Показатели, влияющие на буферность основных типов почв Европейской части Юга России к ¹³⁷Cs в поверхностном слое (0-10 см)

Введение

Концепция буферности почвы проста, но предполагает глубокое понимание: почвы могут захватывать и удерживать различные молекулы, от питательных веществ до загрязнителей, играя решающую роль в круговороте и секвестрации этих веществ (Nú˜nez-Delgado, 2024). Однако химические, физические, биологические и климатические факторы, влияющие на буферность почвы и ее практическую полезность, многочисленны и сложны (например, pH, ЕКО, состав и концентрация органических веществ, содержание физической глины, пористость, биологическая активность, температура, осадки и т. д.) (Shaaban et al., 2018); (Chiou et al., 2000); (Balseiro-Romero et al., 2018); (Joo et al., 2011); (Martz et al., 2019).

Оценка буферности почв является важной стратегией распознавания рисков для растений и людей и принятия мер по улучшению защиты окружающей среды. В некоторых странах, таких как Канада, США и Австралия, были установлены индикаторы для управления почвенными ресурсами, связанные с устойчивым использованием почвы (уровень рН, рост биомассы дождевых червей, общее содержание органического азота, общий органический углерод и другие) (Glover et al., 2000); (Qi et al., 2009); (Volchko et al., 2014).

Цель исследования

Установить показатели почв, в большей степени влияющие на буферность некоторых типов почв Ростовской области к искусственному ¹³⁷Cs в поверхностном слое (0–10 см)

Материал и методы исследования

Объектом исследования стали аллювиально-луговая насыщенная мощная очень низкогумусная легкосуглинистая на аллювиальных погребенных отложениях и лугово-каштановая мощная среднегумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках почвы 30 км зоны наблюдения Ростовской АЭС.

Контрольный участок представленный лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвой (рис. 1а) расположен в Дубовском районе, в 2 км на юг от трассы Волгодонск-Жуковское и 30 м на юго-запад от указателя ст. Подгоренская. Представлен многолетней залежью с луговой растительностью. Аллювиально-луговая насыщенная мощная очень низкогумусная легкосуглинистая на аллювиальных погребенных отложениях почва (рис. 1б) приурочена к следующему контрольному участку. Участок расположен: Ростовская обл., Волгодонской р-он, 200 м на Юго-Запад от трассы Волгодонск – Цимлянск в пойме реки Дон со 100% проективным покрытием в виде луговой растительности (полынь, тысячелистник, эгилопс, кострец и др.).

Рис. 1 – Профили а) лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках б) аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почв

Определение удельной активности естественных и искусственного радионуклидов проводили гамма-спектрометрическим методом.

При определении гранулометрического состава образцы подготавливались пирофосфатный способом (метод Долгова-Личмановой), при дальнейшем определении ГМС методом пипетирования по А.А. Качинскому (Морозов и др., 2011).

Определение гумуса в почвенных образцах выполняли по методу Тюрина в модификации Симакова (Аринушкина, 1970).

Кислотность почв определяли согласно ГОСТ 26423–85 потенциометрическим методом.

Емкость катионного обмена определяли по ГОСТ 17.4.4.01-84 методом Бобко-Аскинази-Алешина в модификации ЦИНАО.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание органического вещества наряду с поступающими веществами, таких как растительные и животные остатки, зависит и от процессов минерализации и его миграцией с нисходящими токами влаги (Skalský et al., 2024).

Для аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почвы коэффициент вариации содержания гумуса в 0–10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м достигает 33 % (рис. 2), что более чем в два раза превышает погрешность метода (15 %).

Рис. 2 – Пространственное варьирование содержания гумуса (%), величины рН, емкости катионного обмена (ммоль (+ зарядов)/кг почвы) и содержания физической глины (%) в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почве в 0–10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м

Коэффициент вариации превышает погрешность метода и на участке с лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвой (19%) (рис. 3).

Рис. 3 – Пространственное варьирование содержания гумуса (%), величины рН, емкости катионного обмена (ммоль (+ зарядов)/кг почвы) и содержания физической глины (%) в лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почве в 0–10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м

Данное распределение гумуса в пределах элементарного квадрата 10 на 10 метров можно объяснить на уровне небольших масштабов до метра, где микрорельеф влияет на свойства почвы на коротких расстояниях (Kooijman, et al., 2019); (Pawlik and Kasprzak, 2015); (Šamonil et al., 2016).

Микрорельеф напрямую влияет на внутрипочвенный водный поток и процессы переноса, такие как эрозия и отложение почвенного материала, включая выщелачивание и перераспределение питательных веществ, что также сказывается на водном балансе почвы и ее аэрации. Следовательно, такие процессы почвообразования могут демонстрировать сильную зависимость от микрорельефа, действовать в различных пространственных масштабах и могут приводить к различным пространственным закономерностям свойств почвы. Данный факт подтверждается рельефом контрольных участков (рис. 4).

Рис. 4 – Микрорельеф аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях (а) и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках (б) почв по сетке 10 на 10 м

Стоит отметить, что в результате выхода реки из берегов, на аллювиально-луговой почве, которая сформирована в пойме Дона, наблюдается неравномерное перераспределения гумуса, и это становится причиной наибольшего коэффициента вариации по его содержанию.

Среднее значение рН в пределах исследуемого квадрата 10×10 м в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почве составляет 7,91 ед. рН с коэффициентом вариации 2 %.

Для лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвы в прямоугольнике 10×10 м среднее значение составляет 7,73 ед. рН и коэффициент вариации – 3 %, что не превышает погрешность метода.

Емкость катионного обмена в аллювиально-луговой почве варьирует в диапазоне от 18,4 до 29,0 ммоль (+ зарядов)/кг почвы, для лугово-каштановой – 20,1–35,7 ммоль (+ зарядов)/кг почвы. По емкости катионного обмена коэффициенты варьирования лежат в пределах погрешности метода (20%).

Содержание гранулометрических фракций <0.01 мм в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвах колеблется в узком диапазоне, не позволяющем говорить о перераспределении фракции физической глины при отборе по сетке 10 на 10 м в 0–10 см слое.

Рассмотренные выше физико-химические свойства почв наглядно коррелируют друг с другом и рельефом контрольных площадок исследования.

Объясняется данный факт пространственной диффузией, благодаря которой такие свойства почв, как содержание питательных веществ, pH почвы, количество гумуса, загрязняющих веществах в пределах одной области или ячейки сетки могут быть перенесены в соседние области или ячейки боковым потоком воды (MacMillan and Shary, 2009).

На рисунке 5, в виде картосхем, и в таблице 1 представлены результаты распределения искусственного ¹³⁷Cs (Бк/кг) в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях (а) и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках (б) почвах в 0-10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м.

Рис. 5 – Пространственное варьирование удельной активности ¹³⁷Cs (Бк/кг) в слое 0–10 см почв: аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях (а) и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках (б) при отборе по сетке 10×10 м

Наблюдается очень широкий диапазон варьирования удельной активности искусственного радионуклида ¹³⁷Cs, как в аллювиально-луговой (0,2–21,9 Бк/кг), так и в лугово-каштановой (5,1–31,6 Бк/кг) почвах в пределах исследуемого прямоугольника 10 на 10 м в слое 0–10 см при среднем содержании в нем в 10,3 и 19,6 Бк/кг соответственно (табл. 1).

Таблица 1 – Статистические данные поверхностного распределения удельной активности искусственного ¹³⁷Cs в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвах в слое 0–10 см при отборе по сетке 10 × 10 м

Коэффициент вариации¹³⁷Cs в аллювиально-луговой почве достигает 68 %, что в разы превышает ошибку метода. Данный факт можно объяснить корреляционной зависимостью распределения удельной активности искусственного радионуклида и гумуса почвы (Бураева, 2024). Подобная картина характерна и для лугово-каштановой почвы. В ней коэффициент корреляции достигает 28%.

Поверхностное распределения удельной активности естественных радионуклидов (²²⁶Ra и ²³²Th (Бк/кг)) в аллювиально-луговой и лугово-каштановой почвах в 0–10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м представлены на рисунке 6.

Рис. 6 – Пространственное варьирование удельной активности ²²⁶Ra и ²³²Th (Бк/кг) в слое 0–10 см почв: аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях (а) и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках (б) при отборе по сетке 10×10 м

Естественные же радионуклиды (²²⁶Ra, ²³²Th) в аллювиально-луговой и лугово-каштановой почвах распределены равномерно в 0–10 см слое при отборе по сетке 10 на 10 м. Их коэффициенты вариации лежат в пределах ошибки метода определения удельной активности радионуклидов (20%).

Для составления перечня показателей в большей степени влияющих на содержание естественных и искусственных радионуклидов был использован корреляционный анализ между изучаемыми физико-химическими свойствами почв и радионуклидами на примере аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях и лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках (табл. 2) почвах.

Таблица 2 – Коэффициенты корреляции удельной активности радионуклидов (¹³⁷Сs, ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K) с физико-химическими свойствами (гумус, рН, физ. глина и ЕКО) почв в 0–10 см

Как видно из полученных данных, сильная положительная корреляция (r>0,70≤1,00) в аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почве присуща удельной активности ¹³⁷Сs по отношению к содержанию гумуса, физической глине и ЕКО. Подобная корреляция наблюдается и для лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвы.

Для аллювиально-луговой и лугово-каштановой почв корреляционные силы емкости катионного обмена и удельной активности ²²⁶Ra, ²³²Тh и ⁴⁰K отсутствуют.

Умеренная отрицательная корреляция наблюдается в лугово-каштановой почве между удельной активности ¹³⁷Сs и кислотностью почвы. Этот же фактор в аллювиально-луговой почве характеризуются сильной отрицательной корреляцией (r=-0,77).

Также для аллювиально-луговой насыщенной мощной очень низкогумусной легкосуглинистой на аллювиальных погребенных отложениях почвы наблюдается умеренная отрицательная корреляция (r=-0,35) между удельной активность ²³²Th и содержанием гумуса почвы, умеренная положительная корреляция (r=0,35) между удельной активность ²³²Th и рН. В лугово-каштановой мощной среднегумусной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почве прослеживается умеренная положительная корреляция между ²²⁶Ra и гумусом (r=0,34) и содержанием физ. глины (r=0,33), а также умеренная положительная корреляция между ⁴⁰K и гумусом (r=0,33).

Заключение

Буферность изученных типов почв Ростовской области к искусственному ¹³⁷Cs в поверхностном слое (0-10 см) в большей степени обеспечивается содержанием гумуса и рельефом местности.

Список литературы

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: Изд-во МГУ, 1970. – 488 с.
2. Бураева Е.А. Радиоактивность почв Юга Европейской части: дис. … доктора биолог. наук: 1.5.19 Почвоведение – Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, 2022.– 466 с.
3. ГОСТ 17.4.4.01-84 Почвы. Методы определения емкости катионного обмена.
4. ГОСТ 26423-85 Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки.
5. Морозов, И.В., Морозова И.Ю, Моисеева Т.С. Учебно-методическое пособие к лабораторным занятиям по Физике почв Раздел «Физика твердой части почв». - Ростов н/Д: типография ЮФУ,2011. -69с.
6. Balseiro-Romero, M., Monterroso, C., Casares, J.J., 2018. Environmental fate of petroleum hydrocarbons in soil: review of multiphase transport, mass transfer, and natural attenuation processes. Pedosphere 28, 833–847.
7. Chiou, C.T., Kile, D.E., Rutherford, D.W., Sheng, G., Boyd, S.A., 2000. Sorption of selected organic compounds from water to a peat soil and its humic-acid and humin fractions: potential sources of the sorption nonlinearity. Sci. Technol. 34, 1254–1258.
8. Glover, J.D., Reganold, J.P., Andrews, P.K., 2000. Systematic method for rating soil quality of conventional, organic, and integrated apple orchards in Washington state. Ecosyst. Environ. 80 (1–2), 29–45.
9. Joo, J.C., Kim, J.Y., Nam, K., 2011. Sorption of nonpolar neutral organic compounds to model aquifer sands: implications on blocking effect. Environ. Sci. Heal. A. 46, 1008–1019.

• Kooijman A. M., Weiler H. A., Cusell C., Anders N., Meng X., Seijmonsbergen A. C., Cammeraat L. H. Litter quality and microtopography as key drivers to topsoil properties and understorey plant diversity in ancient broadleaved forests on decalcified marl //Science of the Total Environment. – 2019. – Т. 684. – С. 113-125.
• MacMillan R. A., Shary P. A. Landforms and landform elements in geomorphometry //Developments in soil science. – 2009. – Т. 33. – С. 227-254.
• Martz, M., Heil, J., Marschner, B., Stumpe, B., 2019. Effects of soil organic carbon (SOC) content and accessibility in subsoils on the sorption processes of the model pollutants nonylphenol (4-n-NP) and perfluorooctanoic acid (PFOA). Total Environ. 672, 162–173.
• Nú˜nez-Delgado, A., 2024. Frontier Studies in Soil Science, first ed. Springer, Cham, Switzerland.
• Pawlik Ł., Kasprzak M. Electrical resistivity tomography (ERT) of pit-and-mound microrelief, Mt Rogowa Kopa case study, the Stołowe Mountains, SW Poland //Landform Analysis. – 2015. – Т. 29.
• Qi, Y., Darilek, J.L., Huang, B., Zhao, Y., Sun, W., Gu, Z., 2009. Evaluating soil quality indices in an agricultural region of Jiangsu Province, China. Geoderma 149, 325–334.
• Šamonil P., Valtera M., Schaetzl R. J., Adam D., Vašíčková I., Daněk P., Janík D., Tejnecký V. Impacts of old, comparatively stable, treethrow microtopography on soils and forest dynamics in the northern hardwoods of Michigan, USA //Catena. – 2016. – Т. 140. – С. 55-65.
• Shaaban, M., Van Zwieten, L., Bashir, S., Younas, A., Nú˜nez-Delgado, A., Chhajro, M.A., Kubar, K.A., Ali, U., Rana, M.S., Mehmood, M.A., 2018. A concise review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution. Environ. Manag. 228, 429–440.
• Skalský R., Barančíková G., Makovníková J., Koco Š., Halas J., Kobza, J. Regional topsoil organic carbon content in the agricultural soils of Slovakia and its drivers, as revealed by the most recent national soil monitoring data //Environmental Challenges. – 2024. – Т. 14. – С. 100816.
• Volchko, Y., Norrman, J., Ros´en, L., Norberg, T., 2014. SFbox—a tool for evaluating the effects on soil functions in remediation projects. Integrated Environ. Assess. Manag. 10, 566–575.

References

1. Arinushkina E.V. Handbook of Chemical Analysis of Soils. - M.: Moscow State University Publishing House, 1970. - 488 p.
2. Buraeva E.A. Radioactivity of Soils of the South of the European Part: dis. ... Doctor of Biological Sciences: 1.5.19 Soil Science - Southern Federal University, Rostov-on-Don, 2022. - 466 p.
3. GOST 17.4.4.01-84 Soils. Methods for Determining the Cation Exchange Capacity.
4. GOST 26423-85 Soils. Methods for Determining the Specific Electrical Conductivity, pH, and Solid Residue of an Aqueous Extract.
5. Morozov, I.V., Morozova I.Yu., Moiseeva T.S. Textbook for Laboratory Classes on Soil Physics Section "Physics of the Solid Part of Soils". - Rostov n/d: printing house of Southern Federal University, 2011. - 69s.
6. Balseiro-Romero, M., Monterroso, C., Casares, J.J., 2018. Environmental fate of petroleum hydrocarbons in soil: review of multiphase transport, mass transfer, and natural attenuation processes. Pedosphere 28, 833–847.
7. Chiou, C.T., Kile, D.E., Rutherford, D.W., Sheng, G., Boyd, S.A., 2000. Sorption of selected organic compounds from water to a peat soil and its humic-acid and humin fractions: potential sources of the sorption nonlinearity. Sci. Technol. 34, 1254–1258.
8. Glover, J.D., Reganold, J.P., Andrews, P.K., 2000. Systematic method for rating soil quality of conventional, organic, and integrated apple orchards in Washington state. Ecosyst. Environ. 80 (1–2), 29–45.
9. Joo, J.C., Kim, J.Y., Nam, K., 2011. Sorption of nonpolar neutral organic compounds to model aquifer sands: implications on blocking effect. Environ. Sci. Heal. A. 46, 1008–1019.

• Kooijman A. M., Weiler H. A., Cusell C., Anders N., Meng X., Seijmonsbergen A. C., Cammeraat L. H. Litter quality and microtopography as key drivers to topsoil properties and understorey plant diversity in ancient broadleaved forests on decalcified marl //Science of the Total Environment. – 2019. – Т. 684. – С. 113-125.
• MacMillan R. A., Shary P. A. Landforms and landform elements in geomorphometry //Developments in soil science. – 2009. – Т. 33. – С. 227-254.
• Martz, M., Heil, J., Marschner, B., Stumpe, B., 2019. Effects of soil organic carbon (SOC) content and accessibility in subsoils on the sorption processes of the model pollutants nonylphenol (4-n-NP) and perfluorooctanoic acid (PFOA). Total Environ. 672, 162–173.
• Nú˜nez-Delgado, A., 2024. Frontier Studies in Soil Science, first ed. Springer, Cham, Switzerland.
• Pawlik Ł., Kasprzak M. Electrical resistivity tomography (ERT) of pit-and-mound microrelief, Mt Rogowa Kopa case study, the Stołowe Mountains, SW Poland //Landform Analysis. – 2015. – Т. 29.
• Qi, Y., Darilek, J.L., Huang, B., Zhao, Y., Sun, W., Gu, Z., 2009. Evaluating soil quality indices in an agricultural region of Jiangsu Province, China. Geoderma 149, 325–334.
• Šamonil P., Valtera M., Schaetzl R. J., Adam D., Vašíčková I., Daněk P., Janík D., Tejnecký V. Impacts of old, comparatively stable, treethrow microtopography on soils and forest dynamics in the northern hardwoods of Michigan, USA //Catena. – 2016. – Т. 140. – С. 55-65.
• Shaaban, M., Van Zwieten, L., Bashir, S., Younas, A., Nú˜nez-Delgado, A., Chhajro, M.A., Kubar, K.A., Ali, U., Rana, M.S., Mehmood, M.A., 2018. A concise review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution. Environ. Manag. 228, 429–440.
• Skalský R., Barančíková G., Makovníková J., Koco Š., Halas J., Kobza, J. Regional topsoil organic carbon content in the agricultural soils of Slovakia and its drivers, as revealed by the most recent national soil monitoring data //Environmental Challenges. – 2024. – Т. 14. – С. 100816.
• Volchko, Y., Norrman, J., Ros´en, L., Norberg, T., 2014. SFbox—a tool for evaluating the effects on soil functions in remediation projects. Integrated Environ. Assess. Manag. 10, 566–575.

Статья поступила в редакцию 31 мая 2025 г.

Поступила после доработки 9 июня 2025 г.

Принята к печати 9 июня 2025 г.

Received May 31, 2025

Revised June 9, 2025

Accepted June 9, 2025