CC BY
44
УДК 631.42
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЧВ ПО СОДЕРЖАНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
12 3
С.А. Фирсов, д.б.н., Т.Л. Баранова, к.т.н., С.С. Фирсов
1 Государственный центр агрохимической службы «Тверской», e-mail: saxar@tvcom.ru
2 Тверской институт экологии и права 3Тверская государственная сельскохозяйственная академия
В статье на основе проведенного экологического мониторинга почв Тверской области представлены данные по состоянию и динамике содержания тяжелых металлов, а также представлены результаты обследования почв в пятидесятикилометровой зоне вокруг Калининской атомной электростанции. Установлено, что в последние годы наблюдается тенденция снижения содержания в почвах свинца и кадмия. Возможно, это связано с резким уменьшением применения минеральных, известковых и органических удобрений. Антропогенное влияние на поступление ТМ в почву также снизилось в связи с уменьшением количества предприятий, выбрасывающих в атмосферу загрязняющие вещества. Содержание меди и цинка за наблюдаемый период практически оставалось на одном уровне. Экологическая ситуация в зоне работы КАЭС характеризуется как удовлетворительная.
Ключевые слова: тяжелые металлы, мониторинг, экологическая безопасность, накопление.
ECOLOGICAL MONITORING OF HEAVY METALS CONTENT IN SOIL S.A. Firsov, T.L. Baranova, S.S. Firsov
State center of agrochemical service «Tverskoy», e-mail: saxar@tvcom.ru
In the article on the basis of the environmental monitoring of soils of Tver region presented data on the status and dynamics of the content of heavy metals. As well presented the results of research and fifty kilometer zone around the Kalinin nuclear power plant. Established that during last years content of lead and cadmium has been decreased. It can be described by sharp decrease of the mineral, organic and liming fertilizers. Anthropogenic influence on heavy metals accumulation in soil decreased due to polluting air enterprises shutdown. Content of copper and zinc was stable and total ecological situation around the Kalinin nuclear power plant is charcterised as satisfactorial.
Keywords: heavy metals, monitoring, ecological safety, accumulation.
Агроэкологическое обследование - составная часть комплексного мониторинга плодородия земель сельскохозяйственного назначения. В методическом плане это позволяет расширить перечень контролируемых показателей за счет введения в него экологических параметров (содержание тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, радионуклидов и т.д.). Агроэкологический мониторинг в наибольшей степени отвечает принципам системности, его результаты позволяют не только выявить основные тенденции, в том числе и негативные проявления в агробио-ценозе, но и с высокой степенью достоверности идентифицировать причины, эти тенденции обусловившие. Содержание тяжелых металлов (ТМ) служит важнейшим показателем качества и экологической безопасности почв. В основу оценки уровня загрязнения почв ТМ положен метод эколого-токсикологического исследования с ПДК и ОДК [1].
Эколого-токсикологическое обследование почв Тверской области и обобщение результатов для создания базы данных при МСХ РФ по разработанной статформе 5-ДДЗ проводят периодически, параллельно с агрохимическим обследованием в соответствии с
Государственной программой мониторинга земель Российской Федерации. На содержание ТМ в почве ежегодно обследуют не менее 95-97 тыс. га пашни.
По мере окультуривания дерново-подзолистых почв параметры как плодородия, так и экологической безопасности могут значительно изменяться. Анализ результатов мониторинга показывает, что по средневзвешенному содержанию валовых и подвижных соединений тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах Тверской области в соответствии с принятой группировкой почв почвы относятся в основном к I и II группам, где содержание ТМ не превышает ПДК.
В качестве индикаторов загрязнения почв выбраны 6 элементов: кадмий, свинец, никель, хром, медь и цинк. Однако выявлены хотя и небольшие площади сельскохозяйственных угодий, относящиеся к III группе и характеризирующиеся повышенным содержанием токсикантов. Так, загрязнение цинком выявлено в Бежецком районе на площади 80 га, Калининском - 86 га, Торжокском - 2740 га, из них площадь загрязненных супесчаных и песчаных почв составляет 2166 га, легко суглинистых - 740 га. Обнаружено загрязнение кадмием в Краснохолмском районе на
площади 260 га, Лихославском - 340 га, Максатихин-ском - 20 га, в общей сложности 620 га, причем загрязненные почвы по гранулометрическому составу представлены песчаными и супесчаными.
Загрязнение почв носит локальный характер и охватывает, как правило, территории с высокой концентрацией промышленных предприятий, что свидетельствует о локальной неудовлетворительной экологической ситуации. Эти почвы пригодны для возделывания всех сельскохозяйственных культур при обязательном контроле продукции на содержание ТМ.
Системы удобрений влияют на трансформацию ТМ в системе «почва-растение-удобрение». Поскольку выявлены приоритетные элементы-загрязнители кадмий и цинк, содержание которых в почве, в подвижной форме уже на уровне 0,2-0,3 ПДК токсично для большинства сельскохозяйственных культур [1], то при обследовании было проведено исследование на контрольных участках зависимости распределения этих элементов по слоям почвенного профиля дерново-подзолистых почв различного гранулометрического состава.
Установлено, что содержание цинка незначительно колеблется по горизонтам, но независимо от гранулометрического состава почв, содержание элемента обнаруживается в нижних горизонтах практически в той же концентрации, значимого накопления элемента в пахотном слое не обнаружено.
Изучение содержания накопления ТМ в почвах показало, что содержание как валового, так и подвижного кадмия за 45-летний период сельскохозяйственного производства изменялось незначительно. Содержание кадмия в почве в основном определяется химическим составом материнской породы (до 0,5 мг/кг) и в этом смысле в Тверской области прослеживается определенная закономерность его распределения, так или иначе связанная с мореной. Наряду с природными источниками загрязнения почв Cd, его поступление с атмосферными осадками может быть значительным, что является отличительным миграционным свойством этого элемента.
В Тверской области в атмосферу Cd может поступать при сжигании торфа и каменного угля (1-2 мг/кг), нефти (0,07-0,5 мг/кг), а также при сжигании пластмассы (добавляется для прочности изделий) и при подгорании автопокрышек (от трения об асфальт). Присутствует Cd и в составе красителей. Тверская область имеет такие техногенные источники
поступления кадмия в атмосферу, в том числе ТЭЦ и наличие золоотвалов.
Накопление и миграция кадмия имеют тенденцию большей интенсивности в легкосуглинистых почвах, чем в супесчаных. Однако выявлена общая закономерность - независимо от гранулометрического состава содержание кадмия с незначительным колебаниям в концентрации, обнаруживается во всех слоя почвенного профиля, но имеет тенденцию снижения в нижележащих горизонтах. Отметим, что по всем слоям профиля содержание валового кадмия не превышало уровень ПДК для дерново-подзолистых почв, величина которого составляет 3 мг/кг.
Исследования распределения ТМ по почвенному профилю дерново-подзолистых почв различного гранулометрического состава было проведено также по меди и свинцу. Установлено, что применение удобрений и известкования на дерново-подзолистой почве слабо повлияло на валовое содержание меди в пахотном и подпахотном горизонтах. Концентрация меди нарастает вниз по профилю, и наибольшее валовое содержание меди обнаруживается в нижних горизонтах профиля, причем четкой закономерности от гранулометрического состава не выявлено.
При изучении трансформации и накопления свинца в почве при длительном применении удобрений на отдельных контрольных участках установлено, что под влиянием этих агрохимических приемов валовое содержание элемента в почве изменялось незначительно. Независимо от гранулометрического состава выявлено некоторое увеличение валового свинца в нижележащих горизонтах, что свидетельствует о передвижении его по почвенному профилю.
Исследование распределения ТМ по профилю почв позволило составить полное представление о размерах накопления и выноса элементов по генетическим горизонтам. Например, выявлены значительные колебания содержания кадмия, как в пространстве, так и во времени, что отразилось на вариабельности значения его средневзвешенного содержания в почве.
Результаты содержания всех анализируемых ТМ по территориальной выборке контрольных участков, свидетельствуют о том, что в основном превышения ПДК в пахотных почвах ни по валовому содержанию, ни по подвижным формам ТМ не выявлено. По принятой группировке почв для эколого-токсикологической оценки обследованные почвы по
1. Среднее содержание валовых форм ТМ в супесчаных почвах 50 км зоны КАЭС, мг/кг
Элемент Содержание, мг/кг
2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г.
Рв 8,14 7,54 6,83 7,96 4,60 6,18 3,70 2,80 2,50 2,20
са 0,36 0,33 0,27 0,07 0,10 0,12 0,12 0,10 0,07 0,05
Си 4,88 5,30 4,80 5,30 6,15 4,50 3,80 4,50 4,30 4,10
2п 19,95 21,80 22,0 23,6 22,70 19,70 19,90 20,50 23,20 22,10
N1 5,52 5,10 7,20 6,10 7,70 6,50 4,40 4,30 6,20 5,70
Сг 6,49 6,60 7,70 - - 5,00 5,00 5,00 3,50 3,20
2. Среднее содержание валовых форм ТМ в суглинистых почвах 50 км зоны КАЭС, мг/кг
Элемент Содержание, мг/кг
2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г.
Рв 8,90 7,20 7,10 7,60 4,70 7,50 4,40 3,30 3,00 2,80
Сd 0,80 0,40 0,30 1,10 0,10 0,13 0,12 0,10 0,12 0,10
Си 5,70 6,50 5,50 7,50 7,50 5,60 5,00 5,70 5,90 5,70
2п 24,20 25,60 25,80 27,60 26,00 22,60 21,70 24,40 27,60 25,20
N1 7,31 4,90 8,20 9,60 9,70 7,10 6,80 6,40 8,90 7,50
Сг 8,80 9,70 11,10 - - 8,00 7,50 6,70 4,80 4,50
загрязнению ТМ относятся к 1 допустимой группе [2].
Отсутствие существенного загрязнения почв ТМ свидетельствует о достаточно высокой буферной способности агроэкосистем, что обусловлено интенсивным применением агрохимических средств в 19701991 гг., позволившим существенно снизить избыточную почвенную кислотность, стабилизировать гумусное состояние и достаточно высокий уровень питательного режима почв [3, 4]. Эти факторы плодородия в решающей степени ограничивают подвижность ТМ в почве и проявление их фитотоксичности.
Анализ результатов мониторинга на контрольных участках позволил определить содержание всех анализируемых ТМ в почвах области, установить масштабы загрязнения и разработать оперативные приемы детоксикации тяжелых металлов в почвах.
Максимальное валовое содержание фтора (2,08 мг/кг) отмечено в Калининском районе (участок № 1) и Бежецком (участок № 16), минимальное (0,67 мг/кг) в Весьегонском (участок № 10), большинство значений содержания элемента лежит в интервале 0,8-1,5 мг/кг.
По валовому содержанию свинца отмечены максимальные (9,1 мг/кг) значения в Калининском (участок № 1) и Кимрском (участок № 5) районах - 10,2 мг/кг, наименьшие также в Калининском районе (участок № 18) - 5,0, в Максатихинском (участок № 12) -4,5, Калязинском (№ 6) - 4,5 мг/кг. Однако максимальное (4,0 мг/кг) значение подвижного свинца выявлено в других точках мониторинга: Кесовогорском районе (№ 8), Сандовском (№ 13), Молоковском (№ 14), Лихославском (№ 20), Бологовском (№ 23) районах. Полученные результаты свидетельствуют о существенной вариабельности значений параметра, вызванные не только различием в интенсивности антропогенных факторов, но и почвенной пестроте.
Средневзвешенное валовое содержание свинца за 10 лет в песчаных и супесчаных почвах составляет 7,53±1,7 мг/кг, аналогичный показатель в легко- и среднесуглинистых - 8,57±2,1 мг/кг; цинка соответственно 21,0±6,7 мг/кг и 24,9±4,9; меди - 5,1±1,9 мг/кг и 6,2±1,3 мг/кг; хрома - 7,6±2,3 мг/кг и 10,4±1,9 мг/кг
почвы. По валовому содержанию ртути и кадмию почвы разного гранулометрического состава характеризуются близкими значениями, коэффициент вариации по этим элементам наименьший.
По содержанию подвижной формы меди выявлены значимые различия: в песчаных и супесчаных почвах на уровне 1,4±0,46 мг/кг, в легко- и среднесуглинистых 1,2±0,43 мг/кг. Для цинка эти значения составляют соответственно 2,1±0,65 и 1,6±0,51 мг/кг. Для свинца 2,2±0,51 и 1,6±0,67 мг/кг. Для никеля, хрома и кадмия величины средневзвешенного содержания их подвижных форм имеют близкие значения.
Различия в содержании валовых и подвижных форм элементов в зависимости от гранулометрического состава почв отразились на их долевом соотношении. Доля подвижных форм меди от ее валового содержания в дерново-подзолистой песчаной и супесчаной почве достигает 27,5%, в то же время для легко и средне суглинистых эта величина составляет 19,1%. Аналогичные различия выявлены для всех остальных элементов: для цинка соответственно 10,0 и 6,4%, для кадмия - 35,5 и 33,3%, свинца - 29,2 и 18,7%, никеля 22,0 и 16,4%, хрома - 9,2 и 6,3%.
Большое значение придается результатам мониторинга 50-километровой зоны вокруг Калининской АЭС. Результаты контроля в среднем за 10 лет, представленные в таблицах 1 и 2, свидетельствуют о том, что ни по одному анализируемому параметру не выявлено превышения ПДК.
Таким образом, можно сделать вывод, что в последние годы наблюдается тенденция снижения содержания в почвах свинца и кадмия. Возможно, это связано с резким уменьшением применения минеральных, известковых и органических удобрений. Антропогенное влияние на поступление ТМ в почву также снизилось в связи с уменьшением количества предприятий, выбрасывающих в атмосферу загрязняющие вещества. Содержание меди и цинка за наблюдаемый период практически оставалось на одном уровне. Экологическая ситуация в зоне работы КАЭС характеризуется как удовлетворительная.
Литература
1. Черников В.А., Соколов О.А. Экологически безопасная продукция. - М.: КолосС, 2009. - 438 с.
2. Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В., Грингоф И.Г. и др. Агроэкология. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
3. Черных Н.А., Овчаренко М.М., Поповичева Л.Л., Черных И.Н. Приемы снижения фитотоксичности тяжелых металлов // Агрохимия, 1995, № 6. - С. 71-80.
4. Ладонин В.Ф. Влияние комплексного применения средств химизации на содержание ТМ в почве и растениях // Химия в сельском хозяйстве, 1995, № 4. - С. 32-35.
