CC BY
24
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МАРГАНЦА И МЕДИ В ПОЧВАХ БАССЕЙНОВ РЕК УГРЫ И ЖИЗДРЫ
Д.Е. Осина
Аннотация. Статья посвящена особенностям распределения марганца и меди в почвах долины Угры и Жиздры. Целью данного исследования является установление параметров распределения и перераспределения марганца и меди по основным типам почв и геохимическим ландшафтам бассейнов рек Угры и Жиздры. Полученные данные свидетельствуют о наибольшей аккумуляции в почвах марганца, который интенсивно накапливается растениями. В статье приводится анализ особенностей распределения металлов по профилям почв.
Ключевые слова: тяжелые металлы, медь, марганец, почва, ландшафты.
Summary. The article is dedicated to particularity of the distribution of manganese and copper in the soils of the Ugra and Zhizdra valley. The purpose of the researching is to determine the parameter of manganese and copper distribution and redistributions in the main types of soils and geochemical landscapes of Ugra and Zhizdra valley. The materials are indicative of the highest accumulation of manganese in the soils, which is intensively accumulated by plants. Special analysis of the distribution of metals in soil profiles is presented.
Keywords: heavy metals, copper, manganese, soil, landscapes.
Особая роль в геохимическом мониторинге и оценке экологического состояния окружающей среды отводится изучению тяжелых металлов (ТМ), которые занимают одно из первых мест в списке приоритетности загрязняющих веществ [1].
Содержание ТМ в почвах зависит, от состава исходных горных пород, значительное разнообразие которых связано со сложной геологической историей развития территорий [2]. Химический состав почвообразую-щих пород представлен, как правило, продуктами выветривания горных пород и предопределен химическим составом исходных горных пород и
зависит от условий гипергенного преобразования.
Известное высказывание В.И. Вернадского о том, что человечество становится реальной геологической силой, во многом подтверждается фактом поступления в окружающую среду большого количества химических веществ, в том числе тяжелых металлов и их соединений, не имеющих аналогов в природе [3].
Сами тяжелые металлы являются веществами, которые в повышенных концентрациях вызывают необратимые изменения в живых организмах, в том числе мутации и отравления. Очевидно, что это может существен-
237
но влиять на все компоненты геосистем. Учитывая это, исследования загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами представляются приоритетным направлением развития экологии и экологической геохимии.
Актуальность данного исследования определяется также тем, что большую часть территории бассейнов рек Угры и Жиздры занимает национальный парк «Угра», который является самой крупной особо охраняемой природной территорией региона, и на его долю приходится половина площади ООПТ Калужской области, но до сих пор работ по изучению тяжелых металлов в почвах бассейнов рек Угры и Жиздры не проводилось.
Целью исследования является диагностика содержания тяжелых металлов в почвах бассейнов рек Угра и Жиз-дра и определение параметров концентраций тяжелых металлов в различных геохимических ландшафтах.
В процессе исследования было отобрано 80 почвенных образцов с разных почвенных горизонтов и геохимических ландшафтов. В пределах террито-238 рии было заложено 4 катены (15 почвенных разрезов). Определение содержания тяжелых металлов проводилось в солянокислых вытяжках (1 н HCl) из почвы методом атомной абсорбции на атомно-абсорбционном спектрофотометре Spektr-5.3. Определялись следующие металлы: медь и марганец.
На исследуемой территории представлены различные по механическому составу и генезису почвообразую-щие породы: лессовидные, моренные и покровные суглинки, пески, аллювиальные отложения.
В долине реки Угра были заложены 2 транссекты (через правый и левый берег). Следует отметить, что почвоо-
бразующие породы левого берега р. Угры, на которых сформировались дерново-подзолистые почвы различной степени оподзоленности, представлены песками значительной мощности. Почвообразующие породы правого берега представлены покровными суглинками. Здесь также сформировались различные подтипы дерново-подзолистых почв. В долине реки Жиздра также были заложены две транссекты (через правый и левый берег).
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что концентрация подвижных форм меди в почвах правого берега реки Угры значительно выше, чем в аналогичных почвах, сформировавшихся в пределах левого берега (от 1,3 мг/кг до 3,4 мг/кг в гумус содержащих горизонтах, от 1,6-2,0 мг/кг до 4,45,0 мг/кг в горизонтах С). Объясняется это тем, что почвообразующие породы левого берега Угры представлены опес-чаненной мореной, а почвы правобережья Угры сформировались на покровных суглинках. Концентрация тяжелых металлов в высокодисперсных частицах, представленных глинистыми минералами, в целом выше, чем в обломочных, благодаря высокой адсорбционной способности глинистых минералов. По этой причине почвы тяжелого гранулометрического состава, как правило, имеют более высокие уровни концентрации металлов.
Для всех подтипов дерново-подзолистых почв (как правого, так и левого берега реки Угра) характерно увеличение концентрации меди от гумусового горизонта к почвообразующей породе, что связано с вымыванием форм исследованного металла вниз почвенного профиля и его привнос в нижележащие горизонты. Исключение составляет почва, сформировавшаяся в пределах цен-
тральной поймы, где содержание меди достигает своего максимума (4,0 мг/кг) в верхних горизонтах. Это объясняется ежегодным привносом данного металла вместе с речными водами и обогащение им верхних горизонтов почвы.
Пространственное распределение меди по почвенной катене свидетельствует о выраженности процесса геохимического сопряжения как для почв левобережья Угры, так и для транссекты, заложенной на правом берегу реки Угры. На проявление этого процесса указывают наибольшие концентрации металла в аккумулятивных ландшафтных обстановках (поймах) (3,7 мг/кг). Наименьшее содержание данного элемента характерно для водоразделов обоих катен (0,6 мг/кг). Процесс геохимического сопряжения лучше выражен в почвах правобережья Угры, так как, с одной стороны, содержание меди здесь выше, чем в почвах левого берега Угры, с другой стороны, это связано, с тем, что почвы правобережья Угры более тяжелого механического состава.
На правом и левом берегу реки Жиз-дры распространены следующие типы почв: на пойме - слоистая почва прируслового вала, на 1-ой надпойменной террасе - псамозем оподзоленный, на 2-ой надпойменной террасе - серая лесная и на водоразделе - дерново-подзолистая почва. Почвы левого берега реки Жиз-дра более тяжелые по своему механическому составу, следовательно, и концентрации меди в почвах левого берега выше, чем правого. Для серых лесных и дерново-подзолистых почв характерно уменьшение концентрации меди от гумусового горизонта вниз почвенного профиля, и ее возрастание в горизонте С. На 1-ой надпойменной террасе левого берега Жиздры сформировался псамо-зем на двучленной породе. Из морфоло-
гических признаков следует отметить чередование суглинистых почвенных горизонтов с песчаными. В отличие от пса-мозема оподзоленного, сформированного в аналогичных ландшафтно-геохи-мических условиях правого берега реки Жиздры, распределение меди по профилю имеет следующие особенности: в суглинистых почвенных горизонтах было отмечено повышенное содержание меди по сравнению с песчаными. В целом в почвах двух катен проявляется процесс геохимического сопряжения, то есть содержание подвижных форм меди в гумусовых горизонтах почв авто-морфных ландшафтов ниже, чем в горизонтах почв подчиненных ландшафтов: на водоразделе этот показатель составляет от 0,8 мг/кг до 2,8 мг/кг в почвах правого берега реки Жиздра, от 3,0 мг/ кг до 4,2 мг/кгв почвах левого берега реки Жиздра.
Для слоистой почвы прируслового вала правого берега реки Жиздра характерно оглеение некоторых горизонтов. В этих горизонтах содержание меди больше по сравнению с выше и нижележащими горизонтами. Очевидно, это связано с тем, что образующиеся в данных горизонтах глей, железо-марганцевые конкреции и примазки адсорбируют на своей поверхности и тяжелые металлы (Си, Zn, Мп). Для пса-мозема оподзоленного характерно постепенное уменьшение концентрации меди вниз по почвенному профилю. Это объясняется тем, что почвообразу-ющая порода представлена песком, обедненным как металлами, так и тонкодисперсными частицами, а так как данный тип почвы сформирован на 1-ой надпойменной террасе, то верхние почвенные горизонты обогащаются металлами при почвенном переносе от водораздела к пойме. Особенно следует от-
239
240
метить увеличение содержания меди в почвах 2-ой надпойменной террасы и водораздела от гумусового горизонта вниз по почвенному профилю. Это связано с тем, что почвообразующие породы, на которых сформировались данные почвы (покровный и лессовидный суглинки) обогащены металлами. Для этих почв характерно следующее распределение меди по профилю: в гумусовом горизонте отмечается значительное содержание меди, ниже по профилю происходит уменьшение содержания металла, а при приближении к почвоо-бразующей породе концентрация меди постепенно увеличивается. Обогащение верхних гумусовых горизонтов почв связано с процессом геохимического сопряжения, из переходной части почвенного профиля происходит вымывание в нижележащие горизонты металла.
На содержание марганца в почвах большое влияние оказывает характер растительности. Максимальные значения этого металла соответствуют почвам, сформировавшимся на вторых надпойменных террасах под лесной растительностью, представленной лиственными и хвойными породами деревьев. Это серые лесные, дерново-подзолистые почвы. Содержание подвижных форм марганца в этих почвах достигает 210— 245 мг/кг. По профилям этих почв наблюдается постепенное уменьшение концентрации марганца от гумусового горизонта вниз. Высокое содержание элемента в верхних гумусовых горизонтах объясняется тем, что он аккумулируется в верхнем слое почв за счет фиксации органическим веществом. Растения интенсивно накапливают марганец, так как он относится к группе необходимых для растений микроэлементов. Марганец является активатором ферментов, вовлеченных в фотосинтез, дыхание,
синтез белков и углеводов [4]. Высокая концентрация марганца в нижних почвенных горизонтах пойменной почвы левого берега реки Угра и дерново-слабоподзолистой почвы правого берега Угры объясняется наличием в этих горизонтах железо-марганцевых конкреций. Марганец может накапливаться в различных почвенных горизонтах, особенно в обогащенных оксидами и ги-дроксидами железа. Соединения марганца способны быстро окисляться и восстанавливаться в изменчивых условиях почвенной среды. Из-за низкой растворимости соединений марганца в окислительных условиях при значении рН, близких к нейтральным, даже незначительные изменения рН могут оказать существенное влияние на содержание элемента в почвенном растворе.
Марганец активно участвует в процессах водной миграции. При незначительном развитии эрозии происходит аккумуляция этого элемента в подчиненных элементарных ландшафтах (в особенности - пойма и 1-ая надпойменная терраса - до 240 мг/кг), по сравнению с водоразделом (139 мг/кг). Особенно ярко выражены процессы аккумуляции марганца в пойменных почвах. Близкое залегание грунтовых вод, высокое содержание гумуса, а также тяжелый механический состав почв оказывает влияние на почвообразовательный процесс [5] и способствует накоплению марганца. Разрез, заложенный в прирусловой части поймы правого берега реки Жиз-дра, где была вскрыта слоистая почва прируслового вала по распределению марганца по профилю почвы, отличается от аналогичных пойменных почв левобережья Жиздры. По профилю почвы установлено три максимума содержания марганца, которые соответствуют огле-енным горизонтам, свидетельствующие
о гидрогенном накоплении данного металла в этих горизонтах. Процессы перераспределения марганца между элементарными ландшафтами обусловлены особенностями мезо- и микрорельефа. Было выявлено закономерное увеличение концентраций подвижных форм марганца (в гумусовом горизонте) от водораздела к пойме всех исследуемых участков. В целом в большинстве случаев отмечается аккумуляция подвижных форм металла в гумусовом горизонте (до 240 мг/кг) и его резкое снижение в иллювиальном горизонте (60-120 мг/кг).
Таким образом, установлено, что чем выше процент содержания гумуса в почвах, тем в большей мере накапливается медь, цинк. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв. Эти элементы участвуют в малом биологическом круговороте веществ. Именно поэтому пойменные почвы исследуемых территорий отличаются наибольшим богатством микроэлементов.
У большинства почв отмечен следующий характер распределения металлов по почвенному профилю: максимальное их содержание отмечено в верхнем гумусовом горизонте, в горизонте А2 уменьшение содержания металлов и в иллювиальной части почвенного профиля снова увеличение значений тяжелых металлов. Для горизонтов С всех исследованных почв характерен вынос микроэлементов. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в горизонте С дерново-подзолистых почв правого берега реки Угра.
Колебания в содержании тяжелых металлов в одном и том же подтипе почв, зависят от породы и характера растительности: содержание Си в дерново-подзолистых почвах на песках -0,9 мг/кг, а на суглинках - 4,2 мг/кг.
Содержание марганца в гумусовых горизонтах почв зависит от характера растительности и от механического состава горизонта и содержания в нем гумуса.
В почвах, распространенных в подчиненных ландшафтно-геохимических обстановках и формирующихся под действием грунтовых и паводковых вод, наблюдается гидрогенная аккумуляция подвижных форм марганца.
Процессы перераспределения подвижных форм марганца между элементарными ландшафтами обусловлены особенностями мезо- и микрорельефа.
Наиболее сложен микроэлементарный профиль пойменных почв. Для пойменной почвы левого берега Жиздры характерна интенсивная концентрация всех исследованных микроэлементов в верхней части почвенного профиля, очевидно, это связано с сочетанием механической, гидрогенной и биогенной аккумуляцией. В пойменной почве правого берега реки Угра распределение металлов по почвенному профилю носит равномерный характер, то есть в верхней гумусовой части профиля преобладает биогенная и механическая аккумуляция, а в нижних - гидрогенная.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Водяницкий Ю.Н., Добровольский В.В. Металлы в почвах. - М., 1998. - 216 с.
2. Ковда В.А. Основы учения о почвах: в 2-х книгах. - М.: Наука, 1973. - 448+468 с.
3. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б. А. Ревич, Е.П. Янин и др. - М.: Недра, 1990. - 335 с.
4. Кабата-Пендиас А., ПендиасX. Микроэлементы в почвах и растениях. - Москва: Мир, 1989. - 439 с.
5. Якушевская И.В., Мартыненко А.Г. Биомасса и гумусовая оболочка суши. Биосфера и ее ресурсы. - М.: Наука, 1971. ■
241
ЕК
