CC BY
28
001: 10.24411/0044-3913-2018-10207 УДК: 631.416.8 +581.5
Агроэкологические особенности содержания и миграции тяжелых металлов в почве лесополосы и защищаемого поля
00 о
N СМ
ш
s
ф
и
ш ^
S
ш M
С.В. ПУГАЕВ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (e-mail: niish-mordovia@mail.ru)
Мордовский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, ул. Мичурина, 5, р.п. Ялга, Саранск, Республика Мордовия, 430904, Российская Федерация
Исследования проводили в 2001-2008 гг. в пригородной зоне г. Саранска Республики Мордовия на черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом. Возраст насаждений лесополосы более 50лет. Точки отбора проб почвы:лесополоса, 10,30,50, 100,150 и 250 м (фон) от полосы в сторону защищаемого поля на заветренную сторону в слоях почвы 0-20 см, 30-40 см, 50-60 см. Максимальная концентрация Fe (до 60214 мг/кг) установлена в слое 30-40 см в 10 м от полосы; Mn (до 1084,75 мг/кг) - в слое 0-20 см в 100 м от полосы и Cr (128,77 мг/кг) - в слое 0-20 см почвы лесополосы. В лесополосе слой 0-20 см оказался загрязнен тяжелыми металлами (ТМ) в 1,1-1,9 раз больше, чем на пашне геохимического района, в котором расположено поле. Суммарное содержание ТМ изменялось в слоях почвы поля и, как следствие, произошло перераспределение максимумов их относительных долей на разном удалении от полосы в зависимости от металла: в 10 м для Fe, в 30 м для Mn, в 250мдля Cr. По элювиально-аккумулятивному коэффициенту выявлены аэральный, гидрогенный и промежуточные типы загрязнения почвы, связанные с перераспределением атмосферных осадков в защищаемом полосой поле. Учитывая значимость воздействия лесополосы на распределение металлов в слоях почвы поля, можно рекомендовать особое размещение культур для выращивания более качественной продукции.
Ключевые слова: поле, лесополоса, почва, тяжелые металлы.
Для цитирования: Пугаев С.В. Агроэко-логические особенности содержания и миграции тяжелых металлов в почве лесополосы и защищаемого поля//Земледелие. 2018. № 2. С. 30-32.
Полезащитные лесные полосы занимают особое место в земледелии. В антропогенно-измененных биогеоценозах они создают микроклимат для более благоприятного роста и развития растений, воздействуя на ветровой и водный режимы, регулируя потоки атмосферных осадков и пыли [1]. Вместе с тем, известно, что под антропогенным прессингом изменяется химический состав осадков, в том числе содержа-
ние тяжелых металлов (ТМ) [2]. Соединения металлов антропогенного происхождения наиболее подвижны в первые месяцы и годы после попадания в биогеоценозы. Транслокация ТМ из почвы в растения во многом определяется не только их формами в почве, но и биологическими особенностями растений. В связи с особым влиянием лесополос на атмосферные потоки представляется возможным выявить их участие в распределении ТМ в агроценозе. Однако вопросы содержания и миграции ТМ в почве лесополос и защищаемого поля мало изучены.
Цель исследования - изучить распределение ТМ в слоях почвы лесополосы и защищаемого поля и определить типы их накопления для совершенствования агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственных культур.
Работа выполнена в 2001-2008 гг в ТОО «Свердловское», пригороде г Саранска. Почва опытного поля - чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый. По общепринятым в агрохимслужбе методикам определено, что кислотность почвы - нейтральная, высокое содержание гумуса (до 10 %) в пахотном слое
снижалось по мере увеличения глубины отбора проб, а содержание Р2О5 было одинаковым в слоях точек отбора, но снижалось при удалении от полосы с 15,5 до 10,5 мг/кг Исследования выполнены рентгенофлуоресцентным методом, позволяющим выявлять валовое содержание металлов в нативном состоянии [3]. Глубина отбора почвенных проб 0-20, 30-40 и 5-60 см. Индивидуальные образцы брали почвенным буром методом конверта из 5 скважин в точке отбора и объединяли в смешанную пробу. Точки отбора располагались в лесополосе и на расстоянии от неё в 10, 30, 50, 100, 150 и 250 м (фоновая площадка, на которой воздействие насаждения не проявляется). Растительность лесополосы представлена лиственными древесно-кустарниковыми видами возрастом более 50 лет
Результаты исследований подвергали математической обработке с использованием статистических программ STAT 3 и DISMAN. Определяли средние величины и НСР при р=0,05. Рассчитывали элювиально-аккумулятивный коэффициент (Кэа) насыщения почвы ТМ - отношение содержания элемента в горизонте почвы к величине этого показателя в почвообразующей породе [4].
Содержание Fe было самым высоким, по сравнению с Mn и Cr (табл. 1). В лесополосе слой почвы 0-20 см отличался наибольшей величиной этого показателя, по сравнению с другими слоями. Концентрация элемента оказалась максимальной на обследованном участке и равновеликой в изучаемых слоях на расстоянии 10 м от полосы. При дальнейшем удалении она снижа-
1. Влияние лесных полос на содержание ТМ в слоях почвы
Слой по- Содержание*
Расстояние от полосы Fe Mn Cr
чвы, см мг/кг 1 % мг/кг 1 % мг/кг 1 %
Кларк района 0-20 44747,35 868,75 66,89
размещения поля [6]
Полоса 0-20 55025 38,4 953,45 36,6 128,77 39,7
30-40 43158 30,1 852,6 32,8 85,67 26,4
50-60 45157 31,5 796,7 30,6 109,97 34,9
10 м 0-20 58620 32,8 794,10 33,8 118,17 33,9
30-40 60214 33,7 754,10 32,1 114,55 32,9
50-60 59998 34,5 801,35 34,1 115,9 33,2
30 м 0-20 54777 34,1 889,37 31,0 116,37 34,5
30-40 51034 31,9 949,27 33,1 107,07 31,8
50-60 54337 34,0 1025,9 35,9 113,57 33,7
50 м 0-20 45316 34,0 1080,2 40,7 113,65 33,9
30-40 45127 33,9 829,62 31,2 114,3 34,1
50-60 42545 32,1 745,12 28,1 107,22 32,0
100 м 0-20 45103 34,0 1084,75 39,6 96,67 33,6
30-40 41816 31,6 816,0 29,8 92,52 32,2
50-60 45613 34,4 837,05 30,6 98,3 34,2
150 м 0-20 47502 32,6 975,17 34,0 101,27 33,6
30-40 49033 33,6 944,85 32,0 104,2 34,6
50-60 49157 34,8 944,70 33,0 96,1 31,8
250 м 0-20 45873 34,2 900,12 34,6 99,2 31,8
(контроль) 30-40 45805 34,2 893,67 34,3 117,87 37,8
50-60 42390 31,6 808,07 31,1 94,8 30,4
НСР05 0-20 305,7 - 10,9 - 3,2 -
30-40 50-60 86,9 201,0 - 8,6 10,2 - 7,2 3,4 -
*мг/кг - на воздушно-сухую массу; % - доля слоя от суммы содержания металла в слоях.
2. Элювиально-аккумулятивные коэффициенты обогащения почвенных слоев ТМ
Слой почвы, см Расстояние от полосы
полоса | 10 м 30 м 50 м I 100 м 150 м | 250 м
Ре
0-20 1,10 1,17 1,10 0,91 0,90 0,95 0,92
30-40 0,86 1,20 1,02 0,90 0,84 0,98 0,92
50-60 0,90 1,20 1,09 0,85 0,91 0,98 0,85
Мп
0-20 2,13 1,77 1,99 2,41 2,42 2,18 2,01
30-40 1,91 1,69 2,12 1,85 1,82 2,11 2,00
50-60 1,78 1,79 2,29 1,67 1,87 2,11 1,81
Сг
0-20 1,72 1,58 1,56 1,52 1.29 1,35 1,33
30-40 1,15 1,53 1,43 1,53 1,24 1,39 1,58
50-60 1,47 1,55 1,52 1.43 1,31 1,28 1,27
лась по всему профилю, а, начиная с отметки 100 м, не изменялась. Высокий уровень Ре оказывает положительное воздействие на закрепление соединений ТМ, так как его гидроксиды создают геохимические барьеры в виде пленочной поверхности с высокой эффективностью их поглощения [5].
Содержание Мп достоверно снижалось в почве лесополосы по мере углубления, в 10 м от полосы - от слоя 0-20 см к слою 30-40 см, возвращаясь в слое 50-60 см к уровню 0-20 см. В 30 м от насаждения отмечен один из суммарных максимумов общего содержания металла в слоях с ростом его аккумуляции по мере заглубления. Наибольшее и одинаковое накопление Мп в слое 0-20 см отмечено на расстояниях 50 и 100 м от лесополосы, которое при дальнейшем удалении от насаждения снижалось. В слоях 30-40 см и 50-60 см в 50-150 м выявлено, в основном, повышение уровня металла, по сравнению с предыдущими точками отбора. При различиях абсолютных величин содержания Мп в первом и третьем слоях точки 50 м до 50 %, его относительные величины разнились на 12,6 %, но закономерность снижения концентрации от слоя к слою оставалась ярко выраженной.
Таким образом, повышенное содержание Мп выявлено на расстоянии 50-150 м от лесополосы. Вероятно, это обусловлено влиянием опада листьев насаждения, виды которого характеризуются высоким уровнем накопления этого металла [7]. Дифференциация слоев изменялась к 10 м от полосы, в 30 м она приобретала противоположную направленность, по сравнению с лесополосой, а в более удаленных точках отбора распределение металла было таким же, как в насаждении.
Максимальное на обследованной территории содержание Сг отмечено в слое 0-20 см в почве лесополосы, затем оно достоверно снижалось в 10 м от нее и на расстоянии до 50 м оставалось на одном уровне. В 100 м отмечено его значимое уменьшение, которое далее варьировало слабо. В слое почвы 3040 см в точке 10 м концентрация этого элемента увеличивалась, по сравнению с лесополосой, а далее, достоверно изменяясь (снижаясь и/или увеличиваясь), во всех точках в поле была больше, чем в лесополосе. В слое 50-60 см содержание Сг существенно возрастало в приполосном пространстве (10 и 30 м), но в 100 м снижалось, в сравнении с предыдущими точками отбора. В более удаленных точках уровень металла не изменялся и был значимо ниже, чем в лесополосе. Несмотря на достоверные различия содержания Сг в слоях почвы поля, соотношение его величин по слоям в изучаемых точках отбора было практически одинаковым, кроме лесополосы и фоновой площадки, в которых
количество металла в слоях оказалось диаметрально противоположным.
Таким образом, содержание Сг в почвенных слоях лесополосы было сильно дифференцировано. При максимуме в слое 0-20 см слой 30-40 см существенно выделялся как самый обедненный. Во всех слоях почвы поля происходило обогащение почвы этим элементом на расстоянии до 50 м. Начиная со 100 м, содержание Сг снижалось также во всех слоях, на фоновой площадке и в лесополосе его количество, дифференциация и соотношение величин по слоям было противоположным.
В целом в лесополосе максимальными концентрациями ТМ на обследованной территории выделялся слой почвы 0-20 см, по мере увеличения глубины отбора они снижались. В поле выявлено обогащение слоев почвы Ре в 10 м и Мп - в 30-150 м от лесополосы. Соотношение содержания ТМ в слоях в сторону перераспределения экстремальных величин на противоположные значения резко изменялось: по Ре - с 10 м; по Мп - с 30 м. Вероятно, снег, накопленный под влиянием полосы, оказал большее влияние на миграцию ТМ в почве до 30 м от неё, чем фильтрующее воздействие насаждений на воздушные массы [1]. Для Сг перераспределение содержания выявлено в точке фона.
Сравнение величин накопления ТМ в изучаемой почве с их кларками геохимического района, в котором размещено поле, показало, что они одинаковы или выше величин кларка района: для Мп в 10 м от полосы, а для Ре и Сг во всех точках поля и в насаждении [6]. Так, слой почвы полосы 0-20 см содержит больше Мп, чем в среднем пахотный слой геохимического района, до 1,09 раз, но в сравнении с ОДК - в 0,70 раз. В литературе отмечено снижение концентрации РЬ в почве под влиянием лесополос до 65 %, но с наибольшим загрязнением до 15 м от полосы [8]. Особое загрязнение почвы лесной полосы металлами может свидетельствовать о ее способности задерживать аэротехногенные потоки ТМ.
Особенности накопления и миграции ТМ в полосе, приполосном пространстве и на фоновой площадке (250 м) ярко выражены при анализе
элювиально-аккумулятивного коэффициента - Кэа. За основу его расчетов взято содержание ТМ в подстилающих породах и почва считается обогащенной элементом, если Кэа > 1,0 [4, 9]. Переход от максимальной концентрации ТМ в поверхностном слое к уменьшению в нижележащих трактуется как аэральный тип загрязнения, а при увеличивающемся загрязнении с углублением - как гидрогенный [10].
В гумусном слое почвы лесополосы выявлены самые высокие величины Кэа металлов, которые уменьшались по мере углубления (табл. 2). Так, в слое 0-20 см почвы насаждения для железа Кэа =1,10. Глубже он имел более низкие и практически одинаковые величины. Максимальные коэффициенты зафиксированы в 10 м от полосы. В заглубленных слоях они оказались одинаковыми, а в слое 0-20 см были несколько меньше. В 30 м К был по-
эа
вышенным (более 1,0), но в слое 30-40 см он оказался ниже, чем в двух других, в которых величина коэффициента была практически одинаковой. В точках отбора от 50 до 250 м Кэа по слоям варьировал в диапазоне 0,84-0,91 с более высокими значениями в слое 0-20 см.
Таким образом, лесополоса влияла на аэротехногенные поток Ре и обогащала им гумусные слои почвы (0-20 см) на расстоянии до 30 м во всех слоях. Частично аэральный тип загрязнения [10] железом выявлен в лесополосе, 30, 50, 100 и 250 м от неё. В 10 и 150 м он оказался частично гидрогенным, что может быть связано как с фильтрующим действием лесополосы на воздушные потоки, так и с распределением пыли и атмосферных осадков на заветренной стороне насаждения.
Величины Кэа для Мп уменьшались в слоях почвы лесополосы по мере за- ы глубления. В 10 м они заметно снизи- е лись в двух верхних слоях, но остались л неизменными в самом глубоком. В д 30 м от насаждения коэффициенты уве- л личивались по мере углубления. На еще е большем расстоянии от лесополосы в 2 гумусовом слое почвы поля они возрас- 2 тали до максимума в точке 100 м. Веро- м ятно, здесь оказывают влияние как по- 1 чвообразующие породы, так и аэральное
загрязнение и листовой опад деревьев, листья которых богаты этим металлом [7]. В точке 50 м миграция Мп уменьшалась с глубиной, как и в насаждении. По мере приближения к фоновой площадке, различия в заглубленных слоях сокращались. Однако величины Кэа для слоя 0-20 см на расстоянии 50-250 м были всегда больше, чем для нижележащих.
Таким образом, в почвах лесополосы и в 50 м от нее выявлен аэральный тип загрязнения Мп, тогда как на расстоянии 30 м - гидрогенный. Частично аэральным он оказался в точках 10, 100, 150 и 250 м. Ближе к фоновой площадке влияние насаждения на природные почвообразовательные процессы, в том числе аккумуляцию и миграцию Мп, нивелировалось.
Максимальная на обследованной территории величина Кэа для Сг отмечена в гумусном слое почвы лесополосы, в заглубленных слоях она была ниже. Во всех остальных точках коэффициенты были равновелики по слоям и близкими в точках отбора: 10 и 50 м (1,43-1,58); 100 и 150 м (1,24-1,39). Вероятно, накопление Сг гумусным слоем почвы связано с его аккумулятивными свойствами по отношению к аэральному поступлению металла под воздействием фильтрующего фактора лесополосы.
Таким образом, самый высокий Кэа Ре и Сг отмечен в слое 0-20 см почвы лесополосы. Аналогичный характер миграции со снижением коэффициента от первого слоя ко второму установлен в 30 м от насаждения. На фоновой площадке происходило противоположное накопление Сг: оно было больше во втором слое. Для Мп самый высокий Кэа установлен в гумусных слоях точек отбора 50 и 100 м. Аэральный тип загрязнения Мп характерен в лесополосе и в 50 м.
Для некоторых металлов значения Кэа оказались низкими и практически равновеликими: для Ре в слоях 30-40 и 50-60 см на расстоянии 10 и 150 м от полосы; для Сг во всех слоях в 10 и 50150 м. В некоторых точках аккумуляцию ряда металлов можно было бы охарактеризовать как частично гидрогенный тип накопления (для Ре - в 10 и 150 м, для Сг - в 50, 150 и 250 м) или частично аэральный (для Ре - в лесополосе, 30, 50 и 100 м, для Мп - в 10, 100, 150 и 250 м, для Сг - в лесополосе, 10, 30 и 100 м). Вероятно, это связано с периодически промывным типом водного режима чернозема выщелоченного тяжело-5? суглинистого и перераспределением ° атмосферных осадков насаждением сд [1, 11]. Применение натакой почве ^ средств химизации не вызывало закоси номерных изменений содержания ТМ в | инфильтрационных водах, прошедших метровый профиль почвы, и, как следят ствие, перераспределения ТМ [12]. 5 Таким образом, в условиях неравно-$ мерного распределение атмосферных
осадков на межполосном пространстве поля и агрохимических свойств его почвы ТМ проявляют неодинаковую миграционную активность и по-разному накапливаются в слоях почвы. На этот фактор накладывается воздействие почвообра-зующих пород, обогащающих почвенные горизонты металлами с преобладанием природных почвообразовательных процессов на фоновой площадке. Следовательно, содержание ТМ в почвах определяется не только техногенным прессингом или природными процессами, но и их сочетанием с особенностями агроландшафтов, в частности наличием лесополос, с превалированием того или иного фактора в разных точках изучаемой территории. Выявлены аэральный и гидрогенный типы накопления элементов в почве насаждения и защищаемого поля в зависимости от удаления от лесополосы. Это будет способствовать пониманию процессов аккумуляции ТМ в окружающей среде, которые происходят постоянно и особенно важны в связи с повышенной подвижностью свежих выбросов [13]. Учитывая распределение металлов, на заветренной стороне поля, особенно ближе к лесополосе, можно рекомендовать расположение культур, потребляющих повышенное количество минеральных веществ. Например, это могут быть посевы технических культур.
Литература.
1. Засуха и борьба с ней: ретроспектива и современность / И.Ф. Каргин, С.Н. Немцев,
B.И. Каргин и др. / под ред. Каргина И.Ф. Саранск: ООО «Научный мир», 2011. 712 с.
2. Каргин И.Ф., Игонов И.И. Химический состав атмосферных осадков и содержание в них тяжелых металлов // Российский научный мир. 2013. № 1 (1). С. 49-55.
3. Методика определения содержания металлов в порошковых пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. СПб.: НПО «Спектрон», 1994. 11 с.
4. Золотарева Б.Н., Скрипниченко И.И. Геохимические аспекты мониторинга тяжелых металлов в почвах // Региональный экологический мониторинг. М.: Наука, 1983.
C. 93-114.
5. Водяницкий Ю.Н. Роль соединений железа в закреплении тяжелых металлов и металлоидов в почвах // Почвоведение. 2010. № 5. С. 558-572.
6. Пугаев С.В. Геохимическое районирование пахотных почв Республики Мордовия по содержанию тяжелых металлов // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т 29. № 3. С. 28-32.
7. Пугаев С.В., Лукаткин А.С. Накопление тяжелых металлов в почве и листовом аппарате растений дендрария Ботанического сада Мордовского Государственного Университета им. Н.П. Огарёва // Агрохимия. 2015. № 5. С. 82-89.
8. Недикова Е.В. Укрепление нарушенных связей внутри эколого-ландшафтных систем // Земледелие. 2003. № 5. С. 25.
9. Мажайский Ю.А. Региональные особенности распределения тяжелых металлов в
профилях почв // Докл. Россельхозакадемии. 2003. № 2. С. 25-28.
10. Водяницкий Ю.Н., Яковлев А.С. Оценка загрязнения почвы по содержанию тяжелых металлов в профиле // Почвоведение. 2011. № 3. С. 329-335.
11. Ахметов Ш.И., Смолин Н.В. Влияние средств химизации на вымывание минерального азота из выщелоченного чернозема // Агрохимия. 1996. № 12. С. 3-9.
12. Ахметов Ш.И., Смолин Н.В., Пугаев С.В. Влияние средств химизации на содержание тяжёлых металлов в почве, растениях и промывных водах // Интеграция образования. 2000. № 2. С. 57-60.
13. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. 4th ed. CRC Press, Taylor & Fracis Group, 2011. 505 p.
Agroecological Features of the Content and Migration of Heavy Metals in the Soil of Forest Belts and Protected Fields
S.V. Pugaev
Mordovia Research Institute of Agriculture, ul. Michurina, 5, r.p. Yalga, Saransk, Respublika Mordoviya, 430904, Russian Federation
Abstract. The research was carried out in 2001-2008 in the suburban zone of the city of Saransk in the Republic of Mordovia on leached heavy loamy chernozem. The age of plantations of forest belts is more than 50 years. The sampling points of the soils: forest belts, 10, 30, 50, 100, 150 and 250 m (background) from the belt towards the protected field on the windward side in the soil layers 0-20 cm, 30-40 cm, 50-60 cm. The maximum concentration of iron (up to 60214 mg/kg) was established in the layer of 30-40 cm in 10 m from the belt; of manganese (up to 1084.75 mg/kg) - in the 0-20 cm layer at a point 100 m from the belt, and chromium (128.77mg/ kg) - in the 0-20 cm layer of soil of the belt. In the forest belt, the 0-20-cm layer was contaminated with heavy metals 1.1-1.9 times higherthan in the plowland of the geochemical region where the field is located. The total content of heavy metals varied in the soil layers of the field and, as a result, the redistribution of the maxima of their relative proportions in the layers at different distances from the belt occurred, depending on the metal: 10 m foriron, 30 m for manganese, and250m for chromium. According to the eluvial-accumulative coefficient, the aerial, hydrogenic and intermediate types of soil pollution associated with the redistribution of atmospheric precipitation in the field, protected by the strip, were identified. Given the significance of the impact of the forest belt on the distribution of metals in the soil of the field, we can recommend the special placement of crops to cultivate high-quality products.
Keywords: field, forest belt, soils, heavy metals.
Author Details: S.V. Pugaev, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow (e-mail: niish-mordovia@mail.ru).
For citation: Pugaev S.V. Agroecological Features of the Content and Migration of Heavy Metals in the Soil of Forest Belts and Protected Fields. Zemledelie. 2018. No. 2. Pp. 30-32 (in Russ.).
