CC BY
21
УДК 631.435:550.4(440.318)
О.А Самонова1, Н.С. Касимов2, Е.Н. Асеева3
ПОДВИЖНЫЕ ФОРМЫ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ЭРОЗИОННЫХ ФОРМ В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ СМОЛЕНСКО-МОСКОВСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ4
Изучено пространственное распределение содержания подвижных форм Бе, Мп, Со, /п, Си, РЬ, Сг, N1 в поверхностном горизонте почв эрозионных ландшафтно-геохимических систем (оврага и балки), расположенных в центральной части бассейна р. Протва. Статистическими методами выявлены зависимости между содержанием этих элементов и гранулометрическими фракциями, гумусом, величинами рН. Овражная КЛГС служит транзитной системой для подвижных форм металлов (кроме Сг), а балочная КЛГС транзитна только для РЬ, Со, N1 и слабоаккумулятивна для Бе, Си, /п и Сг. В почвах днищ от верховьев к низовьям снижается содержание подвижных форм: в балочной КЛГС — Бе, Мп, Си, РЬ, /п, Со, Сг, N1; в овражной КЛГС — Мп, Си, РЬ, /п, Со. Это совпадает с трендом распределения пылеватых частиц и гумуса, а также свидетельствует об их участии в миграционных процессах в данных эрозионных формах.
Ключевые слова: эрозионные ландшафтно-геохимические системы, почвы, подвижные формы металлов, гранулометрические фракции, гумус.
Введение. Миграционные потоки в ландшафтах во многом определяются формами нахождения химических элементов в почвах. Их анализ составляет важную часть геохимии окружающей среды и экологического мониторинга. Подвижные формы металлов в различных типах почв, а также их корреляционная связь с химическими свойствами почв и почвообразовательными процессами исследуются на протяжении нескольких десятилетий и подробно описаны во многих публикациях [2, 9—11, 14—16]. Результаты изучения подвижных форм элементов в почвах европейской части страны обобщены в [14], а в почвах зарубежных стран — в [8]. Большое внимание уделяется факторам их дифференциации: почвообразующим породам, особенно гранулометрическому составу, типу почвообразования, положению в системе сопряженных геохимических ландшафтов [2], а также связи с органическими соединениями [9] и оксидами [4]. Построены и исследованы статистические модели, отражающие количественные зависимости содержания подвижных форм металлов от основных почвенно-геохимических факторов [10, 11]. Описаны природные процессы различных уровней иерархической организации, которые объединяют соединения микроэлементов почвы и обусловливают ее устойчивость к химическому воздействию [15].
Широко применяется катенарный подход к изучению поведения металлов. Анализ латеральной и радиальной геохимической структуры катен позволяет
выявлять парагенетические ассоциации элементов в почвах, участвующих в миграционных процессах [2, 10, 13, 15, 18].
Дифференциация подвижных форм элементов и ее оценка в системах более сложного уровня организации, чем катены, например, в бассейновых каскадных ланд-шафтно-геохимических системах, в настоящее время практически не рассматривается в литературе, отсутствует методика оценки геохимического состояния таких объектов. Овражно-балочная сеть, включающая малые эрозионные формы, входит в состав бассейновых систем, а отдельные их составляющие — овраги и балки — могут служить моделью локальных каскадных ландшафтно-геохимических систем. Актуальность таких исследований связана не только с научно-методологическими, но и с практическими аспектами: депрессии рельефа, к которым относятся овраги и балки, часто служат для сброса загрязняющих веществ, дальнейшее поведение которых определяет эколого-геохимическую ситуацию территории.
В [20] изложены результаты исследования пространственного распределения основных почвенно-геохимических параметров: содержание гранулометрических фракций, гумуса, валовых концентраций Т1, Хх, Мп, Со, Хп, Си, РЬ, Сг, V, N1, 8п, значения рН в поверхностном горизонте почв двух малых эрозионных форм, статистические зависимости между этими параметрами. Цель нашей работы — анализ поведения подвижных форм Бе, Мп, Си, N1, Со, Сг, Хп, РЬ
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, вед. науч. с., канд. геогр. н., доцент, e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, зав. кафедрой, докт. геогр. н., академик РАН, e-mail: secretary@geogr. msu.ru
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, науч. с., канд. геогр. н., e-mail: [email protected]
4 Работа выполнена при финансовой поддержке Госконтракта № 02.740.11.037 "Эколого-геохимическая оценка техногенной трансформации ландшафтов", Госконтракта № П1078 "Разработка теоретических, экспериментальных и прикладных основ экологической геохимии ландшафтов", а также гранта НШ-6272.2010.5.
в поверхностном горизонте почв малых эрозионных каскадных ландшафтно-геохимических систем (КЛГС), установление зависимостей между почвенно-геохи-мическими параметрами (изученным ранее распределением гранулометрических фракций, а также гумуса, и величин рН) и полученными нами данными, оценка подвижности металлов в почвах этих ландшафтов, геохимическая характеристика оврага и балки как целостных ландшафтно-геохимических систем.
Объекты исследования. Две малые эрозионные каскадные ландшафтно-геохимические системы: овраг Волчий и Сенокосная балка (рис. 1), расположенные на левом берегу р. Протва, на территории Сатинского учебного полигона МГУ, отличаются морфологическим строением и возрастом. Морфологические характеристики этих форм подробно описаны в [17, 20, 23].
Водосбор овр. Волчий представляет собой трансэлювиальный ландшафт с еловым землянично-овся-ницевым сообществом на дерново-среднеподзолистых почвах; склоны коренного берега Протвы, окружающие эту форму, также представлены лесными ландшафтами: еловыми мертвопокровными, елово-березовыми и елово-сосновыми мертвопокровными сообществами на дерново-слабоподзолистых почвах. На склонах и в днище оврага преобладают кустарниковые сооб-
Рис. 1. Схема отбора проб в поверхностных горизонтах почв оврага Волчий (а) и Сенокосной балки (б) и фрагменты топографической карты (горизонтали — через 2 м). Римскими цифрами обозначены катены, начинающиеся выше бровок и пересекающие формы с обоих бортов. От верховьев к низовьям опробованы точки в днищах систем и на конусах выноса. Шаг опробования — 35—40 м
щества, состоящие из черемухи, бересклета, лещины; некоторые участки днища лишены растительности. Почвенный покров склонов и днища оврага состоит из дерновых, дерновых слаборазвитых разностей [3]. На конусе выноса под луговым землянично-клеверо-злаковым сообществом формируются дерновые сред-немощные почвы.
Водосборная площадь Сенокосной балки, а также склоны коренного берега, окружающие ее верхнюю часть, представлены агроландшафтами на дерново-среднеподзолистых освоенных почвах. Лишь в древнем озерном понижении — Сенокосной ложбине (рис. 1), история формирования которой, а также гранулометрические и химические характеристики слагающих ее слоев подробно описаны в [5], развивается естественное — луговое, разнотравно-щучковое с примесью ивы — сообщество на дерново-подзолистых грунто-во-глеевых почвах [3]. На остальной части склонов долины Протвы сформировались лесные ландшафты: дубово-еловые и елово-дубовые широкотравные сообщества на дерново-слабоподзолистых почвах. Склоны и днище балки заняты липово-березовыми и березово-рябиновыми крупнотравно-широкотравны-ми сообществами на тех же разностях почв, что и в овраге, но не опесчаненных, а более суглинистого состава. На конусе выноса под луговым злаково-раз-нотравным сообществом развиты дерновые почвы.
Материалы и методы. Овражная и балочная КЛГС рассматриваются как единые системы, в которых все звенья (склоны — днище — конус выноса) находятся в тесном взаимодействии между собой, а также с окружающими ландшафтами водосборной части и склонов. Водосбор и окружающие склоны — элементы внешней (относительно форм) системы, они представляют собой трансэлювиальные ландшафты, и мы рассматриваем их как трансэлювиальные ландшафты окружающей территории, далее для краткости изложения будем называть их трансэлювиальными ландшафтами.
Методика изучения геохимических параметров эрозионных систем основана на сочетании площадного подхода при отборе проб из поверхностного горизонта почв по сетке с катенарным подходом, учитывающим разнообразие элементарных ландшафтов на геоморфологических элементах. Ландшафтно-геохимические катены пересекают формы с обоих бортов, начинаясь выше бровок на трансэлювиальных ландшафтах и заканчиваясь в днище. Днище от верховьев к низовьям также представляет собой каскадную систему, элементарные ландшафты которой расположены на разных уровнях рельефа с изменяющимся составом растительного сообщества и разностями почв. Шаг отбора и расстояние между катенами (профилями) определяется степенью разнообразия элементарных ландшафтов, необходимостью выявления пространственных закономерностей изменения геохимических параметров в донной части системы, а также числом проб, достаточным для статистической обработки аналитического материала.
В крест простирания оврага и балки были заложены катены; в каждой из них отобраны пробы почв из гумусового горизонта (0—10 см): из трансэлювиальных ландшафтов, в 2—3 м от бровки, в средней части склонов, днище и конусах выноса (рис. 1).
В пробах определяли рН KCl органический углерод по Тюрину в лаборатории геолого-геохимической экспедиции г. Бронницы; Fe, Mn, Cu, Ni, Co, Cr, Zn, Pb — атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре "Hitachi 180/70", в вытяжке 1M HNO3 в химической лаборатории5 географического факультета МГУ с точностью 5%. В эту вытяжку переходит комплекс водорастворимых, обменных и непрочно сорбированных аморфными гидроксидами Fe и Mn форм, а также частично органо-минеральные соединения [22]. Такая вытяжка позволяет определять подвижные формы широкой группы металлов в некарбонатных и слабощелочных почвах, а также их потенциальное количество, которое в техногенных ландшафтах может отрицательно влиять на окружающую среду. Эта вытяжка широко применяется при почвенно-геохимическом мониторинге вследствие простоты методики, высокой информативности и сопоставимости с результатами других исследований. Гранулометрический анализ выполнен пирофосфатным методом в химической лаборатории Института географии РАН. Выборки для статистической обработки сформированы в соответствии с принадлежностью проб к склонам, днищу, конусу выноса оврага и балки, а также к трансэлювиальным ландшафтам окружающей их территории.
Для оценки латеральной дифференциации содержания металлов в почвах элементарных ландшафтов КЛГС оврага и балки использован вариант коэффициента латеральной дифференциации (L), равный отношению среднего содержания элемента в данной выборке (склон, днище и т.д.) к его содержанию в почвах трансэлювиальных ландшафтов.
Связь химического и гранулометрического состава в почвах оврага и балки оценивали с помощью коэффициента линейной корреляции Пирсона, а наличие или отсутствие пространственных линейных трендов в изменении химических и гранулометрических показателей по длине донных частей оврага и балки — коэффициента корреляции Спирмена. Связи считались значимыми при доверительной вероятности Р=0,95 (четкие пространственные тренды и значимая корреляция показателей).
Результаты и обсуждение. Гумусовые горизонты дерново-подзолистых почв трансэлювиальных ландшафтов, окружающих овраг и балку, практически не отличаются по содержанию изученных элементов, за исключением Fe, содержание которого в почвах вокруг балки на 15% больше, чем вблизи оврага, и Cu, которого на 20% больше в почвах вокруг оврага; различия для других элементов не превышают 10%. Данные табл. 1 схожи с ранее полученными для этих элементов в дерново-подзолистых почвах, сформировавшихся
на покровных, делювиальных и моренных суглинках [10, 12, 21], что позволяет сравнивать эти системы.
Средние значения содержания подвижных форм металлов в почвах внутренних ландшафтов оврага и балки отличаются (табл. 1): в балке содержание всех элементов выше, чем в овраге: Мп — в 2 раза, Бе, Си, Со, РЬ — в 1,4—1,3 раза, Хп, N1, Сг — в 1,1 раза.
Подвижность элементов (доля подвижных форм от валового содержания, %) дифференцирована слабо как между выборками внутри каждой КЛГС, так и между эрозионными формами в целом. Лишь для Мп, РЬ и Со эти различия значимы (более 10%). Подвижность РЬ возрастает, а Мп снижается внутри обеих форм. Ряды подвижности металлов (рассчитано по данным табл. 1) во всех выборках практически сходны: Мп > Со, РЬ > N1 > Хп > Си > Сг, а величины подвижности хорошо согласуются с ранее полученными данными для дерново-подзолистых и дерновых почв территории [10, 12]. Максимальной подвижностью в гумусовых горизонтах этих почв обладают Мп, РЬ, Со, активно реагирующие на изменение ландшафтно-гео-химических условий в овраге и балке.
Овражная КЛГС. В почвах овр. Волчий содержание Бе, Мп, Хп, РЬ, Со, N1 снижается в ряду склоны — днище — конус выноса (рис. 2). Большинство элементов имеет максимальные концентрации в почвах трансэлювиальных ландшафтов, лишь для Хп оно слабо повышено, а для Си и Сг — минимально на склонах.
На склонах оврага коэффициенты латеральной дифференциации имеют следующие значения: Си 0,4; Мп 0,5; Со 0,7; Сг 0,8; N1 0,9, что подтверждает тран-зитность этих ландшафтов. Однако подвижность металлов значимо меняется только у Си, она снижается с 10 до 2% по сравнению с трансэлювиальными ландшафтами, а Хп, РЬ — возрастает на 50 и 30% соответственно. По величине подвижности металлы образуют следующий ряд6 (%): Мп7б > Со30 > РЬ28 > Хп17 > №14 > Сг4 > Си2, малоотличающийся от ряда подвижности для почв трансэлювиальных ландшафтов. Статистически достоверна положительная связь Сг с фракцией мелкой пыли, Си с величиной рН; отрицательная — Си с фракцией среднего и крупного песка, а РЬ — с величиной рН. Для других элементов связи с изученными параметрами незначимы. Расчет коэффициентов парной корреляции между элементами выявил лишь две устойчивые пары: Мп—N1 и Хп—N1, что свидетельствует о сходной направленности их биогеохимической миграции [1].
В днище по сравнению с трансэлювиальными ландшафтами большинство элементов рассеиваются: Мп (Щ) 0,5; Со 0,6; РЬ 0,8; Бе, Си, Хп, N1 0,9. Относительно склонов наблюдается слабый транзит Бе, Хп, РЬ, Со и слабое накопление Си и Сг. По абсолютному содержанию Мп и N1 склоны и днище не отличаются. Снижается подвижность Мп, Со, Хп, РЬ и повышается Си, соответствующий ряд металлов изменяется по сравнению со склонами (%): Мп48 > РЬ24 > Со21 > №14 > Хп, Си10 > Сг4 На распределение содержания РЬ, Со, Мп,
5 Аналитики Е.А. Шахпендерян, Т.Г. Сухова.
6 Цифры рядом с элементом — доля подвижных форм от валового содержания, выраженная в процентах.
Таблица 1
Среднее содержание валовых и подвижных форм металлов в гумусовых горизонтах почв оврага и балки, ж/кг
Объекты изучения Элементы
Бе Мп Сг Хп N1 Си Со РЪ
Почвы трансэлювиальных ландшафтов оврага (8) Г - 700 50 80 30 20 10 30
400-1000 30-60 60-100 20-40 20-30 8-10 20-30
2 2340 626 2,1 8,4 4,6 2,0 3,3 5,9
860-3410 168-1250 1,0-2,8 3,4-10,7 2,4-6,3 0,7-4,9 1,6-4,3 4,1-7,4
Почвы внутренней части оврага (18) 1 - 400 50 60 30 20 10 20
200-600 20-60 50-100 20-40 20-50 8-10 15-30
2 1966 289 1,8 7,8 3,8 1,5 2,2 5,1
670-3000 66-670 1,1-2,8 4,0-12,5 1,2-7,6 0,1-4,9 1,1—4,1 3,2-7,0
Почвы трансэлювиальных ландшафтов балки (12) 1 - 600 50 80 30 20 10 20
600-1000 40-60 50-100 30-40 20-50 8-10 20-30
2 2754 637"" 2,0 8,1 4,9 1,6 3,1 6,1
1970-3830 330-890 1,1-2,7 5,8-10,5 3,0-8,6 1,0-3,7 1,8-4,1 4,7-7,5
Почвы внутренней части балки (29) 1 - 600 50 80 30 20 10 20
500-1000 40-60 60-100 20-40 15-40 6-10 20-40
2 2916 601 2,0 8,7 4,3 2,0 3,1 6,9
670-4320 170-1210 0,6-3,2 1,8-12,2 2,4-7,8 0,5-4,8 1,1-2,5 3,5-12,3
* В скобках — число проб; " содержание: 1 — валовое, 2 — подвижных форм; над чертой — медианное значение для валового содержания, среднее арифметическое — для содержания подвижных форм; под чертой — минимальное и максимальное значения; *" почвы внутренней части оврага и балки — выборки, включающие данные по склонам, днищу и конусу выноса; "" результаты обусловлены объективными систематическими ошибками спектрального анализа и использованием разных инструментальных методов определения валовых и подвижных форм.
Zn существенно влияет фракция средней пыли, а Mn — илистая фракция (табл. 2). Парные коэффициенты корреляции между элементами достоверны для Zn— Pb и Си—Со (рис. 3); поведение первой пары элементов определяют среднепылеватая фракция, органическое вещество и величина рН, для второй пары такая связь статистически не достоверна.
На конусе выноса оврага снижается содержание всех металлов (рис. 2). Основная причина этого — резкий рост содержания песчаных фракций и уменьшение фракций-носителей — пылеватых и илистой, что сильно влияет на концентрацию элементов и в большей степени указывает на гранулометрический контроль, чем на их участие в миграционных процессах. Подвижность снижается лишь у № и Си, и ее ранжированный ряд не отличается от аналогичного ряда для склоновых почв оврага (%): Мп51 > Со, РЬ23 > Zn10 > №6 > Сг5 > Си4.
От верховьев к низовьям оврага, в почвах днища снижается содержание Мп, Си, РЬ, Zn, Со, № (рис. 4), а также гумуса и пылеватых фракций [20], вероятно, определяющих поведение этой группы элементов. Слабо возрастает концентрация Бе и Сг, что совпадает с увеличением содержания крупного и среднего песка, а также величины рН, что указывает на роль карбонатных соединений этих металлов в общем балансе кислоторастворимых форм. Статистически значимые показатели тренда выявлены только для Zn и РЬ.
Корреляционный анализ выборки проб для почв внутренней части овр. Волчий (без разделения на склоны, днище, конус выноса) выявил заметное разнообразие групп элементов, связанных с той или иной гранулометрической фракцией. Для большинства элементов — Со, РЬ, Zn, №, Мп — установлена тесная связь с илистой и среднепылеватой фракциями (за исключением № в последней). Достоверная связь металлов с крупно- и мелкопылеватыми фракциями не выявлена. Это указывает на большую роль сорбцион-ной способности илистой и среднепылеватой фракций в распределении подвижных форм металлов в этой эрозионной форме. Отрицательна корреляция Zn с содержанием среднего, а Сг — мелкого песка (табл. 2); для других элементов такая связь не достоверна.
Рис. 2. Латеральная дифференциация значений среднего содержания химических элементов в поверхностных горизонтах почв оврага и балки. L — отношение содержания металла в почвах элементарных ландшафтов эрозионной формы к его содержанию в почвах трансэлювиальных (ТЭ) ландшафтов
В почвах оврага значимая положительная корреляция с содержанием гумуса характерна для РЬ, Zn и Со (табл. 2), для остальных элементов (кроме Сг) связь положительная, но статистически не достоверная. Между величинами рН и содержанием металлов выявлена достоверная отрицательная зависимость
Трансэлювиальные ландшафты Склоны Дно КЛГС в целом
Овраг Волчий
Мп /\ № Бе № /\ Мп гп Со-Си Ъп-РЬ С Р о-М / ь-ъ [п № / п
Сенокосная балка
Со Мп X / РЬ / \ Сг Бе Ъа. Мп,Ге Сг^———РЬ Мп Ре Сг / \ Хп Си Б / Си С е,Сг N X. о,№- 4п
Рис. 3. Значимые положительные корреляционные связи между металлами (доверительная вероятность Р = 0,95) в почвах КЛГС оврага и балки
Таблица 2
Корреляционные связи подвижных форм металлов с почвенно-геохимическими показателями в овраге и балке
Показатели Овраг Волчий
трансэлювиальные ландшафты (8) склоны (7) днище (7) КЛГС в целом (18)
Фракции, мм 1-0,25 №-0,8 Си-0,8 - 2п-0,5
0,25-0,05 Бе, Сг„_9 Си-0,8 - СГ_0,5
0,05-0,01 Ге0 9 > Мп Сг0 8 - - -
0,01-0,005 рео,9 - РЬ0 9 > Со0 8>Мп 8 РЬ, Со, Хп0 7>Мп0 6
0,005-0,001 Ре0,9>МП-0,8 Сг - Хп, РЬ0 5
<0,001 Ре0,8 - МП0,8 РЬ, Со06>Хп, №, Мп,, 5
рН Ре-0,8 мелкопесчаная фракция д9, крупно-, средне-и мелкопылеватая фракции _д в Си0 9, РЬ_0 9 РЬ 0 9, Zn_0 8 среднепылеватая фракция _д в РЬ-0,9, С°-0,6
Гумус - - 2п0,9' ^0,8 рь07>гп, со06
Сенокосная балка
трансэлювиальные ландшафты (12) склоны (13) днище (11) КЛГС в целом (29)
Фракции, мм 1-0,25 Ре> Сг-0,7>2п-0,6 Ге,Мп„ 8 > Хп_0 7 > № Сг„ 6 Сг_0,б Ге 0 6 > Сг 0 5 > Мп, Си, Zn_0 4
0,25-0,05 Сг-0,7>Ре2п-0,6 ре-о,9>Мп-о,8>Сг-о,7>2п-о,б Сг, % Ге, Сг 0 6 > Мп 0 5 > Хп, Си 0 4
0,05-0,01 Ре2п0,7 Сг0,6 Ге Мп0 9 > Хп Сг0 7 > N¡0 6 2п0,б Ге, Мп, Сг0 6 > 2п0 5
0,01-0,005 2п0,7 *--г0,6 Ге0 9 > Мп0 8 > Хп Сг РЬ 0 6 Хп Сг0 7 Ге, Мп, Сг0 5 > Хпц 4
0,005-0,001 С°0,6 - - -
<0,001 - - - -
рН - 2п-0,9 - Ге0 5 > Хп, Мп, Сг0 4
Гумус - - - С°0,4
Примечания. Статистически значимые коэффициенты корреляции (доверительная вероятность Р= 0,95): без знака перед цифрой — положительная связь, со знаком минус — отрицательная, прочерк — отсутствие значимых корреляционных связей; в скобках — число проб. Корреляция для КЛГС в целом рассчитана для общей выборки внутренней части формы, включающей склоны, днище, конус выноса.
только для РЬ и Со. Более низкое содержание элементов в почвах с высоким значением рН связано с опесчаненностью последних, т.е. с сильным опосредованным влиянием гранулометрического состава.
Анализ парных коэффициентов корреляции показал наличие тесных связей между: Мп и Со, Мп и Zn, Zn и №, Zn и РЬ, РЬ и Со, меняющихся по элементарным ландшафтно-геохимическим системам оврага (рис. 3), что можно объяснить трансформацией структуры миграционных форм, т.е. перестройкой соотношений между различными формами соединений металлов (легкорастворимыми, обменными, связанными с аморфными гидроксидами железа — извлекаемыми этой вытяжкой).
Дифференциация средних значений содержания металлов по элементарным ландшафтам овражной КЛГС указывает на транзитность системы в целом для всех металлов, кроме Сг, имеющего минимальную и одинаковую во всех компонентах каскадной системы подвижность, составляющую 4—5%. Активность миграции максимальна у Мп и Со, минимальна у Бе. Миграция элементов в овражной каскадной системе осуществляется главным образом с фракцией средней пыли, в меньшей степени с органическим веществом.
Балочная КЛГС. В почвах Сенокосной балки изменяется характер и снижается контрастность распределения металлов (кроме Си). Почвы склонов практически не отличаются от почв трансэлювиальных ландшафтов: для Сг, Мп, Си, Со коэффициент латеральной дифференциации (Ь) равен 1; слабый транзит характерен для Бе и № (Ь = 0,9), а слабое накопление — для Zn, РЬ (Ь = 1,1). Подвижность металлов также не изменяется по сравнению с трансэлювиальными ландшафтами; лишь для Мп наблюдается ее снижение на 20%; ряд подвижности металлов в почвах склонов аналогичен ряду трансэлювиальных ландшафтов (%): Мп83 > Со, РЬ32—33 > №14 > Zn11 > Си9 > Сг4. Значения концентрации Бе, Мп, Сг, Zn, РЬ, № тесно связаны с крупно- и среднепылеватыми фракциями (табл. 2). Высокие значения коэффициента парной корреляции РЬ, Сг, Zn с Бе и Мп и их статистически незначимая связь с гумусом свидетельствуют об участии в миграционных процессах (на склонах) в составе аморфных гидроксидов Бе и Мп. Подвижные формы Бе и Мп — один из факторов, усиливающих концентрацию подвижных форм большинства металлов [10].
В днище балки слабо аккумулируются Бе, Си, Zn, Сг (Ь = 1,2) и слабо выносятся РЬ, Со, № (Ь = 0,9); среднее содержание Мп в почвах элементарных ландшафтов балки не изменяется (рис. 2). Подвижность Мп увеличивается на 20% относительно склонов, а РЬ — снижается на 40%. Для других элементов этот показатель остается на уровне, характерном для склонов балки. Ряд подвижности металлов в почвах днища следующий (%): Мп110 > Со29 > РЬ19 > №15 > Си^п > Сг5. Только для Zn и Сг наблюдается тесная положительная связь с содержанием крупно- и среднепылеватых фракций, для других элементов она не выявлена.
Парные коэффициенты корреляции достоверны для Бе и Со, Мп и Со, Zn и Сг, Си и Сг (рис. 3), что указывает на сходство их поведения в миграционных процессах. Отсутствие значимой положительной корреляции металлов с содержанием гумуса и величинами рН свидетельствует о более важной роли их соединений с гидроксидами Бе и Мп в балансе изученных форм нахождения металлов.
На конусе выноса и в днище балки содержание металлов близкое, но их парагенезисы разные. Слабый транзит характерен для Мп и РЬ (Ь = 0,9); аккумуляция — для Си (Ь = 1,6); Zn, Со (Ь = 1,2); Бе (Ь = 1,1); равномерно распределены №, Сг (Ь = 1,0). Подвижность (по сравнению с почвами днища) возрастает у Со, РЬ, менее заметно для Си и Zn, однако ранжированный ряд подвижности металлов не изменяется (%): Мп92 > Со38 > РЬ28 > №16 > Си^п12 > Сг4
От верховьев к низовьям балки в почвах днища снижается содержание всех металлов (рис. 4), что совпадает с трендом распределения гумуса и пылеватых частиц [20], но статистически достоверно эти показатели связаны только для Сг и Си.
Корреляционный анализ выборки для почв внутренней части Сенокосной балки показал достоверную связь Бе, Мп, Сг, Zn, Си, № с крупно- и средне-пылеватыми фракциями. Статистически значимая положительная корреляция металлов с мелкопылева-той и илистой фракциями отсутствует, а отрицательная связь — с обеими песчаными фракциями выявлена для всех элементов, кроме РЬ (табл. 2).
В почвах балки тесная положительная связь с гумусом характерна только для Со, для Мп, Zn, №, Си она статистически недостоверна, а для Бе, РЬ, Сг отрицательна. Положительная корреляция с величиной рН выявлена для Бе, Zn, Мп, Сг. Установлена тесная корреляция Бе с Сг, Zn, Мп, Си, №; Мп — с Zn, Сг, Со, №; Zn — с Сг, №, Со; Со — с № (рис. 3).
В каскадной балочной системе Бе, Мп, Сг, Си и Zn имеют тенденцию к аккумуляции; для РЬ, Со, № — это не характерно. Миграция металлов определяется главным образом поведением фракций средней и крупной пыли. В балансе изученных соединений металлов преобладают формы, непрочносорбирован-ные гидроксидами Бе и Мп.
Таким образом, в балке связь металлов с песчаными фракциями тесная и отрицательная, а в овраге она статистически незначима (выявлена только для Zn и Сг). Другое отличие заключается в определяющем влиянии подвижных форм Бе на поведение остальных элементов в балке (что мы объясняем высоким содержанием пылеватых фракций и их тесной корреляцией с Бе) и его отсутствием в овраге. В овраге большая группа элементов ассоциирует со среднепы-леватой и илистой фракциями, а в балке — с крупно-и среднепылеватыми фракциями. Корреляция металлов с илистой фракцией в овраге, где содержание песчаных фракций в 2 раза выше, чем в балке, подтверждает, что именно илистая фракция служит носителем валовых и подвижных форм металлов.
Рис. 4. Распределение значений содержания подвижных форм металлов (мг/кг) в поверхностных горизонтах почв днища оврага Волчий (а, б) и Сенокосной балки (в, г) от верховьев к низовьям. Цифры на оси абцисс — точки отбора проб вниз по уклону рельефа (1—7 в овраге Волчий и 1—>11 в Сенокосной балке). Расстояние между точками 35—40 м
Характер связи металлов с органическим веществом в изученных каскадных системах показал, что их органо-минеральные соединения в овраге участвуют в миграционных процессах активнее, чем в балке.
В почвах балки существует тесная связь между металлами, что не характерно для почв оврага. Это обусловлено тем, что в почвах балки сумма пылева-тых фракций, определяющих содержание подвижных форм металлов, составляет в среднем 70% и элементы, с ней связанные, положительно коррелируют друг с другом. В почвах оврага, где велика роль песчаных фракций (их содержание превышает 50%) и металлы не имеют с ними тесной связи, корреляция между металлами отсутствует. Общие для почв оврага и балки пары — Мп и Zn, Мп и Со, Zn и №. Первые две пары элементов типичны для гумусовых горизонтов дерново-подзолистых почв [19, 21]. Связь Мп и Zn обусловлена их биогенностью [6, 8], а Мп и Со — тем, что Со адсорбируется минералами Мп и является его спутником в почвенных процессах [7]. По Тайлору и Маккензи (цит. по [24]), до 79% минеральных форм Со входит в состав или ассоциировано с оксидами Мп. Корреляция между Zn и № объясняется сходной направленностью их биогеохимической миграции [1, 10].
Выводы. 1. Овражные и балочные эрозионные формы моренно-ледниковых равнин в зоне смешан-
ных лесов представляют собой открытые аккумулятивно-транзитные системы. Степень транзитности этих систем зависит от возраста и морфологии. Основным механизмом транзита подвижных форм металлов в овражно-балочных системах является, по-видимому, суспензионный сток совместно с илисто-пылеватыми частицами.
2. В почвах балочной КЛГС содержание подвижных форм металлов выше, чем в почвах овражной КЛГС, что обусловлено более высоким содержанием пылеватых частиц, обладающих высокой сорбционной емкостью.
3. Более молодая овражная КЛГС служит транзитной системой для подвижных форм изученных металлов (кроме Сг), а более зрелая балочная КЛГС — транзитна только для РЬ, Со, № и слабоаккумулятивна для Бе, Си, Zn и Сг. Поведение металлов в овраге определяется распределением среднепылеватой и илистой фракций, а в балке — крупно- и среднепылеватых.
4. В почвах днищ от верховьев к низовьям снижается содержание подвижных форм: в балочной КЛГС — Бе, Мп, Си, РЬ, Zn, Со, Сг, №; в овражной КЛГС — Мп, Си, РЬ, Zn, Со. Это совпадает с трендом распределения пылеватых частиц и гумуса, а также свидетельствует об участии этих элементов в миграционных процессах в рассмотренных эрозионных формах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безносиков В.А., Лодыгин Е.Д., Кондратенок Б.М. Оценка фонового содержания тяжелых металлов в почвах Европейского Северо-Востока России // Почвоведение. 2007. № 9. С. 1064—1070.
2. Васильевская В.Д., Шибаева И.Н. Фракционный состав соединений металлов в почвах южнотаежного Заволжья // Почвоведение. 1991. № 11. С. 14—22.
3. Герасимова М.И., Исаченкова Л.Б. Почвы и почвенный покров Сатинского учебного полигона. М., 2003. 39 с.
4. Горбатов В.С. Устойчивость и трансформация оксидов тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu) в почвах // Почвоведение. 1988. № 1. С. 35—43.
5. Еременко Е.А., Панин А.В. Ложбинный мезорельеф Восточно-Европейской равнины. М.: МИРОС, 2010. 192 с.
6. Зырин Н.Г., Мотузова Г.В., Симонов В.Д., Обухов А.И. Микроэлементы (бор, марганец, медь, цинк) в почвах Западной Грузии // Содержание и формы соединений микроэлементов в почвах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. С. 3—159.
7. Зырин Н.Г., Титова А.А. Формы соединений кобальта в почвах // Содержание и формы соединений микроэлементов в почвах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. С. 350—386.
8. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
9. Карпухин А.И. Комплексные соединения гумусовых кислот с тяжелыми металлами // Почвоведение. 1998. № 7. C. 840—847.
10. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Самонова О.А. Регрессионные модели поведения тяжелых металлов в почвах Смо-ленско-Московской возвышенности // Почвоведение. 2002. № 8. C. 954—966.
11. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Самонова О.А. Подвижные формы тяжелых металлов в почвах лесостепи Среднего Поволжья (опыт многофакторного регрессионного анализа) // Почвоведение. 1995. № 6. C. 705—713.
12. Кошелева Н.Е., Касимов Н.С., Самонова О.А. Миграционная способность тяжелых металлов в почвах смешанных лесов // География и окружающая среда. М.: ГЕОС, 2000. С. 415—428.
13. Ладонин Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах — проблемы и методы изучения // Почвоведение. 2002. № 6. С. 682—692.
14. Микроэлементы в почвах СССР (подвижные формы микроэлементов в почвах европейской части СССР) / Под ред. Н.Г. Зырина, Г.Д. Белицыной. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1981. 252 с.
15. Мотузова Г.В. Соединения микроэлементов в почвах: Системная организация, экологическое значение, мониторинг. М.: Книжный дом "Либроком", 2009. 168 с.
16. Никонов В.В., Лукина Н.В., Фронтасьева М.В. Рассеянные элементы в Al-Fe гумусовых подзолистых почвах // Почвоведение. 1997. № 11. С. 1319—1331.
17. Панин А.В., Каревская И.А., Фузенина Ю.Н., Шере-мецкая Е.Д. Среднеголоценовая фаза оврагообразования в Юго-Западном Подмосковье // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 6. С. 62—73.
18. Самонова О.А. Тяжелые металлы в катенах смешанных лесов Смоленско-Московской возвышенности // Геохимия ландшафтов и география почв. Смоленск: Ойкумена, 2002. С. 91—120.
19. Самонова О.А., Асеева Е.Н. Распределение металлов по гранулометрическим фракциям почв в юго-восточной части Смоленско-Московской возвышенности // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2008. № 3. С. 32—39.
20. Самонова О.А., Асеева Е.Н. Почвенно-геохимическая дифференциация малых эрозионных форм в юго-восточной части Смоленско-Московской возвышенности // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2010. № 6. С. 80—87.
21. Самонова О.А., Кошелева Н.Е., Касимов Н.С. Ассоциации микроэлементов в профиле дерново-подзолистых почв южной тайги // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. 1998. № 2. С. 14—19.
22. Соловьев Г.А. Использование комплексных вытяжек для определения доступных форм микроэлементов в почвах // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. Вып. 56. С. 216—227.
23. Строение и история развития долины р. Протвы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996. 127 с.
24. Alloway B.J. Heavy metals in soils. L.: Blackie Acad., 1995. 368 p.
Поступила в редакцию 17.03.2011
O.A. Samonova, N.S. Kasimov, E.N. Aseeva
MOBILE FORMS OF METALS IN THE SOILS OF EROSIONAL FORMS IN THE SOUTH-EASTERN PART OF THE SMOLENSK-MOSCOW UPLAND
Spatial distribution of the concentrations of mobile forms of Fe, Mn, Co, Zn, Cu, Pb, Cr and Ni in the surface soil horizon was studied for the erosional landscape-geochemical systems (ravine and balka) located in the central part of the Protva River basin. Statistical methods were applied to reveal the relations of the element concentrations and granulometric fractions, humus and pH values. The ravine system acts as a transition one for mobile forms of all metals except Cr while the balka one is transitional only for Pb, Co and Ni and slightly accumulative for Fe, Cu, Zn and Cr. In the soils of bottoms from the upper towards the lower reaches there is a decrease in concentrations of the mobile forms of Fe, Mn, Co, Zn, Cu, Pb, Cr and Ni (in the balka system) and of Mn, Cu, Pb, Zn and Co (in the ravine one). This decrease shows good correlation with the trend of humus and silt particles distribution, and proves their participation in migration processes in these erosional forms.
Key words: erosional landscape-geochemical systems, soils, mobile forms of metals, granulometric fractions, humus.
