CC BY
0УДК 631.416.9:633 (571.13)
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1169-1174
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОИДОВ В ПОЧВАХ
КУМО-МАНЫЧСКОЙ ВПАДИНЫ
DISTRIBUTION OF HEAVY METALS AND METALLOIDS IN THE SOILS OF THE
KUMO-MANYCH DEPRESSION
Сангаджиева О.С., Сохорова З.В., Бочкаев С.Л., Даваева Ц.Д., Аржанова С.Э., Сангаджиева Л.Х., Джабруева Л.В.
Sangadzhieva O.S., Sokhorova Z.V., Bochkaev S.L., Davaeva Ts.D., Arzhanova S.E., Sangadzhieva L.Ch., Dzhabrueva L.V.
Калмыцкий государственный университет им. Б.Б. Городовикова, Элиста, Россия B.B. Gorodovikov Kalmyk State University, Elista, Russia
E-mail: chalga_ls@mail.ru
Аннотация. В статье представлены результаты определения элементов необходимых для растений, животных, человека в почвах Кумо-Манычской впадины содержатся в оптимальных количествах (среднее содержание Mn, Zn, Cu - 100 n, Pb - 10 n, Co, As - n, Cd, Hg - 0,01 n мг/кг), при которых живые организмы функционируют нормально. Концентрации большинства токсичных элементов находятся на уровне средних содержаний в почвах мира, данных для незагрязненных почв СевероЗападного Прикаспия и не превышают ПДК (ОДК). Средняя концентрация Cd в исследованных почвах составила 0,089, Pb - 13,6, As - 5,0, Hg - 0,037 мг/кг, превышение фона по - Al, Ti, Cr, Cu, Zn, As. Уровень содержания химических элементов обусловлен исходным содержанием элементов в почвообразующих породах. Таким образом, для растений, произрастающих на почвах сухостепной зоны Кумо-Манычской впадины характерны средние содержание Mn, Zn, средний и высокий уровень бора. В сене возможен низкий уровень содержания Cu, Co, Zn.
Ключевые слова: микроэлементы, Кумо-Манычская впадина, светлокаштановые и бурые полупустынные почвы, биогеохимическое районирование.
Abstract. The article presents the results of determining the elements necessary for plants, animals, and humans in the soils of the Kumo-Manych depression are contained in optimal amounts (average content of Mn, Zn, Cu - 102 n, Pb - 10 n, Co, As - n, Cd, Hg - 0.01 n mg/kg), in which living organisms they are functioning normally. The concentrations of most toxic elements are at the level of the average contents in the soils of the world, given for uncontaminated soils of the Northwestern Caspian Sea and do not exceed the MPC (ODC). The average concentration of Cd in the studied soils was 0.089, Pb - 13.6, As - 5.0, Hg - 0.037 mg/kg, exceeding the background by Al, Ti, Cr, Cu, Zn, As. The level of chemical elements is determined by the initial content of elements in the soil-forming rocks. Thus, plants growing on the soils of the dry-steppe zone of the Kumo-Manych depression are characterized by average Mn, Zn, medium and high levels of boron. Low levels of Cu, Co, Zn content are possible in hay.
Key words: trace elements, Kumo-Manych depression, light-brown and brown semi-desert soils, biogeochemical zoning.
В.В. Добровольский [1] отмечает, что в связи с прогрессирующим ростом производства совершается небывалое в истории Земли искусственное рассеяние некоторых элементов, особенно тяжелых металлов. В связи с этим возникает необходимость биогеохимического мониторинга регионов на основе современных геоинформационных систем различного уровня, составной частью которых должна быть надежная база данных о содержании химических элементов в зональных почвах отдельных регионов. Информация о распространении элементов в почвах необходима для оценки их экологического состояния с помощью определенных критериев. Поиск и выбор таких критериев - одна из важнейших задач подобных исследований.
В почвах полупустынной зоны Северо-Западного Прикаспия довольно хорошо изучено распределение типоморфных элементов и некоторых эссенциальных (жизненно необходимых) микроэлементов - марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, бора, йода [2, 3, 4, 5]. В меньшей степени исследовано распространение редких элементов, биологическая роль которых еще не вполне ясна, - титана, хрома, ванадия, никеля, галлия, бария, циркония, стронция, бериллия, селена.
Для определения потребности почв в микроудобрениях необходимы карты биогеохимического районирования. Система биогеохимического районирования, разработанная
В.В. Ковальским [6] с позиций геохимической экологии, рассматривает в единстве геохимическую среду, физиологические и биохимические свойства организмов. Как указывает В.В. Ковальский, необходимым методом биогеохимического районирования служит биогеохимическое картирование, основанное на количественной характеристике звеньев биогеохимической пищевой цепи. Для осуществления такого районирования нужна информация о концентрации макро- и микроэлементов во всех компонентах ландшафта: в породах, почвах, водах, растительности. Учитывается также реакция живых организмов на местную геохимическую обстановку. Так как пищевая цепь начинается с почвы, то прежде всего необходимо располагать достоверной информацией об элементном химическом составе, имея в виду, что именно химический состав почв является показателем общей биогеохимической обстановки местности [7-10]. Поэтому изучение закономерностей распределения и поведения химических элементов в почвах приобретает особую актуальность.
Цель исследования: биогеохимическая и санитарно-гигиеническая оценка почв Кумо-Манычской впадины РК и произведенных на них кормовых и овощных культур.
Объект исследования. Репрезентативные участки расположены в агроэкологической зоне Республики Калмыкия: Кумо-Манычская впадина - сухая степь на светлокаштановых почвах Ики-Бурульского района [2, 4, 11]. Исследования проведены в 2022-23 гг. Кумо-Манычская впадина расположена на озерных отложениях, вытянута с запада на восток, рельеф ее пересеченный, болот сравнительно немного, и они мелкие. Почвы светло-каштановые на карбонатном среднем суглинке. На больших пространствах суглинки перекрыты супесями и почвы сформировались на двучленном наносе. Пахотный слой легкий по гранулометрическому составу, а ниже находится тяжелый горизонт, образующий в пахотном слое относительный водоупорный пласт. В сельскохозяйственном отношении район запущен, но в настоящее время принимаются меры к его восстановлению.
Методы анализа. Определение тяжелых металлов Mn, Ni, Cu, Zn, Co, Cr, Pb, Cd, Se, Hg, Ва будет проводиться методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии с пламенной атомизацией аргоном на «МГА-915». Для определения органических соединений использован метод хромато-масс-спектрометрии на приборе «Agilent». Некоторые соединения определены на инфракрасном спектрофотометре ИК-Фурье ФТ-08. Для определения растений использованы потенциометрический и фотометрический методы анализа по общепринятым методикам [12, 13]. Все методы обладают высокой производительностью, чувствительностью и точностью для широкого круга соединений. Точностью количественного определения содержания тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах оценивают по относительной дисперсии по программе Statistica.
Результаты исследования. Особенности рельефа, почвообразующих пород, почвенного и растительного покрова, гидрологического и гидрохимического режима территории Кумо-Манычской впадины создают своеобразные геохимические условия, формирующие определенный химический состав главных компонентов степных и полупустынных ландшафтов. Оценка химического состояния загрязненных почв производится путем сравнения с «фоном» -содержанием элементов в почвах целинных участков заповедных территорий, Черные Земли (Западный и Восточный Маныч, Черные Земли), не испытывавших антропогенного воздействия.
Формирование микроэлементного состава почвообразующих пород региона - основного источника поступления микроэлементов в почвы - обусловлено их гранулометрическим и минералогическим составом, а также особенностями генезиса коренных пород Прикаспийской низменности. В процессе выветривания коренных пород количественный состав большинства микроэлементов - тяжелых металлов (ТМ) и металлоидов существенно изменяется.
Пределы содержания ТМ в почвах Ики-Бурульского района следующие: Ti 26,6-147,6; V 16,9-45,7; Cr 3,1-8,5; Mn 86-182,5; Co 2,15-8,11; Ni 2,3-7,65; Cu 59,2-213,7; Zn 0,68-11,04; As 612,60; Sr 9,6-31,4; Mo 0,02-0,12; Cd 0,003-0,025; Sn 0,03-0,09; Hg 0,002-0,05; Pb мг/кг. Отсутствуют Ba, Be, Li. По концентрационному диапозону:
n 103 - Al, Fe; n 102 - Mn, Zn, Cu; n 10 - Ti, V, Co, Pb; n - Co, Ni, Zn, Sr; 0,1 n Mo, Sn; 0,01 n - Cd. Концентрационный ряд: Al>Fe> Mn> Cu> Ti> Ni> Sr> V> Zn> Cr> Pb> As> Hg.
Коэффициент концентрирования рассчитан по отношению найденных значений к кларку в литосфере по А.П. Виноградову (Кк). Равный кларку - Со, превышение кларка - Cu, Zn, Cd, As, ниже кларка Al, Fe, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Mo, Pb, Hg. Для Cd - выше кларка в 2,5 раза, для Hg ниже кларка - в 10 раз, для Pb ниже кларка - в 3 раза (таблица 1).
Сравнение с фоновым уровнем содержания ТМ (Кф) ниже фона все элементы, кроме А1, Т^ Сг, Си, 2п, As. Превышение ПДК для As, Со, превышение фона - А1, Т^ Сг, Си, 2п, As [4, 12].
Таблица 1
Распределение тяжелых металлов в почвах Ики-Бурульского района
Коэффициенты концентрирования - Кк
№ А1 Бе ТС V Оа Sг 8п сумма
1 0,05 0,10 0,24 0,09 0,22 0,17 0,03 0,90
Сг Мп Со № Си 2п Мо сумма
2 0,01 0,09 1,04 0,36 1,11 1,46 0,02 4,99
са ^ РЬ As сумма
3 2,43 0,01 0,29 6,29 9,02
Коэффициенты фоновые - Кф
№ А1 Бе ТС V Оа Sг 8п сумма
1 2,28 0,85 7,21 0,17 0,26 0,24 0,06 11,07
Сг Мп Со № Си 2п Мо сумма
2 1,10 0,24 0,86 0,49 1,45 1,65 0,86 6,68
са ^ РЬ As сумма
3 0,51 0,98 0,42 1,81 13,23
Сравнение суммарного фонового уровня по Кф (коэффициентам фоновым) и суммы Кк показало превышения по первой группе элементов в 10 раз, по второй группе - в 1,3 раза, по третьей группе элементов (токсичных) превышение Кф в 1,47 раза.
Влияние гранулометрического состава на микроэлементный состав почвообразующих пород региона четко проявляется при сопоставлении средних значений содержания микроэлементов в тяжелых суглинках и глинах, легких и средних суглинках, супесях и песках. Разница в количестве микроэлементов в суглинках и глинах весьма существенна для Сг, V, М, Си, 2п, Sг, I и мало существенна для Мп, Со, Т^ 2г, Оа, Ве, Ва, В, Мо, что обусловлено определенной приуроченностью микроэлементов к различным гранулометрическим фракциям [6, 12, 14].
Влияние минералогического состава пород на их микроэлементный состав определяется количеством кварца, глинистых и акцессорных минералов. Кварц, почти лишенный микроэлементов, выполняет в известной мере роль «регулятора» уровня последних (по выражению В.Б. Ильина [8]). А так как супеси и пески содержат в два раза больше кварца, чем суглинки и глины, они крайне бедны микроэлементами, кроме 2г.
Глинистые минералы, благодаря своей большой адсорбирующей способности, поглощают мигрирующие ионы микроэлементов и повышают уровень их концентрации в породах. Энергичными концентраторами многих микроэлементов являются акцессорные минералы (тяжелая фракция), которые содержат микроэлементов в несколько раз больше, чем глинистые частицы.
На фоне всеобщего рассеяния микроэлементов в почвообразующих породах хорошо выражено концентрирование биофильных элементов - В, I, Мо. Заметное накопление в породах биофильных микроэлементов связано с влиянием почвенных процессов на формирование их микроэлементного состава.
Почвообразующие породы региона содержат очень мало подвижных форм микроэлементов. В растворимое состояние переходит не более 23% Си, 14% Со, 10% Мп и Мо, 1-6% В, 2п и I, что обусловлено концентрированием микроэлементов в минералах, устойчивых к выветриванию, а также карбонатностью, ограничивающей их подвижность.
В зональных почвах Кумо-Манычской впадины наблюдается отчетливая пространственная дифференциация в содержании и распределении большинства микроэлементов. В направлении с юго-запада на северо-восток в соответствии со сменой почвенных зон изменяется микроэлементный состав почв района за счет повышения в них уровня содержания Сг, V, №, 2п, В, I, Мо.
Концентрации микроэлементов и их подвижных соединений в пахотном горизонте всех подтипов темно- и светлокаштановых почв варьируют в больших пределах в зависимости от гумусированности, гранулометрического состава, емкости поглощения, величины рН.
Важнейшей особенностью пространственного распределения большинства микроэлементов в светлокаштановых почвах является его приближение к нормальному, что характерно для элементов, находящихся в состоянии рассеяния, и обусловлено концентрированием микроэлементов как в акцессорных, так и в глинистых минералах. Исключение составляют I и Sr, распределение которых не соответствует нормальному распределению в силу их высокой подвижности и способности к гидрогенной миграции в ландшафте.
Подвижные соединения микроэлементов содержатся в зональных почвах региона в малых количествах, вследствие чего практически все почвы имеют дефицит подвижных I, Мо, 2п. Концентрациям подвижной фракции микроэлементов в почвенном покрове региона присуща значительная вариабельность, достигающая 85%.
Формирование микроэлементного состава светлокаштановых почв протекает в условиях непромывного типа водного режима, в которых процессы выщелачивания микроэлементов ослабляются, а их биогенная аккумуляция вследствие более интенсивного гумусообразования и гумусонакопления под влиянием травянистой растительности усиливается. В результате почвообразования в гумусовом горизонте всех подтипов светлокаштановых почв региона относительно почвообразующих пород в различной степени накапливаются Мп, Си, Т^ 2г, Ва, В, I, Мо; подвижные соединения Мп, 2п, Си, Со, В, I, Мо, а также макроэлементы - 8, Р; выносится Sr и осаждается в карбонатных горизонтах.
Почвообразование в степной зоне региона протекает в условиях более сухого климата и в отсутствие сквозного промачивания, часто в щелочной среде, поэтому в светлокаштановых почвах, происходит более интенсивное накопление в гумусовом горизонте М, 2п, Со, Т^ Ве, Мо, подвижных соединений В, Со и в карбонатных горизонтах - Sr. Достоверно установленная корреляционная зависимость различной силы между содержанием ряда макро- и микроэлементов свидетельствует о сопряженности изменения их концентраций в почвенном профиле светлокаштановых почв. N Р, I и ряд тяжелых металлов - элементов сильного биологического захвата - интенсивно аккумулируются в органическом веществе и прочно закрепляются в почвенном профиле.
При оценке степени загрязнения растительности тяжелыми металлами и другими микроэлементами содержание микроэлементов в изученных растениях можно использовать как «фоновое». В качестве главного критерия при выделении почвенно-геохимических округов и районов выбран уровень валового содержания макро- и микроэлементов в преобладающих на данной территории почвах в сравнении с их средним содержанием (кларком) по Виноградову, которое условно принимается за оптимальное (нормальное), с учетом обеспеченности почв подвижными соединениями макро- и микроэлементов [4, 9].
Манычский биогеохимический район. По содержанию МЭ в почвах этот район является одним из самых богатых в РК (2724 мг/кг). Выше фоновые концентрации МЭ в почвах района имеют место для Мо, 2п, Мп, V, Sr, а ниже фоновые - Си, Со, 8п и Ва; с недостатком в почвах Сг, Мп, Мо, Sr, иногда V, I, подвижных форм Мо, 2п, I, иногда Со, с избытком валовых В, 2г; Кп высокий - 2,45.
Среднее содержание микроэлементов в сельскохозяйственных культурах и кормах в представлено в таблице 2. Результаты показывают, что изучение микроэлементного состава растений и кормов в данных биогеохимических районах отличается большим разнообразием. Дефицит Мп обнаружен в зерне пшеницы, сене, овощах, 2п - в сене костра, люцерне, сорго, плодовых, Си - в плодовых, Т - в пшенице, ячмене, V - в зерновых, сене, В - в сене костра, люцерне, зерновых. Избыточные концентрации Мп характерны для лугового сена, свеклы, N1 -для всех видов сена и соломы (кроме овса), As - для кукурузы, лугового сена, подсолнечника, сахарной свеклы.
Таблица 2
Среднее содержание микроэлементов в сельскохозяйственных культурах и кормах в Кумо-Манычском биогеохимическом районе, мг/кг сухого вещества
Названия овощей и кормов Си Мп 2п Мо В Со As
Пшеница, зерно 4,0 22,0 8,4 0,4 1,0 0,4 2,21
Пшеница, солома 2,0 14,0 3,7 0,2 2,0 0,6 3,80
Ячмень, зерно 14,0 8,0 10,5 0,7 0.3 0,1 2,10
Подсолнечник, семена 10,0 7,0 14,0 0,9 1,0 0,5 2,70
Названия овощей и кормов Си Мп 2п Мо В Со As
Кукуруза, зерно 14,0 4,0 10,0 0,9 1,6 0,5 3,58
Сено кострово-разнотравное 4,0 27,0 8,0 1,2 2,3 0,8 1,89
Сено люцерны 2,0 100,0 8,0 0,8 0,5 1,3 1,45
Морковь, корнеплоды 13,1 27,0 1,2 0,6 4,2 0,7 2,30
Капуста, кочаны 28,0 14,0 2,3 1,9 1,5 0,5 1,76
Картофель, клубни 11,1 18.0 2,1 3,5 4,0 0,02 2,76
Свекла, корнеплоды 60,0 70,0 2,4 0,7 2,0 0,5 3,12
Лук, головки 70,0 15,0 1,4 2,1 0,3 0,02 0,98
МДУ сено, зерно 30,0 - 50,0 1,0- 20,0 5,00 0,50
МДУ корнеплоды 30,0 - 50,0 2,0- 20,0 5,00 0,50
Кларк в растениях суши (Bown) 14,0 110,00 51,00 5,0 110,0 2,1 3,1
Выводы
1. Установлено, что необходимые для растений, животных, человека элементы в почвах Кумо-Манычской впадины содержатся в оптимальных количествах (среднее содержание Мп, 2п, Си - 102п, РЬ - 10 п, Со, As - п, Са, И§ - 0,01 п мг/кг), при которых живые организмы функционируют нормально. Концентрации большинства токсичных элементов находятся на уровне средних содержаний в почвах мира, данных для незагрязненных почв Северо-Западного Прикаспия и не превышают ПДК (ОДК). Средняя концентрация Cd в исследованных почвах составила 0,089, РЬ - 13,6, As - 5,0, ^ - 0,037 мг/кг, превышение фона по - A1, ТС, Сг, Си, 2п, As. Уровень содержания химических элементов обусловлен исходным содержанием элементов в почвообразующих породах.
2. Биогеохимической провинции ни по одному из элементов не выделено. Почвы обладают довольно высокой буферной способностью по отношению к тяжелым металлам. Содержание элементов в зерне кукурузы и озимой пшеницы - основных возделываемых в РК культурах - соответствует мировым данным для зерна.
3. Для растений, произрастающих на почвах сухостепной зоны Кумо-Манычской впадины характерны средние содержание Мп, 2п, средний и высокий уровень бора. В сене возможен низкий уровень содержания Си, Со, 2п. Поступление бора в растения на почвах с очень высоким уровнем концентраций МЭ происходит более интенсивно, по сравнению с почвами с низким уровнем содержания элемента.
4. Количество нормируемых элементов (свинца, кадмия, ртути, мышьяка) отвечает отечественным нормам и требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности зерна». Однако при использовании выращенных на них кормах и овощах возможен дефицит кобальта у животных.
Список литературы
1. Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимические критерии оценки загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами // Почвоведение. 1999. № 5. С. 639-64.
2. Бакинова Т.И., Воробьева Н.П., Зеленская Е.А. Почвы Республики Калмыкия. Элиста: Джангар, 1994. 231 с.
3. Водолазко А.Н., Иванцова Е.А., Рахманов Р.С. Загрязнение тяжелыми металлами почв и земель сельскохозяйственного назначения южных районов Волгоградской области // Экологическая безопасность и охрана окружающей среды в регионах России: теория и практика: Материалы II Всеросс. науч.-практ. конф. (16-17 ноября 2016, ВГУ). Волгоград, 2016. С. 135-141.
4. Сангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д., Цомбуева Б.В., Сангаджиева О.С. Тяжелые металлы в компонентах ландшафтов Калмыкии // Юг России: экология, развитие. 2010. № 1. С. 156-161.
5. Сангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д., Кикильдеев Л.Е., Цомбуева Б.В., Самтанова Д.Э., Сангаджиева О.С. Биогеохимическая миграция микроэлементов в аридных экосистемах Калмыкии // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. Т. 18. Вып. 3. 2013. С. 1007-1011.
6. Ковальский В.В. Ковальский В.В. Современные направления и задачи биогеохимии // Биологическая роль микроэлементов. М.: Наука, 1983. С. 3-17.
7. Арнаутовский И.Д., Гусеева С.А. Динамика содержания тяжелых металлов в основных типах почв, растительных кормах и продуктах животноводства по агроклиматическим зонам Амурской области // Дальневосточный аграрный вестник. 2008. С. 44-50.
8. Ильин В.Б. Биогенная и техногенная аккумуляция химических элементов в почве // Почвоведение. 1988. № 7. С. 110-121.
9. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 452 с.
10. Chow T.I. Lead accumulation in zoad side soil and grass // Nature. 2002. Vol. 225. No. 5229. P. 234-240.
11. Бананова В.А., Лазарева В.Г., Сератирова В.В. Растительность - индикатор зональности ландшафтов Калмыкии // Естественные науки. 2011. № 3 (42). С. 27-31.
12. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. ПДК химических веществ в окружающей среде. Л., 1985. 528 с.
13. ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.63-09 (М 03-07-2014). Количественный химический анализ почв. Методика измерений доли V, Cd, Co, Mn, Cu, As, Ni, Hg, Pb, Cr и Zn в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-абсорбционных спектрометров с модификацией МГА-915МД. М., 2014. 42 с.
14. Yessenomanova M.S., Sangadzhieva L.Ch., Davaeva Th.D., Thzombueva B.V., Sangadjieva O.S., Yessenomanova Zh.S., Tlebegenova A.E. The content and distribution of traсe elements in soils during the development of the fields in the Rebublic Kalmykia // New of the national academy of the sciences of the republic of Kazakhstan. Series of geology and technical sciences. 2021. Vol. 1. No. 445. Р. 14-21.
