CC BY
18
УДК 631.4
ГЕОХИМИЯ ПОЧВ И МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ЗЕРНОВОЙ ПРОДУКЦИИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО АЛТАЯ И ЕГО ПРЕДГОРИЙ
И.А. Трошкова, А.В Пузанов, Т.А. Рождественская
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: egorka_iren@mail.ru
Исследован элементный химический состав почв и зерновой продукции СевероЗападного Алтая. Выявлен повышенный геохимический фон в горно-лесном и тундровом поясах, обусловленный как тяжелым гранулометрическим составом почвообразу-щих пород и почв, большим количеством органического вещества, наличием геохимических барьеров, так и влиянием полиметаллических месторождений. Установлено загрязнение почв природного происхождения: содержания цинка, свинца, кадмия, мышьяка превышают уровень фона и принятые нормативы. Концентрации микроэлементов в зерне пшеницы - в пределах нормы.
Ключевые слова: тяжелые металлы, мышьяк, полиметаллические месторождения, внутрипрофильное распределение, геохимические барьеры, зерно.
DOI: 10.24411/2410-1192-2019-15517 Дата поступления 1.12.2019
Северо-Западный Алтай - это совокупность хребтов, образующих водораздел Оби и Иртыша. Северо-запад Алтая - горная система, расположенная на границе России, Монголии, Китая и Казахстана. С одной стороны, здесь практически нет промышленных предприятий, способных оказывать негативное влияние на компоненты экосистем, с другой - на территории находится ряд месторождений, рудопроявлений, ореолов рассеяния черных и цветных металлов, поскольку он является одним из богатейших регионов России по запасам полезных ископаемых. Слабое антропогенное воздействие позволяет выявить здесь фоновое состояние элементного химического состава почв в условиях только естественного загрязнения (месторождения не разрабатываются).
Основу Северо-Западного Алтая образуют северные отроги хребтов Тиги-рецкого, Коргонского, Коксуйского и Бащелакского, протягивающихся параллельно с северо-запада на юго-восток. Средние высоты хребтов - 16002000 м, максимальные - 3000 м. В низ-когорьях здесь широко развиты луговые степи и лесостепи, сменяющиеся выше
черневыми высокотравными лесами. Встречаются березово-осиновые, пих-тово-осиновые леса. По крутым склонам среднегорий господствует темнохвой-ная тайга, переходящая на высоте 17001800 м в субальпийские редколесья. На верхних уровнях среднегорий распространены альпийско-, субальпийско-луговые и тундровые ландшафты. Целью исследования является оценка поч-венно-геохимического состояния Северо-Западного Алтая, а также санитарно-гигиеническая оценка зерна основной сельскохозяйственной культуры - яровой пшеницы.
Объекты и методы исследования
Горно-лесные бурые почвы, как правило, многогумусные. Содержание гумуса - 4,0-7,5 % в гумусово-аккуму-лятивных горизонтах, емкость катион-ного обмена - 20-23 мг-экв/100 г почвы. По гранулометрическому составу почвы тяжелосуглинистые, с кислой реакцией среды. Количество гумуса в горно-лесных дерново-подзолистых почвах колеблется от 0,2 (почвообра-зующая порода) до 5-7 % (гумусовые горизонты), почвы слабокислые. Гор-
но-лесные черноземовидные почвы имеют черноземный облик. По гранулометрическому составу преобладают суглинистые разновидности. В 10-15-ти сантиметровом слое 8-15 % гумуса. Емкость катионного обмена в верхней части профиля варьирует от 30 до 70 мг-экв на 100 г почвы. Реакция среды в бескарбонатных горизонтах слабокислая или нейтральная, в карбонатных -щелочная. Черноземные почвы содержат гумуса от 6 до 10 %. Реакция среды в верхней части профиля нейтральная, в нижней - слабощелочная. Горно-тундровые почвы распространены в средней и нижней части высокогорного пояса Тигирецкого и Коргонского хребтов, формируются в условиях низких температур и существенного атмосферного увлажнения (годовая сумма осадков 1000 мм и более) под различными формациями высокогорной тундровой растительности: моховой и лишайниковой, кустарниковой и травянистой. В качестве почвообразующих пород выступают щебнисто-каменистый элювий и элювио-делювий пород различного петрографического состава. Физическая дезинтеграция в профиле горно-тундровых почв превалирует над химическим выветриванием. Минералогический состав илистой фракции характеризуется накоплением гидрохлорита. В зависимости от местоположения в рельефе, характера увлажнения горнотундровые почвы подразделяются на гидроморфные и автоморфные.
Горно-тундровые автоморфные почвы, среди которых встречаются слаборазвитые, торфянистые, перегнойные и дерновые имеют следующее строение: А0 (Ад) ^ А1 ^ В ^ВС ^ С. Морфологические признаки оподзоливания не выражены. Мощность профиля варьирует от 25 до 80 см. Содержание мелкозема убывает вниз по профилю, а скелета возрастает. Реакция среды почвенной толщи кислая, в основном обусловленная обменным алюминием. Содержание органического вещества в аккумулятив-
ном горизонте достигает существенных значений - от 8-12 до 40 % (у торфянистых подтипов), состав гумуса гуматно-фульватный. Содержание валового азота может достигать 2,5 %, нитратного -0,4, аммонийного - до 70-80 мг/100 г в органогенных торфяно-перегнойных горизонтах. Гранулометрический состав минеральной части почв изменяется от легко до тяжелосуглинистого.
В работе также рассматривается содержание микроэлементов в зерне яровой пшеницы - основной сельскохозяйственной культуры, выращиваемой на исследуемой территории. Определение содержания химических элементов в образцах почвы проводилось инструментальным нейтронно-активационным методом, растений - методом атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии.
Результаты и обсуждение
Выявлены высокие содержания основных рудообразующих элементов полиметаллических месторождений -цинка и свинца, а также сопутствующего кадмия - в горно-лесных бурых и горно-тундровых почвах хребта Горький белок (табл. 1). Повышенные в сравнении с фоном концентрации элементов отмечаются и в дерново-подзолистых почвах исследуемой территории. О природном происхождении элементов свидетельствует практически равномерное внутрипрофильное распределение металлов (в техногенных ландшафтах, как правило, содержание элементов в почвах резко уменьшается с глубиной, аномальные содержания прослеживаются на глубину в среднем до 30 см [1-4]). Кадмий не является элементом-биофилом, тем не менее, при высоких концентрациях в почвах отмечается тенденция к накоплению его в дерновых горизонтах. Это, вероятно, обусловлено геохимическим сходством металла с биогенным цинком и высокой подвижностью в зоне гипергенеза.
Свинец характеризуется геохимической малоподвижностью, большей приуроченностью к первичным минералам в сравнении с другими рассматриваемыми элементами, поэтому накапливается в верхних горизонтах всех типов почв, даже дерново-подзолистых, где подзолообразование приводит к разрушению и выносу в нижележащие горизонты неустойчивых продуктов выветривания. В связи с этим верхняя часть профиля дерново-подзолистых почв обеднена сидерофильными элементами - кобальтом и никелем. При этом в иллювиальных и переходных к ним горизонтах этих почв формируется мощный сорбционный геохимический барьер, препятствующий миграции большинства элементов за пределы почвенного профиля, несмотря на значительное увлажнение территории.
В почвах горно-тундрового и горнолесного поясов выявлено высокое со-
Концентрация эл
держание мышьяка в почвах, превышающее как среднее содержание в почвах мира, так и принятые в России нормативы - 2-10 мг/кг [5-6]. Незагрязненные почвы мира редко содержат мышьяк в количествах, превышающих 10 мг/кг [6]. Аномальность выявленных содержаний элемента в почвах Северо-Западного Алтая обусловлена, с одной стороны, литохимическими особенностями территории исследования, с другой -несовершенством нормативов. По данным [7] содержание As в педосфере Алтая изменяется в пределах от 0,5 до 346 мг/кг. Ранее на юге Западной Сибири выявлены почвенно-геохимические провинции с повышенным содержанием мышьяка [8-9]. Эта геохимическая особенность связана с фосфоритоносно-стью отложений Алтае-Саянской горной страны - мышьяку свойственно геохимическое сродство к фосфору [10].
Таблица 1
эв в почвах, мг/кг
Генетический горизонт Глубина образца, см ги Си РЬ са V N1 Со 8Ь АЭ
Разрез 09-Чар-07. Хребет Горький белок. Горно-тундровая почва
Ад 0-8 561,7 41 79 3,1 139 47 11,8 4,0 35,9
АВ 8-23 700,8 34 61 3,0 68 43 14,9 4,1 42,0
В 23-33 646,6 34 69 2,0 78 43 16,1 4,2 43,2
Разрез 10-Чар-07. Хребет Горький белок. Горно-лесная бурая почва
Ад 0-20 394 26 128 2,26 161 51 20,7 3,3 25,4
АВ 20-45 432 19 99 1,98 160 40 18,9 3,3 21,4
ВС 45-55 403 24 92 3,45 116 33 18,9 3,1 23,2
Разрез 03-Чар-07. Долина р. Сентелек. Дерново-подзолистая почва
Ад 0-17 196 35 42 1,34 144 52 12,8 1,9 14,0
А1А2 25-35 184 50 34 0,95 95 65 14,5 1,8 13,2
А2В 50-60 204 38 33 0,70 173 59 22,8 2,0 18,2
В1 75-85 224 39 34 0,58 168 51 20,1 3,1 20,1
Разрез 04-Чар-07. 2 км от с. Сентелек. Горно-лесная черноземовидная почва
Ад 0-8 112 35 33 1,17 104 56 16,29 1,68 9,8
А 8-26 146 40 25 0,93 110 65 17,69 1,24 7,5
АВк 26-63 126 37 27 0,73 65 52 18,47 2,01 10,1
Вк 63-73 77 31 25 0,89 128 49 9,92 1,58 5,5
Разрез 14 - Ф-18. Предгорья. Чернозем обыкновенный
Апах 0-10 89 36 20 0,16 120 50 15 - 6,4
А 27-36 88 36 15 0,11 126 55 17 - 7,1
АВ 40-50 82 34 14 0,11 120 52 15 — 7,2
В 60-70 82 33 14 0,096 120 51 15 - 6,7
ВС 100-110 85 34 13 0,081 120 51 15 - 6,7
Кларк в земной коре [3] 83 47,0 16 0,13 90 58 18 0,50 1,7
Кларк в почвах [4" 60 23,0 20 0,16 90 20 9 0,90 6,0
ОДК [5] 220 132 130 2,0 80 - - 10
Примечание: «—» - нет данных.
Таблица 2
Содержание химических элементов в зерне пшеницы, мг/кг
Место отбора Pb As Cd Mn Zn V №
P-14 - Ф-18 0,16 <0,05 0,026 <0,005 57 36 4,7 0,088 <0,01 0,27
Т. 11 0,13 <0,05 0,030 <0,005 55 26 3,8 0,048 <0,01 0,19
ДУ* [19] 0,5 0,2 0,1 0,03 - - - - - -
Примечание: «—» - нет данных; ДУ* - допустимый уровень в продовольственном зерне.
В исследуемых почвах высокое содержание мышьяка связано также и с влиянием полиметаллических месторождений. Максимальные концентрации элемента приурочены к тем же почвам, что и самые высокие содержания рудообразующих элементов полиметаллических месторождений - цинка и свинца, с которыми мышьяк входит в парагенетическую ассоциацию. В чер-ноземовидных почвах количество As в 2-2,5 раза ниже. В почвах наблюдаются повышенные концентрации еще одного попутного непромышленного компонента полиметаллических руд - сурьмы.
Аномальные концентрации тяжелых металлов вероятно свойственны только почвам, развитым непосредственно над месторождениями, рудные тела которых близки к поверхности. Загрязнение носит локальный характер. Содержание элементов в образцах почв, отобранных в долинах рек исследуемой территории, находится на уровне фоновых значений, ниже ПДК (за исключением кадмия).
большой подвижностью элемента в зоне гипергенеза. Установлено, что содержание в зерне яровой пшеницы нормируемых элементов - существенно ниже ПДК, остальных - находится в пределах нормальных для растений диапазонов (табл. 2).
Наличие высотной поясности в Северо-Западного Алтая обусловливает значительное разнообразие почв. Выявленный повышенный геохимический фон обусловлен как тяжелым гранулометрическим составом почвообразущих пород и почв, большим количеством органического вещества, наличием геохимических барьеров в почвах, так и влиянием полиметаллических месторождений. В горно-лесных и горнотундровых почвах установлено загрязнение природного происхождения: содержания цинка, свинца, кадмия, мышьяка, сурьмы превышают уровень фона и принятые в России нормативы. Концентрации микроэлементов в зерне находятся в пределах нормы.
Высокие концентрации Cd обусловлены
Работа выполнена в рамках государственного задания ИВЭП СО РАН (проект № 0383-2019-0005) при поддержке РФФИ, грант №18-45-220019р а.
Список литературы
1. Махонько Э.П., Малахов С.Г. и др. Методики выявления загрязнения внешней среды тяжелыми металлами // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: тр. IV Всесоюзн. совещ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 120-125.
2. Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. - М.: Недра, 1990. - 142 с.
3. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. - 1962. - № 7. - С. 555-571.
4. Ярошевский А.А. Распространенность химических элементов в земной коре // Геохимия. - 2006. - № 1. - С. 54-62.
5. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2511-09 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. - М., 2009.
6. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
7. Пузанов А.В., Бабошкина С.В. Мышьяк в системе почвы - природные воды -растения Алтая // Почвоведение. - 2009. - № 9. - С. 1073-1082.
8. Ильин В.Б. Фоновое содержание мышьяка в почвах Западной Сибири // Агрохимия. - 1992. № 6. - С. 94-98.
9. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразу-ющих породах и почвах Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - 277 с.
10. Гамаюрова В.С. Мышьяк в экологии и биологии. - М.: Наука, 1993. - 207 с.
11. Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. СанПиН 2.3.2.1078-01. - М., 2001.
References
1. Makhonko E.P., Malakhov S.G. i dr. Metodiki vyyavleniya zagryazneniya vneshney sredy tyazhelymi metallami // Migratsiya zagryaznyayushchikh veshchestv v pochvakh i sopre-delnykh sredakh: tr. IV Vsesoyuzn. soveshch. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - S. 120-125.
2. Alekseyenko V.A. Geokhimiya landshafta i okruzhayushchaya sreda. - M.: Nedra, 1990. - 142 s.
3. Vinogradov A.P. Sredneye soderzhaniye khimicheskikh elementov v glavnykh tipakh izverzhennykh gornykh porod zemnoy kory // Geokhimiya. - 1962. - № 7. - S. 555-571.
4. Yaroshevsky A.A. Rasprostranennost khimicheskikh elementov v zemnoy kore // Geokhimiya. - 2006. - № 1. - S. 54-62.
5. Gigiyenicheskiye normativy GN 2.1.7.2511-09 Oriyentirovochno dopustimye kontsentratsii (ODK) khimicheskikh veshchestv v pochve. - M., 2009.
6. Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Mikroelementy v pochvakh i rasteniyakh. - M.: Mir, 1989. - 439 s.
7. Puzanov A.V., Baboshkina S.V. Myshyak v sisteme pochvy - prirodnye vody -rasteniya Altaya // Pochvovedeniye. - 2009. - № 9. - S. 1073-1082.
8. Ilyin V.B. Fonovoye soderzhaniye myshyaka v pochvakh Zapadnoy Sibiri // Agrokhimiya. - 1992. № 6. - S. 94-98.
9. Syso A.I. Zakonomernosti raspredeleniya khimicheskikh elementov v pochvoobrazuyushchikh porodakh i pochvakh Zapadnoy Sibiri. - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2007. - 277 s.
10.Gamayurova V.S. Myshyak v ekologii i biologii. - M.: Nauka, 1993. - 207 s.
11.Gigiyenicheskiye trebovaniya k bezopasnosti i pishchevoy tsennosti pishchevykh produktov. SanPiN 2.3.2.1078-01. - M., 2001.
TRACE ELEMENTS IN SOIL AND GRAIN PRODUCTS OF THE NORTH-WESTERN ALTAI I.A. Troshkova, A.V. Puzanov, T.A. Rozhdestvenskaya
Institute for Water and Environmental Problems of the SB RAS, Barnaul, E-mail: egorka_iren@mail.ru
The elementary chemical composition of soils and grain products of the North-Western Altai was studied. High geochemical background of the mountain forest and tundra zone caused by heavy texture of soil-forming rocks and soils, a large amount of organic matter, the occurrence of geochemical barriers in soils, and the influence of polymetallic deposits was revealed. Natural pollution was found in soils, the concentration of zinc, lead, cadmium, and arsenic exceeds the background level and the standards specified in Russia. Trace element concentrations in grain were found to be within the range of normal values given for agricultural plants.
Keywords: heavy metals, arsenic, polymetallic deposits, intra-profile distribution, geochemical barriers, wheat grain.
Received December 1, 2019
