Содержание и распределение галогенов в почвенном профиле естественных и антропогенных экосистем юга Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Содержание и распределение галогенов в почвенном профиле естественных и антропогенных экосистем юга Западной Сибири

В проведенных исследованиях определено содержание галогенов и установлены закономерности их распределения в профиле целинных и пахотных серых лесных почв юга Западной Сибири. Выявлено, что концентрация галогенов в исследуемых почвах находится на уровне, характерном для зональных почв региона, и не превышает предельно допустимые концентрации. Показано, что длительное внесение минеральных удобрений в агроценозе привело к существенному повышению в почве содержания фтора и хлора; при этом распределение фтора по почвенному профилю носило убывающий характер с максимумом в верхнем горизонте, а распределение хлора в профиле почв было равномерным. Содержание водорастворимого йода в пахотном слое почв интенсивных агроценозов значительно снизилось, в то время как его валовое количество не изменилось.

Content and distribution of halogens in soil profile of natural and man-made ecosistems in the south of Western Siberia.pdf Введение Изучение содержания и распределения галогенов в различных природных объектах окружающей среды, прежде всего в почвах как в начальном звене цепочки «почвы - воды - растение - животные - человек», является весьма ак- туальным как с эколого-биогеохимических, так и с почвенно-агрохимических позиций. Физиологическая потребность в галогенах (за исключением брома) для нормального функционирования живых организмов давно установлена, равно как и тот факт, что при избыточном их поступлении и накоплении в экосистемах эти элементы, особенно фтор, могут оказывать негативное воз- действие на свойства почвы и качество растительной продукции [1, 2 и др.]. Особенности содержания и распределения галогенов в почвах и расте- ниях естественных и антропогенных экосистем юга Западной Сибири рас- сматриваются в ряде работ [3, 4 и др.]. Однако многие вопросы, связанные с накоплением этих элементов в почвах, изучены недостаточно. Так, напри- мер, исследования изменения содержания галогенов в почвах агроценозов при длительном внесении минеральных удобрений, в состав которых входят галогены, весьма немногочисленны и, как правило, посвящены одному из галогенов. В этой связи нам представляется целесообразным проведение комплексных исследований поведения галогенов в почвах разных экосистем юга Западной Сибири. 22 Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко Материалы и методики исследования Объектами исследований послужили серые лесные почвы юга Западной Сибири: целинные (естественные экосистемы) и пахотные (антропогенная экосистема - многолетний стационарный полевой опыт). Наиболее важные физико-химические свойства исследуемых целинных серых лесных почв приведены в табл. 1. Почвенные образцы были отобраны из разрезов, зало- женных в различных точках южной части Васюганской равнины и северной части Барабинской равнины. Реакция почвенной среды - слабокислая. Со- держание гумуса вниз по профилю заметно снижается, гранулометрический состав свидетельствует об обеднении верхних горизонтов илом. Т а б л и ц а 1 Основные физико-химические свойства исследуемых целинных серых лесных почв Горизонт Глубина, см рН Содержание, % Гумус Физ. глина Ил А1 0-10 5,00-5,20 4,75-4,92 27,60-29,96 16,89-18,12 А1А2 20-30 5,61-5,92 1,93-2,08 30,15-31,67 17,65-18,12 В 35-45 5,86-5,95 0,80-0,92 30,94-32,44 18.45-19,41 В1 60-70 6,10-6,25 0,13-0,17 33,18-34,61 21,79-23,81 С 100-110 6,20-6,43 0,07-0,09 36,98-37,67 24,56-26,16 Почва полевого опыта, заложенного в 1988 г. [5], имела следующие харак- теристики (слой 0-20 см): содержание гумуса - 4,9%, физической глины - 30,8%, емкость катионного обмена - 21,1 мг-экв./100 г; валовое содержание азота - 0,22%, фосфора - 0,15 (подвижного - 18 мг/100 г), калия - 1,5% (об- менного - 12 мг/100 г); почвообразующая порода - лессовидный карбонат- ный суглинок. Данная почва является достаточно типичной для лесостепной зоны Приобья, расположена на высокой террасе р. Бердь (Искитимский р-н, Новосибирская обл.); территория хорошо дренирована, высота над урезом реки составляет 35-45 м. Схема опыта включала различные варианты, из которых в данном со- общении рассматриваются наиболее контрастные: вариант 1 - непрерывный многолетний пар (без растений и удобрений), 2 - без удобрений (контроль), 3 - NP, 4 - NP + К1, 5 - NP + К2. Выращивали картофель в монокультуре; дозы вносимых в опыте минеральных удобрений: N - 100, P - 60, K1 - 60 и K2 - 120 кг д.в./га. Удобрения в форме аммиачной селитры, двойного су- перфосфата и хлористого калия вносили ежегодно весной перед посадкой клубней. Полевой опыт с многолетним систематическим внесением минеральных удобрений в виде хлорида калия (содержание хлора до 45%) и двойного су- перфосфата (содержание фтора до 1,5%) позволяет исследовать поведение в почве агроценоза двух галогенов - хлора и фтора. Кроме того, параллельно Содержание и распределение галогенов 23 можно изучить и йодид-анион в связи с наличием общих черт в геохимии йода и легкорастворимых солей, к которым относится хлорид калия: там, где аккумулируются соли, часто накапливается и йод [6]. По валовому коли- честву любого элемента в почве трудно судить об экологической ситуации в экосистемах, поэтому определение водорастворимых форм, как самых мо- бильных, является важным с точки зрения оценки их возможностей посту- пления в растения и накопления в грунтовых водах. Для определения содержания галогенов в почвенных образцах исполь- зованы следующие методы: валовое содержание фтора - спектрофотоме- трическим с ализаринкомплексоном [7], йода - кинетическим роданид- но-нитритным методом [8]. Водорастворимую форму фтора определяли потенциометрическим, йода - роданидно-нитритным методами, хлора - ме- тодом Мора. Остальные анализы выполнены по общепринятым методикам. Результаты исследования и обсуждение Результаты исследований показали, что различная химическая актив- ность галогенов, специфика процессов их адсорбции-десорбции и другие факторы обусловили особенности распределения этих элементов в почвах естественных и антропогенных экосистем. Фтор. В профиле исследуемых серых лесных почв концентрация вало- вого фтора варьирует на уровне 220,0-290,0 мг/кг (рис. 1), что несколько выше, чем в дерново-подзолистых почвах, и ниже, чем в черноземах юга Западной Сибири, что обусловлено их промежуточным положением в ряду этих почв [3]. 0 50 100 150 200 250 200 250 300 350 Глубина, см Содержание валового фтора, мг/кг 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 Глубина, см Содержание водорастворимого фтора, мг/кг Рис. 1. Содержание фтора в серых лесных почвах естественных экосистем ▲ - север Барабинской равнины, ● - юг Васюганской равнины 24 Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко Усиление развития дернового процесса в серых лесных почвах в сравне- нии с дерново-подзолистыми теоретически должно было привести к более высоким концентрациям галогена. Однако этого не произошло по ряду при- чин. Основная - инертность фтора к органическому веществу почвы, что при- вело к малочисленности возможных химических реакций между ними. Далее, гумусовые и элювиальные горизонты в этих почвах обеднены илистыми ча- стицами (max - 20,0%) и физической глиной (max - 31,0%) в сравнении с ни- жележащим горизонтом В (max - 38%), что связано с перемещением ила вниз по профилю почвы в процессе выщелачивания и свидетельствует о снижении уровня накопления фтора в этих горизонтах. Более того, в элювиальных го- ризонтах в первую очередь разрушаются наиболее тонкодисперсные частицы монтмориллонитовых минералов, способных к сорбции фтора, и в меньшей степени - более грубодисперсные каолинит и иллитовые минералы [9]. А кис- лая реакция почвенной среды (5,0-5,9), свойственная верхним горизонтам, и периодически промывной тип водного режима также не способствуют акку- муляции в нем фтора. Вместе с тем быстрое убывание содержания гумуса с глубиной косвенно указывает на то, что концентрация элемента в этом на- правлении может потенциально возрастать, так как остальные компоненты почвы способны к активной сорбции галогена или к взаимодействию с ним. Фтор, несмотря на свое значительное содержание в зональных почвах, в том числе и в серых лесных почвах, обладая самой высокой химической ак- тивностью среди других элементов, не может находиться длительное время в свободном состоянии, а будет вступать в различные химические реакции. Это заметно снизит степень его вредного воздействия на почву ввиду об- разования труднорастворимых или комплексных соединений, что является положительным моментом с позиций экологии. В связи с отсутствием ПДК на фтор по ГОСТу обычно ориентируются на литературные данные, в соответствии с которыми допустимым уровнем содержания валового фтора в почве принято считать 500, критическим - 500-1 000, недопустимым - более 1 000 мг/кг [10]. Согласно этим цифрам, валовое содержание фтора в серых лесных почвах следует оценить как соот- ветствующее допустимому уровню. Концентрация водорастворимого фтора в почвах оценивается соглас- но следующим критериям: ПДК равна 10, допустимым уровнем считается 0-10, критическим 10-30, недопустимым - более 30, фон - 1,5 мг/кг [11]. Коэффициент водной миграции фтора составляет всего 1,04, что ниже, чем у других галогенов, и обусловлено не только слабой растворимостью боль- шинства его соединений, но и малой подвижностью фторид-аниона [12]. Его концентрация в изучаемых почвах региона варьирует в интервале 0,7- 3,0 мг/кг, что соответствует уровню в аналогичных почвах других регионов [13] и находится в пределах допустимого. Остановимся теперь на ситуации с фтором в антропогенной системе. Со- держание валового фтора в гумусовом горизонте исследуемой почвы (целин- 25 ный участок полевого опыта) составляло 280-285 мг/кг и вполне укладыва- лось в характерный для региона интервал значений; вниз по профилю оно несколько снижалось (рис. 2). Многолетнее систематическое внесение фос- форных удобрений закономерно отразилось на уровне фтора в почве агро- ценоза. В вариантах NP и NPK содержание валового фтора в пахотном слое почвы возросло до 320-387, а в подпахотном (20-40 см) - до 305-350 мг/кг (на контроле - 280). Ниже по профилю (слой 40-60 см) количество валового фтора в почве различных вариантов опыта практически не различалось и составляло около 240-260 мг/кг. Рис. 2. Содержание валового (А) и водорастворимого (Б) фтора в почве агроценоза Согласно литературным данным, внесение фторсодержащих удобрений и мелиорантов в пахотный слой почвы, как правило, не приводит к увели- чению его содержания в нижележащих слоях почвенного профиля по срав- Содержание и распределение галогенов 26 Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко нению с контрольным вариантом [14, 15]. В проведенных ранее исследова- ниях [3] по мелиорации солонцов фосфогипсом были получены подобные результаты: валовое содержание фтора в почве при внесении различных доз мелиоранта возросло лишь в слое 0-10 см. Очевидно, что основная фиксация поступающего в почву фтора (илистой фракцией, полуторными оксидами и др.) происходит непосредственно в зоне внесения. Такая ситуация обусловлена высокой химической активностью фтора, который при поступлении в почву быстро и прочно связывается её компонентами. В этой связи следует отметить слабую растворимость флю- орита (CaF2), селлаита (MgF2), а также фторидов других щелочноземельных металлов, алюминия и железа. Результаты исследований показали, что, несмотря на одинаковые дозы вносимых фосфорных удобрений в вариантах NP и NPK, содержание вало- вого фтора в почве опыта закономерно возрастает от варианта NP к NPK2, т.е. по мере увеличения доз вносимых калийных удобрений. По-видимому, значительная концентрация хлорид-аниона в почве вари- антов NPK, способного конкурировать с фторид-анионом, препятствовала, в определенной степени, его взаимодействию с теми компонентами почвы, которые потенциально ответственны за концентрацию водорастворимого фтора, способствуя его переходу в фиксированное состояние. Известно, что анион хлора более подвижен, чем анион фтора; кроме того, фтор всегда од- новалентен, а хлор обладает ярко выраженной способностью к окислению и восстановлению и, соответственно, имеет переменную валентность, что, несомненно, играет роль в процессах, происходящих в почве. Такое ионное состояние, характерное для хлоридов, благодаря высокой растворимости солей хлора, оставляет приоритет за этим галогеном. Однако данное наше предположение можно считать дискуссионным. При всей важности и значимости данных по валовому фтору, позволя- ющих представить его распределение в почвенном профиле и уровне на- копления в почве, его поведение в системе почва - растение определяется концентрацией подвижных форм элемента, т.е. количеством фторид-анио- нов, не связанных прочно с компонентами почвы и способных к миграции. Содержание водорастворимого фтора во всех вариантах полевого опыта тесно коррелировало с валовым его количеством, а распределение по по- чвенному профилю носило одинаковый, равномерно убывающий характер (рис. 2). Максимальное содержание галогена отмечалось в пахотном гори- зонте всех вариантов как с внесением удобрений, так и без них, минималь- ное - в нижней части профиля (слой 80-100 см). Следует отметить, что по мере продвижения вниз по профилю различия между вариантами по кон- центрации водорастворимой формы фтора сглаживались. Известно, что фторид-анионы могут активно фиксироваться глинистыми минералами по механизмам сорбции и обмена, образовывать труднораство- римые соединения с щелочноземельными металлами - кальцием и магнием. 27 Исследуемая нами почва агроценоза имеет небольшое утяжеление грануло- метрического состава к нижней части профиля (с 31 до 33-34% физической глины) и подстилается лессовидными карбонатными суглинками. Очевид- но, что при этом количество трехслойных глинистых минералов вниз по профилю увеличивается, равно как и нарастает активность кальциевого гео- химического барьера. Данное обстоятельство и обусловливает значительное снижение уровня водорастворимого фтора вниз по профилю почвы. Существенное повышение содержания водорастворимого фтора произо- шло в верхней части профиля почвы вариантов NPK, особенно в пахотном слое (табл. 2). Учитывая, что дозы вносимых фосфорных удобрений на всех удобряемых вариантах были равны, причиной заметного увеличения кон- центрации фторид-анионов в почве вариантов NPK служат, на наш взгляд, следующие обстоятельства. Т а б л и ц а 2 Содержание валового и водорастворимого хлора в серых лесных почвах естественных экосистем, мг/кг почвы Горизонт Глубина отбора образца, см Хлорвал Хлорводораст. 1 2 1 2 А1 0-20 48,3 52,9 47,0 51,2 А1А2 25-35 49,6 52,8 48,2 48,1 А2В 40-50 51,4 47,6 49,6 44,2 В 70-80 46,1 49,4 44,3 46,5 ВС 90-100 47,4 54,7 45,1 48,3 Ск 200-220 55,6 56,2 52,9 51,0 Примечание. 1 - юг Васюганской равнины; 2 - север Барабинской равнины. Во-первых, содержание обменного кальция (340-350 мг/100г) и магния (8-9 мг) в верхней части почвенного профиля вариантов NPK заметно ниже, чем в NP (соответственно 375 и 12 мг/100 г), что связано с интенсивным выносом из почвы этих элементов культурами при оптимизированном пита- нии. Снижение содержания щелочноземельных элементов в почвенном рас- творе способствовало, вероятно, некоторому относительному повышению мобильности фторид-анионов. Во-вторых, почва вариантов NP и NPK значительно различалась между собой по содержанию обменного и водорастворимого калия. Так, концен- трация калия в почвенном растворе пахотного слоя варианта NP составила 0,5 мг/100 г (из-за длительного сильно дефицитного калийного баланса), тогда как в вариантах NPK - 3-6 мг. Принимая во внимание некоторое сни- жение содержания щелочноземельных обменных катионов в почве вариан- тов NPK (по сравнению с NP), можно полагать, что доля калия в составе обменных катионов почвы этих вариантов заметно возросла. В то же время известно, что фториды щелочных металлов (K и Na), в отличие от фторидов Ca и Mg, очень хорошо растворимы в воде и способны к активной миграции Содержание и распределение галогенов 28 в почве. Очевидно, что в почве с повышенным уровнем калия интенсив- ность образования его соединений с фтором возрастала (по сравнению с по- чвой с истощенным калийным фондом), соответственно увеличивалось и содержание подвижных фторид-анионов. Длительное внесение фосфорных удобрений не привело к повышению концентрации водорастворимого фтора в почве агроценоза до токсичного уровня. Содержание элемента в почве удобряемых вариантов, хотя и заметно возросло по сравнению с неудобрявшимися (см. рис. 2), тем не менее было значительно ниже его ПДК, равной 10 мг/кг. Как мы полагаем, причиной по- служили невысокая интенсивность водной миграции и слабая подвижность фторид-аниона. Склонность фтора к образованию прочных комплексных анионов типа [AlF6]3‾, [SiF6]2‾ и [BF4]‾ также способствует снижению уровня его водорастворимой формы. Устойчивость галогенидных комплексов, как правило, понижается в ряду F > Cl > Br > I [12], поэтому многие фторидные комплексы устойчивы, не гидролизуются и слабо диссоциируют. В целом, ситуация с фтором в почве полевого опыта и вероятным по- ступлением его в грунтовые воды и пищевую цепь, даже после более чем 20-летнего периода внесения повышенных доз минеральных удобрений, особых опасений пока не вызывает, хотя и не исключает необходимости си- стематического контроля за его накоплением. Хлор. Автоморфные почвы земледельческой зоны, по разным источникам [1, 2 и др.], обычно содержат в среднем 10-20 мг/кг водорастворимого хлора (от- метим, что валовое его содержание, как правило, немногим выше). Это связано, прежде всего, с хорошей растворимостью солей хлора (исключение составляют лишь хлориды Ag+, Pb2+, Cu+ и Hg+). Обладая этим свойством, хлориды активно мигрируют в почвенном профиле, поэтому закономерности его распределения в почве определяются в основном процессами водной миграции. Содержание этого элемента в исследуемых целинных серых лесных по- чвах от гумусового горизонта к породе варьирует в пределах 48,3-55,6 мг/ кг (см. табл. 2). В автоморфных почвах отсутствуют эффективные геохими- ческие барьеры, на которых возможна аккумуляция хлора, подобных тем, как для фтора существует кальциевый геохимический барьер или для йода - биогеохимический (накопление в верхнем гумусовом горизонте почв). Акку- муляция хлора происходит только на испарительном барьере, свойственном лишь аридным бессточным районам. Периодически промывной тип водного режима серых лесных почв в сумме с хорошей растворимостью солей хлора также благоприятствует миграции его солей. Содержание водорастворимой формы хлора в почвах естественных экоси- стем составило 47,0-52,9 мг/кг (см. табл. 2), т.е. лишь немногим меньше ва- лового содержания; распределение по почвенному профилю было аналогич- ным. Хлорид-анион, в отличие от йодид-ионов, не только слабо поглощается почвами, но и характеризуется отрицательной адсорбцией по отношению к ним [16] и менее подвержен окислению в условиях земной поверхности. Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко 29 Серая лесная почва агроценоза в вариантах опыта, где хлорсодержащие удобрения никогда не вносили, содержала 11-12 мг/кг водорастворимого хлора. Отметим заметное различие между изучаемыми почвами по содержа- нию хлора, в отличие от других галогенов. Данное обстоятельство связано, по-видимому, с региональной спецификой и химическим составом почво- образующих пород, а также с различным содержанием хлора в выпадаю- щих атмосферных осадках на различных территориях (среднее содержание в осадках для лесостепи Приобья - 2-3 мг/л [17]). Результаты наших исследований показали (рис. 3), что длительное ежегодное внесение повышенных доз хлористого калия не привело к на- коплению в почве агроценоза токсичных концентраций хлора. Повышение содержания хлора в почве вариантов NPK1 и NPK2, хотя статистически и значимое, не вызвало возникновения опасного для выращиваемых культур уровня этого элемента. Отметим, что картофель в соответствии со свои- ми физиологическими потребностями способен концентрировать хлор до 2 000 мг/кг сухого вещества, т.е. намного больше, чем другие культуры. Следует сказать, что ПДК водорастворимого хлора для почв до настоящего времени не разработаны. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 см мг/кг почвы контроль NP NPK1 NPK2 Рис. 3. Содержание водорастворимого хлора в почве агроценоза Ранее нами было показано [18], что внесенный с удобрениями калий (в случае слабо- или бездефицитного его баланса) аккумулируется практиче- ски только в пахотном почвенном слое, а распределение нитратного азота по профилю почвы носит явно выраженный убывающий характер при любом его уровне в верхнем горизонте. В отличие от этих также весьма мобильных ионов, хлор в профиле почвы распределялся по-иному (рис. 3). Его содер- Содержание и распределение галогенов 30 жание в почвенном профиле любого из вариантов опыта было достаточно равномерным; другими словами, характер распределения галогена в почве был одинаковым независимо от использования или неиспользования хлорсо- держащих удобрений. Различия между вариантами были лишь в концентрации хлора: там, где хлористый калий не применялся, в различных почвенных слоях найдено 11-12, а в вариантах с внесением этого удобрения - 13-14 мг/кг водо- растворимого хлора. Выравнивание содержания хлора по почвенному профилю обусловлено, на наш взгляд, двумя причинами. С одной стороны, это отсутствие в почве какого-либо специфического накопительного барьера, с другой - активная миграция хлора по профилю почвы как с нисходящими, так и с восходящи- ми потоками влаги. В составе влаги, испаряемой с поверхности незасолен- ных почв зоны, содержится около 1,5 мг/л хлора [17]. Следовательно, вынос хлора при испарении, потреблении растениями и миграции за пределы по- чвенного профиля, наряду с его поступлением из атмосферы и удобрений, формируют галогеохимический баланс элемента в почвах вообще и относи- тельно стабильное распределение по профилю в частности. Йод. Интенсивность аккумуляции и миграции йода в почвах определя- ется конкретной почвенно-геохимической обстановкой. В ранее опублико- ванных исследованиях показано, что наиболее важными почвенными свой- ствами, ответственными за аккумуляцию йода в почвах, являются степень их гумусированности, гранулометрический (содержание илистой фракции) и химический состав [2, 3, 19 и др.]. В почвах, обогащенных аморфными окислами алюминия и железа, обладающих развитой сорбционной поверх- ностью, происходит накопление элемента (например, в солонцах). В почвах с высоким содержанием окислителей Fe3+ и Mn4+ (например, в глееподзоли- стых почвах или подзолах иллювиально-железистых) происходит снижение концентрации галогена, обусловленное окислением йодид-аниона до эле- ментарного йода в результате взаимодействия с железом и марганцем из-за разницы в величине стандартных ОВ потенциалов с последующим его уле- тучиванием в атмосферу. Наряду с химическим составом почвы двойствен- ную роль по отношению к йоду играют реакция почвенной среды и водный режим. В кислой среде процессы окисления инициируют потери галогена за счет образования свободного йода, а в щелочной среде доминирует образо- вание наиболее устойчивых анионов йода, таких как I- и IO3 -. Промывной и периодически промывной типы водного режима в почвах усиливают мигра- цию йода по причине хорошей растворимости большинства его солей. Исследуемые серые лесные почвы содержат 1,4-3,0 мг/кг валового йода (табл. 3). Подобные концентрации элемента обнаружены и в аналогичных почвах других территорий (2-4 мг/кг) [16]. Незначительное количество гу- муса в горизонте А1 - 4% и менее, а также резкое снижение его количества в нижних горизонтах от 0,6 до 0,3%, высокая подвижность гуминовых кислот в условиях периодически промывного режима, кислая среда, преобладаю- Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко 31 щая в верхних горизонтах почвы, невысокое содержание илистой фракции, снижающее сорбционную способность почвы, - все это благоприятствует процессам выноса галогена из почвы. В соответствии с критериями [20] для валового содержания йода (5,0 - недостаточное содержание, 5,0-40,0 - нор- мальное и > 40,0 мг/кг - избыточное) данные серые лесные почвы следует считать дефицитными по йоду. Валовое содержание йода нами изучалось параллельно с водораство- римой формой, изменение концентрации которой в различных типах почв происходит в широком интервале от 0,01 до 0,65 мг/кг. Концентрации водо- растворимого йода (0,015-0,08 мг/кг) в серых лесных почвах, так же, как и в других зональных почвах юга Западной Сибири, весьма незначительны. Ос- новных причин тому несколько: низкое валовое содержание элемента, физи- ко-химические свойства почвы и свойства самого галогена. При этом стро- гой закономерности в распределении элемента по профилю почвы также не обнаружено, что отмечено нами во всех зональных почвах территории [3]. Т а б л и ц а 3 Содержание валового и водорастворимого йода в серых лесных почвах естественных экосистем, мг/кг Горизонт Глубина, см Йодвал Йодводораст 1 2 1 2 А 0-20 2,82 3,15 0,081 0,092 А1А2 25-35 1,00 1,34 0,022 0,037 А2В 40-50 1,56 1,95 0,008 0,010 В 70-80 1,73 2,00 0,018 0,025 ВС 90-100 2,26 2,39 0,032 0,046 Ск 200-220 1,44 1,88 0,015 0,017 Примечание. 1 - юг Васюганской равнины; 2 - север Барабинской равнины. По градации, предложенной [21], содержание водорастворимой формы йода в почвах 0,011-0,03 является низким, 0,03-0,05 - пониженным, 0,05- 0,1мг/кг - оптимальным. Следовательно, данные серые лесные почвы ха- рактеризуются низкими и пониженными запасами водорастворимого йода. Содержание и распределение водорастворимого йода в почве длитель- ного полевого опыта показаны на рис. 4. Можно отметить некоторое уве- личение концентрации подвижной формы галогена вниз по профилю, что, видимо, обусловлено соответствующим утяжелением гранулометрического состава и усилением карбонатности. Известно, что почвообразующая поро- да является не столько источником поступления йода в почву, сколько ба- рьером, препятствующим вымыванию его легкорастворимых соединений из корнеобитаемого слоя. Концентрация водорастворимого йода в пахотном слое вариантов NPK заметно снизилась по сравнению с контрольным и фоновым вариантами. Содержание и распределение галогенов 32 Известно, что йод - важный микроэлемент, необходимый для роста и раз- вития растений, влияющий на азотный режим и водный обмен. В вариантах NPK нашего опыта урожайность культур было намного выше, чем в других вариантах, соответственно вынос элементов, и в частности йода, существен- но возрастал. Вынос йода из почв интенсивных агроценозов с отчуждаемой растениеводческой продукцией превышает его поступление извне. 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 см мг/кг почвы контроль NP NPK1 NPK2 Рис. 4. Содержание водорастворимого йода в почве агроценоза Следует отметить, что в вариантах полевого опыта с внесением всех удо- брений наблюдается незначительная тенденция увеличения содержания ва- лового йода в пахотном слое почвы, что свидетельствует о влиянии различ- ных солей на сорбцию йода [6]. Другими словами, влияние различных солей на сорбцию йода в почве полевого опыта проявилось, но довольно слабо. Концентрация микроэлемента в почве крайне низка, в связи с чем можно предположить, что культуры, выращиваемые в интенсивных агроценозах, будут испытывать дефицит йода. Количество валового йода в исследуемой почве и его распределение по профилю в различных вариантах нашего опыта практически не отличались. В пахотном слое почвы (0-20 см) содержалось 1,4-1,5 мг/кг валового йода, в подпахотном (20-40 см) - 1,0-1,1. Отметим, что количество гумуса в этих по- чвенных слоях составляло соответственно 4,9 и 2,4% при одинаковом грану- лометрическом составе (31% физической глины). Ниже по профилю почвы со- держание валового йода возрастало и составило в слое 40-60 см 1,7-1,8 мг/кг, в слое 60-80 см - 1,6-1,7. Количество гумуса в этих почвенных слоях достигало соответственно 0,9 и 0,4%, а физической глины - 34%. Рассматриваемые слои составляют иллювиальный почвенный горизонт, обогащенный илистой фрак- цией и полуторными оксидами и являющийся накопительным барьером для Г.А. Конарбаева, В.Н. Якименко 33 йода. В нижней части профиля (80-100 см) уровень валового йода снизился до 1,2-1,4 мг/кг. В целом полученные результаты демонстрируют отчетливую зависимость между содержанием валового йода в почве, с одной стороны, и ее гумусированностью и гранулометрическим составом - с другой. Заключение Проведенные исследования показали, что содержание валового фтора (230-280 мг/кг) и йода (1,4-3,0) в серых лесных почвах различных районов юга Западной Сибири примерно одинаково и вполне укладывается в интер- вал значений, характерный для зональных почв этой территории. Аналогич- ная ситуация складывается и по содержанию водорастворимых форм фтора (около 1 мг/кг) и йода (0,02-0,03). В отличие от этих галогенов содержание хлора в серых лесных почвах различных районов исследуемой территории заметно варьирует: от 10-11 мг/кг в почве Новосибирского Приобья до 40- 50 - в почвах Васюганской и Барабинской равнин. Распределение галогенов по профилю исследуемых почв определяется в основном содержанием гумуса и илистой фракции в различных почвенных горизонтах, а также химическими свойствами конкретного галогена. От- носительным постоянством отличается лишь хлор - его распределение по профилю различных почв обычно равномерное независимо от абсолютного содержания в почве этого элемента. Полученные результаты свидетельствуют, что вовлечение целинной по- чвы в сельскохозяйственный оборот существенно отразилось на содержании в ней различных галогенов. Длительное внесение минеральных удобрений в почву агроценоза вызвало статистически значимое повышение содержания фтора и хлора; в то же время концентрация водорастворимой формы йода в пахотном слое почв интенсивных агроценозов заметно снизилась. Исполь- зование рациональных и сбалансированных доз удобрений не привело к по- вышению содержания форм галогенов в почве агроценоза до токсичного для растений уровня. Вносимый с удобрениями фтор концентрировался в пахотном почвенном слое; вниз по профилю почвы агроценоза содержание этого галогена замет- но снижалось. Распределение хлора по профилю почвы было равномерным независимо от интенсивности применения хлорсодержащих удобрений. Со- держание в почве йода вниз по профилю возрастало. Таким образом, содержание фтора, хлора и йода в целинных серых лес- ных почвах юга Западной Сибири не превышает предельно допустимых концентраций и не представляет опасности для экологической обстановки региона. В почвах интенсивных агроценозов содержание галогенов может как возрастать (особенно фтор), так и заметно снижаться (йод), что обуслов- ливает необходимость эколого-агрохимического мониторинга складываю- щейся ситуации.

Ключевые слова

agrocenoses, fertilizers, iodine, chlorine, fluorine, soil, content of halogens, антропогенная экосистема, агроценоз, удобрения, содержание галогенов, почва

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Якименко Владимир НиколаевичИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории агрохимииyakimenko@issa.nsc.ru
Конарбаева Галина АкмуллдиновнаИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)доктор биологических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник лаборатории биогеохимии почвkonarbaeva@issa.nsc.ru
Всего: 2

Ссылки

Покатилов Ю.Г. Биогеохимия биосферы и медико-биологические проблемы. Новосибирск : Наука. Сиб. изд. фирма, 1993. 65 с.
Ковальский В.В. Биологическая роль йода // Биологическая роль йода. Научные труды ВАСХНИЛ. М. : Колос, 1972. С. 3-32.
Кашин В.К. Биогеохимия, фитофизиология и агрохимия йода. Л. : Наука, 1987. 261 с.
Якименко В.Н. Изменение содержания форм минерального азота и калия в профиле почвы агроценоза // Вестник Томского государственного университета. 2009. № 328. С. 202-207.
Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М. : Наука, 1985. 261 с.
Казанцев В.А. Проблемы педогалогенеза. Новосибирск : Наука, 1998. 280 с.
Танделов Ю.П. Фтор в системе почва - растение. М. : Изд-во МГУ, 2004. 106 с.
Минеев В.Г., Грачева М.К., Ефремов В.Ф. и др. Фтор в почвах и корнеплодах кормовой свеклы // Химия в сельском хозяействе. 1987. № 2. С. 45-47.
Сараев В.Г. Техногенное рассеяние фтора в почвах Катэка // География и природные ресурсы. 1986. № 4. С. 142-146.
Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. М. : Мир, 1980. 662 с.
Санитарные нормы допустимых концентраций токсичных веществ. СанПиН 42-1264433-87 // Методы определения загрязняющих веществ в почве. М., 1988. 72 с.
Гапонюк Э.И., Кузнецова М.В. Влияние фтористого натрия на свойства почвы и развитие некоторых сельскохозяйственных культур // Гигиена и санитария. 1984. № 6. С. 77-79.
Проскурякова Г.Ф., Никитина О.Н. Ускоренный вариант кинетического роданиднонитритного метода определения микроколичеств йода в биологических объектах // Агрохимия. 1976. № 7. С. 140-143.
Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. Новосибирск : Наука, 1985. 250 с.
Миллер А.Д., Капитонова Г.А. Метод определения фтора с ализаринкомплексоном в горных породах и минералах без предварительной отгонки // Методы анализа редко-металльных минералов, руд и горных пород. М., 1971. Вып. 2. С. 80-89.
Якименко В.Н. Калий в агроценозах Западной Сибири. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2003. 231 с.
Ковда В.А., Якушевская И.В., Тюрюканов А.Н. Микроэлементы в почвах Советского Союза. М. : Изд-во МГУ, 1959. 67 с.
Ермолов Ю.В. Фтор в компонентах природных ландшафтов Обь-Иртышского между речья : дис.. канд. биол. наук. Новосибирск : ИПА СО РАН, 2002. 101 с.
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М. : Мир, 1989. 439 с.
Конарбаева Г.А. Галогены в почвах юга Западной Сибири. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 200 с.
Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М. : Высш. шк., 2002. 334 с.
 Содержание и распределение галогенов в почвенном профиле естественных и антропогенных экосистем юга Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Содержание и распределение галогенов в почвенном профиле естественных и антропогенных экосистем юга Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).