Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах преддельты реки Сырдарьи Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 631.45

Отаров А., Вырахманова А.С., Полатова М. ФОНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ПРЕДДЕЛЬТЫ РЕКИ

СЫРДАРЬИ

Казахский научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова, 050060, пр. аль-Фараби 75 В, Алматы, Казахстан,

e-mail: azimbay@bk.ru Аннотация. На основе вариационно-статистической обработки полученных аналитических данных по содержанию подвижных форм тяжелых металлов в почвах Шиелии-ского массива орошения в качестве их фонового содержания предлагается следующие величины (мг/кг): Pb - 14,7±0,24; Ni -6,3±0,18; Cu 2,3±0,06; Cd 0,6±0,02; Zn 2,9±0,08.

Ключевые слова: тяжелые металлы, подвижные формы, Шиелиискии массив орошения.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время немаловажным негативным фактором снижения плодородия почв становится фактор загрязнения почв тяжелыми металлами, ядохимикатами и др. Орошаемые территории, как правило, занимают геохимически подчиненные гидро-морфные ландшафты, и как следствие этого, склонны к загрязнению. Результаты наших ранних исследовании показали загрязненность почв орошаемых массивов тяжелыми металлами, в частности РЬ, № и Си [1]. Кроме того, ухудшение экологических, почвенных и мелиоративных условии почв также привело к снижению их защитных воз-можностеи по отношению к РЬ и № до 3,3 и 4,1, соответственно [2]. Все более загрязненнои становятся воды рек, источников орошения, за счет все увеличивающегося антропогенного давления на окружающую среду. По нашим данным особую тревогу вызывает экологическое состояние вод Кызылор-динскои области, для которого характерным является закономерное увеличение содержания как РЬ, так и № от оросительнои и грунтовои воде [1].

Изучение содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах позволяет выявить их общие запасы. Это один из исходных показателеи оценки загрязнения почв, но он не всегда имеет первостепенное значение. При оцен-

ке загрязнения почв тяжелыми металлами их валовое содержание является показателем менее информативным, чем, содержание их подвижных форм. Поэтому, существующие и официально утвержденные ПДК, которые установлены для большинства тяжелых металлов по их валовои форме, не отражают фактическои ситуации, т.е. данные по валовои форме недостаточны для оценки ситуации складывающеися в пищевои цепочке. Такого рода несоответствие ПДК деиствительности давно уже обнаруживаются в исследованиях ученых [3-6]. Подвижные формы тяжелых металлов более реально характеризуют их потенциальную опасность для экосистемы, способность переходить из почв в растения, в почвенные и грунтовые воды. При определении подвижных форм определяются реально существующие доступные растениям формы их соединении, что дает нам возможность определить истинные экологически значимые запасы тяжелых металлов в почве.

Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах агроландшафта формируется в основном за счет их содержания в исходнои почве и антропогенного привноса извне - поступление с оросительными водами, минеральными удобрениями, различными мелиорантами, средствами химическои защиты растении, аэральное поступле-

ние и другие виды. Привнесенные в агрономические ландшафты тяжелые металлы довольно быстро включаются в биогеохимические циклы миграции, перемещаются во времени и в пространстве, становятся постоянными компонентами химического состава почвы и живого вещества агроландшаф-тов. Направление миграции тяжелых металлов и ее темп в значительнои степени определяются физико-химическими своиствами почв и самих тяжелых металлов, особенностями технологии возделывания культурных растении и рядом других природных факторов.

Несмотря на большое разнообразие почвенного покрова орошаемых массивов Республики, проблема установления региональных фоновых уров-неи содержания тяжелых металлов в орошаемых почвах пока остается не ре-шеннои. Подобные данные необходимы для оценки устоичивости и стабильности орошаемых экосистем к глобальным и региональным антропогенным воздеиствиям. На основе анализа содержания и распределения тяжелых металлов в фоновых раионах можно выявить особенности формирования регионального уровня фона тяжелых металлов и классифицировать диапазон концентрации изучаемых металлов.

В связи с этим, в условиях всевозрастающего техногенного прессинга на окружающую среду, в том числе на поч-венныи покров изучение и систематизация данных о фоновом содержании тяжелых металлов в орошаемых почвах на региональном уровне является од-нои из актуальных задач имеющих как научное, так и прикладное значение.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Учитывая ухудшение общего экологического состояния Приаральского региона, в качестве объекта исследования был выбраны почвы Шиелииского массива орошения расположеннои на территории преддельты реки Сырдарьи.

С учетом многофакторности и сложности процессов изучения тяжелых металлов в почвах, при установлении фонового содержания тяжелых металлов в почвах руководствовались достаточно распространенными и хорошо апробированными методологическими подходами и методами комплексного изучения экологического состояния основных компонентов естественных и культурных ландшафтов. В частности, были использованы морфологическии и профильныи методы, которые являются базисными при проведении полевых почвенных исследовании и составляют основу полевои диагностики почв.

При проведении почвенно-экологическои съемки руководствовались официально существующими руководствами и инструкциями [7, 8]. Определение экологического состояния почв проведено в соответствии с требованиями ГОСТ-ов и Методических рекомендации регламентирующих работу по исследованию почв при общих и локальных загрязнениях [9-12]. В процессе проведения почвенно-экологических съемочных работ для определения регионального фонового уровня содержания тяжелых металлов в почвах закладывались почвенные разрезы и прикопки. Также отбирались почвы из пахотного горизонта. В общеи сложности отобраны 244 почвенных образцов и проанализированы на содержание 5-ти тяжелых металлов.

Карты содержания тяжелых металлов составлены в среде ГИС с использованием компьютернои программы MapInfo Professional.

Тяжелые металлы были определены атомно-абсорбционным методом на атом-но-абсорбционном спектрометре АА-6200 фирмы «Shimadzu» (Япония). Для определения валовых форм тяжелых металлов использовали кислотное разложение, подвижную форму извлекали ацетатно-аммо-нииным буферным раствором с рН 4,8.

Статистическую обработку полученных данных, проводили общеприня-

тыми методами математической статистики, [13, 14] с использованием программы пакета анализов «Excel - 97» и «Atte Stat».

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При изучении особенностеи содержания и пространственного варьирования своиств почв или же среднего содержания тех или иных элементов в определенных типах почв или в их совокупности для увеличения надежности получаемых данных и выводов по ним, большое значение имеет применение методов статистического анализа данных. Кроме того, применение статистического анализа также увеличивает интерпретационные возможности данных. Следует признать, что все выводы по абсолютным величинам своиств почв, сделанные по одному или нескольким типичным разрезам без ста-тистическои обработки, часто могут оказаться малодостоверными и могут привести к невернои интерпретации полученных данных [10]. В статистиче-скои науке, изучаемая случаиная величина, характеризуется в основном двумя группами констант. Константы пер-вои группы характеризуют среднии уровень изучаемои величины, а второи группы - степень вариабельности, изменчивости, и обе группы являются выражением закона распределения слу-чаинои величины.

Среди констант характеризующих распределение тех или иных элементов в почвах особое место занимает среднее

арифметическое, характеризующее средний уровень их содержания и, по сути, изучение характеристик, установление истинного значения среднеи, т.е. истинного фонового содержания является основнои целью большинства работ. Кроме того, при статистическои обработке полученных аналитических данных среднее значение выступает исходным при вычислении других не менее важных констант характеризующих распределение изучаемои величины, поэтому к его оценке уделяется особое внимание.

Исходя из этого, мы подвергли вариационно-статистическои обработке полученные за время реализации проекта аналитические данные по содержанию тяжелых металлов в почвах Шиелииского массива орошения. Как видно из полученных данных вычисленные значения ^критерия Стьюдента для всех изученных почв при 95 % уровне значимости значительно больше чем Ъгаб. (таблица 1).

Пределы доверительного интервала у всех изученных металлов довольно узкие. Анализ степенеи вариабельности содержания тяжелых металлов в почвах массива показывает, что установленные среднестатистические значения являются статистически устоичивыми, подтверждением чему служат величины их коэффициентов вариации, которые по шкале градации соответствуют пределу от незначитель-нои до среднеи.

Металлы n M±m Пределы колебания ^критерии ± t0,05 * m V, %

tфакт. t0,05

Zn 242 2,9±0,08 0,3^9,2 36,9 2 0,2 42,1

Cu 242 2,3±0,06 0,3^5,7 38,3 2 0,1 40,7

Pb 242 14,7±0,24 5,5^22,7 60,8 2 0,5 25,6

Cd 242 0,6±0,02 0,1*1,7 27,0 2 0,04 57,7

Ni 242 6,3±0,18 0,9*12,9 35,6 2 0,3 43,7

Таблица 1 - Вариационно-статистические показатели содержания подвижных форм тяжелых металлов в горизонте Апах почв Шиелииского массива орошения

На основе анализа полученных статистических констант можно заключить, что вычисленные значения сред-неи правильно отражают статистически значимые истинные значения среднего содержания изученных металлов в почвах Шиелииского массива орошения.

Таким образом, полученные средние содержания изученных металлов мы предлагаем в дальнеишем использовать в качестве их фонового содержания в почвах Шиелииского массива орошения.

Для характеристики общего содержания тяжелых металлов в почвах массива на основе полученных данных также были вычислены вариационно-статистические показатели содержания их валовых форм в почвах Шиелииского массива орошения (таблица 2). Здесь также видно, что вычисленные фактические значения критерия Стьюдента значительно выше, чем их табличные значения. Пределы колебания содержания валовых форм тяжелых металлов и доверительныи интервал их среднего значения также отличаются достаточно узкими интервалами.

Таблица 2 - Вариационно-статистические показатели содержания валовых форм тяжелых металлов в горизонте Апах почв Шиелииского массива орошения

Металлы М±т Пределы ^критерии ± ^,05 * т V, %

п колебания Ъфакт. ^,05

7п 179 67,6±0,99 36,0^118,0 68,1 2 2,0 19,7

Си 179 25,7±0,51 10,0^49,6 50,5 2 1,0 26,5

РЬ 179 33,2±0,93 13,2^60,4 35,6 2 1,8 37,5

Cd 179 1,5±0,06 0,4^3,2 25,9 2 0,1 51,7

№ 179 29,8±0,95 8,0^66,4 31,4 2 1,9 42,6

Величины их коэффициентов вариации, за исключением Cd не превышают среднеи величины. А у кадмия, как и его подвижнои формы, коэффициент вариации достаточно высок и равняется 51,7 %. Если учесть обстоятельство, что тяжелые металлы по содержанию в почве в весовом выражении относятся к микроэлементам, то становятся вполне естественными их относительно высокие коэффици-

енты вариации. Ряды убывания валовых форм изученных тяжелых металлов по величине коэффициента вариации несколько иначе, чем у их подвижных форм и выглядит следующим образом: Cd > № > РЬ > Си > 2п.

Используя полученные аналитические данные, был рассчитан вклад каждого металла в общии «металлический» фон почв Шиелииского массива (рисунок 1)

Рисунок 1 - Долевое участие тяжелых металлов в «металлическом» фоне почв Шиелииского массива орошения (А - подвижные, Б - валовые формы)

Оказалось, что состав подвижных и валовых форм тяжелых металлов в почвах массива существенно различаются. Среди подвижных форм изученных металлов в почвах Шиелииского массива орошения наибольшую долю (54,0 %) занимает свинец, за ним следует никель (24,0 %), цинк и медь занимают соответственно 11,0 % и 9,0 %. На долю кадмия приходится всего лишь 2,0 %. Среди валовых форм изученных металлов наибольшую долю (43,0 %) занимает цинк, за ним следует свинец (21,0 %),

Анализируя картографические материалы можно сказать, что на территории Шиелииского массива орошения по свинцу преобладают в основном почвы 5-группы с содержанием по-движнои формы свинца более 12,0 мг на кг почвы. По никелю преобладают почвы 4-ои и 5-ои группы содержащие, соответственно 5,61-6,99 и более 7,0 мг/кг никеля. Среди обследованных хозяиств наиболее повышенным содержанием изученных металлов отличаются почвы «Жана Бестам», «Ынтымак Гигант», «ибраи Жахаи» и «Жана ак-жол».

никель и медь занимают соответственно 19,0 % и 16,0 %. На долю кадмия приходится всего лишь 1,0 %.

Далее, используя полученные аналитические данные и компьютерную программу MapInfo Professional в среде ГИС были составлены карты содержания экологически опасных, доступных для растении подвижных форм приоритетных для Шиелииского массива орошения тяжелых металлов: никеля и свинца (рисунок 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе вариационно-статис-тическои обработки полученных в ходе проведения почвенно-экологическои съемки аналитических данных (п= 242) по содержанию подвижных форм тяжелых металлов в качестве их фонового содержания в почвах Шиелииского массива орошения предлагаются следующие статистически достоверные величины в мг/кг почвы: Pb - 14,7±0,24; № -6,3±0,18; ^ - 2,3±0,06; Cd - 0,6±0,02; -2,9±0,08.

Среди подвижных форм изученных металлов в почвах Шиелииского

11. менее 3,0 мг/кг ] 2. 3,01-4,30 мг/кг I 3.4,31-5,60 мг/кг 14. 5,61-6,99 мг/кг I более 7,0 мг/кг

й

У*

*4

1. менее 3,0 мг/кг

2. 3,1-5,99 мг/кг

3. 6,0-8,99 мг/кг

4. 9,0-11,99 мг/кг

5. более 12,0 мг/кг

Рисунок 2 - Карты содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах Шиелииского массива орошения (А - никель, Б - свинец)

Б

массива орошения наибольшую долю го массива орошения по свинцу преоб-

(54,0 %) занимает свинец, за ним следу- ладают в основном почвы 5-группы с

ет никель (24,0 %). Цинк и медь занима- содержанием подвижнои формы свинца

ют соответственно 11,0 % и 9,0 %. На более 12,0 мг на кг почвы. По никелю

долю кадмия приходится всего лишь 2,0 %. преобладают почвы 4-ои и 5-ои группы

Среди валовых форм изученных метал- содержащие, соответственно 5,61-6,99 и

лов наибольшую долю (43,0 %) занима- более 7,0 мг/кг никеля. ет цинк, за ним следует свинец (21,0 %). Таким образом, установлены фо-

А никель и медь занимают соответ- новые содержания тяжелых металлов в

ственно 19,0 % и 16,0 %. На долю кад- почвах Шиелииского массива ороше-

мия приходится всего лишь 1,0 %. Ана- ния, проведено дифференциация терри-

лизируя составленные карты подвиж- тории по уровню содержания тяжелых

ных форм тяжелых металлов можно металлов и выявлены участки (контуры) их

сказать, что на территории Шиелииско- повышенного содержания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Отаров А., Ибраева М.А., Сапаров А.С. Деградационные процессы и современное почвенно-экологическое состояние рисовых массивов республики// Экологические основы формирования почвенного покрова Казахстана в условиях антропогенеза и разработка теоретических основ воспроизводства плодородия. -Алматы, - 2007. - С. 73-105.

2 Отаров А. Защитные возможности периодически затапливаемых рисовых почв по отношению к тяжелым металлам// Состояние и перспективы развития почвоведения. Материалы международнои научнои конференции, посвященнои 60-летию образования Института почвоведения им. УУ Успанова. - Алматы: «Тетис», 2005. - С. 131-132.

3 Отаров А., Ибраева М.А., Сапаров А.С. Влияние экологического состояния рисовых массивов Казахстана на качество риса-шалы и продуктов ее переработки// Зерно и продукты ее переработки. - Астана, 2006. - №3. - С. 14-18.

4 Ягодин Б.А. и др. Тяжелые металлы в системе почва-растение// Химия в сельском хозяистве. - 1996. - № 5. - С. 43-45.

5 Овчаренко М.М., Графская Г.А., Шильников И.А. Почвенное плодородие и содержание тяжелых металлов в растениях// Химия в сельском хозяистве. - 1996. - № 5. - С. 40-43.

6 Ильин В.Б., Баидина Н.Л., Конарбаева Г.А., Черевко А.С.. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях Новосибирска// Агрохимия. - 2000. - № 1. - С. 66-73.

7 Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользования. - М.: изд-во «Колос», 1973. - 95 с.

8 Руководство по проведению крупномасштабного почвенного обследования в Ка-захскои ССР. - Алма-Ата, 1979. - 137 с.

9 ГОСТ 17.4.3.03-85 Охрана природы. Почвы. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ. - Введ. 1987 - 01 - 01. -М. : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2008. 2 с.

10 ГОСТ 17.4.3.01-83 Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. -Введ. 1984 - 01 - 07. -М. : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2004. 4 с.

11 Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследовании почв и растении при контроле загрязнения окружающеи среды металлами. - М.: изд -во «Гидрометеоиздат», 1981. - 107 с.

12 Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: Госагропром СССР, 1989. - 62 с.

13 Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. - М.: изд-во МГУ, 1995. - 320 с.

14 Савич В.И. Применение вариационнои статистики в почвоведении. Учебно -методическое пособие. - М.: изд-во ТСХА, 1972. - 103 с.

ТУШН

Отаров А., Вырахманова А.С., Полатова М. СЫРДАРИЯ 0ЗЕНШЩ АТЫРАУ АЛДЫ ТОПЫРАKТАРЫНДАFЫ АУЫР МЕТАЛДАРДЫН,

ФОНДЫ; М0ЛШЕР1 9.О. Оспанов атындагы К,азак, топырацтану жэне агрохимия гылыми-зерттеу институты, 050060, эл-Фараби дацгылы, 75 В, Алматы, Цазацстан,

e-mail: azimbay@bk.ru

Шиелi суармалы ал;абы топырак;тарындары ауыр металдардьщ жылжымалы формалары боиынша алынган аналитикалы; мэлiметтердi вариациалы-статистикалы; ецдеу негiзiнде олардыц фонды; мeлшерi ретiнде келесi елшемдер усынылады (мг/кг): Pb - 14,7±0,24; Ni -6,3±0,18; Cu 2,3±0,06; Cd 0,6±0,02; Zn 2,9±0,08.

TyuiMdi свздер: ауыр металдар, жылжымалы формалар, Шиелi суармалы ал;абы.

SUMMARY Otarov A., Vyrakhmanova A.S., Polatova M. BACKGROUND CONTENT OF HEAVY METALS IN SOILS OF THE SYRDARIA RIVER

PREDELTA

Kazakh Research Institute of Soil Science and Agrochemistry after U.U. Uspanov, 050060, ave. al-Farabi 75 v, Almaty, Kazakhstan, e-mail: azimbay@bk.ru

On the basis of the variational and statistical processing of analytical data on the content of mobile forms of heavy metals in soils of Shieli irrigation array, their background content are the following values (mg / kg): Pb - 14,7 ± 0,24; Ni -6,3 ± 0,18; Cu 2,3 ± 0,06; Cd 0,6 ± 0,02; Zn 2,9 ±