый

Адк 7,38 9,19 30,39 17,19 7,41 6,84 7,34

А 8,83 11,76 43,94 29,56 6,55 7,06 2,75

АВк 8,10 12,75 39,58 30,38 3,97 7,15 6,05

В1к 8,61 13,71 38,25 23,90 0,64 7,30 13,03

В2к 9,39 11,71 35,98 20,79 0,52 7,77 16,69

В3к 7,77 9,86 35,11 21,94 0,33 8,37 13,03

ВСк 8,50 11,08 35,42 25,87 0,31 8,74 13,39

Значительно сильнее на обеспеченность исследуемых почв подвижной медью влияют илистая фракция и физическая глина. Особенно велико влияние этих показателей в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв.

Относительное обеднение поверхностных горизонтов тонкодисперсными фракциями и увеличение их содержания в нижележащих обусловливают схожее профильное распределение подвижных форм меди. В легких почвах количество подвижной меди больше, чем в тяжелосуглинистых. При этом влияние физической глины выражено сильнее, чем илистой фракции, это, возможно, связано с тем, что предилистые частицы участвуют в сорбции и закреплении меди активнее, чем ил.

Соответственно только чернозем криптоглееватый тяжелосуглинистой разновидности характеризуется относительным накоплением меди в верхнем горизонте (см. табл.). В черноземе солонцеватом не наблюдается значительного обогащения иллювиального горизонта подвижными соединениями рассматриваемого элемента, что, вероятно, обусловлено слабым развитием процесса осолонцевания.

Иллювиально-карбонатный горизонт служит физико-химическим барьером для многих веществ, выносимых нисходящими потоками водных растворов. Для большинства рассматриваемых почв характерна аккумуляция подвижных форм меди на физико-химических карбонатных геохимических барьерах. На общем щелочном фоне из-за карбонатности среды контрастность этого барьера невелика, но вынос подвижных форм меди за пределы ландшафта, благодаря карбонатному экрану, видимо, исключен.

В рендзине иллювиально-глинистом и черноземе солонцеватом накопление меди в карбонатных горизонтах не выявлено. В рендзине аккумуляция подвижных форм меди отмечается в горизонте АВ, что, вероятно, обусловлено увеличением содержания на этой глубине илистой фракции. Чернозем солонцеватый характеризуется сульфатно-хлоридным засолением с участием соды, в присутствии которой образуются растворимые комплексные соединения. Согласно исследованиям И.В. Якушевской, А.Г. Мартыненко [12], медь в условиях содового гипергенеза отличается повышенной подвижностью. В связи с этим, вероятно, происходит вынос элемента с содовыми растворами поверхностного стока в нижнюю часть почвенного профиля.

Латеральные потоки обусловливают перераспределение веществ в геохимически сопряженных почвах. Увеличение средних значений содержания меди от элювиальных ландшафтов к аккумулятивным связано с некоторой миграцией данного элемента в подчиненные ландшафты, а также с уменьшением возможности миграции подвижных форм меди с боковым и поверхностным стоком, как вследствие уменьшения крутизны склона, так и подщелачивания реакции среды.

Содержание и распределение подвижных форм кобальта определяется теми же факторами, что и у меди, но направление и сила их влияния несколько отличны. Кроме того, использование сильнодействующего растворителя в данном случае обусловливает извлечение довольно большого количества кобальта не только из обменного состояния, но и из растворимой в кислоте минеральной части почв. Поэтому часто затруднительно проследить незначительные изменения в концентрации кислоторастворимого кобальта в профиле, связанные с почвенными факторами.

Распределение подвижных форм кобальта по почвенному профилю, как отмечают многие исследователи, находится в зависимости от содержания гумуса и гранулометрического состава. Однако, по данным М.А. Мальгина [13], такая зависимость прослеживается не всегда. Также возможен некоторый вынос подвижных форм кобальта из гумусовых горизонтов и фиксация его в карбонатном горизонте. Формы связи кобальта с органическим веществом почв слабо изучены. Известно, что он находится на поверхности органических коллоидов и с аминокислотами образует соединения типа хелатов. Комплексы кобальта с гуминовы-ми кислотами частично растворимы в воде [2].

В почвах исследованной территории четкой зависимости содержания подвижного кобальта от гумуса не обнаруживается. Некоторая аккумуляция в гумусовом горизонте отмечается в почвах верхних частей склонов, сформированных под лесной растительностью. В целом же в почвах склонов накопление подвижных форм кобальта в гумусовых горизонтах не выражено. Возможно, это связано с избирательным поглощением кобальта различными растительными формами. По мнению ряда исследователей [14, 15], деревья и кустарники, по сравнению с травянистой растительностью, более интенсивно поглощают катионогенные элементы, подвижные в кислотной среде, к которым относится кобальт.

Также меньшие концентрации подвижного кобальта в поверхностных горизонтах могут быть связаны с нейтральной реакцией среды гумусовых горизонтов. Согласно А.И. Перельману [5], осаждение кобальта происходит при рН = 6,8. В черноземе солонцеватом отмечается аккумуляция данного элемента в иллювиальном солонцовом горизонте, характеризующемся смещением значений реакции среды из нейтрального в слабощелочной диапазон. Накопление кобальта в солевых горизонтах носит гидрогенный характер и связано с тем, что часть соединений кобальта принимает участие в миграции легкорастворимых солей по профилю в зависимости от сезонного режима увлажнения [13]. Распределение в профиле потенциально доступных форм кобальта не всегда следует за содержанием физической глины и илистой фракции. Наиболее четко эта связь прослеживается в черноземах криптоглееватом и солонцеватом. Обогащенность почвообразующих пород рассматриваемым микроэлементом, обусловливает некоторое увеличение его содержания в нижней части профиля исследуемых почв (см. табл.).

Установить какие-либо общие закономерности распределения данного элемента не удалось. Для всех почв характерна некоторая его аккумуляция в средней части профиля. По данным А.И. Сысо [2], увеличение содержания элементов в почвах происходит за счет образования их прочносвязанных соединений и ведет к снижению подвижности элемента. Поэтому очевидно, что полученные в данной работе результаты распреде-

ления кобальта больше соответствуют его прочносвязанным соединениям, способным переходить в подвижное состояние только в экстремальных условиях среды. Непосредственно подвижных форм микроэлементов в почвах Приенисейской части Батеневского кряжа, исходя из индивидуальных характеристик кобальта и условий почвообразования, содержится немного и преимущественно в верхних гумусовых горизонтах.

Таким образом, влияние свойств почв на содержание и профильное распределение меди и кобальта многофакторно и значительно изменяется в зависимости от генетических особенностей почв. Полученные результаты содержания кислоторастворимых форм микроэлементов в почвах исследованной территории, в связи с ее удаленностью от локальных источников загрязнения, могут служить основой для фонового почвенного мониторинга и экологического нормирования.

Литература

1. Мотузова Г.В. Специфические контролируемые показатели химического состояния почв // Почвеннохимический мониторинг фоновых территорий. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 43-52.

2. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во ТО РАН, 2007. - С. 158-235.

3. Мотузова Г.В. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг. - М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 166 с.

4. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы Восточного Казахстана (фоновый уровень). - Семипалатинск: ГУ «Семей», 1999. - С. 104-253.

5. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. - М.: Изд-во географ. лит-ры, 1961. - С. 181-215; 465-468.

6. Джеррард А. Дж. Почвы и формы рельефа. Комплексное геоморфолого-почвенное исследование. -Л.: Недра, 1984. - 208с.

7. Ермоленко Н.Ф. Микроэлементы и коллоиды почв. - Минск: Наука и техника, 1966. - С. 53-164.

8. Ринькис Г.Я. Сбалансированное питание растений макро- и микроэлементами. - Рига: Зинатне, 1982.

- С. 17-32.

9. Ильин В.Б. Биогеохимия и агрохимия микроэлементов (Мп, ^, Mo, B) в южной части Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1973. - С. 89-258.

10. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. - М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2008 - С. 42-57.

11. Панин М.С., Гулькина Т.И. К вопросу о механизмах поглощения меди (II) почвами // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде: докл. III Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1.

- Семипалатинск, 2004. - С. 420-430.

12. Якушевская И.В., Мартыненко А.Г. Микроэлементы в ландшафтах колочной лесостепи // Почвоведение. - 1972. - № 4. - С. 44-54.

13. Мальгин М.А. Биогеохимия микроэлементов в Горном Алтае. - Новосибирск: Наука, 1978. - С. 52-154.

14. Ковальский В.В. Микроэлементы в почвах СССР. - М.: Наука,1970. - 177с.

15. Касимов Н.С. Геохимия степных и пустынных ландшафтов. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - С. 3-118.