Исследователи географического факультета МГУ детально изучили сезонную динамику широкого спектра металлов, в том числе потенциально токсичных, в подзолистых почвах Центрально-Лесного заповедника. Впервые установлены ряды подвижности химических элементов для разных почвенных горизонтов, что поможет в дальнейшем прогнозировать миграцию загрязняющих элементов. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (грант № 19-77-30004-П), опубликованы в журнале первого квартиля «Catena».
Участок хвойно-широколиственного леса в Центрально-Лесном заповеднике.
Автор фото: Полина Енчилик
Ученые рассмотрели распределение 13 металлов (кадмий, кобальт, хром, медь, железо, лантан, марганец, никель, рубидий, стронций, свинец и цинк) в почвах смешанных и еловых лесов Центрально-Лесного заповедника (Тверская область). Для того чтобы проанализировать сезонные колебания подвижности химических элементов, в образцах почв определялось общее содержание элементов и три подвижных формы (обменные, комплексные с органическим веществом и сорбированные гидроксидами Fe и Mn). Для всех элементов рассчитывался показатель потенциальной подвижности, равный отношению содержания подвижных фракций к валовому содержанию.
«Результаты исследования показали, что значительная часть металлов находится в подвижных формах, т.е. переходит из минеральной фазы в раствор или образует потенциально доступные для растений комплексы с органическим веществом. В гумусовых горизонтах подзолистых почв доля подвижных форм большинства элементов превышает 50%. Наиболее подвижными элементами (60-99% подвижных форм) являются марганец, кадмий, кобальт и свинец», — отмечает младший научный сотрудник географического факультета МГУ Полина Енчилик.
В работе впервые было предложено ранжировать элементы по показателю потенциальной подвижности в генетических горизонтах подзолистых почв. Авторы выделили группы высокоподвижных металлов с медианными значениями подвижности 16-64%: кадмий, свинец, кобальт, марганец; умеренно подвижных (4-16%): хром, медь, никель, лантан, цинк, железо; низкоподвижных (<4%): рубидий, стронций.
Ключевыми факторами, определяющими миграционную способность элементов, являются содержание органического вещества, гранулометрический состав и кислотность почвы. Органическое вещество сорбирует металлы в верхних горизонтах почв, но при изменении кислотности pH, сезонной смене режима увлажнения или интенсивности поступления и состава растительного опада элементы могут переходить в растворённые формы и перемещаться вниз по почве.
Полученные данные свидетельствуют о том, что сезонные изменения сильнее выражены в латеральной (пространственной) дифференциации элементов, чем в вертикальной по почвенному профилю. Особенно на переувлажнённых участках, где часто меняется окислительно-восстановительная обстановка и в сезоны с повышенным увлажнением подвижность железа и марганца возрастает.
«Даже такие элементы, как стронций и рубидий, традиционно считающиеся малоподвижными, демонстрируют выраженные сезонные колебания латеральной дифференциации. Подвижность этих элементов связана с обменными легкорастворимыми формами. Это говорит о высокой чувствительности почв к изменениям влажности и степени разложения опада растений, поставляющего в почвы доступные формы элементов», — поясняет старший научный сотрудник географического факультета МГУ Иван Семенков.
«Одним из ключевых результатов работы является установление рядов подвижности химических элементов для отдельных генетических горизонтов подзолистых почв. Последовательность элементов в рядах подвижности остается неизменной, при этом значения подвижности существенно варьируют», — подчёркивает руководитель исследования, заведующий кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ академик РАН Николай Касимов.
Максимальная подвижность металлов приходится на кислые гумусовые горизонты почв, где определяется содержанием органического углерода: кадмий и свинец (99%), кобальт (90%), марганец, цинк, никель (60%), медь (50%), железо (40%), лантан (30%), стронций (20%), хром (10%) и рубидий (3%). В подгумусовом горизонте с увеличением доли минеральных частиц тонкого песка подвижность падает до минимальных значений: свинец и кобальт (30%), кадмий, марганец, медь (20%), железо, хром, лантан, цинк, никель (10%), стронций (2%), рубидий (0,3%). В нижележащих горизонтах подвижность вновь возрастает благодаря сорбции илистыми частицами, и затем уменьшается в остаточно карбонатной породе за счет комплексообразования с карбонатами.
Результаты исследования позволяют прогнозировать экологические риски, связанные с миграцией металлов в природных и загрязненных экосистемах. Понимание механизмов подвижности элементов важно для оценки устойчивости подзолистых почв и моделирования круговорота веществ в условиях климатических изменений.
Исследование выполнено в рамках проекта Русского географического общества № 17-05-41036.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ
