Водорастворимые соединения алюминия и железа в почвах и поверхностных водах Хибин и Ловозёрских тундр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водорастворимые соединения алюминия и железа в почвах и поверхностных водах Хибин и Ловозёрских тундр

Семенов В.А.¹ *, Козаренко А.Е.²

почва тундра алюминий металл

Abstract

The article analyzes data on the chemical composition of soil and surface waters of the Khibiny mountains and Lovozero massif tundras. Special attention is paid to the nature of the distribution and behavior of water-soluble compounds of aluminum and iron. The soils of Luyavrurt are distinguished from the Khibiny and have higher concentrations of water-soluble forms of Al and Fe, although their absolute content is small. The concentration of these forms of Al and Fe grows from the soils of the mountain-tundra landscapes to the mountain-taiga ones. The internal waters of both mountain ranges are poor in water-soluble compounds of aluminum and iron, while the concentration of these metals in lakes is higher than in the river systems of the region under study.

Keywords: water soluble forms of Al and Fe; profile differentiation; low mineralization of natural waters; chemical and mineralogical composition.

Al - один из самых распространённых в биосфере элементов и занимает 3-е место после O₂ и Si. С формами Al связан показатель pH почв, в особенности гумидных областей [1, С. 1097]. Уже в концентрациях всего 2 г/л почвенного раствора Al оказывает токсическое воздействие на корни растений [6, С. 111]. Fe - также один из самых часто встречающихся в ландшафте металлов, он занимает следующее место по концентрации в земной коре после Al. Железо играет важную индикаторную роль, особенно в геохимии северотаёжных и болотных ландшафтов Приполярья и Заполярья. Для Хибин и Луяврурта (Ловозёрских тундр), являющихся щелочными нефелиново-сиенитовыми провинциями, Fe и Al являются типоморфными элементами, имеющими серьёзное конституционное значение в северных биогеоценозах.

Al, как и Fe, представлен в почвенном покрове миграционными формами с резко различной растворимостью. Водная вытяжка экстрагирует из почвенного покрова наиболее подвижные и растворимые, наименее связанные соединения химических элементов. Это Al и Fe из внешнего, диффузного слоя компенсирующих ионов коллоидной мицеллы. Водные растворы наиболее естественны в природе, поэтому данные о водных формах Al и Fe во многом свидетельствуют о реальных процессах перемещения вещества в ландшафте. Это единственные из форм, которые со 100%-ной уверенностью можно назвать формами миграции, а не аккумуляции [10, С. 77]. Учитывая, что показатель pH основной массы образцов почв исследуемой территории относит их к слабокислым [4, С. 64], можно отметить ускорение миграции соединений Al и Fe по почвенному профилю с током лизиметрических вод сверху вниз, при выпадении осадков в виде дождя или промачивании почвенной массы при снеготаянии.

Сбор почвенных и растительных образцов проводился в долинах рек Часнайок, Кунийок, Рисйок (Хибины) и в долине р. Эльморайок (Луяврурт) в основных вертикально-зональных ландшафтах: долинная тайга, горная лесотундра, нагорная тундра. БоМльшая часть лабораторно-экспериментальных исследований производилась авторами в УНЦ геохимии ландшафта географического факультета МПГУ; определение валового содержания Al и Fe выполнялось в ЦЛАВ ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского по методике рентген-флюоресцентного анализа на приборе Philips PW-1600 [9, с. 1612]. Также было определено содержание водорастворимых соединений Al и Fe. Определение Al проводилось на спектрофотоколориметре ФЭК-3 при длине волны 547 нм, алюминоновым методом. Определение Fe проводилось также колориметрически на ФЭК-3, но при длине волны 430 нм, по стандартной методике определения Fe с сульфосалициловой кислотой [2, C. 228]. Показатель pH в природных водах и почвах определялся потенциометрически, содержание общего Ca в воде - титриметрически (с Трилоном Б), концентрации Mg в воде - потенциометрически (с Пурпуратом аммония) [2, C. 234].

Распределение водорастворимых Al и Fe для различных разновидностей почв приведено в таблице 1. Содержание этих модификаций соединений Al и Fe - низкое, колеблется в пределах 0,01-1,17·10^-4 % (для Al) и 0,10-5,06·10^-4 % (для Fe) [5, C. 42]. Если оценивать обобщённо, то дифференциация рассматриваемых форм Al и Fe в почвенном покрове подчиняется правилу убывания вниз по профилю, с незначительными нюансами. Максимальная концентрация как водорастворимого Al, так и Fe, отмечена в горно-таёжных подбурах, занимающих подчинённое положение в ландшафте, в межгорных долинах. При этом однотипные почвы Ловозёрских тундр - богаче в этом отношении, чем почвы Хибин [5, C. 44]. Содержание Al в них - до 1,17·10^-4 %, а Fe - существенно больше, до 5,06·10^-4 %. Разница между содержанием водорастворимого Al в одинаковых разновидностях почв Хибин и Луяврурта невелика, хотя для органогенных горизонтов она может достигать 1,5 раз (для Fe - до 2 с лишним раз). Максимальные концентрации водорастворимых Al и Fe характерны для верхних органогенных частей почвенной массы всех рассмотренных типов почв, убывая, как выше сказано, вниз по профилю. Такой характер дифференциации водорастворимых соединений Al и Fe связан с поступлением влаги из тропосферы и нисходящими перемещениями веществ под действием гравитационных сил, способствующими выносу элементов за пределы почвенной толщи. Торфянистые гумусово-железистые подзолы также характеризуются довольно высоким содержанием водорастворимых окислов и гидроокислов Al и Fe. Содержание Al в подзолистых почвах Ловозёрских тундр - до 1·10^-4 %, а Fe - до 3,61·10^-4 % (в Хибинах эти показатели ниже) [10, C. 79].

Таблица 1 - Концентрации водорастворимых соединений Al и Fe в почвах, % от валовых, соотношение Al:Fe (80 проб)

\

Примечание: “-” означает отсутствие данных; “следы” означает, что результат ниже чувствительности определения.

В мощной кислой бурой почве в Луврурте, вскрытой в субальпийском березняке в долине р. Эльморайок, обращает на себя внимание увеличение концентрации Al в горизонте С, которое даже превышает содержание водорастворимого Fe. Это может быть связано с тем, что почва находится на пойме, где почвообразующая порода представлена, главным образом, речными наносами, иловатой фракцией и аллювием, насыщенным органикой [3, с. 201]. Распределение водорастворимых соединений Al и Fe в торфянистых лесотундровых почвах сходно с таковым для Al и Fe в горно-таёжных подбурах. Содержание подвижного Al здесь невелико, но наибольшее - в горизонте А_т (0,72·10^-4 %). Водорастворимые формы Fe обнаруживают максимум в приповерхностном горизонте А₀ - от 1,63·10^-4 % до 3,33·10^-4 %. В торфянистых горно-тундровых почвах, слагающих возвышенные, доминирующие в ландшафте, части Хибин и Луяврурта, концентрации водорастворимых форм Al и Fe снижаются вниз по почвенному профилю [8, с. 534]. В качестве причин, объясняющих довольно низкие концентрации водорастворимых форм в данном случае можно назвать следующие:

1. низкие, иногда даже ниже чувствительности определения, содержания Al и Fe в водной вытяжке обусловлены их способностью образовывать устойчивые связи с почвенной органикой; водная экстракция, как достаточно слабый реагент, эти связи не разрушает;

2. концентрации водорастворимых Al и Fe выше в слабо-кислых почвах, чем в нейтральных и щелочных. Высокие значения рН характеризуются минимальным содержанием изучаемых миграционных форм Al и Fe [6, с. 113].

Наглядным подтверждением незначительной роли водорастворимых соединений Al и Fe в почвенной массе рассматриваемых массивов служит их процентное содержание от валового. Доля водорастворимых соединений Al в общем содержании элемента в почвенной массе невелика и составляет от 0,16 до 157,45·10^-4 %. Водорастворимых форм Fe в исследуемых почвенных образцах зачастую значительно больше, чем Al, его доля в валовых концентрациях составляет 0,63-1144,33·10^-4 %. Наибольший % рассматриваемых форм Al и Fe от валового - в верхней части почвенной массы, связанной с органикой, причём во всех разновидностях почв изучаемых районов, наименьший же % от валового характерен для нижних минеральных горизонтов. Следовательно, водорастворимые соединения Al и Fe наиболее миграционно-активны в органогенных горизонтах.

В соотношении Al:Fe в изученных почвенных разновидностях, помимо того что водорастворимых соединений Fe почти повсюду больше, можно отметить, что максимальные различия, как правило, наблюдаются в нижних горизонтах почвенного профиля. Особенно это выражено в почвенном покрове таёжных ландшафтов, где в нижних минеральных горизонтах количество водорастворимых окислов и гидроокислов Fe в 5-17 раз выше, чем Al. Во вскрытой почве субальпийского ландшафта Луяврурта наибольшие перепады значений отмечены в горизонте А₁. Однако в этой же почвенной разновидности выявлено небольшое преобладание водорастворимых соединений Al над Fe в нижнем горизонте С. В торфянистых лесотундровых почвах концентрация водорастворимых форм Fe и Al наиболее различается в А₀ и С (Fe больше, чем Al в 7 с лишним раз). В торфянистых почвах горно-тундровых ландшафтов наиболее велика разница в переходном В/С; причём здесь же, но в горизонте С, отмечено преобладание Al над Fe [10, с. 81].

Также в УНЦ геохимии ландшафта была предпринята попытка обработки растёртых в пудру основных минералов и горных пород Хибин и Луяврурта (нефелин, хибинит, луяврит, уртит) дистиллированной водой, с целью выяснить % перехода ионов Al и Fe в водный раствор. Выяснилось, что в водную экстракцию переходит ничтожное количество рассматриваемых металлов. Так, например, из уртита (валовая концентрация Al - 5165·10^-3 %) в водный раствор перешло всего 0,017·10^-3 % алюминия. Железа перешло в водную экстракцию уртита несколько больше: при валовой концентрации Fe - 13231·10^-3 % в водный раствор перешло 0,125·10^-3 %. Из этого можно сделать осторожный вывод о боМльшей подвижности соединений Fe, нежели Al, в водной среде.

Пробы воды отбирались в крупных озёрах и реках центральных и периферийных районов исследуемых массивов. В лаборатории УНЦ геохимии ландшафта определялись некоторые физико-химические особенности поверхностных вод Хибин и Луяврурта: рН, общий Al и Fe, Ca, Mg.

Таблица 2 - Некоторые физико-химические особенности поверхностных вод Хибин и Луяврурта

1. оз. Большой Вудъявр, северный берег, Ботанический Сад (ПАБС), г. Кировск (Хибины);

2. р. Кунийок, среднее течение, левый берег, долина Кукисвум, в 1 км к югу от базы КСС (Хибины);

3. р. Часнайок, приток р. Гольцовка, среднее течение, правый берег (Хибины);

4. оз. Безымянное, восточный берег, долина Кукисвум, в 2 км к юго-западу от базы КСС (Хибины);

5. оз. Сейдъявр, западный берег, в 100 м к северу от устья р. Эльморайок (Ловозёрские тундры);

6. р. Эльморайок, среднее течение, левый берег, в 6 км к северо-западу от оз. Сейдъявр (Ловозёрские тундры).

При общей слабо-кислой или близкой к нейтральной реакции pH исследуемых водных объектов, можно отметить их ультрапресность и слабую минерализацию. В исследуемых реках и озёрах показатель pH находится в диапазоне 6,20-6,90, отражая зависимость от соотношений с одной стороны - свободного диоксида углерода, с другой - бикарбонат-иона. При весьма небольших абсолютных значениях Al (от 0,016·10^-6 % до 0,082 ·10^-6 %) и Fe (от 0,195·10^-6 % до 0,245·10^-6 %) в изученных пробах природных вод, можно выявить, что железа повсеместно больше, чем алюминия. Также бросается в глаза, что концентрации Al и Fе выше в озёрах, нежели в реках, что можно объяснить боМльшим потенциалом накопления данных металлов в застойных водоёмах. Концентрации Ca в воде - от 321·10^-6 % до 802·10^-6 %, причём минимум - в оз. Сейдъявр (Ловозерские тундры), а максимум - в р. Часнайок (Хибины). Концентрации Mg в воде - от 0,49·10^-6% до 2,92·10^-6 %, причём минимум - в р. Часнайок (Хибины), а максимум - в оз. Б. Вудъявр (Хибины) и Сейдъявр (Ловозёрские тундры).

Подводя итоги вышесказанному, приходим к выводу о том, что водорастворимые соединения Al и Fe в почвах изученных ландшафтов составляют от сотых долей до единиц ·10^-4 %, почти нигде не превышая сотен ·10^-4 % от валовых концентраций. При этом ландшафтно-геохимическая обстановка Луяврурта отличается более высокими показателями данных соединений как Al, так и Fe, по сравнению с Хибинами.

Для водорастворимых форм Al и Fe в большинстве изученных почвенных образцов характерно убывание концентраций вниз по профилю почв; в содержании валового Al и Fе наблюдается обратная картина. Содержание водорастворимых соединений Al и Fе в почвенных профилях разных вертикально-зональных ландшафтов неодинаково. Концентрация данных форм как Al, так и Fе растёт от почв горной тундры к горно-таёжным.

При весьма небольших абсолютных значениях концентраций Al и Fe в изученных пробах природных вод, отмечаем, что железа повсеместно больше, чем алюминия. Концентрации Al и Fе - выше в озёрах, чем в реках. При этом алюминия, в целом, больше в водоёмах Хибин, в сравнении с Луявруртом; железа, в целом, больше в водоёмах Луяврурта, в сравнении с Хибинами. По-видимому, это является следствием различий в показателе pH, нюансов минерализации вод и химического состава коренных горных пород [7, с. 68], слагающих эти два массива. Прикладное значение результатов данного исследования состоит в том, что, в силу типоморфности Al и Fe в ландшафтах нефелиново-сиенитовых провинций, их соединения могут быть использованы для биогеохимической и биоиндикационной оценки местных природно-территориальных комплексов, оценки экологии водоёмов и почв данного района.

Список литературы

1. Амельянчик Л. А. Алюминий в водных и солевых вытяжках из подзолистых почв / Л. А. Амельянчик, О. А. Воробьева // Почвоведение. - № - М.: Наука, 1999. - С. 1096-1106.

2. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв / Е. В. Аринушкина - М.: Изд-во МГУ, 1962. - 491 с.

3. Зонн С. В. Алюминий. Роль в почвообразовании и влияние на растения / С. В. Зонн, А. П. Травлеев. - Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1992. - 224 с.

4. Козаренко А. Е. Особенности химического состава почв Хибинского и Ловозерского массивов / А. Е. Козаренко, В. А. Семенов // Вестник МГПУ. Серия: Естественные науки.- № 2(22). - 2016. - С. 62-72.

5. Козаренко А. Е. Некоторые формы алюминия в почвах Хибинско-Ловозерского щелочного плутона / А. Е. Козаренко, В. А. Семенов // Вестник МГПУ. Серия: Естественные науки.№ 1 (29). - 2018. - С. 35-46.

6. Орлов Д. С. Соединения алюминия и проблема почвенной кислотности // Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - С. 110-123.

7. Пеков И. В. Ловозерский массив: история исследования, пегматиты, минералы / И. В. Пеков - М.: Творческое объединение Земля Ассоциации Экост, 2001. - С. 67-280.

8. Переверзев В. Н. Генетические особенности почв тундрового пояса Ловозерских гор (Кольский полуостров) / В. Н. Переверзев // Почвоведение. - №5. - 2000. - С. 533-539.

Размещено на Allbest.ru