Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Трансформация соединений кобальта в почвах при различных условиях увлажнения и внесения органического вещества

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация соединений кобальта в почвах при различных условиях увлажнения и внесения органического вещества"

на правах рукописи

, О ,лу

Г ^

САВЕЛЬЕВА Вера Александровна

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ КОБАЛЬТА В ПОЧВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ УВЛАЖНЕНИЯ И ВНЕСЕНИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

03.00.27. почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова.

Научный руководитель:

кандидат биологических наук с.н.с. И.О.Плеханова

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук А.И.Карпухин

Кандидат биологических наук Ю.Н.Зборищук

Ведущее учреждение Почвенный институт им. В.В.Докучаева

Защита состоится « г. в 15 часов 30 мин. В ауд. М-2

на заседании диссертационного Совета К053.05.16 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова, адрес: Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан « ^ » Л^-^у^ 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета д.б.н. Мотузова Г.В.

Актуальность проблемы. В настоящее время загрязнение окружающей среды принимает глобальный характер и рост концентраций элементов превращает их из микроэлементов, необходимых живым организмам, в токсиканты, вызывающие нарушение функционирования экосистем и снижение их продуктивности. В связи с этим особенно важно изучение закономерностей, определяющих состояние и поведение микроэлементов в почвах при различных физико-химических условиях. Загрязнение почв кобальтом происходит под влиянием предприятий рудоперерабатывающей промышленности, транспорта, при внесении твердых осадков сточных вод. (Ильин, 1991; Махонина, 1987). Повышенное содержание кобальта в почвах районов, прилежащих к предприятиям, а также в районах естественных биогеохимических аномалий приводит к различным патологиям развития растений, например, многоцветковости, межжилковому хлорозу, угнетенности роста. По уровню фитотоксичности кобальт занимает третье место среди металлов после кадмия и меди (Katagishi, Yamane, 1981). Поэтому кобальт является опасным загрязнителем, несмотря на то, что он, как правило, не поступает в больших количествах в окружающую среду. (Adriano, 1986; Доминго, 1993). Сведения о том, в каюк количествах кобальт может поступать в растения при его повышенном содержании в почве крайне немногочисленны. Вероятно, с этим связано и отсутствие ПДК кобальта в почвах России. Слабо изучены пути восстановления плодородия почв, загрязненных кобальтом и влияние различных мелиорантов на состояние элемента в системе почва-растение.

Кобальт является металлом с переменной валентностью, следовательно, jго поведение в почвах зависит от окислительно - восстановительных условий. 3 почве кобальт поглощается преимущественно оксидами железа и марганца, грансформация которых, в свою очередь, зависит от окислительно-юсстановительного режима почв (Кауричев, Орлов, 1982). В настоящее время

нет данных о влиянии окислительно-восстановительного режима на трансформацию соединений кобальта. Противоречивы сведения о том, какие почвенные компоненты оказывают приоритетное влияние на подвижность кобальта.

Цель работы заключается в исследовании влияния физико-химических условий на трансформацию соединений кобальта в почвах и воздействия повышенного содержания кобальта в почвах на растения и некоторые показатели функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Основные задачи исследования:

1. Исследовать влияние условий увлажнения почв на трансформацию соединений кобальта в серой лесной и дерново-подзолистой почвах.

2. Оценить влияние торфа и глюкозы на групповой состав соединений кобальта..Изучить влияние различных мелиорантов (извести, торфа и цеолита) на подвижность кобальта при его повышенном содержании в почве.

3. Изучить влияние повышенных концентраций кобальта в почвах на его подвижность, состояние в системе почва-растение и активность азотфиксации.

Научная новизна. Получены новые сведения о состоянии кобальта в серой лесной и дерново-подзолистой почвах, формах соединений и их трансформации в условиях избыточного увлажнения. Показано влияние органического вещества на развитие окислительно-восстановительных процессов и трансформацию соединений кобальта, железа и марганца в переувлажненных почвах. Впервые представлены данные о влиянии мелиорантов на подвижность соединений кобальта и состоянии элемента в системе почва-растение, выявлены критические концентрации кобальта в дерново-подзолистой почве, приводящие к избыточному поступлению его в растения (выше ПДК).

Практическая значимость работы заключается в получении экспериментальных данных для разработки теоретически обоснованной

системы мероприятий по повышению устойчивости почв и растений к загрязнению кобальтом. Показана необходимость учета режима увлажнения при оценке уровня загрязнения почв кобальтом. Данные, полученные при анализе фракционного состава кобальта в почвах, позволят оценить роль отдельных почвенных компонентов в связывании кобальта при его техногенном поступлении в почву.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции аспирантов и студентов по фундаментальным наукам " Ломоносов -97" (1997), а также на заседаниии кафедры химии почв факультета Почвоведения МГУ.

Объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, включает 11 таблиц, 26 рисунков, 1 фото; состоит из введения, 4 глав и выводов. Список литературы включает 152 наименования на русском и английском языках. Приложение содержит 25 таблиц.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 3 работы.

Объекты и методы исследования.

1. Модельный опыт. Исследования проводили в лабораторных условиях на дерново-подзолистой среднесуглинистой слабоокультуренной (горизонт Апах, Московская область) и серой лесной среднесуглинистой почвах (горизонт Аь Тульская область) при двух режимах увлажнения: 100 и 60% полной полевой влагоемкости (ППВ) в трехкратной повторности. Химическая характеристика почв представлена в таблице 1. Кобальт вносили в почву из расчета 0,84 ммоль (50 мг) на 1 кг воздушно-сухой почвы в виде водного раствора СоБО^. Почвы инкубировали в термостате при температуре 28°С в течение 30 сут. В ходе опыта контролировали уровень влажности, рН, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) на 1, 3, 5, 7, 10 сут. инкубирования и

далее - каждые 5 сут. рН и ОВП определяли потенциометрически. Определение рН проводили в водной суспензии при соотношении почва : раствор равном 1 : 2,5 с помощью иономера рН-150. Пробы почв для определения группового состава соединений кобальта отбирали на 7, 15, 30 сут. инкубирования и из сухих образцов. Почвенные вытяжки для определения форм соединений Со, Fe Таблица 1. Некоторые показатели химических и физико-химических

свойств почв модельного опыта до инкубирования.

Почва Fe (ммоль/кг)

рНнго рНка Гидро-питич. кислот ность ЕКО Сорг. (%) Со (ммопь / КГ) силикатное несиликатное

1* 2**

Серая лесная 6,9 6,1 2,1 18,0 2,67 0,05 36 15 17

Дерново-подзолистая 5,9 5,0 4,0 12,0 0,95 0,10 40 20 21

*1 -аморфные соединения Ре ** 2-окристаллизованные соединения Ре

и Мп подбирали с учетом прочности связи элементов с почвенными компонентами. Трансформация соединений кобальта в почвах тесно связана с трансформацией соединений железа, поэтому основой для определения

группового состава элементов была применена схема определения железа в почвах (Зонн, 1982). В опытах определяли следующие формы соединений элементов: растворимые в воде, обменные (вытяжка 1н Са(ЫОз)2), подвижные, (вытяжка CH3COONH4 с рН=4,8), связанные с органическим веществом (вытяжка CH3COONH4 с рН=4,8 после обработки почвы 30% р-ром Н2О2 при 85° С), связанные с аморфными гидроксидами железа (вытяжка Тамма), связанные с окристаллизованными гидроксидами железа (вытяжка Тамма с облучением почвенной суспензии ультрафиолетом) (Le Rihce, Weir, 1981), валовое содержание Со, Fe и Мп (разложение почвы смесью концентрированных кислот : НС1, HN03 , HF с последующим растворением осадка в 1н HNO3 (Обухов, Плеханова, 1992).

В вытяжках определяли содержание кобальта, железа и марганца. Анализ проб проводили методом атомно-абсорбционного спектрального анализа на приборе фирмы Perkin-Elmer 403. Для устранения неселективного поглощения при определении кобальта использовали дейгериевый корректор фона.

На 1, 5, 7, 15 и 30 сут. в опытных образцах почв определяли эмиссию СОг из инкубационных сосудов на хроматографе 3700 (длина колонок Зм, наполнитель-полисорб, скорость истечения 25 мл/с).

Опыты проводили . в 3 повторностях, результаты обрабатывали статистически по общепринятым методам (Дмитриев, 1995), для 5% уровня значимости с помощью пакета Excel.5.

2. Вегетационный опыт. Изучение влияния загрязнения почв кобальтом на его подвижность и поступление в растения, а также возможность детоксикации загрязненных почв с помощью мелиорантов проводили в условиях вегетационного опыта на дерново-подзолистой среднесуглинистой слабоокультуренной почве (табл.2). Опыты проводили в вегетационных сосудах вместимостью 1 кг в трехкратной повторности. В почвы вносили кобальт в виде водного раствора C0SO4 из расчета 25, 50, 100, 250, 500 мг/кг. Подготовленные

к опытам почвы инкубировали в течение 2 недель при влажности 60% ППВ. В каждом сосуде после появления всходов оставляли 7 растений. Проростки овса и кукурузы убирали на 30 сут. после появления всходов. Одновременно отбирали пробы почв для исследования форм соединений кобальта. Сразу после уборки растения были взвешены, промыты дистиллированной водой и высушены при температуре 80° С. Подготовку растительного материала к анализу проводили методом сухого озоления и переведения золы в раствор 0,5 н раствором азотной кислоты (Обухов, Плеханова, 1992).

Таблица 2. Химические и физико-химические свойства почвы вегетационного

опыта.

Почва рНнгО РНкС! Гидро-литич. кислотность ЕКО Сорг. (%)

мг-экв/1 ООг

Дерново-подзолистая окультуренная 5,9 5,0 4,0 13 0,95

ДПО+СаСОз 6,9 6,1 3,13 16,5 0,95

ДПО+СаСо3+ торф 6,9 6,1 3,6 17,8 1,40

ДПО+цеолит 6,4 5,4 3,9 13,5 0,92

Для характеристики подвижности кобальта в почвах определяли содержание элемента в водной вытяжке, обменные формы (в 1 н Са(1\'03)2 ) и запас подвижных форм соединений Со (СНзСООИН) с рН=4,8). Все вытяжки готовили при соотношении почва - раствор 1:10. Водную вытяжку для анализа предварительно концентрировали в 40 раз.

Влияние повышенных доз кобальта в почве на азотфиксирующую способность было исследовано ацетиленовым методом (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1990). Влияние кобальта на процесс азотфиксации определяли при внесении его в почву в виде раствора соли СоБО^ в дозах 50,100,250,500 и 1000 мг/кг воздушно сухой почвы.

1 .Окислительно-восстановительные процессы в почвах модельного опыта.

В результате инкубирования увлажненных почв произошло снижение ОВП (рис.1). На третьи сутки после увлажнения почвы ОВП снизился на 200-300 мВ в образцах, увлажненных до 100% 1111В и на 50-100 мВ в образцах, увлажненных до 60% ППВ. Снижение ОВП связано с развитием восстановительных процессов в почвах в результате переувлажнения, поэтому чем больше степень увлажнения, тем более низкие значения ОВП были отмечены.

В ходе опыта наблюдалось повышение эмиссии СОг, которое совпадает по времени со снижением ОВП и идет интенсивнее при влажности 100 % ППВ (рис.1).

Внесение в почву органического вещества привело к дополнительному снижению ОВП. При внесении торфа в почвы опыта уровень ОВП дополнительно снизился на 50-70 мВ, а при внесении глюкозы - на 100 мВ по сравнению с контролем. Интенсивность эмиссии СО2 при внесении глюкозы была в 3 раза выше по сравнению с контрольными вариантами.

Уровень ОВП серой лесной почвы был выше, чем дерново-подзолистой почвы в среднем на 100 мВ (рис.1). Это связано, по-видимому, с различием в составе органического вещества и доступности его для микроорганизмов. В дерново-подзолистой почве большая часть органического вещества является лабильной, то есть более доступной для микроорганизмов. В результате чего интенсивность развития восстановительных процессов, в значительной мере

определяемая активностью микроорганизмов, была выше в дерново-подзолистой почве.

2. Кислотно-основные свойства почв модельного опыта.

В ходе инкубирования наблюдали увеличение рН исследованных почв (рис.2). Наибольшие изменения рН были отмечены в образцах, увлажненных до 100% ППВ. Повышение рН происходит благодаря протеканию в почве восстановительных реакций. Восстановление многих элементов сопровождается поглощением иона водорода и накоплением соединений с более выраженными основными свойствами: ЫОз (р) —> ИгСгаз), Мп4+—> Мп2+, Ре3+—>Ре2+ БОд2"—» Б2". Поэтому, чем выше степень увлажнения, тем интенсивнее протекают восстановительные процессы и тем выше значения рН.

В вариантах с внесением глюкозы и торфа рН повысился в меньшей степени, чем в контрольных образцах, что связано, по-видимому, с деятельностью почвенных микроорганизмов, активное развитие которых было вызвано внесением органического вещества. Выделение микробных метаболитов, в составе которых много органических кислот, способствует снижению рН (Роппашрегита,1972).

3. Динамика содержания растворимых в воде форм соединений кобальта, железа и марганца в почвах модельного опыта.

В процессе инкубирования происходило увеличение концентрации кобальта, железа и марганца в водных вытяжках из почв (рис.3,4,5). Концентрации элементов были выше при влажности 100% ППВ, чем при влажности 60% ППВ, поскольку в этом случае наблюдались и минимальные значения ОВП. Содержание кобальта в водной вытяжке из дерново-подзолистой почвы при влажности 100% ППВ увеличилось в 3 раза, а в серой лесной почве - в 2 раза. Внесение торфа привело к снижению содержания кобальта в водной вытяжке в 2 раза по сравнению с контролем.

дерново-подзолистая почва

7с 10с 15с 20с 25с 30с

время, сутки

серая лесная почва

о о

7с 10с 15с 20с

время,сутки

дерново-подзолистая почва+торф

серая лесная почва+торф

7с 10с 15с 20с 25с 30с

время, сутки

10с 15с 20с 25с

время, сутаи

жнгихиилая го юа+пкква

серя лесная почв^ ппкшза

2X0 15^0:

1чс Зс 7с 10; 15с 20с 25с 30с

время, суши

1чзс Зс

10: 15с 20; 25с 30:

сутки

Рис.1 Динамика ОВП и эмиссия СО^ почвами опыта.

ОВП----влажность 100% ППВ;- влажность 60% ППВ

Р С02 мг С/ г -о«-о- -влажность 100% ППВ; влажность 60% ППВ

дерново-подзолистая почва

6,6, 6,4 -6.2 б -

X

5.8

5.6 • 5,4 ■

5,2

1час 3 7 10 15 20 25 30

время,сутки

серая лесная почва

7 6.8 6.6 £ М + 6,2-6

5,8

1час 7 15 25

время,сутки

дерново-подзолистая почва+торф

серая лесная почва

время, сутки

время,сутки

дерново-подзолистая почва+глюкоза

серая лесная почва+глюкоза

х

о.

7 у 6,8 6.66.4 4' 6,2

время,сутки

1час 7 15 25

время,сутки

Рисунок 2. Изменение рН почв опыта при инкубировании. ----влажность 100% ППВ; - влажность 60% ППВ

Вероятно, это связано с высокой поглотительной способностью органического вещества по отношению к кобальту (Орлов, Ерошичева, 1967; Мс.Ьагеп, 1986,). Внесение торфа в меньшей степени повлияло на содержание железа и марганца в водных вытяжках, чем на содержание кобальта (рис.4,5), поскольку органическое вещество обладает большей селективностью по отношению к кобальту, чем к железу и марганцу (Мс Кегше, 1970).

В вариантах опыта с внесением глюкозы отмечены самые низкие значения ОВП, однако содержание элементов в водных вытяжках не значительно ниже, чем в контрольных образцах, а содержание Со и Мп в водной вытяжке из почв с глюкозой даже ниже, чем в контрольных образцах. Возможно, это связано с поглощением элементов из раствора клетками микроорганизмов, которые активно развивались при добавлении глюкозы. Содержание элементов в водных вытяжках из дерново-подзолистой почвы выше, чем в вытяжках из серой лесной почвы. Это связано, с одной стороны, с более низкими значениями ОВП для дерново-подзолистой почвы. С другой стороны, содержание органического вещества выше в серой лесной почве, причем в его составе больше доля гумнновых кислот. Поэтому кобальт, железо и марганец будут сильнее удерживаться нерастворимым органическим веществом в серой лесной почве, поскольку устойчивость комплексных соединений этих элементов с гуминовой кислотой выше, чем устойчивость их фульватных комплексов (Орлов, 1992).

4.Динамика содержания обменных форм соединений кобальта, железа и марганца в почвах модельного опыта.

В ходе инкубирования содержание обменных форм соединений кобальта в почвах увеличилось примерно в 4 раза (рис.6). Наиболее высокое содержание обменного кобальта наблюдается в контрольных образцах дерново-подзолистой почвы при влажности 100% ППВ. Процесс увлажнения почвы сопровождается переходом окристаллизованных соединений железа и марганца в аморфные.

Снижение степени окристаллизованносги и увеличение дисперсности гидроксидов при их восстановлении приводит к значительному увеличению числа позиций, по которым может происходить обмен кобальта, поглощенного оксидами на катионы взаимодействующего с почвой раствора (McKenzie, 1970; Jarvis,1984). Увеличение содержания обменного кобальта происходит также в результате снятия оксидных пленок, блокирующих выход ионов из межпакетных промежутков глинистых минералов. При внесении торфа количество обменных форм соединений кобальта снизилось по сравнению с контролем за счет образования устойчивых комплексных соединений Со с органическим веществом.

5. Динамика содержания кобальта, связанного с органическим веществом, в почвах опыта. В результате инкубирования почв содержание соединений кобальта, связанного с органическим веществом возросло во всех вариантах опыта (рис.7). Известно, что кобальт обладает высокой способностью образовывать комплексные соединения с гуминовыми и фульвокислотами (Агапов, 1966, Орлов, 1990). Количество кобальта, связанного с органическим веществом в образцах серой лесной почвы, было примерно в 2 раза выше, чем в образцах дерново - подзолистой почвы, вероятно потому, что серая лесная почва содержит больше органического вещества, чем дерново-подзолистая. При этом наибольшее количество кобальта было связано с органическим веществом при внесении торфа, как для серой лесной, так и для дерново-подзолистой почвы.

6. Трансформация соединений кобальта, связанных с аморфными и окристаллизованными соединениями железа и марганца в почвах модельного опыта. В результате инкубирования увеличилось содержание аморфных соединений железа и марганца и связанных с ними соединений кобальта (рис.7).

дерново-подзолистая почва

о,ооб т

л

О 0.004-

2 О

о

0,0021 0

Сухие

7 15

время,сутки

30

серая лесная почва

д с; О 5 5 О О

0,005 0,004 О.ООЗ 0,002 0,001 0

Сухие

15

30

время,сутки

дерново-подзолистая почва+торф

серая лесная почва+торф

¡9 0,004-

5 О" О

0.002

с; о 5 5 о" О

0,004

0,002

Суме

7 15

время,сутки

30

Сухие

15

30

время,сутки

дерново-подзолистая почва+глюкоза

серая лесная почва+глюкоза

Сухие 7 15

время.сутки

0,005 с 0,004 О 0,003 5 0,002 ^ 0,001

8 0

Суэяе

15

время,сутки

—I 30

Рисунок 3. Динамика содержания растворимых в воде форм соединений кобальта в почвах опыта при инкубировании. ---влажность 100% ППВ; - влажность 60% ППВ.

дерново-подзолистая почва

0,0020

0,0015 - -

с

2 0,0010 ■■ г

с" 0,0005 .

0,0000

сухие 7 15

время,сутки

30

серая лесная почва

0,0020

0,0015-

§ 0,0010 5

С 0,0005

0.0000

сухие 7 15 30

время .сутки

дерново-подзолистая почва+торф

0,0020 0,0015 0,0010 - ■ 0,0005 • ■ 0,0000

серая лесная почва+торф

0,0020

•5 0,0015 -с;

| 0,0010 5

с" 0,0005-

0,0000

сухие

7 15

врем я,сутки

30

сухие 7 15 30

в рем я,су тки

дерново-подзолистая почва+глюкоза

серая лесная почва+глюкоза

0,0020 т "2 0,0015 § 0,0010 - • § 0,0005 0,0000

0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 ■ 0,0000

сухие

7 15

в рем я,сутки

30

сухие 7 15

время,сутки

30

Рисунок 4. Динамика содержания растворимых в воде форм соединений марганца в почвах опыта при инкубировании. ------влажность 100% ППВ;- влажность 60% ППВ.

дерново-подзолистая почва

0,0080 -г

-3 0,0060 - • с;

§ 0.0040

щ" 0,0020 О.

0,0000

сухие 7 15

время.сутки

30

серая лесная почва

о

0.0080

0,0060

_ 0,0040 5

<ц 0.0020 11.

0,0000

сухие 7

15

время,сутки

30

дерново-подзолистая почва+торф

серая лесная почва+торф

0,0080 -г

■3 0,0060 - • р

I 0,0040 - ■

Л 0,0020 -

0,0000

0,0080

I_

"2 0,0060 с;

| 0,0040 5

ш" 0,0020

сухие 7 15

время,сутки

зо

0,0000

сухие 7

15 30

время, сутки

дерново-подзолистая почва+глюкоза

0,0080 ■

0,0040 • ■

ТВ 0,0060 с; о

Ф" 0,0020 0,0000

серая лесная почва+глюкоза

с

| 0,0040 2

03" 0,0020

и.

0,0000

сухие 7 15

время, сутки

30

сухие 7 15 30

время,сутки

Рисунок 5. Динамика содержания растворимых в воде форм соединений железа в почвах опыта при инкубировании ______ влажность 100% ППВ; _ влажность 60% ППВ

дерново-подзолистая почва

£ 0.4,

"¡2 о.з. §0.2-5.0,,.

О -—

О О--

Сухие

7суг 15суг

время.сутки

ЗОсут

серая лесная почва

0.4 0.30,2

Ч 0,18 о]

Сухие

7сут 15сут

время.сутки

ЗОсуг

L.

с; о 2 5 о" О

дерново-подзолистая почва+торф

серая лесная почва+торф

Сухие 7суг 15суг ЗОсуг

время,с/тки

Ji 0,4

с; 0,3-

о ? 0.2-

S 0,1 -

О о4

О Сухие

7сут 15сут

время.сутки

Хсут

дерновоподзолистая почва+глюкоза

.о с; о 5 5 о" О

Сухие 7суг 15сут ЗОсу;

время,сутки

X.

с; о 5 5 о" О

оерая лесная почва+глюкоза

0,4 0,3 0,2 0,1 о

Сухие

7сут 15сут

время.сутки

ЗОсут

Рисунок 6. Содержание обменных форм соединений кобальта в почвах во время инкубирования. ---влажность 100% ППВ; - влажность 60% ППВ.

Этот процесс проходил интенсивнее в вариантах с дерново-подзолистой почвой и более высокой влажностью. По-видимому, при снижении ОВП происходило превращение окристаллизованных соединений железа и марганца в аморфные, что сопровождалось высвобождением кобальта. В вариантах опыта с внесением торфа содержание аморфных соединений железа было выше, чем в контрольных образцах вследствие более интенсивного развития восстановительных процессов. Известно, что в условиях повышенного увлажнения процесс кристаллизации затруднен в присутствии органического вещества, которое препятствует кристаллизации аморфных окислов и гидроокислов, адсорбируясь на их поверхности (Дегтярева, 1983). Коэффициенты корреляции между уровнями содержания аморфных соединений железа и связанных с ними форм соединений кобальта достаточно высоки (0,80,9). Таким образом, результаты опытов указывают, что трансформация соединений кобальта в почвах тесно связана с трансформацией соединений железа.

7. Изменение содержания кобальта в остаточной фракции в ходе инкубирования.

В ходе опыта отмечено снижение содержания кобальта в остаточной фракции почв, которое было более значительно для дерново-подзолистой почвы, чем для серой лесной (рис.7).

Для всех вариантов опыта характерно более низкое содержание кобальта в остаточной фракции почв после инкубирования при влажности 100% ППВ. Внесение глюкозы привело к дополнительному снижению содержания кобальта в остаточной фракции. Высвобождение кобальта из остаточной фракции происходило, вероятно за счет разрушения почвенных минералов в восстановительных условиях, а также за счет снятия защитных пленок с поверхностей силикатных частиц и агрегатов.

дерново-подзолистая почва

0,3 1 & 0,25 -

Сухие

7сут

15сут

30 сут

серая лесная почва

л с; о

О О

0,35 0,30,25 -0,20,15 -0,1 -0,05 -0 -

Сухие

7 сут

15 сут

30 сут

Рисунок 7. Изменение группового состава соединений кобальта в контрольных образцах почв в результате инкубирования при влажности 100% ППВ.

А - обменные формы соединений Со; В - связанные с органическим веществом; С - связанные с аморфными соединениям Ре; Б - связанные с окристаллизованными соединениями Ре; Е - в остаточной фракции.

8.Влияние мелиорантов на состояние Со в почве и его поступление в растения.

Действие повышенного содержания кобальта в почве начало проявляться непосредственно на первом этапе развития растений. Всхожесть семян овса и кукурузы достоверно снизилась на 10-15 % при дозе кобальта 100 мг/кг и на 20-25% при дозах 250 и 500 мг/кг на почве без мелиорантов со слабокислой реакцией. На более поздних этапах развития токсический эффект кобальта проявлялся в отставании растений в росте. К окончанию 30 - дневного срока отставание растений в росте проявилось уже при дозе 50 мг/кг. Признаки межжилкового хлороза наблюдали у растений при дозах 250 и 500 мг/кг. Как показали результаты опыта, состояние кобальта в почве подвергалось значительным преобразованиям. Несмотря на то, что элемент был внесен в почву в виде растворимой соли, доля водорастворимого кобальта в почве была невелика и составляла 0,2-1,9 % в зависимости от дозы. При загрязнении почв кобальтом содержание наиболее подвижных фракций: водорастворимых, обменных и запаса подвижных форм соединений возрастает значительно интенсивнее, чем увеличивается общее содержание Со в почве (табл. 3). Например, в контрольном варианте при дозе Со 500 мг/кг, общее содержание элемента увеличилось в 100 раз, а водорастворимых, обменных и подвижных форм соединений в 100, 271 и 475 раз соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о том, что подвижные формы соединений ТМ являются более чувствительным и информативным показателем уровня загрязнения почв, чем общее содержание элементов (Обухов, Ефремова, 1988). Внесение мелиорантов способствовало более прочному закреплению кобальта в почве. При внесении в почву извести и минеральных удобрений содержание кобальта в водной вытяжке снизилось на 50% по сравнению с контрольным вариантом. Внесение извести и торфа в сочетании с минеральными удобрениями, а также цеолита

привело к снижению содержания кобальта в водной вытяжке на 40 и 20 % соответственно.

Содержание обменных форм соединений кобальта также свидетельствует о прочной фиксации этого элемента в почве. В раствор нейтральной соли из почвы контрольного варианта переходит от 16 до 42 % от внесенного кобальта. Внесение мелиорантов значительно снижает количество обменного кобальта, переходящего в раствор Са(Ж)з)2, например, применение извести в сочетании с торфом снизило содержание обменного кобальта на 80-90% по сравнению с контрольным вариантом, известкование - на 48-80%, а внесение цеолита - на 1020 %.

Содержание более прочно связанных форм соединений кобальта, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8, составило 40-76 % от его количества, внесенного в почву. При известковании количество подвижного кобальта снизилось на 40-50 % по сравнению с контрольным вариантом. При внесении извести в сочетании с торфом произошло уменьшение содержания подвижного кобальта на 40-60%, а применение цеолита снизило содержание подвижного кобальта на 10-20 % по сравнению с контрольным вариантом. Снижение содержания форм соединений кобальта, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором, при внесении мелиорантов произошло за счет образования более устойчивых соединений.

Результаты наших исследований показали, что кобальт может накапливаться в растениях в количествах до 200 мг/кг сухого вещества. В слабокислой дерново-подзолистой почве без мелиорантов защитные механизмы растений препятствуют избыточному поступлению кобальта в биомассу ячменя и кукурузы до тех пор, пока содержание этого элемента в почве не превышает 50 мг/кг. При внесении мелиорантов этот порог значительно повышается, что свидетельствует об увеличении адаптационных возможностей растений при

Таблица 3. Влияние мелиорантов на состояние кобальта в системе почва- растение при _внесении его в дерново-подзолистую почву в виде растворимой соли._

Доза , Со(мг/кг) Содержание в вытяжках из почвы Н20 Са(МОзЬ СНзСООМН« Содержание в биомассе (мг/кг возд.сухой массы)

1 I 2 | 1 | 2 I 1 I 2 овса | кукурузы

Контроль - без мелиорантов

0 0,1 3,4 0,7 14,0 0,8 16,0 0,1 0,6

25 0,5 1,8 5,9 16,0 10,1 40,4 0,8 0,9

50 1,2 2,3 14,5 29,0 25,5 51,0 5,6 5,1

100 4,0 3,9 40,0 40,0 68,0 68,0 53,0 60,0

250 7,0 2,8 107,0 42,8 149,0 59,6 168,0 180,0

500 9,5 1,9 190.0 38,0 380,0 76,0 200,0 210,0

ЫРК+ известь

0 0,1 3,4 0,5 10,0 0,6 12,0 0,1 0,4

25 0,2 0,7 1,2 4,8 5,6 22,4 0,7 0,8

50 0,8 1,5 2,2 4,4 12,0 24,0 2,9 3,0

100 2,0 1,9 5,1 5,1 32,0 32,0 4,0 4,6

250 1,8 0,7 17,0 6,8 76,0 30,4 5,6 9,2

500 4,8 0,9 100,0 20,0 200,0 40,0 17,5 20,1

ЫРК+известь + торф

0 0,1 3,4 0,5 10,0 0,7 14,0 0,5 0,6

25 0,2 0,7 0.9 3,6 6,8 27,2 1.0 1,1

50 0,6 1,1 1,6 3,2 11,0 22,0 1,2 1,9

100 1,0 0,8 3,4 3,4 25,5 25,5 7,1 9,0

250 1.3 0,5 14,0 5,6 70,0 28,0 6,4 10,5

500 1,5 0,3 39,0 7,8 170,0 34,0 17,4 20,0

цеолит

0 0,1 3,4 0,6 11,0 0,7 14,0 0,7 0,6

25 0,2 0,7 5,2 20,8 7,8 31,2 1,2 1,0

50 0,9 1,7 14,2 28,4 20,0 40,0 4,6 5,3

100 2,0 1,9 33,0 33,0 52,0 52,0 17,2 19,9

250 4,7 1,9 96,0 38,4 140,0 56,0 138,0 150,0

500 6,0 1,2 171,0 34,2 370,0 74,0 150,0 180,0

1- Содержание кобальта в почве (мг/кг)

2- Содержание кобальта в почве (% от валового)

оптимизации условий их роста, а также о том, что для растений более важным является подвижность ТМ, а не его общее содержание. Содержание кобальта в растениях, у которых начали проявляться признаки угнетенности росса, составило 5,6-7,1 мг/кг сухого вещества для овса и кукурузы соответственно. При известковании поступление кобальта в растения снижалось в 2-10 раз, наименее эффективным оказалось внесение цеолита (табл.3).

Для обоснования предельно допустимого уровня загрязнения почв предложены основные показатели, определяемые экспериментально: количество и качество биологической продукции, транслокационный показатель, характеризующий переход загрязняющих веществ из почвы в растения миграционный (водный и воздушный) и микробиологический (Гончарук, Сидоренко, 1986). На основании экспериментальных данных устанавливается лимитирующий показатель и по нему - предельно допустимый уровень состояния почв.

Для определения транслокационного показателя мы опирались на наиболее жесткий норматив содержания кобальта в растениях - 5 мг/кг сухой массы. Содержание элемента в растениях превышает нормативный уровень при дозе Со в почве 50 мг/кг на слабокислой почве и при дозе 100 мг/кг - на нейтральной почве с повышенным содержанием органического вещества. При дозе 25 мг/кг на кислой почве и 50 мг/кг на нейтральной почве содержание его в растениях значительно ниже критического уровня.

Определение миграционно-водного показателя и оценку возможности поступления кобальта из загрязненных почв в поверхностные или почвенно-грунтовые воды проводили по результатам анализа водной вытяжки из почв. Естественный уровень содержания растворимых в воде форм соединений кобальта очень невысок. Для контрольных вариантов он был ниже 0,1 мг/кг. Внесение в почву кобальта в виде хорошо растворимой соли привело к некоторому повышению этих значений (табл. 3). Загрязнение поверхностных и

почвенно - грунтовых вод кобальтом из дерново - подзолистой почвы выше предельно допустимого уровня (ПДК Со для вод 0,1мг/л) может происходить при содержании в ней кобальта более 55 мг/кг на слабокислой почве и 100 мг/кг на нейтральной почве, т.е. более высоком, чем определено по транслокационному показателю.

9.Влияние повышенного содержания кобальта в почве на активность почвенных микроорганизмов.

Исследования, проведенные на дерново-подзолистой слабоокультуренной почве с различным содержанием кобальта показали, что при дозе Со 50 мг/кг интенсивность азотфиксации увеличивалась, внесение в почву кобальта в количестве 100-250 мг/кг не привело к достоверному изменению интенсивности азотфиксации (табл.4).

Таблица 4. Влияние кобальта на активность азотфиксации.

Вариант ПАФ мг Иг/кг/ч * Ю-5 а=0,95 п=3

контроль 28,02

50 мг/кг 74,08

100 мг/кг 27,71

250 мг/кг 25,28

500 мг/кг 16,39

1000 мг/кг 5.33

Содержание кобальта в количестве 500 - 1000 мг/кг привело к снижению азотфиксации в 2 и 6 раз соответственно. Таким образом, интенсивность азотфиксации показала, что для почвенных микроорганизмов токсичным является содержание кобальта 500 мг/кг в дерново-подзолистой среднесуглинистой слабоокультуренной почве.

Выводы:

1. В результате переувлажнения почв наблюдалось увеличение эмиссии СОг, которое при влажности 100% 111Ш было на 10-40% выше, чем при влажности 60% ППВ и происходило одновременно со снижением ОВП.

2. При близких уровнях влажности значения окислительно-восстановительного потенциала в дерново-подзолистой почве были на 100 мВ ниже, а эмиссия СО2 на 20% выше, чем в серой лесной почве, в результате более высокой лабильности и доступности для микроорганизмов органического вещества дерново-подзолистой почвы. Внесение глюкозы стимулирует развитие почвенных микроорганизмов и способствует снижению окислительно-восстановительного потенциала на 100 мВ по сравнению с контрольными вариантами.

3. В результате переувлажнения в почвах увеличилось содержание растворимых в воде - от 0,02 до 0,06 ммоль/кг, обменных - от 0,05 до 0,25 ммоль/кг, связанных с органическим веществом - от 0,03 до 0,8 ммоль/кг, связанных с аморфными соединениями железа от 0,08 до 0,25 ммоль/кг форм соединений кобальта. При этом снизилось содержание кобальта, связанного с окристаллизованными соединениями железа и содержание элемента в остаточной фракции. То есть, в почвах с повышенным содержанием кобальта в результате избыточного увлажнения значительно возрастает доля подвижных форм соединений, в связи с чем происходит увеличение его миграционной способности. Это означает, что в условиях увлажнения почв увеличивается вероятность миграции соединений кобальта в сопредельные среды в количествах, превышающих критические.

4. Внесение в почвы органического вещества вызывает более глубокую трансформацию соединений кобальта в почве и способствует процессам изменения группового состава соединений кобальта. Показано, что внесение в дерново-подзолистую почву торфа или глюкозы привело к дополнительному

увеличению содержания Со во фракциях обменных (на 0,1 м моль/кг), связанных с органическим веществом (на 0,1 ммоль/кг), связанных с аморфными соединениями железа (на 0,05 ммоль/кг)

5. Процессы изменения группового состава соединений кобальта в дерново-подзолистой почве протекают интенсивнее, чем в серой лесной вследствие более высокой лабильности органического вещества дерново-подзолистой почвы и более значительного снижения в ней ОВП.

6. Повышенное содержание кобальта в почве может приводить к поступлению элемента в растения в количествах, превышающих предельно допустимую концентрацию при содержании Со в дерново-подзолистой почве 50 мг/кг ; снижение активности азотфиксации наблюдается при содержании кобальта в почве в количестве более 500 мг/кг.

7. Внесение в загрязненную кобальтом, почву мелиорантов снижало содержание растворимых в воде форм соединений кобальта на 20-50%, обменных на 20-80%, запаса подвижных форм - на 10-40% по сравнению с контролем, поступление элемента в растения снижалось на 87% по сравнению с контролем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Плеханова И.О., Савельева В.А. "Влияние мелиорантов на состояние кобальта в почве и его поступление в растения" , "Агрохимия"Ы8,1997, с.68-71.

2. Савельева В.А. "Трансформация соединений кобальта в почвах при увлажнении". Тезисы докладов Международной конференции аспирантов и студентов " Ломоносов-97", 1997, с.

3. Плеханова И.О., Савельева В.А. "Трансформация соединений кобальта в почвах при увлажнении". Почвоведение, 1989. Принято к печати.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Савельева, Вера Александровна, Москва

// ~ ✓

/

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В .ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

САВЕЛЬЕВА ВЕРА АЛЕКСАНДРОВНА

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ КОБАЛЬТА В ПОЧВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ УВЛАЖНЕНИЯ И ВНЕСЕНИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

специальность 03.00.27. - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук с.н.с. И.О.Плеханова

Москва -1998

Содержание:

1 .Введение....................................................................................................................3

2. Обзор литературы.....................................................................................................7

2.¡.Физические и физико-химические свойства кобальта и его соединений............7

2.2.Основные источники кобальта в почвах и его содержание в почвообразующих породах, почвах и природных водах....................................................................9

2.3. Состояние и трансформация соединений кобальта в почвах............................14

2.4. Физико-химические и биологические процессы в переувлажненных

почвах..........................................................................................................................18

2.5. Биологическая роль кобальта..............................................................................31

2.6. Содержание кобальта в растениях......................................................................34

2.10.Действие повышенного содержания кобальта в почвах на растения..............35

3. Объекты и методы исследования...........................................................................37

4. Обсуждение результатов........................................................................................43

4.1. Окислительно-восстановительные процессы в исследованных почвах............43

4.2. Кислотно-основные свойства исследованных почв...........................................48

4.3. Изменение содержания водо-растворимых форм соединений кобальта в почвах..........................................................................................................................52

4.4. Динамика содержания обменных форм соединений кобальта, железа и марганца в почвах опыта............................................................................................65

4.5.Формы соединений кобальта, связанные с органическим веществом..............П2

4.6. Трансформация соединений кобальта, связанных с аморфными и окристаллизованными соединениями железа и марганца........................................77

4.7. Изменение содержания кобальта в остаточной фракции..................................89

4.8. Влияние мелиорантов на подвижность кобальта в почвах...............................93

4.9. Влияние повышенного содержания кобальта в почве на развитие растений и активность почвенных микроорганизмов и вопросы нормирования содержания

кобальта в почвах.......................................................................................................98

Выводы......................................................................................................................104

Литература................................................................................................................106

Приложение..............................................................................................................119

¡.Введение.

Кобальт - микроэлемент, широко распространенный в природе и являющийся незаменимым для человека, животных и растений. Он участвует в таких физиологически важных процессах как фотосинтез, азотный, белковый обмен. Недостаток кобальта в почве приводит к угнетенности роста растений, снижению урожаев и развитию опасных заболеваний животных и человека -авитаминозу, анемии, сухотке крупного рогатого скота.

В связи с этим многие ученые уделяли большое внимание изучению содержания кобальта и различных форм его соединений в почвах и растениях (Виноградов, 1959; Пейве,1960; Титова, 1971; Forbs, 1976; Мс Laren, 1986; Bibak, 1994).

В настоящее время загрязнение окружающей среды принимает глобальный характер и рост концентраций элементов превращает их из микроэлементов, необходимых растениям, в токсиканты, вызывающие нарушение функционирования экосистем и снижение их продуктивности. В связи с этим особенно важно изучение закономерностей, определяющих состояние и поведение микроэлементов в почвах в различных физико-химических условиях.

Загрязнение почв кобальтом происходит под влиянием предприятий рудо перерабатывающей промышленности, транспорта, при внесении твердых осадков сточных вод. Большие количества кобальта содержатся в отвалах рудо перерабатывающих предприятий (Ильин, 1991; Махонина, 1987).

Повышенное содержание кобальта в почвах районов, прилежащих к предприятиям, а также в районах естественных биогеохимических аномалий приводит к различным патологиям развития растений, например, многоцветковости, межжилковому хлорозу, угнетенности роста.

Хотя кобальт, как правило, не поступает в больших количествах в окружающую среду, он является одним из опасных загрязнителей, так как потенциально токсичен и является канцерогенным элементом (Adriano, 1986; Доминго Хосе JL, 1993). По уровню фитотоксичности кобальт занимает третье место среди металлов после кадмия и меди (Katagishi, Yamane, 1981).

Сведения о том, в каких количествах кобальт может поступать в растения при его повышенном содержании в почве крайне немногочисленны. Максимальное содержание кобальта в тканях растений превышает фоновую концентрацию в 17 раз для различных видов растений (Ильин, 1991). Обнаружены также величины больше 100 мг/кг сухого вещества для растений райграса. Таким образом, данные очень противоречивы, если считать, что нормальное содержание кобальта для различных видов растений колеблется в пределах от 0,01 до 1,47 мг/кг сухой массы ( Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Вероятно, с этим связано и отсутствие ПДК кобальта в почвах РФ. Слабо изучены пути восстановления плодородия почв, загрязненных кобальтом и влияние различных мелиорантов на состояние кобальта в системе почва- растение.

Кобальт является металлом с переменной валентностью, следовательно, его поведение в почвах зависит от окислительно-восстановительных условий. В настоящее время имеется мало данных о влиянии окислительно-восстановительного режима почв на трансформацию соединений кобальта. Противоречивы сведения о том, какие почвенные компоненты оказывают приоритетное влияние на подвижность соединений кобальта в почве.

Цель работы в связи с вышеизложенным заключается в исследовании влияния физико-химических условий на трансформацию соединений кобальта в почвах и воздействия повышенного содержания кобальта в почвах на

сельскохозяйственные растения и некоторые показатели функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Основные задачи исследования:

1. Исследовать влияние условий увлажнения почв и внесения различных видов органического вещества ( торфа и глюкозы) на развитие окислительно-восстановительных процессов и трансформацию соединений кобальта в серой лесной и дерново-подзолистой почвах

2 Оценить взаимосвязь между соотношением различных форм соединений Со, Ре и Мп и внесением органического вещества.

3. Изучить влияние различных мелиорантов (извести, торфа и цеолита) на подвижность кобальта при его повышенном содержании в почве.

4. Изучить влияние повышенных концентраций кобальта в почвах на его подвижность, состояние в системе почва-растение и активность почвенных микроорганизмов.На основе полученных данных выявить критические уровни содержания кобальта в почвах.

Научная новизна. Получены новые сведения о состоянии кобальта в серой лесной и дерново-подзолистой почвах, формах соединений и их трансформации в условиях избыточного увлажнения. Показано влияние органического вещества на развитие окислительно-восстановительных процессов и трансформацию соединений кобальта, железа и марганца в переувлажненных почвах. Впервые представлены данные о влиянии мелиорантов на подвижность соединений кобальта в почвах и состоянии кобальта в системе почва-растение, выявлены критические концентрации кобальта в дерново-подзолистой почве, приводящие к избыточному поступлению его в растения (выше ПДК).

Практическая значимость работы заключается в получении экспериментальных данных для разработки теоретически обоснованной системы мероприятий для повышения устойчивости почв и растений к загрязнению

кобальтом. Полученные данные могут быть использованы для научно обоснованного прогноза состояния кобальта в почвах при их загрязнении, сельскохозяйственном использовании и разработке мероприятий по охране почв.

2. Обзор литературы.

2.1 Химические и физико-химические свойства кобальта и его соединений. Кобальт - элемент 8-й группы 4го периода Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Атомный номер - 27, атомная масса стабильного изотопа кобальта - 58.9332 а.е.м. Кобальту, как и железу свойственны 2 валентных состояния + 2 и + 3. Однако кобальт в трехвалентном состоянии является значительно более сильным окислителем, чем железо: Ре3+ + е Бе2+ Е°=0,77В Со3+ + е Со2+ Е° = 1,84 В (Химическая энциклопедия, 1994).

Химические свойства соединений кобальта во многом сходны со свойствами соединений железа. Дигидроксид кобальта Со(ОН)2 амфотерен: легко растворим в кислотах, а в щелочах - только в концентрированных с образованием Со(ОН)42". Оксиды СоО и с03о4 имеют такие же кристаллические решетки, что и соответствующие оксиды железа. Атомные радиусы кобальта и железа близки и составляют 0,126 и 0,125 нм соответственно (по Г.Б.Бокию, цит. по Перельману, 1989). Ионные радиусы кобальта и железа также имеют близкие значения:

Ион Радиус по Белову и Бокию (нм)

Ре2+ 0,080

Со2+ 0,078

Бе3+ 0,067

Со3+ П Л£/1

Благодаря близости ионных радиусов Со2+ в кристаллической решетке способен легко замещать Бе , находящееся в шестерной координации (Борисенко, Куриленко, 1976).

Кобальт образует легкорастворимые хлорид, сульфат, бикарбонат и практически нерастворимый сульфид.

Нормальные окислительные потенциалы (Е°) по отношению к потенциалу нормального водородного электрода (Лурье, 1979).

Со Рз)б3+

Со(Шз)62+

Со(ОН)з

->

Со(Шз)62+

Со(Шз)6+

Со(ОН)2+ОН-

Е°,В +0,1 -0,42 +0,17

В водных растворах Со3+ легко переходит в двухвалентное состояние, окисляя воду до кислорода. Со 3+ в водных растворах устойчив только в составе комплексных ионов т.к. при этом электрохимический потенциал перехода Со 3+ —» Со2+ значительно понижается. Кобальт энергично мигрирует в магмах, гидротермах и биосфере. В земной коре кобальт обычно входит в состав минералов мышьяка, серы, селена, а наиболее часто - в состав минералов железа. Известно 28 минералов кобальта. Среди них важнейшие - каролит СиСо2 84, линнеит Соз84, кобальтин СоАб8, скуттерудит, асболан Соз04*т Мп02*п Н20, эритрин Со3(А804)2*8Н20, сферокобальтин с0со3 (Перельман, 1989).

2.2 Основные источники кобальта в почвах и его содержание в почвообразующих

породах, почвах и природных водах.

Основным источником кобальта в почвах являются почвообразующие породы. Кларк кобальта в литосфере - 1,8 * 10"3. В земной коре наиболее высокие концентрации кобальта характерны для ультраосновных пород (100-210 мг/кг), содержание его в кислых породах значительно ниже (1-15 мг/кг).

Таблица 2. Содержание кобальта в почвообразующих породах Европейской

территории России.

Породы Содержание Со (мг/кг) Источник

основные изверженные породы 45 Виноградов, 1959

кислые изверженные породы 5 там же

осадочные породы, глины, сланцы 23 там же

лессы и лессовидные суглинки 8,5 Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959

покровные суглинки 11,5 Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959

то же 10,1 Добрицкая и др., 5 1964

валунные суглинки 9,3 там же

пески и супеси од там же

то же 3,2-4,2 Ковда, Якушевская, Тюрюканов, 1959

Помимо состава почвообразующих пород содержание кобальта в почвах определяется условиями почвообразования и свойствами почв. В кислых лесных ландшафтах кобальт легко выносится из почв. Особенно обеднены кобальтом полесские ландшафты, ландшафты, сформированные на гранитах. Содержание кобальта в почвах составляет здесь 0,7-4,0 мг/кг. Наименее обеспечена кобальтом таежно-лесная нечерноземная зона России. Мало кобальта содержится в почвах Белоруссии, севера Эстонии (0,6-5 мг/кг), Карелии, Татарии (0,1-3,0 мг/кг), Ярославской, Костромской областей (0,7-6,2 мг/кг), Зейско-Бурейской низменности. Несколько повышено содержание кобальта в некоторых пойменных почвах, в подзолистых почвах Пермской и Центрально-Камчатской депрессий (15-20мг/кг). В степях и пустынях кобальт малоподвижен (рН осаждения Со(ОН)2= 6,8). Поэтому в степных и пустынных ландшафтах кобальт не выносится из почв и коры выветривания. Почвы лесостепной и степной зон в делом достаточно обеспечены кобальтом. Однако в серых лесных почвах Тульской области содержится пониженное количество подвижного кобальта (3-3,6 мг/кг), а в некоторых районах Башкирии и Татарии - повышенное (7-15 мг/кг). Черноземы хорошо обеспечены кобальтом (10-37 мг/кг). Черноземы сухостепной и полупустынной зон содержат небольшие количества кобальта (6-7 мг/кг).

Области повышенного содержания кобальта приурочены к горным странам, к выходу пород, обогащенных этим элементом, в частности, серпентинитов, над рудными телами ( Кольский п-ов, Тиманский и Донецкий кряж, средний и высокогорный Кавказ, горный Крым, район Тувы, Актюбинская область). Среднее содержание кобальта в почвах России представлено в таблице 3.

При распределении кобальта в почвенном профиле прослеживаются следующие закономерности. В перегнойном горизонте дерново-подзолистых почв, как правило, наблюдается слабое накопление кобальта по сравнению с

материнской породой. Здесь имеет место положительная корреляция между содержанием кобальта и гумуса. Незначительная аккумуляция кобальта в гумусовом горизонте дерново-подзолистых почв объясняется тем, что интенсивность процесса выноса элемента в результате подзолообразования выше, чем интенсивность его биогенной аккумуляции.

Для выщелоченных черноземов и серых лесных почв характерна биогенная аккумуляция кобальта. Максимум содержания кобальта в этих почвах приходится на гумусовый горизонт (Ковальский, Андрианова,1968) Выщелоченным черноземам и серым лесным почвам свойственен аккумулятивно-элювиальный тип распределения кобальта в профиле (Виноградов, 1959).

В соответствии с характером почвообразования распределение кобальта в илистой фракции почв строго специфично. Для выщелоченных черноземов выявляется аккумулятивный тип распределения содержания кобальта в илистой фракции по профилю, для серых лесных - элювиально-иллювиальный, а для дерново-подзолистых почв аккумулятивно - элювиально - иллювиальный (Титова, 1971). В илистой фракции серых лесных и дерново-подзолистых почв наблюдается положительная корреляция между содержанием кобальта и гумуса в илистой фракции, а также между содержанием кобальта и БегОз в иллювиальном горизонте (Титова, 1971; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

По содержанию подвижного кобальта выщелоченные черноземы и серые лесные почвы близки, в горизонте А1 дерново-подзолистых почв содержание подвижного кобальта в 2,5-3,5 раза ниже чем в черноземах. Минимальное содержание подвижного кобальта наблюдается в элювиальном горизонте дерново-подзолистых почв, где происходит значительный вынос кобальта с илистыми частицами (Ковальский, Андрианова, 1968).

Содержание кобальта в почве и его распределение в почвенном профиле связано не только с составом почвообразующих пород, современными условиями

Таблица 3. Среднее валовое содержание кобальта в почвах России.

Зона Среднее содержание Колебания

1 .Таежно-лесная нечерноземная 5,9 сл.-45.0

Московская область 8,8 0,6-20,8

Калужская область 12,1 3,0-24,0

Владимирское ополье <5

Ярославская область 3,9 0,7-10,5

Костромская область 3,9 2,0-6,2

Карелия 2,8 сл.-3.0

2.Лесостепная черноземная

серые лесные 11,5 1,0-30,0

Тульская область 9,8 8,0-11,6

Воронежская область 10,0 <10,0-11,0

Курская область <10,0 <10,0-10,0

3. Лесостепная и степная

черноземы 12,9 сл.-50,0

Курская область 9,4 7,1-12,3

Ставропольский край 3,6 0,5-7,2

4.Сухостепная полупустынная 6,9 0,2-40,0

Волгоградская область 14,5

Голодная степь 3,4 0,5-11,5

5.Горные почвы 11,7 сл.-60,3

*По данным В.В.Ковальского , Г.А.Андриановой, 1968.

почвообразования, но и с геологической историей ландшафта, с передислокацией и дифференциацией состава вещества осадочных пород в результате направленного геохимического потока, формированием областей выноса на севере и северо-западе нашей страны и зон аккумуляции кобальта на юге в плейстоцене и голоцене. Почвы северных приморских участков на шунгитовых сланцах, озерных таежных отложениях часто средне и достаточно обеспечены кобальтом, его содержание в этих почвах составляет 15-20мг/кг (Захаров, Захарова, 1974).

В поверхностных и грунтовых водах влажного климата содержится п*10"7-п*10"6 г/л кобальта, в водах степи и полупустыни может содержаться до *10"5 г/л кобальта. Это соответствует коэффициенту водной миграции 0,п, который соответствует средней интенсивности миграции по А.И. Перельману. Большая часть кобальта мигрирует в водах в составе глинистых взвесей (Перельман,1989).

Помимо естественных факторов, определяющих содержание кобальта в природных объектах, существуют и антропогенные источники поступления кобальта в окружающую среду. Та�