CC BY
115
УДК 631.416 + 543.73
ПОПОВА Людмила Федоровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Поморского университета. Автор более 50 научных публикаций
КОРЕЛЬСКАЯ Татьяна Александровна, ассистент кафедры химии Поморского университета. Автор 4 научных публикаций
РОЛЬ ПОЧВЫ В НАКОПЛЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЯМИ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА *
Микроэлементы, элементы питания, тяжелые металлы, поллютанты, миграционная способность, система «почва-растения»
С экологической точки зрения зеленые массивы являются стражем и защитником окружающей среды. Зеленые насаждения - это легкие наших городов, особенно велика их роль на Севере. Состояние зеленых насаждений является одним из основных индикаторов остроты экологической ситуации в городской геотехсистеме. Непосредственным фактором, определяющим состояние зеленых насаждений, является плодородие почв, которое, в свою очередь, зависит от механического состава и влажности почвы, содержания гумуса и доступных растениям соединений азота,
фосфора, калия и микроэлементов. Дефицит в почве элементов питания ведет к ухудшению роста деревьев, кустарников, травянистых растений, к повышению их заболеваемости и снижению устойчивости как к естественным колебаниям гидроклиматических условий, так и к загрязнению природных сред. В почве аккумулируются как полезные, так и вредные для растений химические вещества. К вредным веществам, в первую очередь, можно отнести группу техногенных поллю-тантов, получивших общее название «тяжелые металлы» (ТМ) - это Си, Zn, Сг, Мо, Со, №, Fe, Мп, Sb, В^ Cd, Щ, РЬ и др. [1].
* Исследования поддержаны грантом РФФИ и Администрации Архангельской области № 0,5-0,4-97531 и грантом Министерства образования и науки РФ по ведомственной программе «Развитие научного потенциала высшей школы».
Взаимодействие «металл-растение» -сложное и многогранное явление, так как в данном случае может быть использован не только термин «тяжелые металлы» (когда необходимо учитывать особенности попадания токсиканта в окружающую среду, фитотоксичность поллютантов, ответные реакции организмов на попадание токсичных ингредиентов и т.д.), но и термин «микроэлементы» (в том случае, когда речь идет об участии их в важнейших биохимических процессах - фотосинтеза, образования органно-минеральных соединений, дыхания, трансформации вещества и др.) [2].
В естественных условиях и почвы, и растения в обязательном порядке содержат определенное количество ТМ, но чрезмерное их накопление может оказаться причиной разрушения
целостности природного комплекса. ТМ - это биохимически активные техногенные вещества, воздействующие на живые организмы. Они относятся к стойким загрязнителям, так как поступают в почву со скоростью, значительно превышающей их выводимость из почвы. Не менее важную роль играют миграционная способность этих химических элементов и возможности их биологического поглощения [3].
На базе кафедры химии Поморского университета проводится исследование химического состава почв и растений жилой и парковой зон г. Архангельска. Выполнен агрохимический и химический анализ по определению содержания некоторых макро-, микроэлементов и высокотоксичных поллютантов, в том числе и тяжелых металлов. Полученные данные представлены в табл. (1-2) и рис. (1-7).
Таблица 1
Среднее содержание ТМ в различных типах почв г. Архангельска
Поллютант Тип почвы ПДК
Естест- венная Урбанозем Урбоестест- венная Реплантозем Культу- розем
Гумус, % 2,90 3,03 0,64 2,43 3,19 -
рн 4,7 5,7 4,5 6,1 6,1 -
РЬ, мг/кг** 13 76 85 60 106 32
РЬ, мг/кг* 0,32 1,22 1,24 1,15 0,82 6,00
Щ, мг/кг** < 0,08 0,50 2,79 0,15 0,90 2,10
As, мг/кг** < 1,00 2,35 4,35 2,01 2,80 2,00
Си , мг/кг* 4,5 20,4 30,8 15,4 15,2 3,0
Zn, мг/кг* 0,02 1,64 2,52 2,60 2,64 23,00
Со, мг/кг* 0,59 1,19 1,37 1,18 2,20 5,00
№, мг/кг* 0,12 1,00 Н/о 0,45 1,01 4,00
Fe, г/кг* 10,0 15,5 5,5 11,9 22,6 -
СПК 2 13 73 12 36 < 16
* Подвижные формы. ** Валовое содержание.
Рис.1. Районы города, наиболее загрязненные РЬ, Си,2п
- повышенное содержание Си [хп - повышенное содержание РЬ [5Ш[ - повышенное содержание Ъъ
Рис. 2. Валовое содержание ТМ в естественной почве
%-----------Си
□---------- рь
Д-----------гп
Рис. 3. Валовое содержание ТМ в урбанозе-мах
о-
д-
- Си
- рь
- гп
Рис. 4. Валовое содержание ТМ в культуро-
земах
о-
- Си
- рь
- гп
Рис. 5. Валовое содержание ТМ в урбоесте-ственных почвах
о-
Д-
- Си
■ - рь
- гп
Рис. 6. Валовое содержание ТМ в репланто-
земах
о-
Д-
- Си
■ - рь
- гп
В ходе исследований, проведенных более чем на 60 пробных площадях, установлено, что почвы и почвогрунты скверов, газонов и дворовых территорий имеют неблагоприятные физико-механические свойства для произрастания растительности. Для них характерна незавершенность почвообразовательных процессов. Кроме того, поверхностные слои городских почв чаще всего имеют супесчаный механический состав, низкую объемную массу, высокую порозность и порозность аэрации по сравнению с этими показателями в природной почве, что свидетельствует об их значительном распылении. Для почв города также характерной чертой является переслоенность, которая является результатом существующей технологии создания газонов, когда поверхность строительного мусора отсыпается смесью торфа и песка. Это обуславливает значительные колебания показателей всех свойств городских почв вглубь по профилю, в том числе и содержание ТМ [4].
На уровень содержания ТМ оказывают влияние и многие другие факторы, в первую очередь величина рН почвенного раствора. Техногенное подщелачивание почв - характерная черта всех промышленных городов. Высокая щелочность городских почв может быть обусловлена поступлением с автомагистралей большого количества пыли, содержащей карбонаты кальция и магния, в результате чего среднее содержание обменных катионов (магния и особенно кальция) в городских почвах выше, чем в лесных, и составляет 31-39 мг/кг и 86-190 мг/кг соответственно. Это отражается на величине рН городских почв, сдвигая ее в щелочную сторону. В подобных кислотно-основных условиях происходит связывание большинства ТМ в неподвижные формы.
Практически все почвы в г. Архангельске имеют довольно высокое содержание меди (более 7 мг/кг), но обеднены подвижными формами кобальта, никеля и цинка, которые являются не только техногенными поллютанта-
Таблица 2
Среднее содержание ТМ в разнотравье (мг/кг), собранном с различных типов почв г. Архангельска, и коэффициент их биологического поглощения (КБП)
Тип почв Основные поллютанты*
РЬ Си 1п Со N1
Естественная 0,22 1,10 1,23 0,66 0,11
0,69 0,24 61,5 1,12 0,92
Урбанозем 2,16 10,57 2,03 2,10 0,71
1,80 1,00 1,40 1,54 0,83
Реплантозем 3,30 9,30 2,80 4,80 0,94
2,51 0,63 0,94 4,12 2,31
Культурозем 0,61 3,85 1,43 2,98 0,50
0,66 0,33 0,55 1,39 0,50
*Для каждого поллютанта в числителе указано среднее содержание, в знаменателе - КПБ.
ми, но необходимыми для растений микроэлементами. Если содержание меди в почвах превышает ПДК в 5-10 раз, то цинка - не более
0,1 ПДК, кобальта - 0,4 ПДК, а никеля - 0,3 ПДК (рис. 7).
Среднее содержание высокотоксичных поллютантов кадмия и ртути (1 класс опасности) на всех типах почв находится на уровне ПДК, однако культуроземы и урбоес -тественные почвы загрязнены мышьяком, его валовое содержание иногда доходит до 2 ПДК.
Все городские почвы в той или иной степени загрязнены свинцом. И хотя по содержанию подвижного свинца показатели невысоки и не выходят за уровень ПДК, по валовому содержанию свинца наблюдается превышение ПДК в среднем в 2,5-3,5 раза, а на отдельных почвах - до 32-48 раз.
Содержание железа в городских почвах колеблется от 5,5 до 22,6 г/кг в зависимости от типа почв: в урбоестественных почвах оно ниже, а в культуроземах гораздо выше, чем в дерновой естественной почве.
Суммарный показатель концентрации химических элементов (СПК) характеризует степень химического загрязнения почв обследуемых территорий вредными веществами различных классов опасности. По СПК нами установлено, что урбаноземы и реплантоземы (СПК менее 16) можно считать слабо загрязненными с относительно удовлетворительной оценкой экологической обстановки; культу-роземы и особенно урбоестественные почвы (СПК 32-128) имеют высокий уровень загрязнения, категория загрязнения их довольно опасная.
Проведены некоторые исследования по изучению миграционной способности ТМ в профиле почв различных типов. Установле-
но, что культуроземы и урбоестественные почвы характеризуются повышенным содержанием ТМ в верхних, наиболее гумусирован-ных горизонтах (рис. 4-5), что указывает на техногенный характер загрязнителей. В реп-лантоземах и урбаноземах наблюдается неравномерное накопление ТМ по профилю, что, возможно, связано с их значительной пе-реслоенностью (рис. 3, 6).
Содержание гумуса в почвах г. Архангельска колеблется от 0,55 до 7,59%, что в 2,5 раза выше, чем в естественных почвах. Это способствует накоплению ТМ в почвах в виде малорастворимых соединений. Такое увеличение содержания органического углерода в городских почвах может быть обу -словлено как особенностями механического состава почвы, так и урбаногенными факторами: компонентами нефти, попавшими в почву и отсорбированными почвенными частицами; углеводородными выбросами и выбросами в атмосферу технического углерода - сажи.
Содержание К2О в почвах города колеблется от 23 до 407 мг/кг. В реплантоземах г. Архангельска среднее содержание подвижного калия (в виде К2О) составляет 102 мг/кг, что соответствует природным почвам, в то время как в урбаноземах, культуроземах и особенно в урбоестественных почвах оно в 1,5-2 раза выше и составляет в среднем 140190 мг/кг.
Обеспеченность почв г. Архангельска подвижным фосфором оценивается как повышенная и высокая. Среднее его содержание изменяется от 246 мг/кг (урбоестественная почва) до 816 мг/кг (урбаноземы). На отдельных пробных площадях содержание Р2О5 в почвах доходило до 3778 мг/кг. Содержание других неметаллов (Б, S, Se, О-, NO3-) в почвах (почвогрунтах) горо-
да не превышает допустимых значений и зависит от уровня антропогенной нагрузки.
Также как и в отношении ТМ, начаты исследования по изучению миграционной способности элементов питания в городских почвах, их поступления в растения и степени накопления в различных органах растений. Культуроземы и реплантоземы характеризуются снижением содержания элементов питания (№, Р, К) по профилю почвы; в урбанозе-мах и урбоестественных почвах прослеживается некоторое увеличение содержания N и К в нижних горизонтах; в естественных почвах наблюдается закономерное повышение содержания элементов питания в нижних горизонтах.
В разнотравье, собранном в черте города, содержание всех определяемых поллютантов гораздо выше, чем в разнотравье, собранном в пригороде Архангельска: свинца - в 315 раз; меди - в 4-10 раз; цинка - в 1,5-2 раза; кобальта - в 3-7 раз; никеля - в 1,5-8 раз. Это указывает на аэротехногенное загрязнение растительности данными поллютантами в
черте города. Однако ТМ могут попадать в растение и из почвы. В условиях Севера миграционная способность элементов в системе «почва-растения» зависит от механического состава почв, содержания в них органического вещества и труднорастворимых фосфатов. Установлено, что более высокое содержание определяемых нами ТМ было обнаружено в собранном с реплантоземов разнотравье, наименьшее - в собранном с культуроземов. И действительно, на легких почвах, обедненных гумусом, имеет место достаточно высокое поступление тяжелых металлов в растения. Коэффициент биологического поглощения (КБП) для этих почв составляет: для Со -4,12; РЬ - 2,51; N1 - 2,31; гп - 0,94; Си - 0,63. На почвах с тяжелым механическим составом и высоким содержанием органического вещества КБП составляет: для Со - 1,39; РЬ - 0,66; № - 0,50; 2п - 0,55; Си - 0,33. Повышенное содержание подвижного фосфора в его валовом составе увеличивает накопление тяжелых металлов в почвах и снижает их КБП в растениях.
ВЫВОДЫ
• Почвы (почвогрунты) г. Архангельска имеют неблагоприятные физико-механические свойства для произрастания растительности. Они распылены, захламлены строительным мусором, загрязнены высокотоксичными пол-лютантами и имеют более щелочную реакцию среды по сравнению с природными почвами.
• В городских почвах содержится значительное количество свинца, мышьяка, подвижной меди, но довольно мало подвижных форм железа, цинка, кобальта и никеля. По СПК большинство почв г. Архангельска можно отнести к слабо- и среднезагрязненным с напряженной оценкой экологической обстановки. Отдельные пробные площади имеют высокий уровень загрязнения почвенного по-
крова с кризисной оценкой экологической обстановки, категория загрязнения их довольно опасная.
• Почвы города Архангельска можно считать довольно хорошо обеспеченными такими элементами питания, как калий и фосфор, в которых высоко содержание органического углерода. Все это способствует аккумуляции ТМ в почвах в формах, не доступных растениям.
В условиях Севера уровень накопления ТМ в городских почвах и миграционная способность элементов в системе «почва-растения» зависят от механического состава почв, содержания в них органического вещества и труднорастворимых фосфатов.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
С, г/кг
Рис. 7. Среднее содержание ТМ в разных типах почв г. Архангельска
ш — РЬ, подв. ; щ — РЬ, вал.; □ — Н^; □ — Аэ; м — Си; □ — Zn; ^ — Со; — №; I— — Ре
Список литературы
1. Строганова М.Н. Роль почв в городских экосистемах // Почвоведение. 1997. № 1. С. 97-101.
2. Добровольский В.В. Основы биохимии. М., 1998.
3. Природный комплекс большого города. Ландшафтно-экологический анализ. М., 2000.
4. Наквасина Е.Н., Попова Л.Ф. Состояние, свойства и функциональные особенности различных типов городских почв Архангельска // Вестник Поморского ун-та. Сер. «Естественные и точные науки». № 3. 2002. С. 11-16.
Popova Lyudmila, Korelskaya Tatiana
THE ROLE OF SOIL IN ACCUMULATING HEAVY METALS AND NUTRITION ELEMENTS
BY PLANTS IN INDUSTRIAL AREA
Mechanical composition of soil, its physical characteristics, pH of soil solution, content of organic carbon and nutrition elements exert a significant influence upon accumulation of microelements and technogenic pollutants in forms available to plants. This defines migratory ability of nutrition elements and technogenic pollutants in the «soil - plants» system.
Рецензент - Наквасина Е.Н., доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой Архангельского государственного технического университета
