АГРОХИМИЯ, 2014, № 11, с. 62-73
УДК 546.56:546.47:546.48:631.445.57(620):631.67
МИГРАЦИЯ МЕДИ, ЦИНКА И КАДМИЯ В АРИДНЫХ ПОЧВАХ ЕГИПТА, ОРОШАЕМЫХ ПРИРОДНЫМИ И ГОРОДСКИМИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ*
© 2014 г. А.С. Фрид1, М.А. Гома Ботхина Саад2, Т.И. Борисочкина1
1Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, Россия 2Российский университет дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 8/2, Россия E-mail: asfrid@mail.ru
Поступила в редакцию 14.07.2014 г.
Констатировано наличие заметной миграции Cu, Zn и Cd в длительно орошаемых почвах Египта. Для описания распределения элементов по профилям почв апробированы математические модели миграции (диффузионная и конвективно-диффузионная), показана их адекватность и оценены параметры. Величины коэффициентов диффузии (D) и конвективной диффузии (Dk) наибольшими были для Cd (порядка 10-7-10-5 см2/с), меньше для Cu (10-7-10-6), еще меньше для Zn (10-7-10-6). Для кадмия это соответствует скорости диффузии в водных растворах, что свидетельствует о практическом отсутствии его закрепления в слоях почвы. Изменение фракционного состава этих элементов в почвах при орошении различными водами показало некоторое соответствие с изменением параметров моделей миграции для Zn и Cd.
Ключевые слова: медь, цинк, кадмий, орошение природными и городскими сточными водами, Египет, математические модели миграции.
ВВЕДЕНИЕ
Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека [1]. Городские сточные воды обычно содержат большое количество тяжелых металлов - Сё, Си, Бе, Мп, N1, РЬ, Zn, потому их использование для орошения и удобрения на сельскохозяйственных угодьях может приводить к накоплению в почвах тяжелых металлов. Обычно считают, что накопление происходит в основном в пахотном слое, но часто городские сточные воды используют многие столетия, и загрязнение затрагивает более глубокие слои почвы. Все это зависит от способов орошения, сорбционной способности почв по отношению к тяжелым металлам, характеристик самих сточных вод.
Известна способность некоторых тяжелых металлов (ТМ) связываться с органическими соединениями, переходить в коллоидное и пред-коллоидное состояния, что может сказываться на
* Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ (проект № 11-04-00651-а).
миграционной подвижности элементов в почвах. Как отмечал Д.С. Орлов [2], транспортная функция сравнительно легкорастворимых комплексных соединений гумусовых кислот с металлами [3] до некоторой степени противостоит аккумулятивной функции гумусовых веществ, и эта противоречивость обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на минеральные компоненты почв.
В работах [4, 5] изучены лизиметрические воды на бурых лесных и бурых горно-лесных почвах Сихотэ-Алиня (Дальний Восток России) в зоне действия предприятия цветной металлургии. Диапазон кислотности лизиметрических вод изменялся от кислых до слабощелочных. Интенсивные муссонные дожди способствуют промыванию почв, что является некоторым аналогом орошения. Найдено, что загрязняющие почву ТМ в лизиметрических водах в заметной степени находились в тонковзвешенном, предколлоидном и коллоидном состояниях, что способствовало их миграции в глубь почвы.
Для сорбции катионных форм элементов, коагуляции коллоидов существенное значение имеет
концентрация солей в оросительной воде и почве. Это хорошо показано в модельных опытах с карбонатными почвами Узбекистана на примере 908г, 137Сз, 60Со [6], когда использование минерализованной воды заметно ускоряло миграцию элементов в глубь почвы по сравнению с пресной водой.
Показано, что в почвах медь накапливается преимущественно в виде фракций, связанных с органическим веществом и железистыми минералами [7, 8]. Считается, что поглощенная органическим веществом медь трудно вымывается из почвы. Для цинка коэффициент диффузии даже в чистом сильно разбавленном растворе соли в зависимости от рН может изменяться более чем на порядок [9], что автор объясняет в том числе коллоидообразованием. В результате экспериментальных полевых и лабораторных исследований на целинной подзолистой и окультуренной дерново-подзолистой тяжело суглинистой почве пришли к выводу об образовании миграционноспособных водорастворимых металлоорганических соединениях цинка (с использованием радиоактивной метки 6^п) в лесных подстилках и о слабом проявлении этого процесса в пахотном горизонте, где вертикальная миграция цинка в течение года практически не проявлялась [10].
Из обзора [11] следует, что кадмий в кислых почвенных растворах присутствует в формах Сё2+, СёС1+, Сё804, а в известковых почвенных растворах добавляется еще ион СёНС03+; наиболее подвижен кадмий в почвах в интервале рН 4.5-5.5 и менее подвижен в щелочных почвах. Кадмий сорбируется в почвах на оксидах Бе, Мп, глинистых частицах и органическом веществе. В то же время отмечено, что кадмий не образует комплексов (очевидно, растворимых) с органическими лигандами.
Сведений о параметрах миграции Zn и Сё в почвах (коэффициентах диффузии) найдено немного, особенно, для кадмия [12-14], информации по меди не найдено совсем, кроме предыдущей работы авторов [15]. Разброс этих величин очень широк: для Zn - от 1 • 10-11 до 3 • 10-7 см2/с; для Сё - от 4 • 10-11 до 1 • 10-8 см2/с (расчет для порового раствора тех же почв: от 1 • 10-7 до 12 • 10-7 см2/с). Справочные данные для диффузии в водных растворах [16, 17]: Zn - (10-20) • 10-6 (по [9] - (4-20) • 10-6 в диапазоне рН 7.2-9.2; в почвенном растворе - 5 • 10-6 [18]), Си -(7-8) • 10-6, Сё - (3-7) • 10-6.
Применение математических моделей к миграции ТМ в почвах в литературе описано слабо. Более того, в обзоре [19] высказано даже некоторое пренебрежение к использованию упрощенных моделей миграции, указано на приоритет изуче-
ния механизмов процессов, происходящих при попадании ТМ в почву. Кроме того, по-видимому, преобладает мнение, что ТМ почти не мигрируют в почве при загрязнении, или эта миграция несущественна с точки зрения оценки загрязнения.
Однако есть конкретные работы, где миграция ТМ в глубь почвы зафиксирована: в почвах г. Москва [20], передвижение в подпахотные горизонты при внесении осадков сточных вод [21, 22], передвижение ТМ за десятки лет в почвах в зонах действия металлургического комплекса [23-25], при нанесении на почву пирит-ных отходов флотации [26], не говоря о лабораторных опытах в колонках [27, 28].
Одной из причин недооценки миграции ТМ в почвах является методическая: требуется отбирать для аналитических исследований тонкие, не более 1 см, слои почвы от поверхности для ненарушенных почв или ниже пахотного слоя для обрабатываемых почв [23, 29], а это достаточно трудоемко. Другая причина - ожидание быстрой миграции за несколько месяцев или лет, но чаще для надежного исследования нужны десятки лет загрязнения.
В отношении математического моделирования авторы считают, что результаты изучения миграции дают обобщенную (результирующую) картину всех процессов, происходящих в почве, а величины параметров моделей миграции в конкретных полевых условиях (не в лабораторных колонках) дают очень существенную информацию, от которой можно оттолкнуться для интерпретации реальных процессов в почве и окружающей среде. Наконец, важно иметь представление о том, как долго миграцией ТМ в почвах можно пренебрегать с точки зрения загрязнения окружающей территории и грунтовых вод, а ответить на этот вопрос без динамических математических моделей затруднительно.
Конечно, использование сравнительно простых математических моделей миграции требует некоторых упрощающих допущений, но зато они имеют немного параметров, что упрощает верификацию моделей, и в большинстве случаев дают правильную качественную картину явления.
Цель работы - оценить адекватность применения миграционных математических моделей к передвижению ТМ по профилю почв Египта при длительном орошении природными и городскими сточными водами (на примере меди, цинка и кадмия), т.е. в полевых условиях со всеми сопутствующими неопределенностями. Настоящая работа является продолжением и уточнением предыдущей, посвященной только миграции меди [15].
В Египте, как известно, преобладает орошаемое земледелие с использованием речных и грунтовых вод. По причине их недостатка дополнительно используются сточные воды, в том числе городские. Влияние последних на плодородие почв, в том числе на их загрязнение, изучено недостаточно [30], причем основное внимание уделено степени загрязнения почв [31].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые экспериментальные исследования проводили в Египте в районе г. Александрия. Две площадки расположены на аллювиальных почвах озерного происхождения (суглинки легкие песчаные): староорошаемая речными водами более 40 лет и орошаемая городскими сточными водами г. Александрия, прошедшими механическую и биологическую очистку, в течение 20 лет (участок 1).
Другие 2 площадки расположены в оазисе Ливийской пустыни на супесчаной желто-бурой пустынной почве: орошаемая грунтовыми водами до 30-40 лет и орошаемая теми же городскими сточными водами г. Александрия в течение 20 лет (участок 2).
Отбор почвенных образцов производили как по горизонтам, так и по слоям. Так как на данных площадках загрязнение явно проникало глубже пахотного слоя, для моделирования можно было использовать данные для всех изученных слоев почвы до 150 см. Исследования проводили в течение 3-х лет. Данные по содержанию меди, цинка и кадмия в слоях почвы усредняли за эти 3 года. На обоих участках выращивали кукурузу на зеленую массу. Повторно сть каждого варианта трехкратная, площадь одной делянки - 168 м2 (5.6 х 30 м).
Оросительная норма за вегетационный период (~3 мес.) в среднем за 3 года составила для аллювиальной почвы 7800, для пустынной -9400 м3/га (эти числа больше, чем было указано в [15], где не был учтен предпосевной полив).
Валовое содержание ТМ в почве определяли полуколичественным методом спектрального анализа, фракционный состав - по А. Тез-э1ег и др. [32] (обменные - 1М СН3COONH4 при рН 7.0, сорбированные на карбонатах - то же при рН
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.