CC BY
145
УДК 541.504.06
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ КАЛМЫКИИ
© Л.Х. Сангаджиева, Ц.Д. Даваева, Л.Е. Кикильдеев,
Б.В. Цомбуева, Д.Э. Самтанова, О.С. Сангаджиева
Ключевые слова: почвы; корма; пищевая цепь; тяжелые металлы.
Изучено содержание тяжелых металлов (Сг, Со, N1, Си, 2п, С4 РЬ) в почвах Калмыкии и их дальнейшее распределение по пищевой цепи: растительные корма - овцы. Выявлено, что на всех уровнях пищевой цепи наибольшее биологическое накопление характерно для 2п и С^ Наблюдается увеличение коэффициента перехода наиболее токсичных элементов, что свидетельствует об их накоплении в более высоких звеньях пищевой цепи.
Калмыкия в настоящие время становится районом с чрезвычайно высокой интенсивностью антропогенного воздействия на природные комплексы. В целях получения урожаев, в условиях интенсивного ведения земледелия практически вся территория Республики Калмыкия (РК) находится в сети оросительнообводнительных систем низкого технологического качества. Однако высокая чувствительность полупустынных ландшафтов к техногенезу, их нестабильность и длительный срок восстановления обусловливают необходимость проведения углубленных экологических испытаний.
В географическом отношении изученная территория занимает северо-западную часть Прикаспийской низменности. Существенным фактором, обусловившим состав, структуру и молодой возраст почв РК, является климат. Здесь преобладают засухи, повсюду, кроме некоторых западных районов, испаряемость значи-
тельно превышает количество атмосферных осадков: на севере территории в 2-3 раза, на юге в 10-20 раз и более. Наряду с равнинным характером местности и слабой дренированностью, это способствовало широкому распространению засоленных почв [1-2].
Калмыкия представляет собой территорию поли-элементной биогеохимической эндемии у населения и животных. Однако в эколого-геохимическом отношении этот регион практически не изучается. Наши исследования заполняют этот пробел, в табл. 1 представлены результаты определения содержания микроэлементов (МЭ) в регионе: выявлено превышение кларка (по Виноградову) по ванадию, бору и йоду, близкие к кларку концентрации хрома, титана, молибдена.
На распределение микроэлементов оказывают влияние рельеф и тип почвы. Определено, что в северозападной части Прикаспийской низменности существует проблема природного повышенного (ванадия,
Таблица 1
Среднее валовое содержание микроэлементов в почвообразующих породах (мг/кг)
Уровень Региональный Глобальный (кларк) Коэффициент концентрации (КК)
Элемент тяжелые суглинки и глины лессов. суглинки и супеси ил и песок по Виноградову в осадочных породах
Сг 77,0 150,0 20,8 81,0 100,0 0,8
V 140 160 80 90 130 2,2
N1 14 7 7 58 95 0,3
Ті 2300 3350 1000 4500 4500 0,8
Мп 517 214 70 1000 610 0,6
Си 50 16 14 47 57 0,7
7п 70,0 11,0 31,1 83,0 80,0 0,5
Со 24,0 17,0 1,0 18,0 20,0 0,8
Мо 0,8 1,2 0,6 1,1 2,0 0,9
Ве 1,0 1,0 1,0 3,8 3,0 0,3
Ва 450 410 130 650 430 0,7
Л8 11,0 3,0 8,5 170,0 200,0 0,2
Бг 228 82 62 340 450 0,7
В 48 29 12 12 100 3,0
I 2,2 0,8 0,1 0,3 1,0 1,4
Таблица 2
Влияние рельефа на распределение валовых форм микроэлементов в почвах (мг/кг)
Эле- мент Ставропольская возвышенность Ергенинская возвышенность Прикаспийская низменность Региональные фоновые концентрации
Черноземы обыкновенные Йф Светлокаштановые почвы Йкр Бурые полупустынные почвы Йкр
В 43,1 10,5 10,5 2,56 2,17 0,53 4,1
V 140,0 1,87 125,0 1,67 84,0 1,12 75,0
Сг 76,0 0,99 60,0 0,78 40,0 0,52 77,0
Мп 1609,0 3,11 1240,0 2,40 465,0 0,90 517,0
Со 20,5 1,95 7,7 0,73 8,0 0,76 10,5
N1 34,0 1,42 28,0 1,17 20,0 0,83 24,0
Си 39,0 10,83 17,0 4,72 1,8 0,50 3,6
7п 49,0 1,08 38,0 0,81 16,0 0,34 47,0
Мо 1,3 1,48 0,8 0,91 0,15 0,17 0,88
Т1 4300,0 1,87 3200,0 1,39 2700,0 1,17 2300
Ва 582,0 1,29 430,0 0,95 420,0 0,93 450,0
гг 406,0 1,54 200,0 0,76 444,0 1,69 263,0
Бг 215,0 1,03 116,0 0,56 61,0 0,29 208,0
I 3,9 1,78 4,0 1,82 0,8 0,36 2,2
титана, циркония) и пониженного (меди, цинка, молибдена) содержания микроэлементов в почвенных породах и почвах и, как следствие, их избытка или недостатка в растениях, природных водах и пищевой цепи в целом (табл. 2).
Нередко нормализация среды обитания и состава почв привязана лишь к выявлению степени их загрязненности. Критерием их состояния тогда служат отклонения концентраций токсических элементов в воде, воздухе, почве относительно единичных случаев опасного накопления в растительной продукции 7п, Сг, РЬ и С(1
В соответствии с зональным увеличением аридно-сти и уменьшением биологического разнообразия фитоценозов от разнотравно-злаково-белополынной степи к типичным полупустынным и галофитным пустыням понижается и устойчивость ландшафтов к загрязнению. На почвах происходит снижение роли разнотравья, возрастает роль осоковых. Отмечается внедрение гигрофильных видов и сорных, заносных растений, среди которых постепенно доминирующими становятся рогозы. Вместе с тем у растений проявляется избирательная способность в поглощении отдельных элементов.
Л.Х. Сангаджиевой [3-4] в основу биогеохимиче-ского районирования Калмыкии положены следующие показатели: а) геохимические свойства и тип почвообразующих пород; б) миграционная способность содержащихся в них микроэлементов (МЭ); в) отношение содержания в почвах полезных МЭ для растений (Мо, Си, 7п, Со, В, Мп) к токсичным (Ве, РЬ, Бг, Ва, Сф.
В соответствии с этими данными в пределах РК нами выделено 12 биогеохимических районов, входящих в следующие четыре биогеохимических округа: 1) со слабой миграционной способностью МЭ в почвах, развитых на глинах; 2) с ниже средней миграционной способностью МЭ в почвах, развитых на карбонатных суглинках; 3) со средней миграционной способностью МЭ в почвах, развитых на легких суглинках (некарбонатных); 4) с высокой миграционной способностью МЭ в почвах, развитых на песках (табл. 3).
Первый геохимический округ распространен на глинах, содержит достаточное количество МЭ для жизнедеятельности растений (1764 мг/кг), что может способствовать обогащению почв и получению высоких урожаев, но плодородие ниже ожидаемого, т. к. МЭ не могут проявить себя, теряя миграционную способность, из-за высокой карбонатности почв, ведущей к их уплотнению. Вследствие этого МЭ, находящиеся в близких к норме количествах, становятся недоступными растениям, и они нередко страдают хлорозом, поражаются паршой и другими болезнями.
В почвах второго округа, развитых на карбонатных суглинках морских отложений, отмечено максимальное содержание МЭ, достигающее более 2000 мг/кг. В этом
Таблица 3
Геохимические районирование почвенного покрова РК
№ района Геохимический округ и административный район Коэффициент полезности
I. Округ со слабой миграционной способностью МЭ
1 Г ородовиковский 2,25
2 Яшалтинский 1,80
II. Округ с ниже средней миграционной способностью МЭ
3 Манычский 2,45
4 Целинный 1,80
5 Сарпинский 2,00
III. Округ со средней миграционной способностью МЭ
6 Малодербетовский 2,51
7 Кетченеровский 2,08
8 Юстинский 1,89
9 Яшкульский 1,55
10 Ики-Бурульский 1,40
IV. Округ с высокой миграционной способностью МЭ
11 Черноземельский 1,28
12 Приморский 1,18
округе выявлено относительно низкое содержание токсичных МЭ в почвах, и соответственно, более высокий коэффициент полезности (Кп). Близкое содержание (1800 мг/кг) МЭ имеют и почвы 3-го округа, развитые на легких суглинках. Однако здесь содержится больше токсичных МЭ, что снижает коэффициент полезности. В 4-м округе содержание МЭ наименьшее (1350 мг/кг) при более высоком содержании токсичных. Связь между содержанием МЭ в растениях и почвах наблюдается довольно часто, но имеются отклонения. У зерновых, например, корреляция установлена только для 7п (г120,51). Менее благоприятный питательный режим бурых полупустынных почв ослабляет физиологические процессы в растениях и приводит к ежегодному значительному недобору урожая по сравнению с урожаями на Ергенинской возвышенности. Аналогичные результаты получены при изучении зависимости концентрации МЭ в растениях от погодных условий. Содержание Со в сене люцерны на темно-каштановых почвах под влиянием засухи (в 1972 и 1982 гг.) снизилось до 0,12, Си - 1,9, Мп - 17, 7п - до 10 мг/кг, в то время как во влажные годы (1978 и 1984 гг.) их концентрация составляла, соответственно, 3,25; 11,6; 64,0; 32,0 мг на кг сухого сена. В засушливые годы сокращается поступление МЭ в растения в 3-15 раз. Под влиянием засухи концентрация Со в картофеле и других овощах снижалась, в пшенице - не изменялась, а в подсолнечнике - возрастала. Низкое содержание МЭ в растениях в засушливые годы идет на образование несравненно меньшей (в 2-5 раз) фитомассы. Все это позволяет утверждать, что во время засухи МЭ поступают в растения в ограниченном количестве, что затрудняет формирование урожая и нередко приводит к биологической неполноценности кормов. У животных часто наблюдается ослабление тканевых окислительных процессов, вызываемых физиологическим недостатком Си, избытком Мо и В, проявлением эндемических заболеваний. В местах, где из-за высокого стояния грунтовых вод и слабой водопроницаемости суглинистых грунтов загрязнители не могут быть удалены из ландшафтов, флористический состав заметно беднеет, гибнет подрост деревьев, почти полностью исчезают кустарники. Такие изменения являются регрессивными, т. к. в целом ведут к снижению роли доминантных видов. В разнотравно-злаковой, разнотравно-клоповни-ковой, разнотравно-подорожниковой и разнотравнобелополынной ассоциациях ряд накопления: Мп > 7п > > В > Си > Мо > Со, хотя по уровню концентрации МЭ различаются в 3-7 раз. В солянковой, сарсазановой и чернополынной ассоциациях ряды накопления отличаются: концентрации В, Мо, Си увеличиваются, а Мп, Со уменьшаются. Белополынные ассоциации занимают
промежуточное положение. Для кормов за оптимальные приняты следующие концентрации МЭ: Си 7-12, Мп 4-122, гп 20-96, Со 0,5-1,0, Мо 0,6-2,0 мг/кг. Си достигает оптимальной концентрации только у бобовых и овощных культур. По Нижнему Поволжью растения дефицитны по Мо, особенно страдают от недостатка этого элемента технические культуры и овощи. В растениях типичных полупустынь Прикаспийской низменности повышены концентрации Мп и Ва (у всех жизненных форм), В (кроме кустарников), Т1 (за исключением бобовых), 7п (у кустарников) по сравнению со средним содержанием элементов в золе растений суши (по Боуэну). У всех растений ниже кларка содержание V, Сг, Мо, Со. Тамарикс отличается особенно интенсивным накоплением 7п особенно в ветвях. В побегах и корневищах джузгуна интенсивно накапливается N1 и Бг. Для разнотравья, полыней и кустарников характерно интенсивное накопление Т1, В, Ва. Осоки и злаки имеют малое разнообразие и минимальное содержание МЭ. Лишайники резко выделяются по значительному количеству накапливаемых Т1, РЬ, V, Бг. Самостоятельная роль растений, заключающая в их способности поглощать в необходимом количестве нужные элементы питания, подтверждается и коэффициентом биологического поглощения (Кб). Особенно активно накапливаются в растениях В, 7п, Си и Мо. Полученные данные позволяют причислить большинство МЭ к биофильным (Кб > 1), что согласуется с концепцией А.И. Перельмана (1986). Содержание МЭ в растениях подвержено значительным колебаниям, обусловленным их биологическими особенностями, почвенными и погодными условиями.
По составу и количеству МЭ, накапливающихся в золе, растения Прикаспийской низменности подразделяются на несколько групп: интенсивного, среднего и слабого накопления. Тамарикс отличается особенно интенсивным накоплением 7п, максимальное количество которого отмечено в ветвях. В ветвях и корневищах джузгуна интенсивно накапливаются N и Бг. Для разнотравья, полыней и кустарников характерно интенсивное накопление Т1, В, Ва. Осоки и злаки имеют минимальное содержание и малое разнообразие МЭ. Лишайники резко выделяются по количеству накапливаемых Т1, РЬ, V и Бг. Анализ биологического поглощения МЭ растениями гидроморфных участков (осока, рдест) выявляют сходный характер накопления с растениями водоразделов. Однако общая интенсивность биологического накопления в полупустынной зоне ниже, чем в степной и сухостепной зонах. Это подтверждает вывод о более слабом биологическом накоплении химических элементов в подчиненных экобиоморфах по сравнению с зональными.
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов в крови и тканях овец возраста 6 месяцев, мг/кг
Элемент Сг N1 Со Си 7п Са РЬ
0,28-0,65 6,44-16,6 4,13-7,82 75,6-84,9 598,5-768,1 2,01-4,51 0,83-8,85
В золе крови 0,4 9,8 6,7 80,43 670,0 3,3 4,1
В исходной крови 0.008 0,083 0,057 0,68 5,7 0,028 0,035
Мышечная ткань 17,0 0,10 0,01 3,6 54,0 0,18 1,5
Кости 27,0 0,70 0,03 5,1 37,0 0,10 3,6
Кожа с шерстью 14,0 0,12 0,003 2,8 21,0 0,08 0,2
Имеется значительная группа элементов, заметно концентрирующихся (в десятки, сотни, даже тысячи раз) в золе растений - это Ва, Бг, РЬ, 1п, Мп. В отличие от названных элементов Си накапливается растениями в большей степени, обычно ее содержание в золе растений выше содержания в породах в 2-3 раза. Ряд элементов встречается в золе растений в относительно небольших количествах (равных содержанию в породах или ненамного превышающего), но частота их обнаружения значительно больше, чем в почвах или породах - это Мо, Бп. Сочетание сухой разнотравнозлаковой степи с солончаковыми пустынями выявило растения, способствующие рассолению почв (полыни, солянки, кермек).
Результаты определения элементов в растениях разных зонально-экологических растительных группировок Калмыкии дают представление о фоновых концентрациях элементов и их распределении в живом веществе, указывают также на зональные различия в степени и характере биогенной концентрации элементов высокие и примерно одинаковые в луговых степях и резкое уменьшение в сухих степях с ковыльно-типчаковой и белополынно-кострецовой растительностью, где для всей группы рассматриваемых элементов Кб < 1.
Многие элементы, как например РЬ, N1, Тп, в золе степных злаков появляются в пределах геохимических аномалий. Редкие случаи обнаружения этих элементов в растениях вне аномалий отмечены в золе полыней и некоторых других представителей разнотравья.
Высоким уровнем накопления МЭ отличается пырей ползучий, горец птичий, тростник обыкновенный, осока, мятлик луковичный и др. Среди них встречаются виды, обладающие контрастной избирательной способностью к поглощению отдельных МЭ. Так, пырей ползучий независимо от местообитания может накапливать большое количество Со - 1,14 мг/кг, тогда как В содержит в пределах 0,02-0,05 мг/кг, а иногда и меньше.
Для оценки перераспределения ТМ по пищевой цепи изучено содержание золы крови, мышечной и костной тканей овец (табл. 4). Зольность крови КРС составила 0,8-0,88 %. Выявлено, что уровень концентраций исследуемых элементов в золе крови животных находится практически в тех же интервалах, что и в золе кормов, большое различие отмечено для тканей и кормов. Средняя концентрация металлов в крови овец убывает в ряду: Тп, Си, N1, Со, РЬ, Са, Сг.
Определены коэффициенты миграции по цепи растительные корма - овцы (отношение среднего содержания ТМ в овцах к среднему содержанию соответствующих металлов в кормах): в зерновых кормах Км по крови Тп, РЬ, Си, Со, N1, Сг, С(1; Км по органам Сг, РЬ, Тп, Си, С(1, N1, Со; в травянистых кормах Км по крови; Си, Тп, Со, Сг, РЬ, N1, С(1; Км по органам Сг, РЬ, Си, Тп, Са, N1, Со.
Полученные результаты показывают, что при переходе на более высокий уровень пищевой цепи изменяется миграция одних из самых токсичных элементов -Сг и РЬ. Коэффициенты миграции Сг по цепи почва -растительные корма составил 0,04, и данный элемент занимал последнее место в ряду исследуемых элементов. При переходе на более высокий пищевой уровень растительного корма - овцы коэффициент миграции Сг увечился в 3 раза в крови и до 100-150 раз в тканях. Кобальт также переместился в группу наиболее под-
вижных элементов, потеснив медь, свинец и цинк. Таким образом, при кормлении травянистыми кормами токсичные элементы становятся менее подвижными.
Следует отметить, что более высокие коэффициенты миграции ТМ в системе корма - овцы по сравнению с системой почва - растительные корма свидетельствует о концентрировании ТМ в более высоких звеньях пищевой цепи, причем накапливаются наиболее токсичные металлы. В связи с этим для предупреждения поступления больших количеств токсикантов в организм животных необходим постоянный контроль качества кормов.
Выявлены превышения МДУ (максимально допустимого уровня) некоторых металлов в кормах: N1 - в зерновых (овес, кукурузе, отрубях, фураже), Сг - в травянистых. Повышенное содержание металлов в кормах объясняется не только избирательностью их поглощения культурами, но и некоторыми зональными особенностями, например, высоким валовым содержанием хрома в лугово-бурых почвах [4-5].
Изучение закономерностей биогеохимической миграции химических элементов и выявление реакций биоты на загрязнение является основой прогнозирования устойчивости аридных геосистем и позволяет свести к минимуму негативные последствия при использовании природных ресурсов.
ВЫВОДЫ
1. Изучение возможности переноса ТМ по пищевой цепи почва - растительные корма - овцы показали:
- на всех уровнях пищевой цепи наибольшее содержание установлено для цинка и меди;
- при повышении уровня пищевой цепи наблюдается увеличение коэффициента перехода наиболее токсичных элементов - свинца и кадмия, что свидетельствует об их накоплении в более высоких звеньях пищевой цепи.
2. При использовании интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур необходимо вести контроль над содержанием тяжелых металлов в кормах, чтобы предупредить их избирательную миграцию по пищевой цепи.
3. Конечной целью картирования должно быть установление экологического состояния изучаемой территории. Примером этого являются результаты наших исследований Северо-Западного Прикаспия на примере 15 элементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 459 с.
2. Орлов Д.С., Садовникова Л.К, Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 2002. 334 с.
3. Сангаджиева Л.Х. Микроэлементы в ландшафтах Калмыкии и биогеохимическое районирование ее территории. Элиста: Джангр, 2004. 119 с.
4. Сангаджиева Л.Х. Факторы и механизмы антропогенной трансформации ландшафтов Республики Калмыкия на основе биогео-химического анализа их устойчивости. Саратов, 2006. 420 с.
5. Минеев В.Г. Проблемы тяжелых металлов в современном земледелии // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах: материалы науч.-практ. конф. М., 1994. С. 5-11.
Поступила в редакцию 3 сентября 2012 г.
Sangadzhiyeva L.Kh., Davayeva Ts.D., Kikildeyev L.E., Tsombuyeva B.V., Samtanova D.E., Sangadzhiyeva O.S. BIOGEO-CHEMICAL MIGRATION OF micro-elements IN ARID ECOSYSTEMS OF KALMYKIA
The concentrations of heavy metals (Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) in the soil of Kalmykia and their subsequent distribution over the food chain (plant fodder - sheep) are investigated. It was re-
vealed that the highest biogenic accumulation is characteristic of Zn and Cu at all the levels of food chain. An increase in the transition of coefficients for the most toxic elements Pb, Cd is observed, which is an evidence of their accumulation in the higher levels of food chain.
Key words: soils; plant fodder; food chain; heavy metals.
