CC BY
46
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОИМЕННЫХ ПОЧВАХ СРЕДНИХ РЕК СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ
А. В. БУКИН, ассистент кафедры экологии и рационального природопользования, заведующий лабораторией экотоксикологии, Тюменская ГСХА
625041, г. Тюмень, Рощинское шоссе, д.2, к. 7; тел: 8 (982)915-55-45; e-mail: 777bukin777@rambler.ru
Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, пойма, аккумуляция. Keywords: soil, heavy metal, floodplain, accumulation.
Аллювиальные почвы лесостепи Зауралья входят в состав биогеохимиче-ской лесостепной и степной зон, характеризуемых, как правило, достаточным, а иногда и избыточным содержанием отдельных элементов (Си, Со, Zn, №, Мп и др.) в почвах [1, 2].
Актуальность рассматриваемой темы определяется высокой значимостью для сельскохозяйственных территорий, особенно пойменных ландшафтов, поскольку пойма является естественным барьером на пути миграционных потоков влаги и химических веществ. Знание состава и содержания химического вещества является весьма важным для сельскохозяйственного товаропроизводителя.
Цель нашей работы - определить содержание валовых форм тяжелых металлов, рассчитать коэффициенты вариационно-статистических показателей, дать оценку концентрации элементов относительно ПДК и мирового ФОНа, а также рассмотреть особенности распределения физиологически важных для живых организмов элементов: цинка ^п), меди (Си), хрома (Сг) и элементов, относящихся к особо опасным загрязнителям: свинца (РЬ), кадмия (Cd) в аллювиальных почвах средних рек Северного Зауралья.
Объекты и методы исследований. Объектами исследования в 2010 г. послужили почвы пойм р. Тобола, р. Пышмы и р. Туры Тюменской области. Для анализа были отобраны образцы почвы на различных участках (прирусловая, центральная, притеррасная) пойм по 11 разрезам.
Данные почвы имеют небольшой спектр по гранулометрическому составу - от тяжелосуглинистых до тяжелоглинистых с содержанием физической глины от 57,8 до 97,8 %, с преобладанием фракций пыли и ила.
Исследование физико-химических свойств почв проводилось по общепринятым методикам [1], гранулометрический состав определяли по методу Качинского.
Определение содержания валовых форм Zn, Си, РЬ, Cd, Сг в почве проводилось по методике ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02 атомно-абсорбционным методом.
Результаты исследований. Содержание валовых форм тяжелых металлов на пойменных почвах юга Тюменской области показало незначительную загрязненность последних.
Содержание большинства тяжелых металлов находится на уровне, близком к естественному, то есть незагрязненному. Превышение ПДК токсичных элементов в отдельных горизонтах почвы наблюдалось по четырем элементам - Сг, Zn, Си, Cd.
Для описываемых почв также характерно высокое и очень высокое, в сравнении с другими районами Сибири, содержание большинства изучавшихся элементов (табл. 1-3), возможно, наследуемых почвами от материнских пород. Причины повышенного содержания тяжелых металлов до конца не выяснены, корреляционный
шшш.т-ауи. пагоб. ги
анализ зависимости между валовым их содержанием и гранулометрическим составом почв дал нечеткие, а иногда и противоречивые результаты для некоторых элементов.
Не обнаружено также четких корреляционных связей между содержанием элементов в нижележащих горизонтах и аккумулятивных - гумусовых горизонтов почв, так как перемещение и биогенная аккумуляция элементов в процессе почвообразования внесли значительные изменения в сравнении с первоначальным их распределением. Эти изменения выражаются, главным образом, увеличением содержания тяжелых металлов в собственно почвенной толще и
Для рассматриваемых элементов (Сг, Zn, Си, РЬ, Cd) характерна не только неравномерность распределения в профиле аллювиальных почв, но и большая пестрота содержания как в целом, так и внутри каждого типа почв. По-видимому, подобное варьирование в какой-то мере определяется пространственной неоднородностью гранулометрического состава, гумусированностью почв, реакцией среды, также надо учитывать факт влияния поемности для данных типов почв.
Рассмотрим накопление данных химических элементов применительно к различным видам почв (табл. 1, 2, 3; рис. 1, 2).
Исследования
особенно в гумусовом горизонте.
Содержание валовых форм тяжелых металлов в пойменных почвах р. Тобол, мг/кг
показали, что
Таблица 1
Тип почвы, часть поймы Слои, см Сг Zn Cu РЬ Cd
Аллювиальная дерновая слоистая почва прирусловой поймы 5-15 97,80 46,40 6,38 20,12 1,12
22-32 106,00 57,84 7,16 17,16 1,24
42-52 63,96 40,60 0,72 8,68 1,06
72-82 74,56 39,54 2,18 19,36 1,60
118-128 13,72 19,03 н.о 5,86 1,30
170-180 33.22 24,34 н.о 1,08 1,28
Аллювиальная лугово-болотная почва прирусловой поймы 8-20 135,08 151,80 18,04 24,40 12,96
30-40 134,04 125,30 12,30 18,32 0,72
70-80 89,68 122,80 6,94 15,86 1,10
100-110 66,72 98,14 2,82 7,36 1,16
Аллювиальная луговая почва центральной поймы 0-9 92,44 130,0 16,30 11,24 6,58
28-38 99,02 43,64 8,02 8,78 1,16
48-58 116,78 60,84 0,42 4,12 1,24
59-69 46,36 29,40 н.о 6,54 1,20
83-93 44,54 27,68 н.о 5,30 1,24
130-140 18,98 72,20 н.о 2,72 1,18
Аллювиальная дерновая карбонатная почва притеррасной поймы 0-11 67,80 68,28 5,46 6,44 1,12
11-20 93,30 49,40 4,90 18,12 1,06
40-50 124,44 59,48 3,08 10,54 0,98
> 165 117,16 65,22 4,56 16,18 1,04
ПДК 100,0 100,0 55,0 32,0 2,0
ФОН (почвы мира) 65,0 50,0 20,0 10,0 0,50
Кларк (по Виноградову) 37,0 18,0 18,0 0,37
Таблица 2
Содержание валовых форм тяжелых металлов в пойменных почвах р. Пышма
(с. Успенка Тюменского района), мг/кг
Тип почвы, часть поймы Слои, см. Сг Zn Cu РЬ Cd
Аллювиальная лугово-болотная почва прирусловой поймы 10-20 114,76 59,14 29,04 21,44 1,06
40-50 92,68 102,04 13,32 11,00 1,08
60-70 118,02 48,22 12,08 15,04 1,20
80-90 170,30 98,08 15,84 15,26 1,12
110-120 152,04 40,70 2,72 5,42 1,24
Аллювиальная дерновая среднегумусная почва прирусловой поймы левого берега 9-19 141,36 69,96 14,26 22,42 1,18
33-43 121,86 83,80 11,52 19,00 1,16
60-70 115,90 56,46 10,0 4,70 1,08
130-140 87,46 35,34 4,74 6,54 1,00
Аллювиальная дерновая среднесуглинистая почва центральной поймы 4-9 128,84 71,80 16,28 27,56 0,96
15-25 96,02 50,06 17,94 13,98 1,08
40-50 115,18 55,68 9,04 11,02 1,40
60-70 116,04 46,98 7,64 2,80 1,38
100-110 112,84 49,12 6,20 5,50 0,96
Аллювиальная дерновая глеевая тяжелосуглинистая почва притеррасной поймы 3-11 101,04 62,70 12,92 17,30 2,12
20-30 114,68 118,64 12,40 9,70 1,12
60-70 81,46 38,64 4,56 11,58 1,10
90-100 59,16 59,0 0,66 10,74 1,36
150-160 76,74 29,06 3,26 14,30 1,30
Аллювиальная дерновая среднегумусная тяжелосуглинистая почва притеррасной поймы левого берега 8-18 99,52 113,0 10,70 6,30 1,52
25-35 103,64 118,66 14,76 21,90 1,16
45-55 114,40 52,94 12,96 13,44 1,08
70-80 93,52 25,66 18,68 0,10 1,20
100-110 63,86 51,28 10,18 8,04 1,11
150-160 15,68 17,26 н.о 7,40 1,18
ПДК 100,0 100,0 55,0 32,0 2,0
ФОН (почвы мира) 65,0 50,0 20,0 10,0 0,50
Кларк (по Виноградову) 37,0 18,0 18,0 0,37
53
концентрация меди варьируется в широких пределах от 0,42 до 958,4 мг/кг, при этом наибольшее содержание отмечается в аллювиальных болотных почвах и почвах тяжелого гранулометрического состава поймы р. Пышма. Содержание меди в различных генетических горизонтах почв р. Тобол и р. Пышма сильно изменяется, но не превышает значений ПДК.
Однако по отдельным слоям почвы проявляются превышения меди относительно Кларка (по Виноградову).
Коэффициент вариации меди в метровом слое для аллювиальной луговой и аллювиальной дерновой почвы составляет 40 %, для аллювиальной болотной почвы -67 %, что означает значительное варьирование элемента.
Отдельно нужно отметить количество меди в пойме р. Тура (с. Луговое), где в прирусловой части на глубине 150-160 см его концентрация превышает ПДК в 7 раз (табл. 3). На этой же глубине отмечено наибольшее содержание гумуса (погребенный гумусовый горизонт) - в три раза относительно верхних слоев. Реакция почвенной среды на данном участке идет в сторону подкисле-ния с рН-5,6, содержание физической глины также в этом слое максимально - 97 %.
Что касается аллювиальной болотной почвы притеррасной части данной реки, то концентрацию столь высокого показателя меди можно объяснить двумя факторами:
1. Катионы меди взаимодействуют с органическими и минеральными соединениями и могут осаждаться анионами как гидроксид и представлять себя в виде органических хелатных комплексов.
2. Содержание меди в почве связано с оксидами железа и марганца, при этом большое влияние оказывает кислотность почвы, которая доходила до 5,4 рН.
Отмечен высокий коэффициент положительной зависимости между концентрацией меди и содержанием гумуса в аллювиальной дерновой почве (г = 0,80), в аллювиальной луговой и болотной почве р. Тобол -слабая положительная связь (г = 0,23). Установлена высокая отрицательная корреляция содержания меди и рН для всех типов почв, за исключением отдельных участков (притеррасная часть Туры и Пышмы). Наблюдается прямая зависимость в аллювиальной дерновой почве между содержанием меди и валовым NPK (г = 0,22-0,99). Во всех случаях взаимодействия меди и гидролитической кислотности отмечается положительная корреляция (г = 0,26-0,88).
Более серьезная ситуация обстоит с не менее важным элементом, чем медь, -цинком. Как видно из представленных результатов, превышение ПДК по данному металлу отмечено на всех объектах исследований. Среднее содержание цинка в пойменных почвах Зауралья выше мирового фона (рис. 1). На 7-ми из 11 участков наблюдалась повышенная обеспеченность почв цинком. Из общего количества проанализированных образцов 6% имеют недостаточное содержание цинка - менее 30 мг/кг, а 12 % образцов имеют избыточное его содержание -более 70 мг/кг. Наибольшие концентрации цинка, как и меди, отмечены в аллювиальных
54
Таблица 3
Содержание валовых форм тяжелых металлов в пойменных почвах р. Тура (с. Луговое), мг/кг
Тип почвы, часть поймы Слои, см. Cr Zn Cu РЬ Cd
9-19 54.90 28.06 н.о 9.00 0.9
33-43 40.06 23.72 34.82 4.36 0.8
43-51 53,76 23,98 н.о 11.46 0.6
Аллювиальная дерновая почва 58-68 52,94 46,00 н.о н.о 0.6
прирусловой поймы 110-120 73.82 25.98 2.72 2.14 0.8
135-145 87.66 74.18 10.56 5.00 1.3
150-160 80 94 146 50 353 60 6 04 1 7
74 58 47 72 12 78 8 08 1 4
7-16 239,20 1980,0 705.20 23.06 2.1
Аллювиальная болотная почва 20-32 90.10 110.0 13.42 16.84 2.0
притеррасной поймы 44-54 78,64 74.3 958.40 6.90 1.7
70-80 98.52 90.0 27.12 3.36 1.9
ПДК 100,0 100.0 55.0 32.0 2.0
ФОН (почвы мира) 65,0 50.0 20.0 10.0 0.50
Кларк (по Виноградову) 37.0 18.0 18.0 0.37
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5
0
\
-н
ч-
ч
1 Аллювиальная дерновая
1 Алювиальная луговая
I Аллювиальная болотная
-ПДК
-Мировой ФОН
Cd
120 т 100 -80 -60 -40 -20 0
60 50 -40 30 -20 10 0
2.5 2
1.5 1
0,5 Ч 0
Рисунок 1
Содержание ТМ в различных видах аллювиальных почв
120 -Г
I
100 ■ 80 -60 ■ 40 -20 ---Н 0 -
I
I
II
ч
] Пойма Тобола 1 Пойма Пышмы I Пойма Туры -ПДК
-Мировой ФОН
болотных почвах р. Тобол и р. Тура. Коэффициент вариации цинка для аллювиальной болотной почвы - 2,5 %, а для аллювиальной луговой почвы - 9 %, что показывает на незначительную его вариацию. Наибольший коэффициент вариации отмечен в аллювиальной дерновой почве - 24 %.
Как мы можем видеть из табл. 1-3, по профилю почвы цинк распределяется довольно неравномерно: высокое содержание его сосредоточено в гумусовом горизонте в слое до 0,5 м. Наиболее значимое превышение ПДК цинка (в 20 раз) зафиксировано в верхнем, слабо оторфованном слое аллювиальной болотной почвы р. Тура.
Рисунок 2 Содержание ТМ в почвах рек Между концентрацией цинка и содержанием гумуса высокая положительная корреляция (г = 0,97) отмечена только в прирусловой части р. Тура, в остальных случаях имеет слабую положительную связь или не коррелирует вовсе. Установлена средняя отрицательная корреляция содержания цинка и рН для всех типов почв, исключение составляет слабо оторфованная почва в притеррасной части поймы р. Тура, где коэффициент корреляции составил (г = 0,51). При взаимодействии цинка с ионами водорода (гидролитической кислотностью) отмечается средняя и высокая положительная корреляция. Наблюдается средняя положительная зависимость только
www. m-avu. narod. ru
Cu
Cr
в прирусловой части р. Тобол и р. Тура между содержанием цинка и физической глины (г = 0,58-0,69).
Кадмий и свинец являются элементами, которые подвержены интенсивной миграции, то есть достаточно легко переходят из валовых форм в подвижные, особенно это характерно для кадмия.
Что касается кадмия, то по результатам исследований видно, что содержание его во всех аллювиальных почвах превышает мировой фон (рис. 1), а в болотной почве превышает значение ПДК в 1,5 раза. Среднее содержание кадмия в метровом слое почв для аллювиальной дерновой почвы составляет 1,2 мг/кг, для аллювиальной луговой - 1,7 мг/кг и аллювиальной болотной почвы - 3 мг/кг. Коэффициент вариации кадмия для аллювиальной болотной почвы равен 33 %, для аллювиальной луговой почвы - 35 % и аллювиальной дерновой - 26 %.
Относительно объектов исследования почв по рекам - самые высокие концентрации кадмия отмечены в пойме р. Тобол в центральной и прирусловой частях, аккумуляция его происходит в верхнем гумусовом горизонте А, в слое 0-20 см и превышает значения ПДК в 3,5 и 6,5 раза соответственно. Столь высокое содержание кадмия на данных участках можно объяснить расположением вблизи автомагистрали федерального значения, где высокая плотность транспортного потока. Это указывает на присутствие определенной антропогенной нагрузки на почву в придорожной части.
В аллювиальных почвах коэффициенты корреляции кадмия и агрохимических показателей почвы относительно других изучаемых элементов далеко не однозначны, это связано, как уже выше отмечалось, с подвижностью данного металла и, прежде всего, со слоистостью почв за счет приносимого паводковыми водами аллювия.
Относительно свинца, как видно из представленных данных, превышений ПДК не обнаружено, а превышение мирового фона для аллювиальной дерновой и аллювиальной болотной почвы очевидно (рис. 1).
Так, в аллювиальной болотной почве содержание свинца выше мирового фона на 50 %, а в аллювиальной дерновой - на 30 %. Максимальным значением свинца характеризуются верхние гумусовые горизонты почв пойм Тобола и Пышмы (от 24 до 27 мг/кг), меньшие его концентрации отмечены в пойме Туры, особенно в прирусловой части (9 мг/кг).
Коэффициенты вариации для различных видов аллювиальных почв по свинцу равны: дерновая - 27 %; луговая - 23 %; болотная - 12 %.
Выявлена высокая положительная зависимость между концентрацией свинца и физической глины в каждом виде почв, но в разных их частях в р. Тобол - это центральная и прирусловая часть (г = 0,78-0,70), а в реке Пышма - притеррасная часть поймы (г = 0,70). Для аллювиальной дерновой почвы, а именно участков центральной и притеррасной части р. Пышма, получена
высокая положительная зависимость между содержанием свинца и гумуса на остальных участках - она имеет среднюю или слабую зависимость.
По данным, приведенным в табл. 1-3, повышенное содержание хрома в аллювиальных почвах в 10-ти из 11 почвенных разрезов по отдельным генетическим горизонтам фиксируется в пределах от 0,1 до 2,3 ПДК. По видам аллювиальных почв максимальными концентрациями характеризуются болотные (116,3 мг/кг) и луговые почвы (104,8 мг/кг), из этого следует, что хром аккумулируется в почвах с высоким содержанием физической глины.
Среди объектов исследований самое высокое количество хрома находится в пойменных почвах р. Пышма и превышает мировой фон в 1,8 раза. Если рассматривать хром по сравнению с другими почвами Тюменской области, то, по данным агрохимической службы «Тюменская», среднее содержание хрома в серой лесной почве - 30 мг/кг, а в черноземе выщелоченном - 83,2 мг/кг.
В условиях Северного Зауралья следует выделить два наиболее характерных типа вертикального распределения хрома. В аллювиальных дерновых и луговых почвах при наличии щелочного сорбционного барьера в карбонатном горизонте наблюдается повышенное накопление хрома. Превышение его содержания в этом горизонте, по сравнению с гумусовым горизонтом, достигает 0,6-2 раз. Это обусловлено как повышением рН в карбонатном гор. (Ск) до 8,4-9,0 (в гор. А - рН 6,0-7,0) и осаждением хрома в виде Сг(ОН)3, так и активной сорбцией хрома оксидами железа и алюминия. Для почв, имеющих щелочную реакцию среды, обнаружена положительная зависимость (г = 0,45) и (г = 0,96). В почвах, в которых отсутствует карбонатный горизонт, хром распределяется в профиле более равномерно: его содержание в разных горизонтах различалось незначительно.
Аллювиальные почвы Северного Зауралья характеризуются низким содержанием гумуса (1,5-5,4 %). Поэтому слаженного накопления хрома в гумусовом горизонте не наблюдается. Корреляция между этими параметрами довольно сильно варьируется.
Содержание хрома в аллювиальной дерновой почве изменяется от 13 до 141 мг/кг (табл. 1-3). При близких значениях рН и гумуса колебания в содержании хрома обусловлены главным образом различиями гранулометрического состава почвы. Гранулометрический состав изменяется от суглинистого до глинистого, а содержание фракции физической глины - от 55 до 97 %. Среднее содержание хрома в аллювиальной дерновой почве равно 94,3 мг/кг.
Среднее содержание хрома в аллювиальной луговой почве равно 104,8 мг/ кг, что выше значений ПДК. Коэффициент корреляции хрома с гидролитической кислотностью для данного вида почв имеет отрицательную зависимость, в остальных
видах аллювиальных почв эта зависимость имеет высокий положительный коэффициент. Корреляция физической глины и хрома в луговой почве позволила выявить высокую положительную зависимость. В аллювиальной болотной почве при средней концентрации 116,3 мг/кг содержание хрома варьируется от 66 до 240 мг/кг, что обусловлено составом аллювиальных наносов. Коэффициент вариации для пойменных почв равен: аллювиальная дерновая - 22 %, аллювиальная луговая -23 % и аллювиальная болотная - 9 %.
Таким образом, содержание хрома в пойменных почвах региона изменяется в пределах 13-240 мг/кг. Средняя концентрация хрома равна 105 мг/кг. Статистически значимого различия среднего содержания хрома в различных видах аллювиальных почв не выявлено. Однако общая тенденция к статистически достоверному увеличению его в аллювиальных болотных почвах прослеживается четко, что обусловлено гранулометрическим составом, оторфованно-стью почв, гидрогенным режимом и особым микроклиматом в этих почвах.
Выводы.
1. Относительно первой группы токсичности ^п, РЬ, Cd) наибольшие содержания ТМ отмечены в пойме р. Тобол, при этом концентрация кадмия превышает ПДК. Что касается видов аллювиальных почв, то большее содержание этих элементов обнаружено в болотных почвах, в том числе Zn и Cd выше значений ПДК, а РЬ приближается к нему с концентрацией 29,4 мг/кг при ПДК в 32 мг/кг.
2. Значительное накопление некоторых элементов отмечается в карбонатном горизонте за счет осаждения растворимых форм элементов на щелочном барьере при нисходящей или восходящей миграции. Пространственное распределение всех изученных ТМ в верхнем органогенном горизонте аллювиальных почв не повторяет их пространственного распределения в С-горизонте, как это отмечено в черноземных почвах.
3. Между реакцией среды (рН) почвы и содержанием в них элементов выявлено два типа связи: положительная - для Сг, РЬ, Cd и отрицательная - для Zn, Си. Элементы первой группы в больших концентрациях встречаются в почвах, имеющих слабощелочную и щелочную реакцию среды, а второй - слабокислую и кислую. Первая группа элементов в повышенных концентрациях обнаруживается в карбонатных почвах, а высокое содержание элементов второй группы характерно для почв с низким содержанием кальция.
4. Содержание ТМ в пойменных
почвах Северного Зауралья варьируется в довольно значительных пределах (мг/кг): медь - 0,42-958, цинк - 17-1980,
кадмий - 0,6-13, свинец - 1-27, хром - 13-240 и в среднем составляет следующие величины: медь - 18,3, цинк - 81,1, кадмий - 1,96, свинец - 12, хром - 105,1. Отсюда и высокий диапазон коэффициента вариации содержания ТМ в почвах - 3-86 %.
Литература
1. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск : Наука, 1991. С. 93-101.
2. Ильин В. Б., Сысо А. И., Конарбаева Г А., Байдина Н. Л., Черевко А. С. Содержание тяжелых металлов в основных почвообразующих породах юга Западной Сибири // Почвоведение. 2000. № 9. С. 1086-1090.
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М. : Мир, 1989. 439 с.
ммм.т-эчи. пэгоб. ги
55
