CC BY
143
УДК 631.41:550.4 (470.57)
КОНЦЕНТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ И ПОРОДАХ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
Асылбаев Ильгиз Галлямович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры «Земледелие и почвоведение»
Хабиров Ильгиз Кавиевич, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой «Земледелие и почвоведение» ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ»
450001, Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, тел. 8(347)228-15-11 e-mail: ilgiz010@yandex. ru
Ключевые слова: химические элементы, тяжелые металлы, почвенный покров, загрязнение почв
Проведены исследования по изучению содержания и распределения химических элементов в горных породах и почвах Республики Башкортостан. Определены особенности распределения элементов в почвах в зависимости от путей их поступления, свойств почв, естественных аномалий и техногенных факторов.
В условиях возрастания антропогенных нагрузок на экосистемы Республики Башкортостан с его развитым промышленным и аграрным производствами, объективная оценка содержания химических элементов в почвах и растениях приобретает большую эколого-социальную значимость. Техногенное загрязнение отражается на поступлении химических элементов в почвы из-за повышенного естественного геохимического фона, что отражается на экологической обстановке региона. Химические элементы попадают на поверхность почвы, включаются в почвообразовательный процесс, поглощаются растениями и поступают в пищевые цепи живых организмов. В почвах региона наиболее широко изучено содержание элементов, важных с агрономической точки зрения и процессов почвообразования. Исследования по накоплению и миграции элементов, имеющих общеэкологическое значение, немногочисленны и ограничены преимущественно микроэлементами и тяжелыми металлами.
В связи с этим целью наших исследований явилось изучение содержания и распределения химических элементов в почвах различных экосистем (лес, пашня, луг) в Северной, Северо-восточной лесостепных зонах и горнорудного региона Зауралья Республики Башкортостан.
Почвенные разрезы закладывали на постоянных стационарах: в Северной лесостепной зоне на агропочвенном округе -Уфимское плато (6 стационарных участков); в Северо-восточной лесостепной зоне на Юрюзано-Айской депрессии (6 стационарных участков); в Горнорудном регионе Зауралья (5 стационарных участков) [1,2,3].
Экспериментальная работа выполнялась маршрутно-экспедиционным и лабо-раторно-аналитическими методами. Элементный состав почв определялся методом масс-спектрометрии с индуктивносвязан-ной плазмой - ICP-MS, PLASMA-QUAD, фирма VG instruments. Агрохимические исследования почв проводились общепринятыми методами.
Северная лесостепная зона. Уфимское плато - это плоская возвышенность с сильно расчлененным карстово-эрозионным рельефом, сложенная твердыми известняками, доломитами, пестроцветными мергелями, местами песчаными отложениями. Почвообразующие породы представлены преимущественно известняковыми элювиально-делювиальными глинами. В почвенном покрове преобладают серые лесные, дерново-карбонатные и перегнойно-кар-бонатные почвы. Перегнойно-карбонатные почвы приурочены в основном к замшелым пихтарникам, соснякам и ельникам. В этих
почвах под слаборазложенной оторфован- ный горизонт, состоящий из перегноя и мел-ной подстилкой залегает органо-минераль- ких обломков щебня карбонатных пород,
Таблица 1
Содержание химических элементов в почвах региона (мг/кг, среднее по профилю)
Элемент Северная лесостепь (п=8), М±т Северо-восточная лесостепь (п=17), М±т Горнорудный регион Зауралья (п=6), М±т
1 2 3 4
Элементы 1 класса токсичности
РЬ 22±2.3 11±1,3 25±1,7
Hg 0,82±0,08 1,03±0,09 0,07±0,006
Cd 0,42±0,03 0,97±0,07 0,39±0,02
Se 4,9±0,5 6,7±0,5 5,3±0,4
As 20±1,8 ±2,8 96±8,7
Zn 42±3,9 ±8,9 87±7,8
Элементы 2 класса токсичности
Sb 0,13±0,01 1,04±0,09 2,83±0,3
Мо 0,51±0,04 0,64±0,04 0,59±0,04
Си 14±1,2 31±3,4 195±17,8
Со 10±0,9 19±2,4 19±1,6
Ni 42±4,1 67±5,4 61±5,9
Сг 55±5,1 91±8,1 96±8,3
Элементы 3 класса токсичности
W 2,25±0,21 1,67±0,1 2,66±0,19
Ва 171±14,6 771±68,1 2494±232,1
Sr 76±6,4 84±7,4 182±19,5
Мп 577±47,2 1190±103,4 1283±132,1
V 134±15,1 277±21,1 421±39,2
Sc 26±2,9 34±2,7 35±4,1
Щелочные металлы
Li 394±36,7 414±42,3 61±5,9
К - 6266±631,1 -
КЬ 38±3,2 52±4,6 32±2,8
Cs 3,3±0,29 3,3±0,35 3,6±0,5
Щелочноземельные металлы
Ве 2,02±0,2 1,78±0,1 1,22±0,09
Са - 8553±85,2 -
Переходные металлы
Т 4209±362,1 6370±59,1 4446±389
Fe 56546±5446,1 66430±4159,1 84128±888,1
Биофильные элементы
Р 1346±123,1 2817±23,1 2510±23
S 19266±1566,1 78553±6455,1 2180±199,1
Неметаллы
В ± 746±64,1 ±
Металлы
Na - 7330±656,1 -
Mg - 5719±456,5 -
А1 45577±3564,8 47246±4124,1 -
Ga 9±0,7 16±1,3 22±18,9
Ge 0,99±0,08 1,07±0,1 1,58±0,09
У 17±1,2 16±1,2 17±1,2
Zr 87±8,1 90±7,6 65±5,2
ЫЬ 3,7±0,2 4,4±0,3 4,2±0,39
Pd 0,58±0,04 0,45±0,03 0,34±0,02
Ag 4,9±0,4 19,5±1,3 0,6±0,04
Sn 2,6±0,13 2,0±0,16 2,3±0,19
Те 0,56±0,04 0,60±0,03 0,47±0,03
Редкоземельные элементы
La 33±3,1 28±1,9 17±1,2
Се 57±4,6 57±4,6 37±3,1
Рг 8,5±0,7 6,9±0,5 4,6±3,8
Nd 35±2,8 28±2,1 19±1,2
Sm 6,8±0,5 5,8±0,4 3,7±0,2
Еи 1,6±0,1 1,6±0,1 1,4±0,1
Gd 7,7±0,6 6,6±0,5 4,9±0,4
ТЬ 1,04±0,1 0,83±0,06 0,73±0,06
Оу 6,2±0,5 4,7±0,3 4,2±0,3
Но 1,15±0,1 0,93±0,05 0,84±0,07
Ег 3,55±0,31 2,93±0,12 2,54±0,2
Ти 0,53±0,04 0,42±0,02 0,39±0,02
УЬ 3,5±0,3 2,66±0,12 2,47±0,21
Lu 0,52±0,04 0,39±0,03 0,42±0,03
^ 5,96±0,5 4,42±0,4 3,1±0,26
Та 0,35±0,03 0,39±0,03 0,48±0,03
Pt 0,59±0,04 1,1±0,01 0,91±0,08
Аи 0 0,17±0,01 0,16±0,01
Т1 0,43±0,04 0,29±0,02 0,38±0,03
В| 0,70±0,06 0,47±0,04 0,63±0,05
Th 11,3±1,0 7,52±0,7 5,74±0,4
и 1,89±0,1 1,22±,01 1,57±0,1
мелкозем часто выщелочен от карбонатов, вскипание от 10% соляной кислоты бурное только по обломкам щебня.
Общей особенностью почв, сформированных на Уфимском плато, является уко-роченность почвенного профиля и наличие карбонатов в нижней его части. В процессе развития почвы по мере уменьшения влияния карбонатности почвообразующих пород в них начинает проявляться подзолистый процесс. Для почв региона характерно относительно высокое содержание гумуса, что обусловлено минерализацией большого объема лесного опада и растительных остатков в условиях континентального климата и близкого залегания известковых коренных пород, состав и свойства которых способствуют нейтрализации кислых продуктов разложения и закреплению гумуса в форме гуматов кальция. Эти почвы насыщены основаниями, реакция среды изменяется от слабокислой до слабощелочной.
Уфимское плато расположено в значительном отдалении от промышленных центров на территории с лесистостью более 75%. В почвах плато не отмечается накопление токсичных химических элементов. Повышенные концентрации ряда элементов обусловлены наличием соответствующих геохимических барьеров. В первую очередь это биогенное накопление фосфора и серы.
С составом почвообразующих пород связано накопление лития, титана, ванадия, алюминия, железа, вольфрама. В иллювиальных горизонтах почв повышается содержание алюминия, железа и марганца. Высокая гумусированность и поглотительная способность почв, наличие карбонатов в профиле обеспечивают высокую геохимическую устойчивость почв [4] .
Северо-восточная лесостепная зона. Почвенный покров на стационарах Юрю-зано-Айской депрессии представлен преимущественно светло-серыми, серыми, темно-серыми лесными почвами, сформированными на элювии песчаников, местами карбонатных и загипсованных, пермских красноцветных глинах, элювии глинистых сланцев и алевролитов. Лесные почвы в основном неполноразвитые, гумусово-акку-мулятивный горизонт мощностью 15-20 см, подстилается сразу переходным к почвоо-бразующей породе ВС, иллювиальный горизонт не сформирован.
Светло-серые лесные почвы характеризуются низким содержанием гумуса (3,6-3,8%), средне- и слабокислой реакцией среды (табл. 1). В серых и темно-серых лесных почвах содержание гумуса возрастает до 6,4-8,0%, которое вниз по профилю резко уменьшается, реакция среды изменяется также от сильно- до слабокислой. Содержа-
Рис. 1 - Содержание элементов в профиле почв ( А - поступление из материнских пород Р.15-99; Б - поступление из атмосферы Р.10-2000).
ние обменных оснований невелико, в их составе преобладает кальций.
Территория Юрюзано-Айской депрессии мало загружена промышленными объектами. Однако анализ химического состава почв показал наличие повышенных концентраций ряда токсичных химических элементов: ртути, свинца, мышьяка, селена, цинка, никеля, меди, бора, вольфрама, ванадия, титана, стронция, церия, рубидия, гафния (табл.1.). Характер профильного распределения этих элементов в исследованных почвах определяется их поступлением из по-чвообразующих и коренных пород. В почвах стационара Вознесенка, выделяющихся повышенным содержанием селена, стронция, кадмия, мышьяка и бора в нижней части профиля, отмечено их высокое содержание в породах. Почвы стационара Большеусти-кинское отличаются повышенным количеством циркония, поступающего также из материнской породы (рис. А).
Высокие концентрации многих токсичных элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв Юрюзано-Айской депрессии связаны с их воздушно-техногенным поступлением. Это - свинец, ртуть, ванадий, цинк, вольфрам и др. (рис.Б). Почва стационара Аркаулово (под лесом) отличается исключительно высоким содержанием редкоземельных элементов, особенно празеодима, неодима и гадолиния, содержание которых в профиле почвы почти одинаково во всех генетических горизонтах и значительно выше, чем в почвообразующей породе (от 10 до 30 раз). Если исключить природную аномалию, то такое накопление редкоземельных элементов может быть обусловлено давним локальным привносом.
Процесс оподзоливания, развивающийся в лесных почвах региона, обусловливает миграцию многих элементов в иллювиальные горизонты почвенного профиля (кобальт, медь, марганец, никель, титан, ванадий, цирконий). Биогенное накопление некоторых элементов может также привести к чрезмерному повышению их концентрации. Например, в пахотных почвах стационаров Вознесенка и Большеустикинское выявлено очень высокое содержание серы.
Накопление токсичных элементов в почвах в значительной степени определяется и их принадлежностью к различным экосистемам. Так, лес способствует выносу из почвообразующих пород стронция, мышьяка, титана, скандия и др., но задерживает поступление в почву элементов из атмосферы. Луговая растительность аккумулирует бор, кадмий, селен, литий, ванадий, цезий, железо. В почвах пашни высокие концентрации ряда элементов обусловлены их поступлением с удобрениями, мелиорантами, пестицидами (ртуть, селен, литий, стронций, алюминий и др.)
Аккумуляция элементов в гумусово-ак-кумулятивных горизонтах почв тесно коррелирует с содержанием в них гумуса. Регрессионный анализ показал наличие достоверной зависимости (Р=0,95) между содержанием бора, никеля, цезия, висмута, кадмия и золота с содержанием гумуса в почве.
Горнорудный регион Зауралья. Многообразие почвообразующих пород, частая смена их на близких расстояниях, различная история происхождения, свойства и составы, а также контрастный рельеф осложняют структуру почвенного покрова региона. В полосе расчлененных предгорий под лесами сформированы преимущественно серые лесные почвы. Эти почвы часто близко подстилаются коренными породами, поэтому профиль их неполноразвитый. В типе серых лесных почв зоны преобладают темно-серые лесные почвы, характеризующиеся слабокислой реакцией среды, довольно высоким содержанием гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте, которое резко уменьшается с глубиной. Содержание обменных оснований невелико. На хорошо дренированных участках под хвойными и лиственно-хвойными лесами с развитым травяным покровом на элювии коренных пород формируются дерновые литогенные почвы, зачастую также неполноразвитые. Дерновые литогенные почвы в связи с развитым травяным покровом и небольшой мощностью профиля содержат большее количество гумуса и поглощенного кальция, чем темно-серые лесные почвы и имеют средне и сильнокислую реакцию среды.
Развитие горнодобывающей промышленности повлекло за собой нарушение почвенного покрова на значительной территории региона и формирование специфических техногенно-нарушенных почв. Эти почвы не дифференцированы по генетическим горизонтам, перемешаны со щебенкой и обломочным материалом коренных пород. Заселение таких участков естественной растительностью затруднено. Содержание органического вещества в верхних горизонтах изменяется в широком диапазоне - от высоких значений до крайне низких, кислотность определяется характером вмещающих пород.
В почвах, залегающих в зоне техногенного воздействия Учалинского горно-обогатительного комбината, наблюдается самое высокое среди изученных почв содержание токсичных элементов (ванадия, марганца, железа, меди, сурьмы, теллура, цезия, бария, вольфрама, свинца, висмута).
Почвы стационара Кирябинка и Аху-ново выделяются чрезвычайно высоким содержанием хрома, железа, цинка и стронция, а в почвах, залегающих вблизи марганцевого рудника, - марганца. Почвы вблизи карьера по добыче золота открытым способом характеризуются также повышенным содержанием золота, серы, мышьяка, хрома и никеля.
Накопление указанных элементов в почвах горнорудного региона Зауралья обусловлено преимущественно их наличием в коренных породах, добываемых рудах и трансрегиональным переносом.
Таким образом, в связи со сложным геологическим фоном, разнообразием антропогенных воздействий и трансрегиональным переносом содержание валовых форм изученных элементов в почвах изменяется от нуля до п*105 мг/кг. В Северной лесостепной зоне, отдаленной от промышленных центров и характеризующейся геохимической устойчивостью почв, накопление токсичных элементов не выявлено. В Северовосточной лесостепной зоне повышенное содержание многих элементов происходит за счет природных и техногенных факторов. Естественное загрязнение обусловлено по-
ступлением токсичных элементов из почво-образующих и коренных пород (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, селен, цинк, никель, бор, медь, вольфрам, ванадий, барий, титан, стронций, рубидий, гафний, цирконий и др.), биогенное накопление (сера, мышьяк). Выявлено наличие природных аномалий (редкоземельные элементы, особенно празеодим, неодим и гадолиний), связь аккумуляции свинца, ртути, селена, цинка, ванадия, стронция с техногенными факторами. Почвы вблизи карьера по добыче золота открытым способом горнорудного региона Зауралья характеризуются повышенным содержанием серы, мышьяка, хрома и никеля, а вблизи марганцевого рудника - марганца.
Накопление токсичных элементов в почвах в значительной степени определяется и их принадлежностью к различным экосистемам. Так, лес способствует выносу из почвообразующих пород стронция, мышьяка, титана, скандия и др., но задерживает поступление в почву элементов из атмосферы. Луговая растительность аккумулирует бор, кадмий, селен, литий, ванадий, цезий, железо. В почвах пашни высокие концентрации ряда элементов обусловлены их при-вносом с удобрениями, мелиорантами, пестицидами (ртуть, селен, литий, стронций, алюминий и др.).
Библиографический список
1. Проблемы экологии: принципы их решения на примере Южного Урала. М.: Наука, 2003. 287с.
2. Хабиров, И.К. Оценка степени химического загрязнения почвенного покрова экосистем Южного Урала / И.К.Хабиров, И.Г.Асылбаев, И.Ж.Якупов, Р.А.Якупова, Б.В.Рафиков, Ю.С.Шакиров // Вестник ОГУ. -2009. - № 6. - С.402-408.
3. Хабиров, И.К. Геохимическая экология на Южном Урале / И.К.Хабиров, И.М.Габбасова, И.Ж.Якупов, И.Г.Асылбаев, Р.А.Якупова - Уфа: Мир печати, 2010. - 256 с.
4. Хабиров, И.К. Экологическая оценка почв северной лесостепной зоны Республики Башкортостан./ И.К.Хабиров, И.Г. Асылба-ев, Р.А. Якупова, Б.В.Рафиков // Достижения науки и техники АПК. - 2008г. - №8.- С. 17-20.
