CC BY
35
10. Зиновьев А.А. Коммунизм как реальность. Кризис коммунизма. М.: Цен-трполиграф, 1997; Он же. На пути к сверхобществу. М.: Центрполиграф,2000; Во-сленский М.С. Номенклатура. М.: Мп «Октябрь», «Советская Россия», 1991; Ефимов И.М. Без буржуев. Франкфурт-на-Майне: Посев,1979; Владимиров Л.В. Россия без прикрас и умолчаний. Франкфурт-на-Майне: Посев, 1969; Парамонов ИВ. Учиться управлять. М.: Экономика,1983.
УДК 338.43
Шумакова Г. Е., канд. с/х н.
К проблеме принятия управленческих решений по оценке экологичности агропродукции
Рассмотрены биогеохимические особенности поведения химических элементов на примере ярового ячменя, которые позволят принимать взвешенные управленческие решения по оценке качества продукции.
Ключевые слова: биогеохиические ассоциации элементов, биопродукция, металлы-корреляты, подвижные, инертные, биофильные элементы, управление качеством сельскохозяйственной продукции.
Накопление тяжелых металлов в агропродукции обычно однозначно связывают со способностью биообъектов накапливать в своем составе тяжелые металлы, источником которых обычно считаются водорастворимые соединения, а также минеральные компоненты почв. Однако в существующих подходах миграции элементов не учитываются биогеохимические особенности степени подвижности металлов в разных средах. Эти особенности можно выявить на основе использования комплексного статистического анализа законов распределения тяжелых металлов, параметров их распределения, корреляции и т. д. Выявленные особенности миграции различных элементов в биопродукции дают возможность осторожно и взвешенно относиться к принятию управленческих решений об экологичности агропродукции в условиях урбанизированных ландшатов, особенно в условиях влияния автотранспорта на качество сельхозпродукции, выращиваемой вблизи автотранспортных магистралей. А именно относить её к продовольственной, фуражной или технической.
В основу оценки миграционной способности тяжелых металлов на примере ярового ячменя, отобранного в районе федеральной автомобильной трассы Москва - Ростов-на-Дону (1035 км), положен корреляционный анализ распределения биогеохимических ассоциаций. Пробоотбор ярового ячменя производился на разных расстояниях от
профиля дороги. Анализ зерна и соломы осуществлялся атомноабсорбционным методом на спектрофотометре Хитачи-180 в лаборатории МГУ.
До сих пор принято считать, что любое повышение концентраций химических элементов, особенно тяжелых металлов, в агропродукции является основанием отнесения её либо к вредной, либо не экологичной, либо не соответствующей экологическим требованиям (нормам) или стандартам по качеству продовольственной, фуражной или технической. Принятие управленческих решений относительно того, в какой мере можно уверенно относить ту или иную сельхозпродукцию, выращенную в условиях урбанизированных ландшафтов, влияния автодорог и т. д. (как например, Ростовская область) к экологически опасной или безопасной стоит перед дилеммой выбора, что делать с такой продукцией? Стоит ли вообще заниматься выращиванием культур в условиях влияния на её качество сильно урбанизированных ландшафтов?
Для того чтобы уверенно говорить об источниках избыточных концентраций тяжёлых металлов в агропродукции, необходимо знать форму нахождения металлов в почве и окружающей среде. Источником различных химических элементов и тяжёлых металлов могут служить обломочные частицы пород и минералов различного состава в почве, их водорастворимые соединения в грунтовых водах и, наконец, поступать в растения из атмосферы, где они могут входить в так называемые летучие формы аэрозолей, особенно в условиях формирования смога различной природы (естественной и антропогенной).
Как правило, минеральные (породные) формы в почве чаще всего инертны (малоподвижны) в системе обмена веществом между ними и растениями, и образуют геохимические ассоциации неустойчивых (не значимых) корреляций между входящими в их состав тяжёлыми металлами. Водорастворимые соединения тяжёлых металлов, напротив, более подвижны и образуют значимые либо положительные или отрицательные корреляции в процессе обменных, в том числе, биогео-химических реакций. Менее выражена система обменных корреляций тяжёлых металлов в условиях аэрозолей и растений, поскольку устойчиво не связаны с обменными процессами в питании и дыхании растений. А избыток металлов сорбируется на поверхности растений.
При спектральном анализе зольных остатков важно учитывать возможное наличие пылеватых частиц в зерне и соломе, которые могут искажать общую картину распределения тяжёлых металлов.
Результаты анализа позволили выделить следующее.
Разброс концентраций химических элементов (низкий коэффициент вариации) в зерне ячменя почти в два раза меньше, чем в соломе того же ячменя, что определённо может свидетельствовать о меньшем влиянии пылеватых частиц, накапливающихся в зерне, чем в соломе. Как известно, семена различных культур (и растений вообще) сбрасывают избыток тяжёлых металлов в листву, солому, кору и т. д. и тем самым защищают от загрязнения генофонд. Это подтверждается более низкими средними концентрациями элементов в семенах, плодах и т.д. Так называемый, известный защитный эффект свойств любого живого - не накапливать в своём составе избытка металлов, в число которых могут входить и тяжёлые, в том числе токсичные (ртуть, свинец, кадмий и др.). При этом надо помнить, что любой дефицит и избыток химических элементов в организме одинаково вреден. Поэтому говорят обычно о сбалансированности распределения биофильных элементов в составе живого вещества.
Сравнительные относительные величины концентраций элементов для соломы и зерна подтверждают факт больших концентраций тяжёлых металлов в соломе по отношению к зерну. Но здесь выявляется важное обстоятельство уменьшения концентраций цинка и меди в соломе по отношению к зерну, что можно объяснить не только дефицитом этих элементов почве и грунтовых водах, но и их биофильно-стью (способностью элементов формировать биохимические комплексы устойчивости растений к различного рода заболеваниям). В противном случае избыток меди и цинка был бы выведен ячменём в солому, как это характерно для всех остальных установленных в зольном остатке элементов.
Необходимо сразу отметить следующую особенность, влияющую на степень подвижности и источники тяжёлых металлов в биопродукции. Обычно грунтовые воды отличаются повышенными содержаниями гидрокарбоната кальция, сопровождающегося наличием в воде повышенных концентраций магния, железа, марганца (они чаще образуют водорастворимые карбонаты). Поэтому, если тяжёлые металлы образуют положительную корреляцию с кальцием и магнием, то источник тяжелых металлов связан с водорастворимыми формами соединений в грунтовых водах и приобретают высокую подвижность и прочные ассоциативные связи, на что указывают высокие значения аддитивных (суммарных алгебраических) показателей связи.
В случае корреляции тяжёлых металлов с кремнекислотой, источником их концентраций могут являться породные ассоциации (минерального вещества почвы) в форме силикатов (чаще полевых шпа-
тов, характеризующихся повышенными содержаниями кремния, алюминия, в меньшей степени железа, марганца, кальция, магния).
Кальций и магний.
В зерне пара Са-М^ - образуют положительную, значимую на 5% уровне ^ коррелятивную ассоциацию, накапливаются вместе как биофилы. Но кальций образует отрицательную значимую связь с БЮг. Это может означать, что кальций и магний поступают в зерно из растворов гидрокарбонатных вод на матрице известняков, доломитов, характеризующихся обычно высокими кларками кальция, магния, железа, марганца, стронция (способного замещать кальций).
Кадмий. Тяжёлый и токсичный металл, коррелируя с кремне-кислотой положительно на 5% уровне значимости, может иметь два источника накопления: породный и из кремнекислотных растворов в ассоциации с железом, марганцем, медью, никелем и водный из гидрокарбонатных вод почвы. Однако положительная и значимая корреляция его с оксидом кремния, железом, марганцем может свидетельствовать об источнике кадмия из кремнекислотной минеральной системы почвы (отрицательная корреляция с кальцием и магнием). В этом случае подобные концентрации вряд ли можно относить к токсичным и можно считать фоновыми. Коэффициент биологического поглощения этого элемента относится к категории слабого и очень слабого по классификации А.Перельмана ®.
Никель. В ассоциации положительных и значимых коррелятов марганца, железа, меди может иметь источник попадания в зерно ячменя в основном из подвижных ионов водных растворов, кроме кадмия, обладающего с ним устойчивой положительной связью. Его источник - породный, поскольку с кальцием и магнием он образует отрицательные связи. Этот металл, как и его корреляты марганца, железа, меди, имеет среднюю величину биологического накопления в живых организмах. По уровню концентраций его в зерне этот металл является фоновым и сопоставим с концентрациями этого металла в растениях биосферы.
Свинец. Обладает средним значением коэффициента биологического поглощения. Образует отрицательную корреляцию с кремне-кислотой. Его избыток в зерне не связан с минеральным парагенезисом почвы, где кремнекислоты много, но имеет положительную и значи-
Имеется в виду, что уровень значимости лучше, чем 5% и может достигать 1% уровня значимости (вероятность значимости связей от 95 до 99%).
Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. М.: Недра. 1990.
мую на 5% уровне корреляцию со стронцием, источник которого может быть связан как с кальцием, так и с радиоактивными осадками. Стронций, образуя положительную и значимую корреляцию с цинком, формирует обычно устойчивую ассоциацию в породах: стронций, кальций, свинец, цинк и связан с гидрокарбонатами водных растворов почвы. Но свинец образует незначимую отрицательную корреляцию с кальцием и магнием. Поэтому в данном случае источник свинца в ячменном зерне может не иметь никакого отношения ни к минеральному составу почвы, ни к водным гидрокарбонатным растворам, а связан с привносом его извне этих систем (загрязнение через аэрозоли атмосферы - источник загрязнения выбросами автомобильного транспорта). Однако уровень концентраций свинца в зерне находится на уровне кларка для растений и потому не может рассматриваться в конкретном случае как избыточно токсичный элемент.
Барий. Также относится к средним по уровню коэффициента биологического поглощения. Образует незначимые отрицательные связи с подавляющим набором химических элементов, но в ассоциации положительного коррелята с кобальтом. Это однозначно может указывать на источник его в золе как породный, поскольку кобальт положительно коррелирует с зольным остатком, имея отрицательные связи с кальцием и магнием. Уровень установленных концентраций бария немного (на 20%) превышает кларк для растений, что также позволяет относить концентрации к фоновым, не аномальным, не влияющим на экологичность ячменя.
Алюминий. Коррелируя значимо и положительно с кремнекис-лотой, инертен. Коэффициент биологического поглощения очень слабый. Его источник явно породный. Уровень его концентраций не превышает кларка растений.
Медь. Коэффициент биологического накопления средний. Образует теснейшую положительную коррелятивную связь с железом, марганцем, цинком. Может иметь источник водных растворов с незначительной долей цинка породного (минерального) источника, поскольку образует отрицательную связь с кальцием и магнием. Средние содержания меди в зерне выше кларка растений почти в 5 раз. По уровню биологического поглощения относится к средним.
Марганец, медь, цинк, железо, образуя теснейшую ассоциацию подвижных положительных коррелятов, может иметь как породный источник, так и водно-растворимый. Образует устойчивую ассоциацию коррелятов (аддитивные показатели корреляций наибольшие). Ассоциация относится к сильным и средним по уровню коэффициента поглощения растениями. Порог концентраций, превышающий кларк
растений (в 2 - 5 раз) принадлежит всем элементам из этой ассоциации, кроме марганца, отличающегося большим дефицитом. В целом ассоциация хотя и избыточна по уровню накопления в зерне, вряд ли может рассматриваться токсичной из-за того, что относится к высокому уровню биологического поглощения.
Кремнекислота. Коррелируя с алюминием, зольным остатком, может указывать на то, что она является преимущественно источником пород - полевых шпатов, обычно обогащенных кремнием и алюминием.
Таким образом, на основе корреляционного анализа можно достаточно уверенно говорить, что основным источником тяжёлых металлов (кремнекислоты, алюминия, кальция, магния, стронция, бария) в зерне ячменя могут служить как минеральное вещество почвы, так и водно-растворимые соединения минерально-породных ассоциаций полевых шпатов, доломитов и известняков. Нам неизвестно, попадала ли пыль на зерно в процессе эксперимента (зерно не отмывалось слабо разбавленным раствором соляной кислоты). В этом смысле для дальнейшего учёта баланса минерального (не имеющего экологических последствий) и неминерального источника загрязнения (способного влиять на экологические последствия) необходим эксперимент отмывания зерна от неизбежной пыли. Это даст возможность контролирующим органам власти принимать взвешенные управленческие решения по отнесению агропродукции к той или иной степени её загрязнения и, тем самым уменьшить риск экономических потерь, с одной стороны и с другой — быть уверенными в том, что агропродукция отвечает категории экологически безопасной. А именно, может ли быть она отнесена к продовольственной, фуражной или технической.
В целом биогеохимия зерна ячменя в проводившейся выборке влияния автодороги может характеризоваться как фоновая. То есть влияние автотранспорта по выбросам свинца и тяжёлых металлов не сказывается на их избыточном накоплении в зерне.
В соломе ячменя обнаруживается практически та же статистическая закономерность в распределении концентраций элементов и их корреляции. Однако имеются и особенности. Они заключаются в том, что в соломе обнаруживается положительная и значимая корреляция кальция с марганцем, барием, стронцием в отличие от зерна, где она отрицательна.
Кальций, магний, марганец - ассоциаты и корреляты обычных известняков и доломитов. В их ассоциацию может входить барий, стронций (стронций изоморфно замещает кальций), цинк, свинец, также образующих положительную коррелятивную связь. Барий, марганец, цинк, кремнекислота - корреляты зольных остатков. Никель - как
коррелят марганца, цинка и железа, также может входить в породную ассоциацию полевых шпатов - карбонатов в почве и пыли на соломе. К тому же все перечисленные ассоциаты могут входить в водные растворы гидрокарбонатов и карбонатов кальция, магния, железа, марганца. Таким образом, источник этих тяжёлых металлов может быть как связан с породно-минеральной, так и с водорастворимыми формами гидрокарбонатных вод. То есть надземная часть растений стремится максимум использовать строительный материал минеральной составляющей почвы и минеральной составляющей гидрокарбонатных магний-кальциевых грунтовых вод. И в этой связи может быть использована как для фуража, технических целей (подстилки для животных), так и в качестве источников внесения удобрения при измельчении соломы.
Свинец, коррелируя с цинком, может указывать как раз на породно-минеральный источник в большей степени, чем транспортный источник (аэрозолей), поскольку цинка в топливе не обнаруживается на уровне присадок к нему. Поэтому в выхлопных газах автомобилей не может наблюдаться избыток цинка. Отсюда можно заключить, что источником избыточного цинка в соломе не могут быть выхлопные газы автомобилей, а его концентрации связаны, скорее всего, с пылью, осаждающейся на соломе. Но это требует дополнительных исследований.
Источником токсичного кадмия также могут служить водорастворимые соединения карбонатных пород, поскольку кадмий по геохимии близкий «родственник» к цинку и образует с ним парагенетиче-ские ассоциации в породах и рудах.
Высокие концентрации тяжёлых металлов в соломе по отношению к зерну указывают на то, что растения (в данном случае культивируемый ячмень) стараются всегда сбросить избыток тяжёлых металлов из семян в листья, стебли, корни, обеспечивая тем самым устойчивость (опору злаковым) существования будущего поколения злаковых...
Как показали авторские исследования, повышенные (избыточные относительно кларка или биофона) концентрации химических элементов, в том числе тяжелых металлов, в биопродукции, находящейся в зоне влияния автомагистрали, имеют разный источник как аэрозольный, минеральный, так и водорастворимый в грунтовых и почвенных водах.
Минеральные источники — носители повышенных концентраций большого спектра химических элементов, в том числе тяжелых металлов, нельзя относить к водорастворимым, поскольку чаще всего характеризуют механическую примесь, которая не может оказывать ощутимого влияния на потребительские, технологические и фуражные качества, с одной стороны, с другой — может быть легко удалена из
агропродукции при помощи известных методов её очистки. Напротив, водорастворимые соединения и аэрозоли могут являться источником загрязнения биопродукции и влиять на её экологичность. В этой связи для того, чтобы принимать управленческие решения в области выращивания агрокультур вблизи автомагистралей необходим мониторинг источников попадания химических элементов в агрокультуры на основе простых статистических приемов обработки информации результатов опробования почв и биопродукции. А именно:
1. В условиях пробоотбора биологических проб из разных объектов агрокультур необходимо учитывать загрязнение химическими элементами самого широкого спектра, включая тяжелые металлы образцов (зерна, соломы) пылеватыми частицами, которые могут влиять на концентрации тяжелых металлов в биообъектах.
2. Это влияние может быть обнаружено как путём анализа законов распределения тяжелых металлов в биообъектах, так и с помощью корреляционного анализа, способного выделить формы подвижности ассоциаций элементов и определять их источник совместного нахождения и попадания в исследуемый биообъект.
3. Источником тяжелых металлов могут быть как минеральный состав почвы, так и воднорастворимые соединения металлов в почвенной влаге, обычно имеющий гидрокарбонатный состав с сонахождени-ем в воде коррелята кальция с магнием, железом, марганцем. Поскольку группа железа (титан, хром, марганец, кобальт, никель) обычно является коррелятами, то их источник, как правило, принадлежит основному составу минерально-породного происхождения в почве, мигрирующие в водно-растворимых комплексах.
4. Концентрации свинца в биообъектах, почве и аэрозолях также могут иметь разный (смешанный) источник. И однозначно говорить о загрязнении свинцом биопродукции можно только в случае прямых анализов аэрозолей вне загрязнения воздуха пылеватыми частицами. То есть для принятия решения о загрязнении агроподукции или её части тяжелыми (токсичными) металлами требуется расчёт доли загрязнения минеральным или аэрозольным источником, поскольку один является безопасным, в второй — экологически опасным. На самом деле до сих пор контролирующая качество сельхозпродукции госслуж-ба, в лице различных природоохранных органов, учитывает валовый состав тяжелых металлов, не учитывая его форму нахождения в экосистемах.
5. Статистические методы дают возможность в большинстве случаев надежно (с вероятностью до 95-99%) разделять источники попадания тяжелых металлов в биообъекты на основе исследования кор-
реляций металлов в биообъектах и надёжно принимать управленческие решения о целесообразности или нецелесообразности выращивания агрокультур в зоне влияния автотрасс или относить биопродукцию к продовольственной, фуражной, технической и т. д.
Рекомендации
1. При принятии управленческих решений об отнесении агропродукции, выращенной вблизи автомобильных трасс подобных Москва - Ростов-на-Дону, к тем или иным потребительским качествам, необходимо учитывать не валовый состав элементов-примесей в биомассе, включая тяжелые металлы, а рассчитывать соотношение минеральной и неминеральной составляющей в биогеохимическом цикле растений.
2. В процесс контроля загрязнений необходимо включить операцию экспериментального отмыва биопродукции от механической (минеральной) примеси на основе существующих методик с тем, чтобы однозначно исключить её из влияния загрязнителей. В таком случае возможно принятие решения о соответствии или несоответствии экологическим требованиям выращенной сельскохозяйственной продукции валовым анализом и относить её к продовольственной, фуражной, технической и т.д.
Литература
1. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. - М.: Недра. - 1990.
2. Ивонин В.М., Шумакова Г.Е. Защита агроландшафтов от загрязнения тяжелыми металлами // Докл. ВАСХНИЛ. - 1990. - № 5. - С. 42-45.
3. Ивонин В.М., Шумакова Г.Е. Влияние техногенного загрязнения на состояние придорожных лесных полос // Лесной журнал. 1991 № 6. - С 12-17.
4. Кокин А.В., Шумакова Г.Е. Кризисные явления в глобальной и прикладной экологии и проблемы управления экологической безопасностью // Уч. Зап. СКАГС «Государственное и муниципальное управление». 2009, № 1. - С. 12-25.
