1. Введение

Согласно существующим представлениям [1], [2], почвенную матрицу, которая прямо или косвенно влияет на все свойства почвы, формирует, чаще унаследованный от материнской породы гранулометрический состав, и состояние гумуса. Педотрансферная функция «гранулометрический состав — гумусоаккумулятивная способность» опирается на механизм влияния водно-воздушного режима почв на трансформацию растительного вещества (преимущественно корневых остатков) и его гумификацию [3]. Однако при поиске статистических зависимостей между гранулометрическим составом и гумусом даже с такими фракциями, как физическая глина и ил, коэффициенты корреляции оказались невысокими (до 0,40), что можно объяснить влиянием значительного количества промежуточных звеньев, которые вносят свой специфический вклад в процесс трансформации растительных остатков [3]. Комплексообразующая функция почвенного органического вещества (ПОВ), вовлекающая глинистые минералы и (гидро)оксиды металлов посредством физических или химических процессов, позволяет снизить или минимизировать минерализацию органического углерода организмами и повысить его устойчивость [4]. Проведенные ранее мониторинговые исследования влияния выбросов загрязняющих веществ от промышленных производств и автотранспорта на экологическое состояние почв [5] показали, что в гумусовом горизонте агропочв повышенные концентрации поллютантов коррелируют с содержанием гумуса и физической глины. Аналитически определяемое распределение гранулометрических элементов выступает лишь косвенным признаком потенциала почв в инактивации загрязнителей, из-за того, что именно глинистые минералы из илистой фракции наиболее эффективно участвуют в более сложных процессах формирования органо-минеральных соединений и различных типов микро- и макроструктуры почвы [6], [7]. Важной составляющей почвенно-экологического мониторинга и прогноза времени превышения допустимых экологических норм является пространственный анализ различий устойчивости почв к воздействию поллютантов, то есть факторов, обусловливающих буферность почв.

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 [8]. Этот регион, в котором разведаны 5 месторождений богатых руд и 9 месторождений железистых кварцитов, составляет основу железорудной промышленности КМА, с такими крупными недропользователями Белгородской области, как Лебединский и Стойленский горно-обогатительные комбинаты.

2. Методы  исследования

Почвы агроландшафтов в ареале влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района помимо проявлений деградационных процессов, как правило, сопровождающих современные агротехнологии, испытывают воздействие аэротехногенного загрязнения. Считается [9], что даже в 140 км от Стойленского и Лебединского ГОКов выявляется в почвах более высокое содержание Cr, Zn, V, Ba по сравнению с фоновыми значениями. Объектом, который мог бы стать потенциальным эталоном сравнения почвенных свойств для зоны экологического воздействия Старооскольско-Губкинского промышленного района, выбран близко расположенный и последний сохранившийся в Белгородской области участок плакорных луговых степей — «Ямская степь» (на площади 566 га), который входит в состав ГПЗ «Белогорье». Кроме того, для обоснования регионального геохимического фона (РГФ) автором привлечены данные по удаленным от КМА заповедным участкам.

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 [10]. Окраску почвы (сухие/влажные образцы) диагностировали с помощью кодов системы Манселла [11].

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. 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 (), и целесообразность которого была обоснована при обобщении цифровых данных о почвах, аккумулированных в Министерстве сельского хозяйства США [12]. Интерполированные растры значений величин Сорг, pH, содержания частиц < 0,01 мм и показателя SQ были получены в ПО ArcGIS 10.5 с помощью метода обратного взвешенного расстояния (ОВР).

3. Результаты исследований и их обсуждение

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 [13] показало, что в верхнем горизонте черноземов содержание кадмия в среднем (n=23) составляло 0,17 мг/кг (с максимумом до 0,49 мг/кг), а железа 4,24 мг/кг (с максимумом до 8,0 мг/кг). Эти данные свидетельствуют об определённой степени аэротехногенного загрязнения верхнего горизонта почв заповедной степи.

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.

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 [19] был определён в R их вклад в содержание Cорг (рис. 4А). Величины pH определяют 12,35% дисперсии величин Cорг, тогда как представление в анализе оцифрованных качественных градаций гранулометрического состава сильно снизило оценку его вклада в величину дисперсии значений Cорг. При рассмотрении территориальных закономерностей распределения величин рН (рис. 4В) следует учитывать, что помимо природной разнородности почв региона (левобережное Приосколье в XVI в. было занято нагорными дубравами на серых лесных почвах), на подкисление почв оказывает влияние выпадение кислотных (рН = 3–4) атмосферных осадков вокруг промышленных центров [20].

Варьирование почвенных показателей в зоне влияния Старооскольско-Губкинского промышленного района обусловлено, прежде всего, природным разнообразием почвенного покрова. Следует отметить, что 

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.

4. Заключение

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).

The additional file for this article can be found as follows: