Агрохимия, 2019, № 3, стр. 61-64
О водорастворимом фторе почв
А. В. Савенко 1, *, В. С. Савенко 1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, Россия
* E-mail: Alla_Savenko@rambler.ru
Поступила в редакцию 18.04.2018
После доработки 20.08.2018
Принята к публикации 10.12.2018
Аннотация
Определено содержание водорастворимого фтора в образцах верхних горизонтов почв областей с засушливым климатом. Установлено, что количество водорастворимого фтора увеличивается с усилением степени засоления почв и сильно коррелирует с общим содержанием растворимых солей (r = 0.97), а также с концентрациями растворимых натрия (r = 0.98), сульфатов (r = 0.97) и бикарбонатов (r = 0.93). Щелочная среда способствовала миграции фтора.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что фтор входит в число биологически активных элементов и влияет на физиологические процессы в живых организмах всех трофических уровней, вызывая во многих случаях патологические изменения [1–5]. Несмотря на усилившийся в последние годы интерес к гипергенной миграции фтора, связанный с возрастанием антропогенного загрязнения окружающей среды, закономерности распределения фтора в почвах и его миграции в почвенных процессах изучены слабо. Особенно это касается водорастворимого фтора, который, составляя небольшую часть валового фтора почв, контролирует распределение этого элемента в системе почва–растение, включая корма для животноводства и продукты питания растительного происхождения, потребляемые человеком [6–10]. В связи с этим изучение водорастворимого фтора почв является актуальной задачей агрохимии, имеющей значение и для смежных дисциплин: экологии, почвоведения, геохимии, охраны окружающей среды, рационального природопользования.
Цель работы – определение содержания водорастворимого фтора в почвах территорий с засушливым климатом, где часто обнаруживают его аномально высокие содержания, связанные, как правило, с развитием процессов засоления [8, 9, 11–13].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Существенный недостаток предшествующих работ, посвященных изучению водорастворимого фтора почв, состоял в том, что в них не приводили данные о составе водорастворимых солей, из-за чего было невозможно установить корреляционные связи между содержаниями растворимого фтора и компонентами растворимых солей. Учитывая это обстоятельство, одновременно с определением количества водорастворимого фтора определяли содержание и состав водорастворимых солей.
Было исследовано 10 образцов верхнего почвенного горизонта (0–5 см), отобранных в летний период 2004–2006 гг. на территориях с засушливым климатом и любезно предоставленных в наше распоряжение сотрудниками Института почвоведения РАН Е.И. Панковой и Н.Б. Хитровым. Местоположение и описание образцов приведено в табл. 1. В связи с возможностью дифференциации кристаллических выделений растворимых солей по размерам [14] гомогенизированные образцы разделяли на 2 части, одну из которых оставляли неизменной в качестве эталона валового состава, а из другой просеиванием выделяли фракцию <0.1 мм.
Таблица 1.
Место отбора, тип засоления почв | Фрак-ция | F, мг/кг | pH | Сумма солей М, мг/кг | Концентрации растворимых макрокомпонентов, мг/кг | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
${\text{N}}{{{\text{a}}}^{ + }}$ | ${{{\text{K}}}^{ + }}$ | ${\text{M}}{{{\text{g}}}^{{2 + }}}$ | ${\text{C}}{{{\text{a}}}^{{2 + }}}$ | ${\text{C}}{{{\text{l}}}^{ - }}$ | ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ | ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ | |||||
Черноземы | |||||||||||
Каменная степь, Воронежская обл. | Эталон | 1.2 | 7.23 | 475 | 12.0 | 11.9 | 17.4 | 79.6 | 21.0 | 58.2 | 275 |
<0.1 мм | 1.1 | 458 | 8.0 | 10.3 | 17.1 | 86.1 | 15.4 | 54.4 | 267 | ||
То же | Эталон | 1.0 | 7.36 | 1040 | 12.5 | 8.4 | 41.8 | 204 | 24.4 | 144 | 604 |
<0.1 мм | 1.0 | 985 | 12.0 | 8.5 | 38.0 | 187 | 25.1 | 126 | 588 | ||
Персиановская степь, Ростовская обл. | Эталон | 1.2 | 7.35 | 1770 | 8.0 | 93.2 | 48.3 | 315 | 45.0 | 111 | 1150 |
<0.1 мм | 1.0 | 1770 | 8.3 | 101 | 49.2 | 311 | 48.9 | 109 | 1140 | ||
Незасоленные почвы других типов | |||||||||||
Хакасия, Ширинский р-н | Эталон | 1.9 | 7.88 | 2280 | 64.8 | 82.1 | 93.0 | 324 | 24.3 | 114 | 1580 |
<0.1 мм | 1.6 | 2630 | 83.6 | 101 | 109 | 365 | 33.1 | 147 | 1790 | ||
Тыва, Тандинский р-н | Эталон | 1.4 | 8.17 | 2320 | 100 | 107 | 53.6 | 385 | 96.4 | 92.9 | 1490 |
<0.1 мм | 1.9 | 2550 | 146 | 120 | 57.3 | 368 | 120 | 116 | 1620 | ||
Бурятия, Кяхтин-ский р-н | Эталон | 1.7 | 8.08 | 1960 | 9.4 | 59.9 | 46.0 | 412 | 45.0 | 72.4 | 1320 |
<0.1 мм | 1.7 | 1850 | 11.0 | 58.8 | 41.9 | 380 | 46.6 | 89.6 | 1220 | ||
Засоленные почвы | |||||||||||
Хакасия, Ширинский р-н, сульфатный тип | Эталон | 4.7 | 7.99 | 12 600 | 1150 | 43.3 | 608 | 1580 | 566 | 7170 | 1520 |
<0.1 мм | 4.6 | 13 900 | 1200 | 56.5 | 686 | 1940 | 592 | 7940 | 1530 | ||
То же, Усть-Абакан-ский р-н, содово-сульфатный тип | Эталон | 90 | 9.77 | 56 100 | 17 560 | 12.7 | 27.9 | 78.0 | 503 | 31 250 | 6670 |
<0.1 мм | 116 | 92 600 | 29 640 | 25.1 | 34.3 | 91.7 | 559 | 53 720 | 8580 | ||
Бурятия, Кяхтинский р-н, содовый тип | Эталон | 3.4 | 9.49 | 5540 | 1440 | 31.5 | 29.7 | 53.5 | 229 | 261 | 3500 |
<0.1 мм | 3.5 | 5040 | 1290 | 35.7 | 33.8 | 61.3 | 211 | 250 | 3160 | ||
То же, Мухоршибирс-кий р-н, хлоридно-сульфатный тип | Эталон | 9.4 | 8.42 | 20 100 | 5080 | 25.3 | 687 | 633 | 3360 | 8610 | 1740 |
<0.1 мм | 9.0 | 22 000 | 4800 | 27.1 | 810 | 856 | 3220 | 10 620 | 1630 |
Навески почв смешивали с дистиллированной водой в соотношении 1 : 10 и выдерживали 7 сут до установления равновесного состояния системы, фиксируемого по достижению постоянных величин pH и общего содержания растворимых солей в кинетических опытах. После этого водные вытяжки отфильтровывали через мембранный фильтр 0.22 мкм. В фильтрате определяли содержание фторидов с помощью ионоселективного электрода с мембраной из монокристалла LaF3 [15], концентрации натрия, калия, магния, кальция, хлоридов и сульфатов методом капиллярного электрофореза [16], а также величину общей щелочности, подавляющую часть которой составляют бикарбонаты, – объемным ацидиметрическим методом [17]. Погрешность измерений с учетом разбавления высокоминерализованных проб в 10 раз для определения растворимых макрокомпонентов методом капиллярного электрофореза не превышала ±5%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты определений содержания водорастворимого фтора и макрокомпонентов водорастворимых солей в изученных образцах почв представлены в табл. 1.
В черноземах содержание водорастворимого фтора находилось на уровне 1.1 ± 0.1 мг/кг, тогда как в других типах незасоленных почв оно было немного больше, составляя 1.4–1.9 мг/кг для недифференцированных эталонных образцов и 1.6–1.9 мг/кг для фракции <0.1 мм. Значительно более высокое содержание растворимого фтора отмечено в засоленных почвах: от 3.4 до 90 мг/кг – в эталонных образцах и от 3.5 до 116 мг/кг – во фракции <0.1 мм.
Между количествами водорастворимого фтора в эталонных образцах почв и фракции <0.1 мм установлена высокая корреляционная зависимость (r = 0.999), показанная на рис. 1, которая описывается уравнением:
Более высокое (примерно на 1/4) содержание водорастворимого фтора во фракции <0.1 мм можно рассматривать как подтверждение фракционирования почвенных компонентов по размерам, предполагавшееся М.А. Орловой [14].
Корреляциионные связи между содержаниями водорастворимого фтора и макрокомпонентами растворимых солей отчетливо прослежены только для натрия, сульфатов и бикарбонатов (сумма всех растворенных карбонатов выражена через эквивалентное количество ионов ${\text{Н С О }}_{{\text{3}}}^{ - }$), а также для общего содержания солей (М) (табл. 2).
Таблица 2.
Компонент | pH | М | ${\text{N}}{{{\text{a}}}^{ + }}$ | ${{{\text{K}}}^{ + }}$ | ${\text{M}}{{{\text{g}}}^{{2 + }}}$ | ${\text{C}}{{{\text{a}}}^{{2 + }}}$ | ${\text{C}}{{{\text{l}}}^{ - }}$ | ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ | ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
r | 0.67 | 0.97 | 0.98 | –0.30 | –0.11 | –0.20 | 0.09 | 0.97 | 0.93 |
Это позволило сделать вывод, что накопление фтора в водорастворимом комплексе почв идет параллельно накоплению сульфатов и карбонатов–бикарбонатов натрия, т.е. при сульфатно-натриевом и содовом засолении.
Относительно невысокий коэффициент корреляции содержания водорастворимого фтора с величиной pH (r = 0.67) не противоречит мнению Виноградова [18] о более интенсивном вымывании фтора из горных пород в щелочной среде. К тому же щелочные воды обладают более низкой способностью поглощать фтор [19].
Полученные результаты в целом согласуются с данными других авторов. Увеличение содержания водорастворимого фтора в почвах по мере повышения степени их засоления отмечено в работе [13], по данным которой количество водорастворимого фтора в зональных почвах, солонцах и солончаках составило соответственно 0.8–7.5, 1.0–10 и 3.0–16.0 мг/кг. Установлено, что в степной зоне Северного Казахстана почвы лесных ландшафтов содержали заметно меньше водорастворимого фтора (1.7–10.0 мг/кг), чем почвы степных ландшафтов (10.0–68.8 мг/кг) [12]. Высокое содержание водорастворимого фтора в этих почвах связано, по-видимому, с общим аномальным фоном изученной территории, в пределах которой содержание растворенного фтора в воде озер составило 4.2–12.6 мг/л. В работе [11] было установлено, что в почвах юго-восточного Забайкалья количество водорастворимого фтора меняется от 2 до 187 мг/кг, и было отмечено увеличение его содержания с ростом степени засоления почв.
А.П. Виноградов считал, что фтор выносится из почв, в которых его содержание меньше, чем в земной коре [18]. Этот вывод, по-видимому, соответствует действительности, за исключением территорий, характеризующихся развитием процессов засоления, где происходит накопление фтора, вынесенного из почв с промывным водным режимом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Содержание водорастворимого фтора в почвах территорий с засушливым климатом возрастает при увеличении степени их засоления и высоко коррелирует с общим содержанием растворимых солей (r = 0.97), а также с концентрациями растворимых натрия (r = 0.98), сульфатов (r = 0.97) и бикарбонатов (r = 0.93). Относительно невысокий коэффициент корреляции между содержанием водорастворимого фтора и величиной pH (r = 0.67) не противоречит существующим представлениям об увеличении подвижности фтора в щелочной среде.
Список литературы
Габович Р.Д. Фтор и его гигиеническое значение. М.: Медгиз, 1957. 251 с.
Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 299 с.
Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 236 с.
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
Шалина Т.И., Васильева Л.С. Общие вопросы токсического действия фтора // Сибир. мед. журн. 2009. № 5. С. 5–9.
Седова Е.В., Шаймухаметова А.А., Соколова Н.В. Поступление фтора в почву и растения и методы его определения // Агрохимия. 1984. № 6. С. 113–120.
Безикова О.А. Влияние уровней водорастворимого фтора в почвах на урожай и качество пшеницы // Химия в сел. хоз-ве. 1997. № 2. С. 32–33.
Танделов Ю.П. Фтор в системе почва–растение. Красноярск: РАСХН, 2012. 146 с.
Ильин В.Б., Сысо А.И., Конарбаева Г.А., Ермолов Ю.В. О некоторых вопросах биогеохимии на юге Западной Сибири // Сибир. экол. журн. 2007. № 5. С. 753–761.
Lakshmi D.V., Rao K.J., Ramprakash T., Reddy A.P.K. Monitoring of fluoride content in surface soils used for crop cultivation in Ramannapet Mandal of Nalgonda district, Telangana, India // Environ. Inter. J. Sci. Tech. 2016. V. 11. № 2–4. P. 59–67.
Филиппова Г.Р., Власова Н.А., Иванов А.В. Воднорастворимые формы галогенов в почвах водосборных площадей минеральных озер юго-восточного Забайкалья // Микроэлементы в биосфере и применение их в сельском хозяйстве и медицине Сибири и Дальнего Востока / Под ред. Филиппова В.Р. Улан-Удэ, 1971. С. 102–106.
Белякова Т.М. Уровни содержания и особенности миграции фтора в почвах степной зоны Северного Казахстана // Микроэлементы в ландшафтах Советского Союза. М.: Изд-во МГУ, 1969. С. 47–66.
Конарбаева Г.А. Галогены в природных объектах юга Западной Сибири: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. Новосибирск, 2008. 33 с.
Орлова М.А. Роль эолового фактора в солевом режиме территорий. Алма-Ата: Наука, 1983. 232 с.
Савенко В.С. Введение в ионометрию природных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 77 с.
Комарова Н.В., Каменцев Я.С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза “КАПЕЛЬ”. СПб.: Изд-во “Веда”, 2006. 212 с.
Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1971. 375 с.
Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 238 с.
Bower C.A., Hatcher J.T. Adsorption of fluoride by soils and minerals // Soil Sci. 1967. V. 103. № 3. P. 151–154.
Дополнительные материалы отсутствуют.