Распределение Cu, Ni, Zn, Mn, Cr, Cd, Pb, Co, Mo, As в аллювиальных почвах пойменных ландшафтов бассейна реки Сож

Распределение и концентрации химических элементов в аллювиальных почвах ландшафта пойм изменяется в результате ряда факторов, таких как неоднородность почвенного покрова, поем-ность, показатели почвенного плодородия, антропогенное воздействие (Фащевский, 2007; Мартынов, 2019; Kałmykow-Piwińska, Falkowska, 2020) .

Аллювиальные почвы аккумулируют химические элементы, как поступающие с бассейна водосбора, так и приносимые с па- водковыми водами. Это обуславливает особую роль данных почв как маркера техногенно-геохимических преобразований в бассейне реки. Занимая сравнительно небольшие площади, аллювиальные почвы представляют важную роль в кормопроизводстве (Орешкин и др., 2000; Просянников и др., 2012; Балабко и др., 2016; Dobrovol’ski et al., 2011).

С точки зрения ландшафтно-геохимических исследований в пойменных ландшафтах наибольшей информативностью обладает корнеобитаемый слой почв, включающий собственно гумусовый горизонт и частично следующий за ним слой аллювия разной степени вовлеченности в почвообразовательный процесс. Свойства данного слоя являются как чувствительным индикатором техногенного загрязнения, так и показателем возможности формирования урожая естественных кормовых трав (Шаповалов и др., 2014; Белоус и др., 2016; Белоус, 2018) . В связи с этим, выяснение особенностей рассеивания и концентрации микроэлементов в аллювиальных почвах является актуальным.

Цель исследования – особенности вертикального и горизонтального распределения следовых элементов (trace element) в аллювиальных почвах пойменных ландшафтов бассейна реки Сож.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в западной части Брянской области в ландшафтах пойм рек Ипуть, Беседь и Унеча. Ландшафт конкретной поймы образуют различные сочетания подсистем (прирусловой, центральной, притеррасной), обусловливающий индивидуальные закономерности поступления, накопления, перемещения элементов. Отбор почвенных образцов для определения валового содержания микроэлементов проводили в разных по геоморфологии и гидрологии подсистемах пойменного ландшафта методом почвенных ключей. Каждый ключевой почвенный участок представлял собой полнопрофильный разрез и четыре полу-ямы (рис. 1). Образцы отбирались со стенок разрезов через 5 см, перемешивались и усреднялись методом квартования. К анализам образцы подготавливали общепринятыми методами.

Рис. 1. Ключевые почвенные участки.

Fig. 1. Key soil areas.

Разложение почв для валового определения микроэлементов осуществляли смесью концентрированных азотной и плавиковой кислот с помощью микроволновой системы MARS 6. Валовое содержание микроэлементов определяли атомно-абсорбционным методом (прибор: Shimadzu-7000, Квант-Z.ЭТА, Методика М-МВИ 80-2008). Анализы выполнены в испытательной лаборатории Центра коллективного пользования приборным и научным оборудованием при ФГБОУ ВО Брянский ГАУ.

Варьирование содержания микроэлементов по слоям аллювиальных почв оценивали с использованием коэффициента вариации, который показывает степень изменчивости показателя (Доспехов, 1985) .

Для характеристики степени концентрирования или рассеяния микроэлементов в почвах, рассчитывали кларк концентрации

(КК) по формуле КК = Cj/K, где Cj – содержание микроэлемента в почве; К – среднее содержание элемента в почвах мира по А.П. Виноградову. Геохимические индексы составлялись в виде ранжированных дробных показателей, где возле дробной черты – микроэлементы с околокларковыми значениями (КК = 1.1–0.9), в числителе – микроэлементы с содержанием выше кларка (КК > 1.1), в знаменателе – микроэлементы с содержанием ниже кларка (КК < 0.9) (Прохорова, 2004) .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Распределение концентраций микроэлементов в различных слоях почв подчиняется определенным закономерностям, обусловленным действием многих факторов, и является результатом сложных и многообразных биогеохимических процессов (Протасова, Щербаков, 2004) .

Концентрация химических элементов в различных подсистемах пойменного ландшафта, который расположен в зоне промывного водного режима и на который накладываются пойменный и водозастойный режимы, характеризуется значительной пестротой и сложностью. Формирование профиля в аллювиальных почвах обусловлено различным расположением на рельефе, длительностью поемного процесса, особенностями видового состава растительного покрова, разными гранулометрическим и минералогическим составом почв (Шиманская, Позняк, 2016) .

Распределение содержания валового количества химических элементов по слоям аллювиальных почв зависит от места и глубины отбора образцов, генезиса почвы и варьировало в зависимости от элемента (рис. 2):

Для пойменных подсистем р. Ипуть:

Cu – от 4.94 до 30.45; Ni – от 0.00 до 25.88; Zn – от 8.77 до 67.63; Mn – от 118.60 до 857.16; Cr – от 61.28 до 248.23; Cd – от 0.04 до 4.60; Pb – от 4.52 до 7.77; Co – от 0.24 до 1.27; Mo – от 0.02 до 1.20; As – от 0.29 до 1.61 мг/кг;

р. Ипуть                р. Унеча              р. Беседь

– прирусловая пойменная подсистема – центральная пойменная подсистема – притеррасная пойменная подсистема

Рис. 2. Вертикальное распределение элементов в слое 0–20 см (начало).

Fig. 2. Vertical distribution of elements in layer 0–20 cm (beginning).

р. Ипуть

р. Унеча

– прирусловая пойменная подсистема – центральная пойменная подсистема – притеррасная пойменная подсистема

р. Беседь

Рис. 2. Вертикальное распределение элементов в слое 0–20 см (окончание).

Fig. 2. Vertical distribution of elements in layer 0–20 cm (ending).

Для пойменных подсистем р. Унеча:

Cu – от 6.18 до 25.39; Ni – от 0.00 до 29.53; Zn – от 11.05 до 65.31; Mn – от 318.07 до 5 849.81; Cr – от 81.38 до 255.36; Cd – от 0.04 до 3.04; Pb – от 2.65 до 7.40; Co – от 0.31 до 1.34; Mo – от 0.00 до 0.20; As – от 0.24 до 5.36 мг/кг;

Для пойменных подсистем р. Беседь:

Cu – от 4.80 до 37.27; Ni – от 0.00 до 35.88; Zn – от 11.70 до 57.88; Mn – от 234.51 до 539.09; Cr – от 28.31 до 194.55; Cd – от 0.03 до 2.04; Pb – от 2.84 до 10.34; Co – от 0.32 до 1.00; Mo – от 0.01 до 0.12; As – от 0.21 до 1.11 мг/кг.

Для поймы реки Ипуть установлены следующие закономерности вертикального распределения:

В почве прирусловой подсистемы распределение элементов, за исключением Ni, проходит через минимум на глубине либо 5– 10, либо 10–15 см, и вновь возрастает на глубине 15–20 см. Содержание Ni монотонно убывает с глубиной; в почве центральной подсистемы пойменного ландшафта, содержание Cu, Zn, Cd, Pb, Co убывает с глубиной, для Mn отмечен минимум на глубине 5–10 см. Распределение Ni, Cr, Mo и As носит сложный характер с минимумами на глубинах 0–5 и 10–15 см; в почве притеррасной подсистемы пойменного ландшафта в вертикальном распределении элементов, за исключением Мо, отмечены минимумы на глубинах 5–10 и 15–20 см. Для Mo отмечен один минимум, на глубине 5–10 см.

Для поймы р. Унеча установлены следующие закономерности вертикального распределения:

В почве прирусловой подсистемы распределение элементов частично совпадает с таким для аналогичного участка р. Ипуть, однако имеется ряд особенностей. Содержание Cr, Pb, Co имеет минимумы на глубинах 0–5 и 10–15 см. Mn сосредоточен в основном в слое 0–5 см, затем его содержание резко убывает. Для Cd отмечен максимум на глубине 10–15 см. В почве притеррасной подсистемы Zn и Cu распределены аналогично такому же элементу ландшафта р. Ипуть. Распределение Ni, Cd, Co проходит через минимум в середине слоя 0–20 см. Распределение Cr, Pb и As, наоборот, имеет максимум в середине слоя 0–20 см. Mn распределен практически равномерно. Распределение Mo проходит через минимумы в слоях 0–5 и 10–15 см.

Для поймы р. Беседь установлены следующие закономерности вертикального распределения:

В почве прирусловой подсистемы распределение элементов тоже частично повторяет закономерности распределения на рассмотренных выше ключевых участках. Распределение Cu и Ni проходит через минимум в слое 0–20 см. Содержание цинка слабо изменяется по слоям. Содержание Mn убывает с глубиной. Для Cr и Cd отмечены минимумы на глубинах 5–10 и 15–20 см. Содержание Co и As возрастает с глубиной. Для свинца отмечен максимум в слое 5–10 см, для молибдена в слое 10–15 см. В почве центральной подсистемы пойменного ландшафта для вертикального распределения Cu отмечены минимумы в слоях 5–10 и 15–20 см, Ni имеет выраженный максимум в слое 5–10 см. Содержание Zn, Cd, Co постепенно уменьшается с глубиной. Для Mn, Cr, Pb, Mo и As выявлен максимум в середине слоя 0–20 см.

Анализируя приведенные закономерности, можно предположить, что на вертикальное распределение элементов оказывают влияние не только их химические свойства, но и особенности почв: мощность отдельных горизонтов, гранулометрический состав и показатели плодородия. Это отмечают многие исследователи. Так, в работе (Кудашкин, 2003) показано, что в условиях кислой и слабокислой реакции среды органическое вещество может закреплять Cu в виде труднорастворимых соединений. Другие поливалентные катионы, вероятно, взаимодействуют схожим образом.

В работе (Saint-Laurent et al., 2013) отмечается, что различные свойства почвы (pH, С общ , ЕКО, грансостав) участвуют в различных процессах почвообразования, включая удержание или поглощение микроэлементов, в частности, через органические вещества и илистые частицы. Кроме того, металлические элементы могут выщелачиваться в более глубокие горизонты профиля, особенно в кислых почвах.

В работах (Fijałkowski et al., 2012; Zhang et al., 2018) указывают, что pH почвы считается одним из важнейших факторов, определяющих концентрацию металлов в почвенном растворе, их подвижность и доступность для растений. Увеличение концентрации ионов водорода влияет на интенсивность мобилизации тяжелых металлов. В сильнокислых почвах подвижность металлических элементов намного выше, чем в почвах с нейтральной и щелочной реакцией. Как и уровень pH, содержание органического углерода и илистые частицы в разной степени участвуют в удерживании или ремобилизации микроэлементов, содержащихся в аллювиальных почвах. В работе (Hooda, 2010) накопление металлов в верхних слоях аллювиальных почв связывают с обогащением этих горизонтов органическим веществом и оксидами железа и марганца, которые действуют как партнеры по сорбции. Это свидетельствует о сильном влиянии первичных свойств почвы и естественных почвенных процессов на вертикальное распределение валового количества металлов. В работе (Shaheen, Rinklebe, 2014) отмечается, что накопление некоторых металлов в поверхностных горизонтах может указывать на значительный вклад антропогенной деятельности.

В таблицах 1–3 представлены медианы содержания микроэлементов в почвах пойменного ландшафта. По этим величинам рассчитаны значения кларка концентрации (КК), отражающие уровни накопления элементов. Использование для расчета значений медианы обосновано, так как при величине коэффициента вариации более 35% распределение величин не подчиняется закону нормального распределения (Самсонова, Мешалкина, 2020) и, следовательно, рассчитывать среднюю величину для таких данных некорректно.

Таблица 1. Медиана содержания (мг/кг) элементов в слое почвы 0–20 см почв поймы р. Ипуть

Table 1. Median content (mg/kg) of elements in the soil layer 0–20 cm of soils of the floodplain of the River Iput’

Почва	Cu	Ni	Zn	Mn	Cr	Cd	Pb	Co	Mo	As
Аллювиальная дерновая кислая слоистая примитивная укороченная супесчаная	18.44	9.94	27.35	257.42	115.59	0.33	6.66	0.65	0.04	0.86
Коэффициент вариации, %	59	76	60	63	30	162	25	26	65	41
Кларк концентрация	0.92	0.25	0.55	0.30	0.58	0.66	0.67	0.08	0.02	0.17
Аллювиальная луговая кислая маломощная укороченная среднесуглинистая	13.03	14.79	26.25	294.82	132.22	0.27	5.92	0.57	0.08	0.75
Коэффициент вариации, %	56	58	37	37	28	48	3	36	44	39
Кларк концентрация	0.65	0.37	0.53	0.35	0.66	0.54	0.59	0.07	0.04	0.15
Аллювиальная перегнойно-болотная тяжелосуглинистая	14.97	15.91	36.95	437.68	167.35	0.41	6.81	0.94	0.07	1.18
Коэффициент вариации, %	26	45	77	83	50	113	19	60	68	53
Кларк концентрация	0.75	0.40	0.74	0.51	0.84	0.82	0.68	0.12	0.04	0.24

При группировке КК в виде убывающего ряда получены следующие результаты:

Для пойменного ландшафта р. Ипуть:

– прирусловая: Cu > Pb > Cd > Cr > Zn > Mn > Ni > As > Co > Mo

– центральная: Cr > Cu > Pb > Cd > Zn > Ni > Mn > As > Co > Mo

– притеррасная: Cr > Cd > Cu > Zn > Pb > Mn > Ni > As > Co > Mo

Для пойменного ландшафта р. Унеча:

– прирусловая: Mn > Cr > Zn > Cu > Pb > Ni > Cd > As > Co >Mo;

– центральная: Mn > Cr > Cu > Zn > Pb > Cd > Ni > As > Co > Mo;

– притеррасная: Cu > Zn > Cr > Cd > Pb > Mn > Ni > As > Co > Mo.

Для пойменного ландшафта р. Беседь:

– прирусловая: Mn > Cu ≈ Pb ≈ Cr > Zn > Cd > Co ≈ As > Mo > Ni

– центральная: Cd > Mn > Cu > Pb > Zn > Cr > Ni > As > Co > Mo

– притеррасная: Cu > Cd > Zn > Pb > Ni > Cr > Mn > As > Co > Mo

Убывающие ряды имеют схожую структуру в пределах каждого ключевого участка, что объясняется однотипными биогеохимическими условиями пойменного режима, в котором формируются аллювиальные почвы. Некоторые отличия в данном случае могут объясняться отличием водного режима и окислительновосстановительных условий данной почвы от других частей поймы и, как следствие, варьирование горизонтальной подвижности отдельных элементов в ландшафте в целом. Отличия убывающих рядов кларков концентрации между различными ключевыми участками, вероятно, носит более фундаментальный характер, и, видимо, связано с геохимическими особенностями местности.

Таблица 2. Медиана содержания (мг/кг) элементов в слое почвы 0–20 см поймы р. Унеча

Table 2. Median content (mg/kg) of elements in soil layer 0–20 cm of floodplain of Unecha River

Почва	Cu	Ni	Zn	Mn	Cr	Cd	Pb	Co	Mo	As
Аллювиальная дерновая кислая слоистая примитивная укороченная супесчаная	6.70	9.19	22.96	566.97	103.93	0.07	3.11	0.39	0.01	0.32
Коэффициент вариации, %	13	108	49	147	17	74	18	30	122	17
Кларк концентрация	0.33	0.23	0.46	0.67	0.52	0.14	0.31	0.05	0.003	0.06
Аллювиальная луговая кислая маломощная укороченная легкосуглинистая	12.63	14.48	31.08	614.23	136.14	0.19	5.56	0.70	0.02	0.67
Коэффициент вариации, %	16	67	11	66	48	164	18	43	150	134
Кларк концентрация	0.63	0.36	0.62	0.72	0.68	0.38	0.56	0.09	0.01	0.13
Аллювиальная перегнойно-болотная среднесуглинистая	22.03	21.04	54.23	524.61	197.47	0.41	6.39	0.75	0.11	1.14
Коэффициент вариации, %	18	52	15	8	17	23	15	10	68	50
Кларк концентрация	1.10	0.53	1.08	0.62	0.99	0.81	0.64	0.09	0.05	0.23

Рассматривая горизонтальное распределение микроэлементов в подсистемах пойменного ландшафта, установлена следующая закономерность: кларк концентрации микроэлементов возрастает от прирусловой к притеррасной части поймы. Полученные данные согласуются с другими аналогичными исследованиями (Шиманская, Позняк, 2016) .

При построении геохимического индекса в ассоциацию накапливающихся элементов относят элементы с относительной концентрацией > 1, в группу рассеивающихся – с относительной концентрацией < 1. Насколько меньше и насколько больше 1, решают в зависимости от выраженности региональной геохимической дифференциации по изучаемым элементам (Прохорова, 2004) .

Таблица 3. Медиана содержания (мг/кг) элементов в слое 0–20 см почв поймы р. Беседь

Table 3. Median content (mg/kg) of elements in the layer 0–20 cm of soils of the floodplain of the Besed’ River

Почва	Cu	Ni	Zn	Mn	Cr	Cd	Pb	Co	Mo	As
Аллювиальная дерновая кислая слоистая примитивная укороченная супесчаная	7.82	следы	13.09	336.27	78.75	0.08	3.86	0.36	0.02	0.25
Коэффициент вариации, %	39	-	7	22	52	159	38	11	89	19
Кларк концентрация	0.39	-	0.26	0.40	0.39	0.16	0.39	0.05	0.01	0.05
Аллювиальная дерновая кислая маломощная укороченная тяжелосуглинистая	10.66	8.80	17.89	482.15	59.67	1.86	4.48	0.41	0.02	0.34
Коэффициент вариации, %	32	74	10	12	37	43	20	5	91	16
Кларк концентрация	0.53	0.22	0.36	0.57	0.30	3.72	0.45	0.05	0.01	0.07
Аллювиальная перегнойно-болотная тяжелосуглинистая	26.78	28.62	49.67	337.61	136.79	0.63	7.82	0.86	0.04	0.92
Коэффициент вариации, %	20	31	20	36	28	32	21	15	95	26
Кларк концентрация	1.34	0.72	0.99	0.40	0.68	1.25	0.78	0.11	0.02	0.18

Результаты исследования позволяют судить о потенциальном запасе микроэлементов в аллювиальных почвах пойменных ландшафтов посредством геохимических индексов.

Для почв пойменного ландшафта р. Ипуть:

Геохимический индекс аллювиальной дерновой кислой слоистой примитивной укороченной супесчаной почвы:

–

^{Cu 0.92}      Mo 0.02, Co 0.08, As 0.17, Ni 0.25, Mn 0.30, Zn 0.55, Cr 0.58, Cd 0.66, Pb 0.67

Геохимический индекс аллювиальной луговой кислой маломощной укороченной среднесуглинистой почвы:

Mo 0.04, Co 0.07, As 0.15, Mn 0.35, Ni 0.37, Zn 0.53, Cd 0.54, Pb 0.59, Cu 0.65, Cr 0.66

Геохимический индекс аллювиальной перегнойно-болотной тяжелосуглинистой почвы:

Mo 0.04, Co 0.12, As 0.24, Ni 0.40, Mn 0.51, Pb 0.68, Zn 0.74, Cu 0.75, Cd 0.82 Cr 0.84

Рассматриваемые элементы в почвах прирусловой, центральной и притеррасной подсистем пойменного ландшафта р. Ипуть по величине кларка концентрации относятся к группе рассеивающихся, что типично для почв с примитивным (укороченным) строением профиля, развивающихся на породах бедных микроэлементами. Исключение составляет содержание Cu в почве прирусловой части поймы, которое находится на уровне кларково-го (КК = 0.92).

Для почв пойменного ландшафта р. Унеча:

Геохимический индекс аллювиальной дерновой кислой слоистой примитивной укороченной супесчаной почвы:

Mo 0.003, Co 0.05, As 0.06, Cd 0.14, Ni 0.23, Pb 0.31, Cu 0.33, Zn 0.46, Cr 0.52, Mn 0.67

Геохимический индекс аллювиальной луговой кислой маломощной укороченной легкосуглинистой почвы:

Mo 0.01, Co 0.09, As 0.13, Ni 0.36, Cd 0.38, Pb 0.56, Zn 0.62, Cu 0.63, Cr 0.68 Mn 0.72

Геохимический индекс аллювиальной перегнойно-болотной среднесуглинистой почвы:

Cr 0.99, Zn 1.08, Cu 1.10

Mo 0.05, Co 0.09, As 0.23, Ni 0.53, Mn 0.62, Pb 0.64, Cd 0.81

Как для пойменных почв р. Ипуть, все рассматриваемые микроэлементы в аллювиальной почве прирусловой подсистемы пойменного ландшафта р. Унеча по величине кларка концентрации находятся в группе рассеивающихся. Аналогичные результаты получены для аллювиальной почвы центральной подсистемы поймы. В почве притеррасной части поймы содержание Cr, Zn и Cu находятся на уровне кларковых (КК 0.99–1.10), остальные микроэлементы рассеивающиеся.

Для почв пойменного ландшафта р. Беседь:

Геохимический индекс аллювиальной дерновой кислой слоистой примитивной укороченной супесчаной почвы:

Mo 0.01, As 0.05, Co 0.05, Cd 0.16, Zn 0.26, Cr 0.39, Pb 0.39, Cu 0.39, Mn 0.40

Геохимический индекс аллювиальной дерновой кислой маломощной укороченной тяжелосуглинистой почвы:

Cd 3.72

Mo 0.01, Co 0.05, As 0.07, Ni 0.22, Cr 0.30, Zn 0.36, Pb 0.45, Cu 0.53, Mn 0.57

Геохимический индекс аллювиальной перегнойно-болотной тяжелосуглинистой почвы:

Zn 0.99

Cu 1.34, Cd 1.25

Mo 0.02, Co 0.11, As 0.18, Mn 0.40, Cr 0.68, Ni 0.72, Pb 0.78

Рассматриваемые микроэлементы в почвах прирусловой, центральной и притеррасной подсистем пойменного ландшафта р. Беседь по величине кларка концентрации относятся к группе рассеивающихся. Исключение составляет микроэлемент Cd в почве центральной подсистемы поймы, а также Cu и Cd в почве притеррасной подсистемы поймы, которые относятся к ассоциации накапливающихся. Подобное превышение величины кларка, возможно, объясняется антропогенным фактором.

В целом валовое содержание микроэлементов в почвах хозяйственно ценной части рассматриваемого пойменного ландшафта (прирусловой и центральной) ниже кларковых содержаний в почвах мира.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Вертикальное распределение микроэлементов в слое 0–20 см определяется химическими свойствами элемента и генезисом почв пойменных подсистем, и может быть равномерным, убыва-ющим/возрастающим с глубиной, или с концентрированием в отдельных слоях.

• 2.    В пойменном ландшафте кларк концентрации микроэлементов и их содержание, как правило, возрастают от прирусловой к притеррасной подсистеме поймы.

• 3.    Концентрации элементов в почвах пойменный ландшафтов, как правило, не превышают величину кларка. Исключение составляют Cr, Zn и Cu в почве притеррасной подсистемы поймы р. Унеча, Cd – в почве центральной подсистемы поймы р. Беседь, а также Cu и Cd в почве притеррасной подсистемы поймы р. Бе-седь.

• 4.    Превышение величины кларка некоторыми элементами, особенно нетипичное для пойменных почв легкого гранулометрического состава, и особенности распределения данных элементов могут указывать на их антропогенное происхождение.