CC BY
59
А. Н. Низовцев, В. А. Безносиков, Б. М. Кондратенок, Е. Д. Лодыгин
ФОНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ РТУТИ В ПОЧВАХ ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ РЕСПУБЛИКИ КОМИ*
В результате антропогенной деятельности в окружающую среду поступает значительное количество загрязняющих веществ, к числу которых относятся и тяжелые металлы, соединения которых обладают высокой токсичностью и склонностью к биоаккумуляции [1-5]. Загрязнение почв тяжелыми металлами становится одним из самых распространенных видов техногенного воздействия [6, 8].
Ртуть относится к первому классу опасности по токсическому действию на живые организмы [9, 10]. Интенсивность «ртутной нагрузки» на биосферу с каждым годом возрастает из-за широкого использования ртути и ее соединений, а также расширения путей их поступления в окружающую среду [4, 6, 7, 11, 12]. Отмечается постоянное повышение общего ртутного фона, а также проявление геохимических аномалий техногенного характера, неуклонно возрастающих по мере расширения производственной деятельности человечества [6, 11]. Токсичность соединений ртути, особенно ее фенил-и алкилпроизводных, широко известна [1, 4, 5, 7, 13].
Обмен неорганической ртути в природных экосистемах включает взаимные потоки между атмосферой, почвой и водоемами. Значительная доля ртути аккумулируется в почвах, далее она попадает в растения и по трофическим пищевым цепям в живые организмы, вызывая тяжелые отравления [4, 5].
Среднее фоновое содержание ртути в почвах разных типов (подзолистые, болотно-подзолистые и черноземы) может варьировать от 5-10 в иллювиальных до 400 мкг/кг в органогенных горизонтах (кларк в литосфере оценивается в 30-80 мкг/кг) [4, 7, 11, 14, 15].
Таким образом, почва как компонент биосферы является природным буфером в круговороте ртути между атмосферой, гидросферой и живым веществом. Необходим постоянный контроль за состоянием природной среды и оценка негативного воздействия ртутного загрязнения на живые организмы всех уровней, включая человека. Контроль регионального фонового содержания ртути в почвах позволяет выявить уровни загрязнения, прогнозировать процессы, ведущие к негативным последствиям, оптимизировать природоохранные мероприятия при ртутной интоксикации за счет введения ограничений как на промышленные, так и сельскохозяйственные технологии.
Цель данной работы — оценка фонового содержания, установление закономерностей накопления и распределения ртути по профилю разных типов почв таежной зоны Республики Коми с учетом ландшафтно-геохимических особенностей территорий.
Объекты и методы исследований
Объектами исследований послужили почвы южной и средней тайги Республики Коми. Для оценки фонового содержания ртути (валовые формы) в почвах была про-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №11-04-00086-а). © А. Н. Низовцев, В. А. Безносиков, Б. М. Кондратенок, Е. Д. Лодыгин, 2011
ведена оцифровка Государственной почвенной карты Республики Коми масштаба 1:1000000 [16]. Оцифровка проведена сотрудниками отдела экосистемного анализа и ГИС-технологий Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Наиболее распространенными почвами в южной и среднетаежной зонах республики являются болотно-подзолистые (37,1%), подзолы иллювиально-железистые (31,3%), подзолистые (21,6%), пойменные (3,9%) и дерново-подзолистые (2,4%).
При отборе почвенных образцов был использован маршрутный метод, позволяющий учитывать закономерности формирования почвенного покрова в ландшафтах: от водораздела (автоморфные почвы) до геохимически подчиненных ландшафтов — понижений (гидроморфные почвы). На основании полученных аналитических результатов при использовании ГИС-технологий создана база данных содержания ртути в почвах.
Количественный химический анализ на содержание валовой ртути в почвах проведен в экоаналитической лаборатории «Экоаналит» Института биологии Коми НЦ УрО РАН, аккредитованной в системе аккредитации аналитических лабораторий (центров) Росстандарта России, аттестат РОСС RU. 0001. 511257 от 16 апреля 2009 г. Определение содержания ртути проводили методом атомной абсорбции с использованием ртутного спектрометра РА-915+ на пиролитической приставке РП-91С без предварительного разложения образца с коррекцией неселективного поглощения по Зееману [17]. Построение градуировочной зависимости осуществлялось по набору СОРт (ГСО 7183-95, шатт1 = 101 мкг/кг, шатт2 = 301 мкг/кг, шатт3 = 1000 мкг/кг, шизм1 = 96 мкг/кг, шизм2 = 304 мкг/кг, ш™.3 = 997 мкг/кг). Контроль корректности зависимости осуществлялся по стандартному образцу СДПС-2 (ГСО 2499-83, шатт. = 130 мкг/кг, ш™. = 121 мкг/кг), а также САЗП-98 (ОСО 39804, шатт. = 23 мкг/кг, шизм. = 25 мкг/кг). Результаты контроля признаны удовлетворительными.
Общая физико-химическая характеристика основных почв представлена в табл. 1.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что в почвах таежной зоны Республики Коми содержание ртути почти или полностью согласуется с нормальным законом распределения. Для распределения ртути характерна положительная асимметричность, во многих случаях свидетельствующая о том, что наибольшее число вариаций приходится на величины меньше среднего арифметического (табл. 2).
Данные показывают, что диапазон фоновых колебаний содержания ртути с уровнем значимости 0,5 одинаков для болотно-подзолистых и подзолистых почв (см. табл. 2). Этот факт связан с единством почвообразующих пород, сходным гранулометрическим составом почв, сложенных на суглинках, и едиными закономерностями накопления и миграции ртути в ландшафтах. Аналогичные закономерности варьирования массовой концентрации ртути отмечены в почвах, сформированных на древнеаллювиальных и водноледниковых песчаных отложениях (подзолы иллювиально-железистые) и на слабодренированных равнинных водоразделах увалов, флю-виогляциальных террасах, покрытых песчаными отложениями (торфянисто-подзолистые иллювиально-гумусовые), но абсолютное содержание ртути в этих почвах ниже, чем в почвах, образованных на суглинистых почвообразующих породах. Содержание ртути в подстилках подзолов низкое, а в минеральных горизонтах обнаруживали лишь
Горизонт Глубина отбора образца, см рНВодн рНСол. Гумус, % Ca+Mg ммоль/100 г почвы Сумма фракций < 0,01 мм, %
Подзол иллювиально-железистый на древнеаллювиальных песках
Ао 0-2 3.8 3.3 - 8,7 -
А2 2-7 4,1 3,5 0,6 0,5 6,0
ВЬ 7-20 5,0 4,6 0,4 0,3 8,0
В2 20-29 5,1 4,0 0,3 0,3 6
ВС 85-95 5,3 4,6 0,2 0,2 3
С 125-135 5,3 4,5 0,2 0,6 3
Подзолистая легкосуглинистая на покровном суглинке
Ао 0-5 5,3 4,5 61* 49,6 -
А2 5-10 5,1 4,0 0,8 1,7 20,6
А2В 10-36 5,1 4,2 2,0 0,8 24,2
Ві 36-80 5,8 4,3 0,3 11,6 37,7
В2 80-100 5,8 4,4 0,2 13,5 41,9
С 150-170 7,1 6,1 0,0 17,8 39,6
Торфянисто-подзолисто-глееватая легкосуглинистая на покровном суглинке
Оі 0-8 4,8 3,6 85* 23,3 -
О2 8-12 4,2 3,5 67* 19,0 -
А2§ 12-20 4,8 3,9 1,3 0,9 20,9
А2Вg 20-30 5,3 3,9 0,5 5,3 32,4
Вlg 50-75 5,6 3,9 0,3 12,5 42,7
В2g 80-100 5,0 4,1 Не опр. 12,8 33,7
Сg О 6 1 О 6,1 4,8 » » 14,7 30,7
Торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиально-гумусовая на песчаных отложениях
Ао 0-25 3,6 2,9 - 15,9 -
15-30 5,4 4,6 0,5 0,0 0,4
Вhg 30-60 5,0 3,9 4,7 0,0 7,4
Вg 60-85 4,7 4,1 0,7 1,8 6,0
В2g 85-90 4,9 4,1 Не опр. 3,3 4,8
BСg 115-120 4,8 4,0 » » 4,1 3,7
Пойменная дерновая на песчаном аллювии
Адер 0-12 5,9 4,7 3,0 17,2 17,4
Аі 15-20 5,4 3,9 2,9 4,0 16,9
АВ 40-60 5,6 4,2 2,8 1,4 16,7
АВі 60-75 5,6 4,1 1,4 2,0 16,1
СД 100-130 6,0 5,1 0,2 1,0 18,1
Дерново-подзолистая среднесуглинистая на покровном суглинке
Адер 0-15 5,5 3,9 1,1 4,9 32,7
АіА2 15-20 5,4 3,8 0,8 4,8 24,1
А2В 20-26 5,4 4,0 0,3 0,7 38,0
Ві 31-51 5,6 3,8 0,2 19,4 50,4
В2 100-120 5,8 4,1 0,2 28,3 47,7
С 130-150 6,0 4,9 0,2 30,1 48,3
* Потери при прокаливании.
следовые количества. В болотных почвах прослеживается более равномерное распределение.
Установлено также, что содержание ртути в органогенных горизонтах, болотноподзолистых и подзолистых почвах, сформированных на суглинистых породах, составляет 60-205 мкг/кг, в почвах на песчаных и супесчаных почвообразующих породах — 52-149 мкг/кг, что является естественным фоном для данной территории.
Содержание ртути в почвах рассматриваемых районов неравномерное и определяется рядом факторов, среди которых важная роль принадлежит органическому веществу почв (гНв-Сорг = 0,67 для почв, сложенных на суглинках и соответственно 0,89 — для почв на песчаных отложениях).
В органогенных горизонтах наблюдается более высокое содержание ртути, так как гумусовые вещества, составляющие большую часть органических веществ почв, являются основным геохимическим барьером, аккумулирующим ее соединения. При этом содержание ртути наблюдается более повышенное под лесными подстилками с хвойным опадом (подзолистые и болотно-подзолистые почвы), чем под опадом травянистых растений (пойменные почвы). Ввиду различий в свойствах гуминовых и фульвокислот (ФК) в почвах протекают два конкурирующих процесса: в системах с фульвокислотами ртуть (II) реагирует с высокоассоциированными формами ФК с образованием растворимых высокомолекулярных комплексных соединений состава Н (11):ФК = 1:1 анионного типа, что приводит к резкому увеличению миграционной способности ртути в объектах окружающей среды; гуминовые кислоты ведут себя подобно комплексообразующему сорбенту, что приводит к концентрированию ртути в почвах [6, 11].
По профилю почв содержание металла, как правило, уменьшается, что связано с уменьшением содержания гумусовых веществ: лишь 3-8% гумусовых кислот мигрируют по почвенному профилю до глубины 30-40 см, и их количество заметно снижается с глубиной (см. табл. 1 и 2; рис. 1).
Повышенное содержание ртути в минеральной толще в большинстве почв связано с наличием значительной доли физической глины (гНв-фракции менее 0,01 мм = 0,90 для почв, образованных на суглинках и соответственно 0,74 для почв, сложенных на песках), а также с водным режимом. Данный факт обусловлен, вероятно, распадом соединений ртути активно мигрирующих форм и образованием слабо подвижных соединений ртути поверхностно сорбированных илистой и мелкопылеватой фракциями. Для болотных и пойменных почв характерно сравнительно равномерное распределение ртути по профилю.
Установлена парная корреляционная зависимость между отдельными тяжелыми металлами и ртутью в почвах, предоставляющая следующий ряд: гНв-РЬ > гНв-Сц > г Нв-№ > гНе-Мп > гн^п > г^-м, что свидетельствует об одинаковой направленности процессов образования и накопления этих элементов в процессе педогенеза.
По данным содержания ртути в почвах районов исследований Республики Коми составлена база данных с использованием ГИС-технологий (ArcView GIS 3.2а), фрагмент которой представлен на рис. 2.
На основании базы данных содержания ртути составлена карта пространственного распределения ее в почвах. При картографировании содержания ртути в почвах были использованы массовые доли этого компонента в подстилках и органогенных горизонтах, которые обладают наибольшей аккумулирующей способностью и явля-
Почва Горизонт Глубина, см Массовая доля ртути, мкг/кг Диапазон значений со (Нё), мкг/кг Доверительный интервал для среднего, мкг/кг Коэффициент вариации, % С , % орг. Массовая доля гумусовых кислот, %
Среднее Стандартное отклонение среднеариф- метического
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Подзол иллювиально-гумусовым (п = 6)** А„ 0-3 95,7 9,1 33-160 19,5 36,7 40,31* 13,0
а2 3-23 2,0 0 2 0 0 0,19 29,2
вь 23-31 13,3 3,5 7-19 15,0 45,2 0,14 33,5
в2 31-60 3,3 0,9 2-5 3,8 45,8 0,11 28,1
в2 60-99 6,7 3,2 3-13 13,7 82,6 - -
ВС 90-120 4,3 1,45 2-7 6,3 58,1 - -
Подзолистая (п = 7) АО 0-5 205,0 12,6 130-300 27,0 24,7 41,00* 29,7
А2 5-15 11,0 2,6 7-16 11,4 41,7 10,03 51,8
а2в 15-35 12,0 1,0 10-13 4,3 14,4 0,41 44,3
В, 35-70 22,8 1,2 21-26 3,8 10,4 0,18 60,1
в2 70-90 14,5 0,5 14-15 6,4 4,9 0,17 35,3
ВС 90-128 14,7 1,7 13-18 7,2 19,7 - -
Торфянисто-подзолисто-глееватая (п = 5) о 0-15 199,2 13,9 90-260 30,6 14,6 25,4* 35,6
A2g 15-25 12,67 10,8 10-15 6,2 19,9 0,85 30,3
25-40 9,5 0,5 9-10 6,4 7,4 0,28 37,8
40-72 21,0 2,1 17-22 9,0 17,2 0,15 30,6
BCg 72-95 15,0 2 13-17 25,4 18,9 0,12 31,83
С 95-120 15,0 1 14-16 12,7 9,4 - -
Торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиальногумусовая (я = 9) А„ 0-10 149,2 10,6 59-230 22,1 34,2 33,14* 35,07
A2g 10-20 12,3 5,6 2-21 23,9 77,9 1,91 36,85
Bhg 20-32 2,7 0,7 2-4 2,9 43,3 0,45 35,62
Bg 32-54 9,2 3,4 2-22 9,4 82,6 0,25 37,2
B2g 54-95 17,5 2,5 11-23 7,8 28,2 0,13 30,21
BCg 95-120 11,8 5,6 2-27 17,8 95,1 0,11 28,91
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Пойменная дерново-луговая глееватая (п-4) д 0-15 52,8 14,5 9-120 31,9 95,2 - -
ABg 15-42 15,0 12,0 3-27 152,5 113,1 - -
в* 42-80 23,4 2,1 17-30 5,9 20,2 - -
в2 80-110 10,0 0,7 8-11 2,3 14,1 - -
ВС 110-130 9,0 0,9 7-11 2,9 20,3 - -
Болотные верховые (п = 4) А„ 0-20 133,0 6,7 120-140 28,7 8,7 - -
Ат 20-60 32,0 1,5 30-35 6,6 8,3 - -
Ат 60-90 30,3 0,9 29-32 3,8 5,0 - -
Дерново- подзолистая (п-4) Д 0-15 60,6 18,8 9-120 43,4 93,3 - -
А:А2 15-20 11,0 1,6 9-13 2,6 14,8 - -
а2в 20-26 13,5 5,0 3-27 15,9 74,0 - -
В, 31-51 23,0 2,9 17-30 9,1 24,8 - -
в2 100-120 13,0 1,6 10-17 5,0 24,3 - -
с 130-150 9,0 0,9 7-11 2,9 20,3 - -
Торфяно- ПОДЗОЛИСТО- глеевая (п = 6) о 0-25 185,8 18,1 120-360 39,8 33,8 36,13 35,10
А^ 25-40 23,7 5,0 16-33 21,4 36,4 10,64 31,03
А^ 40-60 8,7 1,7 7-12 7,2 33,3 3,13 31,21
в^ 60-80 21,3 0,9 20-23 3,8 7,2 0,59 31,86
B2g 78-95 16,0 1 15-17 12,7 8,8 0,31 23,67
BCg 95-120 13,5 1,5 12-15 19,0 15,7 - -
Торфяно-подзолисто-глеевая иллювиальногумусовая (п = 6) А„ 0-18 128,6 10,4 61-240 21,8 38,2 - -
А^ 18-21 3,0 1,0 2-4 12,7 47,1 - -
Bhg 21-49 10,5 0,5 10-11 6,4 6,7 - -
Bhg 49-78 14,0 1,0 13-15 12,7 10,1 - -
В2§ 78-95 9,0 1,0 8-10 12,7 15,7 - -
BCg 95-120 10,0 1,0 9-11 12,7 14,1 - -
Примечание. «-» — не определялось; * — потери при прокаливании; ** — в скобках указан объем выборки.
Рис. 1. Распределение ртути по генетическим горизонтам почв:
1 — торфянисто-подзолисто-гле-еватая лекгосуглинистая на покровном суглинке; 2 — торфяни-сто-подзолисто-глееватая иллювиально-гумусовая на песчаных отложениях.
Рис. 2. Фрагмент базы данных содержания ртути в почвах
ются интегральным показателем аэротехногенной меркуризации почвенного покрова. Карта распределения составлена по среднестатистическому содержанию ртути в смешанных образцах для верхних горизонтов почв: лесных грубогумусных аккумулятивных подстилок — А0 (0-5 см) — подзолистых почв; А0 (0-3 см) — подзолов иллювиально-железистых; торфянистых подстилок — О (0-10 см) — торфянисто-подзолисто-глееватых иллювиально-гумусовых, О (0-11 см) — торфянисто-подзолисто-глееватых, О (0-30 см) — торфяно-подзолисто-глеевых почв; Ат (0-70 см) болотных почв, Адер. (015 см) — дерново-подзолистых и Адер. (0-12 см) — пойменно-дерновых почв.
Выводы
1. Выполнена ландшафтно-геохимическая оценка фонового содержания ртути в почвах южной и средней тайги Республики Коми. Меркуризация фоновых почв определяется особенностями гранулометрического состава почвообразующих пород, а также расположением почв в геохимически автономных и подчиненных ландшафтах. Установлено, что аккумулятивные ландшафты обогащаются ртутью в большей степени по сравнению с элювиальными территориями.
2. Выявлены парные корреляционные зависимости между отдельными тяжелыми металлами в почвах, что позволяет судить о сходной направленности биогеохимиче-ской миграции.
3. Дифференциация ртути по генетическим горизонтам более выражена в суглинистых автоморфных и менее в песчаных и гидроморфных почвах. Для всех почв характерно элювиально-иллювиальное распределение ртути, кроме пойменных и болотных. В этих почвах отмечается относительно равномерное накопление ртути во всех горизонтах.
4. Создана база данных содержания ртути в почвах с использованием ГИС-тех-нологий, и на ее основе составлена карта распределения исследованного компонента.
5. Полученные результаты могут использоваться для оценки воздействия ртути на почвы в зонах возможного загрязнения, а также при проведении экологических экспертиз и инженерно-экологических изысканий регионального уровня. Полученная информация является основой для дальнейших исследований и выбора тестовых участков с учетом пространственного варьирования свойств почв в различных типах ландшафтов при проведении локального мониторинга.
Литература
1. Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А. Микроэлемнтозы человека: этиология, классификация, органопаталогия / РАМН СССР. М.: Медицина, 1991. 496 с.
2. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
3. Ильин В. Б., Юданова Л. А. Тяжелые металлы в почвах и растениях: аналит. обзор Ч. 2: Процессы биоаккумуляциии и экотоксикология / ГПНТБ СО РАН СССР. Новосибирск, 1989. 154 с.
4. Коваль А. Т. Эколого-геохимическая оценка загрязнения ртутью компонентов природной среды Амурской области: дис. ... канд. биол. наук. М.: РГБ, 2003. 186 с.
5. Лапердина Т. Г Определение ртути в природных водах. Новосибирск: Наука, 2000. 222 с.
6. Варшал Г М., Буачидзе И. С. Исследование сосуществующих форм ртути (II) в поверхностных водах // Журн. анал. химии. 1983. Т. 38, № 12. С. 2155-2167.
7. Варшал Г. М., Кощеева И. Я., Хушвахтова С. Д. Комплексообразование ртути с гумусовыми кислотами как важнейший этап цикла ртути в биосфере // Геохимия. 1999. № 3. С. 269-275.
8. Черных Н. А. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. М.: Агроконсалт, 2002. 200 с.
9. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. М.: Издательство стандартов, 1994. 76 с.
10. Черных Н. А., Милащенко Н. З., Ладонин В. Ф. Экотоксилогические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами. Пущино, 2001. 148 с.
11. Бандман А. Л., Волкова Н. В., Грехова Т. Д. Вредные химические вещества: неорганические соединения элементов 1-^ групп: справ. изд. / под ред. В. А. Филова и др. Л.: Химия, 1988. 512 с.
12. Исидоров В. А. Введение в химическую экотоксикологию. СПб: Химиздат, 1999. 144 с.
13. Швайкова М. Д. Токсикологическая химия. М.: Медицина, 1975. 378 с.
14. Варшал Г. М., Кощеева И. Я, Хушвахтова С. Д. О механизме сорбции ртути (II) гуминовы-ми кислотами // Почвоведение. 1998. № 9. С. 1071-1078.
15. Сауков А. А. Геохимия ртути // Труды ИГН. 1946. Вып. 78. 131 с.
16. Государственная почвенная карта СССР в масштабе 1:1000000, Объяснительная записка к листу Р 39 / под. ред. И. П. Герасимова, В. В. Егорова, Е. Н. Иванова. М.: Изд-во АН СССР, 1958.
17. ПНДФ 16.1:2.23-2000. Методика выполнения измерений массовой концентрации общей ртути в пробах почв и грунтов на анализаторе ртути РА-915+ с приставкой РП-91С. СПб., 2000. 12 с.
Статья поступила в редакцию 17 марта 2011 г.
