CC BY
49
СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНОГО КАДМИЯ И СВИНЦА В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ
А. В. БУКИН,
заведующий лабораторией экотоксикологии,
А. С. МОТОРИН,
доктор сельскохозяйственных наук, Профессор, заведующий кафедрой 625003, г. Тюмень, ул. Республики, д. 7;
экологии и рационального природопользования тел. 8 (3452) 46-16-43;
Тюменская государственная сельскохозяйственная академия e-mail: [email protected]
ч
Положительная рецензия представлена Л. Н. Скипиным, доктором сельскохозяйственных наук, профессором Тюменского государственного архитектурно-строительного университета.
Природные металлы в естественных условиях поступают в биосферу из граничного слоя литосферы и путем процесса дегазации мантии Земли [1].
Воздействие человека на биосферу в современном мире носит глобальный характер, а значит среда, в которой мы обитаем, постоянно химически изменяется.
На сегодняшний день кадмий и свинец относят к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Свинец, кадмий с 1973 г. входят в список ООН как наиболее опасные для человека вещества [2]. Данные металлы являются наиболее опасными загрязнителями окружающей среды, так как широко используются в промышленности [3].
Актуальность и научная значимость рассматриваемой темы определяется тем, что поймы средних рек Северного Зауралья (Пышмы, Туры, Тобола) занимают важное место в экономике региона, обеспечивая потребности проживающего в нем населения в водных, сельскохозяйственных ресурсах и рекреации. Усиление техногенного прессинга на пойменных ландшафтах, с их неповторимым почвенным покровом, приводит к трансформации и деградации последнего.
Цель и методика исследований.
Целью данной работы является изучение химического загрязнения почвенного покрова аллювиальных почв наиболее опасными металлами.
Объектами исследований послужили пойменные почвы рек Пышмы, Туры и Тобола в лесостепной зоне Северного Зауралья. В основу выбора объектов исследований был положен принцип охвата спектра почв, формирующихся в различных речных ландшафтах.
Определение содержания подвижных форм кадмия и свинца в почве определялось в ацетатно-аммонийном буферном растворе с рН-4,8 атомно-абсорбционным методом.
Результаты исследований.
Кадмий. Различные типы почв отличаются по содержанию подвижного кадмия в гумусовом горизонте. В дерново-подзолистых почвах содержание подвижного кадмия составляет 0,01-0,06 мг/кг, серых лесных — 0,01-0,08, аллювиальных — 0,05-0,25 и черноземах — 0,01-0,03 [4].
В большинстве почв Западной Сибири отмечается значительное накопление кадмия в гумусовом горизонте, что обусловлено не только биогенной аккумуляцией элемента, но и его поступлением из глобального атмосферного пула. Различия между основными типами почв Западной Сибири по содержанию кадмия в гумусоаккумулятивном горизонте небольшие. Заметнее проявляются внутритиповые различия, когда максимальное содержание кадмия превышает минимальное в 5-10 раз и более [5].
В пойменных почвах Северного Зауралья, как и в других районах Западной Сибири, наблюдается значительное варьирование содержания подвижного кадмия. Концентрация этого элемента в разных типах аллювиальных почв изменяется от 0,02 до 0,42 мг/кг, или в 21 раз.
Среднее содержание подвижного кадмия в аллювиальных дерновых почвах поймы реки Пышмы—0,2 мг/кг, реки Туры — 0,04 мг/кг и реки Тобола — 0,11 мг/кг. Различные типы аллювиальных почв несколько отличаются по концентрации кадмия в верхнем горизонте
Таблица І
Содержание подвижного кадмия в аллювиальных почвах, мг/кг
Почва Подвижные % от валового Кс* Ко**
р. Пышма
Аллювиальная дерновая 0,20 14,3 1,5 <1
Аллювиальная дерновая 0,19 15,8 1,5 <1
Аллювиальная дерновая глеевая 0,20 17,2 1,5 <1
Аллювиальная луговая 0,15 13,6 1,2 <1
Аллювиальная лугово-болотная 0,10 8,8 <1 <1
р. Тура
Аллювиальная дерновая слоистая 0,04 4,0 <1 <1
Аллювиальная лугово-болотная 0,05 2,9 <1 <1
р. Тобол
Аллювиальная дерновая слоистая 0,08 6,3 <1 <1
Аллювиальная дерновая карбонатная 0,14 12,7 1,1 <1
Аллювиальная луговая 0,05 2,4 <1 <1
Аллювиальная лугово-болотная 0,19 4,8 1,5 <1
Примечание: *Кс — коэффициент техногенной концентрации (Кс = СИСф\), где С1 — фактическое содержание элемента, Сф1 — его фоновая концентрация. **Ко — коэффициент химического загрязнения (Ко = СИПДК).
почв, меньше всего подвижного кадмия в дерновых слоистых почвах. Содержание кадмия в аллювиальных дерновых почвах (слоистых, глеевых, карбонатных) в среднем по профилю колеблется от 0,04 до 0,20 мг/кг, в среднем составляя 0,14 мг/кг (табл. 1).
Концентрация подвижного кадмия в аллювиальных луговых почвах изменяется от минимума к максимуму в 3 раза. Среднее содержание кадмия в аллювиальной луговой почве поймы реки Пышмы — 0,15 мг/кг, реки Тобола — 0,05 мг/кг. Различия в содержании кадмия в пойменных почвах связаны с неодинаковой концентрацией элемента в почвообразующих породах. Среднее содержание подвижного кадмия в аллювиальных луговых почвах Северного Зауралья равно 0,10 мг/кг, что в 1,4 раза ниже, чем в дерновых.
Количество подвижного кадмия в аллювиальных лугово-болотных почвах пойм рек Пышмы, Туры и Тобола изменяется от 0,05 до 0,19 мг/кг, или в 3,8 раза. Среднее содержание кадмия в лугово-болотной почве по всем объектам составило 0,11 мг/кг.
Среди объектов исследований наибольшая концентрация подвижного кадмия установлена в аллювиальных почвах поймы реки Пышмы. Здесь среднее содержание кадмия по всем типам аллювиальных почв составило 0,17 мг/кг. В почвах поймы реки Тобола концентрация кадмия (0,11 мг/кг) в 1,5 раза ниже, и в 4,2 раза меньше, чем в почвах поймы реки Туры (0,04 мг/кг).
В пойменных почвах реки Пышмы количество подвижного кадмия от валового его содержания составляет 8,8-17,2 %. Наиболее высокая подвижность кадмия отмечается в аллювиальной дерновой глее-вой почве (17,2 %). В дерновой слоистой и в луговоболотной почвах поймы реки Туры доля подвижного кадмия от валового не превышала 2,9-4,0 %.
Аналогичная ситуация на пойме реки Тобола, где содержание подвижного кадмия от его валового количества составляет 2,4-6,3 %. Исключение представляет аллювиальная дерновая карбонатная почва, здесь доля подвижного кадмия возрастает до 12,7 %.
Коэффициент техногенной концентрации кадмия в пойменных почвах реки Пышмы изменяется от 1,2 до 1,5, то есть превышает ФОН в 1,2-1,5 раза. У всех почв максимальное превышение ФОНа отмечается в верхнем гумусовом горизонте. Самое высокое превышение ФОНа (в 3,2 раза) установлено в горизонте А2 луговой почвы. В профиле всех почв на рассматриваемом объекте превышения коэффициента химического загрязнения (>1 ПДК) нами не отмечалось.
По классификации А. И. Обухова (1992), аллювиальные почвы реки Пышмы характеризуются как почвы с высоким содержанием подвижного кадмия.
Содержание подвижного кадмия в аллювиальной дерновой слоистой и в лугово-болотной почвах поймы реки Туры составляет 0,04 мг/кг и 0,05 мг/кг, соответственно (табл. 1). Коэффициент подвижности изменяется от 2,9 до 4,0. Данные почвы поймы реки Туры имеют минимальное процентное соотношение содержания подвижного кадмия к валовому — в среднем 3,5 %, что в 2,6 раза ниже показателей для почв поймы реки Тобола, и в 4 раза — для почв поймы реки Пышмы.
Коэффициенты техногенной концентрации и химического загрязнения в почвах поймы реки Туры не превышают установленных норм. По классификации А. И. Обухова (1992), содержание кадмия в почве классифицируется как низкое.
Содержание подвижных форм кадмия в пойменных почвах реки Тобола классифицируется как вы-
сокое и изменяется от 0,05 до 0,19 мг/кг. Максимум подвижного кадмия приходится на аллювиальную лугово-болотную почву (0,19 мг/кг), минимум на луговую (0,05 мг/кг), промежуточное значение занимают дерновые почвы (от 0,08 до 0,14 мг/кг).
Коэффициент подвижности изменяется от 0,8 до 25,0 %. Более высокий показатель отмечен в аллювиальной дерновой карбонатной почве в горизонте Ск и в горизонте В1 лугово-болотной почвы.
Концентрация подвижного кадмия, превышающая ФОН, установлена в дерновой карбонатной (К>1,1) и в лугово-болотной почвах (К>1,5). Превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) не прослеживалось. По классификации А. И. Обухова (1992), аллювиальная дерновая карбонатная и лугово-болотная почвы поймы реки Тобола характеризуются как почвы с высоким содержанием подвижного кадмия. Дерновая слоистая и луговая почвы имеют среднее содержание.
Почвы исследуемых участков отличаются по содержанию и профильному распределению кадмия (рис. 1). Эти различия обусловлены неодинаковой концентрацией элемента в почвообразующих породах и разной направленностью почвообразовательных процессов, а также разной поемностью почв. Общей закономерностью для аллювиальной дерновой и лугово-болотной почвы является биогенная аккумуляция кадмия в гумусовом горизонте. Для дерновой характерен регрессивно-аккумулятивный тип распределения, а для лугово-болотной — равномерно-аккумулятивный. В луговой почве соер-жание кадмия было выше в почвообразующей породе, так называемый аккумулятивно-элювиально-иллювиальный тип распределения.
Больше всего сильных связей подвижный кадмий образует с гидролитической кислотностью, меньше всего — с физической глиной. С содержанием гумуса положительная сильная связь отмечается только в пойме реки Пышмы в аллювиальной дерновой и в лугово-болотной почвах (г=+0,69-0,96). С реакцией почвенной среды в основном имеется средняя отрицательная связь (Приложение). Корреляционная зависимость подвижного кадмия относительно других микроэлементов во многом складывается из-за типа почвы и гранулометрического состава. Больше всего сильных положительных связей у кадмия с микроэлементами отмечалось в лугово-болотных почвах и почвах тяжелого гранулометрического состава, минимум таких связей в дерновых почвах легкого состава. Наибольшее число сильных связей кадмий образует с Мп, Сг и Си.
Фоновое содержание кадмия в почвах Северного Зауралья равняется 0,13 мг/кг, при среднем значении в пойменных почвах 0,12 мг/кг. Результаты исследований показывают, что аллювиальные почвы пойм рек Пышмы и Тобола имеют высокое содержание кадмия, а реки Туры — низкое. На обследованной территории не выявлено загрязнения почв кадмием, его содержание не превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК).
Свинец. Исследований о закономерностях распределения свинца в профиле различных почв проведено немного. А. П. Виноградов считает, что в черноземах и в серых лесных почвах свинец в основном аккумулируется в гумусовых горизонтах [6].
Н. А. Чеботарева отмечала пониженное содержание свинца в подзолистом горизонте дерново-подзолистых почв [7].
64
№№№. т-Э¥и. пагоб. ги
Дерновая почва
Среднее содержание подвижного свинца в дерново-подзолистых почвах колеблется от 3,5 до 11,8 мг/кг, в серых лесных — 3,0-11,6 мг/кг и в черноземах — 5,0-10,0 мг/кг [8].
Полученные нами данные показывают, что среднее содержание подвижного свинца по профилю пойменных почв колеблется от 0,64 до 1,91 мг/кг, или составляет 5,3-20,6 % от валового (табл. 2). Среди типов почв наиболее высокая подвижность свинца отмечается в аллювиальной дерновой почве, несколько ниже — в луговой.
В среднем содержание подвижного свинца в профиле пойменных почв Северного Зауралья составляет 1,12 мг/кг, что в 5,4 раза ниже принятой для этого элемента предельно допустимой концентрации.
Проведенные исследования по содержанию подвижного свинца в пойменных почвах средних рек показывают незначительное расхождение между ними. Например, в аллювиальных почвах поймы реки Тобола содержание подвижного свинца составляет 1,31 мг/кг, реки Пышмы — 1,03 мг/кг и реки Туры — 1,01 мг/кг.
Содержание подвижного свинца в почвах поймы реки Тобола изменяется от 0,64 до 1,91 мг/кг. Максимум его находится в аллювиальной лугово-болотной почве.
Аллювиальные почвы поймы реки Тобола имеют самый высокий коэффициент вариации — 64,8, что в 1,5 раза выше для аналогичных почв поймы реки Пышмы, и в 1,7 раза выше для почв поймы реки Туры. Наибольшей вариабельностью характеризуется аллювиальная лугово-болотная почва — 77,2 % и дерновая карбонатная — 70,2 %. Такой высокий показатель говорит о довольно сильной изменчивости содержания свинца в данных почвах.
Максимальное содержание (2,02 мг/кг) подвижного свинца в аллювиальной луговой почве установлено в образцах отобранных с глубины 5 метров. В этой почве содержание свинца в слое 0-30 см не превышает 0,85 мг/кг. В аллювиальной дерновой карбонатной почве на глубине пяти метров концентрация свинца составляет 1,45 мг/кг, при его содержании в слое 0-30 см — 0,95 мг/кг.
Луговая почва Лугово-болотная почва
Рисунок 1
Среднее содержание и распределение подвижного кадмия в аллювиальных почвах, мг/кг
Коэффициент техногенной концентрации в пойменных почвах реки Тобола довольно низок. Максимальное превышение ФОНа в 3,8 раза было отмечено в верхнем гумусовом горизонте аллювиальной лугово-болотной почвы, а пределы варьирования коэффициента составляют 1,33-3,88. На данном объекте не установлено превышения коэффициента химического загрязнения (>1 ПДК).
Аллювиальные почвы поймы реки Тобола характеризуются как почвы со средним содержанием подвижного свинца. Исключение составляют лугово-болотные почвы, где его концентрация классифицируется как высокая.
Аллювиальные дерновые почвы поймы реки Пышмы имеют концентрацию элемента несколько выше (1,06-1,38 мг/кг), чем луговые почвы (0,73-
0,82 мг/кг).
Содержание свинца на глубине 5 метров в аллювиальных луговых и в дерновых почвах правого берега реки Пышмы указывают на высокую аккумуляцию этого элемента (2,76-3,67 мг/кг), что превышает среднее содержание по профилю в 2,7-3,5 раза. Почвы левого берега характеризуются более молодыми почвообразовательными процессами со свежими аллювиальными наносами. По-видимому, влияние этого фактора проявляется в более низкой концентрации (0,2-0,35 мг/кг) свинца на глубине 5 метров.
Таблица 2
Содержание подвижного свинца в аллювиальных почвах, мг/кг
Почва Подвижные % от валового Кс Ко
р. Пышма
Аллювиальная дерновая 1,38 10,9 <1 <1
Аллювиальная дерновая 1,14 12,0 <1 <1
Аллювиальная дерновая глеевая 1,06 8,7 <1 <1
Аллювиальная луговая 0,73 5,6 <1 <1
Аллювиальная лугово-болотная 0,82 7,1 <1 <1
р. Тура
Аллювиальная дерновая слоистая 0,55 8,3 <1 <1
Аллювиальная лугово-болотная 1,47 11,8 <1 <1
р. Тобол
Аллювиальная дерновая слоистая 0,64 5,3 <1 <1
Аллювиальная дерновая карбонатная 1,43 11,2 <1 <1
Аллювиальная луговая 1,32 20,6 <1 <1
Аллювиальная лугово-болотная 1,91 11,6 1,2 <1
Довольно большие изменения коэффициента вариации характерны для всех типов аллювиальных почв поймы реки Пышмы. Пределы колебаний составляют от 15 до 89 % при среднем варьировании 44,4 %. Минимальный коэффициент варьирования отмечен в аллювиальной луговой почве тяжелого гранулометрического состава.
Аллювиальные почвы в пойме реки Пышмы, по классификации А. И. Обухова (1992), имеют среднее содержание подвижного свинца.
Пойменные почвы реки Туры по содержанию подвижного свинца схожи с почвами поймы реки Тобола. Наблюдается одинаковая тенденция в содержании элемента в лугово-болотных и в аллювиальных дерновых почвах этих рек. Концентрация свинца в аллювиальной лугово-болотной (1,47 мг/кг) почве в 3 раза превышает его содержание в аллювиальной дерновой почве (0,55 мг/кг). Такие существенные отличия в концентрации на относительно небольшом расстоянии отбора образцов еще раз подчеркивают влияние различных факторов в почвообразовании.
Коэффициент вариации содержания подвижного свинца в почвах поймы реки Туры самый низкий — 37,6 %, относительно показателя для почв поймы рек Тобола и Пышмы. Максимальный коэффициент подвижности, также как и коэффициент вариации, отмечен (11,8) в лугово-болотной почве.
Дерновая почва
Рисунок 2
Среднее содержание и распределение подвижного свинца в аллювиальных почвах, мг/кг
в не карбонатных почвах (г = -0,91). Наиболее часто встречаемая сильная связь была найдена с подвижным калием в аллювиальной луговой почве (г= +0,94). Самая сильная корреляционная связь подвижного свинца с другими химическими элементами была выявлена в аллювиальной лугово-болотной почве. Элементы, с которыми свинец наиболее часто коррелирует, образуя сильные связи, имеет ряд: Со > Си=Сг > Мп=№ > Ъп > Cd.
Результаты исследований показывают, что содержание подвижного свинца в пойменных почвах рек Пышмы и Туры не превышает ФОНа (1,2 мг/кг). Исследованиями установлено, что пойменные по- Незначительное превышение (на 0,1 мг/кг) обнару-
чвы различаются по содержанию и распределению в профиле подвижного свинца (рис. 2). Эти различия обусловлены разнообразием условий почвообразования, влиянием карбонатов и неодинаковой концентрацией элемента в почвообразующих породах. В большинстве почв свинец по профилю распределяется довольно равномерно. И только в карбонатных почвах концентрация повышается по мере увеличения составной их части и может меняться в различных горизонтах почвы.
Помимо химической связи на содержание свинца оказывает влияние и морфологический процесс. В аллювиальных дерновых почвах прослеживается различная тенденция их профильного распределения, но основной является аккумуляция свинца в гумусовом слое, которая может быть в 1,1-2,2 раза выше, чем в почвообразующих породах.
В профиле почв корреляция содержания подвижного свинца с физической глиной в большинстве исследуемых почв слабая (г = +0,34), с гумусом она имеет обратную связь (г= -0,44). Сильную обратную связь свинец имеет с реакцией почвенного раствора
жено в почвах поймы реки Тобола. На обследованной территории не обнаружено загрязнения почв свинцом, его максимальное содержание было ниже предельно допустимой концентрации.
Выводы.
Все типы аллювиальных почв имеют высокое содержание подвижного кадмия наибольшее среднее содержание их отмечается в дерновых почвах — 0,14 мг/кг, несколько ниже его содержание в луговых и лугово-болотных почвах — 0,10 и 0,11 мг/кг, соответственно. По объектам исследовании более высокие значения данного элемента отмечается в пойме реки Пышмы — 0,17 мг/кг, минимум приходится на почвы реки Туры — 0,05 мг/кг.
Содержания свинца в аллювиальных почвах Северного Зауралья характеризуется как среднее. Наиболее богаты подвижным свинцом лугово-болотные почвы — 1,40 мг/кг, менее луговые и дерновые — 1,03 мг/кг. Среди объектов исследований выделяются почвы поймы реки Тобола содержащие — 1,33 мг/кг, более низкое содержание отмечено в пойменных почвах рек Пышмы и Туры — 1,01 мг/кг.
Литература
1. Виноградов А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М. : Изд-во АН СССР, 1957. 259 с.
2. Давыдова С. Л. Тяжелые металлы как супертоксиканты 21 века. М. : Изд-во РУДН, 2002. 140 с.
3. Дмитраков Л. М. Экологическая характеристика сельхозугодий — основная составляющая адаптивного земледелия // Агрохимия. 1994. № 4. С. 71-76.
4. Добровольский Г. В. Почвыречных пойм центра Русской равнины. Изд. 2. Собр. соч. в 3-х т. М. : Изд-во Московского университета, 2005. 293 с.
5. Ильин В. Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
6. Касимов Н. С. Подвижные формы тяжелых металлов в почве лесостепи Среднего Поволжья (опыт многофакторного регрессионного анализа) // Почвоведение. 1995. № 6. С. 705-713.
7. Чеботарева Н. А. Амальгамная полярография с накоплением и её использование для изучения содержания форм меди, цинка, свинца в почвах. М., 1970. 23 с.
8. Bowen H. J. Environmental chemistry of the elements. NY. : Academic Press, 1979. 333 p.
з
4
