CC BY
98
млекопитающих в Якутии // Исследования по экологии, динамике численности и болезням млекопитающих Якутии.
- М.: Наука, 1964. - С. 3-59.
25. Козловский И. С. Вятско-Камское Заволжье // Рысь. Региональные особенности экологии, использования и охраны.
- М.: Наука, 2003. - С. 168-217.
26. Юргенсон П. В. К экологии рыси в лесах средней полосы СССР // Зоол.журн. - 1955. - Т. 34, - № 3. - С. 609-620.
27. Мордосов И. И. Пространственное распределение и численность красной полевки в Западной Якутии // Охотничье-промысловые ресурсы Сибири. - Новосибирск: Наука, 1986.
- С. 202-209.
28. Козло П. Г. Белоруссия // Рысь. Региональные особенности экологии, использования территории и охраны.
- М.: Наука, 2003. - С. 118-137.
29. Азаров В. И., Шубин Н. Г. Западная Сибирь // Рысь. Региональные особенности экологии, использование территории и охраны. - М.: Наука, 2003. - С. 249-282.
30. Обухова А. Д., Шахназаров Г. М. О нормах кормления животных семейства кошек // Тр. Моск. Зоопарка - 1949. -Т. 4. - С. 180-219.
31. Стоянова В. К., Сваринская В. Г. Наблюдения за рысями в Рижском зоопарке // Материалы Прибалт. конф. - Рига, 1964. - С. 21-25.
32. Данилов П. И., Русаков О. С., Туманов И. Л., Белкин
В. В., Макарова О. А. Северо-Запад России // Рысь. Региональные особенности экологии, использования территории и охраны. - М.: Наука, 2003. - С. 49-82.
33. Соломонов Н. Г. Очерки популяционной экологии грызунов и зайца-беляка в Центральной Якутии. - Якутск, 1973. - 248 с.
34. Попов М. В. Кормовые условия и их значение в динамике численности // Исследования причин и закономерностей динамики численности зайца-беляка в Якутии. - М.: изд-во АН СССР, 1960. - С. 69-107.
35. Лаптев И. П. Млекопитающие таежной зоны Западной Сибири. - Томск: изд-во ГТУ, 1958. - 284 с.
36. Губанов Н. М. Гельминтофауна промысловых млекопитающих Якутии. - М.: Наука, 1964. - 163 с.
37. Кряжимский Ф. В., Магадиев Ю. М., Добринский Л. Н., Ендукин А. Ю. Средний Урал // Рысь. Региональные особенности экологии, использования территории и охраны.
- М.: Наука, 2003. - С. 217-226.
38. Громыко М. М. Пушной промысел в Сибири в XVII в.: Рецензия // Изв. СО АН СССР. Сер. обществ. наук. - 1974.
- № 1, вып. 1. - С. 125-127.
39. Дьяконов А. Л. Пушной промысел в Якутии конца XVIII - середины XIX в. - Якутск, 1990. - 65 с.
40. Гептнер В. Г., Слудский А. А. Хищные (гиены и кошки).
- М.: Высшая школа, 1972. - 551 с.
УДК 631.41(470.344)
Н. Н. Сазонов
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
В МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВАХ
При выращивании растений на почвах с повышенным содержанием тяжелых металлов основная масса их накапливается в вегетативных органах, а в генеративных - значительно меньше. Северные экосистемы отличаются низкой устойчивостью к антропогенным и техногенным воздействиям и низкой способностью к восстановлению.
Ключевые слова: агроэкологический мониторинг, тяжелые металлы, северные экосистемы, удобрения, зерновые и овощные культуры, навоз, торф, хонгурин.
САЗОНОВ Николай Никитич - д. б. н., доцент кафедры высокомолекулярных соединений, органической и биологической химии БГФ СВФУ7 E-mail: Sazonov1971@gmail.com
N. N. Sazonov
Agroecological monitoring of heavy metals in frozen soils
Ground mass of soils with increased heavy metal content accumulate in vegetative organs during plant cultivation. Northern ecosystems are characterized by low resistance to human impact and low regenerative capacity.
Key words: agroecological monitoring, heavy metals, northern ecosystems, fertilizers, grain and vegetable crops, manure, peat, hongurin.
Наиболее полное определение агроэкологического мониторинга содержится в работе М. А. Глазовской [1]. Под ним понимается распределенная в пространстве и времени система сопряженных комплексом наблюдений за состоянием агроценозов с целью их оценки и прогнозирования влияния различных технологий, видов мелиораций и загрязняющих веществ на результаты сельскохозяйственного производства, а также разработка рекомендаций по устранению неблагоприятных последствий сельскохозяйственной деятельности. Агроэкологический мониторинг - обязательная составляющая экомониторинга и важнейший компонент биосферного мониторинга.
Комплексная экологическая оценка среды обитания человека возможна только при хорошо организованном агроэкологическом мониторинге. При этом экологическая экспертиза выявляет и дает комплексную характеристику источников загрязнения природной среды, прослеживает потоки загрязнителей по возможным каналам их миграции, устанавливает концентрации загрязнителей в живых организмах как непосредственно в зонах загрязнения, так и с учетом их переноса по трофическим цепям. Почвенный покров, регулирующий через живое вещество биохимические потоки химических элементов, представляет своеобразный «экран жизни» на нашей планете, подобный озоновому слою.
Хотя почва является биокосным элементом экосистем, для комплексной характеристики ее общего устойчивого состояния в последние годы используется термин здоровье почвы [2], понимаемый как постоянная способность почвы функционировать в качестве компонента живой биосистемы в пределах границ экосистемы и землепользования, обеспечивать биопродуктивность, поддерживать качество смежных сред (воздуха и воды), способность здоровью растений, животных и человека. Подобное расширенное толкование функций почвы хотя и не традиционно, но, по нашему мнению, имеет смысл. При этом кроме общепринятых экосистемных характеристик почвы учитывается биологическая полноценность и экологическая безопасность главного компонента урожая - пищевой продукции.
Понятие «здоровая почва» предполагает наличие в ней загрязняющих веществ в пределах максимально допустимого уровня, при котором, согласно [2], не
снижается биопродуктивность почвы, в биомассе не накапливаются вредные вещества в количествах, нарушающих жизненные функции как данного биогеоценоза, так и организмов, связанных с ним пищевыми цепями, из почвенной биоты не элиминируется полезный средообразующий генофонд, поддерживающий устойчивость почвы. Перечисленные условия являются одновременно показателями и устойчивости, и здоровья почвы. Если они не соблюдаются, то это означает, что почва «больна» вследствие загрязнения.
Трансформация тяжелых металлов и перераспределение между подвижными и прочносвязанными формами соединений определяется свойствами почв и мелиорантов, которые вносятся для детоксикации, а также свойствами самих элементов. Одним из важнейших факторов, определяющим подвижность тяжелых металлов в почвах, является реакция среды. По наблюдениям многих авторов показано, что тяжелые металлы наименее подвижны при нейтральной и слабощелочной среде [3, 4]. Такая почвенная среда характерна для большей части территории ЦентральноЯкутской провинции.
К факторам, загрязняющим почву, часто относят различные виды удобрений. Давно известно, что удобрения являются источником питания растений и увеличения урожайности, но как фактор, влияющий на содержание тяжелых металлов (ТМ) в почве и растениях, начали исследовать сравнительно недавно, и при этом данные противоречивы. С одной стороны, в составе удобрений могут быть ТМ, которые потенциально способны загрязнять почву и растения [5], с другой
- удобрения, изменяя агрохимические свойства почвы, могут влиять на их подвижность в почве и следовательно на поступление в растения [6].
Общепризнано, что наибольшим количеством ТМ среди минеральных удобрений отличаются фосфорные, особенно по содержанию Sr. Рассмотрим вероятность загрязнения почвы на примере зерновых культур в условиях Центральной Якутии, под которые за последние три года (2006-08) были в среднем внесены следующие дозы минеральных удобрений (кг/га): N - 30 Р205 - 34 и К20 - 16. Расчетные данные свидетельствуют о том, что ежегодное поступление ТМ в почву с удобрениями под зерновые колеблется от тысячной до
Таблица 1
Поступление ТМ с удобрениями под зерновые культуры (г/га)
Показатели Сг Си N1 РЬ 7п са
Азотные 3,54 2,41 1,64 0,03 2,56 0,02
Калийные 1,78 0,59 0,43 0,12 0,72 0,01
Фосфорные 5,82 4,07 2,51 0,53 5,83 0,24
Сумма ТМ 11,14 7,07 4,58 0,68 9,11 0,27
В почве, мг/кг 0,004 0,002 0,01 0,0005 0,004 0,00008
Таблица 2
Поступление ТМ с удобрениями под овощные культуры (г/га)
Показатели Сг Си N1 РЬ 7п Са
Азотные 13,75 8,82 6,18 0,12 10,21 0,08
Калийные 12,48 3,43 2,81 0,69 4,86 0,07
Фосфорные 37,76 26,78 16,47 10,28 39,77 1,36
Сумма ТМ 63,99 39,03 25,46 11,09 54,84 1,51
В почве, мг/кг 0,021 0,013 0,008 0,003 0,018 0,0005
десятитысячной доли мг/кг, что составляет ничтожную часть от фонового содержания (табл.1).
Аналогичные расчеты проведены по овощным культурам, под которые в те же годы были внесены большие дозы минеральных удобрений (кг/га): N
- 115, Р205 - 97 и К20 - 110 (табл. 2). В результате установлено, что применение минеральных удобрений не может существенно влиять на содержание ТМ в течение длительного периода, измеряемого сотнями лет. В условиях защищенного грунта уровень применения минеральных удобрений в 8-12 раз выше, чем овощные культуры открытого грунта, но и в этих условиях ежегодное попадание в почву приоритетных загрязнителей будет на 2-3 порядка ниже ПДК.
Тяжелые металлы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, химические и физические свойства которой могут существенно влиять на их судьбу, либо усиливая их токсичность, либо переводя их в мало активную форму, безопасную для сельскохозяйственных растений и почвенной биоты. Растения, обладая защитными механизмами, также могут проявлять различную устойчивость к загрязнению сельскохозяйственной продукции на почвах, содержащих ТМ. Поэтому в настоящее время накоплено достаточно много экспериментальных данных, когда на почвах, содержащих ТМ выше утвержденных ПДК, из-за наличия у растений механизмов защиты от избыточных ионов и способности почвы переводить соединения ТМ в малоподвижную форму, получена продукция с содержанием токсичных элементов ниже ПДК.
Другим путем контроля может быть установление предельных концентраций элементов в почве, исходя из критических концентраций их в продуктах питания растительного происхождения. Задача в этом случае значительно упрощается. Содержание металла в почве не должно загрязнить выращенную на ней сельскохозяйственную продукцию сверх установленного ПДК. Зная коэффициент накопления ТМ растения-
ми и их органами, можно рассчитать предельное содержание металла в почве, не представляющее опасности загрязнения. Кроме того, особое место в проблеме нормирования составляют показатели, полученные с помощью биологических тестов на загрязненность почв ТМ. Живые организмы и их метаболиты оказываются более чуткими к состоянию почв по сравнению с данными химических и физических анализов.
Известно, что на подвижность ТМ в мерзлотных почвах и поступление их в растение влияют следующие факторы: реакция среды (рН), содержание органического вещества и подвижность фосфора, гранулометрический состав и емкость поглощения катионов. При этом поступление ТМ в растения находится в сильной зависимости от вида растения и от содержания ТМ в почве. Учитывают дезактивирующее действие известкования на ТМ в почве, так же как и органического вещества. Оба этих фактора снижают поступление большинства ТМ в растения. На почвах тяжелого гранулометрического состава токсичность чаще всего проявляется слабее, чем на песчаных и супесчаных [6, 7].
Результаты наших вегетационных опытов показали, что наиболее существенным фактором (кроме концентрации ТМ) является реакция среды в почве, изменяя которую можно значительно снижать поступление Са, 2п, N1 и РЬ в растения. Рекультивация искусственно загрязненных ТМ почв, основанная на изменениях карбоната кальция и фосфатов, эффективна на почве с повышенной кислотностью, но не всегда дает положительный эффект в других условиях. Вероятно, это связано с тем, что большая часть ТМ присутствует в почве преимущественно в форме высокомолекулярных органических хелатов, которые могут оставаться достаточно растворимыми при высоких значениях рН.
Одним из факторов, определяющих состояние ТМ в почвах, является количество и качество органического вещества. В связи с этим важное значение в детоксикации загрязненных почв отводится органическим удобрениям.
Органическое вещество почвы обладает высокой реакционной способностью за счет большой удельной поверхности (300-600 м2/г) и высокой емкости обмена (200-400 мг-экв/100г). Гуминовые вещества в силу неоднородности своей структуры и поливалентности могут взаимодействовать с ионами металлов, поверхностной адсорбции, комплексообразования и коагуляции. Все реакции между органическим веществом и катионами ведут к образованию водорастворимых или нерастворимых в воде комплексов, преимущественное протекание одного из этих процессов зависит от состава органического вещества и химической природы катиона.
Устойчивость комплексов металлов с гуминовыми и фульвокислотами возрастает обычно с ростом рН от 3 до 7. Причем комплексы металлов с фульвокислотами имеют более низкие константы устойчивости, обычно лучше растворимы и более доступны для корней растений. Образование прочносвязанных органоминеральных соединений способствует закреплению ТМ преимущественно в верхних гумусовых горизонтах почв. В минеральных почвах органическим веществом удерживается около 50 % общего содержания микроэлементов, хотя эта величина может сильно меняться, в зависимости от соотношения металл/органическое вещество [8]. Основная задача при восстановлении плодородия загрязненных почв состоит в достижении нормального функционирования почвенной системы, показателем которого является количество и качество создаваемого вновь живого вещества: биологическая продуктивность не должна понижаться, а в биомассе не должны накапливаться химические элементы или их соединения в количествах, нарушающих жизненные функции; в почвенной биоте должен сохраняться полезный генофонд [5].
Органическое вещество способно не только понижать мобильность ТМ, но и повышать ее. Увеличение подвижности металлов при внесении органического вещества в загрязненную почву может проходить в результате образования водорастворимых низкомолекулярных органических комплексов. Затем по мере разложения органического вещества начинает проявляться иммобилизующий эффект. Отмечается, что степень разложения органического вещества играет
важную роль в прочности закрепления ТМ. В порядке снижения растворимости элементы располагаются следующим образом: С4 Си, 2п и РЬ. При внесении в почву сильно разложившегося органического вещества наблюдалось незначительное повышение подвижности ТМ только при рН 8, а при рН 5-7 происходит иммобилизация. Многие авторы [5, 8] отмечают, что органические удобрения независимо от их вида (перепревший или свежий навоз, зеленое удобрение, торф) на загрязненных почвах действуют однонаправленно: снижают подвижность и поступление ТМ в растения.
Органические удобрения наиболее эффективны при восстановлении плодородия загрязненных почв, они значительно повышают буферную емкость почв за счет увеличения содержания гумуса, емкости поглощения, создания благоприятных физико-химических свойств. Однако повысить буферную способность почв можно и при использовании в качестве мелиорирующих средств природные цеолиты, добываемые в Сунтарском улусе.
В настоящее время цеолиты широко используются и как минеральные удобрения, и как сорбенты различных веществ, улучшающие физическое состояние почв. Внесение хонгурина в почву в дозе 15 т/га приводило к увеличению емкости поглощения на 15-20 %. Наиболее эффективно его применение на мерзлотной таежнопалевой супесчаной почве. Последействие хонгурина прослеживается в течение 4-5 лет.
Использование цеолита в качестве мелиоранта не только повышает емкость катионного обмена, но и значительно подщелачивает почвенный раствор. Поэтому есть все основания использовать его для закрепления ТМ на кислых загрязненных почвах. Высокая сорбционная способность цеолитов объясняется большой общей площадью поверхности 720-880 м2/г и высокой емкостью катионного обмена, которая лежит в пределах 226-310 мг-экв/100 г [9].
В наших мелкоделяночных опытах изучалось влияние органических удобрений и хонгурина (цеолитовое сырье месторождения Хонгуруу) на снижение фитотоксического эффекта ТМ и их поступление в клубнях картофеля и моркови (табл.3). Органические удобрения и хонгурин вносили из расчета 20 т/га. Эксперименталь-
Таблица 3
Влияние мелиорантов на поступление тяжелых металлов в клубнях картофеля (мг/кг на сырое вещество)
Вариант са 7и РЬ Сг Си N1
Контроль 0,085 ± 0,008 12,8 ± 0,98 0,63 ± 0,07 0,09± 0,012 7,8± 0,75 0,76± 0,07
Навоз 0,043 ± 0,005 9,6 ± 0,87 0,54 ± 0,06 0,06± 0,008 6,4 ± 0,61 0,41± 0,04
Торф 0,038 ± 0,004 10,7 ± 0,92 0,42 ± 0,04 0,04± 0,005 5,9 ± 0,67 0,32± 0,03
Хонгурин 0,049 ± 0,006 8,5 ± 0,81 0,47 ± 0,05 0,05± 0,006 6,8 ± 0,72 0,43± 0,05
ПДК 0,03 10 0,5 0,2 10 0,5
ные материалы показывают, что применение их значительно снижает поступление ТМ в клубнях картофеля.
Иногда органические удобрения подразделяют на две группы: биологически активную - экскременты животных и биологически инертную - торф и различные смеси торфа с минеральными компонентами почв. Обе группы выступают как хорошие адсорбенты катионов и анионов, повышают буферность почвы, понижают концентрацию солей в почве.
Высокая селективность цеолитов в качестве мелиорантов загрязненных ТМ позволяет не только понизить их токсичность для растений, но и обогатить почву питательными элементами, причем последействие хонгурина прослеживается в течение 5-6 лет. Однако при этом необходимо учитывать экономическую эффективность применяемых цеолитов.
Техногенное загрязнение почв захватывает ежегодно все новые территории. Сейчас к числу важнейших задач, стоящих перед экологами и почвоведами, относится установление кларковых содержаний химических элементов в почвах отдельных регионов (местные кларки). Если этого не сделаем в ближайшее время, мы не только потеряем громадную научную информацию, но и не сможем разрабатывать объективные экологически грамотные проекты развития мегапроектов.
Главными загрязнителями окружающей среды Якутии являются предприятия горно-добывающей промышленности и города, расположенные на берегу основных водных артерий. Причем на нормальное функционирование северных экосистем негативно влияет именно открытый способ добычи полезных ископаемых. Степень техногенного воздействия достаточно отчетливо дифференцирована по биоклимати-ческим зонам, что обусловлено тенденцией к нарастанию уровня хрупкости и устойчивости экосистем в направлении с юга на север. Наиболее широкое развитие получили золото-, алмазо- и угледобывающая промышленности. В пойменных почвах р. Бол. Куранах, расположенных ниже хвостохранилища, содержание тяжелых металлов существенно превышало уровень ПДК по Аб - в 25-30, по Sb - 4-4,6 и по РЬ - 10-15 раз. Экологическая проблема, связанная с алмазодобывающей отраслью, поднята в 1990-е гг. В результате техногенного пресса почвы долины р. Ирелях отличаются повышенным содержанием Ва, Sr, Сг, N1, РЬ, Sc, Со и 2п. В почвах под воздействием Нерюнгринского промышленного комплекса выявлены элементы-загрянители: Сг, N1, V, Со, 2г, Sn, РЬ, 2п и Си [10].
При выращивании растений на почвах с повышенным содержанием тяжелых металлов (ТМ) обычно основная масса их накапливается в вегетативных органах, а в генеративных - значительно меньше. В растениях имеются три защитных барьера на пути проникновения ТМ: на границе почва - корень, корень
- стебель и стебель - зерно. Эти закономерности должны быть учтены в системе мероприятий для получения качественной продукции на загрязненных участках. Северные экосистемы отличаются низкой устойчивостью к антропогенным и техногенным воздействиям и низкой способностью к восстановлению. Техногенное воздействие на Север пока носит локально-очаговый характер.
Таким образом, внесение мелиорантов позволяет ограничить поступление ТМ в растения, тем самым обеспечить получение нормативной сельскохозяйственной продукции на почвах, умеренно загрязненных тяжелыми металлами. Однако действие ТМ в системе почва - растение - удобрения мало изучено. Экспериментального материала в мерзлотных почвах крайне недостаточно. Должны быть предложены технологии и средства снижения токсичности отходов, а также технологии преобразования загрязнителей и отходов в полезную товарную продукцию. Следует разработать и принять долговременную стратегию природопользования, направленную на оздоровление человека и условий его жизни.
Л и т е р а т у р а
1. Глазовская М. А. Методологические основы оценки экологической устойчивости почв к техногенным воздействиям. - М: Изд. МГУ, 1997. - 102 с.
2. Doran J. W., Leibig M. A. Soil health and sustainability // Advanses in agronomy. - 1996. - V. 56. - P. 1-54.
3. Сысо А. И., Ильин В. Б., Черевко А. С. Элементный состав почв юга Западной Сибири и факторы, его определяющие //Сиб. экол. журн. - 2002. - №3. - С. 305-311.
4. Минкина Т. М., Мотузова Г. В., Назаренко О. Г. и др. Влияние различных мелиорантов на подвижность цинка и свинца в загрязненном черноземе //Агрохимия - 2007. - №10.
- С. 67-75.
5. Соколов М. С., Павлова Т. В., Чуприна В. П. и др. Отклик агроландшафта на воздействие загрязняющих веществ и их экологическое нормирование //Агрохимия. - 1999.
- №6. - С. 476-60.
6. Егоров А. Д., Григорьева Д. В., Курилюк Т. Т., Сазонов Н. Н. Микроэлементы в почвах и лугопастбищных растениях мерзлотных ландшафтов Якутии. - Якутск, 1970. - 288 с.
7. Саввинов Г. Н., Легостаева Я. Б., Маркова С. В. и др. Ландшафтно-геохимические особенности формирования микроэлементозов в среднетаежной зоне Якутии. - М., Недра.
- 2006. - 319 с.
8. Милащенко Н. З., Литвак Ш. И. Методические и организационные основы проведения агроэкологического мониторинга в интенсивном земледелии. ГКНТ. - М., 1991.
- 356 с.
9. Челищев Н. Ф., Володин В. Ф. Крюков В. Л. Ионообменные свойства природных высококремнистых цеолитов. -М.: Наука, 1988. - 129 с.
10. Саввинов Д. Д., Сазонов Н. Н. Микроэлементы в северных экосистемах Новосибирск: Наука, 2006. - 208 с.
