Почвенные горизонты как геохимические барьеры

Почвы выполняют многообразные экологические функции, обусловливающие устойчивость как отдельных биогеоценозов, так и биосферы в целом [75]. Одной из важных и комплексных функций почв является регулирование поведения загрязнителей. Многие проблемы загрязнения окружающей среды зависят от поведения загрязнителей в различных почвенных условиях: сами загрязнители, продукты их деградации закрепляются в почвах, трансформируются в них, поступая в том или ином виде в пищевые цепи, или выносятся за пределы почвенной толщи и, попадая в горизонты грунтовых вод, циркулируют в природных средах. В этой связи большое значение имеет функционально-экологический подход в изучении почв, как основного звена ландшафтных систем и как основного «экологического акцептора», предусматривающий анализ свойств и режимов почв, определяющих их функционирование и изменчивость.

Поведение в почвах загрязняющих веществ во многом определяется обстановками миграции в почвенном профиле. Миграционная способность элементов и соединений в почвах, процессы их трансформации обусловлены, прежде всего, кислотно-основными (рН) и окислительно-восстановительными (Eh) условиями и наличием радиальных геохимических барьеров.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия в почвах определяют формы нахождения и подвижность многих химических элементов и соединений, а также обусловливают состав почвенной микрофлоры и интенсивность биохимических и микробиологических процессов. Так, поле нейтральных значений рН особенно благоприятно для жизнедеятельности большинства микроорганизмов — деструкторов органических веществ; низкие величины рН свидетельствуют об агрессивности среды по отношению к минеральным компонентам и благоприятны для миграции катионогенных элементов (например, Cu, Zn, Pb).

Окислительно-восстановительные условия существенно влияют на подвижность химических элементов с переменной валентностью. Резко выраженные окислительные условия способствуют ускоренному разложению ряда соединений (например, углеводородов, органических пестицидов). Восстановительная обстановка существенно ослабляет микробиологическую активность почв. Резкая смена окислительно-восстановительных условий в пространстве приводит к быстрому осаждению и концентрации некоторых элементов-мигрантов в зоне контакта окислительных и восстановительных обстановок, например, Fe, Mn.

В зависимости от сочетаний кислотно-основных и окислительно-восстановительных параметров в почвах формируются определенные условия миграции и аккумуляции многих элементов. В зависимости от почвенно-геохимических условий часть удерживаемых в почвах микроэлементов, в том числе высокотоксичных, переходит в труднорастворимые и труднодоступные для растений формы; другие элементы могут образовывать относительно мобильные, но все же накапливающиеся формы, поэтому особенно опасны для биоты. Ряд элементов в определенных условиях образует легкорастворимые формы, которые в условиях промывного режима выносятся за пределы почвенного профиля, но могут загрязнять грунтовые воды и накапливаться в почвах подчиненных элементов рельефа.

В кислых окислительных условиях ряд микроэлементов образует легкоподвижные формы, в частности в эту группу входят такие токсичные элементы как Hg и Cd. Но значительная группа элементов в этих условиях образует слабоподвижные соединения, которые могут накапливаться и быть доступными для растений; среди них есть также токсичные — Pb, As, Se. В кислых восстановительных условиях подвижность многих микроэлементов уменьшается; ряд тяжелых металлов образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды. В то же время Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd, Hg в этих условиях образуют относительно подвижные формы.

Величины рН и Eh могут иметь относительно равномерное распределение в почвенном профиле, либо варьировать в связи с направленностью почвообразующих процессов, свойствами генетических горизонтов и/или по сезонам.

Особое значение для анализа условий миграции и аккумуляции веществ, особенно загрязнителей, имеют геохимические барьеры, т.е. участки, где на коротком расстоянии резко меняются условия миграции, что приводит к концентрации химических элементов или их соединений. Протяженность барьера в радиальном направлении зависит от степени резкости смены условий миграции. При контрастной смене это может быть узкая полоска в 1—2 см на границе почвенных горизонтов; при более постепенном изменении геохимических условий в качестве барьера выступает весь генетический горизонт почв.

Выделяются следующие основные группы геохимических барьеров: биогеохимические, физико-химические и механические. Поверхностные биогеохимические барьеры разделяются на органические (торф, подстилки, опад, грубогумусовые горизонты) и органо-минеральные (собственно гумусовые горизонты). Поверхностные горизонты почв принимают на себя «первый удар» при техногенных воздействиях и выполняют очень важные и сложные барьерные функции. На биогеохимических барьерах в верхних почвенных горизонтах аккумулируются многие опасные загрязнители (тяжелые металлы, нефтепродукты, радионуклиды и др.), предохраняя минеральные горизонты почв от загрязнения. В то же время, это корнеобитаемые горизонты, и избыток загрязняющих веществ может вовлекаться в биологический круговорот.

Среди внутрипочвенных физико-химических барьеров различают: кислые, щелочные, карбонатные, глеевые, сорбционные, испарительные, сероводородные (резко восстановительные), мерзлотные. Сорбционные барьеры подразделяются на хемосорбционные и сорбционно-седиментационные. Хемосорбционные барьеры связаны, главным образом, с аморфными гидроксидами Fe, Mn и Al и их органо-минеральными соединениями в срединных горизонтах почв. Наиболее ярким примером хемосорбционного геохимического барьера является железисто-гумусово-иллювиальный горизонт подзолов или подбуров; в качестве более редкого и даже «экзотического» варианта хемосорбционного барьера можно привести охристые горизонты пепловых почв. Сорбционно-седиментационные барьеры обусловлены утяжелением гранулометрического состава и наличием в почвенном профиле текстурных горизонтов.

От наличия радиальных барьеров в средней части почвенного профиля в значительной мере зависит степень воздействия загрязнителей на почвообразующие и подстилающие породы и грунтовые воды.

Характер геохимических барьеров существенно меняется в почвах различных природных зон и в сопряженном ряду почв по катене. Некоторые почвы имеют относительно однородные, неконтрастные геохимические условия по профилю, например, подбуры, буроземы. Генетический профиль других почв довольно сложен и представляет собой «слоеный пирог», характеризующийся системой радиальных барьеров — поверхностно-почвенных и внутрипочвенных, причем один и тот же генетический почвенный горизонт может выполнять функции разных геохимических барьеров. Например, органогенные горизонты, будучи биогеохимическими барьерами, часто являются сорбционными и кислыми (в случае торфяных горизонтов) барьерами. Текстурный горизонт в дерново-подзолистых почвах может быть одновременно сорбционным и механическим барьером.

Способность геохимических барьеров к накопительной концентрации обусловлена их емкостью. Геохимические барьеры на качественном уровне можно разделить на высоко-, умеренно- и малоемкие. Ориентировочно емкость радиальных барьеров определяется по мощности горизонтов, составу и содержанию органических веществ (например, гумусового), по содержанию каких-либо компонентов твердой фазы почв (илистых фракций, поглощенного Na+, CaCO₃ и т.д.). Например, емкость карбонатного барьера зависит от количества карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки; емкость сорбционных барьеров обусловлена величиной емкости поглощения. Высокоемкие барьеры задерживают большие количества мигрантов либо сорбируют вещества с большими молекулярными массами. Примерами подобных барьеров могут служить органические (торфяные) горизонты болотных почв. Малоемкие барьеры, например, лесные подстилки и/или грубогумусовые горизонты подзолов, способны удержать небольшое количество загрязнителей.

Наличие в почвах геохимических барьеров, с одной стороны, увеличивает геохимическую устойчивость почв, так как способствует переходу элементов-загрязнителей в малоподвижные и, соответственно, менее доступные для растений формы. С другой стороны, накопление техногенных веществ повышает уровень содержания токсичных элементов и может превратить почвы в «химические бомбы замедленного действия».

Кроме понятия геохимического барьера введено понятие геохимического стартера — т.е. совокупности факторов, способствующих увеличению подвижности элементов и их мобилизации, вовлечению в миграционные потоки и в биологический круговорот [50]. Многие почвенные горизонты, представляя собой геохимические барьеры для какой-либо одной ассоциации элементов, являются горизонтами-стартерами для другой группы. Например, в глеевых и оглеенных горизонтах различных почв формируется глеевый барьер, на котором накапливаются элементы, миграционная способность которых в восстановительных условиях понижена, в частности, Pb, Cu, Zn, Co, Cd. В то же время, это стартер для элементов Fe²⁺, Mn, Cr.

Представленные на рисунках схемы почвенно-геохимических обстановок и сочетаний геохимических барьеров в наиболее распространенных почвах России наглядно иллюстрируют разнообразие этих параметров и могут быть использованы при эколого-геохимическом картографировании.

М.А. Глазовская, М.Д. Богданова