Биофильные микроэлементы – элементы, поглощаемые живыми организмами из окружающей среды и используемые ими в процессах жизнедеятельности, т.е. принимающие активное участие в формировании жизни на планете. Поэтому изучение содержания и поведения биофильных элементов в различных природных ландшафтах весьма актуальная проблема. Среди разнообразия ландшафтов поймы рек занимают особое место в биосфере, так как в них условия для круговорота химических элементов во многом зависят от поёмных и аллювиальных процессов. По сути, поймы – природные дрены, по которым с суши в моря и океаны переносится огромное количество макро- и микроэлементов. Поэтому почвы пойм (аллювиальные почвы) служат хорошим индикатором при оценке загрязнения ландшафтов, при поиске геохимических ареалов, свидетельствующих о месторождениях полезных ископаемых или при изучении фонового содержания элементов [5, 9].
Материалы и методы исследования
Исследуемая территория согласно схеме гидрологического районирования бассейна верхнего Амура расположена в пределах Зейско-Селемджинской равнины, которая, в свою очередь, занимает центральную и северную часть Амурско-Зейской равнины – крупнейшей межгорной депрессии в России [12]. Литологический состав отложений, формирующий аллювиальные почвы пойм исследуемой территории, разнообразен – пески, глины, торфа, галечник, но по минералогическому составу они преимущественно аркозитовые, т.е. состоят из продуктов выветривания вулканических и интрузивных пород кислого и среднего состава, а также метаморфических пород различного типа [8].
Закладка разрезов, представляющих основные типы почв, формирующих почвенный покров пойм исследуемой территории, осуществлялась в среднем течении р. Зея и нижнем течении р. Селемджа. Название типов почв давались в соответствии с Классификацией и диагностикой почв России от 2004 г [13]. Так как исследуемая территория не затронута различными видами антропогенного воздействия, способными изменять напрямую элементный состав почв, то полученные данные позволяют оценить природное фоновое содержание микроэлементов.
Определение микроэлементов (F, Cu, Zn, Mo, Ni, Co, V, Sr) производилось рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 Simadzu в аналитическом центре ИГиП ДВО РАН. Определение свойств почв проводилось общепринятыми в почвоведении методами: гранулометрический состав – методом пипетки по Н.А. Качинскому с пирофосфатом натрия; актуальная и потенциальная кислотности – потенциометрически; обменная кислотность и подвижный алюминий методом А.В. Соколова; обменный кальций и магний – комплексонометрическим методом по К.К. Гедройцу; органический углерод – методом мокрого озоления по И.В. Тюрину в модификации Б.А. Никитина [1, 2].
Расчёт кларка концентрации (КК) элементов в почвах производился по формуле КК = Cj/K, где Cj – содержание микроэлемента в почвах; К – среднее содержание элемента в почвах мира [10].
Для выявления почвенных факторов, влияющих на миграционные способности микроэлементов, использовался статистический метод, относящийся к факторному анализу – метод главных компонент [3]. Использование данного метода позволяет найти такие комплексные факторы, которые как можно более полно объясняют наблюдаемые связи между исследуемыми переменными, к которым в нашем случае относятся микроэлементы, обменная кислотность, гранулометрический состав, углерод органического вещества и насыщенные основания.
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 > 1,2), в знаменателе – микроэлементы с содержанием ниже кларка (КК < 0,9) [11].
В исследуемых аллювиальных почвах выделяется четыре основных типа формирующих почвенный покров пойм. В пойме р. Селемджа это – аллювиальные серогумусовые, аллювиальные, серогумусовые глеевые и аллювиальные торфяно-глеевые почвы. В пойме р. Зея регулирование речного стока Зейской ГЭС ослабило гидроморфные процессы в пойме, что привело к уменьшению площадей занимаемых гидроморфными аллювиальными серогумусовыми глеевыми и торфяно-глеевыми почвами и развитию в пределах поймы бурозёмов примитивных остаточно аллювиальных. Таким образом, все почвы можно разделить на две группы: автоморфные (аллювиальные серогумусовые и бурозёмы остаточно-аллювиальные) и гидроморфные (аллювиальные серогумусовые глеевые и торфяно-глеевые почвы). Для автоморфных почв характерны кислая – близкая к нейтральной реакция среды, песчаный-супесчаный гранулометрический состав, ёмкость катионного обмена (ЕКО) от 7 до 20 мг·экв/ на 100 г с преобладанием в её составе катионов кальция и магния, содержание углерода органического вещества от 5–10 % в гумусово-аккумулятивных горизонтах до 1–2 % в минеральных. В гидроморфных почвах реакция среды варьирует от сильно кислой до кислой, гранулометрический состав от супесчаного до легкоглинистого, ЕКО от 15 до 40 мг·экв/100 г с преобладанием в её составе катионов магния и алюминия, углерод-органического вещества от 3–8 % в гумусово-аккумулятивных и органогенных горизонтах до 1–5 % в минеральных.
Характеристика свойств аллювиальных почв позволяет предположить накопление в гидроморфных почвах микроэлементов, для которых гранулометрический состав и реакция среды служат геохимическими барьерами, а в автоморфных почвах возможна их биоаккумуляция.
Результаты исследования и их обсуждение
Фтор. В аллювиальных почвах пойм рек Зея и Селемджа содержание фтора варьирует от 60 до 270 мг/кг (таблица). Максимальное его содержание отмечается в глеевых горизонтах аллювиальных торфяно-глеевых почв, минимальное – в органогенных и песчаных горизонтах, т.е. фтор аккумулируется в горизонтах с высоким содержанием глинистых и илистых фракций. Это подтверждает факторный анализ, где значения содержания фтора и физической глины лежат в одной плоскости, т.е. положительно коррелируют друг с другом, и соответствует литературным данным, по которым фтор активно сорбируется глинистыми минералами (рисунок). Кларк концентрации фосфора и в почвах р. Зея, и в почвах р. Селемджа составляет 0,38, что позволяет говорить о дефиците фтора в аллювиальных почвах на исследуемой территории. Это обусловлено кислой реакцией аллювиальных почв, обусловливающей переход фтора из малоподвижных соединений в легкорастворимые флюориды, вымываемые грунтовыми и речными водами, хотя аркозитовый состав аллювия говорит о изначально высоком содержании валового фтора [6].
Медь. Содержание меди в исследуемых аллювиальных почвах пойм рек Зейско-Селемджинской равнины в среднем составляет 28 мг/кг с небольшим превышением в почвах поймы р. Зея. Во всех типах почв схожее содержание меди. Несмотря на то, что для меди характерна биоаккумуляция, в аллювиальных почвах её накопление в гумусово-аккумулятивных и торфяных горизонтах, по отношению к минеральным горизонтам, выражено слабо. Это может быть связано с вымыванием органических веществ и связанных с ними ионов меди с поёмными и грунтовыми водами. Средневзвешенная концентрация меди в исследуемых почвах по отношению к почвам мира околокларковая.
Цинк. Результаты факторного анализа показывают, что цинк в аллювиальных почвах взаимодействует с насыщенными основаниями, но связь эта выражена слабо. Из распределения цинка по почвенному профилю видно, что его максимальное содержание наблюдается в гумусово-аккумулятивных горизонтах автоморфных почв, а минимальное – в минеральных горизонтах с песчаным гранулометрическим составом и в глеевых горизонтах, т.е. цинк накапливается в горизонтах с высокой ёмкостью катионного обмена, но с близкой к нейтральной реакцией среды. Это связано с ослаблением адсорбции цинка при низких значениях рН, за счёт конкуренции с другими ионами, что приводит к его выщелачиванию из кислых почв [4, 6]. В целом среднее содержание цинка в исследуемых почвах составляет от 95 мг/кг в почвах поймы р. Селемджа до 108 мг/кг в почвах поймы р. Зея, что превышает среднемировые показатели почти в 1,5 раза.
Содержание биофильных элементов в аллювиальных почвах пойм рек Селемджа и Зея
|
Тип почвы |
Индекс |
Глубина |
Микроэлементы, мг/кг |
|||||||
|
F |
Cu |
Zn |
Mo |
Sr |
Co |
V |
Ni |
|||
|
р. Селемджа |
||||||||||
|
Аллювиальная серогумусовая глеевая почва |
AY1 |
0–8 |
113 |
39 |
156 |
4,1 |
283 |
20 |
103 |
48 |
|
AY2g |
10–15 |
116 |
26 |
80 |
3,2 |
251 |
14 |
96 |
39 |
|
|
G |
15–25 |
150 |
23 |
78 |
2,7 |
184 |
11 |
91 |
31 |
|
|
Cg~~ |
30–35 |
117 |
28 |
88 |
3,3 |
227 |
14 |
95 |
37 |
|
|
Dg~~ |
55–60 |
140 |
24 |
83 |
3 |
209 |
14 |
87 |
35 |
|
|
Аллювиальная серогумусовая почва |
AY1 |
0–4 |
137 |
34 |
143 |
3,3 |
261 |
15 |
95 |
39 |
|
AY2 |
5–10 |
120 |
31 |
119 |
3,9 |
248 |
15 |
99 |
41 |
|
|
C~~ |
25–30 |
120 |
22 |
73 |
3,8 |
270 |
12 |
80 |
40 |
|
|
C~~ |
45–50 |
62 |
25 |
72 |
3,6 |
331 |
14 |
86 |
39 |
|
|
Dg~~ |
75–80 |
147 |
28 |
100 |
3 |
195 |
16 |
94 |
36 |
|
|
Аллювиальная торфяно-глеевая почва |
Т |
0–5 |
123 |
25 |
82 |
3,3 |
233 |
13 |
89 |
35 |
|
G |
20–25 |
111 |
28 |
95 |
3,1 |
205 |
13 |
87 |
38 |
|
|
G |
40–45 |
167 |
23 |
81 |
2,9 |
195 |
13 |
87 |
34 |
|
|
CG |
70–75 |
100 |
23 |
86 |
3,2 |
224 |
16 |
93 |
34 |
|
|
Среднее |
123 |
27 |
95 |
3,3 |
237 |
14 |
92 |
38 |
||
|
р. Зея |
||||||||||
|
Аллювиальная торфяно-глеевая почва |
Tmd |
0–5 |
184 |
40 |
77 |
3,2 |
418 |
17 |
104 |
43 |
|
G |
20–25 |
272 |
29 |
81 |
2,9 |
394 |
20 |
113 |
41 |
|
|
Cg[hh] |
50–55 |
160 |
32 |
89 |
3 |
453 |
18 |
113 |
41 |
|
|
Dg~~ |
70–75 |
127 |
31 |
93 |
2,7 |
423 |
17 |
116 |
39 |
|
|
Аллювиальная серогумусовая почва |
AY1 |
0–3 |
65 |
33 |
154 |
4,7 |
938 |
17 |
105 |
47 |
|
AY2 |
5–10 |
99 |
29 |
129 |
4,4 |
882 |
16 |
100 |
43 |
|
|
C~~ |
30–35 |
129 |
22 |
89 |
4 |
922 |
15 |
96 |
43 |
|
|
D1~~ |
50–55 |
60 |
21 |
73 |
4,2 |
997 |
14 |
86 |
42 |
|
|
D2~~ |
80–85 |
100 |
23 |
88 |
4,4 |
909 |
17 |
100 |
44 |
|
|
Бурозём примитивный остаточно-аллювиальный |
AYo |
0–5 |
108 |
34 |
201 |
4,3 |
738 |
16 |
102 |
47 |
|
AY |
5–10 |
108 |
28 |
154 |
4,2 |
687 |
17 |
100 |
43 |
|
|
BM1 |
15–20 |
127 |
33 |
124 |
4,1 |
632 |
16 |
106 |
53 |
|
|
BM2 |
40–45 |
101 |
27 |
111 |
4,8 |
842 |
18 |
104 |
55 |
|
|
С~~ |
70–80 |
73 |
18 |
48 |
4,1 |
841 |
11 |
71 |
37 |
|
|
Среднее содержание |
122 |
29 |
108 |
3,9 |
719 |
16 |
101 |
44 |
||
|
Среднее содержание в почвах мира* |
320 |
33 |
71 |
2 |
210 |
8,5 |
90 |
20 |
||
Примечание. *Данные даны по Кабата-Пендиас (1989).
Молибден. Содержание молибдена в исследуемых аллювиальных почвах варьирует от 2,9 до 4,8 мг/кг, что в среднем превышает кларк почв мира в 1,5 раза (таблица; рисунок). По всей вероятности это связано с составом аллювия, который преимущественно представлен продуктами разрушения кислых пород. Распределение по почвенному профилю находится в сильной отрицательной зависимости от обменной кислотности, что противоречит существующему положению о слабой растворимости молибдена в кислых почвах. Подобное явление обусловлено способностью молибдена в восстановительной среде, характерной для аллювиальных торфяно-глеевых и серогумусовых глеевых почв, формировать (несмотря на кислую реакцию среды) подвижные соединения и мигрировать с грунтовыми водами [4, 6, 7].
Стронций. Среднее содержание Sr в аллювиальных почвах поймы р. Селемджа по отношению к почвам мира сопоставимо. В аллювиальных почвах поймы р. Зея содержание стронция превышает его содержание в почвах поймы р. Селемджа в 3 раза. Так как стронций находится в сильной взаимосвязи с реакцией среды почвенного раствора, то можно сделать предположение, что снижение кислотности в почвах поймы р. Зея в результате их осушения посредством регулирования речного стока Зейской ГЭС привело к снижению миграционной активности стронция и его накоплению (рисунок) [6]. К тому же соединения Sr в почве хорошо растворимы в воде, и в аллювиальных почвах р. Селемджа, где грунтовые воды залегают неглубоко и часто промывают почвенный профиль, он интенсивно вымывается. В целом содержание стронция варьирует в различных типах аллювиальных почв Зейско-Селемджинской равнины от 180 до 950 мг/кг почвы.
Проекция коррелирующих переменных содержания микроэлементов и свойств аллювиальных почв пойм рек Селемджа и Зея на факторную плоскость
Кобальт. Преобладающим фактором, обуславливающим распределение кобальта в аллювиальных почвах, служит органическое вещество (рисунок) [4, 6, 7]. Другие свойства почв особой роли в механизме его миграции не играют, так как его содержание во всех минеральных горизонтах почти одинаково. Среднее содержание в аллювиальных почвах 15 мг/кг, что в 1,5 раза выше его среднего содержания в почвах мира, что необычно для Зейско-Селемджинской равнины, т.к. кобальт – элемент ультраосновных пород, которых на данной территории очень мало.
Ванадий. Подобно кобальту и меди ванадий формирует средневыраженную зависимость своего содержания от органического вещества, так как аккумулируется преимущественно в гумусово-аккумулятивных и глеевых горизонтах (таблица, рисунок). В минеральных горизонтах содержание ванадия относительно равномерно. В исследуемых почвах его содержание варьирует от 70 до 115 мг/кг, что соответствует среднемировому содержанию.
Никель. Из изучаемых биофильных элементов лишь Ni не формирует каких-либо взаимосвязей с рассматриваемыми свойствами почв. Тем не менее его расположение в факторной плоскости вместе со стронцием и молибденом указывает, что характер его аккумуляции в определённой мере зависит от реакции среды (рисунок, таблица). Можно предположить, что реакция среды влияет косвенно через оксиды железа и марганца, которые при окислительных условиях сорбируют никель. Однако в восстановительных условиях, при которых наблюдается более кислая реакция среды, сорбционная способность оксидов железа и марганца снижается [6]. Это подтверждается накоплением никеля в структурно-метаморфическом горизонте бурозёма остаточно-аллювиального, где в соответствии с процессами буроземообразования идёт аккумуляция оксидов железа (таблица). Содержание никеля в исследуемых почвах в среднем 38–44 мг/кг почвы, что в 2 раза выше, чем средние значения по почвам мира. Как и кобальт, никель – элемент ультраосновных пород, поэтому его аккумуляция в почвах, сложенных из аркозитового аллювия, достаточно необычна.
Заключение
Результаты исследования позволяют отобразить обеспеченность аллювиальных почв рек Зея и Селемджа биофильными микроэлементами посредством геохимических индексов:
Геохимический индекс аллювиальных почв поймы р. Селемджа:
Геохимический индекс аллювиальных почв поймы р. Зея:
Содержание всех биофильных микроэлементов, кроме фтора, выше в аллювиальных почвах поймы р. Зея. Возможно, это связано со снижением миграционной способности микроэлементов в результате уменьшения кислотности и гидроморфизма в аллювиальных почвах, что обусловлено регулированием речного стока Зейской ГЭС.
По характеру аккумуляции на геохимических барьерах определяемые микроэлементы можно разделить на обладающие выраженной биоаккумуляцией – Cu, V, Co; зависящие от реакции среды и окислительно-восстановительных условий – Ni, Sr, Mo; аккумулирующиеся за счёт сорбции глинистыми и илистыми веществами – F; связанные с ёмкостью катионного обмена – Zn. Природа аккумуляции никеля выяснена не до конца.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-05-31052 мол_а и ДВО РАН 14-III-В-09-219.