CC BY
25
УДК 631.416.8:631.51
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАШНИ
12
И.И. Игонов, И.Ф. Каргин, д.с.-х.н.
1 Государственный центр агрохимической службы «Мордовский», e-mail: mgcas@mail.ru 2Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, e-mail: karginvi@yandex.ru
Представлены данные по содержанию тяжелых металлов в почве, атмосферных осадках, снеговой и грунтовой водах, которые позволяют сделать заключение о низкой степени опасности загрязнения растениеводческой продукции ТМ при условии сохранения существующего их баланса в ближайшем будущем. За исследуемый период (19942010 гг.) из-за сокращения экологически опасных производств произошло снижению загрязненности почвы тяжелыми металлами. Выявлено, что превышения ОДК по Pb отмечены в 1994-2003 гг., а по Cu в 1994-2008 гг. Снижение антропогенных выбросов на поверхность почвы из-за снижения экологически опасных производств, привело к уменьшению загрязненности почвы Pb в 4,3 раза, Cd - более чем в 9 раз, Cu - в 1,4 раза, Zn - в 1,3 раза.
Ключевые слова: почвы, предельно допустимые нормы, тяжелые металлы в почве, тяжелые металлы в растениях.
DYNAMICS OF HEAVY METALS CONTENT DURING PROLONGED ARABLE AREA USE
I.I. Igonov, I.F. Kargin
There are given the data on heavy metals content in soil, precipitation, snow and ground waters, which allow to conclude that degree ofpollution danger of agricultural production with heavy metals is rather low with the condition of their present balance maintenance in the near future. There was revealed some decrease in soil contamination with heavy metals within the studying period (1994-2010). There were found the maximum permissible levels (MPL) excess with Pb in 1994-2003 and with Cu in 1994-2008. Reduction of anthropogenic emissions on ground surface caused by environmentally hazardous production led to soil contamination' decrease by 4,3 times with Pb, by more than 9 times with Cd, by 1,4 times with Cu and by 1,3 times with Zn.
Keywords: ground, heavy metals, maximum permissible levels (MPL), soil heavy metal containing, heavy metals in plants.
Техногенные источники поступления тяжелых металлов (ТМ) в агроэкосистемы весьма разнообразны -это электростанции, сжигающие уголь; автотранспорт, минеральные и органические удобрения, сточные воды, отходы животноводческих комплексов и т.д. Содержание ТМ в пригородных сельскохозяйственных угодьях представляет сумму составляющих природного и техногенного происхождения, однако при экологической оценке весьма важно разграничивать вклад каждого фактора загрязнения [1-3]. Происходит расширение ареала почв с пониженной экологической ценностью [4, 5]. Считается, что традиционных мер охраны почв от факторов разрушения уже недостаточно. В Мордовии в 2006 г. выбросы вредных веществ в атмосферу составили 115,656 тыс. т, в том числе от стационарных источников - 39,662 тыс. т (34,3%), от автотранспорта - 75,994 тыс. т (65,7%) [6]. Эти выбросы переносятся аэрогенным способом, с пылью и со снегом, и накапливаются в ком-
понентах ландшафтов. Яркий пример техногенного загрязнения агроландшафтов представляют почвы вокруг Саранска, которые подвергаются влиянию выбросов предприятий города.
Объектом исследования был реперный участок, расположенный на территории ГУП «Тепличное» Октябрьского района Республики Мордовия. Площадь - 29 га. Основными источниками загрязнения были: резинотехнический комбинат (РТК), расположенный на расстоянии 200 м, литейный завод - 3-3,5 км, ТЭЦ - 2-5 км, железная дорога - 50 м. Реперный участок заложен 19 августа 1994 г., имеет ровный рельеф и однороден в отношении почвенного покрова и условий увлажнения. Глубина залегания грунтовых вод - 1,6 м. Почва - выщелоченный чернозем тяжелосуглинистый. Агрохимическая характеристика реперного участка представлена в таблице 1.
1. Агрохимическая характеристика опытного участка, 1994
Слой почвы, см Гумус, % рНкС! Р2О5 К2О Кальций Магний
мг/кг почвы мг-экв/100 г почвы
0-20 8,3 6,5 54 156 27,7 5,3
20-48 8,0 6,0 53 120 30,1 4,9
48-71 4,9 5,3 158 165 24,5 5,3
71-92 4,0 4,9 80 118 24,2 5,2
92-111 2,4 5,3 103 117 22,8 5,6
111-132 0,6 5,6 155 121 22,5 5,4
132-152 0,3 6,3 184 121 23,0 5,3
2. Динамика содержания подвижных форм ТМ в пахотном слое выщелоченных черноземов _в процессе их длительного сельскохозяйственного использования, мг/кг_
Годы Гумус, % рНа Pb Cd Zn №* щ* As*
1994-1998 7,68+0,16 6,5+0,41 7,59+1,75 0,47+0,03 7,08+2,51 9,56+0,85 - -
7,3-8,2 5,8-7,5 4,9-14,0 0,41-0,54 3,6-17,0 7,50-11,7 - - -
1999-2003 7,92+0,21 5,9+0,05 5,4+0,5 0,22+0,07 3,88+0,84 7,5+1,28 - - -
7,2-8,4 5,8-6,1 3,8-6,7 0,04-0,38 1,60-5,50 3,40-10,5 - - -
2004-2008 7,38+0,24 5,86+0,23 2,98+1,04 0,14+0,04 5,58+0,16 7,32+2,88 - - -
6,6-7,9 5,5-6,6 0,30-5,60 0,05-0,24 5,0-6,0 0,9-15,8 - - -
2009-2010 6,4+0,4 5,75+0,25 1,75+0,65 0,05+0,02 1,7+0,6 1,18+0,08 - - -
6,0-6,8 5,5-6,0 1,10-2,40 0,03-0,06 1,1-2,3 1,10-1,27 - - -
1994-2010 7,5+0,15 6,1+0,15 4,9+0,78 0,23+0,04 5,06+0,84 7,3+1,07 0,5+0,13 0,032+0,005 4,0+0,66
6,0-8,0 5,5-7,5 0,30-14,0 0,03-0,54 1,1-17,0 0,9-15,8 0,25-0,83 0,024-0,046 2,5-5,6
Примечание: в числителе - среднее арифметическое + среднее отклонение; в знаменателе - интервал колебаний; данные за 2007-2010 гг.
3. Химический анализ^ дождевой, снеговой и грунтовой вод, мг/л
Объект рНа Pb Cd Zn Fe Фтор Ca Mg
Дождевая вода 7,35+0,14 0,01+0,007 0 0,005+0,003 0,09+0,07 0,12+0,09 0,19+0,05 35,5+15,1 7,3+2,3
7,0-7,7 0-0,03 0 3,6-17,0 0,002-0,294 0-0,4 0,13-0,33 6,01-72,14 3,5-13,4
Снеговая вода 6,2+0,13 0,26+0,25 0,004+0,002 0,03+0,01 0,02+0,004 0,10+0,04 0 6,0+1,2 14,4+3,9
4,8-6,9 0-3,50 0-0,01 0-0,16 0-0,054 0-0,57 0 4,01-8,02 7,25-20,66
Грунтовая вода 7,5+0,11 0,03+0,02 0,002+0,001 0,005+0,002 0,24+0,16 0,13+0,09 0,26+0,07 48,1+11,8 22,8+17,5
7,3-7,8 0,001-0,1 0,005-0,001 0,001-0,01 0,001-0,66 0-0,40 0,09-0,41 16,03-70,1 3,65-75,3
Примечание: в числителе - среднее арифметическое + среднее отклонение; в знаменателе - интервал колебаний
4. Содержание валовых форм химических элементов ^ в растениеводческой продукции, мг/кг
Время Вид Pb Cd Zn Mn Fe As
взятия образца продукции
Яровая пшеница, 9 лет
Кущение Зеленая масса 0,79+0,30 0,05+0,01 3,01+0,68 23,10+4,55 16,33+3,64 110,89+31,12 0,016+0,004 0,006+0,001
0-2,19 0,02-0,08 0,51-4,82 5,28-33,78 3,57-23,60 14,65-184,73 0,005-0,026 0,003-0,009
Колошение Зеленая масса 0,80+0,27 0,032+0,01 2,04+0,34 18,70+3,89 11,47+2,57 77,72+18,92 0,014+0,003 0,006+0,002
0-2,00 0,01-0,06 0,53-2,88 2,45-31,21 3,46-17,50 4,44-110,45 0,009-0,023 0,002-0,012
Полная спелость Зерно 0,58+0,14 0,03+0,001 11,08+2,11 7,32+2,88 17,04+2,46 73,95+16,86 0,023+0,008 0,01+0,004
0,21-1,50 0,01-0,08 1,10-23,11 0,9-15,8 6,74-28,40 15,22-187,4 0,023-0,008 0,001-0,037
Полная спелость Солома 1,08+0,16 0,04+0,14 26,26+10,06 1,18+0,08 14,17+2,25 89,02+17,64 0,030+0,009 0,01+0,004
0,42-1,88 0,01-0,14 10,68-45,08 1,10-1,27 4,83-22,40 10,55-160,17 0,009-0,098 0,001-0,038
Ячмень, 3 года
Кущение Зеленая масса 0,79+0,68 0,05+0,01 3,01+0,68 23,10+4,55 16,33+3,64 110,89+31,12 0,016+0,004 0,006+0,001
0-2,14 0,02-0,08 0,51-4,82 5,28-33,78 3,57-23,60 14,65-184,73 0,005-0,026 0,003-0,009
Колошение Зеленая масса 0,42+0,26 0,03+0,006 8,74+7,44 6,85+2,64 7,26+6,00 48,80+40,4 0,008+0,010 0,014+0,008
0,11-0,93 0,02-0,04 0,62-23,60 2,62-11,70 1,23-19,26 6,49-129,50 0,009-0,023 0,003-0,029
Полная спелость Зерно 0,42+0,05 0,03+0,02 3,33+1,41 26,26+10,06 13,81+5,27 57,18+16,51 0,076+0,065 0,008+0,002
0,33-0,49 0,04+0,03 0,88-5,76 10,68+45,08 5,55-23,61 35,8-89,660 0,005-0,206 0,005-0,011
Полная спелость Солома 0,76+0,27 0,04+0,03 2,41+0,88 20,09+3,11 13,23+3,72 67,22+26,00 0,083+0,064 0,012+0,002
0,30-1,23 0-0,012 1,27-4,15 1,10+45,23 7,86-20,70 40,1-119,22 0,018-0,210 0,009-0,016
Примечание: в числителе - среднее арифметическое + среднее отклонение; в знаменателе - интервал колебаний
Анализ валовых форм ТМ в почве проводили рентге-нофлуоресцентным методом. Атомно-абсорбционным методом в почве анализировали подвижные и кислото-растворимые формы ТМ. Определение ТМ в растительных тканях атомно-абсорбционным проводили в пламени воздушно-ацетиленовой горелки согласно Методическим указаниям ЦИНАО (1992, 1993).
Полученные данные свидетельствуют, что в пахотном слое происходит постепенное снижение органического вещества почвы. За исследуемый период сниже-
ние гумуса составило 0,9%. Степень кислотности черноземов, определяемая в солевой вытяжке, варьирует от слабой до нейтральной (табл. 2), что в целом соответствует генетическим особенностям исследуемых почв. Изменения этого показателя в 1994-2010 гг. находились в пределах ошибки опыта, хотя отмечена тенденция к подкислению почвенного раствора, что связано с отсутствием известкования.
Содержание ТМ в почве определяется их концентрацией в исходной материнской породе, направленностью
процессов почвообразования и антропогенным фактором. К последнему мы относим выбросы в атмосферу промышленных предприятий и транспорта, использование в сельском хозяйстве средств защиты растений, удобрений, химических мелиорантов.
Токсикантом первого класса опасности, является свинец, который не выполняет биологических функций, однако обладает существенно более низкой растворимостью и слабым поступлением в надземную биомассу. Превышения по свинцу отмечены в 1996-1997 гг. Изменений концентрации элемента во времени в сторону увеличения не наблюдается, что связано с отсутствием значимых источников загрязнения. Более того, в соответствии с трендом этого элемента происходит заметное снижение показателя в пахотном слое за 1994-2010 гг. Достаточно отметить, что его содержание за исследуемый период снизилось в 4,3 раза.
К токсикантам первого класса опасности также относится кадмий. Его потенциальный вред усугубляется тем, что он, будучи химическим аналогом цинка, достаточно легко преодолевает корневой барьер в растениях. Результаты исследований свидетельствуют о том, что существенной опасности загрязнения растениеводческой продукции кадмием нет. За годы исследований подвижные формы кадмия снизились более чем в 9 раз.
Тренд подвижных форм цинка и меди свидетельствует о заметном снижении их содержания. Так, содержание меди в 1994-1998 гг. превосходило ОДК в 2,38 раза, а из-за отсутствия источников загрязнения в настоящее время исследуемый показатель снизился в 6,44 раза. По остальным элементам загрязненность незначительная и остается в пределах нормы.
Источником загрязнения почвы могут быть атмосферные осадки, снеговая и грунтовые воды. Значение показателя рН в большинстве случаев лежит в близком к нейтральному и слабощелочном диапазоне (табл. 3). Сравнивая рН атмосферных осадков и грунтовых вод, можно отметить, что реакция последних более щелочная. Усредненное за период наблюдений содержание свинца, меди и цинка в дождевой и снеговой воде выше ПДК. Содержание ТМ свидетельствует, что осадки формируются над территорией, характеризующейся высоким техногенным
воздействием, и могут быть классифицированы как
загрязненные. Проведенный анализ позволяет констатировать, что грунтовые воды в целом обладают благоприятным химическим составом. По содержанию ТМ осадки не представляют опасности с точки зрения загрязнения почв, но могут оказывать негативное влияние на качество воды природных водоемов, характеризующихся большой долей поверхностного стока.
Процесс проникновения ТМ из почвы в растение сводится к преодолению внутренних барьеров растительного организма, его физиологических и биохимических механизмов самозащиты. В результате в корнях концентрация ТМ максимальна, несколько меньше - в стеблях и лучше всего ограждены от токсических концентраций элементов репродуктивные органы - семена. Поэтому в них содержание ТМ наименьшее. В среднем концентрация ТМ в корнях в 2,3 раза больше, чем в зерне, а в соломе - в 1,6 раза [7]. Надо учитывать при этом, что если накопленные в корнях и пожнивных остатках ТМ после их разложения возвращаются в почву, то солома обычно идет на корм скоту и поэтому содержащиеся в ней запасы ТМ включаются в пищевую цепь.
Нами установлено, что концентрация меди и цинка в зерне разных культур соответствует нормативным требованиям экологической безопасности (табл. 4), т.е. содержание этих элементов в зерне в большинстве случаев близко к оптимальному. Иное дело по свинцу. Так, по максимальной концентрации свинца в зерне исследуемые культуры вышли за пределы ПДК, а по максимальному содержанию кадмия ПДК была превышена в зеленой массе.
Таким образом, динамика содержания ТМ в почвах за 1994-2010 гг. характеризуется большой изменчивостью, что определяется не только содержанием их в почве, но и различным техногенным прессингом. Превышения ОДК по РЬ выявлены в 1994-2003 гг., а для Си - в 1994-2008 гг. Снижение антропогенных выбросов на поверхность почвы из-за сокращения экологически опасных производств привело к снижению загрязненности почвы РЬ в 4,3 раза, Cd - более чем в 9 раз, Си -в 1,4раза, ги - в 1,3 раза. Данные о содержании ТМ в дождевой и снеговой воде свидетельствует, что они не представляют опасности с точки зрения загрязнения почв ТМ, но могут оказывать негативное влияние на качество воды природных водоемов, характеризующихся большой долей поверхностного стока.
Литература
1. Адаптация агроэкосферы к условиям техногенеза / Под редакцией чл.-корр. АН РТ Ильязова Р.Г. - Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ, 2006. - 670 с.
2. Водяницкий Ю.Н. Роль соединений железа в закреплении тяжелых металлов и металлоидов в почвах // Почвоведение, 2010, № 5. - С. 558-572.
3. Никитин Е.Д., Скворцова Е.Б., Кочергин А.Н., Никитина О.Г., Иванов О.П., Сабодина Е.П., Воронцова Е.М. О развитии учения об экологических функциях почвенного покрова и других геосфер // Почвоведение, 2010, № 7. - С. 771-778.
4. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв: учение об экологических функциях почв. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2006. - 370 с.
5. Смолин Н.В., Бочкарев Д.В., Зайчикова Т.Ф. Состояние и перспективы развития земледелия в Республике Мордовия // Нива Поволжья, 2009, № 4 (13). - С. 1-6.
6. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды в Республике Мордовия в 2006 г. (Сост. А.А. Ямашкин). - Саранск, 2007. - 140 с.
7. Башмаков Д.И., Лукаткин А.С. Эколого-физиологические аспекты аккумуляции и распределения тяжелых металлов у высших растений.- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - 236 с.
