CC BY
183
2013
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 3
Вып. 1
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 631.416.8:504.064.36:550.4
В. А. Безносиков, Е. Д.Лодыгин, А. Н. Низовцев
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ И ПРОФИЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РТУТИ В ПОЧВАХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ*
Введение
Уникальные геохимические и токсикологические свойства ртути обусловливают особенности концентрирования и перераспределения в различных компонентах окружающей среды, способность накапливаться в пищевых цепях, разнообразие форм миграции и специфику трансформации в природных и техногенных условиях. Ртуть принадлежит к классу наиболее токсичных поллютантов среди тяжелых металлов. По степени опасности ее относят к первому классу [1]. Элементная ртуть и ее соединения включены Всемирной организацией здравоохранения, Агентством по охране окружающей среды США, Европейским сообществом, а также Россией в список наиболее опасных загрязняющих веществ.
Формы существования ртути определяют характер ее токсических свойств: нейро-токсические, нефротоксические, тератогенные, мутагенные, канцерогенные, эмбрио-токсические и гонадотоксические свойства [2, 3]. Наибольшую опасность представляют соединения ртути с органическими лигандами, которые не имеют пороговой концентрации и проявляются в генотоксических и канцерогенных свойствах. Присутствие ртутьорганических соединений в любом количестве опасно для живых организмов [4]. Необходим постоянный контроль состояния окружающей природной среды для предупреждения негативного воздействия ртутного загрязнения. В природном круговороте элементы почвы являются главным депонирующим компонентом [5, 6].
Анализ нормативно-методической литературы, регламентирующей допустимые нагрузки на почвы по ртути, позволяет констатировать, что существующие ПДК в области антропогенного воздействия не дифференцированы по природно-климатическим зонам и поэтому не могут быть использованы в конкретном регионе при
Безносиков Василий Александрович — д-р с.-х. наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН; e-mail: [email protected] Лодыгин Евгений Дмитриевич — канд. биол. наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН; e-mail: [email protected] Низовцев Андрей Николаевич — вед. инженер-химик, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН; e-mail: [email protected]
* Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН, проект № 12-П-4-1008. © В. А. Безносиков, Е. Д. Лодыгин, А. Н. Низовцев, 2013
проведении экологических экспертиз. Почвы в экстремальных климатических условиях Севера обладают низкой емкостью катионного обмена и слабой способностью к самоочищению и, следовательно, необходим систематический контроль их состояния. В настоящее время сведения о фоновом содержании ртути в почвах Республики Коми ограничены, многие из них недостаточно увязаны с вариабельностью ее содержания в почвах. Оценка естественного фона ртути, процессов накопления и перераспределения ее в профиле почв является актуальной задачей, решение которой позволит объективно выявить, локализовать и своевременно вводить ограничения как на промышленные, так и на сельскохозяйственные технологии [7].
Цель работы: оценить содержание, пространственное и профильное распределение, выявить закономерности накопления ртути в естественных почвах таежной зоны с учетом ландшафтно-геохимических особенностей территории Европейского северо-востока (на примере Республики Коми).
Объекты и методы исследования
Объектами исследований послужили почвы таежной зоны Республики Коми (рис. 1). При отборе почвенных образцов был использован маршрутный метод, позволяющий учитывать закономерности формирования почвенного покрова в ланд-
Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб почв на фоновых ландшафтах
шафтах: от водораздела (автоморфные почвы) до геохимически подчиненных ландшафтов — понижений (гидроморфные почвы) в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84 [8, 9]. Картографической основой для составления систематического списка почв послужила оцифрованная Государственная почвенная карта Республики Коми масштабом 1:1 000 000 [10]. Построение картосхемы распределения ртути в почвах выполнено с применением программы ArcView GIS 3.2а.
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 [11]. 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, ши™.3 = 997 мкг/кг). Контроль корректности зависимости осуществлялся по стандартному образцу СДПС-2 (ГСО 2499-83, ша". = 130 мкг/кг, ши™. = 121 мкг/кг), а также САЗП-98 (ОСО 39804, шатъ = 23 мкг/кг, ши™. = 25 мкг/кг). Результаты контроля признаны удовлетворительными.
Результаты исследования и их обсуждение
Для выявления антропогенных геохимических ситуаций, их масштаба и скорости техногенного загрязнения, для нужд мониторинга окружающей среды необходимо знать фоновое (природное) содержание ртути в региональных почвах и почвообразу-ющих породах, иметь представление о распределении металла в почвенном профиле и природных факторах, влияющих на это распределение.
Проведенные систематические исследования содержания ртути в почвах таежной зоны позволили установить, что фоновое содержание ртути в органогенных горизонтах определяется составом почвообразующих пород, содержанием органического вещества, процессами почвообразования (глееподзолистый, подзолистый иллювиально-гуму-совый, типичный подзолистый и дерново-подзолистый) в направлении с севера на юг в соответствии с биоклиматическими подзонами — крайнесеверной, северной, средней и южной тайгой и ландшафтно-геохимическими условиями (таблица). Содержание ртути в суглинистых почвообразующих породах колеблется от 13,5 до 15,0 мкг/кг, супесчаном аллювии — от 9,0 до 9,7 мкг/кг, в песчаных отложениях — от 4,0 до 5,4 мкг/кг. Разнородность почвообразующих пород по содержанию ртути обусловила пространственную пестроту ее накопления в почвах. Содержание ртути в малогумусных подзолах ниже кларка литосферы земли (83 мкг/кг) или превышает его: колебания составляют 1,0-1,13. В подзолистых и болотно-подзолистых типах почв интервал кларкового отношения варьирует в диапазоне 1,46-3,13. Массовая доля ртути ниже кларка в аллювиальных дерновых (0,14-0,39), дерново-карбонатных (0,48), дерново-подзолистых почвах (0,96), что свидетельствует о низкой аккумуляции ее в органогенных горизонтах.
В автоморфных почвах геохимически автономных ландшафтов (элювиальные) среднее значение массовой доли ртути в дерново-карбонатных почвах составляет 40 мкг/кг (северная тайга), в дерново-подзолистых — 80 мкг/кг (южная тайга) и в ти-
Среднее содержание ртути в органогенных горизонтах почв Республики Коми (Р = 0,95)
Тип почвы Зона тайги Среднее значение массовой доли ртути, ш (Щ), мкг/кг Стандартное отклонение среднего, ш), мкг/кг Диапазон значений, (штт ~ штахХ мкг/кг Число измерений, N Отношение к кларку
Дерново-подзолистые южная 80 13 64-98 7 0,96
Типичные подзолистые средняя 200 40 140-280 15 2,41
Глееподзо-листые северная 260 26 230-320 12 3,13
крайнесеверная 220 40 150-270 14 2,65
Подзолы южная 90 15 60-120 13 1,13
средняя 90 16 70-125 11 1,13
северная 80 27 32-112 24 1,01
крайнесеверная 60 16 38-80 12 0,73
Торфянисто- подзолисто- глееватые иллювиально- гумусовые южная 180 40 130-220 11 2,17
средняя 160 40 106-230 9 1,93
северная 160 40 90-240 8 1,93
крайнесеверная 150 16 120-180 6 1,81
Торфяно- подзолисто- глеевые иллювиально- гумусовые южная 150 22 103-180 12 1,81
средняя 140 27 100-170 8 1,69
северная 121 25 103-145 10 1,46
Торфянисто-подзолисто-глееватые южная 210 50 120-310 57 2,53
средняя 200 40 140-260 17 2,41
северная 190 40 150-240 30 2,29
крайнесеверная 190 30 115-260 38 2,29
Торфяно- подзолисто- глеевые южная 190 40 130-250 27 2,29
средняя 180 25 160-220 14 2,17
северная 170 30 120-220 14 2,05
крайнесеверная 160 30 114-230 12 1,93
Болотные торфяные средняя 130 5 120-140 14 1,57
северная 100 11 65-140 12 1,20
крайнесеверная 70 4 54-80 9 0,84
Аллювиальные дерновые южная 30 17 3-69 15 0,39
средняя 24 23 9-83 34 0,29
северная 24 11 9-47 17 0,29
крайнесеверная 12 1 10-14 12 0,14
Дерново-карбонатные северная 40 14 40-80 6 0,48
пичных подзолистых — 200 мкг/кг (средняя тайга). Низкое значение ртути в дерновых горизонтах дерново-подзолистых и дерново-карбонатных почв (слабокислая среда), по-видимому, связано с биогенным фактором (интенсивное поглощение растениями), высоким накоплением фульватов ртути, мигрирующих по профилю, и низким накоплением нерастворимых гуминов, содержащих ртуть.
С продвижением с юга на север усиливается степень оглеения, что приводит к росту валового содержания ртути в глееподзолистых почах до 220-260 мкг/кг. В геохимически подчиненных ландшафтах (трансэлювиально-аккумулятивные): полуги-дроморфных и гидроморфных почвах на слабодренированных водоразделах, увалах, пологих склонах, флювиогляциальных террасах, покрытых песчаниками, содержание ртути варьирует в диапазоне от 121 мкг/кг в торфяно-подзолисто-глеевых иллюви-ально-гумусовых (северная тайга) до 180 мкг/кг в торфянисто-подзолисто-глееватых иллювиально-гумусовых почвах (южная тайга). В подзолах, сформированных в авто-морфных условиях, на древнеаллювиальных и водноледниковых песчаных отложениях, значение средней массовой доли ртути составляет от 60 мкг/кг в крайнесеверной тайге до 90 мкг/кг в южной тайге. Массовая доля ртути в болотно-подзолистых почвах, сформированных на суглинистых почвообразующих породах, с признаками заболачивания, находится в интервале от 160 мкг/кг в крайнесеверной до 190 мкг/кг в южной тайге. В тофяно-болотных почвах (верховые болота), представляющих группу гидро-морфных почв, избыточное застойное увлажнение и анаэробные условия затрудняют разложение растительного опада и приводят к их консервации и накоплению торфа. Фоновое значение массовой доли ртути в этих почвах закономерно увеличивается от крайнесеверной (70 мкг/кг) до средней тайги (130 мкг/кг).
По результатам определения массовой доли ртути в почвах естественных ландшафтов Республики Коми составлена база данных с использованием ГИС-технологий и на ее основе картосхема пространственного распределения ртути (ArcView GIS 3.2а), фрагмент которой представлен на рис. 2. При картографировании содержания ртути в почвах были использованы значения ее массовой доли в органогенных горизонтах, обладающих наибольшей аккумулирующей способностью и являющихся интегральным показателем меркуризации почвенного покрова.
Характер проявления миграционных процессов ртути определяется количеством органического вещества и гранулометрическим составом почв. Результаты исследований показали, что аккумуляция металла происходит главным образом в верхних органогенных горизонтах, при понижении его содержания вниз по профилю. Органогенные горизонты являются основным геохимическим барьером для ртути, оказывающим значительное влияние на природные процессы концентрирования элемента в экосистемах. Преобладание аэробных условий в почвах снижает подвижность окисленных форм ртути. Иллювиальные горизонты автоморфных почв, сформированные на песчаных отложениях, не являются геохимическими барьерами для ртути. В болотно-подзоли-стых почвах происходит резкая смена кислородной обстановки на анаэробно-глеевую: наблюдается понижение Eh среды — окислительно-восстановительного потенциала. Более мощный глеевый горизонт, как следствие смены окислительных условий на восстановительные в болотно-подзолистых почвах, приводит к образованию более «размытого» барьера ртути, особенно характерного для торфяно-подзолисто-глеевых почв, и повышение концентрации осаждающейся ртути в пространстве почвенного профиля в данном случае будет незначительным. Роль геохимических барьеров ртути в почвах
ЕНе ЕЛ Иеи 1Ьете ВгарИЬ Мтйои Ие1р
ш т нн® шин шшшшшш ®п ®
Рис. 2. Фрагмент базы данных содержания ртути в органогенных горизонтах и картосхема ее пространственного распределения в почвах естественных ландшафтов Республики Коми
возрастает с севера на юг с усилением степени гидроморфизма (см. таблицу). В условиях кислой реакции среды в почвах накопление ртути происходит, главным образом, в органогенных горизонтах как в суглинистых, так и в песчаных почвах в результате биогенной аккумуляции, приводящей к прочному связыванию ее гуминовыми кислотами. В кислых почвах этот процесс протекает преимущественно путем ионного обмена (обратимая химическая реакция), а в нейтральной или слабощелочной среде (дерново-карбонатные почвы) за счет адсорбции нейтральных молекул гидроксида ртути ППК. При нейтрализации среды ртуть превращается в малорастворимые гидроксиды, которые адсорбируются коллоидами.
Во всех почвах отмечено высокое сродство ртути к углероду органического вещества (гНё-Сорг = 0,90-0,99). Максимальное значение коэффициетов корреляции (г Нё-Сорг) выявлено в гидроморфных и полугидроморфных почвах (рис. 3). Специфические органические кислоты ведут себя подобно комплексообразующему сорбенту, что приводит к концентрированию элемента в почвах [12, 13]. Миграция ртути из органогенных горизонтов незначительна, минеральная толща почв слабо обогащена ртутью.
Органогенные горизонты удерживают до 60-70 % валовой ртути. В целом характер распределения массовой доли ртути для всех почв таежной зоны имеет регрессивно-аккумулятивный тип, кроме болотных торфяных и торфяно-подзолисто-глеевых почв. В болотных торфяных почвах отмечается относительно равномерное накопление ртути по профилю, в торфяно-подзолисто-глеевых почвах — элювиально-иллювиальное.
Исследования показали, что в минеральной толще исследуемых почв на распределение ртути по профилю оказывает влияние сорбция илистой фракцией: гНё-ил = 0,91 для почв на суглинках и гНё-ил = 0,81 для почв на песках (рис. 4). Таким образом, миграционная способность ртути обусловлена в основном количеством органического
О 50 100 150 200 250 Массовая доля общей ртути, мкг/кг
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Гумус, %
| | Средняя тайга Ц Северная тайга Рис. 3. Профильное распределение ртути (А) и гумуса (Б) в торфянисто-подзолисто-глееватой
вещества и гранулометрическим составом.
10 20 30
Массовая доля ртути, мкг/кг
□ 1 П2
5 10 15 20
Массовая доля ртути, мкг/кг
□ 3 Щ4
Г
20 40
Доля илистой фракции, %
П1 I 12
10 20 30 40
Доля илистой фракции, %
ПЗ I 14
Рис. 4. Распределение ртути (А, Б) и илистой фракции (В, Г) по горизонтам почв:
1 — типичная подзолистая; 2 — подзол иллювиально-железистый; 3 — торфянисто-подзолисто-глее-ватая; 4 — торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиально-гумусовая на моренных суглинках почвы.
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что диапазоны фоновых колебаний содержания ртути близки для суглинистых болотно-подзолистых и подзолистых почв. Это связано с единством пород, близким гранулометрическим составом почв на суглинках и едиными закономерностями миграции веществ в ландшафте. Аналогичные закономерности массовой доли ртути в почвах таежной зоны отмечены для почв, сформированных на песчаных отложениях: подзолов и торфянисто-подзолисто-глеевых иллювиально-гумусовых, но абсолютное содержание ртути в них ниже, чем в почвах, образованных на суглинистых почвообразующих породах. Разное содержание ртути в почвах объясняется также различным расположением их в ландшафтах: в автономных почвах ее концентрация несколько ниже по сравнению с подчиненными, что связано с миграционно-аккумулятивными процессами.
Определены особенности внутрипрофильного распределения валовых форм ртути в основных типах почв таежной зоны. Независимо от типа почвы и их зонального расположения преобладают аккумулятивное и аккумулятивно-иллювиальное распределения валовой ртути по профилю. Выявлено, что ртуть аккумулируется главным образом в органогенных горизонтах, ее выщелачивание незначительно и меркуризации минеральной толщи почв не происходит.
Литература
1. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства. Утвержден Госстроем России от 10 июля 1997 г. № 9-1-1/69. 1997. 55 с.
2. Кузубова Л. И., Шуваева О. В., Аношин Г. Н. Метилртуть в окружающей среде (распространение, образование в природе, методы определения). Новосибирск, 2000. 82 с.
3. Оценка воздействия ртутного загрязнения на компоненты природной среды Приангарья / Коваль А. Т., Руш Е. А., Королева Г. П., Удодов Ю. Н., Андрулайтис Л. Д. // Экологический вестник Северного Кавказа. 2006. Т. 2, № 1. С. 41-59.
4. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп / под ред. В. А. Фи-лова и др. Л.: Химия, 1988. 512 с.
5. Kerndorff H., Schnitzer M. Sorption of metals on humic acid // Geochimica et cosmochimica acta. 1980. Vol. 44, N 11. P. 1701-1708.
6. 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.
7. Золотарева Б. Н. Тяжелые металлы в почвах Верхнеокского бассейна // Почвоведение. 2003. № 2. С. 173-182.
8. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Утвержден Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 21.12.1983. № 6393. М.: ФГУП Стандартинформ, 2008. 3 с.
9. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа. Утвержден Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 19.12.1984 № 4731. М.: ФГУП Стандартинформ, 2008. 7 с.
10. Государственная почвенная карта СССР / под ред. гл. ред. акад. И. П. Герасимова, чл.-кор. ВАСХНИЛ В. В. Егорова, проф. Е. Н. Иванова и д-ра наук Н. Н. Розова, 1958.
11. 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.
12. Варшал Г. М., Кощеева И. Я., Хушвахтова С. Д., Холин Ю. В. О механизме сорбции ртути (II) гумино-выми кислотами // Почвоведение. 1998. № 9. С. 1071-1078.
13. Иванов Г. М., Кашин В. К. Ртуть в гумусовых горизонтах почв Забайкалья // Почвоведение. 2010. № 1. С. 30-36.
Статья поступила в редакцию 13 сентября 2012 г.
