CC BY
19
УДК 574.4
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СОДЕРЖАНИЕ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГОРНО-ТУНДРОВЫХ ПОЧВАХ
ГОРНОГО АЛТАЯ
О.А. Ельчининова, А.В. Пузанов, Т.А. Рождественская
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: gafivep@mail.gorny.ru
Изучены основные физико-химические свойства горно-тундровых почв, определяющие содержание и внутрипрофильное распределение биогенных элементов (Mn, Zn, Cu, Co, Mo). Обнаружены значительное накопление в органогенных горизонтах слабоминерализованного, высокозольного органического вещества фульватной природы, содержание илистой фракции - от 6 до 16 %, кислая реакция среды, высокая емкость поглощения. Валовое содержание цинка и молибдена находится на уровне 1 кларка, меди - 1,5, кобальта - 1,8, марганца - 0,8 кларка. Распределение по профилю цинка и молибдена равномерное, марганца - аккумулятивно-иллювиальное. Отмечено увеличение концентрации кобальта с глубиной, меди - в перегнойном горизонте.
Ключевые слова: гумус, ил, физическая глина, реакция среды, емкость катионного обмена, валовое содержание, внутрипрофильное распределение.
DOI: 10.24411/2410-1192-2019-15512 Дата поступления 5.12.2019
Горно-тундровые почвы сосредоточены в верхней части высокогорного пояса Горного Алтая. Общая их площадь составляет более 1300 тыс. га, или около 14 % общего земельного фонда региона [1]. Они занимают склоны и вершины гор, речные и ледниковые долины и тектонические депрессии. Горно-тундровые почвы формируются в условиях низких температур и значительного атмосферного увлажнения под моховой, лишайниковой, кустарниковой (ерниково-можжевельниковой) и травянистой (луговой осоково-злаковой, луговой кобрезиевой) растительными формациями. Рассматриваемые почвы являются компонентами элювиальных и транзитных ландшафтов. Почвообразу-ющими породами на положительных формах рельефа служат в основном щебнисто-каменистый элювий или элю-вио-делювий сланцев, гнейсов, песчаников, гранитов и других коренных пород различного возраста. В депрессиях горно-тундровые почвы развиваются на рыхлых ледниковых щебнисто-валун-ных суглинках или на озерно-аллюви-альных и делювиальных галечниково-
гравийных супесях и песках. Целью настоящих исследований было изучение физико-химических свойств и содержания биогенных элементов в горно-тундровых почвах Горного Алтая.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования были горно-тундровые почвы Горного Алтая. В основу полевых исследований положен сравнительно-географический метод. Почвенные разрезы закладывали в системе геоморфологических профилей, образцы отбирали по генетическим горизонтам. Определение физико-химических свойств почв выполнено общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами. Содержание химических элементов в почвах и растениях определено методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer. При интерпретации полученного материала использован сравнительно-генетический метод. Полученную информацию подвергали вариационно-статистической обработке и корреляционному анализу. В работе приняты следующие обозначения и сокращения: n - число
исследованных проб; Min - минимальное значение; Max - максимальное значение; Х - средняя арифметическая; X -ошибка средней арифметической; V -коэффициент варьирования; r - коэффициент корреляции, ЕКО - емкость катионного обмена.
Результаты исследований и их обсуждение
Исследуемые почвы различаются по строению и мощности профиля, по содержанию и качеству органического вещества, объединяет же их отсутствие признаков оподзоливания, оглеения и морозных деформаций. Профиль образован следующей системой генетических горизонтов: Ао - Ап - (АВ) - В - С.
Горно-тундровые почвы в самой верхней части профиля содержат много органического вещества в виде нераз-ложившихся растительных остатков и грубого гумуса (табл. 1). Повышенной гумусированностью (от 10,2 до 45,8 %) характеризуется и собственно гумусовый минеральный горизонт. Одной из характерных особенностей горнотундровых почв является довольно высокое содержание гумуса (до 8,1 %) даже в почвообразующей породе - за счет миграции сюда легкоподвижных гумусовых соединений. Глубокое проникновение вниз по профилю органического
Вариационно-статистические по
вещества - одна из характерных особенностей горно-тундровых почв. В составе гумуса преобладают фульвокис-лоты. Горно-тундровые почвы характеризуются кислой реакцией среды, значительной емкостью катионного обмена (до 105,9 мг-экв. на 100 г). В составе обменных катионов преобладает кальций, карбонаты не обнаружены. Количественных изменений по профилю среди главных компонентов валового химического состава не наблюдается. Процессы физической дезинтеграции минеральной фазы преобладают над химическим выветриванием, что обусловливает маломощность почв и превалирование грубых гранулометрических фракций.
Количество крупнозема в горнотундровых автоморфных почвах возрастает с глубиной: в верхней части профиля за счет физического выветривания дезинтеграция обломков коренных пород происходит интенсивнее, чем в нижней. Гранулометрический состав мелкозема колеблется от легко до тяжелосуглинистого, что обусловлено разнообразием почвообразующих пород и неодинаковой устойчивостью их к выветриванию. Содержание илистой фракции неодинаковое (6-16 %).
Таблица 1 гли свойств горно-тундровых почв*
Горизонт Гумус**, % Ил, % Физическая глина, % рНв ЕКО, мг-экв. на 100 г почвы
Ао 24 4 ± 2 4 19 24'4 ± 2'4 49,5 10,2 - 45,8 15 6,°±06 42,8 2,6-10,2 15 17,2±1,8 40,4 6,6-26,0 19 6,0 ± 0,2 20,4 4,8 -10,2 _ 48,8 ± 0,5 „ 19 , , 47,4 23,5 -105,9
Ап А 23,3±3,4 6 46,3 13,8-37,7 5 8,2 ± °,5 69,6 2,5-16,9 5 24,4 ± 2Д47,1 9,2 - 41,6 65,4 ± 0,4 20,9 4,4 - 7,5 6 50,8 ±3,6 17,5 39,6 - 62,2
АВ 113 ± 09 27 11,3 ± 0,9 45,0 3,5 - 24,9 „„10,3±0,8 „ 27—--—44,2 2,7 - 24,0 _ 28,8 ± 1,7 _ „ 27 ' 31,4 12,4 - 47,0 27 5,9 ± 0,611,9 4,6 - 5,1 „„ 32,4 ±2,4 „0 „ 27 38,4 16,2 - 69,8
В 22 5,7 ± °,6 69,1 1,6 -16,9 15,8 ± 0,9 , 22 ' 28,1 9,7 - 24,4 „„ 39,4 ±2,2 22 ' ' 26,7 18,8 - 62,7 22 5,9 ± 0,217,1 4,8 - 8,1 „„ 18,3 ± 1,8 лоо 22 ' ' 48,3 4,1 - 42,0
С „ „ 2,9 ± 0,3 _ „ 24—-—67,2 0,5 - 8,1 _ 16,0 ± 1,4 _ 24 ' 43,1 4,8 - 29,2 „„ 39,0 ± 2,9 24—--—36,7 16,1 - 63,1 23 6,2 ± 0,218,1 4,7 - 8,2 2414,0±!,5 61,6 0-31,9
Примечание: * - Х ± х у; ** - в пересчете на прокаленное вещество. Min - Max
Наиболее характерные свойства горно-тундровых почв: сильная защеб-ненность профиля, отсутствие льдистой мерзлоты, значительное накопление в органогенных горизонтах слабоминерализованного, высокозольного органического вещества фульватной природы, отсутствие признаков оподзоливания и оглеения, кислая реакция среды, сравнительно высокая емкость поглощения.
Содержание исследуемых элементов в горно-тундровых почвах характеризуется большим разнообразием (табл. 2), что обусловлено неодинаковыми природно-климатическими условиями, направленностью почвообразовательных процессов, минералогическим и химическим составом почвооб-разующих пород.
Марганец принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1 % (масс.) земной коры. В 7-ой группе подгруппы элементов марганца периодической системы Д.И. Менделеева только марганец является биогенным [2]. В почвах он находится в виде двух, трех и четырехвалентных соединений. Его кларк в почвах составляет 850 мг/кг [3]. Значительные колебания содержания элемента в исследуемых почвах связаны с высоким, но неодинаковым содержанием слаборазложивше-гося органического вещества и грубого гумуса (от 10,2 до 45,8 % в верхних горизонтах) фульватного состава с явно кислой реакцией.
Таблица 2
Содержание химических элементов в горно-тундровых почвах
Элементы n Min-Мах, мг/кг X ± x, мг/кг V,%
Mn 81 150-5000 684±35 46,0
Zn 70 39,8-80,3 52,1±1,4 22,5
Cu 81 5,8-200,0 33,9±4,6 122,1
Co 79 2,0-30,2 14,1±1,0 63,0
Mo 65 2,0-5,2 2,4±0,1 33,5
Видимо, этим объясняется отсутствие корреляционной зависимости между содержанием гумуса и марганца. Кислая реакция среды этих почв благоприятствует переходу элемента в подвижное состояние. Этим же объясняется аккумулятивно-иллювиальный тип распределения марганца (рис.), связанный одновременно с биогенным накоплением элемента и промыванием его в нижележащие горизонты.
Цинк, с одной стороны, относится к приоритетным токсикантам, с другой -является физиологически важным микроэлементом [4]. По свидетельству А. Кабаты-Пендиас [5], средние содержания цинка в поверхностных слоях почв мира изменяются в пределах 17125 мг/кг. Его кларк в почвах СССР составлял 50 мг/кг [6]. Минимальные и максимальные концентрации цинка в горно-тундровых почвах различаются незначительно (в 2 раза). Распределение элемента по профилю почв достаточно равномерное. Обнаружена отрицательная умеренная корреляционная зависимость между содержанием цинка и реакцией среды (г = -0,39).
Медь, также как и цинк присутствующая в небольших количествах в компонентах ландшафтов, является, с одной стороны, биологически важным микроэлементом, с другой, при высоких концентрациях - опасным токсикантом для живых организмов. Среднее содержание меди в незагрязненных почвах мира составляет 23,1 мг/кг и колеблется от 6 до 60 мг/кг [5]. В почвах Российской Федерации отмечены колебания элемента от 5 до 470 мг/кг [7].
Биогеохимия меди в почвах Горного Алтая достаточно полно ранее изучена М.А. Мальгиным [8]. Установленная в результате исследований величина средней концентрации Си в горно-тундровых почвах (33,9±4,6 мг/кг) согласуется с его данными (33,9±1,92 мг/кг). Значительная вариабельность содержания металла (122 %) обусловлена неодинаковым его количеством в разнообразных
почвообразующих породах, различной гумусированностью и дисперсностью почв. Самое высокое содержание меди в горно-тундровых почвах обнаружено в перегнойном горизонте, но корреляционной зависимости между содержанием органического вещества и валовой меди не обнаружено. Установлена корреляционная связь между содержанием меди и тонкодисперсных частиц: умеренная -с илистыми частицами (г = 0,34) и средняя - с физической глиной (г = 0,52).
Кобальт относится к числу малораспространенных в природе химических элементов. В природных условиях он встречается в виде двух- и трехвалентных катионов. Содержание валового элемента в почвах подвержено существенным колебаниям, что прежде всего связано с разнообразием содержаний микроэлемента в почвообразующих породах и, в определенной мере, с результатом различных почвообразовательных макропроцессов. В почвах СССР его содержание варьировало от 0,4 до 21,0 мг/кг [9], а среднее содержание в совокупности исследованных почв равно 14,1±1,0 мг/кг и, по данным А.П. Виноградова [3], превышало в 1,8 раза кларк, или 8 мг/кг.
О 10 20 30 40 50 60
Со Zn Мп
Mo РЬ Со Си Мп Zn
0 100 200 300 400 500 600 700 600
Рис. Внутрипрофильное распределение биогенных элементов
На более высокое содержание кобальта в горно-тундровых почвах Горного Алтая (17,9±0,6 мг/кг) указывал М.А. Мальгин [8]. Значительная вариабельность содержаний элемента в горно-тундровых почвах (от 2,0 до 30,2 мг/кг) обусловлена различием его содержания в почвообразующих породах. В исследуемых почвах установлено увеличение концентрации микроэлемента с глубиной, что обусловлено, вероятно, существующими в высокогорном поясе ореолами рассеяния этого элемента. По литературным данным [10], распределение валового кобальта по почвенному профилю находится в зависимости от содержания гумуса и гранулометрического состава. В результате исследований установлена положительная средняя корреляционная связь только между содержанием кобальта и тонкодисперсных частиц: с илистыми частицами (г = 0,47) и с физической глиной (г = 0,47). С содержанием же гумуса корреляционная связь отрицательная (г = -0,51). Кроме того, обнаружена положительная средняя корреляционная связь с величиной ЕКО (г = 0,60).
Молибден мало распространен в природе. В литосфере он присутствует в меньшем количестве, чем большинство других микроэлементов. Для почв мира А.П. Виноградов [3] определил кларк молибдена в почвах 2 мг/кг, что очень близко к его концентрации в почвообра-зующих породах. Г. Боуэн (цит. по [11]) дает более низкие значения - 1,2 мг/кг, при разбросе от 0,1 до 40 мг/кг. Концентрация элемента в совокупности исследованных почв варьирует незначительно: от 2,0 до 5,2 мг/кг, в среднем составляя 2,4±0,1 мг/кг, что близко к кларковому значению. Распределение молибдена по профилю равномерное. Положительной достоверной корреляционной зависимости между физико-химическими свойствами почвы и содержанием молибдена не обнаружено. Отрицательная умеренная корреляционная зависимость установлена между
реакцией среды и концентрацией мик- Содержание исследуемых элемен-
роэлемента. тов в горно-тундровых почвах характе-
о ризуется большим разнообразием, что
Заключение
обусловлено неодинаковыми природно-
Наиболее характерные свойства климатическими условиями, направлен-
горно-тундровых почв: сильная защеб- ностью почвообразовательных процес-
ненность профиля, отсутствие льдистой сов, составом почвообразующих пород.
мерзлоты, значительное накопление в Валовое содержание цинка и молибдена
органогенных горизонтах слабоминера- находится на уровне кларка, меди - 1,5
лизованного, высокозольного органиче- кларка, кобальта - 1,8 кларка, марганца
ского вещества фульватной природы, - 0,8 кларка. Распределение по профи-
кислая реакция среды, высокая емкость лю цинка и молибдена равномерное,
поглощения. Гранулометрический со- марганца - аккумулятивно-иллювиаль-
став мелкозема колеблется от легко- до ное, отмечено увеличение концентрации
тяжелосуглинистого, кобальта с глубиной, меди - в пере-
гнойном горизонте.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИВЭП СО РАН (проект № 0383-2019-0005).
Список литературы
1. Почвы Горно-Алтайской автономной области. - Новосибирск: Наука, 1973. -352 с.
2. Велданова М.В. Роль некоторых струмогенных факторов внешней среды в возникновении зобной эндемии // Микроэлементы в медицине. - 2000. - № 1. - С. 17-25.
3. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 259с.
4. Цинк и кадмий в окружающей среде. - М.: Наука, 1992. - 200с.
5. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants, Fourth Edition. - CRC Press, 2011. - 548р.
6. Ковда В.А., Якушевская И.В., Тюрюканов А.Н. Микроэлементы в почвах Советского Союза. - М.: Изд-во МГУ, 1959. - 68 с.
7. Сатаева Л.В., Сурнин В.А., Лобов А.И. и др. Оценка загрязнения земель тяжелыми металлами по субъектам РФ // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 4. -С. 23-26.
8. Мальгин М.А. Биогеохимия микроэлементов в Горном Алтае. - Новосибирск: Наука, 1978. - 272 с.
9. Каталымов М.В. Микроэлементы и микроудобрения. - М.-Л.: Химия, 1965. -330 с.
10. Пейве Я.В. Об основных закономерностях распределения валовых запасов и подвижных форм микроэлементов в почвах СССР // Докл. к VIII Межд. конгр. почвоведов. - М., 1964. - С. 126-135.
11. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: справ. Кн. 5. Редкие d-элементы. - М.: Экология, 1997. - 576 с.
References
1. Pochvy Gorno-Altayskoy avtonomnoy oblasti. - Novosibirsk: Nauka, 1973. - 352 s.
2. Veldanova M.V. Rol nekotorykh strumogennykh faktorov vneshney sredy v voz-niknovenii zobnoy endemii // Mikroelementy v meditsine. - 2000. - № 1. - S. 17-25.
3. Vinogradov A.P. Geokhimiya redkikh i rasseyannykh khimicheskikh elementov v pochvakh. - M.: Izd-vo AN SSSR, 1957. - 259s.
H3eecmun AO PW. 2019. № 4 (55)
4. Tsink i kadmy v okruzhayushchey srede. - M.: Nauka, 1992. - 200s.
5. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants, Fourth Edition. - CRC Press, 2011. - 548 p.
6. Kovda V.A., Yakushevskaya I.V., Tyuryukanov A.N. Mikroelementy v pochvakh So-vetskogo Soyuza. - M.: Izd-vo MGU, 1959. - 68 s.
7. Satayeva L.V., Surnin V.A., Lobov A.I. i dr. Otsenka zagryazneniya zemel tyazhelymi metallami po subyektam RF // Khimiya v selskom khozyaystve. - 1995. - № 4. - S. 23-26.
8. Malgin M.A. Biogeokhimiya mikroelementov v Gornom Altaye. - Novosibirsk: Nauka, 1978. - 272 s.
9. Katalymov M.V. Mikroelementy i mikroudobreniya. - M.-L.: Khimiya, 1965. - 330 s.
10.Peyve Ya.V. Ob osnovnykh zakonomernostyakh raspredeleniya valovykh zapasov i podvizhnykh form mikroelementov v pochvakh SSSR // Dokl. k VIII Mezhd. kongr. pochvovedov. - M., 1964. - S. 126-135.
11.Ivanov V.V. Ekologicheskaya geokhimiya elementov: sprav. Kn. 5. Redkiye d-elementy. - M.: Ekologiya, 1997. - 576 s.
PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES AND CONTENT OF BIOGENIC ELEMENTS IN MOUNTAIN-TUNDRA SOILS OF THE ALTAI MOUNTAINS O.A. El'chininova, A.V. Puzanov, T.A. Rozhdestvenskaya
Institute for Water and Environmental Problems of the SB RAS, Barnaul, E-mail: gafivep@mail.gorny.ru
The main physical and chemical properties of mountain-tundra soils that determine the content and intra-profile distribution of biogenic elements (Mn, Zn, Cu, Co, Mo) have been studied. Significant accumulation of weakly mineralized, high-ash organic matter of fulvate nature, content of silty fraction from 6 to 16 %, acidic reaction of the medium, high absorption capacity were found in organogenic horizons. The gross content of zinc and molybdenum is at the level of Clark, copper - 1,5 Clark, cobalt - 1,8 Clark, manganese - 0,8 Clark. The distribution of zinc and molybdenum in the profile is uniform, manganese-accumulative-illuvial, there was an increase in the concentration of cobalt with depth, copper-in the humus horizon.
Keyword: Humus, silt, physical clay, medium reaction, cation exchange capacity, gross content, intra-profile distribution.
Received December 5, 2019
