Таблица 1

Формы соединений ТМ в почвах

Рис. 1. Схема извлечения группы непрочно связанных соединений, определяя весь спектр трансформационных форм ТМ (непрочно и прочно связанных соединений).

Таблица 2

Комбинированная схема фракционирования почвенных соединений ТМ [3, 4]

Содержание Zn и Cu определяли атомно-абсорбционным методом на базе лаборатории биогеохимических исследований института естественных наук и биомедицины САФУ и частично на оборудовании ЦКП НО «Арктика» на базе «Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова» при финансовой поддержке Минобрнауки России по аттестованным методикам.

В качестве критерия степени загрязненности почв и возможной транслокации ТМ в растения использовали коэффициент подвижности КП = ,

представляющий собой соотношение содержания группы непрочно связанных соединений (НС) к содержанию группы прочно связанных соединений ТМ (ПС) [4].

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ экспериментальных данных показал, что основная часть Zn и Cu в типичных городских почвах находится в непрочно связанном состоянии (К_п составляет 0,6-8,1 для Zn и 0,9-3,2 для Сu).

Степень подвижности Zn в почвах пригорода и природно-антропогенных зон города выше, чем Сu (рис. 2). Это обусловлено тем, что Сu тяготеет к образованию специфических связей с компонентами ППК, Zn же в отличие от нее связывается с ППК неспецифически и поэтому более подвижен.

Рис.2. Массовая доля (%) непрочно связанных соединений металлов от их валового содержания в почвах основных функциональных зон г. Архангельска

При увеличении техногенной нагрузки (в почвах техногенно-антропогенных зон) подвижность металлов изменяется по сравнению с природной почвой (фоновая территория, расположенная в 30 км от Архангельска и не испытывающая антропогенного воздействия) неоднозначно: цинка уменьшается, а меди, наоборот, увеличивается (К _П,Zn = 1,5 ± 0,7; К _П,Cu = 2,2 ± 0,9).

Непрочно связанные соединения (подвижные формы) исследуемых металлов в природных почвах пригорода Архангельска представлены в основном специфически сорбированными формами (рис. 3). Так, для Сu содержание этих форм доходит до 95%. Это обусловлено ее низким валовым содержанием (менее 20-30 мг/кг) при котором подвижность Сu крайне мала, поэтому она находится в необменно-зафиксированной форме в связи с низкой концентрацией в почвенном растворе. Накопление Cu в этих почвах происходит в виде легко обменных форм Cu с соединениями Mn и Ca, трудно обменных − с соединениями Fe и Al. В образовании подвижных форм Cu, мигрирующих в сопредельные среды участвуют соединения Mn, Fe и Ca, а также органическое вещество почвы.

У Zn в отличие от Сu, доля специфически сорбированных форм в природных почвах колеблется от 37,5 % в дерновых почвах до 71,0 % в подзолистых, что может быть обусловлено как особенностями самого металла, так и различиями в физико-химических параметрах почв. Закрепление Zn в почвах фоновой территории происходит за счет образования легко обменных форм, связанных с органическим веществом (преимущественно с фульвокислотами), трудно обменных форм с соединениями Fe. Большая часть Zn находится в обменной форме, которая представлена подвижными трудно обменными соединениями с гумусовыми кислотами. С кальцием и алюминием Zn образует подвижные соединения в виде легко обменных форм; возможно, происходит непрочное закрепление на поверхности алюмосиликатов.

Рис. 3. Фракционный состав соединений ТМ, %, в почвах пригорода и техногенно-антропогенных зон г. Архангельска

Техногенное загрязнение почв в условиях городской среды неоднозначно видоизменяет соотношение подвижных трансформационных форм исследованных ТМ в составе непрочно связанных соединений. Так, в городских почвах появляются соединения Cu, непрочно связанные с карбонатами, практически отсутствующие в природной почве, увеличивается доля обменных и сокращается доля остаточных форм (см. рис. 3). Особенно высока подвижность Cu в торфяных почвах городских лесов, так как в связи с низким содержанием в этих почвах физической глины отсутствует поглощение этого элемента ППК, а слабая разложенность торфа не позволяет сорбировать этот ТМ органическим веществом. Накопление Cu в городских почвах происходит за счет легко и трудно обменных форм с гумусовыми кислотами, соединениями Са, Fe, Mn и Al. Глинистые минералы и гумусовые кислоты участвуют в образовании подвижных форм Cu, мигрирующих в сопредельные среды, наряду с соединениями Са, Fe, Mn и Al.

Доля обменных форм Zn при техногенном загрязнении либо уменьшается (селитебная зона), либо увеличивается (промышленная зона) в зависимости от гранулометрического состава почвы. Содержание форм Zn, связанных с несиликатными соединениями Fe, Mn и Al, уменьшается, но увеличивается доля специфически сорбированных форм и форм Zn, связанных с органическим веществом почвы. Увеличение валового содержания Zn в почвах сопровождается уменьшением доли непрочно связанных соединений несмотря на то, что содержание в них обменных форм довольно высоко (22,4-60,2 %).

Таким образом, изменение доли обменных форм ТМ приводит к изменению их подвижности в почве. С увеличением подвижности ТМ начинается их активная миграция в грунтовые воды, транслокация их в растения и почвенную биоту [1]. Поэтому при мониторинговых исследованиях для оценки степени загрязнения почв ТМ наряду с определением валового содержания металлов и содержаниях их подвижных форм следует периодически оценивать соотношение прочно и непрочно связанных почвенными компонентами соединений ТМ и долю легкообменных форм в фракционном составе соединений ТМ.

Рецензенты:

Телешев А.Т., д.х.н., профессор кафедры физической и аналитической химии химического факультета Московского педагогического государственного университета – Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования Министерства образования и науки Российской Федерации, г. Москва;

Наквасина Е.Н., д.с.-х.н., профессор, профессор кафедры лесоводства и почвоведения Лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова Минобрнауки РФ, г. Архангельск.

Работа поступила в редакцию 24.06.2014.