CC BY
8
Геоэкология
УДК 631.445.4 Б01: 10.24412/1728-323Х-2023-4-63-67
ПОДВИЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРОФИЛЯХ ПОЧВ ЮГА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
Р. В. Кайгородов, кандидат биологических наук, доцент, младший научный сотрудник, Тобольская комплексная научная станция УрО РАН, [email protected], Тюменская область, г. Тобольск, Россия
Аннотация. Характер геохимической миграции химических элементов в ландшафтах определяется, главным образом, их подвижными формами и залеганием почвы в рельефе. Факторами, влияющими на подвижность и иммобилизацию металлов в почве, выступают валовое содержание элемента, доля гумуса в почве, гранулометрический состав, поглотительная способность почвы и уровень кислотности. В целом сочетание многочисленные и разнообразные условия определяют способность микроэлементов и тяжелых металлов мигрировать в пределах ландшафта, между сопряженными ландшафтами, поступать в поверхностные и грунтовые воды, поглощаться растениями.
В нашей работе исследована дифференциация подвижных фракций (водорастворимая и обменная) микроэлементов и тяжелых металлов в профилях некоторых типов почв южной части Тюменской области. Исследованные типы почв отличались залеганием в рельефе. На водораздельных участках изучена дерново-подзолистая типичная почва, на надпойменных террасах — темногумусовая метаморфизированная почва, в поймах — аллювиальная гумусовая глееватая почва. Содержание металлов в почвах определяли методом оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой на приборе «Perkin Elmer 7000 DV». Водораствормую фракцию извлекали из воздушно-сухой почвы дистиллированной водой, обменную — 1 М раствором нитрата аммония. С применением метода дисперсионного анализа установлена достоверность различий содержания подвижных форм металлов в генетических горизонтах исследуемых почв, тем самым показана роль отдельных элементарных почвенных процессов в распределении микроэлементов и тяжелых металлов в профилях почв разного типа.
Abstract. The geochemical migration patterns of chemical elements in landscapes is determined mainly by their mobile forms and the location of soil in the relief. The factors affecting the mobility and immobilization of metals in the soil are the gross content of the element, the proportion of humus in the soil, the gran-ulometric composition, the absorption capacity of the soil and the level of acidity. In general, a combination of numerous and diverse conditions determine the ability of trace elements and heavy metals to migrate within the landscape, between adjacent landscapes, enter surface and groundwater, and be absorbed by plants.
In our work was investigated the differentiation of mobile fractions (water-soluble and exchangeable) of trace elements and heavy metals in the profiles of some types of soils in the southern part of the Tyumen Region. The studied types of soils differed in their location in the relief. The typical sod-podzolic soil was studied in the high plain areas, the dark humus metamorphosed soil was studied on the above-floodplain terraces and the alluvial humus gley soil was analysed on the floodplains. The content of metals in soils was determined by optical emission spectroscopy with inductively coupled plasma on a Perkin Elmer 7000 DV device. The water-soluble fraction was extracted from the air-dry soil with distilled water, the exchange fraction was extracted with 1 M ammonium nitrate solution. The regularities of migration of trace elements and heavy metals in the profiles are established depending on the location of soils in the relief, the type of soil formation and the properties of horizons (humus content, granulometric composition and others).
Ключевые слова: микроэлементы, тяжелые металлы, подвижные фракции, формы рельефа, факторы подвижности.
Keywords: trace elements, heavy metals, mobile fractions, relief shapes, factors of mobility.
Введение
Свойства почвенного покрова выступают важными геохимическими факторами миграции химических элементов в ландшафте [1]. Миграция химических элементов в л андшафтах и их компонентах (включая почвы) является предметом многих геохимических и биогеохимических исследований. Однако большое разнообразие типов ландшафтов и сложное сочетание факторов подвижности и иммобилизации элементов в них обуславливает необходимость дальнейшего исследования не достаточно изученных закономерностей миграции металлов, учитывая в том числе и региональные аспекты миграции тяжелых метал-
лов и микроэлементов. Особенно слабо изучена роль элементарных почвенных процессов в миграции микроэлементов и тяжелых металлов в генетических профилях.
При оценке геохимической миграции металлов особый интерес представляют их подвижные фракции, поскольку они поглощаются живыми организмами, поступают в грунтовые воды и открытые водоемы, перемещаются в сопредельные ландшафты [2].
В нашей работе исследовано содержание подвижных форм семи металлов — свинец, кадмий, медь, цинк, никель, хром и железо. Тяжелые металлы относятся к приоритетным химическим
загрязнителям. Свинец и кадмий являются био-фобными элементами, не имеющими физиологической роли у живых организмах и выступающих токсичными элементами при минимальном содержании в среде. Металлы медь, цинк, никель и хром являются биофильными элементами, играют важную физиологическую роль у растений и других организмов, в минимальных концентрациях (10-2—10-5 %) играют роль жизненно необходимых микроэлементов. Тяжелыми металлами они выступают при повышенных концентрациях (превышение фоновых и предельно допустимых концентраций) [2, 3]. Железо относится к почвенным макроэлементам, его миграция в почве достаточно хорошо изучена [4], в нашей работе содержание подвижного железа используется как маркер для сравнения поведения в почве подвижных форм тяжелых металлов и микроэлементов.
Тяжелые металлы и микроэлементы в почве подразделяются на фракции, отличающиеся прочностью или формой соединения с компонентами почвы, а также способом их экстракции: водорастворимые металлы, обменные формы, специфически сорбированные формы, металлы в составе органо-минеральных соединений, металлы, связанные оксидами и гидроксидами железа и алюминия, нерастворимые осадки в составе карбонатов, фосфатов и других, нерастворимых в воде солей и остаточная фракция металлов, про-чносвязанных в составе кристаллических решеток первичных и вторичных почвенных минералов [3].
Генетические типы почв и отдельные генетические горизонты отличаются содержанием органического вещества, минералогическим и гранулометрическим составом, уровнем рН, поглотительной способностью, что обуславливает различное распределение микроэлементов и тяжелых металлов в профилях почв [5].
Цель исследования
В настоящей работе исследованы закономерности распределения подвижных фракций некоторых микроэлементов (Си, 2п, N1, Сг) и тяжелых металлов (РЬ, Сё) в генетических профилях разных типов почв юга Тюменской области. Основными задачами выступали: определить содержание водорастворимой и обменной фракций исследуемых металлов в верхних генетических горизонтах почв, расположенных в разных геохимических типах л андшафта, и установить взаимосвязь между типом почвообразовательного процесса и содержанием мобильных форм металлов.
В нашей работе внимание уделено наиболее подвижным фракциям металлов (водорастворимой и обменной), поскольку обе эти формы ме-
таллов наиболее легко мигрируют в ландшафтах и поглощаются живыми организмами, играя наиболее значимую экологическую роль. Валовое содержание тяжелых металлов и микроэлементов в исследуемых почвах было изучено нами ранее [6] и в настоящей работе не приводится.
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования использованы образцы почв, отобранные из генетических горизонтов почвенных разрезов, расположенных в разных типах рельефа в Вагайском и Тобольском районах Тюменской области. Исследованные почвенные объекты рассматриваются нами как фоновые, поскольку места закладки разрезов располагались на большом удалении от крупных населенных пунктов, на участках без видимых признаков антропогенного воздействия. Для каждого типа почв на расстоянии 50—70 м друг от друга закладывали по три разреза в соответствующих элементах рельефа: высокие равнины — дерново-подзолистая, надпойменные террасы — темногумусовая метаморфизированная и в поймах — аллювиальная гумусовая глееватая почва. В каждом генетическом горизонте в центральной его части отбирали по три образца на основной и двух боковых стенках разреза. Таким образом, повторность анализа физико-химических свойств и содержания металлов была девятикратный для каждого генетического горизонта.
Полевое определение почв и номенклатуру проводили, используя справочное издание 2004 года «Классификация и диагностика почв России» [7].
Анализ агрохимических свойств почв проводили стандартными методами [8].
Содержание микроэлементов и тяжелых металлов определяли методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ОЭС ИСП) на приборе «Perkin Elmer 7000 DV» на базе Тобольской комплексной научной станции УрО РАН в химико-экологической лаборатории. В образцах почв анализировали содержание водорастворимой фракции металлов в водных вытяжках и содержание обменной фракции элементов после извлечения 1 М раствором NH4NO3 [3, 9, 10]. По данным разных авторов, для извлечения обменных форм исследуемых нами металлов (Cd, Pb, Cu, Zn, Ni, Cr) оптимальным является применение раствора нитрата аммония [11, 12].
Статистическую обработку данных проводили в программе «Past 3.16». Достоверность различий содержания металлов в генетических горизонтах доказывали по показателям наименьшей существенной разности при 5 % уровне значи-
мости (НСР05). Различия содержания металлов в вариантах исследования (в наших исследованиях в отдельных генетических горизонтах почв) являются достоверными при условии превышения математической разности средних значений (й) показателя НСР, т. е. й > НСР05 [13].
Результаты и их обсуждение
Содержание подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов в профилях текстурно-дифференцированных почв
В текстурно-дифференцированной дерново-подзолистой почве протекают эллювиально-ил-лювиальные процессы, сопровождающиеся перемещением элементов вниз по профилю с обеднением элювиальных горизонтов и накоплением элементов в иллювиальных горизонтах [4]. В таблице 1 представлены данные по содержанию подвижных фракций металлов в профиле дерново -подзолистой типичной почвы.
Как показали результаты, для подвижных форм большинства металлов наблюдалась аккумуляция подвижных форм металлов в органо-
генных г оризонтах (АО, АУ), особенно обменной фракции, обеднение элювиального горизонта и накоплением подвижных форм в нижней иллювиальной части профиля.
Характер миграции большинства металлов аналогичен перемещению макроэлемента железа в профилях текстурно-дифференцированных почв, залегающих в элювиальных элементах рельефа, что отражает общий характер миграции металлов в элювиально-иллювиальных почвенных процессах.
Содержание подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов в профиле органо-аккумулятивных
Темногумусовая метаморфизованная почва (см. табл. 2) располагалась на надпойменных террасах рек, в полугидроморфных участках, тран-зитно-аккумулятивных формах рельефа.
В профиле темногумусовой метаморфизован-ной почвы для металлов Си, РЬ установлено повышенное содержание обменной фракции в верхнем органогенном горизонте (АН) и переме-
Таблица 1
Содержание подвижных фракций металлов в генетических горизонтах дерново-подзолистой
типичной почвы, мг/кг
Горизонт Мощность горизонта, Си вод. обм. гп внд. обм. N1 в£д. обм. Ре вод. обм. Сг Вод. обм. РЬ 223. обм. С(1 вод. обм.
см N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9
АО 0-4/4 0 , 1 2 0 , 5 0 0 ,0 3 2 4 , 7 <0,01 0 , 5 3 0 , 0 2
0, 58 0 , 7 7 0 ,0 4 3 4 , 9 0 , 8 1 0 , 0 3
АУ 4-17/13 0 , 0 8 0 , 1 0 0 , 0 4 0,07 <0,01 3 , 5 5,4 <0,01 0 , 4 2 0,65 <0,01
ЕЬ 17-24/7 0,02 0 , 0 8 0,02 0 , 0 3 <0,01 5, 1 5 , 4 <0,01 0,06 0 , 0 6 <0,01
ВЕЬ 24-68/44 0 , 1 7 0 , 1 9 0 , 1 4 0 , 1 5 0 ,0 3 0 ,0 4 1 6 , 5 1 8 , 8 <0,01 0 , 2 0 0 , 2 7 <0,01
ВТ 68-91/23 0 , 1 6 0 , 1 8 0 , 1 6 0 , 1 7 0 ,0 3 0 ,0 5 3 3 , 8 4 2 , 3 <0,01 0 , 2 3 0 , 2 5 <0,01
НСР05 0,02 0,01 0,006 2,2 - 0,03 -
Таблица 2
Содержание подвижных фракций металлов в генетических горизонтах темногумусовой
метаморфизированной почвы, мг/кг
Горизонт Мощность горизонта, Си вод-обм. гп обм. N1 обм. Ре вод. обм. Сг в-о-д . обм. РЬ в-о-д. обм. С1 в-о-д-. обм.
см N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9
АН 0-24/24 0 , 1 6 0 , 1 7 0 ,0 3 4 , 3 0 ,0 1 0 , 1 4 0 , 0 2
0, 37 0, 3 1 0,05 9, 5 0,02 0, 34 0,02
Ст 24-32/8 0,09 0 , 1 0 0,0 1 3,4 0,0 1 0,02 0,0 1
0 , 2 4 0 , 2 3 0 ,0 3 8 , 7 0 ,0 1 0 , 0 6 0 , 0 2
С 32-63/31 0 , 0 8 0 , 0 9 0 ,0 7 2 7 , 3 0 ,0 2 0 , 0 7 <0,01
0 , 1 4 0 , 1 3 0 ,1 0 3 7 , 9 0 ,0 3 0 , 1 0
НСР05 0,11 0,03 0,008 2,7 0,01 0,02 0,007
Таблица 3
Содержание подвижных фракций металлов в генетических горизонтах аллювиальной гумусовой
глееватой почвы, мг/кг
Горизонт Границы (мощность) Си вод. обм. гп обм. N1 »М. обм. Ре вод. обм. Сг вод. обм. РЬ вод. обм. С(1 вод. обм.
горизонта, см N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9 N = 9
ЛУ 0-6/6 0, 33 0,36 0,08 6,6 0,05 0,02 0,04
0, 55 0 ,6 5 0 , 1 3 10,7 0 ,0 9 0 , 0 8 0 , 0 8
6-140/134 0,02 0 , 0 3 0 ,0 5 0 ,0 6 0,09 0 , 0 4 7, 5 5 , 9 0 ,0 2 0 ,0 2 0 , 0 2 0 , 0 2 0 , 0 1 0 , 0 2
НСР05 0,02 0,008 0,04 3,4 0,006 0,007 0,008
щение в метаморфизованный горизонт (Ст) с илистыми частицами.
Металлы N1, Бе накапливались в м атеринской породе (С). Элементы Сг и Сё распределялись в профиле относительно равномерно.
По сравнению с текстурно-дифференцированными почвами (дерново-подзолистая) содержание водорастворимой фракции большинства металлов в профиле темногумусовой метаморфи-зованной, расположенной в транзитно-аккумулятивных формах рельефа, было ниже, что можно объяснить поступлением металлов в другие менее мобильные фракции, например, в органо-минеральные комплексы.
Содержание подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов в профилях аллювиальных почв
В пойменных участках в аккумулятивных формах рельефа располагалась аллювиальная гумусовая глеевататая почва.
Залегание в аккумулятивных элементах рельефа и высокая доля гумуса в органогенных горизонтах (ЛУ) данного типа почв обусловили высокое накопление, по сравнению с предыдущими участками, большинства металлов в профиле (см. табл. 3).
Для профиля данной почвы характерно убывание содержания подвижных форм металлов вниз по профилю.
Для железа установлено снижение содержания обменных форм в оглеенном горизонте, вероятно, за счет перехода в другие фракции, в основном в аморфные гидроксиды алюминия и марганца.
Заключение
Впервые на примере трех разных генетических типов почв юга Тюменской области изучена роль элементарных почвенных процессов в распределении подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов.
Распределение большинства исследованных металлов (Си, 2п, РЬ, Сё) существенным образом
зависит от элементарных почвообразовательных процессов, протекающих в профиле почв, и имеет аналогичный железу характер миграции внутри профиля. Элювиальные горизонты обедняются подвижными формами металлов, органогенные горизонты аккумулируют в основном обменные формы металлов, иллювиальные и метаморфические горизонты обогащаются подвижными формами за счет их миграции с коллоидными частицами и нисходящей водной миграцией. Гле-евые горизонты также обедняются мобильными формами Си, 2п, РЬ и Сё за счет иммобилизации аморфными гидроксидами железа и марганца. Металлы N1 и Сг проявляли относительно равномерное распределение в профилях исследованных почв, что связано с сильной корреляцией подвижных форм с валовым содержанием элементов. Содержание подвижных форм этих обоих металлов имело слабую и среднюю корреляцию с физико-химическими свойствами почвы.
В текстурно-дифференцированной дерново-подзолистой почве установлена высокая доля подвижных форм металлов, что связано с низким содержанием гумуса, физической глины, слабой поглотительной способностью и высокой кислотностью. В полугидроморфных и гидроморф-ных почвах, расположенных в транзитно-акку-мулятивных и аккумулятивных формах рельефа (надпойменная терраса и пойма), за счет наличия факторов иммобилизации металлов (снижение кислотности, повышение доли гумуса и поглотительной способности) наблюдалось снижение доли водорастворимой и обменной формы металлов. Большая часть металлов в этих условиях, вероятно, распределяется по другим слабо подвижным фракциям: органоминеральные комплексы, оксиды и гидроксиды железа и марганца.
Полученные результаты могут использоваться для прогнозирования поведения тяжелых металлов и микроэлементов в профилях почв урбанизированных, техногенных и сельскохозяйственных экосистем.
Финансирование. Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы «Региональные особенности пространственно-временной дифференциации почв юга Тюменской области» (FUUM-2022-0005).
Библиографический список
1. Добровольский В. В. Основы биогеохимии. — Высшая школа, 1998. — 413 с.
2. Михальчук Н. В. Тяжелые металлы и микроэлементы в фоновых почвах и агроландшафтах юго-запада Беларуси // Агроеколопчний журнал. — 2017. — № 3. — С. 27—31.
3. Бурачевская М. В. Фракционный состав соединений тяжелых металлов в черноземах обыкновенных Нижнего Дона: дисс. на соиск. уч. степени канд. биол. наук. — Ростов-на-Дону, 2014. — 214 с.
4. Щеглов Д. И. Процессы почвообразования: учебное пособие. — Воронежский государственный университет. — Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2016. — 58 с.
5. Анциферова О. А. Геохимия элементов в почвах Замландского полуострова. — Калининград: Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2013. — 222 с.
6. Кайгородов Р. В. Распределение микроэлементов и тяжелых металлов в генетических профилях почв юга Тюменской области // Успехи современного естествознания. — № 12. — 2022. — С. 116—123. DOI: 10.17513/use.37959.
7. Классификация и диагностика почв России / Авторы и составители: Л. Л. Шишов, В. Д. Тонконогов, И. И. Лебедева, М. И. Герасимова. — Смоленск: Ойкумена, 2004. — 342 с.
8. Агрофизические и агрохимические методы исследования почв: Учебно-методическое пособие / Сост. В. И. Терпе-лец, В. Н. Слюсарев. — Краснодар: КубГАУ, 2016. — 65 с.
9. Zeien H., Bruemmer G. W. Chemical extraction in the determination of the binding forms of heavy metals in soils // Berichte aus der Oekologischen Forschung. — 1991. — V. 37 (2). — P. 223—234.
10. Минкина Т. М., Мотузова Г. В., Манджиева С. С., Назаренко О. Г., Бурачевская М. В., Антоненко Е. М. Фракци-онно-групповой состав Mn, Cr, Ni и Cd в почвах техногенных ландшафтов (район Новочеркасской ГРЭС) // Почвоведение. — 2013. — № 4. — С. 414—425.
11. Gryschko R., Kuhnle R., Terytze K., Breuer J., Stahr K. Soil extraction of readily soluble heavy metals and As with 1 M NH4NO3-solution // Journal of Soils and Sediments. — 2005. — Vol. 5 (2). — P. 101—106.
12. Rekasi M., Filep T. Effect of microelement loads on the element fractions of soil and plant uptake // Agrokemia es Talajtan. — 2006. — Vol. 55 (1). — P. 213—222.
13. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). — М.: Агропромиздат, 1985. — 351 с. — 351 с.
MOBILITY OF TRACE ELEMENTS AND HEAVY METALS IN THE GENETIC PROFILES OF SOILS IN THE SOUTH OF THE TYUMEN REGION
R. V. Kaygorodov, Ph. D. (Biology), Associate Professor, Junior Researcher, Tobolsk Complex Scientific Station of the Ural Branch of the RAS, [email protected], Tobolsk, Russia
References
1. Dobrovolskiy V. V. Osnovy biogeohimii. [Basics of biogeochemistry]. Moscow, Vysshaya shkola. 1998. 413 p. [in Russian].
2. Mikhalchuk N. B. Tyazhelye metally i mikroelementy v fonovyh pochvah i agrolandshaftah yugo-zapada Belarusi. [Heavy metals and trace elements in background soils and agricultural landscapes of the south-west of Belarus]. Agroekologichnyj ju-rnal. 2017. Vol. 3. P. 27—31 [in Russian].
3. Burachevskaya M. V. Frakcionnyj sostav soedinenij tyazhelyh metallov v chernozemah obyknovennyh Nizhnego Dona. [Fractional composition of heavy metal compounds in ordinary chernozems of the Lower Don]. Diss. k-ta. biol. nauk. Rostov-na-Donu, 2014. 214 p. [in Russian].
4. Sheglov D. I. Processy pochvoobrazovaniya: uchebnoe posobie. [Soil formation processes: a textbook]. Voronezhskij gos-udarstvennyj universitet. Voronezh, Izdatelskij dom VGU, 2016. 58 p. [in Russian].
5. Antsiferova O. A. Geohimiya elementov v pochvah Zamlandskogo poluostrova. [Geochemistry of elements in the soils of the Zamland Peninsula]. Kaliningrad, Izdatelstvo FGBOU VPO KGTU, 2013. 222 p. [in Russian].
6. Kaigorodov R. V. Raspredelenie mikroelementov i tyazhelyh metallov v geneticheskih profilyah pochv yuga Tyumenskoj ob-lasti. [Differentiation of trace elements and heavy metals in the genetic profiles of soils in the south of the Tyumen Region]. Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2022. Vol. 12. P. 116—123. DOI: 10.17513/use.37959 [in Russian].
7. Klassifikaciya i diagnostika pochv Rossii [Classification and diagnostics of soils of Russia]. L. L. Shilov, V. D. Tonkonogov, I. I. Lebedeva, M. I. Gerasimova. Smolensk, Ojkumena. 2004. 342 p. [in Russian].
8. Agrofizicheskie i agrohimicheskie metody issledovaniya pochv. Uchebno-metodicheskoe posobie. [Agrophysical and agrochem-ical methods of soil research. Educational and methodical manual]. V. I. Terpelets, V. N. Slyusarev. Krasnodar, KubGAU. 2016. 65 p. [in Russian].
9. Zeien H., Bruemmer G. W. Chemical extraction in the determination of the binding forms of heavy metals in soils. Berichte aus der Oekologischen Forschung. 1991. Vol. 37 (2). P. 223—234 [in English].
10. Minkina T. M., Motuzova G. V., Mandzhieva S. S., Nazarenko O. G., Burachevskaya M. V., Antonenko E. M. Frakcionno-gruppovoj sostav Mn, Cr, Ni i Cd v pochvah tehnogennyh landshaftov (rajon Novocherkasskoj GRES). [Fractional-group composition of Mn, Cr, Ni and Cd in soils of technogenic landscapes (Novocherkassk GRES area)]. Pochvovedenie. 2013. Vol. 4. P. 414—425 [in Russian].
11. Gryschko R., Kuhnle R., Terytze K., Breuer J., Stahr K. Soil extraction of readily soluble heavy metals and As with 1 M NH4NO3-solution. Journal of Soils and Sediments. 2005. Vol. 5 (2). P. 101—106 [in English].
12. Rekasi M., Filep T. Effect of microelement loads on the element fractions of soil and plant uptake. Agrokemia es Talajtan. 2006. Vol. 55 (1). P. 213—222 [in English].
13. Dospekhov B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoj obrabotki rezultatov issledovanij). [Methodology of field experience (with the basics of statistical processing of research results)]. Moscow, Agropromizdat. 1985. 351 p.
