Від значення рН і окисно-відновного потенціалу (ОВП) залежить рухомість сполук практично всіх Зd-металів. Високі значення ОВП здатні знижувати активність електронів у ґрунті, густину електронної хмари і заряду ацидоїдів. Із збільшенням ОВП відбувається селективне поглинання ґрунтом катіонів із меншою густиною заряду. Найбільш сильно залежить від ОВП рухомість сполук Fe і Мn.
Кислотно-основні умови і окисно-відновлювальне оточення чинять великий вплив на міграційні можливості важких металів у ґрунті. Уявлення про це дає класифікація важких металів за особливостями водної міграції, виконана А.І. Перельманом (1979) [19, 182]:
Катіоногенні елементиАніоногенні елементи
Рухливі з постійною валентністю
Sr
Слабкорухливі з постійною валентністю
RbCs
Слабкорухливі зі змінною валентністю
Ті SnSbAs
Рухливі й слабкорухливі в окисних і Рухливі й слабкорухливі в
глеєвих умовах і інертні у окисних умовах і інертні у
відновній сірководневих умовах відновних (глеєвій і
сірководневій) умовах:
VMoSe
а) Добре мігрують у кислих водах окисної і
глеєвої природи і осаджуються на лужному бар'єрі:
ZnCuNiPbCd
б) Мігрують і у кислих, і у лужних водах окисних
умов:
HgAgBi
Рухливі й слабкорухливі у відновному
глеєвому середовищі і інертні в окисному
і відновному сірководневому середовищі:
МnCo
Малорухливі за більшості умов
Слабка міграція з органічними комплексами, частково мігрують
у сильно кислому середовищі у лужному середовищі
Ті Сг ZrW
Дані свідчать про те, що група пріоритетних важких металів – Cd, Pb, Zn, Cu, Ni – має значну рухомість у кислому середовищі і стає інертними при зміні реакції середовища в бік підлужування. Далі треба відмітити, що такий сильний токсикант, як ртуть, здатний за наявності умов для окислення мігрувати в широкому діапазоні рН. Малорухливим елементом у більшості природних умов є хром.
Карбонати
Карбонати – це ті сполуки, які сильно знижують рухомість мікроелементів у ґрунтах. Механізм цієї дії обумовлений як сорбційними властивостями високодисперсних фракцій карбонатів, так і їх впливом, опосередкованим через регуляцію реакції середовища.
Застосування добрив
Систематичне застосування добрив певним чином впливає на вміст мікроелементів у ґрунті і накопичення їх у рослинах. Вплив цей різнобічний і складний: добрива змінюють рН ґрунтового розчину і таким чином впливають на ступінь розчинності сполук мікроелементів; вони певним чином впливають на інтенсивність і направленість обмінних реакцій, на процеси акумуляції; підвищуючи врожайність сільськогосподарських культур, добрива сприяють росту виносу мікроелементів із ґрунту; порушують баланс мікроелементів у ґрунті, часто у негативний бік.
Органічна речовина ґрунту
Органічна речовина є прекрасним інактиватором важких металів у ґрунті, збільшуючи його буферність, сприяючи зниженню токсичної дії важких металів, концентруючи солі у ґрунтовому розчині, зменшуючи фітотоксичність багатовалентних важких металів і перешкоджаючи надходженню їх у рослини.
Процеси взаємодії органічної речовини ґрунту з іонами металів ідентифікуються як іоноутворення, адсорбція на поверхні, хелатування, реакції коагуляції і пептизації. Основними продуктами взаємодії є прості солі (гумати, фульвати) і хелатні сполуки. Швидкість взаємодії металів із гуміновими кислотами визначається стандартним окислювально-відновним потенціалом і стійкістю утворених комплексів (Гарнст, Савич) [19, 187]. Відомості про стійкість сполук металів з органічною речовиною ґрунту дуже суперечливі. Орієнтовні інтервали значень ІgK для ГК (Орлов, 1990) [19, 191]:
Гумати ІgК Фульвати ІgК
ГК – Сu 7,0-9,7 ФК – Сu 3,2-8,7
ГК – Zn 2,9-10,8 ФК – Zn 1,7-9,3
(мінімальні величини ІgК виміряні при рН 2-4, максимальні – рН 8-10).
Коефіцієнти констант стійкості варіюють у залежності від ґрунтових умов, методу вимірювання і відібраних значень молекулярних мас (Орлов, 1990). Із підвищенням рН стійкість органо-мінеральних комплексів, як правило, зростає.
Загальний порядок стабільності комплексних сполук гумусових речовин з важкими металами, за Р.С. Беквізом [Beckwith, 1959], виглядає наступним чином: Рb2+>Сu2+> Ni2+>Co2+>Zn2+>Cd2+>Fe2+>Mn2+.
Ґрунтова біота
Багатьма авторами було показано, що вміст у ґрунті рухомої форми важких металів динамічний у часі. Причини змін можуть бути різні, однак у більшості випадків коливання пояснюються діяльністю ґрунтових мікроорганізмів і віковими змінами рослин в інтенсивності поглинання хімічних елементів. На мікробіологічну діяльність великий вплив чинить волога ґрунту, яка тісно пов'язана з погодними умовами і тому не може мати певного ритму. Динаміка рухомих форм важких металів може бути значною: максимальні величини можуть переважати мінімальні у 5 разів і більше.
Тип ґрунту
За здатністю міцно фіксувати важкі метали і швидкістю процесу трансформації вивчені Н.Г. Зиріним зі співав. (1985) ґрунти розташовуються у такий ряд: чорнозем типовий > дерново-підзолистий окультурений > дерново-підзолистий не окультурений [19, 196].
Вміст обмінних форм Zn і Cd у чорноземах нижчий, ніж у ґрунтах інших типів. Очевидно, обмінні Zn і Cd утримуються чорноземними ґрунтами більш міцно (специфічна сорбція), ніж іншими.
Чорноземи за рахунок функціональних груп своїх ГК можуть утримувати найрізноманітніші іони металів і звичайно є багатшими на мікроелементи за інші ґрунти.
Обухов А.І. (1989): чорноземні ґрунти страждають від післядії забруднення значно менше, ніж підзолисті і дерново-підзолисті ґрунти [19, 203].
Рb інтенсивніше надходить у рослини на дерново-підзолистому ґрунті, ніж на чорноземі.
Міграція за профілем ґрунту
Важкі метали, що потрапили у ґрунт, перш за все, їх мобільна форма підлягають різним трансформаціям. Один з основних процесів, що впливає на долю їх у ґрунті, – закріплення гумусовою речовиною. Міграційні можливості важких металів при цьому, в основному, знижуються. Саме цією обставиною значною мірою пояснюється підвищений вміст важких металів у верхньому, тобто найбільш гумусованому, шарі ґрунту.
Низхідній міграції важких металів перешкоджають також гідроксиди і оксиди Fe і Мn, які звичайно концентруються у верхній частині профілю ґрунту. Доля захоплених ними важких металів може бути значною.
Б.К. Блинов і Г.К. Вертинська (1978) дійшли висновку, що 57-74% Рb і Нg при антропогенному забрудненні закріплюються в шарі 0-10 см і тільки 3-8% мігрує до глибини 30-40 см. Ф. Стівенсон і Дж. Уейч (Stivenson, Weich, 1979) встановили, що переміщення Рb вглиб ґрунту відбувається у вигляді халату [19, 206-208].
Глибина проникнення важких металів у забруднених ґрунтах звичайно не перевищує 20 см, при сильному забрудненні вони проникають на глибину до 160 см. Найбільшою міграційною здатністю характеризуються Нg і Zn, які, як правило, рівномірно розподіляються у шарі ґрунту на глибині 0-20 см. Рb частіше накопичується у поверхневому шарі (0-2,5 см), Cd займає проміжне положення між ними.
Особливості металу
Встановлено, що метали-забруднювачі мають неоднакову здатність до адсорбції, від чого токсичність їх для рослин при однаковому забрудненні може бути різною. Таж, при рівних умовах іон Сu адсорбується у більшій кількості, ніж іон Cd (Cavallano, Mebride, 1978; Mayer, 1978) [19, 211].
Цинк утримується ґрунтами більш міцно, ніж кадмій. Найбільша кількість цинку зв'вязана з оксидами заліза. Кадмій, в основному, знаходиться в обмінній формі, і невелика його кількість зв'язана з оксидами заліза.
Трансформації у ґрунті і переходу в міцно фіксований стан більшою мірою підлягає свинець, значно менше – цинк і кадмій, які переходять, в основному, в іонообмінні форми.
Форми знаходження важких металів у ґрунті
Важкі метали у ґрунтах присутні у різних формах: у ґрунтовому розчині – у формі вільних катіонів і асоціатів із компонентами розчину, у твердій частині ґрунтової маси – у формі обмінних катіонів і їх заряджених комплексних сполук, адсорбованих на поверхні ґрунтових часточок, у вигляді ізоморфних домішок у структурах глинистих мінералів, оклюдованих іонів у складі осадків макрокомпонентів, гелів заліза, алюмінію і марганцю, а також у формі власне мінералів і стійких осадів малорозчинних солей.
Так, Н.Г. Зирін та ін. (1972) пропонує розрізняти три групи елементів у ґрунтах за їх рухомістю: мобільні (безпосереднє джерело і найближчий резерв елементів живлення для рослин); фіксовані (потенційний резерв); ізоморфні домішки (стратегічний резерв елементів живлення рослин) [19, 215].
За методом видалення елементів із ґрунту розрізняють: водорозчинні; легкорозчинні; обмінні; кислоторозчинні; фіксовані; міцно фіксовані, зв'язані з тими чи іншими компонентами ґрунтової маси (органічною речовиною, оксидами Fe, АІ і Мn).
Встановити границі безпечного вмісту того чи іншого елементу в ґрунті складно. Рівень токсичності елементів залежить від гранулометричного складу ґрунту, його кислотності, вологості, вмісту гумусу, виду рослин тощо. Якщо культура знижує урожайність через присутність у ґрунті того чи іншого елементу на 5-10%, то рівень його вмісту в ґрунті вважається токсичним. Л.Г. Бондарєв відмічає, що у багатьох випадках на ґрунтах, забруднених важкими металами, урожайність зернових культур знизилася на 20-30%, цукрових буряків – на 35, бобових – на 40, картоплі – на 47% [19, 221]. Негативний вплив забруднення важкими металами посилюється при вирощуванні рослин у екстремальних умовах. При внесенні під картоплю 30 кг/га міді, цинку і марганцю урожайність за звичайних погодних умов знижувалася на 10-15%, у посушливі роки – у 2-3 рази, а вміст мікроелементів у бульбах картоплі виріс у 4-5 разів.
Гранично допустима концентрація (ГДК) важких металів у ґрунті – поріг їх токсичності. При вмісті важких металів нижче ГДК можливо отримання сільськогосподарської продукції, яка відповідає санітарно-гігієнічним нормам. Присутність вказаних металів нижче граничних значень повинна гарантувати відсутність фітотоксичної дії, яка викликає зниження врожаю сільськогосподарських культур, і важких металів у харчовому ланцюзі "тварина-людина". При цьому важкі метали не будуть вимиватися з ґрунтової води у кількості, яка відповідає загрозі питної води.