CC BY
6ВАНАДИЙ В ГОРНО-ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ АЛТАЯ
И. А. Архипов, А. В. Пузанов
Исследован уровень содержания и особенности внутрипрофильного распределения ванадия в почвах горно-лесных ландшафтов Алтая. Концентрация микроэлемента в исследуемых почвах близка к значению кларка. Внутрипрофильное распределение и особенности миграции его подвижных форм определяются ведущими почвообразовательными макропроцессами горно-лесного почвообразования - лессиважем, иллювиированием, подзолистым и дерновым.
ВВЕДЕНИЕ
Роль ванадия в биологических процессах до настоящего времени изучена слабо, ряд исследователей относят его к жизненно необходимым элементам [1,2,3].
В задачи исследований входило: 1) исследовать уровень содержания и особенности распределения ванадия в почвообра-зующих породах и почвах горно-лесного пояса Алтая; 2) рассмотреть влияние физико-химических свойств горно-лесных почв и особенностей почвообразовательных макропроцессов на распределение элемента; 3) изучить подвижные формы ванадия в горнолесных почвах; 4) выявить корреляционные связи между содержанием элемента и физико-химическими параметрами почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объекты исследований - различные по генезису почвообразующие породы (элювиальные, элювио-делювиальные, делювиальные) и горно-лесные почвы Алтая.
Горно-лесные бурые почвы формируются в средней, наиболее увлажненной части лесного пояса и занимают значительные площади у верхней границы леса [4]. Процессы почвообразования осуществляются под влиянием различных формаций бореальной тайги. Почвы развиты на элювио-делювии и элювии хлоритово-серицитовых сланцев и песчаниках интрузивных пород. Дифференциация на генетические горизонты слабая. Гумус равномерно распределен по профилю. В составе гумуса отмечается резкое преобладание фульво-кислот над гуминовыми кислотами. Профиль горно-лесных бурых почв ненасыщен основаниями. Максимальное содержание подвижных окислов железа приурочено к гумусовому горизонту. Гранулометрический состав средне и тяжелосуглинистый. Горно-лесные бурые почвы имеют кис-176
лую реакцию среды, и характеризуются высоким содержанием подвижного железа. Профиль имеет следующее строение: А0-Ад-А1(АВ)-В1-ВС-С. Профиль отмыт от карбонатов, реакция среды кислая. Водный режим почв - промывной. Вниз по профилю увеличивается защебненность, и облегчается гранулометрический состав.
Ареал распространения горно-лесных черноземовидных почв ограничивается сред-негорными районами Центрального и Северного Алтая.
Исследуемые почвы развиты под парковыми лиственничными лесами. Почвообра-зующими породами являются делювиальные, элювио-делювиальные и аллювиальные отложения, лессовидные карбонатные отложения щебнисто-суглинистого и песчаного характера. Мощность почвенного профиля редко превышает 100 см. Гранулометрический состав суглинистый и среднесуглинистый, водный режим промывной или периодически промывной, основной почвообразовательный макропроцесс - дерновый. Почвенный профиль имеет следующее строение: А0-А (Ад-А1)-АВ-В-ВС-С.
Горно-лесные серые почвы занимают нижнюю часть горно-лесного пояса. Формируются на обедненных первичными минералами тяжелых суглинках и глинах под пихто-во-осиновыми или осиново-березовыми лесами. Количество гумуса постепенно уменьшается к нижней части профиля.
Величина емкости поглощения определяется количеством высокодисперсных минеральных частиц. Серые лесные почвы характеризуются слабокислой или кислой реакцией среды. Ведущие почвообразовательные макропроцессы: дерновый, подзолистый, глеевый. Водный режим - промывной. Величина емкости поглощения в этих почвах определяется содержанием высокодисперсных минеральных частиц, химическим и минералогическим составом почвенных коллоидов.
ВАНАДИЙ В ГОРНО-ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ АЛТАЯ
Почвы имеют следующее строение: А0-Ад-А(А1А2)-А2В1-В1-В2-С.
Горно-лесные дерново-подзолистые почвы распространены на Бие-Катунском низкогорном междуречье, а также на правобережье р. Бия и верхней части бассейна р. Кокса. Почвы сформированы на тяжелых покровных суглинках и бурых бескарбонатных глинах под формациями черневой тайги в условиях низкогорного рельефа. Для них характерно невысокое содержание гумуса, суглинистый и глинистый гранулометрический состав, промывной водный режим, преобладание кислой реакции среды и восстановительная обстановка. Основными почвообразовательными макропроцессами являются лессиваж и подзолообразование.
Гумусовые соединения рассматриваемых почв обладают значительной подвижностью [5], образуя глубоко расположенные гумусовые затеки. Наибольшая емкость обмена наблюдается в иллювиальном горизонте.
Почвенный профиль состоит из следующих горизонтов: Ао-Ад-АгА1А2(А2)-А2В-Вг С-СД. Подобная дифференциация почвенного профиля на генетические горизонты обусловливает различие водно-физических свойств элювиального и иллювиального горизонтов и играет большую роль в своеобразии динамики современных почвенных процессов.
Методы исследований - сравнительно-географический и сравнительно-генетический. Физико-химические свойства почв определяли общепринятыми в почвоведении методами; валовой ванадий - методом количественного плазменно - спектрального анализа; обменные формы ванадия экстрагировали ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8; легко растворимые соединения ванадия - 0,1 н НС1 с последующим определением методом атомной абсорбции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Ванадий в почвообразующих породах Четвертичные отложения, на которых формируется почвенный покров горно-лесного пояса Алтая, весьма неоднородны по своему происхождению, минералогии и химическому составу. Почвообразующие породы представлены остаточными и аккумулятивными корами выветривания четвертичного возраста таких пород, как: хлоритовые и хлоритово-серицитовые сланцы, кварцево-хлоритовые
сланцы, алевролитовые и кремнисто-глинистые сланцы, песчаники, кристаллические известняки и кварциты [4]. Валовое содержание ванадия в почвах главным образом определяется характером почвообразующей породы и степенью ее трансформации [6]. В зоне выветривания происходит щелочной гидролиз первичных минералов. Анио-ногенные элементы в этих условиях наиболее подвижны, способны к биогенной и абиогенной миграции [7].
По валовому содержанию ванадия поч-вообразующие породы располагаются в следующем убывающем ряду: глины, суглинки, щебнистые и галечниковые отложения, песчаные отложения (рис. 1). Подобные отложения Европейской части России содержат следующие количества ванадия (мг/кг): покровные суглинки - 90, лессы - 80, древ-неаллювиальные пески - 30 [8]. В почвообра-зующих породах Русской равнины содержание ванадия колеблется в пределах 20-214 мг/кг [9]. Неоднородность литологического и гранулометрического состава почво-образующих пород региона исследований в значительной степени влияет на вариабельность концентрации элемента.
По сравнению с мировым значением кларка [3], осадочные породы Алтая отличаются повышенной концентрацией ванадия (см. рис. 1). Карбонатные породы более обогащены микроэлементом по сравнению со средним содержанием в карбонатных породах мира. Песчаники Алтая богаче ванадием, а глинистые породы алтайского девона обеднены им в сравнении с мировыми данными [11,12].
Ванадий в почвах. По А.П. Виноградову [13], среднее содержание ванадия в почвах мира 100 мг/кг. По А.А. Беусу [14], почвы европейской части содержат ванадия: серые лесные - 118; подзолистые - 63 мг/кг. Уровень концентрации микроэлемента в почвах определяется его количеством в почвообра-зующих породах. Формы наследуются также от коренных пород, но и изменяются под воздействием почвообразовательных процессов [15]. В почвах ванадий тесно связан с глинистой фракцией и полуторными оксидами железа и алюминия [16]. Содержание всех форм ванадия с оксидами и минералами увеличивается по мере возрастания рН. Валовое содержание ванадия в горно-лесных почвах Алтая существенно варьирует (табл. 1).
Рис. 1. Ванадий в почвообразующих породах горно-лесных ландшафтов Алтая
1 - глинистые отложения ряд 1 - по [10]
2 - тяжелые суглинки ряд 2 - по [11]
3 - лессовидные суглинки ряд 3 - Алтай
4 - супесчаные отложения
Таблица 1
Статистические параметры содержания ванадия в горно-лесных почвах Алтая
Генетический горизонт N Ит Х±х V, %
Мг/кг
Горно-лесные черноземовидные (Северный и Центральный Алтай)
А, (АВ) 11 200-80 120±4,2 27
А1А2 10 270-90 112±3,5 24
А2В 8 270-80 113±3,2 25
В 7 370-70 127±4,8 26
ВС,С 8 160 -190 109±3,1 21
Профиль в целом 43 370-70 103±3,9 23
Горно-лесные бурые (Северо-Восточный и Центральный Алтай)
А, (АВ) 10 120-90 100±4,0 24
А1А2 6 180-100 135±3,8 32
А2В 10 180-120 160±4,3 27
В 19 150-90 120±3,9 22
ВС,С 17 150-110 115±3,7 29
Профиль в целом 62 220-75 129±4,6 26
Горно-лесные серые (Северный и Центральный Алтай)
А, (АВ) 9 145 - 75 115±3,8 30
А1А2 9 140-110 123±4,0 27
А2В 11 200-150 172±3,2 21
В 14 190-120 150±4,2 19
ВС,С 10 270 - 115 182±3,7 24
Профиль в целом 53 270 - 70 127± 5 26
Горно-лесные дерново-глубокоподзолистые (Северо-Восточный Алтай)
А, (АВ) 12 110-70 80±3,6 23
А1А2 10 140 - 90 100±4,3 20
А2В 10 150-90 100±4,5 22
ВАНАДИИ В ГОРНО-ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ АЛТАЯ
Продолж. табл.1
Генетический го- N Ит Х±х V, %
ризонт Мг/кг
В 25 210-140 160±4,8 18
ВС,С 9 180-110 100±5,5 19
Профиль в целом 66 210-60 102±3,4 25
Максимальные концентрации элемента обнаруживаются в почвах, сформированных на породах тяжелого гранулометрического состава (табл.2).
Значительные различия по уровню содержания ванадия наблюдаются в почвах разных типов (и даже одного типа), занимающих различное положение в системе высотной поясности и сформированных в разных экологических условиях (табл. 2).
Валовое содержание ванадия в почвах зависит в основном от его содержания в почвообразующих породах, а распределение элемента по профилю - от направленности почвообразовательных процессов и физико-химических параметров почв (табл. 3). Наи-
большее содержание валового ванадия отмечается в горно-лесных черноземовидных, а наименьшее - в дерново-глубокоподзолистых. В дерново-подзолистых почвах происходит обеднение верхней части профиля тонкодисперсными частицами и соединениями полуторных оксидов, которые выносятся и концентрируются в иллювиальном горизонте. Вместе с ними по профилю мигрирует и ванадий. Распределение содержания элемента в этих почвах параллельно изменению в них количества железа и алюминия, илистой фракции (табл. 2). При этом количество элемента во фракции < 0,001 мм уменьшается от верхних к нижним горизонтам (табл. 2).
Таблица 2
Распределение ванадия и физико-химических свойств по профилю горно-лесных почв Алтая
Генети ческий гориз-т Глубина образца, см. Гумус Ил Физич. глина рН Е. мг/экв на 100г почвы Ванадий , мг/кг
% валовой (0,1 н НО!) (ОН3ОО С^ЬЦ)
Горно-лесная дерново-глубокоподзолистая. Северо-Восточный Алтай. Разрез 2-98-А.
Адер 1-3 6,2 6,8 36,9 5,8 28 106 7,38 0,34
А 3-13 3,5 12,2 44,4 5,6 32 102 8,61 0,5
А1А2 16-26 2,2 7,1 45,3 5,6 30 93 11,67 0,31
А2 34-44 0,8 12,1 47,7 5,8 34 139 11,1 0,74
А2В 52-62 0,6 17,6 47,1 5,7 32 152 9,68 0,28
В1 67-77 0,4 25,9 57,9 5,8 46 206 2,1 0,44
В2 80-90 0,2 31,1 58,4 5,5 44 145 11,94 0,47
Вз 100-110 0,1 37,2 62,2 5,8 50 139 11,78 1,53
В4 120-130 0,1 38,6 61,5 6,0 60 139 12,76 0,96
В5 155-165 0 36,8 58,8 7,2 66 152 6,13 1,22
ВС 175-185 0 30,0 66,5 7,9 60 145 4,99 1,33
Темно-серая лесная. Северный Алтай. Разрез 3-98-А
Адер. 1-7 8,2 16,8 46,5 5,2 70 75 4,5 1,28
А1 7-17 5,6 21,3 58,6 5,2 60 145 15,56 0,49
А1А2 20-30 4,9 17,8 60,3 5,4 56 139 9,02 0,45
А2В 40-50 2,7 21,4 63,6 5,3 54 139 5,3 0,29
В1 60-70 1,9 26,8 59,6 5,3 42 198 3,8 0,15
В2 78-88 0,7 44,0 71,7 5,3 60 198 3,07 0,7
Вз 120-130 0,5 40,6 73,2 5,3 64 189 5,74 0,58
ВС 155-165 0,2 40,2 73,0 5,7 64 269 6,26 0,31
С 190-200 0 38,3 69,0 6,2 5,6 116 5,29 0,26
Горно-лесная черноземовидная. Северный Алтай. Разрез 10-99-А
Ас 1-9 9,4 10,3 29,5 5,8 38,2 206 15,7 0,55
Продолж. табл. 2
Генети ческий гориз-т Глубина образца, см. Гумус Ил Физич. глина рН Е. мг/экв на 100г почвы Ванадий , мг/кг
% валовой (0,1 н НС1) (СИэСО ОЖ4)
А1 12-22 10,4 10,6 29,6 5,8 36 269 10,05 0,5
А 30-40 6,2 12,8 30,8 6,2 27,6 269 11,28 0,15
55-65 3,7 18,8 43,8 6,8 29,6 367 4,63 0,2
АБк 78-88 3,6 20,4 46,8 7,4 25,4 158 9,27 0,29
Вк 105-115 1,8 25,6 49,6 8,4 14,8 189 7,39 0,66
Горно-лесная бурая. Центральный Алтай. Разрез 22-99-А
Адер 1-6 3,4 3,9 16,7 7,4 33,6 79 9,04 0,55
А 6-14 2,3 8,7 17,2 7,4 24,6 56 4,86 0,61
АВ 15-25 0,6 7,0 17,9 5,8 22,4 62 6,02 0,58
В 28-38 0,5 6,0 16,0 5,8 20,2 73 4,79 0,53
ВС 40-50 0,4 4,1 8,8 5,5 6,7 67 3,65 0,45
СР 70-80 0,3 0,8 6,2 6,2 4,4 49 3,65 0,62
По экологической обстановке почвообразования, вещественному составу и физико-химическим свойствам горно-лесные черно-земовидные почвы близки к черноземам. На поведение элементов в профиле этих почв оказывают влияние следующие характерные для них свойства и процессы: 1 - вертикальный вынос химических элементов растительностью, образующей большую биомассу; 2 -наличие в профиле гумусовых горизонтов с большими запасами гумуса; 3 - преобладание окислительной обстановки; 4 - неоднородность литологического состава почвооб-разующих пород.
Горно-лесные серые почвы характеризуются слабокислой или кислой реакцией среды. Ведущие почвообразовательные процессы: дерновый, подзолистый, глеевый [4]. Содержание гумуса постепенно уменьшается к нижней части профиля, величина емкости поглощения определяется количеством высокодисперсных минеральных частиц, химическим и минералогическим составом почвенных коллоидов. В горно-лесных серых почвах происходит накопление ванадия в иллювиальном горизонте и отсутствие выноса или накопления в верхней части почвенного профиля (табл. 2).
Наблюдается увеличение содержания ванадия к почвообразующей породе.
В профиле бурых лесных почв содержание ванадия подвержено небольшому колебанию. Для бурых лесных почв характерно низкое содержание ванадия в гумусовых горизонтах по сравнению с материнской породой. Профиль горно-лесных бурых почв, как правило, не насыщен основаниями, максимальное содержание подвижных окислов
железа приурочено к гумусовому горизонту, распределение химических элементов по элювиально-иллювиальному типу не наблюдается (табл. 2). Таким образом, профиль горно-лесных бурых почв обладает рядом характерных особенностей, влияющих на поведение ванадия:
1) аккумуляцией больших количеств органического вещества фульватного состава;
2) кислой реакцией среды;
3) промывным водным режимом.
В профиле дерново-глубокоподзолистых почв концентрация ванадия увеличивается к низу. Дифференциация почвенного профиля на генетические горизонты обусловливает различие водно-физических свойств элювии-ального и иллювиального горизонтов и играет большую роль в своеобразии динамики современных почвенных процессов. Характер отдельных почвенных горизонтов профиля определяет существенные различия в миграции потока микроэлементов и особенностях их внутрипрофильного распределения [17].
Основное количество ванадия закреплено в почве неподвижно [17]. Распределение легкорастворимых и обменных форм ванадия всецело зависит от типа почв и характера происходящих в них процессов. Подвижные соединения представлены веществами почвенного раствора, почвенного поглощающего комплекса, метастабильных непрочно связанных соединений твердой фазы почвы, в том числе гидратированных и аморфных, которые подвержены влиянию наиболее динамичных почвенных условий: окислительно-восстановительных, влажности, температуры [7] (табл. 3).
ВАНАДИЙ В ГОРНО-ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ АЛТАЯ
Таблица 3
Корреляциионная зависимость между содержанием различных форм ванадия _и физико- химическими свойствами горно-лесных почв Алтая_
Параметры Число коррелируемых пар Валовой ванадий Ванадий (0,1 н НО!) Ванадий (CHзCOONH4)
Валовой ванадий 32 1,00 0,15 - 0,02
Ил 32 0,06 0,05 0,27
Физ. глина 32 - 0,17 0,14 0,12
Емкость 32 0,22 0,13 0,44
Гумус 32 - 0,41 0,08 - 0,12
В горно-лесных почвах Алтая основная доля подвижного ванадия находится не в илистой, а в песчаной и пылеватой фракциях, так как связь соединений ванадия с крупными фракциями менее прочная, чем с илистой. Часть легкорастворимого и обменного ванадия связана с органическими веществами почв [17]. Однако содержание легкоподвижного ванадия не коррелирует с количеством валового гумуса (г = 0,08) и валовым содержанием элемента (г = 0,15) (табл. 3).
ВЫВОДЫ
1. Материнские породы являются основным фактором, определяющим содержание элемента в сформированных на них почвах. Наиболее высокой концентрацией микроэлемента отличаются глинистые и суглинистые отложения.
2. Внутрипрофильное распределение валового и подвижного ванадия в основных типах горно-лесных почв Алтая определяется основными почвообразо-вательными макропроцессами: дерновым, подзолистым, лессиважем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ноздрюхина Л.Р. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. - М.: Наука, 1977. - 185 с.
2. Петербургский А.В. Сельскохозяйственное значение ванадия // Агрохимия. - 1975. - № 2. - С. 142 - 152.
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
4. Почвы Горно-Алтайской автономной области / Под ред. Ковалева Р.В. - Новосибирск: Наука, 1973. - 350 с.
5. Кленов Б.М. Гумус почв Западной Сибири. - М.: Наука, 1981. - 114 с.
6. Борисенко Л.Ф. Ванадий. Минералогия, геохимия и типы эндогенных месторождений. -М.: Недра, 1973. - 192 с.
7. Мотузова Г. В. Информативность показателей варьирования содержания микроэлементов в почвах при биогеохимических исследованиях и экологическом мониторинге // Сибирский экологический журнал. - 2001. - № 2. - С. 119124.
8. Добрицкая Ю.И. Некоторые закономерности распространения ванадия в разных типах почв // Почвоведение - 1972. - № 9. - С. 51-61.
9. Ахтырцев Б. П., Ахтырцев А. Б. Тяжелые металлы и радионуклиды в гидроморфных почвах Русской равнины и их профильное распределение // Почвоведение. - 1999. - № 4. - С. 435-444.
10. Сапрыкин Ф.Я. Геохимия почв и охрана природы. - Ленинград: Недра, 1984. - 231 с.
11. Якушевская И.В., Мартыненко А.Г. Микроэлементы в ландшафтах колочной лесостепи // Почвоведение. - 1972. - № 4. - С. 44-53.
12. Эдлин М.Г., Милославская О.А. Поведение галлия и ванадия в латеритных корах выветривания Гвинеи, развитых по различным исходным породам // Геохимия. - 1996. - № 2. - С. 134138.
13. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 341 с.
14. Беус А.А. Геохимия литосферы. - М.: Мысль, 176. - 141 с.
15. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. - М.: Экология, 1996. - 190 с.
16. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. - М.: Высшая школа, 1998. - 413 с.
17. Содержание и формы микроэлементов в почвах / Под ред. Н.Г. Зырина. - М.: Изд-во МГУ, 1979. - 387 с.
