Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В современных условиях в связи с активным освоением территории острова Русский и включением ее в программу ТОР (территории опережающего развития) создается угроза для значительной антропогенной трансформации природной среды острова и возникновения дополнительных рисков для загрязнения ее почвенного покрова. Оценить уровень загрязнения прилегающих к строительству участков в будущем возможно будет, только сравнивая показатели измененного состояния окружающей среды с естественными (фоновыми) характеристиками. При этом очень важна проблема выбора точки отсчета, характеризующей чистый объект. Сегодня практически невозможно найти абсолютно чистую почву, которая хотя бы в малой степени не испытывала бы влияния деятельности человека. Поэтому фоновыми считаются не территории отсутствия антропогенного воздействия, а подвергающиеся ему в незначительной степени. Целью настоящего исследования – оценить уровень концентрации тяжелых металлов и микроэлементов в фоновых почвах острова Русский до начала большой стройки (объектов Саммита АТЭС), выявить диапазоны варьирования их содержания и особенности профильной дифференциации.

Материалы и методы исследования

Остров Русский – самый крупный остров в заливе Петра Великого (Японское море). Его площадь около 100 км2, длина острова – 18 км, ширина – 13 км. Характерным типом рельефа острова является низкогорье с абсолютными высотами до 300 м. Большая часть его сложена пермскими гранитами, гранодиоритами, диоритами, которые на западе острова сменяются песчаниками, алевролитами, аргиллитами и конгломератами. Климат – резко выраженный муссонный, с повышенным количеством атмосферных осадков и более низкими значениями среднемесячных температур, чем на континенте, значительным числом дней с моросящими дождями, туманами и ветрами. Одной из характерных черт островного климата является активное геохимическое воздействие моря на процессы почвообразования, которое ослабевает по мере продвижения от побережья в глубь острова.

Лесная растительность на территории острова представлена вторичными дубовыми, дубово-липовыми лесами с примесью березы, клена, ясеня, граба, часто изреженными с хорошо развитым травяно-кустарниковым ярусом или отдельными травяно-кустарниковыми группировками. В почвенном покрове преобладают буроземы, которые отличаются существенным разнообразием, как по морфологическим, так и по физико-химическим показателям, отражающим в значительной степени сукцессионные изменения островной растительности [1]. В качестве объекта исследований были выбраны наиболее распространенные на данной территории типы этих почв, которые согласно классификации почв России [2] соответствуют типу буроземов и буроземов темных. Среди последних на уровне подтипа были выделены буроземы со всеми признаками иллювиирования гумуса в их профиле – буроземы темные иллювиально-гумусовые [1]. Под дубово-липовыми лесами со слаборазвитым кустарниковым ярусом широко распространены буроземы типичные (разрез 27-02), имеющие следующее строение профиля: O–AY–BM–BMC. Под изреженным дубовыми лесами, со сравнительно хорошо развитым травяно-кустарниковым ярусом, формируются буроземы темные (разрез 21-02): AU–AUBM–BMC. Буроземы темные иллювиально-гумусовые (разрез 23-02) с набором генетических горизонтов: AU–AUBMhi–BMhi формируются под изреженным дубовым лесом с хорошо развитым кустарниковым ярусом и травянистым напочвенным покровом. Отбор образцов из этих почв проводился по почвенным генетическим горизонтам в полевой период 2002 г. [1]. В почве определяли содержание кислоторастворимых соединений тяжелых металлов (Mn, Pb, Zn, Cu, Cd, Co, Ni, Cr) – в вытяжке 5 M HNO3 в соотношении почва – раствор 1: 5; подвижные их формы – в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера (ААБ) pH 4.8, соотношении почва – раствор 1:10 [3]. Все определения проводили с атомно-адсорбционным окончанием и в трехкратной повторности. Статистическая обработка полученных данных проводилась с использованием программ Microsoft Execel.

Результаты исследования и их обсуждение

Естественное содержание и распределение микроэлементов и тяжелых металлов в почвенном покрове в значительной степени определяется зональными процессами почвообразования. Специфика буроземов острова Русский заключается в том, что наряду с процессами характерными для типичных буроземов континентальных территорий Приморья, таких как гумусонакопление и оглинивание верхней и средней частях почвенного профиля, в современных условиях на отдельных участках острова в буроземах активизируются аккумулятивно-гумусовый и иллювиально-гумусовый процессы почвообразования. Интенсивность проявления этих процессов в ряду рассматриваемых буроземов находится в тесной связи с состоянием растительных сукцессий, под которыми они формируются и степенью геохимического воздействия моря на почвенный покров, предопределяя формирование их морфологического и химического разнообразия. Генетические и физико-химические свойства почв являются наиболее важными факторами, ответственными за аккумуляцию и миграцию микроэлементов в почвах [4].

Рассматриваемые буроземы, формируются в условиях слабокислой реакции среды (табл. 1). С глубиной кислотность почвенного раствора возрастает, оставаясь в буроземах темных иллювиально-гумусовых в пределах слабокислой, а в буроземах типичных и буроземах темных увеличиваясь до кислой. Содержание гумуса в ряду: бурозем типичный > бурозем темный > бурозем темный иллювиально-гумусовый заметно возрастает не только в гумусово-аккумулятивном горизонте (11,02–14,05–14,92 %), но и в нижележащем (2,00–3,41–6,23 %). На этом фоне увеличивается содержание обменных щелочноземельных элементов в почвенном профиле, снижается содержание обменного водорода и величины гидролитической кислотности (12,32–11,87–7,61 мг-экв/100г почвы), что обуславливает нарастание степени насыщенности почв основаниями в горизонте АU (82–87–95 %) [1].

Для оценки влияния почвенных свойств на закрепление в их профиле различных микроэлементов и тяжелых металлов был рассчитан коэффициент корреляции между содержанием микроэлементов и основными показателями почв: гумусом, pH, гидролитической кислотностью, суммой обменных катионов [5].

При интерпретации полученных данных, согласно имеющимся указаниям в нормативных и методических документах [6–7], нами использовались как региональные кларки микроэлементов [7], так и данные по фоновому содержанию кислоторастворимых форм тяжелых металлов в буроземах заповедников южного Сихотэ-Алиня [9–10].

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о высоком уровне концентрации Mn в островных буроземах (табл. 2). Содержание Mn в их гумусово-аккумулятивном горизонте колеблется от 3444,67 до 6505,15 мг/кг, что значительно превышает предложенный Головым его региональный кларк (1510 мг/кг), но остается в пределах, им же установленных максимальных значений для почв Приморья – 7000 мг/кг [8]. Максимальное содержание марганца отмечается в гумусовом горизонте буроземов темных иллювиально-гумусовых. Этому способствует и более высокий уровень накопления его в подстилке этих почв [11], и высокое содержание в них гумуса, обладающего способностью к адсорбции Mn [3]. Профильное распределение Mn во всех буроземах острова отличается характерным максимумом в верхней части почвенного профиля. Результаты корреляционного анализа показывают заметную связь (по шкале Чеддока [5]) профильного распределения кислоторастворимого Mn с Mg (r = 0,70), а также Mn с гумусом (r = 0,61). Полученные нами результаты согласуются с данными других исследователей, отмечавших повышенный природный региональный уровень содержания Mn в буроземах Приморья. По мнению Александрова с соавторами [9], в качестве фонового показателя следует считать содержание кислоторастворимых форм Mn – 3330 мг/кг. Более высокое содержание Mn было зафиксировано в буроземах типичных Лазовского заповедника – 9846 мг/кг [10].

В меньшей степени в буроземах острова происходит биогенное накопление кислоторастворимых соединений Zn, Pb, Cu, Cd.

Содержание Zn в буроземах исследуемого ряда варьирует незначительно – 91–96 мг/кг, что в 1,3 раза превышает его региональный кларк, но ниже данных (121,51 мг/кг), приводимых для аналогичных почв Лазовского и Уссурийского заповедников [9–10]. Профильное распределение Zn характеризуется отчетливым максимум в верхней части профиля и постепенным снижением в нижележащих горизонтах. Наибольшая концентрация этого элемента приходится на гумусовый горизонт буроземов типичных, что может быть связано с более кислой реакцией почвенного раствора этих почв по сравнению с другими буроземами. Цинк относится к наиболее растворимым в кислых почвах микроэлементам, и смещение pH в сторону щелочной реакции уменьшает количество его кислоторастворимых соединений [4].

Полученные данные по содержанию Pb в буроземах острова (38,0–43,5 мг/кг) в 1,2–1,4 выше значений его регионального кларка и показателей, приводимых другими авторами для данного типа почв региона [8, 9–10]. Профильное распределение Pb имеет сходный характер с распределением Zn, с максимальным уровнем накопления в верхнем горизонте буроземов типичных. Нами получены значимые положительные коэффициенты корреляции между содержанием кислоторастворимых форм Zn и Pb (r = 0,89).

Концентрация кислоторастворимых форм Cu в исследуемых почвах незначительно превышает его кларковые значения для почв Приморья, а с продвижением вглубь профиля снижается до величины ниже кларка. Cu наряду c Pb относятся к элементам, отличающихся высокой аккумуляцией органическим веществом почв, что подтверждается высокими значениями коэффициентов корреляции между содержанием гумуса и количеством кислоторастворимых соединений Cu в буроземах острова (r = 0,97). На профильное распределение Cu помимо гумуса оказывает влияние реакция среды (r = 0,9) и степень насыщенности почв основаниями (r = 0,97). Сравнение данных по содержанию Cu в буроземах острова показало, что уровень накопления Cu возрастает от буроземов типичных к буроземам темным и буроземам темным иллювиально-гумусовых как в гумусово-аккумулятивном, так и в нижележащем горизонте.

Уровень накопления Cd в буроземах острова в 1,3–2,8 выше значений регионального кларка и максимальных значений (0,77 мг/кг), установленных для буроземов заповедников южной части Сихотэ-Алиня [8–9]. Наиболее близкие нашим результаты по концентрации Cd были получены Шутовой [10] для буроземов Лазовского заповедника (0,9–1,0 мг/кг). Накопление Cd в таких количествах в буроземах острова может быть обусловлено как его высоким сродством с гумусом (r = 0,89), так и его биогенным накоплением, о чем свидетельствует высокое содержание Cd (1,18–1,30 мг/кг) в золе мортмассы островных буроземов [11]. Профильное распределение кислоторастворимого Cd имело те же особенности, что и Cu, что подтверждается высокой корреляционной связью (r = 0,85) между Cd и Сu.

Присутствие Ni и Cr в буроземах острова в целом ниже значений региональных кларков, а Co очень близкое к кларку. Количественные показатели содержания и внутрипрофильного распределения Ni, Cr и Co связаны, прежде всего, с величиной гидролитической и обменной кислотности. Выявлена умеренная положительная связь Ni с гидролитической кислотностью и заметная – с величиной обменной кислотности. Также выявлена высокая степень положительной связи содержания кислоторастворимых соединений Cr и Co с величиной обменной кислотности и умеренная и заметная с гидролитической кислотностью. Профильное распределение кислоторастворимых соединений Ni, Cr и Co во всех исследуемых буроземах имеет однотипный характер, с максимальной аккумуляцией в иллювиальном горизонте.

Содержание подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов в почве особенно важно для прогнозной оценки возможностей их внутрипочвенной миграции и угрозы загрязнения почвенного профиля. В исследуемых буроземах острова Русский содержание подвижных форм основных микроэлементов и тяжелых металлов очень низкое, меньше 1мг/кг, что значительно ниже установленных для них ПДК. Более высокий уровень накопления отмечается для Mn (66–87 мг/кг) и Zn (1,24–1,84 мг/кг), но он укладывается в установленный для почв Приморья нижний диапазон их содержания [12]. Сопоставление аналитических данных профильного распределения подвижных форм микроэлементов в буроземах острова показывает как определенное сходство, так и различия.

Подвижные формы соединений Mn, Co, Zn во всех исследуемых буроземах аккумулируются в верхней части почвенного профиля. Корреляционный анализ выявил значимые коэффициенты корреляции содержания гумуса и реакции среды с распределением подвижных соединений Mn, Co, Zn. Уровень накопления подвижных соединений Mn увеличивается в ряду: бурозем типичный > бурозем темный > и бурозем темный иллювиально-гумусовый, на фоне увеличения в них содержания гумуса. Для Co и Zn такой закономерности не обнаружено. Относительное накопление подвижных форм Pb и Ni в подгумусовых горизонтах отчетливо прослеживается для всех исследованных почв. Корреляционный анализ показал заметную связь содержания подвижных соединений свинца с величиной обменной кислотности (r = 0,56). В отношении Ni установлена отрицательная сопряженность профильного распределения с Mg (r = – 0,57).

Распределение подвижных соединений Cu и Cr в буроземах острова неоднозначно. В буроземах типичных максимальное содержание подвижных форм Сu и Сr отмечается в верхней части их профиля. В профиле буроземов темных только подвижные формы Cu накапливаются в гумусово-аккумулятивном горизонте, а подвижные соединения Cr – в нижележащем. Для буроземов темных иллювиально-гумусовых характерна несколько иная картина. Повышенные концентрации подвижных соединений, как Cu, так и Cr фиксируются в иллювиальном горизонте, что является, на наш взгляд, следствием активного развития в профиле этих почв иллювиально-гумусового процесса и увеличением в составе их гумуса доли гуминовых кислот, обладающих высокой сорбционной способностью [13].

Заключение

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что для рассматриваемого ряда буроземов острова Русский характерно незначительное варьирование по содержанию большинства тяжелых металлов и микроэлементов, а высокие концентрации их в почвах отражают природные особенности территории и высокую сорбционную способность почв буроземного ряда. Более существенные отличия в накоплении Mn и Cd в сравниваемых почвах обусловлены в первую очередь биоценотическими различиями условий их формирования. Содержание и распределение кислоторастворимых соединений Zn, Cu, Pb, Cd напрямую связано с количеством органического вещества, pH, содержанием обменного кальция и магния в почвах. В профиле всех исследуемых буроземов эти формы соединений металлов распределяются по аккумулятивному типу. Кислоторастворимые формы соединений Ni, Cr и Co аккумулируются в иллювиальном горизонте, что обусловлено особенностями их миграции и характером профильной дифференциации показателей гидролитической и обменной кислотности. Уровни концентраций подвижных соединений микроэлементов и тяжелых металлов в буроземах острова значительно ниже установленных для них ПДК. Профильное распределение их неоднозначно и в значительной мере обусловлено различиями в интенсивности проявления аккумулятивно-гумусового и иллювиально-гумусового процессов почвообразования в буроземах рассматриваемого ряда. Вследствие чего наиболее значимые коэффициенты корреляции были получены нами для подвижных форм микроэлементов с гумусом и реакцией среды (Mn, Co, Zn, Cu) и с суммой обменных оснований (Pb). Полученные результаты позволяют установить фоновые значения концентраций ряда микроэлементов и тяжелых металлов для буроземов острова Русский и могут быть использованы при проведении почвенно-экологического мониторинга.