Проблеме накопления тяжёлых металлов разными типами почв в последнее время уделяется все больше внимания. Почва является главным связующим звеном между всеми частями биосферы и отвечает за геоэкологические процессы, происходящие в том числе на глобальном уровне.
Кроме того, в почве гораздо больше, чем в других частях биосферы, продолжительность пребывания тяжелых металлов и других загрязнителей. Важно изучение почвы еще и потому, что она постоянно испытывает геохимическую нагрузку и сохраняет геоэкологическую информацию за многие годы функционирования источников загрязнения. В связи с этим изучение содержания и распределения тяжелых металлов в почвах является наиболее важной задачей современного почвоведения [1].
Тяжелые металлы способны попадать в почву разными способами. Выделяют естественные и техногенные источники поступления тяжелых металлов, которые также делятся на первичные и вторичные.
Среди естественных источников тяжелых металлов необходимо выделить в первую очередь почвообразующие породы [2].
В природе тяжелые металлы распространены крайне неравномерно, и их содержание в почвообразующих породах существенно варьируется. Для исследования было выбрано шесть тяжелых металлов: цинк (Zn), медь (Cu), свинец (Pb), кадмий (Cd), никель (Ni), хром (Cr) – которые являются наиболее распространенными и наиболее активно накапливаются почвенным покровом.
Цель данного исследования – изучить особенности накопления основными типами почв (на примере Ульяновской области) наиболее распространённых тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Cr).
Материалы и методы исследования
Исследование проводилось на основе обобщения собственных полевых исследований автора на территории Ульяновской области и на изучении научной и справочной литературы по данной тематике. Пробы почв отбирались методом прикопок летом 2019 г., а анализы были выполнены в специализированной лаборатории. Были изучены особенности накопления основными типами почв Ульяновской области и почвообразующими породами шести самых распространённых тяжёлых металлов: цинка (Zn), меди (Cu), свинца (Pb), кадмия (Cd), никеля (Ni) и хрома (Cr).
Результаты исследования и их обсуждение
Почвенный покров Ульяновской области изучен достаточно подробно и отличается значительным разнообразием, которое связано с положением её преимущественно в лесостепной зоне, с особенностями геологического строения, рельефа и климата. Так как лесостепь является экотоном со своими постоянно меняющимися границами природных комплексов, то она характеризуется значительным биоразнообразием и потенциалом.
Лесостепь характеризуется преобладанием серых лесных почв, а степная зона отождествляется в первую очередь с многочисленными видами черноземов (оподзоленные, выщелоченные, долинные, обыкновенные и типичные).
Почвенный покров представлен двадцатью пятью типами почв и семью почвенными комплексами. В Ульяновской области четко проявляется почвенная зональность, которая наиболее выражена в направлении с севера на юг. Из-за возрастания континентальности климата наблюдается переход от серых лесных почв, выщелоченных и типичных черноземов к солонцам и солончакам.
В настоящее время принято делить территорию Ульяновской области на четыре агроклиматические зоны, в каждой из которой преобладают свои типы почв.
Для Западной агроклиматической зоны характерно преобладание темно-серых, серых и светло-серых лесных почв, а также выщелоченных и типичных черноземов.
В Заволжской зоне почвы представлены в основном только черноземами типичными, выщелоченными и оподзоленными.
Южная агроклиматическая зона характеризуется преобладанием типичных, оподзоленных и выщелоченных черноземов, а также дерново-карбонатных и темно-серых лесных почв.
В Центральной зоне почвы представлены в основном темно-серыми, серыми и светло-серыми лесными, выщелоченными, типичными, типичными карбонатными и типичными остаточно-луговатыми черноземами, а также встречаются участки дерново-карбонатных почв.
На особенности накопления почвенным покровом тяжёлых металлов влияет целый комплекс факторов, среди которых в первую очередь необходимо выделить содержание гумуса, сорбционные показатели, кислотность, характер почвообразующих пород, а также буферность.
Показатели буферности в почвенном покрове отвечают за защитную функцию и препятствуют негативному изменению химического состава при взаимодействии с тяжелыми металлами природного и антропогенного происхождения.
Установлена четкая взаимосвязь между буферностью и гумусом, поэтому, как правило, чем выше содержание гумуса в почве, тем выше буферность. В Ульяновской области черноземы распространены достаточно широко, а мощный гумусовый горизонт в них обеспечивает дополнительную защиту. Как правило, буферность почв нужно учитывать для оценки процесса почвообразования [3].
Как уже было ранее отмечено, одним из важнейших естественных источников поступления тяжелых металлов в почвы являются почвообразующие породы, при этом накопление тяжелых металлов в них происходит достаточно специфично. Тяжелые металлы естественного происхождения накапливаются, как правило, в нижней части почвенного профиля, а антропогенного – в верхней. Также на распределение тяжелых металлов по почвенному разрезу в первую очередь влияет общая антропогенная нагрузка. В табл. 1 представлены данные по среднему и суммарному содержанию тяжелых металлов в основных почвообразующих породах Ульяновской области, мг/кг.
Таблица 1
Среднее и суммарное содержание тяжелых металлов в основных почвообразующих породах Ульяновской области, мг/кг
|
Элемент |
Глины |
Тяжелые суглинки |
Средние суглинки |
Лёгкие суглинки |
Известняки |
Пески |
Супеси |
|
Zn |
25,5 |
21,8 |
26,8 |
24,8 |
34,3 |
30,6 |
19,5 |
|
Cu |
18,5 |
16,4 |
15,7 |
11,6 |
16,4 |
16,6 |
11,8 |
|
Pb |
12,8 |
15,4 |
11,5 |
11,6 |
14,1 |
14,8 |
10,3 |
|
Cd |
1,1 |
0,5 |
0.9 |
0,3 |
1,2 |
0,7 |
0,5 |
|
Ni |
26,9 |
20,7 |
23,5 |
18,8 |
32,9 |
23,5 |
14,9 |
|
Cr |
15,1 |
22,9 |
17,2 |
21,0 |
26,4 |
15,9 |
14,0 |
|
Сумма |
99,9 |
97,7 |
95,6 |
88,1 |
125,3 |
102,1 |
71,0 |
Из таблицы видно, что в почвообразующих породах тяжёлого механического состава активно накапливаются Cu, Cd и Ni, а в почвообразующих породах легкого механического состава (средние и легкие суглинки) накапливается Zn, Сu и Ni. В песках и супесях преимущественно идёт аккумуляция Zn, Pb, и Сu.
Также обращает на себя внимание очень высокое суммарное содержание тяжелых металлов в известняках (125,3 мг/кг), это связано в первую очередь с физико-химическими особенностями данной почвообразующей породы. Наименьшие суммарные показатели отмечены в супесях и лёгких суглинках (71,0 и 88,1 мг/кг).
Аккумуляция тяжелых металлов разными типами почв Ульяновской области имеет определённую специфику. Тяжелые металлы накапливаются преимущественно в дерново-карбонатных и серых лесных почвах, наименьшая их концентрация отмечена в аллювиальных дерново-насыщенных почвах, которые испытывают незначительную техногенную нагрузку. Черноземы по аккумуляции тяжелых металлов занимают средние позиции, так как они достаточно равномерно распределены по территории области. На особенности накопления тяжёлых металлов также в значительной степени влияет биотический круговорот. Химические элементы выборочно и с различной интенсивностью поглощаются и накапливаются растениями [4].
Также необходимо отметить, что существует определенная связь между химическим составом почв и растениями, но в то же время нельзя определенно утверждать, что тяжелые металлы накапливаются в почвах и растениях практически аналогично. Растительный покров способен к избирательному накоплению отдельных тяжелых металлов. Растения – чуткие индикаторы состояния экологической среды. Тяжелые металлы накапливаются в них не только из почвы, но и воздуха [5]. Большое значение имеют не только содержание, но и формы тяжёлых металлов в почве, так как они различны по степени доступности для растений [6]. В ходе проведенного исследования было определено содержание тяжелых металлов в четырёх типах почв (серых лесных, черноземах, дерново-карбонатных и аллювиальных дерновых насыщенных) и полученные данные были сравнены с региональным фоном. Под фоновым показателем понимается содержание тяжелых металлов в незагрязненных территориях и территориях, не испытывающих антропогенного воздействия. Фоновые содержания шести самых распространённых тяжелых металлов в почвенном покрове Ульяновской области представлены в табл. 2.
Таблица 2
Фоновые содержания тяжелых металлов в основных типах почв Ульяновской области, мг/кг
|
Элемент |
Региональный фон |
Серые лесные |
Черноземы |
Дерново-карбонатные |
Аллювиальные дерновые насыщенные |
|
Zn |
24,2 |
37,2 |
35,2 |
39,8 |
31,7 |
|
Cu |
11,2 |
17,5 |
16,4 |
17,7 |
15,1 |
|
Pb |
11,2 |
15,3 |
14,2 |
16,8 |
13,1 |
|
Cd |
0,43 |
1,1 |
1,03 |
1,4 |
1,0 |
|
Ni |
35,3 |
28,4 |
27,5 |
35,9 |
26,5 |
|
Cr |
16,3 |
27,5 |
19,4 |
25,1 |
16,8 |
Из таблицы также видно, что дерново-карбонатные почвы имеют превышение регионального фона по всем исследуемым тяжёлым металлам, а остальные типы почв превышают региональные значения по всем тяжелым металлам кроме никеля (Ni). Серьезную опасность вызывает превышение регионального фона основными типами почв Ульяновской области по Pb и Cd, так как они относятся к высокоопасным веществам для состояния окружающей среды и обладают высокой токсичностью. Например, токсичность свинца (Pb) в черноземных почвах достаточно быстро нейтрализуется, а в дерново-подзолистых почвах с кислой реакцией свинец (Pb), наоборот, остается очень токсичным практически неограниченное время. Содержание свинца изменяется от 13,1 мг/кг в аллювиальных дерновых насыщенных до 16,8 мг/кг в дерново-карбонатных почвах, но при этом средняя концентрация свинца (Pb) в почвах, как правило, не превышает 10–40 мг/кг.
Особенности аккумуляции свинца (Pb) почвенным покровом Ульяновской области представлены на рисунке.
Накопление свинца (валовая форма) почвенным покровом Ульяновской области, мг/кг
Кадмий (Cd) в значительных количествах поглощается и накапливается в почвах с щелочной и нейтральной реакцией и высоким содержанием гумуса, что как раз характерно практически для всех видов черноземов. Также необходимо отметить, что, как и кадмий (Cd), свинец (Pb) концентрируется в верхнем гумусовом горизонте и довольно легко может поглощаться растениями. Цинк (Zn) также является токсичным элементом, и даже незначительное повышение его концентрации сразу негативно сказывается на почвенной биоте и растительном покрове, но, в отличие от кадмия (Cd), цинк (Zn) все же менее доступен растениям. Содержание Zn колеблется от 31,7 мг/кг в аллювиальных дерновых насыщенных до 39,8 мг/кг в дерново-карбонатных почвах, хотя среднее его содержание в почвах составляет 30–50 мг/кг. Cr благодаря своим особенностям способен в больших количествах накапливаться в серых лесных почвах, а так как данный тип почв широко распространен по территории области, то отслеживание динамики аккумуляции Cr очень важно.
Также необходимо отметить, что представленные в табл. 2 типы почв обладают разной устойчивостью к тяжёлым металлам, в первую очередь из-за количества гумуса.
Черноземы и пойменные аллювиальные почвы обладают наибольшей устойчивостью к тяжелым металлам, а серые лесные почвы и дерново-подзолистые – наименьшей из-за низкого содержания гумуса [7]. Среди черноземов наибольшим содержанием гумуса в первую очередь отличается чернозем типичный (7–15 %).
В Ульяновской области аккумуляция тяжелых металлов увеличивается от черноземов обыкновенных и выщелоченных к черноземам типичным. Черноземы обыкновенные по всем изученным тяжелым металлам имеют минимальную аккумуляцию, особенно обращают на себя внимание низкие показатели Zn (31,5) и Ni (24,9) соответственно. Хотя черноземы выщелоченные и занимают среднее положение в способности накапливать тяжелые металлы, но из-за низкого содержания гумуса даже такие относительно невысокие концентрации представляют опасность, поэтому необходим мониторинг. Для черноземов типичных характерны высокие значения всех загрязнителей, особенно Pb (16,9) и Cu (18,6), но значительные показатели данных тяжелых металлов нейтрализуются высокой гумусностью и поэтому риски негативных последствий не так высоки. Средняя аккумуляция тяжелых металлов в некоторых подтипах черноземов представлена в табл. 3.
Таблица 3
Средняя аккумуляция тяжелых металлов в некоторых подтипах черноземов, мг/кг
|
Элемент |
Черноземы выщелоченные |
Черноземы обыкновенные |
Черноземы типичные |
|
Zn |
35,3 |
31,5 |
38,9 |
|
Cu |
16,1 |
14,6 |
18,6 |
|
Pb |
13,7 |
12,0 |
16,9 |
|
Cd |
1,0 |
0,8 |
1,3 |
|
Ni |
27,1 |
24,9 |
30,7 |
|
Cr |
19,0 |
18,1 |
21,1 |
Для черноземов также характерна закономерность, что аккумуляция валовых форм тяжелых металлов не всегда совпадает с аккумуляций подвижных. В частности, исключение характерно для черноземов типичных, так как они обладают максимальной гумусностью. Максимальные значения валовых форм для данного подтипа черноземов сочетаются с минимальными показателями подвижных. Что касается остальных подвидов черноземов, то для них максимальные значения валовых форм приводят к формированию максимальных значений и подвижных форм.
Заключение
В результате обобщения собственных полевых исследований и анализа научной литературы можно сделать следующие выводы:
1. В Ульяновской области наиболее распространёнными типами почв являются серые лесные и черноземы выщелоченные, с характерными для них особенностями накопления тяжелых металлов.
2. На особенности накопления почвенным покровом тяжёлых металлов влияет целый комплекс факторов, среди которых в первую очередь необходимо выделить содержание гумуса, сорбционные показатели, кислотность, характер почвообразующих пород, а также буферность.
3. Максимальное суммарное содержание тяжелых металлов характерно для известняков, а минимальное – для супесей и лёгких суглинков.
4. Высокая концентрация тяжелых металлов отмечена для дерново-карбонатных почв, а наиболее низкая – для аллювиальных дерновых насыщенных почв.
5. Черноземы и пойменные аллювиальные почвы обладают наибольшей устойчивостью к тяжелым металлам из-за очень значительного содержания гумуса.
6. Средняя аккумуляция тяжелых металлов некоторыми подтипами черноземов увеличивается от черноземов обыкновенных к черноземам типичным.
Библиографическая ссылка
Васин Д.В. ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАЗНЫХ ТИПАХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ) // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 6. – С. 62-67;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37642 (дата обращения: 27.04.2024).