Эколого-геохимические особенности распределения тяжелых металлов в пределах водосборной территории реки Кумы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

••• Известия ДГПУ. Т. 11. № 2. 2017

••• DSPU JOURNAL. Vol. 11. No. 2. 2017

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 556. 3: 519. 87 (470. 63)

Эколого-геохимические особенности распределения тяжелых металлов в пределах водосборной территории реки Кумы

© 2017 Блужина А. С., Бегдай И. В., Харин К. В., Третьякова В. А.,

Шихгафизов А. З.

Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, Россия; e-mail: institutka-aska@mail.ru; algae@mail.ru; k-harin79@mail.ru; titorenko-valya@yandex.ru; amirsgu@mail.ru

РЕЗЮМЕ. Целью настоящего исследования стало изучение вопросов миграции тяжелых металлов с хозяйственных территорий в реки (в пределах водосборной территории реки Кумы). В работе применены следующие методы: полевой, лабораторного анализа, пламенного атомно-абсорбционного анализа, математической обработки, описательный. Результаты: миграционные потоки тяжелых металлов с сельскохозяйственных полей в реки обусловлены содержанием некоторых количеств тяжелых металлов во внесенных в почвы полей удобрениях, а также фоновой составляющей. Миграционные особенности каждого отдельного элемента прослежены по рассчитанным геохимическим коэффициентам: водной миграции, биологического поглощения, донной аккумуляции; также для каждого отдельного изучаемого участка составлена биогеохимическая формула. Выводы: полученные результаты могут быть использованы при планировании ведения сельскохозяйственной, мелиоративной деятельности.

Ключевые слова: тяжелые металлы, коэффициент водной миграции, коэффициент биологического поглощения, коэффициент донной аккумуляции, биогеохимическая формула ландшафта.

Формат цитирования: Блужина А. С., Бегдай И. В. Эколого-геохимические особенности распределения тяжелых металлов в пределах водосборной территории реки Кумы // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2017. Т. 11. № 2. С. 65-71.

Ecogeochemical Features of Heavy Metals Distribution

within the Kuma River Catchment Area

© 2017 Anastasia S. Bluzhina, Inna V. Begday, Konstantin V. Kharin,

Valentina A. Tretyakova, Amir Z. Shikhgafizov

North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia; e-mail: institutka-aska@mail.ru; algae@mail.ru; k-harin79@mail.ru; titorenko-valya@yandex.ru; amirsgu@mail.ru

ABSTRACT. The aim of this work is to study the questions of heavy metals migration from economic areas into the river (within the Kuma river catchment area). Field, laboratory analysis, flame atomic absorption analysis, mathematical processing and descriptive methods are used in this research. Results. Migration flows of heavy metals from agricultural fields into rivers are caused by the presence of some amounts of heavy metals in amended soil fields in fertilizers, and the background component. Migration features of each individual element are traced according to the geochemical coefficients: the coefficient of water migration, the coefficient of biological absorption, the sediment accumulation coefficient; biogeochemical formula is also composed for each examined area. Conclusions. The obtained results can be used for planning of agricultural and reclamation activities.

Keywords: heavy metals, the coefficient of water migration, the coefficient of biological absorption, the sediment accumulation coefficient, landscape biogeochemical formula.

For citation: Bluzhina A. S., Begday I. V. Ecogeochemical Features of Heavy Metals Distribution within the Kuma River Catchment Area. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2017. Vol. 11. No. 2. Pp. 65-71. (In Russian)

Введение

Содержание химических элементов в природных водах и интенсивность их миграции зависят от различных условий на водосборных площадях. К таковым, наряду с физико-географическими условиями, необходимо отнести антропогенные факторы, к примеру, влияние внесенных удобрений, содержащих некоторые количества тяжелых металлов, в почвы сельскохозяйственных полей, находящихся на склоне, в плакорной его части. Таким образом, удобрения являются причиной изменения содержания тяжелых металлов в почве, а также особенностей миграции этих элементов вниз по склону к природным водам и донным отложениям.

Цель работы - отследить влияние проведенной химизации почв на условия течения реакций геохимических процессов. Исследование этих особенностей и связей изученных компонентов на основании миграции элементов позволяет подойти к природоохранным вопросам комплексно, с возможностью более точного прогнозирования в рамках мониторинговых мероприятий.

Методы исследования

Фактический материал, положенный в основу статьи, собран во время полевых выездов летом в течение 4 лет с 2012 г. по 2015 г. Для изучения геохимических характеристик участков исследования в пределах водосбора реки Кумы на территории Ставропольского края заложено несколько ре-перных участков, сходных по своему пространственному расположению. Для гидрохимических исследований в бассейне реки сделано 108 проб воды и донных отложений. В соответствии с положением Р 52.24.353-2012 «Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод» пробы воды из рек взяты с помощью специального пробоотборника, объем одной пробы составляет 4 л. Пробы растений озимой пшеницы отобраны в количестве 9 штук на каждом изученном участке бассейна реки. В работе использованы средние значения тяжелых металлов, установленные в условиях научно-учебной «Экоаналитической лаборатории» Центра коллективного пользования (ЦКП) Северо-Кавказского феде-

рального университета (СКФУ) методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на спектрометре с атомизацией в пламени iCE 3300 (Thermo Scientific, США) после озоления донных отложений и сухо-воздушной смеси растений пшеницы азотной кислотой. Все исследования проведены в трехкратной повторности, коэффициент корреляции градуировочного графика каждого из анализов составил г=0,999. Для каждого из полученных значений проведен контроль точности результата по показателю стандартной относительной неопределенности в соответствии с требованиями внутрилабораторного контроля, действующими на территории Российской Федерации.

Растения пшеницы отобраны в летний предуборочный период с помощью штык-лопаты на сельскохозяйственных полях, где выращивается озимая пшеница. Распределение точек отбора проб биологического материала соответствует точкам отбора проб почвенных образцов по методу закрытого конверта с получением объединенной пробы, состоящей из 25 половозрелых растений озимой пшеницы (по пять растений в каждой точке отбора). При лабораторном анализе использованы все части растений.

Полученные результаты и их обсуждение

Для выявления особенностей геохимических процессов на участках исследования изучен материал по литологической основе, определено содержание тяжелых металлов в почве и растениях (пшенице) на пшеничных полях, а также в природной воде и донных отложениях рек, рассчитаны геохимические коэффициенты: водной миграции, биологического поглощения и донной аккумуляции, составлена биогеохимическая формула [1; 3-4].

Рис. 1. Снимок участка исследования № 1 в бассейне р. Ку

Рис. 2. Снимок участка исследования № 2 в бассейне р. Кумы

Рис. 3. Снимок участка исследования № 3 в бассейне р. Кумы

Расстояние между точками отбора проб на участке исследования № 1 (рис. 1) составляет 71 м, разница высот между верхней и нижней точками отсутствует, средний уклон территории 0 %, точки отбора проб воды и донных отложений выбраны на р. Куме. В условиях плакорной части участка № 1 сформировались черноземы южные и темно-каштановые почвы [2].

Расстояние между точками отбора проб на участке исследования № 2 в бассейне Кумы (рис. 2) составляет 32,6 м, разница высот между верхней и нижней точкой 1 м, средний уклон территории 4,5 %, точки отбора проб воды и донных отложений выбраны в месте впадения р. Подкумок в р. Куму. В плакорной части участка № 2 сформировались каштановые почвы [2].

Расстояние между точками отбора проб на участке исследования № 3 в бассейне Кумы (рис. 3) составляет 33,6 м, разница высот между верхней и нижней точкой 1 м, средний уклон территории 0 %, точки отбора проб воды и донных отложений выбраны на р. Куме. В плакорной части участка № 3 сформировались светло-каштановые почвы [2].

Числовые значения содержания элементов в заложенных участках исследования р. Кумы приведены в таблицах 1-3.

В почве плакора участка № 1 значение Мп является максимальным, Zn, С^ РЬ и ^ продолжают ряд в порядке уменьшения значений, по кадмию значение минимально; в воде максимален 2п, за ним выстраиваются: Си < Pb < Cd и минимален Со; в пшенице максимален Мп, далее следуют: Zn < Си < Pb < Cd и минимален Со; в донных отложениях наибольшее значение у меди, за ней: 2п < Mn < Pb < Cd, а наименьшее значение у Со. Для данного участка исследования характерна единообразная закономерность при движении вниз по склону: значения всех изученных элементов в почве выше, чем в донных отложениях.

В почве участка исследования № 2 Мп максимален, за ним: 2п < Си < Pb < Со и минимален Cd; в воде максимален 2п, затем: Си < Pb < Со и минимален Cd; в пшенице наибольшее значение имеет Мп, продолжают ряд: 2п < Си < ^ < Pb, наименьшее значение у Cd; в донных отложениях максимальное значение у Си, далее: РЬ < Zn < Cd < Мп, минимален Со.

Таблица 1

Содержание элементов на участке исследования № 1 в бассейне р. Кумы

Элемент

Медь

Цинк

Почва, мг/кг

±2,03

Вода, мг/л

±0,193 ±0,405

Пшеница, мг/кг

51

±0,371 ±1,547

Донные отложения, мг/кг

вд

±1,2373 ±0,945

Свинец Кадмий Марганец

Кобальт

±1,54 ±0,133 ±16,66 +0,35

±0,0006 +0,0004

0,005 +0,0005

±0,175

±0,0225 25,43 ±1,73 0,201 ±0,181

+0,4417

6,58 ±0,4-6

+0,0369

Таблица 2

Содержание элементов на участке исследования № 2 в бассейне р. Кумы

Элемент

Почва, мг/кг

Вода, мг/л

Пшеница, мг/кг

Донные отложения, мг/кг

Медь

39,0 ±2,73

±0,287

±0,336

12,37 ±0,866

Цинк

±3,01

±0,371

±1,295

2,222 ±0,155

Свинец

18,0 ±1,26

0,06 ±0,006

±0,064

±0,36

Кадмий

±0,182

+0,0011

±0,1421

Марганец

±20,86

23,13 ±1,97

+ 0,14

Кобальт

±0,497

0,02? +0,0029

0,186 +0,0017

+0,0261

Таблица 3

Содержание элементов на участке исследования № 3 в бассейне р. Кумы

Элемент

Почва, мг/кг

Вода, мг/л

Пшеница, мг/кг

Донные отложения, мг/кг

Медь

±2,03

±0,245

3,807 ±0,266

19,026 ±1,332

Цинк

48,0 +1,26

+1,26

22,161 ±1,551

4,334 +0,307

Свинец

25,0 ±1,75

0,04 +0,004

0,128 +0,012

4,368 ±0,306

Кадмий

±0,112

±0,0011

±0,0117

±0,143

Марганец

+18,13

±0,0243

6,72 +0,47

Кобальт

±0,483

0,044 +0,0044

1,530 ±0,107

0,310 + 0,027

Для данного участка, как и в первом случае, при движении сверху вниз по профилю значения 2п, С^ Мп, Со, Си и РЬ уменьшаются, то есть содержание элементов в почве выше, чем в донных отложениях.

Для почвы на участке исследования № 3 максимальное значение имеет Мп, продолжают ряд: 2п < Си < РЬ < Со, минимальное значение у Cd; в воде максимум пришелся на 2п, продолжили ряд: Си < РЬ < Со < РЬ, минимум пришелся на Cd; в пшенице 2п имеет наибольшее значение, за ним: Си < Со < Мп < Cd, наименьшее значение у РЬ; в донных отложениях максимальное значение у Си, далее: Мп < 2п < РЬ < Cd и минима-

лен Со. При движении вниз по склону в профиле участка исследования № 3 наблюдается сокращение концентрации всех элементов, то есть содержание изученных элементов в почве выше, по сравнению с концентрациями в донных отложениях.

На основании рассчитанных коэффициентов водной миграции и биологического поглощения для изученных участков составлена биогеохимическая формула: Св., Мп

*Сл2+(С02)-

^ " Си,ЕпгРЪ,Со

Согласно формуле, во всех участках исследования наиболее активно вовлечены в

биологический круговорот Cd и Мп, в процессах водной миграции фигурируют Си < Zn < Pb <^>.

Для характеристики поведения каждого изученного элемента в условиях исследованных участков составлены схемы по пространственно-геохимическому распределению элементов на основании геохимических коэффициентов и коэффициента донной аккумуляции.

Схема пространственно-геохимического распределения тяжелых металлов на участках исследования в бассейне р. Кумы. представлена на рис. 4-9.

На участках исследования в бассейне Кумы Си слабо участвует в биологическом поглощении растениями пшеницы и на всех участках исследования достаточно активно участвует в процессах водной миграции. Помимо этого, Си обладает способностью во всех изученных участках накапливаться в донном грунте р. Кумы.

На участках исследования в бассейне р. Кумы 2п находится в рассеянном состоянии. Наиболее активно он участвует в процессах водной миграции и, как следствие, аккумулируется речными наносами. Растения пшеницы неактивно поглощают 2п, о

КР1.62Э КбО.Ш К>1,1б

Кв1,2

Рис. 4. Распределение Си на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

чем свидетельствует коэффициент биологического поглощения.

На исследуемых участках РЬ также имеет рассеянное состояние, наиболее активно он участвует в аккумулировании донными отложениями, в процессах водной миграции не активен, однако коэффициент водной миграции имеет большее числовое значение, в сравнении с другими бассейнами. Кроме того, РЬ малоактивен в процессах биологического поглощения растениями пшеницы.

На участках исследования для кадмия характерно концентрированное распределение, активное участие в биологическом поглощении, за исключением участка № 2, где значение коэффициента биологического поглощения значительно ниже в сравнении с остальными значениями.

На участках исследования в бассейне р. Кумы Мп находится в концентрированном состоянии, его участие в процессах донной аккумуляции превалирует над другими геохимическими процессами. Значения коэффициента биологического поглощения незначительны. Коэффициент водной миграции равен нулю, в связи с нахождением марганца на этих участках исследования ниже предела обнаружения прибора.

КР1.729 К60.267 Кд1,4

К»1,55

КР1.93 КбО.233 К] 137

Кв1,82

КР1.729 К60.267 Кд1,5

Кв1.96

Рис. 5. Распределение Zn на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

••• Известия ДГПУ. Т. 11. № 2. 2017

••• йБРи JOURNAL. Vol. 11. No. 2. 2017

КвО.875

Рис. 6. Распределение РЬ на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

КвО.ООЗб

Рис. 7. Распределение Cd на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

Распределение Со на участках исследования в бассейне Кумы характеризуется как рассеянное. В процессах водной миграции он активен, в процессах биологического захвата растениями пшеницы и донной аккумуляции речных грунтов неактивен.

Заключение

На основании результатов анализа распределения металлов в донных отложениях, а также информативности биогеохимических формул участков исследования №№ 13 бассейна р. Кумы можно сделать вывод, что в условиях участков №№ 1 и 2 Cd и Мп захватываются растениями пшеницы. Данные элементы участвуют только в процессе биологического поглощения, игнорируя процессы водной миграции и донной аккумуляции. В донных отложениях всех трех участков аккумулируются Си, 2п и РЬ. Со

КК4.2Ш КЙШ5 КЗ I 01

КвО.ОО

Рис. 8. Распределение Мп на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

Квб.о

Рис. 9. Распределение Co на участках

исследования в бассейне р. Кумы согласно ландшафтно-геохимическим коэффициентам

наиболее активен в процессах водной миграции на участках №№ 2 и 3. На участке № 1 Со участвует как в водной миграции, так и в накапливании донным грунтом.

Таким образом, полученные выводы об особенностях миграции химических элементов вниз по склону от пшеничного поля к реке позволяют подойти к природоохранным вопросам комплексно, с возможностью более точного прогнозирования в рамках мониторинговых мероприятий. При проведении мониторинга миграционных процессов и создании единой информационной базы, которая позволит в дальнейшем совершенствовать систему управления качеством водных и земельных ресурсов, полученные сведения могут быть учтены при агромелиорации и составлении плана посевных мероприятий.

Литература

Естественные и точные науки •

Natural and Exact Sciences •••

1. Добровольский В. В. Основы биогеохимии. Учебник для студентов высших учебных заведений. М. : Академия, 2003. 400 с.

2. Купреченков М. Т., Антонова Т. Н., Симби-рев Н. Ф., Цыганков А. С. Земельные ресурсы Ставрополья и их плодородие. Ставрополь, 2002. 320 с.

1. Dobrovolsky V. V. Osnovy biogeokhimii. Uchebnik dlya studentov vysshikh uchebnykh zavedeniy [Principles of biogeochemistry. College textbook]. Moscow, Academy Publ., 2003. 400 p. (In Russian)

2. Kuprechenkov M. T., Antonova T. N., Simbirev N. F., Tsygankov A. S. Zemel'nye resursy Stavropol'ya i ikh plodorodie [Stavropol land resources and its fertility]. Stavropol, 2002. 320 p. (In Russian)

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Блужина Анастасия Сергеевна, научный сотрудник, Северо-Кавказский федеральный университет (СКФУ), Ставрополь, Россия; e-mail: institutka-aska@mail.ru

Бегдай Инна Владимировна, кандидат технических наук, доцент, кафедра экологии и природопользования (ЭиП), заместитель директора по научной работе, институт математики и естественных наук (ИМЕН), СКФУ, Ставрополь, Россия; email: algae@mail.ru

Харин Константин Викторович, кандидат географических наук, доцент, и. о. заведующего кафедрой ЭиП, ИМЕН, СКФУ, Ставрополь, Россия; e-mail: k-harin79@mail.ru

Третьякова Валентина Александровна, аспирант, ЭиП, ИМЕН, СКФУ, Ставрополь, Россия; e-mail: titorenko-valya@yandex.ru

Шихгафизов Амир Закирович, аспирант, ЭиП, ИМЕН, СКФУ, Ставрополь, Россия; e-mail: amirsgu@mail.ru

Принята в печать 20.01.2017 г.

3. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М. : Астрея, 2000. 610 с.

4. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П., Смирнова Р. С., Башаркевич И. Л., Онищенко Т. Л., Павлова Л. Н., Трефилова Н. Я., Ачкасов А. И., Саркисян С. Ш. Геохимия окружающей среды. М. : Недра, 1990. 335 с.

3. Perelman A. I., Kasimov N. S. Geokhimiya landshafta [Geochemistry of landscape]. Moscow, Astreya Publ., 2000. 610 p. (In Russian)

4. Saet Yu. E., Revich B. A., Yanin E. P., Smir-nova R. S., Barashkevich I. L., Onishchenko T. L., Pavlova L. N., Trefilova N. Ya., Achkasov A. I., Sarkisyan S. Sh. Geokhimiya okruzhayushchey sredy [Geochemistry of the environment]. Moscow, Nedra Publ., 1990. 335 p. (In Russian)

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Affiliations

Anastasia S. Bluzhina, researcher, North Caucasus Federal University (NCFU), Stavropol, Russia; e-mail: institutka-aska@mail.ru

Inna V. Begday, Ph. D. (Technical Sciences), assistant professor, the chair of Ecology and Environmental Management (EEM), deputy director for Research, Institute of Mathematics and Natural Sciences (IMNS), NCFU, Stavropol, Russia; e-mail: al-gae@mail.ru

Konstantin V. Kharin, Ph. D. (Geography), assistant professor, acting head of the chair of EEM, IMNS, NCFU, Stavropol, Russia; e-mail: k-harin79@mail.ru

Valentina A. Tretyakova, postgraduate, EEM, IMNS, NCFU, Stavropol, Russia; email: titorenko-valya@yandex.ru

Amir Z. Shikhgafizov, postgraduate, EEM, IMNS, NCFU, Stavropol, Russia; email: amirsgu@mail.ru

Received 20.01.2017.

References