ПРЕДПОСЫЛКИ ФОРМИРОВАНИЯ БУФЕРНОСТИ ПОЧВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОРУДНОГО ПРОИЗВОДСТВА И В УСЛОВИЯХ АКТИВНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В АГРОЛАНДШАФТАХ

Согласно существующим представлениям

Цель работы состояла в определении для пахотных почв Старооскольско-Губкинского горнопромышленного района Курской магнитной аномалии (КМА) превышений содержания ключевых тяжелых металлов относительно впервые обоснованного регионального геохимического фона и установлении территориальных особенностей буферной способности почв на основе интеграции данных о распределения показателей содержания органического вещества, доли частиц < 0,01 мм и кислотности почв. Большая часть Белгородской области относится к природно-территориальному комплексу типичной лесостепи, который характеризуется наибольшими высотами на западных отрогах Среднерусской возвышенности с близким залеганием кристаллических пород Воронежской антеклизы

Почвы агроландшафтов в ареале влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района помимо проявлений деградационных процессов, как правило, сопровождающих современные агротехнологии, испытывают воздействие аэротехногенного загрязнения. Считается

Химико-аналитические результаты получены в испытательной лаборатории Белгородского филиала ФГБУ «РосАгрохимслужба». Содержание почвенного органического вещества (ПОВ, %) определено согласно ГОСТ 26213-2021, содержание общего азота в почве (Nвал., %) по ГОСТ Р 58596-2019, величина рН водной вытяжки по ГОСТ 26423-85. Определение содержания в почве подвижного органического вещества (лабильный гумус и содержание в нем углерода) проводили по методике М.А. Егорова

C целью определения территориальных особенностей перераспределения в атмосфере выбросов пыли, образующейся при взрывах на рудниках и выдуваемой ветром из стенок карьеров, отвалов и хвостохранилищ, продуктов термической обработки сырья или сжигания топлива производствами коммунально-бытовых служб городов, горнодобывающей промышленности, другими производствами, была выбрана ассоциация из четырех тяжелых металлов, которые характеризуются одними из наиболее высоких величии коэффициентов атмогеохимической активности таких тяжелых металлов (ТМ), как Cd, Pb, Cu, Zn. Содержание ТМ определяли в двух повторениях, а при наличии недопустимых расхождений между результатами первой и второй повторности выполняли последующие повторения до достижения приемлемого результата. Если по точкам отбора на территории КМА (n=337) проводили сопряженные определения содержания ТМ (Cd, Pb, Cu, Zn), ПОВ, pH, то из-за трудоёмкости определения гранулометрического состава содержание частиц < 0,01 мм определяли путем совмещения картосхемы отбора с почвенной картой с целью координирования каждой точки с качественней градацией классификации почв Н.А. Качинского для степного типа почвообразования и включения в базу данных среднего содержания физической глины по каждой градации.

Для построения картосхем, учитывая необходимость унификации разных единиц измерения почвенных параметров, было проведено их нормирование. При этом использовано две формулы, т.к. у величин pH и содержания частиц < 0,01 мм можно установить оптимальные значения, от которых уменьшение или увеличение величин ухудшают их влияние на качество почв, а по содержанию органического углерода (Сорг) величины выше оптимального значения можно расценивать как избыточные.

Формулы преобразования почвенных параметров с учетом оптимального значения имеют следующий вид:

если Xi < = OPT, то Ni = (Xi – Min (X)) / (OPT – Min (X));

если Xi > OPT, то Ni = 1 – (Xi – OPT) / (Min (X) – OPT)).

где:

Xi — исходное значение показателя;

Ni — преобразованное значение показателя;

OPT — оптимальное значение (45,5% для гранулометрического состава, 3,474% для содержания органического углерода, 7 для pH);

Min (X) — минимально возможное (но не в выборке) значение показателя: для содержания органического углерода и доли частиц < 0,01 мм Min (X) = 0%, для pH Min (X) = 3,5;

Max (X) — максимально возможное значение показателя: для гранулометрического состава Max(X) = 100%, для содержания органического углерода Max (X) = 6,948% (соответствует содержанию гумуса 12%), для pH Max (X) = 10,0.

Формула преобразования для органического углерода, при которой после достижению оптимума состояние почвы остается стабильным, имеет вид:

если Xi < = OPT, то Ni = (Xi – Min (X)) / (OPT – Min (X));

если Xi > OPT, то Ni= 1.

Интегральная оценка качества почв (SQ) была определена путем расчета среднегеометрического значения по трем почвенным факторам, т.е. способом, что применяется в обновленном индексе Стори (Storie index), и целесообразность которого была обоснована при обобщении цифровых данных о почвах, аккумулированных в Министерстве сельского хозяйства США

Профиль целинных чернозёмов лесостепной зоны отражает закономерное ослабление потенциала почвообразования с глубиной, что подтверждают основные показатели физико-химических свойств отдельных горизонтов (табл. 1). Наиболее резко с глубиной (относительно свойств гор. А) уменьшается содержание ПОВ и подвижного фосфора, а также емкость поглощения. Горизонт А целинных чернозёмов лесостепной зоны характеризуется очень темно-серой окраской (10 YR 3/1) в сухом состоянии почвы и черной (10 YR 2/1) во влажном состоянии, которая определяется высоким содержанием гумуса.

Эталонная почва луговой степи — чернозем типичный мощный тучный на лессовидном суглинке был описан в границах заповедного участка «Ямская степь». Близость к заповедному участку железорудного производства КМА стимулировала регулярный мониторинг почв с целью прогноза негативных изменений, обусловленный аэральным переносом загрязнителей. Очевидно, что наиболее важным объектом такого мониторинга выступает самый верхний слой почвенно-растительного покрова. Проведенные в июле 2025 г. исследования опирались на данные из трех опорных почвенных разрезов (табл. 2). От узкого водораздела (разр. 294) с абсолютными высотами 218-219 м были заложены два разреза на приводораздельных пологих разноэкспонированных склонах (разр. 292 и 295 на расстоянии от водораздела 503 м и 490 м соответственно). Почвы разр. 292 и 294 сходные — черноземы миграционно-мицеллярные мощные среднекарбонатные, в разр. 295 — черноземы темногумусовые мощные глубококарбонатные. Почвенная прикопка (разр. 292-1), позволившая выделить подгоризонты в гумусово-аккумулятивном горизонте (гор. А), и по соседству скважина (разр. 292-2) с послойным отбором на всю мощность гор. А, характеризовали кустарниковую разнотравно-луговую степь, под которой сформировались черноземы типичные мощные, по гумусированности переходные от среднегумусных к тучным. В гумусово-аккумулятивном горизонте целинной почвы содержание валовых форм азота постепенно уменьшается с глубиной (табл. 2), что находит свое отражение в закономерном переходе от низкой градации обогащённости гумуса азотом по соотношению C:N (11–14) до очень низкой (>14). Содержание подвижных форм гумуса достигает максимальных величин в зоне активной трансформации растительного вещества (до 15–18 см), а в более глубоких слоях закономерно снижается, что соразмерно отражается и в профильном изменении содержания углерода в лабильном гумусе.

Анализ данных табл. 3 показывает, что дерновинный горизонт по сравнению с нижележащим слоем (гор. А) в разр. 292-1 характеризуется более высокой аккумуляцией Co и As (в 1,3 и 1,1 раза соответственно), но при этом он более обеднен ассоциацией из шести ТМ, которые формируют следующий ранжированный возрастающий ряд: Pb > (Cu, Cr, Ba) > (Ni, V). Верхняя часть горизонта А в разр. 292-2 характеризуется существенным обогащением по сравнению с нижней частью этого горизонта такими ТММ, как Co и Pb, а также Fe и Mn. Определённую тенденцию профильной миграции ТММ можно диагностировать, если сравнить концентрации элементов в слое 18–38 см (разр. 292–2) со средними величинами по трем слоям, охватывающих меньшую толщу почвы (0–26 см в разр. 292–1). С глубиной отмечается рост содержания As (в 1,3 раза), а также Ni, Cu, Zn (в 1,1 раза). Несмотря на близость почв заповедной степи к железорудному производству, в них отмечена слабая вариативность содержания оксидов железа и марганца.

Первоначально в качестве регионального почвенного стандарта предполагалось использовать данные по чернозему из заповедного участка «Ямская степь». Однако, исходя из результатов сравнительного анализа объектов в табл. 4, данные по почвам Ямской степи, расположенной вблизи отвалов Лебединского ГОКа, не были включены в обоснование величин РГФ, так как по всем четырем ТМ отмечено некоторое превышение фоновых значений для регионов вне влияния железорудного производства (участок «Лес на Ворскле», целина на бровках балок и речных долин) (рис. 1): при близкой величине концентрации кадмия (0,36 мг/кг), содержание цинка больше РГФ на 13, меди на 5,3, свинца на 4,5 мг/кг. Содержание Fe2O3 (по Тамму) в почве ЗУ «Ямская степь» составляет 0,27±0,07%; V=83% (n=12) (для сравнения в почве ЗУ «Лес на Ворскле» — 0,21%), тогда как в почвах техногенных ландшафтов КМА диапазон концентраций оксида железа находится в пределах от 0,2 до 3,7 % (с максимумом до 5,7%).

Исследования в почвах ЗУ «Ямская степь» подвижных форм металлов при рН=4,8

Рисунок 1 - Соотношение содержания органического вещества (ОВ) и группы тяжелых металлов в пахотных почвах Старооскольско-Губкинского горнопромышленного района и в целинных почвах (РГФ)

DOI:10.60797/IRJ.2026.163.23.5

Территориальное распределение содержания в почве гумуса (органического вещества (ОВ)), которое продемонстрировано на рис. 2, обобщённо представлено в виде гистограммы (рис. 3). По массиву эмпирических данных среднее арифметическое содержание ПОВ в районе исследования составило (х±t05Sx) = 5,05±0,14 % при величине коэффициента вариации (V) равном 26%. За счет почвенного разнообразия территории изучения получены данные, которые корреспондируются с оценками гумусированности почв для всего региона. Так, по последним данным

[17]

, установлено, что благодаря внедряемой в Белгородской области программе по воспроизводству в агропочвах органического вещества средневзвешенное его содержание достигло к 2022 г. величины 5,3%.

Однако, при этом, опираясь на данные зонального эталона (табл. 2), общая оценка дегумусирования пахотных почв достигла 56–60%. Отрицательная асимметрия эмпирической кривой распределения (As = -0,22) обусловлена тем, что число вариант находится слева от моды (5,5%), а некоторая двухвершинность кривой отражается в величине эксцесса (Ex = 0,03) и при этом большинство значений признака группируется возле средней арифметической (5,05%). Разнородность выборки (наличие области гистограммы с величинами содержания ПОВ < 3,5%) обусловлена тем, что левобережная часть долины р. Оскол в границах Старооскольского района отличается распространением зандрового типа местности и надпойменной боровой террасы с почвами легкого гранулометрического состава (супесчаного и песчаного), которые по обобщенным данным в среднем содержат ПОВ 2,81±0,19%. Примечательно, что по СанПиН 1.2.3685-21 величины ПДК/ОДК (мг/кг) с учетом фона (кларка) детализируются применительно к песчаным и супесчаным почвам и различающимся по кислотности.

Рисунок 2 - Распределение содержания органического вещества (гумуса) на землях в зоне влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района

DOI:10.60797/IRJ.2026.163.23.6

Рисунок 3 - Гистограмма распределения органического вещества по количеству вариантов (n=337)

DOI:10.60797/IRJ.2026.163.23.7

Роль почвенного органическое вещество в инактивации поллютантов трудно переоценить. Механизмы закрепления в почве определённой ассоциации микроэлементов (тяжелых металлов) во многом обусловлены насыщенностью минеральной матрицы почв органическим веществом, так как растительные остатки (поверхностный опад и корни), а также плазма микроорганизмов содержат значительное количество этих микроэлементов. Буферность почв по своей сути является интегративным показателем, так как она выражается в способности почвенной системы аккумулировать поллютанты, удерживать их в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК) и ограничивать их поступление в почвенный раствор. При этом эффективность буферности почв во много определяется количеством и качеством органического вещества, гранулометрическим составом, а также кислотностью почв, степенью насыщенности ППК основаниями и другими факторами

[18]

. Исходные данные, привлеченные для установления особенностей территориального распределения буферности почв, включали содержание органического углерода, величины pH и долю физической глины (ФГ) (табл. 5).

При загрязнении почв ТМ наиболее значительно на буферность почв влияет сорбционный фактор, который обусловлен гумусированностью почвы, ее гранулометрическим составом и емкостью катионного обмена, но при этом важно учитывать и кислотно-щелочной фактор, определяемый гидролитической кислотностью и величиной рН почвы. Используя непреобразованные данные величин pH и доли частиц < 0,01 мм, с использованием пакета relaimpo

Рисунок 4 - Интерполированные величины почвенных показателей в зоне влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района КМА

Примечание: A) Сорг, %; B) рН; С) содержания частиц < 0,01 мм, %; D) качества почв SQ

DOI:10.60797/IRJ.2026.163.23.9

Варьирование почвенных показателей в зоне влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района обусловлено, прежде всего, природным разнообразием почвенного покрова. Следует отметить, что почвенный покров на основной территории исследования сформирован преимущественно на лессовидных суглинках и глинах тяжело- и среднесуглинистого состава, которые в целом в регионе занимают 81% площади.

Наиболее значительные различия наблюдаются между правобережной частью бассейна р. Оскол, где почвы чернозёмного ряда имеют преимущественно суглинистый и глинистый гранулометрический состав, и левобережной частью, представленной, в основном супесчаными почвами. Доля площадей земель, для которых получены наибольшие величины нормированного качества почв (SQ = 0,70–0,92), составляет 63% от общей площади района исследования и это в основном правобережная часть бассейна р. Оскол. Как показывает сравнение рис. 4С и рис. 4D, наиболее низкие величины нормированного качества почв (SQ < 0,5) обусловлены преимущественно пониженным содержанием частиц < 0,01 мм.

Для земель, расположенных на левобережье Поосколья, наблюдается наибольшая контрастность величин коэффициента радиальной дифференциации (Kр), что характеризует различия в интенсивности процессов миграции, аккумуляции и рассеивания химических элементов по профилю. В частности, для почв песчаного и супесчаного гранулометрического состава с невысоким потенциалом почвенно-поглощающего комплекса и промывным водным режимом характерна миграция тяжелых металлов в глубокие горизонты почв (Kр <1). Кроме того, почвы с содержанием частиц < 0,01 мм не более 20% по обобщенным данным в среднем содержат ПОВ в два раза меньше, чем на правобережье Поосколья, что в целом сильно ограничивает буферную способность почв, препятствуя эффективной инактивации тяжелых металлов аэротехногенного происхождения.

Результатами ГИС-картографирования установлены значительные различия буферной способности почв, где распространены среднесуглинистые и тяжелосуглинистые разновидности почв, у которых среднее содержание органического вещества в два раза превышает гумусированность почв легкого гранулометрического состава (супесчаного и песчаного) на левобережье Поосколья. Зоны воздействия таких промышленных предприятий, как Лебединский и Стойленский ГОКи, комбинат КМА-руда распространяются на земли с наибольшими величинами нормированного качества почв (0,70-0,92), отличающимися относительно высокой буферной способностью почв, что позволяет прогнозировать дальнейшую аккумуляцию тяжелых металлов и расширение ореола устойчивого загрязнения почв.

На левобережной части бассейна р. Оскол, где расположен Оскольский электрометаллургический комбинат и доминируют почвы невысокой буферной способности (супесчаного гранулометрического состава с менее эффективным почвенно-поглощающим комплексом) и промывным водным режимом, происходит вертикальная миграция тяжелых металлов в толще почво-грунтов, что может привести к загрязнению незащищенных горизонтов подземных вод. Региональный почвенный эталон — заповедный участок «Ямская степь», сохраняя обусловленный биоклиматическим потенциалом стандарт по основным физико-химическим свойствам, в эколого-геохимическом отношении утратил свой эталонный статус из-за аэротехногенного загрязнения гумусово-аккумулятивного горизонта почв (преимущественно цинком, медью и свинцом).