CC BY
196
УДК 631.416
КОРЕЛЬСКАЯ Татьяна Александровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 27 научных публикаций, в т. ч. одной монографии
ПОПОВА Людмила Федоровна, кандидат химических наук, профессор, доцент кафедры химии Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор более 100 научных публикаций, в т. ч. двух монографий и двух учебно-методических пособий
НАКВАСИНА Елена Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой лесоводства и почвоведения Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 196 научных публикаций, в т. ч. 5 монографий и 12 учебно-методических пособий
ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И МИГРАЦИИ
БИОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ СЕЛИТЕБНОГО ЛАНДШАФТА
г. АРХАНГЕЛЬСКА *
В статье изучены кумуляция и миграция биофильных элементов (БЭ) в почвах города Архангельска. Практически во всех типах городских почв содержание БЭ выше, чем в природной почве. Установлена взаимосвязь территориального накопления БЭ с типом подстилающих грунтов. Распределение подвижных форм биофильных элементов по профилю разных типов почв Архангельска отличается от распределения в природных почвах и, как правило, имеет гумусово-аккумулятивный характер.
Почва, биофильные элементы, кумуляция, миграция, селитебный ландшафт
Введение. С экологических позиций город представляет собой модель крайне неустойчивой экосистемы, которая, находясь под постоянным антропогенным прессом, утратила способность к саморегуляции и самовосстановлению. Важную роль в устойчивости городской природной среды играет состояние почвенного покрова. Количество биофильных
элементов в почвах урбоэкосистем не только определяет успешность роста растительности, имеющей санирующее значение, но и является педохимическим показателем, применяемым при импактном мониторинге. Содержание биогенных элементов косвенно отражает уровень загрязнения и подвижность в почвах тяжелых металлов и металлоидов, так как из-
* Исследования поддержаны грантом РФФИ-север 08-0498808. © Корельская Т. А., Попова Л.Ф., Наквасина Е.Н., 2011
менение состава обменных катионов приводит к изменению кислотно-основного баланса и, как следствие, подвижности многих химических элементов, среди которых как элементы питания, так и поллютанты [1]. Целью данной работы было оценить экологическое состояние почвенного покрова Архангельска в отношении обеспеченности его биофильными элементами и степени загрязненности тяжелыми металлами.
Объекты исследования. Почвенный покров исторического центра и зоны современной застройки (60-80-х годов ХХ века) представлен комплексом типичных городских почв: культуроземов и урбаноземов. В зоне новостроек преобладают реплантоземы (рис. 1). Во всех районах города большую долю территории занимают запечатанные почвы (экранозе-мы), скрытые асфальтом [2].
Рис. 1. Схема распространения городских почв в центральной части г Архангельска (рисунок И. Буракова и О. Калининой): 1 - урбаноземы на культурном слое, мощностью 0,3—5,5 м, подстилаемом мореной; 2 - урбаноземы на культурном слое мощностью до 3,7 м, подстилаемом торфом; 3 — урбаноземы на культурном слое мощностью 0,2—2,0 м, подстилаемом слабо- и среднераз-ложившемся торфе; 4 — реплантоземы на песке
Урбаноземы, формирующиеся на культурном слое, включают верхнюю прогумусирован-ную часть и по морфологическим свойствам
различаются набором насыпных горизонтов и их мощностью. Профили почв характеризуются чередованием супесчаных горизонтов с песчаными и глинистыми прослойками. Реплантоземы - почвенно-технические образования, созданные путем смешивания торфа с песком при обустройстве территории, толща наполнена строительным мусором. Они формируются как на насыпных грунтах, так и на погребенных естественных почвах. В Петровском парке (исторический центр города Архангельска) выявлен культурозем легкосуглинистый, по свойствам близкий к дерновой окультуренной естественной почве.
Все почвы города Архангельска характеризуются повышенными значениями суммы обменных оснований (до 71,0 мг-экв./100 г почвы), емкости поглощения (до 72,3 мг-экв./100 г почвы), степени насыщенности основаниями (до 98,2%) и имеют реакцию среды, близкую к нейтральной. рН солевой почвенной вытяжки в среднем составляет: 5,97 (реплантоземы), 6,06 (урбаноземы), 6,09 (культуроземы). рН природной почвы - 4,90. Значения pH водной и солевой вытяжек вглубь по профилю варьируют незначительно. Содержание в почвах города органического углерода в три раза больше, чем в природной почве, и в отдельных слоях почвенных разрезов колеблется от 0,21% до 5,3% [2].
Методы исследования. Описание 39 пробных площадей и почвенных разрезов проводили согласно общепринятым методикам [3] с учетом рекомендаций по изучению городских почв [4, 5]. Для изучения пространственной вариабельности некоторых показателей свойств почв были дополнительно взяты смешанные образцы из верхнего слоя 0-20 см в 36 точках на территории города [6].
Городские почвы сравнивали с природной дерновой маломощной легкосуглинистой почвой, сформировавшейся на суходольном лугу в районе деревни Бабонегово в 30 км от Архангельска. Такой выбор был обусловлен тем, что процесс образования почв в Архангельске протекает по дерновому, а не по подзолообразовательному типу, характерному для региона.
В почвах города Архангельска, взятых с пробных площадей (далее ПП) с различным уровнем антропогенной нагрузки и степенью захламленности нами исследовано содержание подвижных форм фосфора, калия и азота (нитратного и аммонийного). Оценку уровня обеспеченности почв Архангельска биофильными элементами провели, анализируя данные о содержании их в верхнем слое почвы (0-20 см) и дополнительно в почвенном профиле (табл. 1-3). При анализе
Результаты и их обсуждение. Изменение содержания подвижных форм фосфора в городских почвах Архангельска просматривается нагляднее всего. На подавляющем большинстве (45 из 55) исследованных участков, в почвах наблюдается повышенное, высокое и очень высокое содержание подвижных форм фосфора. Практически во всех городских почвах содержание подвижных фосфатов в 1,1-18 раз выше, чем в природной дерновой почве (табл. 1).
Таблица 1
СОДЕРЖАНИЕ ФОСФАТОВ (Р2О5, мг/кг)
В СЛОЯХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА
Тип почвы Число 1111 (п, шт.) Слои*
1 2 3 4
Культуроземы 3 1139 ±170 801 -1420 716 ±107 640 - 847 548 ±82 546-550 н/д
Урбаноземы 10 1320 ± 198 933 ± 140 392 ±58 206 ±31
0 - 5870 0-3617 190-1686 34-463
Реплантоземы 12 684 ± 97 6-3446 329 ±49 12-1516 159 ±23 75-247 112+16 42-264
Естественные дерновые почвы 2 199 + 29 29-369 287 + 43 31-542 170 ±25 72-268 290±43
Примечание: в числителе указаны средние значения, в знаменателе - минимум и максимум содержания Р2О5 (мг/кг) в почвенных слоях; н/д - нет данных.
*Суммарная глубина почвенных разрезов не превышает 50 см.
миграционных свойств элементов для упрощения восприятия материала, с целью обобщения данных по природным и антропогенным почвам, было использовано обезличенное понятие «слой», а не почвенный горизонт, без указания его мощности. В данном случае целью исследований было показать характер миграционных свойств элементов, их связь с типами почв, а не концентрацию в определенном горизонте почвы.
Содержание фосфора и калия в образцах почв определяли методом Кирсанова в модификации цИнАО (ГОСТ 26207-91) [7] в испытательной лаборатории на станции агрохимической службы «Архангельская». Определение нитратного азота проводилось по методу ЦИНАО (ГОСТ 2648885) [8], аммонийного - колориметрическим методом с применением реактива Несслера [9].
Большая обеспеченность городских почв подвижными формами фосфора отмечена по периферии Архангельска, где часто встречаются урбаноземы, подстилаемые мореной и торфяные реплантоземы. Концентрическое расположение зон разного уровня содержания Р2О5 (рис. 2) возможно связано с двумя причинами: возрастом застройки и с типом подстилающих грунтов. В центре современного Архангельска лежат торфа, достигающие глубины более 12 м. Они обеспечивают высокий миграционный сток, который усиливается за счет песчаной отсыпки, нередко мощностью до 4 м и более, осуществляемой при строительстве на торфах. По периферии города расположена глинистая морена, снижающая промывание почв и повышающая концентра-
@ - низкое (< 200 мг Р205/кг почвы) Ш - низкое (< 50 мг К20/кг почвы)
^ - среднее и повышенное §1 - среднее и повышенное
(200-700 мг Р205/кг почвы) (50-150 мг К20/кг почвы)
Я - высокое (700-1000 мг Р205/кг почвы) Я - высокое (> 150 мг К20/кг почвы)
а) фосфор (Р205)
б) калий (^О)
® - низкое (< 10 мг К03/кг почвы)
® - среднее и повышенное (10-50 мг К03/кг почвы)
® - высокое (50-100 мг К03/кг почвы) в) нитраты (N0^)
Рис. 2. Содержание подвижных форм биофильных элементов в почвах г Архангельска, мг/кг почвы
цию биогенных элементов в поверхностных слоях почвенного покрова [2, 10, 11]. Так, по исследованиям Никитина А.В. [11] коэффициент фильтрации естественных торфов в центре Архангельска составляет 2,9—5,1 м/сут. В то же время этот показатель для песчаных грунтов в среднем составляет 10-15 м/сут, а для глинистых - менее 0,001 м/сут.
Подвижный фосфор в городских почвах аккумулируется в верхнем гумусовом горизонте (табл. 1), в результате связывания его в виде нерастворимых фосфатов. Миграция фосфора вниз по профилю может быть вызвана адсорбцией его на аморфных гидроксидах (в том числе на гидроксидах железа и марганца), которые в условиях интенсивного промывного водного режима выносятся в нижние горизонты почвенных профилей. Хемосорбция фосфатов может осуществляться и на слоистых алюмосиликатах вследствие связывания их поверхностно расположенными катионамиалюминия.
В культуроземах вниз по профилю количество подвижного фосфора уменьшается постепенно, а в реплантоземах и, особенно, в урбаноземах наблюдается резкое колебание со-
держания Р2О5 как между почвенными разрезами, так и между горизонтами одного профиля. На 17% реплантоземов и 42% урбаноземов содержание подвижного фосфора в верхних слоях гораздо ниже, чем в подстилающих. Это обусловлено тем, что горизонты городских почв имеют антропогенное происхождение. Урбаноземы и реплантоземы вообще созданы искусственным путем, для них характерно наибольшее захламление толщи, а при их создании используются различные грунты (торф, шлак и др.). Поэтому свойства этих почв по слоям меняются резко, а значит, резко должно меняться и содержание химических соединений, в частности фосфатов в них.
В естественной почве наблюдается повышение содержания фосфатов в гумусовом горизонте и в нижних слоях.
Содержание подвижного калия (в пересчете на К2О) на 50% пробных площадей характеризуется как среднее и повышенное, а на 36% -как высокое и очень высокое. В 9 из 47 случаев содержание подвижного калия в городских почвах оказалось ниже, чем в природных почвах. Аналогично распределению фосфатов, увели-
чение накопления калия в почвах наблюдается от центра к периферии города (рис. 2).
Миграционная способность подвижного калия, как и фосфора в почвах города Архангельска низкая (табл. 2).
Распределение К2О по профилю зависит от типа почвы: в культуроземах с глубиной количество подвижного калия снижается резко, а в реплантоземах и урбаноземах наблюдается монотонное уменьшение содержания К2О между горизонтами.
В культуроземах и реплантоземах это связано с содержанием в верхних горизонтах значительного количества фракции физической глины (от 16,75% до 43,25%) и достаточно высокого содержания гумуса (от 4% до 6%). С гу-миновыми кислотами К2О образует легко диссоциирующие гетерополярные соли - один из основных резервов подвижного калия в почве. В урбаноземах эта закономерность не наблюдается, но все же в верхних слоях содержится максимальное количество калия. Накопление высоких количеств данного элемента в поверхностном слое всех типов городских почв прежде всего связано с высокой легкостью и значительной интенсивностью высвобождения его из растительных остатков с последующим закреплением в гумусовом горизонте.
Однако на 50% реплантоземов и 32% урбано-земов содержание подвижного калия во втором слое гораздо выше, чем в верхнем. Это связано с опесчаниванием поверхностных слоев этих городских почв.
В естественной почве максимумы накопления калия выявлены в верхнем (дернина) и нижнем (материнская горная порода) слоях (80 мг/кг и 129 мг/кг соответственно). Это совпадает с высоким уровнем содержания в них фракции с размером частиц <0,01 мм и появлением в нижнем слое алюмосиликатов, связывающих ионы калия вследствие проникновения последних в межпакетные пространства минерала.
Обеспеченность почв Архангельска подвижными формами азота (ИО3-, ИН+) довольно высокая. Содержание нитратов в городских почвах на 49% ПП характеризуется как среднее и повышенное. В 6 из 45 случаев содержание нитратов превышает ПДК (130 мг/кг) в 1,4—1,7 раз (рис. 2). Значительный вклад в насыщение почв Архангельска нитратами вносит транспорт и предприятия теплоэнергетики. Нами установлена значимая прямая зависимость (г = 0,79) между содержанием нитратов в почвах и транспортной нагрузкой на прилегающих улицах Архангельска. Содержание №Н4+ в верхнем слое (0-20 см) городских почв колеблется от
Таблица 2
СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНОГО КАЛИЯ (К2О, мг/кг)
В СЛОЯХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА
Тип почвы Число 1111 Слои
(п, шт.) 1 2 3 4
Культуроземы 3 181,4 ±27,1 125,4-177,8 8,0 ± 1,2 7,8 - 8,2 8,0 ± 1,2 7,8-8,2 н/д
Урбаноземы 10 129,0 ±19,3 32,4-348,7 81,9 + 12,2 9,8-505,0 71,1 ±10,7 5,4-179,0 36,3 ±5,4 4,1-66,0
Реплантоземы 12 102,5 ±15,4 13,2-409,9 60,7 ±9,1 5,1-177,8 33,2 ±4,9 43-70,7 21,9 ±3,2 6,2-34,0
Естественные дерновые почвы 2 80,1+12,0 70,2—90,0 37,5 + 5,6 14,0-61,0 107,3 + 16,1 97,5-117,0 129,0±19,5
Примечание: в числителе указаны средние значения, в знаменателе - минимум и максимум содержания К2О (мг/кг) в почвенных слоях; н/д - нет данных.
91,42 мг/кг до 161,37 мг/кг, а в естественной почве составляет 109,4 мг/кг. Максимальное содержание аммония характерно для культуро-земов, имеющих суглинистый гранулометрический состав.
В городских почвах содержание нитратного азотаповышено в верхнихслояхпочвы (табл. 3). Однако часто наблюдаются максимумы его содержания и в нижележащих горизонтах.
На 31% реплантоземов и 23% урбаноземов содержание нитратов во втором слое гораздо выше, чем в верхнем. Часто наблюдается некоторое увеличение содержания нитратов в нижних почвенных горизонтах, что, прежде всего, может быть связано с промывным типом водного режима, характерным для региона. Особенно ярко максимумы накопления нитратов выражены в естественной дерновой почве:
в верхнем горизонте (дернине), где идет разложение органического вещества, и в почвообразующей породе. Накопление минеральных форм азота вследствие отмирания азотфикси-рующих микроорганизмов происходит в верхних слоях почвы, в результате чего последние обогащаются аммонийным азотом (табл. 3). Распределение аммония в почвенных профилях городских почв носит ярко выраженный гумусово-аккумулятивный характер. В естественной почве содержание его увеличивается в верхней и средней части профиля, по сравнению с дерниной.
Выводы.
1. Накопление биофильных элементов в почвах Архангельска связано в первую очередь с геологическим строением, возрастом заселения территории (продолжительностью антропоген-
Таблица 3
СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ АЗОТА (мг/кг)
В СЛОЯХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА
Тип почвы Число ПП (п, шт.). Слои
1 2 3 4
Нитратный азот (Ы03‘), мг/кг
Культуроземы 3 82,7 ±12,4 2,2-212,7 55,1 ±8,3 2,0-159,3 29,8 ± 4,4 2,0-57,5 н/д
Урбаноземы 10 23,5 ±3,5 2,2-102,4 13,8 ±2,1 1,0-47,1 22,1 ±3,3 0,1-38,5 49,3 ±7,4 24,1-112,8
Реплантоземы 12 60,6 ±9,1 3,5-223,7 64,8 ±9,7 2,2-198,0 46,5 ± 6,9 1,4-106,9 56,5 ±8,5 21,7-98,6
Естественные дерновые почвы 1 73,2±10,7 33,0±4,9 н/д 123,7±18,5
Аммонийный азот (ЫН4+), мг/кг
Культуроземы 3 172±25 144-217 174 ± 26 131-242 170 + 25 127-205 н/д
Урбаноземы 3 120 + 18 119-134 105 ±15 100-124 103 + 15 97-113 н/д
Реплантоземы 3 101 ±15 91-128 94 ±14 81-118 104 ±15 95-116 н/д
Естественные дерновые почвы п = 1 98 121 109 н/д
Примечание: в числителе указаны средние значения, в знаменателе - минимум и максимум содержания NO3'(мг/кг) и МН4+ (мг/кг) в почвенных слоях; н/д - нет данных.
ной нагрузки на почвы) и промывной способностью грунтов на территории города. Для территории Архангельска характерен концентрический тип их распределения: максимальная локализация отмечена по периферии города и на территории старой исторической зоны, где почвообразующей породой является тяжелая морена. В центре современного Архангельска, расположенном на торфах с песчаной отсыпкой, отмечен минимум накопления биофильных элементов.
2. Содержание всех рассмотренных биофиль-ных элементов в городских почвах Архангельска в большинстве случаев превышает их содержание в природных почвах. По сравнению с урбано-земами и культуроземами меньше их накапливается в реплантоземах - почвах новостроек.
3. Распределение подвижных форм био-фильных элементов по профилю разных типов
почв Архангельска отличается от распределения в природных почвах и, как правило, имеет гумусово-аккумулятивный характер. Максимальное количество химических элементов сосредоточено в верхних горизонтах, наиболее богатых гумусом. Вниз по почвенному профилю содержание элементов снижается, иногда очень резко, что, прежде всего, может быть связано с опесчаниванием почв. Характер распределения мигрирующих элементов зависит от типа почв, их механического состава, обеспеченности органическим веществом и других свойств.
4. Распределение биофильных элементов по почве зависит также от миграционных свойств элементов, которые обладают разной подвижностью и особенностями закрепления в почве. В городских почвах наименьшей миграционной способностью обладает фосфор.
Список литературы
1. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. М., 2007.
2. Наквасина Е.Н., Пермогорская Ю.М., Попова Л.Ф. Почвы Архангельска. Структурно-функциональные особенности, свойства, экологическая оценка. моногр. Архангельск, 2006.
3. Наквасина Е.Н., Шаврина Е.В. Геоботанические исследования. Архангельск, 1998.
4. Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурностроительной документации / под ред. А.Д. Мягковой и др. М., 1996.
5. Строганова М.Н. Городские почвы: генезис, классификация, функции // Почва, город, экология / под ред. Г.В. Добровольского. М., 1997. С. 15-88.
6. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки почв для химического, бактериологического и гельминтологического анализа. Постановление Госстандарта СССР от 19.12.1984 № 4731.
7. ГОСТ 26207-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО. Постановление Госстандарта СССР от 29.12.1991 № 2389.
8. ГОСТ 26488-85. Почвы. Определение нитратов по методу ЦИНАО. Постановление Госстандарта СССР от 26.03.1985 № 821.
9. БусевА. И. Колориметрические методы определения неметаллов. М., 1963.
10. Невзоров А.Л. Особенности взаимодействия техносферы и геологической среды Архангельска // Поморье в Баренц регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура: мат. междунар. конф. Архангельск, 2000. С. 164-165.
11. Никитин А.В. Геотехническое обеспечение проектирования объектов городской инфраструктуры на за-торфованных основаниях: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2006.
Korelskaya Tatiana, Popova Lyudmila, Nakvasina Elena ACCUMULATION AND MIGRATION PECULIARITIES OF BIOPHILIC ELEMENTS IN THE SOILS OF ARKHANGELSK RESIDENTIAL AREAS
Accumulation and migration of biophilic elements (BE) in the soils of Arkhangelsk are studied in the article. The BE content is higher practically in all types of urban soils as compared with the natural soil. The
territorial BE accumulation is proved to be interrelated with the type of underlying soils. The distribution of mobile biophilic elements by the profile of different soil types differs from the distribution in natural soils and, as a rule, has a humus-accumulative character.
Контактная информация: Корельская Татьяна Александровна e-mail: fc.chemistry@pomorsu.ru; takorelskaya@yandex.ru
Попова Людмила Федоровна e-mail: fc.chemistry@pomorsu.ru; luda9857@pochta.ru Наквасина Елена Николаевна e-mail: elnak@atnet.ru
Рецензенты - Боголицын К.Г., доктор химических наук, профессор, директор Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН, проректор по научной работе Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова; Ларионов Н.С., кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН
