CC BY
98
УДК 550.4 М.А. Солодухина, Н.В. Помазкова
МЫШЬЯК В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ» В ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ (НА ПРИМЕРЕ ГОРЦА УЗКОЛИСТНОГО (POLYGONUM ANGUSTIFOLIUM PALLAS))
В статье приведены результаты исследований, подтверждающих повышенное содержание мышьяка в почвах и в органах горца узколистного. Максимальная его концентрация обнаружена в корнях и листьях Polygonum angustifolium Pallas. Выявлено, что накопление мышьяка происходит в корне.
Ключевые слова: мышьяк, почва, горец узколистный, ландшафты, коэффициент биологического поглощения, накопление, органы растения.
M.A. Solodukhina, N.V. Pomazkova
ARSENIC IN THE SOIL - PLANT SYSTEM IN NATURAL AND ANTHROPOGENOUS LANDSCAPES IN ZABAIKALYE REGION (ON THE EXAMPLE OF NARROW-LEAVED KNOTWEED (POLYGONUM ANGUSTIFOLIUM PALLAS))
The research results confirming high arsenic availability in soils and organs of narrow-leaved knotweed are given in the article. Its maximum concentration is detected in the roots and leaves of Polygonum angustifolium Pallas. It is revealed that arsenic accumulation occurs in the root.
Key words: arsenic, soil, narrow-leaved knotweed, landscapes, biological absorption factor, accumulation, plant organs.
Человеческая деятельность является одним из важных факторов воздействия на миграцию, участие в жизнедеятельности биоты и концентрирование химических элементов в биосфере.
Забайкальский край - исторически сложившийся горнорудный район России. Горнорудная промышленность на протяжении многих лет (с 30-х годов XVIII в.) является важной отраслью народного хозяйства Забайкалья и страны в целом [2], а также фактором воздействия и изменения окружающей среды. Увеличение объемов добычи полезных ископаемых на территории края привело к образованию техногенных и гео-техногенных ландшафтов, для которых свойственно изменение структуры земель, рельефа, геохимических свойств грунтовых и поверхностных вод, почв, химического и видового состава растений.
Биогеохимические исследования горнорудных территорий Забайкальского края имеют большое значение для выявления механизма и путей миграции токсичных химических элементов, таких, как As, Cd, Pb, Sn, Cu и Zn, в цепи геологический субстрат - кора выветривания - почва - биота. И они были начаты в 2000 году лабораторией геохимии и рудогенеза ИПРЭК СО РАН под руководством профессора Г.А. Юрген-сона. В настоящее время ведутся комплексные минералого-геохимические, ландшафтно-геохимические и ботанико-биогеохимические исследования в пределах Шерловогорского и других горнорудных районов Забайкальского края [11, 5, 12].
Учитывая токсичность (I класс опасности) и широкое распространение мышьяка в компонентах ландшафта Шерловогорского горнорудного района [9], особое внимание было обращено на поведение этого элемента в ландшафте.
Цель исследований. Изучение поведения мышьяка в системе «почва-растение» и выявление особенностей его биологического поглощения разными органами.
В течение полевых сезонов 2002-2009 гг. на территории Шерловогорского горнорудного района были отобраны пробы почв и растений. В данной работе приведены результаты исследований поведения мышьяка в растениях на примере горца узколистного (Polygonum angustifolium Pallas), поскольку он встречается повсеместно как в природных, так и в антропогенных ландшафтах.
Объекты и методы исследований. Шерловогорский горнорудный район находится на юго-востоке Забайкальского края, в Борзинском административном районе, северо-восточнее поселка Шерловая Гора. Здесь расположено одноименное висмут-бериллий-олово-вольфрамовое месторождение с наложенной мышьяковой минерализацией, крупное олово-полиметаллическое месторождение Сопка Большая и находящееся к востоку от него месторождение Восточная аномалия. Олово-полиметаллическую руду добывали открытым способом, вследствие чего образовались техногенные массивы, карьер, которым до 1993 года отра-
* Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН № 122.
батывалось олово-полиметаллическое месторождение, хвостохранилище обогатительной фабрики бывшего ГОКа, а также отвалы горных пород вскрыши, склады бедных и подготовленных к переработке руд, мелкие карьеры и отвалы разрабатывавшихся висмут-олово-вольфрамовых россыпей.
Участки отбора проб представляют собой природные и антропогенные ландшафты (рис. 1). На каждом участке наблюдения проводили по точкам, хорошо изученным в геологическом отношении. Отбор почвенных проб осуществляли в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02-84 и по искусственным обнажениям. Растения отбирали и делили на органы. Корни и наиболее запыленные части растений промывали сначала струей проточной воды, а затем дистиллированной, высушивали до воздушно-сухого состояния. Химический анализ растений проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрофотометре ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer (нижний порог определения мышьяка - НПО = 0,01 ppb) в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН. Почвенные образцы анализировали методом РФА в Геологическом институте СО РАН. Для подсчета коэффициента биологического поглощения (КБП) почву отбирали прямо из-под растений (корнеобитаемый слой), и принимали за КБП отношение содержания мышьяка в растении к среднему содержанию в корнеобитаемом слое на данном участке.
Природно-техногенные ландшафты в пределах района представлены собственно олово-вольфрам-висмут-бериллиевым месторождением - Шерловая Гора, где идет старательская добыча самоцветов с применением самоходной землеройной техники, и месторождение касситерит-силикатной формации Аплитовый отрог. Геотехногенные ландшафты представлены карьером, хвостохранилищем, складами и отвалами бедных и забалансовых пород и руд, а также отвалами, образовавшимися в результате отработки россыпных месторождений вольфрама и висмута. Так как содержание элементов в растениях за пределами зоны оруденения можно считать фоновыми, а в ее пределах - аномальными [6], фоновый участок природного ландшафта был выбран вне месторождения, но в рамках Шерловогорской рудомагматической системы (рис. 1).
Поскольку горец узколистный наряду с маком голостебельным (Papaver nudicaule L.) и полынью Гме-лина (Artemisia gmelinii Weber ex Stechm) одним из первых заселяет геотехногенные массивы (бермы карьера, поверхность хвостохранилища, складов руды и отвалов вскрышных и пустых горных пород), в качестве объекта исследований был выбран именно он. Polygonum angustifolium Pallas - многолетнее травянистое растение из семейства Ро1удопасеае, которое имеет короткий период вегетации (с конца мая по начало августа) [4]. К биоморфологическим особенностям относятся следующие: 1) растение имеет удлиненные моно-циклические побеги, несущие в подземной части придаточные корни; 2) главный корень сохраняется на протяжении всей жизни [4]. Местообитание в степях, на солонцеватых лугах, каменистых склонах, песках, галечниках.
Рассматриваемая территория представляет собой преимущественно степное среднегорье с небольшими участками лесостепных ландшафтов в привершинной части. Согласно схеме физико-географического районирования принадлежит Центрально-Азиатской пустынно-степной области, Монгольской степной провинции высоких равнин и гор [1]. В природном отношении объект расположен в пределах природного округа Борзинского степного округа [10]. Здесь наблюдается сочетание степных и подтаежных ландшафтов: Центрально-Азиатских горных степных (фации горных западно-забайкальских даурского типа и Онон-Аргунских гемикриофильных) с участками Байкало-Джугджурских подтаежных геосистем [8]. В пределах рассматриваемой территории представляется целесообразным выделить следующие группы видов ландшафтов: склоновые, пологосклоновые и днищ котловин (рис. 1). Каждый вид представлен определенным набором урочищ. Структура естественных геосистем претерпела существенные изменения в результате длительного воздействия на природные комплексы хозяйственной деятельности, и в настоящее время ландшафтное разнообразие складывается из сочетания природных и комплексов и из их различных антропогенных модификаций.
Большая часть степных ландшафтов нарушена в результате геолого-разведочных, горнодобывающих, старательских работ и в настоящее время представляет собой сообщества на разных стадиях восстановления. На нарушенных участках доминируют полынно-разнотравные, ковыльно-вострецовые сообщества, обедненные, в составе травостоя которых отсутствуют лекарственные и редкие виды растений. Антропогенные комплексы находятся еще в ранней, неустойчивой стадии развития антропогенного ландшафта, т.е. здесь еще не произошло зарастание карьера и отвалов, не сформировался почвенно-растительный покров, свойственный данной природной зоне.
Рис. 1. Ландшафтная карта
Результаты исследований и их обсуждение. Полученные данные свидетельствуют о том, что в почвах месторождения и в техноземе геотехногенных массивов содержание мышьяка значительно превышают ПДК и кларк (табл.1). На фоновом участке его содержание в почве в 5,65 раза больше ПДК и в 2,26 раза выше кларка, но в 177 раз меньше, чем на месторождении. Несмотря на столь высокие валовые содержания мышьяка, в почвах и техноземах присутствуют в основном его неподвижные формы [7]. Вероятно поэтому горец узколистный поглощает из почвы лишь незначительную часть от его валового содержания (табл. 1).
Таблица 1
Мышьяк в системе «почва-горец узколистный»
Ландшафт Название участка (номер на карте) Содержание мышьяка, мг/кг
Почва (число проб) Горец узко экземпля листный (число ров в выборке)
х х/кларк х/ПДК х Міп Мах
Природнотехногенные: горные петрофит-но-разнотравные на маломощных щебнистых почвах Участок Поднебесных (1) 558,3 (15) 111,6 279,5 16,29 (64) 0,93 77,48
Жила Новая (2) 1614 (56) 322,8 807 29,04 (84) 0,15 127,26
Карамышевский отрог (3) 601,3 (36) 120,2 300,6 1,5 (28) 0,3 5,67
горные петрофит-но-разнотравные на маломощных щебнистых почвах Сопка Лукавая
Участок Пятисотка (4) 497,5 (5) 99,5 248,75 3,8 (24) 2,51 7,8
склоновые ко-выльно-разнотравные и полынноразнотравные на черноземных почвах Юго-западный склон (5) 2010 (12) 402 1005,4 0,76 (12) 0,48 1,3
горные петрофит-но-разнотравные на маломощных щебнистых почвах Сопка Мелехинская (6) 162,9 (14) 32,5 81,4 15,43 (20) 3,09 24,99
847,29 (1) - -
Геотехногенные Карьер, западный фланг (7) 208 (32) 46,6 104 15,72 (24) 5,63 38,39
Природные: склоновые ко-выльно-разнотравные и полынноразнотравные на черноземных почвах Фоновый (8) 11,3 (5) 2,26 5,65 0,25 (52) Ниже НПО 1,3
На разных участках в органах горца установлены разные концентрации мышьяка. Они варьируют от значений ниже НПО в цветах на фоновом участке до 847,29 мг/кг в корне на сопке Мелехинской (табл.1). Такой размах значений может быть обусловлен долей подвижных форм мышьяка в питающей среде. Известно, что существует зависимость между его подвижностью в почвах и уровнем содержания в растениях [3].
Таблица 2
Интенсивность биологического поглощения мышьяка органами горца узколистного
Место отбора проб КБГ
Корень Стебель Лист Цветы
Участок Поднебесных 0,06 0,01 0,01 -
Жила Новая 0,02 0,01 0,02 0,0001
Карамышевский отрог 0,02 0,003 0,002 -
Участок Пятисотка 0,007 0,005 0,008
Юго-западный склон Сопки Лукавой 0,0003 0,0002 0,0006 -
Сопка Мелехинская 0,1/5,02 0,02 0,06 -
Карьер 0,005 0,1 0,06 -
Фоновый участок 0,05 0,02 0,02 0,009
КБП мышьяка горцем ничтожно мал, за одним исключением (табл. 2). В корне горца узколистного, растущего в природно-техногенном ландшафте на участке Сопка Мелехинская, установлена его ураганная концентрация, равная 847,29 мг/кг, КБП = 5,2. Такое накопление мышьяка корнем, возможно, связано с тем, что в почве на этом участке преобладают подвижные формы. Растение в таких условиях просто вынуждено поглощать столько мышьяка, сколько находится в почвенной влаге. А так как корень горца сохраняется на протяжении всей жизни растения, в отличие от листьев, то со временем содержание мышьяка может увеличиваться и достигать ураганных значений.
■ Корень □ Стебель Лист □ Цветы
Рис. 2. Распределение мышьяка в органах растений на разных точках опробования: 1 - Участок Поднебесных; 2 - Жила Новая; 3 - Карамышевский отрог; 4 - Участок Пятисотка; 5 - Юго-западный склон Сопки Лукавой; 6 - Сопка Мелехинская; 7 - Карьер; западный фланг; 8 - фоновый участок
В целом из анализа рис. 2 следует, что максимальное концентрирование мышьяка в антропогенных ландшафтах происходит в корнях и листьях, что обусловлено непосредственным контактом корней с почвой и горными породами геологического субстрата (корни) и процессами фотосинтеза и образования основных жизненно важных веществ организма (листья). Минимальное содержание мышьяка в стеблях обусловлено
их транспортными функциями, а в цветах - необходимостью сохранения репродуктивной функции и чистоты вида. В природном ландшафте распределение мышьяка в органах горца подчиняется тенденции уменьшения концентраций от корня к цветам.
Выводы
В почвах природных и антропогенных ландшафтов изученного района установлено высокое, порой ураганное, содержание мышьяка. Несмотря на это, интенсивность его биологического поглощения горцем довольно низкая и не зависит от валового содержания в питающей среде (коэффициент корреляции - 0,1). Анализ распределения мышьяка в органах растения показал, что максимальное концентрирование происходит в корнях и листьях, но в корнях горца, кроме концентрирования, наблюдается и накопление.
Литература
1. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская область). - М.; Иркутск: ГУГК, 1967. - 176 с.
2. Геологические исследования и горно-промышленный комплекс Забайкалья: История, современное состояние, проблемы, перспективы развития. К 300-летию основания Приказа рудокопных дел / Г.А. Юргенсон, В.С. Чечеткин, В.М. Асосков [и др.]. - Новосибирск: Наука; Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 574 с.
3. Гордеева О.Н., Белоголова Б.А., Гребенщикова В.И. Распределение и миграция тяжелых металлов и мышьяка в системе «почва-растение» в условиях г. Свирска (Южное Прибайкалье) // Проблемы региональной экологии. - 2010. - № 3. - С. 108-113.
4. Горшкова А.А. Биология степных пастбищных растений Забайкалья / отв. ред. В.Н. Голубева. - М.: Наука, 1966. - 276 с.
5. Биогеохимические исследования в районе Шерловогорского горнорудного района / О.В. Гудкова, Г.А. Юргенсон, М.А. Солодухина [и др.] // Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий: тр. I всерос. симп. с междунар. участием (Чита, 7-10 нояб. 2006 г.). - Чита, 2006. - С. 114-118.
6. Ивашов П.В. Биогеохимическая индикация загрязнения окружающей среды химическими элементами: концепция и задачи // География и природные ресурсы. - 1994. - № 2. - С. 29-36.
7. Корешкова Ю.В., Юргенсон Г.А. Формы нахождения мышьяка в почвогрунтах Шерловогорского горнорудного района Забайкальского края // Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Современное минералообразование: тр. III всерос. симп. с междунар. участием (Чита, 29 нояб. -2 дек. 2010 г.). - Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2010. - С 19-22.
8. Ландшафты юга Восточной Сибири. Карта м-ба 1:1 500 000 / под общ. ред. В.Б. Сочавы. - М.: ГУГК, 1977.
9. Солодухина М.А., Юргенсон Г.А., Смирнова О.К. Мышьяк в почвах Шерловогорского рудного района // Вестн. Забайкальского центра РАЕН. - 2010. - № 1 (3). - С. 15-19.
10. Типы местности и природное районирование Читинской области. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 158 с.
11. Юргенсон Г.А., Солодухина М.А., Гудкова О.В. К основам биогеохимического мониторинга в геотехно-генных ландшафтах горнорудных территорий // Вестн. МАНЭБ. - 2006. - Т. 11. - № 5. - С. 119-123.
12. К проблеме биологического поглощения токсичных химических элементов растениями в природных и геотехногенных системах / Г.А. Юргенсон, М.А. Солодухина, А.А. Смирнов [и др.] // Вестн. МАНЭБ. -2009. - Т. 14. - № 3. - С. 110-113.
---------♦'----------
