Почва - специфический компонент биосферы, связующее звено между живой и неживой природой. На почвах оседает большая часть загрязнителей из аэральных потоков, в том числе и тяжелые металлы (ТМ), к которым относится и хром. От количества и соотношения химических элементов в почвах во многом зависят их растительный покров, природный фон ТМ в почвах. В связи с этим изучение природных и антропогенных факторов, определяющих пространственное распределение ТМ в почвах, доступность их растениям, актуально (Сысо, 2004).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Уникальные сосновые боры Семипалатинского Прииртышья (СП) располагаются в ложбинах древнего стока, протягивающихся с юго-запада на северо-восток. Боровые ложбины сложены четвертичными песчаными отложениями и представляют собой бугристо-грядовые и грядово-ложбинные формы рельефа, существенно преобразованные эоловой деятельностью (Почвы..., 1959). В почвах ленточных боров исключается возможность подзолообразования, а почвообразование протекает в направлении выщелачивания - осолодения. Почвы боровых песков исследуемой территории свободны от легкорастворимых солей на большую глубину [10]. В пределах сосновых боров СП пески боровые, в зависимости от особенностей рельефа подразделяются на пески равнинные и бугристые.
Пески боровые равнинные характеризуются по механическому составу как образования рыхлопесчаные, содержащие в поверхностных горизонтах около 5 % частиц «физической глины». По гранулометрическому составу они представлены преимущественно фракцией мелкого песка, в глубоких горизонтах местами обнаруживаются более тяжелые по механическому составу прослои, что свидетельствует о древнеаллювиальном происхождении этих песков. Имеют как морфологические, так и химические признаки осолодения, и им наиболее подходит генетическое название - лесостепные осолоделые рыхлопесчаные почвы [10].
Пески боровые бугристые закрепленные отличаются всхолмленным бугристым рельефом с довольно многочисленными замкнутыми депрессиями - котловинами выдувания. Относительные высоты бугров составляют 3-6 м, достигая 8 м. Почвообразующими породами служат также первоначально аллювиальные пески, но с поверхности, перевеянные на большую или меньшую глубину, в результате чего они отличаются лучшей отсортированностью, меньшей пылеватостью и карбонатностью, а также более рыхлым сложением. Грунтовые воды в основном пресные, залегают в большинстве случаев глубоко (до 6-10 м) на буграх и значительно ближе к поверхности - в котловинах. Почвообразование здесь протекает так же, как и на боровых равнинных песках, но морфологические и химические свойства проявляются в ослабленной степени вследствие более молодого возраста почв. Почвенный профиль отличается более слабой дифференциацией на генетические горизонты, более глубоким вскипанием от соляной кислоты и более рыхлым сложением [10].
Отбор проб проводили в летне-осенний период (август - сентябрь) 2007 года на различных участках Семипалатинского равнинного и бугристого песчаных лесных районов: в окрестностях г. Семей с углублением в лес на 500-1500 м к западу и северо-западу от города, в Бескарагайском районе (в районах сел Долонь, Бегень и Сосновка), в Бородулихинском районе.
При отборе, транспортировке, хранении и подготовке проб почв для анализа были использованы методические указания, инструкции, опубликованные во многих научных работах и утвержденные в стандартах (Добровольский, 1999; Ринькис и др., 1987).
Для определения валового содержания Cr бралась навеска почвы 10 г, которую озоляли в муфельной печи при t 450-500 °С в течение 5-8 часов. Полученную золу переводили в раствор ускоренным методом с применением концентрированных минеральных кислот и перекиси водорода (Охрана ..., 1985). Всего было проанализировано 78 почвенных проб. Определение содержания гумуса проводили по методу Тюрина, физической глины - по методу Качинского, емкость поглощения - по методу Бобко - Аскинази в модификации Грабарова с окончанием по Айдиняну, рН водный - потенциометрически (Аринушкина , 1970; Лактионов, 1976; Метод ..., 1985; Охрана ..., 1985; Уваров и др., 2004).
С целью более полной агрохимической и экотоксикологической оценки почв в задачи эксперимента, наряду с валовым анализом, входило изучение подвижных форм Cr. Фракционирование осуществлялось из отдельных навесок почвы массой 5 г. Соотношение «почва : экстрагент» составляло 1:10, время экстракции - 1 час, после экстрагирования суспензии фильтровали и в фильтрате атомно-абсорбционным методом определяли содержание Cr. Были определены подвижные формы: кислоторастворимая (1н. раствор НСl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8), водорастворимая (бидистиллированная вода).
Вклад техногенной составляющей в общее содержание химического элемента в почве можно оценить, используя экстракционный критерий, представляющий собой отношение содержания химического элемента в кислых вытяжках к их валовому содержанию, выраженное в процентах. В зависимости от физико-химических свойств и гранулометрического состава для фоновых почв это отношение составляет 5-20 %, а для техногеннозагрязненных - более 50 %. Вытяжка 1 н. раствором НСl является показательной для сравнительной характеристики уровня загрязнения почв и выявления наиболее загрязненных участков [1,2,7,8].
Для оценки уровня накопления Cr в почвах был рассчитан кларк концентрации (Кк), представляющий отношение содержания элемента в пробе почвы к его кларку в земной коре.
Полученные экспериментальные данные были обработаны вариационно-статистическими методами, описанными в учебнике Н. А. Плохинского с использованием программы Microsoft Excel (Плохинский, 1975).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Содержание общего хрома в почвах, а особенно в боровых песках соснового бора СП изучено недостаточно. Практически отсутствуют сведения о содержании его подвижной формы в почвах, которая определяет экологическую характеристику биогеосистемы. Известно, что органическое вещество в почвенных процессах выступает в роли аккумулирующего агента, обеспечивая биогенное накопление ТМ, и в то же время способствует миграции и перераспределению их по почвенному профилю [3]. Исследуемые боровые пески являются обедненным органическим веществом, слабогумусированными почвами (общее содержание гумуса составляет всего 0,7 %), не способными к активному накоплению в них ТМ. В то же время отмечается, что прямой корреляции между содержанием металлов в почвах и содержанием органического вещества, как правило, не наблюдается. Это связано с тем, что качественный состав гумуса разных почв неодинаков [4,5]. Пределы колебаний и среднее валовое содержание хрома в боровых бугристых и равнинных песках соснового бора представлены в таблице 1.
Таблица 1. Валовое содержание хрома в боровых песках (Апах, глубина 1-20 см), мг/кг
|
В совокупности боровых бугристых и равнинных песков, n=78 |
В боровых бугристых песках, n=48
|
В боровых равнинных песках, n=30 |
Фоновое содержание в почве [20] |
|
19,86±1,13 (67,6) 8,93-28,42 |
21,56±1,25 (102,3) 13,76-25,95 |
18,87±1,11 (47,2) 8,93-28,42 |
60,0 |
Примечание. В таблицах в числителе - ±m , в знаменателе - min-max.
Сорбционная активность почв по отношению к ТМ определяется количеством содержащихся в ней карбонатов, на которых могут осаждаться металлы, входя в их структуру (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Исследованные боровые пески отличаются небольшим количеством карбонатов. Следовательно, боровые пески, являясь слабогумусированными и промытыми от карбонатов на большую глубину, не способны к активному накоплению в них Cr. Кларк общей концентрации хрома в литосфере 83 мг/кг, в почвах - 200,0 (Алексеенко, 2006). И как видно из таблицы 1, среднее содержание Cr в боровых песках соснового бора СП значительно меньше его фонового содержания в почве, кларка в литосфере и в почве. Рассчитанный кларк концентрации Cr (Кк = 0,2) свидетельствует о низкой аккумуляционной способности боровых песков к его соединениям.
Содержание Cr в боровых равнинных песках в 1,1 раза ниже, чем в бугристых песках. Различная сорбционная способность определяется их физико-химическим и морфологическим составом. Пески равнинных ленточных боров Прииртышья являются более древними, им характерны морфологические и химические признаки осолодения, в отличие от бугристых песков, отличающихся более слабой дифференциацией на генетические горизонты, более глубоким вскипанием от соляной кислоты (еще более глубокое залегание карбонатов) и более рыхлым сложением.
Для выявления обеспеченности почв химическими элементами для нормального роста и развития растений изучение валового их содержания в почвах является недостаточным и малоэффективным. Более важным и перспективным является исследование химических форм соединений элементов, главным образом «подвижных» [9]. Растения усваивают подвижные формы элементов, активно вовлекая их в биогеохимический круговорот веществ. В таблице 2 отражена информация о содержании подвижных форм Cr. Как показали исследования, содержание подвижных форм Cr в боровых песках значительно ниже его ПДК для подвижной формы [6]. Соотношение подвижных форм Cr к его валовому содержанию, а, следовательно, и доступность для растений невелико и составляет 0,3 %. По отношению кислоторастворимой формы Cr к валовому содержанию, изученные пески относятся к категории фоновых почв.
Таблица 2. Вариационно-статистические показатели содержания подвижных форм хрома в боровых песках (Апах, глубина 1-20 см), мг/кг
|
Кислоторастворимая |
Обменная |
Водорастворимая |
ПДК для подвижной формы [6] |
|
0,10±0,006(228,1) 0,02-0,84 |
0,06±0,003(44,9) 0,05-0,16 |
0,02±0,001(30,6) 0,01-0,03 |
6,0 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В пределах сосновых боров СП пески боровые в зависимости от особенностей рельефа подразделяются на пески равнинные и бугристые. Установлено, что исследуемые боровые пески, являясь слабогумусированными и промытыми от карбонатов на большую глубину, не способны к активному накоплению в них хрома. Содержание хрома в боровых песках соснового бора Семипалатинского Прииртышья значительно ниже его фоновых значений для почвы, меньше кларка в литосфере и в почве. Исследование подвижных форм хрома и их соотношения к валовому содержанию в почве позволило отнести изученные пески к категории фоновых почв.
Рецензенты:
Лихачев С. Ф., д.б.н., профессор, декан факультета экологии Челябинского государственного университета, г.Челябинск.
Сатаева А. Р., д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии и защиты окружающей среды Семипалатинского государственного университета имени Шакарима, г. Семей.