CC BY
26
УДК / UDC 504.054.003.12:669.018.674:632.125
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ НА ТЕХНОГЕННО-ЗАГРЯЗНЁННЫХ ПОЧВАХ
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF THE INTENSITY OF HEAVY METAL ACCUMULATION IN AGROECOSYSTEMS ON TECHNOGENIC CONTAMINATED SOILS
Степанова Л.П., доктор сельскохозяйственных наук, профессор Stepanova L.P., Doctor of Agricultural Sciences, Professor Циканавичуте В.Э., аспирант Tsikanavichute V.E., Postgraduate Student Халимон С.Ю., аспирант Khalimon S.Yu., Postgraduate Student ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia E-mail: [email protected]
Установление степени деградационных изменений и антропогенной преобразованное™ почв земель сельскохозяйственного назначения является актуальным и представляет теоретическую значимость для оценки особенностей проявления и развития элементарных почвенных процессов на сельскохозяйственных землях и определяет практическую необходимость проведения агроэкологической и гигиенической оценки почв в зонах развития негативных процессов, ухудшающих качественное состояние земель, с целью разработки рекомендаций, направленных на предотвращение и снижение негативного антропогенного воздействия на экосистемы. В статье приводятся установленные результаты о степени антропогенного влияния отходов свеклосахарного производства (дефеката) на накопление тяжелых металлов в пахотном слое серых лесных почв. Полученные данные убедительно доказывают влияние отходов сахарного производства дефеката на изменение концентрации тяжелых металлов в гумусовом горизонте серой лесной почвы и величины коэффициентов концентрации и суммарного накопления металлов в почве. Также изложенное позволяет сделать вывод о том, что практически по всем исследуемым металлам с учетом их подвижных форм установлены высокие уровни превышения и значительные величины коэффициентов концентрации или аномальности, а также коэффициентов концентрации их суммарного накопления в почвах нарушенных участков, достигающих таких величин как 8,2-245,9 ед., которые предопределяют возникновение токсичного уровня концентрации тяжёлых металлов и их губительного канцерогенного, мутагенного, ингибирующего действия на организмы и, как результат, ухудшение и снижение плодородия почвы. Установленные уровни накопления тяжелых металлов в почвах нарушенных участков являются результатом загрязнения почвы при складировании дефеката и неравномерного его распределения в пахотном горизонте почвы, а также влиянием корневых систем сорной и древесно-кустарниковой растительности в результате потребления тяжёлых металлов их корневыми системами и последующего перераспределения и создания мест концентрации в почве исследуемых металлов, что приводит, в конечном итоге, к причинению вреда почвам как объектам окружающей среды и средствам сельскохозяйственного производства.
Ключевые слова: тяжёлые металлы, агроэкосистемы, техногенные загрязнения, оценка вреда, светло-серые лесные почвы, антропогенное воздействие, дефекат.
The establishment of the degree of degradation changes and anthropogenic transformation of soils of agricultural lands is relevant and is of theoretical significance for the assessment of peculiarities of the manifestation and development of elementary soil processes on agricultural lands and determines the practical need for agro-ecological and hygienic assessment of soils in the areas of development of negative processes which deteriorate the quality of the land, with the aim of developing recommendations, aimed at preventing and reducing the negative anthropogenic impact on ecosystems. The article presents the established results on the degree of anthropogenic impact of beet sugar production waste (defecate) on the accumulation of heavy metals in the arable layer of gray forest soils. The data obtained convincingly prove the influence of sugar production waste defecate on the change in the concentration of heavy metals in the humus horizon of gray forest soil and the value of the concentration coefficients and the total accumulation of metals in the soil. Also, the foregoing allows to conclude that almost all the studied metals with regard to their mobile forms the high exceedances and significant coefficients of concentration or abnormal, as well as concentration of their total accumulation in the soils of disturbed areas, reaching such values as 8.2-245.9 units that determine the occurrence of toxic levels of heavy metal concentrations and their detrimental carcinogenic, mutagenic inhibitory effect on the organisms and as a result, deterioration and reduction of soil fertility. The established levels of accumulation of heavy metals in soils of disturbed areas are the result of soil contamination during storage of defecate and its uneven distribution in the arable horizon of the soil, as well as the influence of root systems of weed and tree-shrub vegetation as a result of the consumption of heavy metals by their root systems and subsequent redistribution and creation of places of concentration in the soil of the studied metals, which ultimately lead to damage to soils as environmental objects and means of agricultural production.
Key words: heavy metals, agroecosystems, technogenic pollution, harm assessment, light gray forest soils, anthropogenic impact, defecate.
Введение. Почвы выполняют многообразные агроэкологические функции, обслуживающие устойчивость как отдельных биогеоценозов, так и биосферы в целом [1]. Использование агрономических и экологических функций почвы обеспечивает благосостояние человека, его существование. Отсюда следует, что как экологическая, так и агрономическая роли почвы в биосфере и жизни человека незаменимы, даже плодородие почвы, как самая важная функция почв, является лишь частью той незаменимой экологической роли почвы, которую она играет в биосфере и жизни человека, а её сохранение и разумное использование является необходимым условием сложившегося функционирования биосферы и дальнейшего развития человеческой цивилизации [2].
Одним из приоритетных направлений улучшения сложившейся ситуации является создание экологически устойчивой системы землепользования [3]. Поскольку трансформация соединений, поступающих в экологическую систему, в первую очередь происходит в почве, которая является как фильтром для поступающих токсикантов, так и важнейшим фактором их трансформации и местом их аккумуляции [4]. Агробиологические особенности состава и свойств почв делают эту важную для биосферных процессов субстанцию чрезвычайно чувствительной к антропогенному воздействию [5]. Это вызывает необходимость детального изучения агроэкологической оценки систем землепользования и разработки дифференцированных мероприятий, обеспечивающих воспроизводство плодородия почв, рост урожаев и экологическую устойчивость территории [6].
В связи с этим установление степени деградационных изменений и антропогенной преобразованное™ почв земель сельскохозяйственного назначения является актуальным и представляет теоретическую значимость для
оценки особенностей проявления и развития элементарных почвенных процессов на сельскохозяйственных землях [7] и определяет практическую необходимость проведения агроэкологической и гигиенической оценки почв в зонах развития негативных процессов, ухудшающих качественное состояние земель, с целью разработки рекомендаций, направленных на предотвращение и снижение негативного антропогенного воздействия на экосистемы, что определило цель и задачи наших исследований [8].
Цель исследования - установить степень интенсивности воздействия негативных деградационных процессов на изменение плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и разработать природоохранные мероприятия, направленные на снижение этого воздействия в конкретных почвенно-территориальных условиях.
При этом решению подлежат следующие задачи:
1. Оценка вреда, причинённого почвам сельскохозяйственных земель, в результате снятия плодородного слоя почвы, перекрытия поверхности почвы, загрязнения и захламления почв.
2. Оценка степени воздействия отходов производства и потребления на накопление тяжёлых металлов, в гумусовом пахотном слое почвы.
3. Предложения по разработке комплекса научно-обоснованных нормативно-правовых решений и организационно-технических мероприятий, направленных на минимизацию воздействия негативных процессов на почву.
Условия, материалы и методы. Для выполнения поставленных цели и задач нами были проведены систематизированные и всеобъемлющие исследования по анализу негативного воздействия агротехногенной деятельности на территории Орловской области на почвы сельскохозяйственных земель [9].
Отбор образцов почв на землях сельскохозяйственного назначения, подвергающихся негативному воздействию антропогенеза, для установления степени их антропогенной преобразованное™ проводили в соответствии с требованиями ГОСТов [10]: определение степени загрязнения тяжёлыми металлами проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.06-86; ГОСТ 17.4.3.03-85; методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий от 10.03.1992; М.1982 ЦИНАО 157с.; М Гидрометиздат, 1981С.45-73; ГОСТ 17.4.1.02-83; ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 17.4.4.02-84; ГОСТ 28168-89; ГОСТ 17.4.1.03-84; ГОСТ 17.4.2.01-81.
Установление степени антропогенного влияния отходов свеклосахарного производства (дефеката) на накопление тяжелых металлов в пахотном слое серых лесных почв проводили на почво-земельном участке сельскохозяйственного назначения Орловской области, Урицкого район.
Результаты и обсуждение. Данные, представленные в таблице 1, убедительно доказывают влияние отходов сахарного производства дефеката на изменение концентрации тяжелых металлов в гумусовом горизонте серой лесной почвы.
При оценке степени загрязнения почвы тяжёлыми металлами необходимо принимать во внимание не только уровни превышения содержания тяжёлого металла значения уровней ПДК (предельно допустимой концентрации) в почве, но и отношения концентрации металла в верхнем слое почвы к его фоновым содержаниям в подвижных формах [11]. В связи с этим результаты проведенного исследования показали превышения фонового (контрольного) содержания
почвенных форм исследуемых металлов по таким металлам, как никель (Ы1), медь (Си), свинец (РЬ), цинк (гп), кобальт (Со) в 2,54-143 раза, так превышения фонового содержания кобальта в почвах нарушенных участков достигало 1,935,14 раза; для марганца величина превышения составила 1,5-5,1 раза; для никеля отношение концентрации токсичного металла к его фоновому содержанию составило 1,4-12,2 раза, что отражает величину коэффициента аномальности, для подвижных форм меди величина коэффициента аномальности достигала 7-237 единиц.
Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в гумусовом слое серой лесной почвы под воздействием дефеката (несанкционированное размещение отходов производства)_
№ пробы Со Мп N1 Си N02 РЬ гп
мг/кг
Подвижная форма
1 0,16 16,22 0,35 0,09 3,1 0,08 1,60
2 0,19 17,61 0,53 2,37 5,7 0,93 1,86
3 0,11 18,81 0,03 0,07 0,8 0,61 1,33
4 0,14 34,75 0,44 0,37 33,2 43,7 2,36
5 0,27 25,44 0,07 0,17 1,1 0,41 1,43
6 0,72 68,23 0,70 1,43 29,9 3,98 6,17
7 0,24 23,95 0,11 0,10 3,7 1,85 1,63
8 0,08 33,43 0,61 0,26 2,6 1,32 2,09
9 0,19 28,19 0,10 0,27 13,2 0,61 1,97
10 фон 0,14 23,12 0,05 0,01 0,4 0,52 1,38
11 0,96 71,9 1,35 2,13 28,0 4,34 7,27
12 0,59 65,01 1,68 2,15 69,4 3,94 7,12
13 0,16 49,0 1,16 2,44 94,4 2,61 6,13
14 0,24 62,14 1,46 2,68 60,4 4,93 7,12
15 0,78 115,93 2,34 2,03 71,6 9,35 6,64
16 0,11 60,63 2,10 2,75 61,3 3,31 9,17
17 0,86 51,26 0,84 2,39 35,8 10,73 5,4
18 0,43 82,52 1,09 1,68 55,8 1,4 5,58
19 0,39 57,27 1,37 0,43 24,7 0,69 1,59
20 фон 0,19 9,26 0,30 0,04 0,6 1,13 1,83
В таблице 2 представлена величина коэффициентов концентрации и суммарного накопления тяжелых металлов в гумусовом слое светло серой лесной почвы.
Увеличение содержания подвижных форм свинца и цинка в сравнении с их фоновым содержанием в почве колебалось в пределах 1,79-84 ед. для свинца, а для цинка величина превышения достигала 1,35-5,01 ед. Установлено значительное превышение содержание нитратного азота в верхнем слое почвы нарушенных участков, которое достигало 33-157,3 ед.
Превышения фоновых концентраций тяжёлых металлов в пахотном слое почвы достигали для: Со - 1,14 раза; N - 7,0; Си - 9,0; N05 - 7,8, гп - 1,2 раза в пробе почвы № 1, в пробе почвы № 2 превышения составили для: Со - 1,4; N1 -10,1; Си - 237; N03 - 14,3; РЬ - 1,8; гп - 1,4 раза, для пробы № 6 - Со - 5,1; Мп - 3 раза; N1 - 14,0; Си - 143; N03 - 75; РЬ - 7,7; гп - 4,5 раза.
Таблица 2 - Величина коэффициентов концентрации и суммарного накопления тяжелых металлов в гумусовом слое светло серой лесной почвы_
№ пробы Со Мп 1\Л Си N02 РЬ гп гс фон гс ПДК
мг/кг
Подвижная форма
1 1,14 - 7,0 9,0 7,75 - 1,14 22,03
2 1,36 - 10,6 237,0 14,25 1,79 1,35 261,35
3 - - - 7,0 2,0 1,17 - 8,17
4 1,0 1,5 8,8 7,0 83,0 84,0 1,71 181,0 7,28
5 1,93 1,11 1,4 17,0 2,75 - 1,04 20,23
6 5,14 2,95 14,0 143,0 74,75 7,65 4,47 245,96
7 1,71 1,04 2,2 10,0 9,25 3,56 1,18 22,94
8 - 1,45 12,2 26,0 6,5 2,54 1,51 45,2
9 1,36 1,22 2,0 27,0 33,0 1,17 1,43 61,18
10 фон 0,14 23,12 0,05 0,01 0,4 0,52 1,38
11 5,05 7,76 4,5 53,25 46,7 3,84 3,97 119,07
12 3,10 7,02 5,6 53,75 115,7 3,49 3,89 186,55
13 - 5,29 3,87 61,0 157,3 2,31 3,35 224,12
14 1,26 6,71 4,87 67,0 100,67 4,36 3,89 182,76
15 4,10 12,52 7,8 50,75 119,33 8,27 3,63 200,4 1,66
16 - 6,55 7,0 68,75 102,16 2,93 5,01 187,4
17 4,53 5,54 2,8 59,75 59,67 9,5 2,95 138,74 1,79
18 2,26 8,91 3,63 42,0 93,0 1,24 3,05 148,09
19 2,05 6,18 4,57 10,75 41,17 - - 60,72
20 фон 0,19 9,26 0,30 0,04 0,6 1,13 1,83
Самая высокая степень загрязнения установлена для земельных участков с пробами почв от № 13 до № 19, характеризующихся высокими значениями коэффициента суммарного накопления тяжёлых металлов в сравнении с фоном от 60,72 ед. до 224,12 ед. и высокими уровнями накопления таких металлов, как медь (Си) коэффициент накопления от 42,0 до 68,8 ед. нитратного азота с коэффициентом накопления от 41,2 до 157,3 ед.; и свинца с коэффициентом накопления от 1,24 до 9,5 ед. в сравнении с фоном и в 1,6-1,8 раза превышением величины ПДК на участках № 15 и № 17.
Установленные уровни значений коэффициента концентрации или коэффициента аномальности позволяют оценить не только степень загрязнения почвы, но и степень отрицательного влияния на жизнь и качество растительности, так как величина суммарного накопления тяжелых металлов в почвах нарушенных земельных участков, колеблющаяся в пределах 22,03 (проба № 1) до 261,4 ед. (проба № 2), определяет высокий уровень деградационного изменения почвы и снижение её производительной способности [9].
Для таких тяжёлых металлов, как свинец (РЬ), установлено превышение его содержания в сравнении с предельно допустимой концентрацией в 1,56-1,79 раза (проба № 14 и № 16) и 7,3 раза (проба № 4).
Таким образом, все вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что практически по всем исследуемым металлам с учетом их подвижных форм установлены высокие уровни превышения и значительные величины коэффициентов концентрации или аномальности, а также коэффициентов концентрации их суммарного накопления в почвах нарушенных участков, достигающих таких величин как 8,2-245,9 ед., которые предопределяют возникновение токсичного уровня концентрации тяжёлых металлов и их
губительного канцерогенного, мутагенного, ингибирующего действия на организмы и, как результат, ухудшение и снижение плодородия почвы [12].
Установленные уровни накопления тяжелых металлов в почвах нарушенных участков являются результатом загрязнения почвы при складировании дефеката и неравномерного его распределения в пахотном горизонте почвы, а также влиянием корневых систем сорной и древесно-кустарниковой растительности в результате потребления тяжёлых металлов их корневыми системами и последующего перераспределения и создания мест концентрации в почве исследуемых металлов, что приводит, в конечном итоге, к причинению вреда почвам как объектам окружающей среды и средствам сельскохозяйственного производства [13].
Выводы и предложения. 1. Доказаны высокие уровни превышения и значительные величины коэффициентов концентрации или аномальности и коэффициентов суммарного накопления в почвах нарушенных участков, достигающих таких величин, как 8,2-245,9 ед., что предопределяет возникновение токсичного уровня содержания тяжёлых металлов и их губительного канцерогенного, мутагенного, ингибирующего действия на организмы, ухудшение и снижение плодородия почвы [14].
2. Установленные высокие уровни накопления тяжелых металлов в почвах антропогенно-измененных участков земель являются результатом загрязнения почвы при несанкционированном складировании отходов производства и неравномерном его распределении в пахотном горизонте почвы, а также влиянием корневых систем сорной и древесно-кустарниковой растительности в результате поглощения тяжёлых металлов их корневыми системами с последующим перераспределением и созданием мест концентрации в почве тех или иных исследуемых металлов, что приводит к причинению вреда почвам как объектам окружающей среды и средству сельскохозяйственного производства [15].
На основании результатов исследований считаем необходимым:
- обеспечение систематизированного и всеобъемлющего анализа негативного воздействия техногенной деятельности на территории сельскохозяйственных угодий и среду обитания сельского населения;
- объединение усилий агроэкологической науки с отраслями промышленности, энергетики и стройиндустрии в деле радикального снижения негативного техногенного воздействия на земли сельскохозяйственного назначения и среду обитания сельского населения;
- внедрение инновационных технологий переработки отходов производства в полезные продукты, в том числе для агропромышленного комплекса;
- улучшение качества стандартных туков и производство новых оптимальных форм удобрений и совершенствование условий их хранения и рационального применения;
- повышение эффективности использования научного потенциала в проектировании экологически-безопасных технологий управления плодородием почв и продуктивности культур на основе новых информационных технологий;
- обеспечить проведение почвенных исследований и агроэкологического мониторинга земель по установлению природно-антропогенных эволюционных изменений показателей плодородия почв.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. М.: Изд-во Моск. ун-та; Наука, 2006. 364 с.
2. Состояние плодородия антропогенно-измененных с-л почв и его эколого-экономическая оценка / Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, Е.А. Коренькова, A.B. Писарева // Вестник РУДН серия экология и безопасность жизнедеятельности. 2015. № 3. С. 105-114.
3. Организация и особенности проектирования экологически безопасных агроландшафтов / Под ред. Л.П. Степановой. 2-е изд., доп. СПб.: Издательство «Лань», 2017. 268 с.
4. Экогеохимия ландшафтов / И.С. Кауричев, Л.П. Степанова, В.И. Савич, Е.В. Яковлева, Е.А. Коренькова // Орел: Орёл ГАУ, 2014. С. 49-51.
5. Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Писарева A.B. Экологическая оценка влияния антропогенного воздействия на физико-химические свойства урбанозёмов, дерново-подзолистой почвы парковой зоны (г. Москва) и серой лесной почвы (шлаковый отвал п. Думчино) // Агробизнес и экология. 2015. Т. 2. № 2. С. 244-246.
6. Stepanova L.P., Yakovleva E.V., Pisareva A.V. The Environmental Assessment of the Intensity of Heavy Metal Accumulation in Anthropogenically Transformed Soil // Visegrad Journal on Bioeconomy and Sustainable Development Manuscript Evaluation From 10th. 2016. March. P. 23-26.
7. Баранников В. Д., Кириллов H.K. Экологическая безопасность сельскохозяйственной продукции. М.: КолосС, 2005. 350 с.
8. Экологическая оценка структуры микробиологического комплекса техногенно-трансформированных земель / Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, A.B. Писарева, В. А. Раскатова // Агрохимичекий вестник. 2016. № 3. С. 20-25.
9. Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Писарева A.B. Геохимическая характеристика антропогенно-преобразованных ландшафтов // Агрохимия. 2016. № 10. С. 96-103.
10. Писарева A.B., Степанова Л.П., Яковлева Е.В. Техногеохимическое аномалии в урбаноземах в результате антропогенных воздействий // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии: XII Международная научная конференция. 2016. С. 323-327.
11. Кирюшин В.И., Иванов А.Л. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий // Москва: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. С. 103-104.
12. Фатеев А.И., Самохвалова В.Л. Формы соединений тяжёлых металлов почвенной системы как критерии её экологического состояния // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям: Тез. докл. Всерос. конф. М., 2002. 29 с.
13. Седых В.А., Филиппова A.B., Саидов А.К. Изменение подвижности тяжёлых металлов в почвах при применении высоких доз органических удобрений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. Т. 4. № 36-1. С. 209-212.
14. Савич В.И. Физико-химические основы плодородия почв. М.: РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева, 2013. 431 с.
15. Савич В.И., Никиточкин Д.Н., Гукалов В.Н. Оптимизация свойств почв в период интенсивного ведения с/х производства и загрязнения среды. М.: ВНИИА, 2014. 470 с.
