Варьирование концентрации хрома в черноземе обыкновенном Присамарья Днепровского

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

Варьирование концентрации хрома в черноземе обыкновенном Присамарья Днепровского

Н.Н. Цветкова

А.А. Дубина

Cr - химический элемент VI группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, атомный номер 24, атомная масса 51,992. Очень токсичный металл, распространенный в природе (кларк земной коры 8,3-10^-3 %). Известны четыре стабильные изотопа хрома: ⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr, ⁵⁴Cr. Искусственный радиоактивный изотоп - ⁵¹Cr (период полураспада 27,8 суток). Основные минералы хрома: хромит (Fe₂Cr₂O₄), хромшпинелиды [магнохромит (Mg Fe) Cr₂O₄]. Хром химически малоактивный элемент слабого биологического захвата, постоянно присутствующий в тканях растений. Для хрома характерны соединения с органическими веществами, в клетках растений он участвует в синтезе белков, повышает интенсивность фотосинтеза и содержание хлорофилла в листьях. Токсичность хрома проявляется в увядании надземных частей растений и повреждении корневой системы [8; 10; 15]. Токсичность 6-ти валентного хрома по сравнению с 3-х валентным значительно выше [1]. Возможна мутагенная активность хрома [12].

Металлический хром, так же, как и соединения хрома нижних ступеней окисления, в организме могут трансформироваться в соединения 6-ти валентного хрома. Соединения Cr (VI) имеют местное и общее токсическое действие, вызывают поражения органов дыхания, слизистых оболочек, желудочно-кишечного тракта, развитие онкологических заболеваний, общее снижение репаративных процессов в клетках, ингибирование ферментов. Эти вещества попадают в кровь, откладываются в печени, почках, эндокринных железах, зубах. Соединения хрома (III) вызывают специфические поражения кожи (дерматиты, язвы).

Легкорастворимый хром Cr (VI) является токсическим для растений и животных. В настоящее время вследствие антропогенного загрязнения отмечается рост содержания хрома в поверхностном слое почвы. Главным его источником являются промышленные отходы и отложения сточных вод.

Главная задача работы - исследовать варьирование хрома в черноземе обыкновенном по глубине почвенного профиля (латерали) и ландшафту (радиали), рассмотреть корреляционные связи его с рядом свойств почв (рН, гумус, фракция физической глины, емкость поглощения) и выявить причины тесноты или отсутствия корреляционных связей между элементом и свойствами почвы.

Для выяснения характера варьирования хрома в черноземе обыкновенном были использованы идеи Л.О. Карпачевского [9] об изменчивости свойств почв в пределах биогеоценоза. Признаки, наиболее характерные для черноземов и их изменчивость в пространстве и во времени, могут объяснить варьирование содержания в черноземе химических элементов, конкретно хрома, и отсутствие или присутствие тесных корреляционных связей концентрации хрома с рядом физико-химических свойств почвы.

В почвах мира кларк хрома варьирует от 12 до 22 мк/кг [7; 8; 18; 19; 20]. Генетические почвенные горизонты и их состав можно рассматривать не только как результат действия шести основных факторов почвообразовательных процессов, а и как совокупность геохимических барьеров миграции отдельных химических элементов. Содержание и распределение элемента по почвенному профилю отражает экологическую роль этих барьеров и природных факторов.

Л.О. Карпачевским с помощью информационного анализа показано, что свойства одной и той же почвы значительно варьируются в пределах одного биогеоценоза по радиали и по глубине почвенного профиля. На изменчивость свойств почв, а, следовательно, и на содержание металлов в почве, прежде всего, значительно влияют растения травянистых и древесных биогеоценозов.

В работах [17] и [21] утверждается, что в травянистых биогеоценозах, образованных однолетними и многолетними растениями происходит сравнительно быстрая смена поколений, примерно, в пределах 10 лет. В результате создается общее фитогенное поле, которое охватывает большую площадь, относительно однородную по воздействию на почву во всех точках. В травянистых ценозах смена поколений растений оставляет в целостности почвенный покров. В древесных биогеоценозах новое поколение формирует почву заново, так как смена поколений сопровождается нарушениями в сложении почв, образованием выворотов, бугров, западин, перемешиванием верхних слоев почвы, выходом на поверхность глубоких горизонтов; создается пространственная неоднородность и разновозрастность почв, а отсюда и изменчивость различных их свойств и химического состава.

В настоящее время различают два типа изменчивости почв: природную и внутрибиогеоценозную. Л.О. Карпачевский раскрывает причины изменчивости свойств почв внутри биогеоценозов. Это экологические условия, эволюция поверхности почв, циклы эрозии почв, эволюция рельефа, выбросы крота, эволюция биогеоценоза. В то время, как в создании неоднородности почвенного покрова как внутри, так и вне биогеоценоза играют существенную роль реальные природные факторы почвообразования: климат, рельеф, время, растительный и животный мир, почвообразующие породы и антропогенный фактор.

Объект исследования. В работе исследована вариабельность концентрации хрома в черноземе обыкновенном. Для исследования в качестве объекта был выбран чернозем обыкновенный, разнотравно-типчаково-ковыльной степи, расположенный в пределах приводораздельно-балочного ландшафта, район Присамарского крутобережья с байрачными, пристенными лесами, пахотными землями и остатком степных целин [3-5, 16].

Основная площадь находится в 180 м от реки Самары. Отметка относительно уровня реки - 29 м. Тип лесорастительных условий СГ Общее покрытие травостоем 85 %; уровень грунтовых вод на глубине 18,8 м [16]. Дополнительные площади взяты в остатках степи между пахотными просторами и автомагистралями Днепропетровской области.

Присамарье охватывает среднее течение р. Самары Днепровской в пределах Новомосковского района Днепропетровской области. В ботанико-географическом отношении этот район расположен в зоне настоящих степей, подзоне разнотравно-типчаково-ковыльной степи, участки которой сохранились, главным образом, по крутым склонам балок, «пристена» и между сельскохозяйственными полями на плакоре.

Почва - чернозем обыкновенный, карбонатный среднесмытый. Основу травостоя составляют многолетники (79,4 %). Соотношение ценоморф, согласно [5], следующее:

St(73,8 % ) + Pr(1,3 %) + Ru(1,1%) и т.д.

Генетические почвенные горизонты, свойства и состав рассматривались не только как результат действия шести основных факторов почвообразовательных процессов, а и как совокупность геохимических барьеров миграции отдельных химических элементов, в том числе хрома. Содержание и распределение хрома по почвенному профилю отражает экологическую роль этих барьеров и природных факторов одновременно. Если содержание хрома меньше локального фонового для данного региона, то можно утверждать, что металл хром выносится (вымывается, выщелачивается) из почвенного профиля, если же больше содержания в фоновом горизонте-профиле, то металл удерживается на геохимическом барьере.

В первом случае Кспп (коэффициент содержания элемента в почвенном горизонте по отношению к породе) должен быть больше «1», во втором меньше «1», а хром аккумулируется или выносится.

Материалы и методы исследования. Пробы почвы отбирались двумя способами: по генетическим горизонтам главного разреза и через 10 см на дополнительных участках, а также на расстоянии 10, 20, 30, 40, 50 м от разреза в географических направлениях: восток, запад, юг, север. Пробы почвы анализировались общепринятыми эмиссионным спектральным и химическим методами [2].

Результаты исследования и их обсуждение. Варьирование, изменчивость и разнообразие свойственно каждому природному явлению. Так, для содержания хрома в черноземе обыкновенном по глубине почвенного профиля характерен набор значений от 46 до 85 мг/кг почвы. Корнеобитаемый слой чернозема обыкновенного разнотравно-типчаково-ковыльной степи в среднем содержит 80 мг/кг почвы, коэффициент вариации - 6 %. Распределение хрома по генетическим горизонтам равномерно-аккумулятивное, биогенная аккумуляция проявляется в верхнем гумусированном почвенном горизонте. Максимальное содержание хрома в верхнем почвенном горизонте «Н» постепенно убывает (уменьшается) с глубиной.

Распределение хрома по основным почвенным горизонтам (табл. 1) и коэффициент аккумуляции (Ка) чернозема обыкновенного Присамарья Днепровского свидетельствует о существенной роли биогенного фактора в распределении хрома.

Таблица 1. Распределение хрома по генетическим горизонтам чернозема обыкновенного (Днепропетровская область)

*c±tm, р=0,95, n=32.

Биогенный фактор выступает в роли барьера в процессе миграции хрома по почвенному профилю чернозема.

Суждение о появлении того или иного содержания хрома, согласно информационного анализа, неопределенно. Частота появления каждой концентрации С₂ есть условная вероятность p(C)=n_C/N, где n - количество случаев появления C; N - общее количество наблюдений С. Величину этой неопределенности можно оценить количественно по формуле Шеннона:

Н(С)= - X P(C)lg₂ p(C),

где lg можно брать десятичный, но учитывать это при сравнении данных.

Смысл формулы: неопределенность появления концентрации хрома Ci равна сумме произведений вероятности каждой концентрации хрома Ci на двоичный логарифм этой же вероятности. Оценка связи между хромом и почвенным горизонтом (табл. 2) подтверждает вариабельность и распределение концентрации хрома по генетическим горизонтам чернозема обыкновенного.

Таблица 2. Оценка связи между хромом и почвенным горизонтом

В черноземе обыкновенном по глубине почвенного профиля исследовались свойства почвы: общий гумус, емкость поглощения, гранулометрический состав и кислотность почвенного раствора (табл. 3) с целью установления тесноты связи с ними хрома и выявления приоритетности влияния конкретного свойства почвы на концентрацию хрома в ней.

Таблица 3. Среднестатистические характеристики физико-химических свойств чернозема обыкновенного (Присамарье)

Таблица 4. Вариации концентрации хрома в корнеобитаемом слое чернозема обыкновенного приводораздельно-балочного ландшафта (слой 0-50 см)

Достоверно установлена положительная корреляционная связь хрома с фракцией физической глины (r=0,5), гумусом (r=0,8) и емкостью поглощения (r=0,6), отрицательная и очень слабая с рН (r=-0,4). Максимальная корреляционная связь хрома отмечена с гумусом.

Исследована транслокация хрома в черноземе обыкновенном по ландшафту (радиали) в корнеобитаемом слое (табл. 4).

Изучение распределения металлов в почвенном покрове по рельефу, по типам ландшафтов, как отмечали исследователи-классики [6; 11; 13; 14], имеет большое практическое и теоретическое значение в исследовании почвенного покрова. Ими установлено, что поймы и отдельные части водоразделов неравноценны по макро- и микроэлементному составу почв. В работе исследовано содержание микроэлемента хрома в пределах приводораздельно-балочного ландшафта и получено, что концентрация хрома только в пределах этого ландшафта меняется от 74 до 136 мг/кг при соответствующих коэффициентах вариации и ошибках определения. Такая транслокация хрома в черноземах обыкновенных связана с варьированием свойств чернозема, с изменением его гранулометрических свойств, реакций почвенного раствора, емкости поглощения, содержанием гумуса, механической денудацией почв и др.

Какой их этих факторов является превалирующим свидетельствуют результаты корреляционного анализа этих связей (табл. 3). Хром тесно коррелирует с гумусом почвы.

Концентрация хрома в черноземе обыкновенном разнотравно-типчаково-ковыльной степи приводораздельно-балочного ландшафта находится в интервале 74-136 мг на кг почвы, коэффициент вариации составляет 21-26%.

В черноземе обыкновенном транслокация хрома по почвенному профилю относительно равномерна с повышением количественного содержания хрома в верхнем гумисированном горизонте, в горизонте аккумуляции гумусовых веществ.

На формирование профильного распределения хрома в черноземе обыкновенном первостепенно оказывает влияние механическое перемещение мелких почвенных фракций сверху вниз и биогенная аккумуляция. В зависимости от степени действия этих факторов и ведущей роли одного из них - гумуса, в черноземе обыкновенном наблюдается аккумуляция хрома в верхнем почвенном горизонте.

Библиографические ссылки

хром чернозем почва

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. - Л.: Изд-во Наука, 1987. - 142 с.

2. Аримушмима Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушпина. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 487 с.

3. Белова Н.А. Естественные леса и степные почвы / Н.А. Белова, А.П. Травлеев. - Д.: Изд-во Днепропетр. госун-та, 1999. - 348 с.

4. Бельгард А.Л. Степное лесоведение / А.Л. Бельгард. - М.: Изд-во Лесн. пр-сть, 1971. - 336с.

5. Бельгард А.Л. Лесная растительность юго-востока Украины / А.Л. Бельгард. - К.: Изд- во КГУ, 1950. - 264 с.

6. Глазовская М.А. Основы почвоведения и география почв / М.А. Глазовская. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 242 с.

7. Жовинский Э.Я. Геохимия тяжелых металлов в почвах Украины / Э.Я. Жовинский, И.В. Кураева. - К.: Наук. думка, 2002. - С. 18-20.

8. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Изд-во Мир, 1989. - 439 с.

9. Кармачевский Л.О. Пестрота почвенного покрова в лесном биогеоценозе / Л.О. Карпачевский. - М.: Изд. МГУ, 1977. - 208 с.

10. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда. - М.: Изд-во Наука, 1985. - 263 с.

11. Ковда В.А. Основы учения о почвах./ В.А. Ковда. - М.: Изд-во Наука, 1973. - 443 с.

12. Лоуб Л.А., Ткешелашвили Л.К. Влияние хрома на точность синтеза ДНК / Л.А. Лоуб, Л.К. Ткешелашвили // Материалы 9. Всесоюз. конф. по пробл. микроэлементов в биологии. - Кишенев: Изд-во Картя молдовеняскэ, 1981. - С. 78.

13. Перельман Я.И. Геохимия ландшафтов / Я.И. Перельман. - М.: Изд-во Вісшая школа, 1975. - 348 с.

14. Полынов Б.Б. Учение о ландшафтах / Б.Б. Полынов. - М.: Изд-во Географ ДГИЗ, 1956. - 372 с.

15. Протасова Н.А. Редкие и рассеянные элементы в почвах центрального Черноземья / Н.А. Протасова, А.П. Щербакова, М.Т. Копаева. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. - 168 с.

16. Травлеев Л.П. К постановке лесо-гидрологических исследований в Присамарье / Л.П. Травлеев // Вопросы степного лесоведения. - Д.: Изд-во Днепропетр. госун-та, 1972. - Вып. 2. - С. 18-21.

17. Уранов А.А. Фитогенное поле / А.А. Уранов // Проблемы современной ботаники. - М.: Изд-во Наука,1965. - Т. 1. - С. 28-31.

18. Bartlett R.I. Behavior of chromium in soil. I trivalent forms. II Hexavalent forms/ R.I. Bartlett, J.M. Kimble // J. Environ, Qual. - 1976. - № 5. - Р. 379 and 383.

19. Bartlett R.I. Behavior of chromium in soil III oxidation / R.I. Bartlett, B. Jamas // J. Environ, Qual. - 1979. - № 8. - Р. 31.

20. Bloomfeld C. The translocation of metals in soil / C. Bloomfeld // The Chemistry of Soil Proceses. - John Wiley Si Sons, New York. - 1981. - 463 p.

21. Tisdale E.W. Vogatation and Soil development on a resently glaciated area near mount Pobson / E.W. Tisdale, M.A. Fosberg and C.E. Poution. - British Columbia «Ecology». - 1966. - Vol. 47, № 4. - Р. 97-98.

Размещено на Allbest.ru