CC BY
13
УДК 631.412:631.416.8
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ
В.В. Окорков
Ивановская государственная сельскохозяйственная академия
В серых лесных почвах Владимирского ополья валовое содержание изученных тяжелых металлов ниже ПДК и ОДК во всех почвенных разностях и горизонтах. Для Fe, Со, N1, Сг характерно элювиально-иллювиальное распределение по профилю почвы. РЬ концентрируется в грубодисперсной части Апах горизонтов серых лесных почв, Мп - также в гумусовом горизонте, но его концентрация увеличивается с ростом емкости обмена. Содержание Zn в Апах и В1 горизонтах характеризуется близкими величинами, но снижается в переходном А2В горизонте. Fe, Со, N1, Zn, Сг, Мп аккумулируются в тонкодисперсной части серых лесных почв.
На серых лесных почвах Владимирского ополья в продукции ряда культур (сено многолетних трав, зерно овса) отмечали повышенное содержание некоторых тяжелых металлов (№, &, Pb), достигающее уровня ПДК или ОДК [2]. Одной из причин этого было несбалансированное питание возделываемых культур. Другой возможной причиной может быть повышенное валовое содержание их. Далее, важно было установить возможность миграции тяжелых металлов (ТМ) по профилю почвы. В связи с этим проводились исследования по содержанию ТМ и их взаимосвязи с физико-химическими свойствами образцов серых лесных почв, отобранных в процессе проведения почвенно-ландшафтного картографирования территории Владимирского НИИСХ в 1996-1997 гг. Физико-химические параметры определялись общепринятыми методами, а валовое содержание ТМ - на рентгенфлюоресцентном анализаторе «Spectшscan».
В пределах одного генетического или антропогенного горизонта степень варьирования валового содержания тяжелых металлов (ТМ) возрастает в следующем порядке: Cr<Fe<Zn<Ni<Mn<Pb<Co (табл. 1).
Валовое содержание изученных ТМ в пределах землевладения ГНУ ВНИИСХ не превышает ПДК и ОДК во всех поч-
венных горизонтах серых лесных почв. Ниже оптимального (7-30 мг/кг) содержание Со.
Смытость, оподзоленность, глеева-тость Апах горизонта серых лесных почв и наличие в нем обменного алюминия значимо не влияют на валовое содержание Zn, №, Mn, & и Pb. В то же время для оподзоленных и с наличием обменного алюминия, разной степени глеевато-сти, со вторым гумусовым горизонтом почв наблюдается тенденция снижения содержания Со с 3,6-3,8 до 2,05-2,75 мг/кг почвы. Следовательно, содержание кобальта снижается с ростом степени гидроморфизма Апах горизонтов серых лесных почв.
Апах горизонты со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ) от Апах горизонтов других почвенных разностей отличаются повышенным содержанием марганца (883 против 747-784 мг/кг). Содержание Zn, №, & и Pb в Апах со ВГГ близко к таковому для остальных почвенных разностей серых лесных почв.
Валовое содержание Fe в верхней части почвенного профиля наиболее высокое в Апах горизонтах серых лесных плакорных и серых лесных разной степени смытости почв (3,31-3,51 против 2,903,13 % в остальных почвенных разностях).
Таблица 1
Некоторые физико-химические свойства серых лесных почв и
содержание в них тяжелых металлов
Статис- тический показа- тель Гу- мус, % Емкость обмена рНксі <0,005 мм Ее, % РЬ | 7п | N1 | Со | Мп | Сг
мг/кг
Пахотные горизонты серых лесных почв (Л2сЛ), п = 15
Средняя 2,52 24,0 5,89 25,6 3,31 14,5 49,5 30,3 3,6 746,8 81,3
с 0,47 2,45 0,58 3,80 0,28 6,00 3,60 3,61 1,99 80,0 3,61
с, % 18,7 10,2 9,9 14,8 8,5 41,6 7,3 11,9 55,4 10,7 4,4
Пахотные горизонты серых лесных смытых почв, п = 9
Средняя 2,12 23,3 5,92 25,6 3,51 15,9 48,7 31,3 3,8 754,4 83,3
с 0,42 2,69 0,46 5,01 0,44 4,00 2,50 3,91 2,30 127,5 6,60
с, % 19,6 11,6 7,8 19,6 12,4 25,3 5,1 12,5 61,8 16,9 8,0
Пахотные горизонты серых лесных оподзоленных почв, п = 30
Средняя 2,86 24,1 5,82 22,8 3,06 18,9 50,5 29,0 2,5 783,5 79,9
с 0,65 3,57 0,52 2,76 0,35 9,47 5,10 3,70 2,00 102,6 5,72
с, % 22,6 14,8 8,9 12,1 11,6 50,2 10,1 12,8 80,5 13,1 7,2
Пахотные горизонты разной степени глееватости почв, п = 20
Средняя 3,12 25,0 5,38 23,4 3,13 17,0 52,0 30,8 2,75 773,9 81,1
с 0,89 3,45 0,50 4,39 0,37 7,56 8,39 3,72 2,20 121,1 4,87
с, % 28,7 13,8 9,3 18,8 11,9 44,5 16,1 12,1 79,9 15,6 6,0
Пахотные горизонты с наличием обменного алюминия, п = 19
Средняя 2,83 21,8 4,73 20,2 2,90 20,5 51,0 28,3 2,05 766,1 77,3
с 0,84 6,46 0,33 4,07 0,39 8,73 6,29 3,70 2,04 136,2 5,00
с, % 29,7 29,6 7,1 20,1 13,5 42,5 12,4 13,1 99,4 17,8 6,4
Пахотные горизонты серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом, п = 18
Средняя 2,93 24,1 5,89 23,0 3,05 12,1 54,2 30,7 2,3 882,8 80,7
с 0,54 2,45 0,57 5,28 0,22 5,20 6,20 1,80 1,30 118,4 5,10
с, % 18,4 10,2 9,6 22,9 7,1 42,6 11,4 6,0 57,9 13,4 6,3
Вторые гумусовые горизонты (ЛИ), п = 11
Средняя 3,27 25,9 5,42 21,6 2,89 16,2 53,2 31,6 3,0 944,2 78,6
с 0,83 4,24 0,53 5,76 0,35 8,41 8,47 3,27 1,79 163,2 7,19
с, % 25,4 16,4 9,8 26,7 12,0 52,0 15,9 10,4 59,6 17,3 9,1
А2В горизонты се] зых лесных почв, п = 19
Средняя 0.92 21.3 5.00 32.5 3.63 13.5 42.9 31.2 4.26 562.5 86.9
с 0.23 1.98 0.45 4.98 0.50 7.1 7.32 5.52 2.13 76.1 4.34
с, % 25.4 9.3 9.0 15.3 13.7 53.0 17.1 17.7 50.0 13.5 5.0
Иллювиальные горизонты (В1) серых лесных почв (Л2сЛ), п = 24
Средняя 0,88 23,7 4,96 37,3 4,19 13,5 50,4 35,7 5,9 630,0 91,1
с 0,25 1,47 0,28 4,38 0,39 5,06 4,57 3,65 2,95 60,6 5,16
с, % 28,7 6,2 5,7 11,7 9,3 37,5 9,1 10,2 49,8 9,6 5,7
Иллювиальные горизонты (В1) серых лесных оподзоленных почв, п = 6
Средняя 0,80 22,4 5,09 33,8 3,96 13,8 47,3 33,0 5,0 580,0 86,5
с 0,20 2,19 0,51 4,66 0,40 13,3 5,65 2,28 4,69 71,7 5,75
с, % 25,0 9,8 9,9 13,8 10,0 96,3 11,9 6,9 93,8 12,4 6,6
Иллювиальные горизонты (В1) серых лесных почв разной степени глееватости, п = 8
Средняя 0,87 24,4 5,16 37,8 4,26 11,8 50,2 36,4 6,25 663,6 92,5
с 0,31 1,30 0,38 4,75 0,35 3,28 5,06 4,31 3,77 80,0 5,48
с, % 35,4 5,3 7,4 12,6 8,2 28,0 10,1 11,8 60,3 12,1 5,9
Вторые гумусовые горизонты АИ выделяются самым высоким содержанием Мп (944 мг/кг почвы) и промежуточной концентрацией Со (3,0 мг/кг).
В А2В горизонтах серых лесных почв по сравнению с пахотными повышается содержание Fe, Со и Сг, но снижается концентрация Zn и особенно Мп.
В этих генетических горизонтах содержание Mn минимальное.
В иллювиальных В1 горизонтах по сравнению с Апах заметно увеличивается содержание Fe, Co, Ni, Cr, снижается содержание Mn. Явная тенденция снижения в В1 горизонтах наблюдается для свинца, особенно для серых лесных разной степени глееватости почв.
Выделенные нами разности В1 горизонтов существенно не различаются между собой по содержанию основных ТМ.
Для Fe, Со, № и Сг характерно типичное элювиально-иллювиальное распределение по профилю серых лесных почв. Содержание Zn заметно снижается в оподзоленном (переходном А2В) горизонте. В иллювиальном горизонте оно вновь достигает уровня пахотных горизонтов. РЬ концентрируется в гумусовом Апах горизонте. В то же время Апах горизонт со ВГГ характеризуется среди соответствующих горизонтов минимальным количеством РЬ.
Таблица 2
Взаимосвязь содержания тяжелых металлов с некоторыми свойствами серых лесных почв ополья в Апах горизонтах
ТМ 1 Уравнение взаимосвязи 2 R
Апах горизонты серых лесных плакорных почв (почвы повышений), n = 15
Pb 22,8 - 7,12 (х1 - 2,0) - 0,84 (х4 - 20) 0,564
Zn 44,6 + 5,31 (х1 - 2,0) + 0,67 (х4 - 20,0) - 4,87 (х5 -3,0) 0,863
42,8 + 6,81 (х1 - 2,0) + 0,58 (х4 -20,0) 0,814
Co 6,16 - 1,35 (х3 - 5,0) + 3,59 (х5 - 2,0) 0,694
0,28 + 4,07 (х5 - 2,5) 0,576
Mn 690,0 + 30,6 (х2 - 20) - 73,0 (х3 - 5,0) 0,683
Cr 90,8 + 0,83 (х2 - 20,0) - 4,25 (х5 - 3,0) 0,727
85,0 - 0,97 (х2 - 20,0) 0,654
Апах горизонты серых лесных смытых почв, n = 9
Ni 27,2 + 8,04 (х5 - 3,0) 0,899
Co 2,8 - 0,17 х4 + 5,24 (х5 - 2,5) 0,895
0,7 + 4,46 (х5 - 2,8) 0,831
Cr 77,4 + 1,07 (х4 - 20,0) 0,806
Апах горизонты серых лесных оподзоленных почв, n = 30
Pb 27,6 - 15,7 (х5 - 2,5) 0,586
Zn 45,5 + 8,91 (х5 - 2,5) 0,618
43,5 + 2,21 (х1 - 2,0) + 8,93 (х5 - 2,5) 0,680
Ni 25,1 + 7,06 (х5 - 2,5) 0,674
Co 1,0 + 2,58 (х5 - 2,5) 0,452
Mn 783,5 -
Cr 73,8 + 10,7 (х5 - 2,5) 0,664
Апах горизонты глеевых и глееватых серых лесных почв, n = 20
Zn 45,6 + 1,30 (х2 - 20,0) 0,535
Ni 25,8 + 0,48 (х2 - 20,0) + 4,18 (х5 - 2,5) 0,761
Co 2,9 - 0,84 (х1 - 2,0) + 0,22 (х4 - 20,0) 0,605
1,0 + 2,74 (х5 - 2,5) 0,464
Cr 74,6 + 10,2 (х5 - 2,5) 0,780
Апах горизонты серых лесных почв с наличием обменного алюминия, п = 19
Pb 26,0 - 10,3 (х3 - 4,5) - 8,5 (х5 - 2,5) 0,573
Zn 47,8 + 3,76 (х1 - 2,0) 0,502
Ni 25,6 + 3,60 (х3 - 4,5) + 4,68 (х5 - 2,5) 0,618
26,4 + 5,0 (х5 - 2,5) 0,527
Co 0,60 + 0,28 (х4 - 15,0) 0,562
Cr 73,1 + 0,78 (х4 - 15,0) 0,638
Примечание: х1 - содержание гумуса, %; х2 - емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы; х3 - рНКСь х4 - содержание фракции < 0,005 мм, %; х5 - содержание железа, %.
Мп концентрируется в Апах горизонтах. Максимальная его величина сосредоточена во вторых гумусовых горизонтах. По-видимому, Мп упрочняет во-допрочность структуры ВГГ (АИ).
В Апах горизонтах серых лесных плакорных почв концентрация РЬ достоверно снижается с увеличением содержания гумуса и фракции почвы <0,005 мм, свидетельствуя о нахождении РЬ преимущественно в первичных минералах, характеризующихся невысокой степенью дисперсности. В Апах горизонтах серых лесных оподзоленных и с наличием обменного алюминия почв содержание свинца уменьшается с увеличением содержания железа (табл. 2).
Это также косвенно подтверждает нахождение свинца преимущественно в
первичных физически разрушающихся минералах, так как железо концентрируется во вторичных глинистых минералах и аморфных соединениях
Содержание Zn, Со, №, Сг в Апах горизонтах серых лесных почв увеличивается с ростом Fe, фракции < 0,005 мм и емкости поглощения, т.е. эти металлы концентрируются в высокодисперсной части этих почв.
И в пахотных слоях со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ) содержание свинца уменьшается с увеличением железа, а в АЬ горизонтах - с увеличением гумуса и содержания фракции < 0,005 мм (табл. 3). Эта взаимосвязь подтверждает концентрирование свинца преимущественно в низкодисперсных фракциях серых лесных почв.
Таблица 3
Взаимосвязь содержания тяжелых металлов с некоторыми свойствами Апах и АИ горизонтов серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом
ТМ Уравнение взаимосвязи 3 Я
Апах со вторым гумусовым горизонтом, п = 18
РЬ 30,0 - 17,2 х5 + 1,92 х3х5 0,727
2п 48,3 + 6,30 (х1 - 2,0) 0,550
N1 26,7 + 1,86 (х1 - 2,0) + 4,30 (х5 - 2,5) 0,603
Со 0,31 + 0,33 (х2 - 22,0) + 2,42 (х5 - 2,5) 0,822
Мп 828 + 26,0 (х2 - 22,0) 0,543
Сг 75,4 + 9,8 (х5 - 2,5) 0,416*
АЬ горизонты серых лесных почв, п = 11
РЬ 20,8 - 7,92 (х1 - 3,0) - 1,61 (х4 - 20,0) 0,901
N1 30,2 + 2,12 (х1 - 3,0) + 0,52 (х4 - 20) 0,741
Мп 966,0 - 27,6 х2 + 38,5 х^з 0,897
Сг 74,1 + 0,65 (х4 - 20,0) + 9,04 (х5 - 2,5) 0,895
Примечание: х! - содержание гумуса, %; х2 - емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы; х3 - рНКС1; х4 - содержание фракции < 0,005 мм, %; х5 - содержание железа, %; - недостоверное влияние фактора.
Концентрация Zn, №, Со, Сг в верхней части профиля серых лесных почв со ВГГ увеличиваются с ростом содержания гумуса и железа, фракции < 0,005 мм, т.е. эти элементы концентрируются в высокодисперсной части серых лесных почв.
Содержание марганца в Апах горизонте со ВГГ увеличивалось с повышением емкости обмена (отрицательного заря-
да поверхности почвы), а в АЬ горизонте она снижала его концентрацию. Но в последнем горизонте этот показатель возрастал при сочетании гумуса с величиной рН, т.е. также с увеличением отрицательного заряда гумусовой части почвы.
Из данных табл. 4 следует, что в А2В горизонтах концентрация РЬ уменьшается с увеличением в них железа и повышением рНсоЛ. Кроме того, среднее
содержание свинца в этом переходном горизонте более низкое, чем в Апах горизонте. Свинец же в основном, как было показано ранее, остается в составе менее дисперсных первичных минералов. Очевидно, при резком снижении защитной роли гумуса в отношении химического выветривания минеральной части почвы в А2В горизонтах (из-за снижения гумуса) количество первичных минералов уменьшается, что и ведет к падению в них свинца. Высвобождающийся в процессе выветривания свинец в составе воднопептизируемого ила (с высоким содержанием подвижной фракции гумуса [1]) перемещается вниз по профилю почвы. Это подтверждается и данными, по-
лученными в работе [3]. Здесь концентрация свинца в воднопептизируемом иле достигала 121 мг/кг этой фракции, в агрегированном иле и фракции тонкой пыли РЬ практически отсутствовал, в средней пыли его концентрация варьировала от 3 до 36 мг/кг, а во фракции более 0,01 мм снова возрастала от 36 до 50 мг/кг. В В1 горизонте серых лесных почв (табл. 5) содержание РЬ увеличивалось с ростом содержания гумуса (очевидно, иллювиальной природы) и уменьшалось с увеличением тонкодисперсной фракции <0,005 мм или емкости поглощения. Это в целом согласуется с представленной схемой трансформации свинца в серых лесных почвах.
Таблица 4
Взаимосвязь содержания ТМ с некоторыми свойствами А2В горизонтов серых лес-
ТМ Уравнение взаимосвязи Я
РЬ 19,7 - 9,96 (х5 - 3,0) - 0,73 (х3 - 4,5)2 0,562
2п 35,8 + 11,5 (х5 - 3,0) 0,778
39,2 + 10,5 (х1 - 0,7) - 7,44 (х3 - 4,5) + 7,78 (х5 - 3,0) 0,885
40,3 + 12,1 (х1 - 0,7) - 7,74 (х3 - 4,5) - 0,51 (х4 - 25) + 11,76 (х5 - 3) 0,907
N1 24,9 + 0,845 (х4 - 25,0) 0,762
Со 2,25 + 3,15 (х5 - 3,0) 0,734
Мп 538,9 - 10,3 (х4 - 25,0) + 161,9 (х5 - 3,0) 0,645
513,8 + 78,1 (х5 - 3,0) 0,508
Сг 83,4 + 0,45 (х4 - 25,0) 0,520
Примечание. Обозначения те же, что и в табл. 3.
Таблица 5
Взаимосвязь содержания ТМ с некоторыми свойствами В1 горизонтов ______________________серых лесных почв Владимирского ополья___________________________
ТМ Уравнение взаимосвязи Я
В1 горизонты серых лесных почв, п = 24
РЬ 13,5 + 7,07 (х1 - 0,6) - 0,94 (х4 - 35,0) 0,825
2п 52,0 + 4,08 (х1 - 0,6) + 8,84 (х5 - 4,5) 0,758
N1 37,8 + 6,87 (х5 - 4,5) 0,729
Со 2,7 + 4,66 (х5 - 4,5) 0,612
Мп 650,4 + 7,95 (х5 - 4,5)2 0,412
Сг 93,3 + 6,8 (х5 - 4,5) 0,510
В1 горизонты серых лесных глееватых и оподзоленных почв, п = 14
РЬ 19,1 - 1,83 (х2 - 20,0) 0,413*
2п 47,6 + 10,6 (х5 - 4,0) 0,774
N1 33,8 + 8,39 (х5 - 4,0) 0,841
Мп 605,8 + 168,7 (х5 - 4,0) 0,768
Сг 88,2 + 12,8 (х5 - 4,0) 0,804
Примечание. Обозначения те же, что и в табл. 3.
В А2В горизонтах содержание цинка возрастает с повышением концентрации гумуса, железа, но снижается с ростом рН и содержания фракции <0,005 мм. Очевидно, пополнение 2п в этом горизонте происходит и за счет миграции его из Апах горизонта в форме кислых органоминеральных соединений [2]. Как и в случае свинца, в В1 горизонте концентрация цинка возрастает с увеличением содержания гумуса иллювиальной природы. Кроме того, содержание 2п в нем повышается и с увеличением концентрации железа. Природа же роста последней в основном иллювиальная.
Концентрация марганца в А2В и В1 горизонтах увеличивается с ростом в почве содержания железа. Это свидетельствует в определенной мере о передвижении Мп как и железа в иллювиальный горизонт. В то же время в пахотных горизонтах серых лесных почв и во ВГГ концентрация марганца существенно выше, чем в А2В и В1 горизонтах. Можно полагать, что основная часть марганца в процессе химического выветривания аккумулируется в гумусовом горизонте. По-видимому, Мп формирует на поверхности минеральной части почвы активные центры, на которых идет синтез специфического органического вещества почв. Являясь элементом переменной валент-
ности, Мп также способен более прочно закреплять гумус на поверхности минеральной части почвы при переходе из восстановленного состояния в окисленное.
Небольшая часть восстановленных форм марганца вместе с соединениями железа может перемещаться по профилю, формируя небольшой максимум в В1 горизонте, особенно, в глеевых и глееватых почвенных разностях.
Поведение никеля, кобальта и хрома в целом совпадает с поведением железа. Они накапливаются в иллювиальных горизонтах серых лесных почв.
ЛИТЕРАТУРА
1. Окорков В.В., Карпова Д.В. Исследование фракций гранулометрического состава серых лесных почв Владимирского ополья //Владимирский земледелец, № 3-4 (37-38), 2005. - С. 4.
2. Окорков В.В. Удобрения и плодородие серых лесных почв Владимирского ополья. - Владимир: ВООО ВОИ, 2006. - 356 с.
3. Окорков В.В., Карпова Д.В. Минералогические и химические исследования фракций разного гранулометрического состава серых лесных почв Владимирского ополья //Вопросы стабилизации плодородия и урожая в Верхневолжье. Под редакцией проф. Г.Н. Ненайденко, М.: ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, ФГОУ ВПО «Ивановская ГСХА», 2006. - С. 44.
HEAVY METALS IN GREY WOOD SOIL IN VLADIMIR PLAIN
V. Okoikov
The total contents of the investigated heavy metals are lower than maximum concentration limit in all soil differences and horizons of the grey wood soil in Vladimir plain. For Fe, Co, Ni, Cr are typical eluvial-illuvial distribution on a profile of ground. Pb concentrates in coarse-dispersion parts Apah of horizons grey wood soil, Mn -also in humus horizon, but its concentration increases with growth of capacity of an exchange. Contents Zn in Apah and B1 horizons is characterized by close sizes, but reduced in transitive A2B horizon. Fe, Co, Ni, Zn, Cr, Mn are accumulated in fine parts grey wood soil.
