Почвенный институт им. В.В. Докучаева

E-mail: info@esoil.ru
Тел./Факс: +7 (495) 951-50-37
search  поиск  

Оценка влияния крупного паводка на содержание микроэлементов в аллювиальных почвах в среднем течении р. Амур

А. В. Мартынов

Институт геологии и природопользования ДВО РАН, Россия, 675000, Благовещенск, пер. Релочный, 1

Определено содержание микроэлементов в аллювиальных почвах прирусловой поймы среднего течения р. Амур и выявлены последствия катастрофического паводка 2013 г. на них. Микроэлементы определяли в пробах, отобранных по генетическим горизонтам, методом масс-спектрометрии. Для характеристики взаимоотношений между микроэлементами, свойствами аллювиальных почв и макроэлементным составом использовалась статистическая обработка данных с применением метода – принцип главных компонент. Выделены ассоциации накопления (Rb, Sr, Ba) и рассеивания (Zr, Ta), имеющие литогенную природу. Содержание остальных микроэлементов ниже, чем в среднем по почвам мира, но закономерно увеличивается вглубь поймы. Установлено, что микроэлементы под влиянием паводковых вод могут не только накапливаться, но и вымываться. На характер их миграции большое влияние оказывают свойства самих почв и пойменный рельеф, в почвах расположенных вблизи русла реки микроэлементы больше подвержены вымыванию. Некоторые микроэлементы (Sr, Cd, Ba, Pb) вымывается из всех типов почв, другие (Y, Sc и Cr) только накапливаются. Влияние паводка сильнее всего сказалось на содержании Mo (+43% в среднем по почвам), Sc (+38%) и Cu (+27%), Cd (–23%), Pb (–12%) и Sr (–12%). До паводка достоверные коэффициенты корреляции с микроэлементами выявлены только у обменного марганца и оксидов алюминия и магния. После длительного затопления в почвах проявились устойчивые связи с гранулометрическим составом, органическим веществом и реакцией среды. Вероятно, эти изменения вызваны понижением редокс-потенциала во время затопления и вымыванием оксида кальция.

Ключевые слова: аллювиальные почвы, микроэлементы, наводнение, метод масс-спектрометрии, метод главных компонент

DOI: 10.19047/0136-1694-2018-91-110-131

Ссылки для цитирования

Мартынов А.С. Оценка влияния крупного паводка на содержание микроэлементов в аллювиальных почвах в среднем течении р. Амур // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 91. С. 110-131. doi: 10.19047/0136-1694-2018-91-110-131

Martynov A.V. The assessment of the large flood impact on the microelements content in alluvial soils in the Amur river middle stream, Dokuchaev Soil Bulletin, 2018, Vol. 91, pp. 110-131. doi: 10.19047/0136-1694-2018-91-110-131

The assessment of the large flood impact on the microelements content in alluvial soils in the Amur river middle stream

A. V. Martynov

Institute of Geology and Nature Management Far Eastern Branch Russian Academy of Sciences, Russia 675000 Blagoveshchensk, Relochnyj lane, 1

The content of microelements is determined within the alluvial soils of the flood plain situated near the river bed in the middle flow of Amur River. The impact of the catastrophic flood of 2013 on their content is also revealed. The microelements were determined by using mass spectrometry in samples collected from genetic horizons. The principal component analysis has been applied to characterize the relationship between microelements, alluvial soil properties and macroelements composition. The associations of accumulation (Rb, Sr, Ba) and association of dispersion (Zr, Ta), having a lithogenic nature, are separated. The content of other microelements is lower than the average one for the world's soils. However, their concentration increases as the distance from the river bed increased. It is revealed that trace elements under the impact of flood waters are not accumulated only. They are also leached. Their migration is influenced significantly by floodplain topography: microelements are more affected to washing out in soils which are located near the river bed. Other factor which affects the microelements migration is the soil properties. Some microelements (Sr, Cd, Ba, Pb) are washed out from all types of soils. While the other ones (Y, Sc and Cr) are accumulated only. Flood affected greatly Mo (+43% average for the soil), Sc (+38%), Cu (+27%), Cd (–23%), Pb (–12%) and Sr (–12%). However, before the flood, significant correlation between microelements were observed only for exchangeable manganese and oxides aluminum and magnesium. Significant correlation between texture, organic matter and soil pH appeared after a long flood in all studied soils. These changes are probably caused by a decrease in the redox potential during flooding and the washing out of calcium oxide.

Keywords: Amur river, alluvial soils, trace elements, flood, principal component analysis, mass spectrometry

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Гафуров Ф.Г., Фирсова В.П. Почвообразование в долгопоемных ландшафтах высоких широт. Екатеринбург: УроРАН, 1992. 146 с.
  2. Добровольский Г.В., Балабко П.Н., Стасюк Н.В., Быкова Е.П. Аллювиальные почвы речных пойм и дельт и их зональные отличия // Аридные экосистемы. 2011. Т. 17. № 3 (48). С. 5-13.
  3. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. М.: Высшая школа, 1989. 320 с.
  4. Карандашев В.К., Туранов А.Н., Орлова Т.А., Лежнев А.Е., Носенко С.В., Золотарева Н.И., Москвина И.Р. Использование метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в элементном анализе окружающей среды // Заводская лаборатория. 2007. Т. 73. № 1. С. 12-22.
  5. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения. М.: Наука, 1987. 192 с.
  6. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  7. Кузнецов В.А. Самоочищение ландшафтов речных долин от радиоактивного загрязнения // Лiтасфера. 2011. № 1(14). С. 13-21.
  8. Мартынов А.В. Изменение свойств аллювиальных почв после крупного паводка на примере среднего течения р. Амур // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 3. С. 405.
  9. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. Москва: Высшая школа, 2007. 463 с.
  10. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 610 с.
  11. Ремезов Н.П. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв. М.: Сельхозгиз, 1957. 225 с.
  12. Скрябина О.А. Минералогический состав почв и почвообразующих пород. Пермь, 2011 117 с.
  13. Соколова Г.В. Анализ водного режима Амура за период до катастрофического наводнения в 2013 г. // Метеорология и гидрология. 2015. № 7. С. 66-69.
  14. Сорокина О.А., Гусев М.Н., Зарубина Н.В. Особенности распределения химических элементов в русловых отложениях реки Зея // География и природные ресурсы. 2014а. № 4. С. 81-88.
  15. Сорокина О.А., Гусев М.Н. Содержание редкоземельных элементов в пойменных почвах долины р. Зея (бассейн р. Амур) // Вестник Северо-Восточного научного центра ДВО РАН. 2014б. № 3. С. 36-40.
  16. Сорокина О.А., Зарубина Н.В. Содержание химических элементов в аллювиальных почвах и донных отложениях реки Уркан (бассейн реки Амур) // Почвоведение. 2013. № 6. С. 681-690. doi: 10.7868/S0032180X13060105
  17. Фащевский Б.В. Экологическое значение поймы в речных экосистемах // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2007. №5. С. 118-129.
  18. Чижикова Н.П., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В., Манучаров А.С., Коновалова Н.С., Уткина Е.В. Минералогический и химический состав тонкодисперсной части донных отложений р. Амур // Почвоведение. 2011. № 7. С. 848-860.
  19. Шалдыбин М.В., Харитонова Г.В., Ким В.И., Лопушняк Ю.М., Уткина Е.В., Дембовецкий А.В., Коновалова Н.С., Юдина А.В., Шмигирилов С.А. Минералогический состав отложений реки Амур в зоне влияния реки Сунгари // Тихоокеанская геология. 2016. Т. 35. № 1. С. 92-108.
  20. Шраг В.И. Пойменные почвы их мелиорация и сельскохозяйственное использование. М.: Россельхозиздат, 1969. 269 с.
  21. Abgottspon F., Bigalke M., Wilcke W. Fast colloidal and dissolved release of trace elements in a carbonatic soil after experimental flooding // Geoderma. 2015. V. 259-260. P. doi: 156-163. 10.1016/j.geoderma.2015.06.005
  22. Bednarova Z., Komprdova K., Kalabova T., Sanka M. Impact of Floods and Their Frequency on Content and Distribution of Risk Elements in Alluvial Soils // Water Air Soil Pollut. 2015. V.226 №.15. P. 1-21. doi: 10.1007/s11270-014-2253-x
  23. Borch T., Kretzschmar R., Kappler A., Van Cappellen P., Ginder-Vogel M., Voegelin A., Campbell K. Biogeochemical redox processes and their impact on contaminant dynamics // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44. № 1. P. 15-23. doi: 10.1021/es9026248
  24. Calmano W., Hong J., Forstner U. Binding and mobilisation of heavy metals in contaminated sediments affected by pH and redox potential // Water Sci Technol. 1993. V.28. P. 223-235. doi: 10.15480/882.450
  25. Du Laing, G., Rinklebe J., Vandecasteele B., Tack F.M.G. Trace metal behavior in estuarine and riverine floodplain soils and sediments: a review // Sci. Total Environ. 2009. V. 407. Р. 3972-3985. doi: 10.1016/j.scitotenv.2008.07.025
  26. Florian A., Moritz B., Wolfgang W. Fast colloidal and dissolved release of trace elements in a carbonatic soil after experimental floodin // Geoderma. 2015. V.259-260. Р. 156-163. doi: 10.1016/j.geoderma.2015.06.005
  27. Frohne T., Rinklebe J., Diaz-Bone R.A., Du Laing G. Controlled variation of redox conditions in a floodp lain soil: Impact on metal mobilization and biomethylation of arsenic and antimony // Geoderma. 2011. V. 160. № 3-4. P. 414-424. doi: 10.1016/j.geoderma.2010.10.012
  28. Izquierdo M., Tye A.M, Chenery S.R. Lability, solubility and speciation of Cd, Pb and Zn in alluvial soils of the River Trent catchment UK // Environmental science. Processes & impacts. 2013. V. 15. № 10. P. 1844-58. doi: 10.1039/C3EM00370A
  29. Junk W.J., Bayley P.B., Sparks R.E. The flood pulse concept in river–floodplain systems // International Large River Symposium / Ed. Dodge D.P. Can. Spec. Publ. Fish. Aquat. Sci. 1989. P. 110-127. http://www.nrem.iastate.edu/class/assets/aecl518/Discussion%20Readings/Junk_et_al._1989.pdf
  30. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton: CRC Press, 2011. 534 p.
  31. Koretsky C.M., Haveman M., Beuving L., Cuellar A., Shattuck T., Wagner M. Spatial variation of redox and trace metal geochemistry in a minerotrophic fen // Biogeochemistry. 2007. № 86. P. 33-62. doi: 10.1007/s10533-007-9143-x
  32. Lair G.J. et al. How do long-term development and periodical changes of river-floodplain systems affect the fate of contaminants? Results from European rivers // Environ. Pollut. 2009. V. 157. № 12. P. 3336–3346. doi: 10.1016/j.envpol.2009.06.004
  33. Pirastru M., Niedda M. Evaluation of the soil water balance in an alluvial flood plain with a shallow groundwater table // Hydrological Sciences Journal. 2013. V.58. № 4. P. 898-911. doi: 10.1080/02626667.2013.783216
  34. Sabry M.S., Jörg R. Geochemical fractions of chromium, copper, and zinc and their vertical distribution in floodplain soil profiles along the Central Elbe River, Germany // Geoderma. 2013. V. 228-229. P. 142-159. doi: 10.1016/j.geoderma.2013.10.012
  35. Schulz-Zunkel C., Rinklebe J., Bork H.-R. Trace element release patterns from three floodplain soils under simulated oxidized–reduced cycles // Ecol. Eng. 2015. V. 83. P. 485-495. doi: 10.1016/j.ecoleng.2015.05.028
  36. Shrestha J., Niklaus P.A., PasqualeN., Huber B., Barnard R.L., Frossard E., SchleppiP., TocknerK., Luster J. Flood pulses control soil nitrogen cycling in a dynamic river floodplain // Geoderma. 2014. V. 228. P. 14-24. doi: 10.1016/j.geoderma.2013.09.018
  37. Sipos P., Nemeth T., May Z., Szalai Z. Accumulation of trace elements in Fe-rich nodules in a neutral-slightly alkaline floodplain soil // Carpathian J. Earth and Environ. Sci. 2011. V. 6. № 1. P. 13-22.
  38. Zeng F., Ali S., Zhanga H., Ouyang Y., Qiu B., Wua F., Zhang G. The influence of pH and organic matter content in paddy soil on heavy metal availability and their uptake by rice plants // Environmental Pollution. 2011. V.159. №1. P. 84-91. doi:10.1016/j.envpol.2010.09.019

REFERENCES

1.    Gafurov F.G., Firsov V.P. Soil formation in dolgopolik landscapes at high latitudes, Ekaterinburg: Uroran, 1992. 146 p. (in Russian)

2.    Dobrovolsky G.V., Balabko P.N., Stasyuk N.B. Bykova E.P. Alluvial soils of river floodplains and deltas and their zonal differences, Arid ecosystems, 2011, V. 17, No. 3 (48), pp. 5-13. (in Russian)

3.    Dobrovolsky V.V. Geography of soils with fundamentals of soil science, Moscow, Higher school Pabl., 1989. 320 p.

4.    Karandashev V.K., Turanov A.N., Orlova T.A., Lezhnev A.E., Nosenko S.V., Zolotareva N.I., Moskvina I. R. Use the method of mass spectrometry with inductively coupled plasma elemental analysis of the environment, Zavodskaya laboratoriya, 2007, V.73, No. 1, pp. 12-22. (in Russian)

5.    Kostenkov N.M. Redox regimes in soils, periodic waterlogging, Moscow, Nauka Pabl., 1987, 192 p. (in Russian)

6.    Classification and diagnostics of soils of Russia, Smolensk: Oikumena Pabl., 2004, 342 p. (in Russian)

7.    Kuznetsov V.A. Purification of river valley landscapes from radioactive contamination, Litosphere, 2011, No. 1(14), pp. 13-21. (in Russian)

8.    Martynov A.V. change in the properties of alluvial soils after major floods on the example of the middle reaches of the Amur river, Contemporary problems of science and education, 2016, No. 3, pp. 405. (in Russian)

9.    Mikhailov V.N., Dobrovolsky A.D., Dobrolyubov S.A. Hydrology. Moscow: Higher school, 2007. 463 p. (in Russian)

10.  Perelman A.I., Kasimov N.S. Geochemistry of landscape. Moscow: Astrea-2000, 1999. 610 p. (in Russian)

11.  Remezov N.P. Soil colloids and the absorption capacity of the soil. Moscow: Selkhozgiz, 1957. 225 p. (in Russian)

12.  Scriabin O.A. Mineralogical composition of soils and soil-forming rocks, Perm, 2011, 117 p. (in Russian)

13.  Sokolova G.V. Analysis of the water regime of the Amur river for the period prior to the catastrophic flooding in 2013, Meteorology and hydrology, 2015, No. 7, pp. 66-69. (in Russian)

14.  Sorokina O.A., Gusev M.N., Zarubina N.V. Features of distribution of chemical elements in fluvial sediments of the Zeya river, Geography and natural resources, 2014а, No. 4, pp. 81-88. (in Russian)

15.  Sorokina O.A., Gusev M.N. The contents of rare earth elements in floodplain soils of the valley of the Zeya river (the Amur basin), Vestnik of North-East scientific center DVO ran, 2014б, No. 3, pp. 36-40. (in Russian)

16.  Sorokina O.A., Zarubina N.V. The Content of Chemical Elements in Alluvial Soils and Bottom Sediments of the Urkan River (the Amur River Basin)), Eurasian soil science, 2013, No. 6, pp. 644-653. doi: 10.1134/S1064229313060094

17.  Tasevski B.V. Ecological importance of floodplains in river ecosystems, Scientific notes of Russian state hydrometeorological University, 2007, No. 5, pp. 118-129. (in Russian)

18.  Chizhikova N.P. Orphan S.E., Kharitonova G.V., Manucharov A.S., Konovalova N.S., Utkin E.V. Mineralogy and Chemistry of Finely Dispersed Bottom Sediments in the Amur River, Eurasian Soil Science, 2011, 44 (7), pp. 781-793. doi: 10.1134/S1064229311070039

19.  Shaldybin M.V., Kharitonova G.V., Kim V.I., Lopusnik Y.M., Utkin E.V., Dembovetchkii AV., Konovalova N.S., Yudin A.V., Snegiryov S.A. Mineralogical composition of sediments of the Amur river in the zone of influence of the Songhua river, Tihookeanskaja geologija, 2016, V. 35, No. 1, P. 92-108. (in Russian)

20.  Shrag V.I. Floodplain soils their reclamation and agricultural use. Moscow: Rosselkhozizdat, 1969. 269 p. (in Russian)

21.  Abgottspon F., Bigalke M., Wilcke W. Fast colloidal and dissolved release of trace elements in a carbonatic soil after experimental flooding, Geoderma, 2015, V. 259-260, pp. 156-163, doi:10.1016/j.geoderma.2015.06.005

22.  Bednarova Z., Komprdova K., Kalabova T., Sanka M. Impact of Floods and Their Frequency on Content and Distribution of Risk Elements in Alluvial Soils, Water Air Soil Pollut., 2015, V. 226, No. 15, pp. 1-21. doi: 10.1007/s11270-014-2253-x

23.  Borch T., Kretzschmar R., Kappler A., Van Cappellen P., Ginder-Vogel M., Voegelin A., Campbell K. Biogeochemical redox processes and their impact on contaminant dynamics, Environ. Sci. Technol., 2010, V. 44, No. 1, pp. 15-23. doi: 10.1021/es9026248

24.  Calmano W., Hong J., Forstner U. Binding and mobilisation of heavy metals in contaminated sediments affected by pH and redox potential, Water Sci Technol., 1993, V. 28, pp. 223-235. doi: 10.15480/882.450

25.  Du Laing, G., Rinklebe J., Vandecasteele B., Tack F.M.G. Trace metal behavior in estuarine and riverine floodplain soils and sediments: a review, Sci. Total Environ., 2009, V. 407, pp. 3972-3985. doi: 10.1016/j.scitotenv.2008.07.025

26.  Florian A., Moritz B., Wolfgang W. Fast colloidal and dissolved release of trace elements in a carbonatic soil after experimental floodin, Geoderma, 2015, V. 259-260, pp. 156-163. doi: 10.1016/j.geoderma.2015.06.005

27.  Frohne T., Rinklebe J., Diaz-Bone R.A., Du Laing G. Controlled variation of redox conditions in a floodp lain soil: Impact on metal mobilization and biomethylation of arsenic and antimony, Geoderma, 2011, V. 160, No. 3-4, pp. 414-424. doi: 10.1016/j.geoderma.2010.10.012

28.  Izquierdo M., Tye A.M, Chenery S.R. Lability, solubility and speciation of Cd, Pb and Zn in alluvial soils of the River Trent catchment UK, Environ. Science. Processes & impacts, 2013, V. 15, No. 10, pp. 1844-58. doi: 10.1039/C3EM00370A

29.  Junk W.J., Bayley P.B., Sparks R.E. The flood pulse concept in river–floodplain systems, International Large River Symposium / Ed. Dodge D.P. Can. Spec. Publ. Fish. Aquat. Sci. 1989, pp. 110-127. http://www.nrem.iastate.edu/class/assets/aecl518/Discussion%20Readings/Junk_et_al._1989.pdf

30.  Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants, Boca Raton: CRC Press, 2011, 534 p.

31.  Koretsky C.M., Haveman M., Beuving L., Cuellar A., Shattuck T., Wagner M. Spatial variation of redox and trace metal geochemistry in a minerotrophic fen, Biogeochemistry, 2007, No. 86, pp. 33-62. doi: 10.1007/s10533-007-9143-x

32.  Lair G.J. et al. How do long-term development and periodical changes of river-floodplain systems affect the fate of contaminants? Results from European rivers, Environ. Pollut., 2009, V. 157, № 12, pp. 3336–3346. doi: 10.1016/j.envpol.2009.06.004

33.  Pirastru M., Niedda M. Evaluation of the soil water balance in an alluvial flood plain with a shallow groundwater table, Hydrological Sci. J., 2013, V. 58, № 4, pp. 898-911. doi: 10.1080/02626667.2013.783216

34.  Sabry M.S., Jörg R. Geochemical fractions of chromium, copper, and zinc and their vertical distribution in floodplain soil profiles along the Central Elbe River, Germany, Geoderma, 2013, V. 228-229, pp. 142-159. doi: 10.1016/j.geoderma.2013.10.012

35.  Schulz-Zunkel C., Rinklebe J., Bork H.-R. Trace element release patterns from three floodplain soils under simulated oxidized–reduced cycles, Ecol. Eng., 2015, V. 83, pp. 485-495. doi: 10.1016/j.ecoleng.2015.05.028

36.  Shrestha J., Niklaus P.A., PasqualeN., Huber B., Barnard R.L., Frossard E., SchleppiP., TocknerK., Luster J. Flood pulses control soil nitrogen cycling in a dynamic river floodplain, Geoderma, 2014, V. 228, pp. 14-24. doi: 10.1016/j.geoderma.2013.09.018

37.  Sipos P., Nemeth T., May Z., Szalai Z. Accumulation of trace elements in Fe-rich nodules in a neutral-slightly alkaline floodplain soil, Carpathian J. Earth and Environ. Sci., 2011, V. 6, No. 1, pp. 13-22.

38.  Zeng F., Ali S., Zhanga H., Ouyang Y., Qiu B., Wua F., Zhang G. The influence of pH and organic matter content in paddy soil on heavy metal availability and their uptake by rice plants // Environmental Pollution. 2011. V.159. №1. P. 84-91. doi:10.1016/j.envpol.2010.09.019