CC BY
21Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(19), 2015 г., [94-112] УДК 635.64:631.453.003.12 Г. Е. Шумакова
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация
ОЦЕНКА ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ТОМАТОВ В УСЛОВИЯХ ФОНОВОЙ СРЕДЫ И ПРИДОРОЖНОГО ЛАНДШАФТА ПРИАЗОВЬЯ
Цель исследований - выявить причины загрязнения томатов тяжелыми металлами на экспериментальных участках с разной степенью удаленности и защищенности от антропогенного влияния с использованием поливной воды из разных источников. Изучалось загрязнение Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni томатов, выращенных на двух фоновых экспериментальных участках и двух в зоне влияния автодорог при поливе водой из различных водных источников. Образцы почв отбирались по слоям 0-5, 5-20 см, в которых определялись валовые и подвижные водорастворимые формы тяжелых металлов. То же самое определялось в плодах, листьях и стеблях томатов. Установлено, что источниками загрязнения тяжелыми металлами являются почва, содержащая выше кларка в валовых формах Pb (10 мг/кг), Mn (800 мг/кг), Zn (50 мг/кг) и Cu (20 мг/кг), и поливная вода, в которой обнаружено превышение содержания Cd в 3,5 раза и более. Загрязнение листьев и стеблей томатов Cd (0,2 мг/кг), Ni (0,56 мг/кг), Fe (176 мг/кг), источником которых является минеральная пыль, загрязняемая самой почвой и аэрозолями выхлопных газов автомобильного транспорта, отмечено на участке Щепкино; Zn (37 мг/кг), Cd (0,13 мг/кг), Fe (154 мг/кг) - на участке Дача-1; Cd (0,2 мг/кг), Ni (13 мг/кг), Fe (414 мг/кг) - на участке Дача-2; Pb (1,22 мг/кг), Cd (0,11 мг/кг), Ni (18 мг/кг), Fe (214 мг/кг) - на участке Таганрог - Мариуполь. Ряды подвижности тяжелых металлов при переходе их от водорастворимых соединений почвы в томаты испытывают инверсию, что и определяет минимальное поступление тяжелых металлов в томаты. Поэтому плоды томатов, выращенные на всех участках, имеют содержание тяжелых металлов ниже кларка растений, то есть экологически чистые.
Ключевые слова: томаты, тяжелые металлы, источники загрязнений, инверсия подвижности металлов, валовые формы, подвижные формы, водорастворимые формы.
G. E. Shumakova
Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation
ASSESMENT OF POLLUTION SOURCES OF HEAVY METALS FOR TOMATOES GROWN AT BACKGROUND AND ROADSIDE ENVIRONMENT IN PRIAZOVIA
The aim of the research is to reveal the reasons of contamination of tomato plants by heavy metals at the experimental plots with different degrees of remoteness and protection from anthropogenic influence using irrigation water from different sources. The contamination of tomatoes, grown at two different background experimental plots and two plots situated in zone of road influence by Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni, were studied. Soil samples were taken by layers 0-5, 5-20 cm, where total and mobile water-soluble forms of heavy metals were determined. The same analyses were done for fruits, leaves, and stems of tomato plant. It is established that pollution sources of heavy metals were soil at the content of total forms of
Pb (10 mg/kg), Mn (800 mg/kg), Zn (50 mg/kg), and Cu (20 mg/kg) and irrigation water, in which the increasing of Cd was in 3.5 and more times. Contamination of tomato leaves and stems by Cd (0.2 mg/kg), Ni (0.56 mg/kg), Fe (176 mg/kg) which provides by mineral silt of the soil and exhaust aerosols of motor transport were marked at the plot in Shchepkino, Zn (37 mg/kg), Cd (0.13 mg/kg), Fe (154 mg/kg) - at the plot in Dacha-1, Cd (0.2 mg/kg), Ni (13 mg/kg), Fe (414 mg/kg) - at the plot in Dacha-2, Pb (1.22 mg/kg), Cd (0.11 mg/kg), Ni (18 mg/kg), Fe (214 mg/kg) - at the plot Taganrog - Mariupol. The ranks of mobility for heavy metals at their transition from water-soluble compounds of soil to tomato plants have inversion what determines minimal intake of heavy metals by tomato plants, therefore the fruits of tomato grown at all sites had the content of heavy metals less than Clarke number for plants that is ecologically clean production.
Keywords: tomato, heavy metals, pollution sources, inversion of heavy metal mobility, total forms, mobile forms, water-soluble forms.
Введение. В условиях мелиорации и защитного лесоразведения большое значение приобретает анализ источников загрязнения агрокультур, выращиваемых в придорожных экосистемах [1, 2]. Однако относительное и количественное разделение загрязнителей затруднено, поскольку исследователь имеет дело с кумулятивным влиянием различных источников на растения [3, 4]. Настоящие исследования посвящены изучению содержания тяжелых металлов (ТМ): Zn, Pb, Cd, Ni и др., которые признаны наиболее опасными загрязняющими веществами, в почвах с их накоплением в плодах, листьях и стеблях томатов. Поступая в растения, ТМ распределяются в их органах и тканях крайне неравномерно [5, 6]. Уровень накопления их в репродуктивных органах растений значительно ниже, чем в вегетативных, и зависит от биологических особенностей культуры, физиологической роли элемента, его содержания в почве и доступности для растений [7].
Актуальность проблемы состоит в получении экологически чистой продукции. Цель исследований - выявить причины загрязнения томатов ТМ на экспериментальных участках с разной степенью удаленности и защищенности от антропогенного влияния с использованием поливной воды из разных источников.
Материалы и методы исследований. Исходя из цели исследования, задачи заключались в следующем:
- установить содержание ТМ, а именно концентрации свинца (Pb),
марганца (Мп), кадмия (Cd), никеля (№), цинка ^п), кобальта (Со), меди (Си), железа ^е), в почвах, плодах, листьях и стеблях томатов;
- определить минерализацию, химизм засоления поливной воды и наличие в ней РЬ, Мп, Cd, №, 7п, Со, Си, Fe;
- рассчитать превышение концентраций вышеперечисленных элементов в листьях и стеблях томатов над подвижными водорастворимыми формами этих элементов в почве;
- провести ранжирование рядов подвижности ТМ при переходе их от подвижных водорастворимых соединений почвы в томаты.
Исследования проводились на четырех экспериментальных участках.
Участок Большие Салы - Щепкино (далее Щепкино) расположен в 15 км от прикюветного подразделения автодороги. Полив на этом участке осуществляется из пруда.
Участок Дача-1 - район чистой атмосферы, удален от автодорог и промышленных предприятий. Полив осуществляется из артезианской скважины с глубины 15 м.
Участок Дача-2 - то же, что и на участке Дача-1, но поливается водопроводной водой.
Участок Таганрог - Мариуполь, так же как и участок Щепкино, находится в 15 км от автотрассы, но защищен от нее лесополосой, поливается водой из р. Миус.
Пробы почв отбирались в корнеобитаемом слое растений томатов по слоям 0-5, 5-20 см. Анализировали средний образец [8] на каждой из четырех площадок. Определяли содержание ТМ [9] (Мп, №, Cd, РЬ, Со, 7п, Си, Fe) в почве, поливной воде и растениях томатов [10]. Известно, что токсичность ТМ определяется уровнем концентрации их в агроценозах [11], поэтому растения разделили на части (стебли и листья, плоды с семенами). Количество поливов не учитывалось. Удобрения, мелиоранты, пестициды на изучаемых участках не применялись. Отбор растительного ма-
териала осуществлялся в конце вегетационного периода томатов. Анализы всех образцов осуществлялись в аккредитованной эколого-аналитической лаборатории ФГБНУ «РосНИИПМ».
Результаты и обсуждение. Участок Щепкино. В почвах участка, расположенного у автотрассы Б. Салы - Щепкино, обнаружено превышение над фоновым уровнем в 1,2 раза валового содержания РЬ, в 1,5 раза валового содержания 7п и в 1,1 раза Со (таблица 1). Среди подвижных форм изучаемых металлов наблюдается превышение в 7 раз только по Мп. Содержание остальных элементов находится ниже фоновых уровней.
Таблица 1 - Содержание ТМ в почве, плодах, стеблях и листьях томатов, поливной воде (участок Щепкино)
Объект РЬ Мп Cd № 2п Со Си Fe
исследований
Валовые формы в 12 436 0,2 21 76 9 22 2400
почве, мг/кг в слое
0-20 см
Кларки почв (фон), 10 800 0,5 40 50 8 20 38000
мг/кг
Подвижные водо- 0,5 347 0,02 0,5 0,49 0,11 0,19 1,58
растворимые формы в почве, мг/кг
в слое 0-20 см
Кларки (фон), мг/кг 0,8 50 0,1 2 5 0,5 1 Не обнаружено
Зола плодов тома- 0,12 2,2 0,02 0,5 4,6 Не 1,7 11
тов, мг/кг обнаружено
Зола листьев и 0,66 5,6 0,20 0,56 3,8 0,3 3 176
стеблей томатов,
мг/кг
Гигиенические 1,0 Нет 0,03 0,5 10 Нет 10 50
нормы, мг/кг данных данных
Кларки растений, мг/кг 27 6,3 0,6 3 10 0,5 14 140
Поливная вода Не 0,012 0,0007 Не 0,03 Не Не 0,24
(пруд), мг/дм3 обна-руже-но обнаружено обнаружено обна-руже-но
Кларки речной воды, мг/дм3 0,001 0,01 0,0002 0,0025 0,02 0,0003 0,007 0,04
Избыток ТМ в почве может быть связан либо с накоплением их в ре-
зультате поливов водой из пруда, либо с поступлением их с аэрозолями атмосферного воздуха. Но, как видно из данных таблицы 1, в воде из пруда не зафиксированы ни свинец, ни цинк и кобальт, однако установлены над-кларковые (почти в 3,5 раза) концентрации кадмия.
Необходимо отметить, что в слое 5-20 см содержание подвижных водорастворимых форм таких металлов, как свинец и марганец, выше соответственно на 12-40 % по сравнению со слоем 5-10 см. Остальные изучаемые элементы, наоборот, в большем количестве содержатся в слое 0-5 см, несмотря на то, что, согласно данным по максимальной гигроскопичности, слой 5-20 см более увлажнен (8,88 %), чем 0-5 см (8,05 %).
Средний потенциал реализации всех подвижных водорастворимых форм элементов в почвах участка Щепкино составляет 12,15 %. Поскольку он выше среднего значения максимальной гигроскопичности почвы (8,45 %), возможно увеличение в среднем содержания водорастворимых форм ТМ на 3,7 % (12,15 % - 8,45 % = 3,7 %). То есть при поливе водой из пруда возможно увеличение доли этих элементов из почвы в верхний слой как под влиянием растворяющей способности поливной воды, имеющей минимальную минерализацию 3,149 г/дм , сульфатно-натриевого состава ^О4 - №а), так и под влиянием транзита элементов снизу вверх по разрезу почвы. Ряд подвижных водорастворимых химических элементов (элементов, установленных в почвенной влаге) по отношению к валовым формам в почве выглядит следующим образом: Мп (0,795) - Cd (0,077) - РЬ (0,048) - № (0,024) - Со (0,012) - Си (0,09) -- 7п (0,006) - Fe (0,00005) [далее - ряд (а)].
Из этого ряда видно, что менее подвижными элементами являются Со, Си, 7п, Fe.
Известно, что накопление элементов в составе листьев и стеблей растений выше, чем в плодах. Это происходило и в наших экспериментах. Согласно данным анализа золы томатов в ней не обнаружены изучаемые ТМ.
Их содержание намного ниже как по гигиеническим нормам, так и по кларкам растений, выращенных в ненарушенных экосистемах Горного Алтая.
Ряд подвижности, рассчитанный на основе ранжирования концентрации элементов подвижных водорастворимых соединений в почве к содержаниям их в стеблях и листьях растений томатов, выглядит близким к структуре ряда (а).
Мп (61,64) - № (0,908) - Cd (0,86) - РЬ (0,824) - Со (0,326) - 7п (0,13) -- Си (0,064) - Fe (0,0089) [далее - ряд (б)].
Это может означать, что накопление ТМ в составе листьев и стеблей растений соответствует их подвижности в почвенной влаге, за исключением того, что № в растениях более подвижен, чем кадмий, а цинк более инертен, чем медь. Обратим также внимание на то, что в ряду (б) происходит инверсия подвижности во внутренней структуре ряда №, Cd, РЬ. При этом интенсивность накопления в растениях № в 1,12; Cd в 10; РЬ в 1,32; Со в 2,7; 7п в 7,6; Fe в 111,4 и Си в 15,7 раза выше, чем в подвижных водорастворимых соединениях этих элементов в почве.
Следовательно, в составе стеблей и листьев томатов все анализируемые ТМ, кроме меди и марганца, не могут быть однозначно связаны с долей накопления в них только водорастворимых соединений в почве, а попадают в растения с добавлением 3,7 % элементов за счет перевода их нерастворимых соединений в растворимые под влиянием полива и транспи-рации. Но этого недостаточно для того, чтобы изменить общую относительную картину накопления элементов в стеблях и листьях томатов и признать, что превышение их концентраций по сравнению с водорастворимыми соединениями в почве - это загрязнение минеральной пылью (источник загрязнения ею может быть как почвенным, так и дорожным) и аэрозолями под влиянием выхлопных газов автодороги Б. Салы - Щепкино.
Возникает вопрос об источнике загрязнения растений Cd. Поскольку
в поливной воде избыточен (относительно кларка речной воды) только Сё, (его превышение в листьях и стеблях растений составляет 0,180 мг/кг), можно считать, что загрязнение Сё растений томатов связано в большей степени с поливной водой из пруда.
Концентрация элементов в плодах томатов значительно ниже содержания их в стеблях и листьях за исключением 7п, концентрации которого более чем в 1,2 раза выше в плодах относительно стеблей и листьев. А содержание N1, Со, Fe в плодах томатов даже ниже их средних значений для томатов вообще.
Источником загрязнения 7п плодов томатов, с одной стороны, может быть сама почва, так как в ней наблюдается превышение концентраций 7п относительно кларка в 1,57 раза, с другой - больше чем в 9 раз превышение цинка относительно подвижных водорастворимых форм в почве, что позволяет не исключать загрязнение плодов томатов цинком минеральной пылью самой почвы и оседающих на плодах аэрозолей.
Наконец, в геохимическом ряду (б) Сё и 7п являются одними из наиболее подвижных элементов, которые в результате полива растений могут легче других (менее подвижных элементов в ряду) переходить в подвижную форму [12].
Поскольку плоды томатов перед употреблением обычно промываются, то подобное загрязнение легко устраняется. Не может быть устранено только загрязнение кадмием, так как его основным источником являются водорастворимые формы в поливной воде, которые в результате значительной агрессивности (относятся к солоноватым водам) могут экстрагировать часть этого элемента из почвы и переводить его в водорастворимые усваиваемые растениями соединения.
Участок Дача-1. Несмотря на то, что данный экспериментальный участок заложен в наиболее благоприятной экосистеме и вдали от влияния антропогенного загрязнения, почва по отношению к участку в Щепкино
отличается относительно большими концентрациями ТМ: РЬ - в 1,6 раза; Мп - в 2,3; 7п - в 4,8; Си - в 1,4; Fe - в 1,3 раза (таблица 2).
Относительно кларка почва исследуемого участка отличается превышением по РЬ, Мп, 7п, Си. Поскольку в артезианской воде, используемой для полива данного участка, с минерализацией 3,5 г/дм SО4 - №а состава на уровне чувствительности анализа устанавливается единственный избыточный элемент Cd (даже выше кларка подземных вод), то вода и в этом эксперименте может быть источником загрязнения кадмием как самой почвы в процессе ее полива, так и выращиваемых томатов.
Таблица 2 - Содержание ТМ в почве, плодах, стеблях и листьях томатов, поливной воде (участок Дача-1)
Объект РЬ Мп Сё № 2п Со Си Fe
исследований
Валовые фор- 17 1008 0,3 20 363 9 30 3044
мы в почве,
мг/кг в слое
0-20 см
Подвижные 1,3 179 0,02 0,6 17 0,23 0,41 1,1
водораствори-
мые формы
в почве, мг/кг
в слое 0-20 см
Зола плодов 0,06 0,75 0,02 0,03 2 Не 1,6 5,5
томатов, мг/кг обнаружено
Зола листьев и 0,34 4,13 0,13 0,37 37 0,06 9,1 154
стеблей тома-
тов, мг/кг
Поливная во- Не Не 0,0004 Не Не 0,007
да - артезиан- обнару- обна- обнару- обнару-
ская скважина, жено ружено жено жено
мг/дм3
Кларки под- 0,0022 0,05 0,00007 0,0033 0,034 0,0008 0,005 0,055
земных вод,
мг/дм3
Среднее значение общей (суммарной) относительной доли концентраций подвижных элементов (8,20 %) по сравнению со средней максимальной гигроскопической влажностью для слоя 0-20 см составляет 5,49 %. То есть относительное количество средних суммарных концентра-
ций подвижных форм элементов ниже максимальной и средней максимальной гигроскопичности почвы на величину 8,2 % - 5,49 % = 2,8 % (против 3,7 % на участке Щепкино).
В верхнем слое почвы по отношению к нижнему обнаруживается превышение концентраций подвижных форм только Мп и Fe при максимальной гигроскопичности почвы 8,31 % по отношению к слою 5-20 см (8,15 %).
Геохимический ряд, ранжированный по величине концентраций подвижных водорастворимых соединений к валовому составу почвы, выглядит близким по своей структуре к ряду (а) для участка Щепкино с той лишь разницей, что поменялись местами Сё и РЬ, 7п и Си: Мп (0,177) - РЬ (0,072) - Сё (0,05) - 7п (0,048) - N1 (0,029) - Со (0,024) -- Си (0,014) - Fe (0,0003) [далее - ряд (в)].
Это также может означать, что накопление ТМ в составе листьев и стеблей растений соответствует их подвижности в почвенной влаге. При этом количественные соотношения их в ряду подвижности участка Дача-1 значительно меньше для Мп, Сё, РЬ, Си, больше для 7п, N1, Со, Fe.
При поливе артезианской водой возможно увеличение доли Сё, концентрация которого в слабосолоноватых поливных водах выше кларка подземных вод в 5,7 раза, в то время как концентрации других элементов ниже кларка для минерализованных вод [13].
Концентрация элементов в золе листьев и стеблей томатов значительно ниже кларка для растений суши, кроме железа, так как его источником могут являться окисленные железные трубы скважины. Концентрации остальных элементов даже ниже, чем в наземных растениях, выращенных в ненарушенных экосистемах Горного Алтая [13].
Устанавливаются меньшие (по сравнению с экспериментальным участком Щепкино) превышения концентраций элементов РЬ, Мп, Сё, N1 (мг/кг) в составе листьев и стеблей томатов. Концентрации же 7п в со-
ставе растений участка Дача-1 превышают в 9,7 раза, Си в 3 раза. А концентрации РЬ, N1, Со, наоборот, ниже содержаний элементов подвижных водорастворимых соединений в почве. При этом концентрация Сё выше в 6,5 раз относительно подвижных водорастворимых соединений в почве. Значит, загрязнение Сё растений можно связывать только с влиянием состава поливной артезианской воды, в которой средние содержания этого элемента выше кларка подземных вод.
В связи с тем, что участок Дача-1 удален от влияния автомобильных дорог, превышение концентраций 7п, Сё и Fe в составе листьев и стеблей томатов можно также объяснять в основном оседанием на их поверхности пылеватых минеральных частиц, не связанных с антропогенным загрязнением, поскольку растения не удобрялись и не обрабатывались для борьбы с болезнями. Миграционный ряд, ранжированный по величине концентраций элементов в составе подвижных водорастворимых соединений в почве Дача-1 относительно содержаний в стеблях и листьях растений томатов, выглядит близким к ряду (в) с той лишь разницей, что в структуре этих миграционных рядов поменяла вектор направления подвижности целиком ассоциация элементов:
Мп (43,34) - РЬ (3,823) - Со (3,833) - N1 (1,621) - 7п (0,459) - Сё (0,153) -- Си (0,045) - Fe (0,007) [далее - ряд (г)].
При этом более инертными оказались в ряду подвижности стеблей и листьев томатов участка Дача-1 элементы кадмий, цинк, никель и кобальт [смещены в правую, относительно менее подвижную часть ряда (г)]. Это можно интерпретировать только тем, что источником загрязнения этими элементами листьев и стеблей растений относительно плодов томатов являются пылеватые минеральные частицы, оседающие на листьях растений, поскольку участок удален от влияния антропогенного загрязнения.
Таким образом, на экспериментальном участке Дача-1 с поливом растений водой из артезианской скважины, отличающейся достаточно вы-
сокой минерализацией, загрязнение растений значительно ниже, чем на участке Щепкино, но листья и стебли растения отличаются также высокими относительно кларков содержаниями Сё.
Участок Дача-2. В таблице 3 приведены результаты эксперимента по поливу томатов водопроводной водой на соседнем с Дача-1 опытном участке. Почва отличается превышением содержания валовых форм ТМ выше кларка почв по РЬ, Мп, 7п, Со, Си.
Таблица 3 - Содержание ТМ в почве, плодах, стеблях и листьях томатов, поливной воде (участок Дача 2)
Объект РЬ Мп Сё 2п № Со Си Fe
исследований
Валовые формы в 17 1062 0,12 18 355 9 35 3578
почве, мг/кг в слое
0-20 см
Подвижные водорас- 0,92 200 0,01 0,58 16 0,27 2,7 1,2
творимые формы в почве, мг/кг в слое
0-20 см
Зола плодов томатов, 0,06 1,2 0,01 0,06 5 Не об- 2,3 9,7
мг/кг нару-жено
Зола листьев и стеб- 0,50 2,5 0,2 1,6 13 0,12 2,5 414
лей томатов, мг/кг
Поливная вода из во- Не об- 0,013 0,007 Не об- Не об- Не об- Не об- 0,016
допровода г. Таганро- нару- нару- нару- нару- нару-
га, мг/дм3 жено жено жено жено жено
В слое 5-20 см обнаруживается превышение концентраций РЬ, Сё над содержанием этих элементов в верхнем слое (0-5 см). Остальные элементы находятся вблизи равных количеств в верхнем и нижнем слоях. Поскольку в водопроводной воде устанавливаются повышенные концентрации Сё (выше кларка речных и подземных вод), то вода может быть источником загрязнения Сё как самой почвы, так и выращиваемых томатов в результате орошения, т. к. участок Дача-2 расположен вне области антропогенного загрязнения.
В горизонте 0-5 см почвы по отношению к нижнему 5-20 см обнаруживается превышение концентраций подвижных форм только Мп, Си и
Fe при средней максимальной гигроскопичности почвы 8,85 %. Среднее значение общей (суммарной) относительной доли концентраций подвижных элементов (8,85 %) по сравнению со средней максимальной гигроскопической влажностью составляет 6,56 %. То есть относительное количество средних суммарных концентраций подвижных форм элементов ниже максимальной и средней максимальной гигроскопичности почвы на величину 8,85 % - 6,56 % = 2,29 %, близкую, но все-таки меньшую по сравнению с участком Дача-1.
Ряд подвижности, ранжированный по величине отношения подвижных водорастворимых соединений в почве к валовому ее составу, по своей структуре крайних по подвижности Мп и Fe близок к ряду (г), но отличается тем, что по отношению к нему происходит инверсия подвижности элементов внутри его структуры, как и в случае участка Дача-1. Мп (0,189) - Сё (0,09) - Си (0,077) - РЬ (0,054) - 7п (0,045) - N1 (0,032) -- Со (0,031) - Fe (0,0003) [далее - ряд (д)].
При поливе водопроводной водой, имеющей минерализацию 1,3 г/дм , SО4 - N
состава томатов наблюдается увеличение концентраций в растениях Сё, содержание которого в водопроводной воде выше кларка подземных вод в 10 раз. Концентрации остальных элементов в растениях могут быть только следствием экстракции поливной водой водорастворимых соединений из почвы на величину 2,29 %, превышающую максимальную гигроскопичную влажность почвы.
Концентрация элементов в золе листьев и стеблей томатов значительно ниже кларка для растений суши, кроме 7п, содержание которого в 1,3 раза выше кларка. Количество остальных элементов даже ниже, чем в наземных растениях. Устанавливаются меньшие (по сравнению с наиболее загрязненным экспериментальным участком Щепкино) превышения концентраций элементов (мг/кг) в составе листьев и стеблей томатов относительно подвижных форм в почве только для Сё, N1 и Fe. Это превыше-
ние можно объяснить накоплением на их поверхности минеральной пыли. В связи с тем, что участок Дача-2 также удален от влияния автомобильных дорог, превышение концентраций никеля в составе подвижных водорастворимых соединений (кроме Сё) в листьях и стеблях томатов можно объяснить в основном оседанием на их поверхности пылеватых минеральных частиц, не связанных с антропогенным загрязнением, а накопление железа -влиянием окисления железных водопроводных труб. Таким образом, в сравнении с поливом артезианской водой в листьях и стеблях томатов, выращенных на участке Дача-2, устанавливаются более низкие концентрации элементов, кроме N1 и Fe.
Ряд подвижности элементов, ранжированный по отношению водорастворимых соединений к накоплению элементов в стеблях и листьях растений, по своей структуре близок, но внутри его выглядит обратным в сравнении с рядом подвижности элементов (д), отражающим подвижность водорастворимых элементов по отношению к валовому составу почвы. При этом концентрация РЬ, Сё, N1, Со, Fe в стеблях и листьях растений на площадке Дача-2 при поливе почвы водопроводной водой выше концентрации в листьях и стеблях растений, выращенных на почве с поливом артезианской водой:
Мп (55,05) - Со (2,847) - РЬ (1,509) - N1 (1,37) - 7п (0,889) - Си (0,868) -- Сё (0,105) - Fe (0,005) [далее - ряд (е)].
Концентрации элементов в плодах томатов на участке Дача-2 близки к участку Дача-1 с той лишь разницей, что в плодах томатов Дача-2 обнаруживаются более высокие концентрации Мп, N1, 7п, Си, Fe. Повышение концентрации Fe объясняется окислением водопроводных труб и переводом железа в водорастворимую форму. Превышение содержания меди, марганца и цинка может быть отнесено к загрязнению минеральной пылью томатов, так как в почве данного участка содержатся в валовых формах значительные количества вышеперечисленных элементов.
Защищенный лесополосой участок трассы Таганрог - Мариуполь. Несмотря на то, что данный экспериментальный участок заложен в непосредственной близости от лесополосы, защищающей почву от влияния загрязнения от автотрассы Таганрог - Мариуполь, ее состав можно отнести к слабозагрязненной, поскольку обнаруживаются надкларковые концентрации РЬ, Мп, 7п, Си (таблица 4) [14].
Таблица 4 - Содержание ТМ в почве, плодах, стеблях и листьях
томатов, поливной воде (участок Таганрог - Мариуполь)
Объект РЬ Мп Сё 2п № Со Си Fe
исследований
Валовые формы 19 913 0,16 16 353 8 121 3381
в почве, мг/кг в слое
0-20 см
Подвижные водо- 1,84 340 0,01 0,83 16 0,34 2,6 1,0
растворимые формы
в почве, мг/кг в слое
0-20 см
Зола плодов тома- 0,06 0,75 0,02 0,17 0,52 Не об- 1,8 10
тов, мг/кг наруже-но
Зола листьев и стеб- 1,22 6,18 0,11 0,61 18 0,12 3 214
лей томатов, мг/кг
Поливная вода - Не об- Не об- 0,0002 Не об- Не об- Не об- Не об- 0,026
р. Миус, мг/дм3 нару- нару- нару- нару- наруже- нару-
жено жено жено жено но жено
В верхнем слое почвы 0-5 см по сравнению со слоем 5-20 см обнаруживается превышение концентраций только Мп, N1, 7п. При большей максимальной гигроскопичности почвы 8,31 % по отношению к нижнему слою (8,15 %) среднее значение (суммарной) относительной доли концентраций подвижных элементов по сравнению со средней максимальной гигроскопической влажностью 8,20 % составляет 12,15 %.
То есть относительное количество средних суммарных концентраций подвижных форм элементов выше максимальной и средней максимальной гигроскопичности почвы на величину 12,15 % - 8,20 % = 3,9 %, соизмеримую с экспериментальным участком Щепкино. Эта доля должна быть учтена в общей суммарной загрязненности стеблей и листьев томатов. Отно-
шение концентраций подвижных водорастворимых соединений к валовому составу почвы выстраивается в следующий ранжированный ряд подвижности элементов. В его внутренней структуре (между самым подвижным марганцем и наиболее инертным железом) отмечаем ту же закономерность обратной зависимости подвижности элементов относительно ряда (е): Мп (0,189) - Сё (0,09) - Си (0,077) - РЬ (0,053) - 7п (0,044) - N1 (0,032) -
- Со (0,031) - Fe (0,0003) [далее - ряд (ж)].
При поливе водой из Миуса, имеющей минерализацию 2,8 г/дм , SО4 - № состав и практически незагрязненной, кроме Сё, почвы не накапливают ТМ. Это отражается и на растениях.
Концентрация элементов в золе листьев и стеблей томатов значительно ниже кларка для растений суши, кроме цинка и железа. Устанавливаются меньшие (по сравнению с наиболее загрязненным экспериментальным участком Щепкино) превышения концентраций элементов в составе листьев и стеблей томатов всех элементов, кроме N1, 7п, Fe. Концентрации Сё находятся на одинаковом уровне значений. Относительно подвижных форм на участке, прилегающем к автотрассе Таганрог - Мариуполь, наблюдаются более высокие концентрации РЬ, Мп, 7п, Си, Fe по сравнению с участком Щепкино, несмотря на защищенность от автотрассы лесополосой.
Миграционный ряд, ранжированный по величине отношения водорастворимых соединений элементов к составу стеблей и листьев растений, выглядит следующим образом:
Мп (80,501) - Со (2,382) - РЬ (1,845) - 7п (1,382) - Си (1,071) - N1 (0,36) -
- Сё (0,055) - Fe (0,003) [далее - ряд (з)].
По своей структуре последовательных рангов элементов ряд (з) близок к ряду (е).
Превышение концентраций элементов в листьях и стеблях томатов относительно кларка растений устанавливается только для 7п и Fe. Поскольку содержание 7п и Fe в листьях и стеблях превышает их количество
в подвижных водорастворимых формах в почве, можно считать загрязнителем минеральную пыль, приходящую как из самой почвы, так и с аэрозолями выхлопных газов автодороги Таганрог - Мариуполь.
Концентрация элементов в плодах томатов ниже содержания их в стеблях и листьях. По сравнению с участком Щепкино концентрации изучаемых элементов в плодах томатов на данном участке ниже. В целом содержание ТМ в составе исследуемых плодов томатов ниже средних концентраций, установленных для томатов вообще.
Выводы
1 Анализ валового состава ТМ почв, включающий определение содержания РЬ, Мп, Сё, N1, 7п, Со, Си и Fe, показал, что на всех экспериментальных участках обнаруживается превышение над кларком почвы по РЬ, Мп, 7п, Со, N1 и Си. При этом наибольшее загрязнение этими элементами прослеживается на участке, расположенном у трассы Таганрог - Мариуполь, защищенном лесополосой. Содержание подвижных водорастворимых соединений этих элементов на участках коррелирует с их количеством в валовых формах. Отсюда следует, что сама почва может явиться источником загрязнения томатов свинцом, марганцем, цинком, кобальтом, никелем и медью.
2 При превышении концентрации ТМ в листьях и стеблях томатов над содержанием подвижных водорастворимых соединений этих элементов в почве можно констатировать загрязнение продукции минеральной пылью, загрязняемой от самой почвы, а также аэрозолями выхлопных газов автомобильного транспорта автодороги, расположенной недалеко. Загрязнение листьев и стеблей томатов Сё (0,2 мг/кг), N1 (0,56 мг/кг), Fe (176 мг/кг), источником которых является минеральная пыль, загрязняемая самой почвой и аэрозолями выхлопных газов автомобильного транспорта, отмечено на участке Щепкино; 7п (37 мг/кг), Сё (0,13 мг/кг), Fe (154 мг/кг) - на участке Дача-1; Сё (0,2 мг/кг), N1 (13 мг/кг),
Fe (414 мг/кг) - на участке Дача-2; РЬ (1,22 мг/кг), Сё (0,11 мг/кг), N1 (18 мг/кг), Fe (214 мг/кг) - на участке Таганрог - Мариуполь. Источником загрязнения томатов Fe на участках Дача-1 и Дача-2 дополнительно могут служить водопроводные трубы, при окислении которых Fe переводится в водорастворимую форму.
3 Состав поливной воды, имеющей по всем участкам минерализацию от 1,3 до 3,5 г/дм3 и сульфатно-натриевый химизм засоления, свидетельствует о превышении над кларком речных и подземных вод только содержания кадмия, то есть поливная вода может явиться источником загрязнения продукции этим элементом. Это явно было выражено в томатах, выращенных на всех экспериментальных участках. Хотя загрязнения выше кларка растений этим элементом, как и РЬ, Мп, Сё, N1, Со, Си, в выращенной продукции не обнаружено, отмечено, что на участках, где поливы осуществлялись водой с большим содержанием кадмия, его количество в растениях выше. К ним относятся участки Щепкино и Таганрог - Мариуполь.
4 На основе ранжирования количественных отношений концентраций ТМ, содержащихся в почве, к концентрациям их подвижных водорастворимых соединений в почвенной влаге, а также количественных отношений концентраций водорастворимых соединений ТМ в почвенной влаге к содержаниям их в листьях, стеблях и плодах томатов установлены ряды подвижности элементов относительно Мп и Fe. Внутренняя структура рядов подвижности элементов Сё, N1, Со, РЬ, Си, 7п между крайними по степени подвижности Мп и Fe при переходе от валового состава почвы к такому же составу подвижных водорастворимых соединений в ней и к элементам, накапливающимся в составе листьев, стеблей и плодов томатов, испытывает инверсию подвижности вне зависимости от положения экспериментальных участков, выводя более инертные компоненты из плодов томатов. Такой механизм может быть интерпретирован влиянием биогеохимических барьеров при переходе от водорастворимых соединений
в почвенной влаге к листьям и стеблям растений, от стеблей и листьев растений к плодам томатов вне зависимости от степени загрязненности ТМ и их пространственного положения. В силу этого загрязнение плодов томатов на всех участках не наблюдалось.
Список литературы
1 Справочник по геохимии / Г. В. Войткевич, А. В. Кокин, А. Е. Мирошников [и др.]. - М.: Недра, 1990. - 480 с.
2 Шумакова, Г. Е. Придорожные лесные полосы как фактор биопродуктивных мелиораций ландшафтов / Г. Е. Шумакова // Научная жизнь. - М., Саратов: Изд-во «Буква», 2014. - № 4. - С. 20-27.
3 Ивонин, В. М. Защита агроландшафтов от загрязнения тяжелыми металлами / В. М. Ивонин, Г. Е. Шумакова // Докл. ВАСХНИЛ. - 1990. - № 5. - С. 42-45.
4 Шумакова, Г. Е. Влияние запасов почвенной влаги на миграционные способности воднорастворимых соединений металлов в почве и агропродукции под влиянием загрязнения автотранспортной магистрали / Г. Е. Шумакова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - Волгоград: Волгоградский ГАУ, 2014. - № 4(36). - С. 84-94.
5 Агроэкология / В. А. Черников [и др.]; под ред. В. А. Черникова, А. И. Черкеса. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
6 Нейтрализация загрязненных почв: моногр. / С. Б. Адьяев, В. З. Веневцев, Т. Л. Волчкова [и др.]; под ред. Ю. А. Мажайского. - Рязань: Мещерский фил. ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008. - 528 с.
7 Соколов, О. А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие / О. А. Соколов, В. А. Черников. - Кн. 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. - Пущино: ОНТИ пНц РАН, 1999. - 164 с.
8 Практикум по агрохимии / В. Г. Минеев, Е. П. Дурынина [и др.]; под ред. В. Г. Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 304 с.
9 Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: Государственный агропромышленный комитет СССР, 1989. - 62 с.
10 Минкина, Т. М. Состав соединений тяжелых металлов в почвах / Т. М. Мин-кина, Г. В. Мотузова, О. Г. Назаренко. - Ростов н/Д.: Эверест, 2009. - 208 с.
11 Ильин, В. Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение / В. Б. Ильин. -Новосибирск: Наука, 1991. - 151 с.
12 Кокин, А. В. Региональная геохимия / А. В. Кокин, В. И. Сухоруков, П. Р. Ши-шигин; под ред. А. В. Кокина. - М.: Наука, 1999. - 432 с.
13 Ельчининова, О. А. Микроэлементы в надземных экосистемах Алтайской горной области: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук: 03.00.16 / Ельчининова Ольга Анатольевна. - Барнаул, 2009. - 23 с.
14 Полуэктов, Е. В. Почвозащитные системы в ландшафтном земледелии / Е. В. Полуэктов, Е. П. Луганцев. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2005. - 208 с._
Шумакова Галина Евгеньевна
Ученая степень: кандидат сельскохозяйственных наук Ученое звание: доцент Должность: докторант
Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-
тунова федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет»
Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346428 E-mail: [email protected]
Shumakova Galina Evgenievna
Degree: Candidate of agricultural Sciences Title: Associate Professor Position: Doctorant
Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University
Affiliation address: st. Pushkinskaya, 111, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation, 346428
E-mail: [email protected]
