CC BY
25
УДК 574
СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ АГРОЭКОСИСТЕМ
ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
М.В. Красников, аспирант кафедры географии и экологии Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева E-mail: irbis1990.ygr@yandex.ru В.В. Творонович, студентка 4 курса кафедры зоологии Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева E-mail: ms.victoria32@yandex.ru
Аннотация. В связи с тем, что загрязнение биосферы увеличивается, большое внимание уделяется изучению загрязнения окружающей природной среды веществами техногенного происхождения. Особое внимание необходимо отметить на техногенном накоплении тяжелых металлов, особенно в почвенном покрове, поскольку почва, загрязненная металлами, может являться относительно длительным, постоянно действующим источником поступления тяжелых металлов в цепи питания. В последние годы особый интерес и важное практическое значение имеет изучение закономерностей поведения и распределения тяжелых металлов в окружающей природной среде, так как свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связаны с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию.
Ключевые слова: почва, тяжёлые металлы, Орловская область, антропогенное воздействие, агроэкосистема, почвенный образец, предельно допустимая концентрация.
THE CONTENT OF HEAVY METALS IN SOILS OF AGROECOSYSTEMS OREL
M. V. Krasnikov, Postgraduate student of the Department of geography and ecology of the "Orel state University named after I. S. Turgenev".
V.V. Tvoronovich, 4nd year student of Zoology Department of the "Orel state University named after I. S. Turgenev".
Abstract: Due to the fact that the pollution of the biosphere is increasing, much attention is paid to the study of pollution of the environment by substances of man-made origin. Particular attention should be paid to the man-made accumulation of heavy metals, especially in the soil cover, since soil contaminated with metals can be a relatively long-term, permanent source of heavy metals in the food chain. In recent years, of particular interest and practical importance is the study of patterns of behavior and distribution of heavy metals in the environment, as more than 90% of all human diseases are directly or indirectly related to the environment, which is either the cause of diseases or contributes to their development.
Key words: soil, heavy metals, Orel region, anthropogenic impact, agroecosystem, soil sample, maximum permissible concentration.
Несколько столетий назад человечество ускорило деградацию почв, хотя на протяжении всей истории человечества имели место и естественная потеря почвы. Всего в мировом сельском хозяйстве распахиваются около 1,5 миллиарда гектаров земли, а совокупная потеря почвы за всю человеческую историю составила около 2 миллиардов гектаров, то есть потеряно больше земель, чем распахано в настоящее время. Также, многие почвы перешли в статус непригодных земель, которые практически невозможно восстановить в ближайшее время в связи с огромным количеством мусора.
Одним из видов антропогенного воздействия является загрязнение почвы тяжелыми металлами. Этот тип загрязняющих веществ был одним из первых, которые начали исследовать. Тяжелые металлы включают элементы с атомной массой более 50. Из атмосферного воздуха, тяжелые металлы транспортируются в почву преимущественно в виде оксидов, где постепенно растворяются и следовательно, превращаясь в гидроксиды, карбонаты или в виде обменных катионов [5].
Следовательно, содержание тяжелых металлов в почвенном покрове агроэкосистем формируются под влиянием антропогенных и природных факторов. Тяжелые металлы, главным образом, аккумулируются в почвенном покрове, где они распределяются между твердой и жидкой фазами почвы. В одних и тех же почвах металлы могут быть в разных, по растворимости и подвижности, формах.
Почва подвержена воздействию загрязнителей, которые поступают из атмосферы, с поверхностным стоком, из подпочвенных пород, с отходами производства. Среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействию на биологические объекты особое место занимают тяжелые металлы.
38
С целью установления влияния бытовых отходов на окружающую среду и почвенное плодородие отобраны и проанализированы почвенные образцы в количестве от 5 до 15 шт., в том числе: на участках перекрытия плодородного слоя, и на прилегающей территории (контроль).
В качестве объекта исследования были взяты участок перекрытия плодородного слоя почвы Русско -Бродского сельского поселения Верховского района, участок перекрытия плодородного слоя почвы деревня Вязки Орловского района, участок перекрытия плодородного слоя почвы деревня Большое Думчино Мценского района [1].
Лабораторные исследования образцов почвы были проведены по следующим показателям - это содержание подвижных форм токсичных химических элементов (кадмия, цинка, меди, никеля, свинца, марганца).
Анализ почвенных данных лабораторных исследований образцов почв, отобранных на исследуемом участке нарушенных земель Русско-Бродского сельского поселения Верховского района показывает, что среднее содержание токсичных химических элементов в почвенных пробах на участке перекрытия плодородного слоя бытовыми отходами значительно выше по сравнению с контролем: по кадмию в 1,23, по меди - 6,125, по цинку - в 17,89, по марганцу в 5,5, по свинцу в 1,56 (таблица 1).
Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в почвенных образцах Русско-Бродского сельского поселения _Верховского района_
№ пробы Содержание токсичных химических элементов, мг/кг
Кадмий (Cd) Марганец (Мп) Медь (Си) Никель (№) Свинец(РЬ) Цинк ^п)
ПДК 1 140 3 4 6 23
Пробы, отобранные на участке перекрытия плодородного слоя почвы
1 0,16 91,31 0,26 0,002 1,78 17,99
2 0,18 93,31 0,11 0,002 1,50 5,70
3 0,15 115,51 0,34 0,002 3,23 23,25
4 0,16 70,89 0,27 0,002 6,87 19,48
Среднее 0,16 92,7 0,25 0,002 3,3 16,6
Контроль
5 0,13 18,37 0,04 0,002 1,82 0,90
Результаты лабораторных исследований почвенных образцов деревня Вязки Орловского района показали незначительные превышения всех металлов по сравнению с контролем, исключение составляет марганец, его содержание в 1,9 раза превышает контроль и цинк - среднее значение превысило ПДК в 1,3 раза (таблица 2).
Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в почвенных образцах деревня Вязки Орловского района
№ пробы Содержание токсичных химических элементов, мг/кг
Кадмий (Cd) Марганец (Мп) Медь (Си) Никель (№) Свинец(РЬ) Цинк ^п)
ПДК 1 140 3 4 6 23
Пробы, отобранные на участке перекрытия плодородного слоя почвы
1 0,66 17,69 3,61 1,31 0,68 28,67
2 0,12 46,39 0,73 1,53 1,23 22,12
3 0,21 22,08 1,56 0,84 0,50 34,20
4 0,73 63,75 3,45 1,66 1,29 33,16
5 0,87 34,99 2,45 1,99 0,87 34,42
Среднее 0,52 36,98 2,36 1,46 0,90 30,51
Контроль
6 0,26 19,68 0,09 0,01 3,62 0,90
Опасность, вызываемая загрязнением тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почвы.
По результатам исследования содержание тяжелых металлов в плодородном слое почв Мценского района отмечается содержание кадмия, меди, марганца и свинца незначительно превышающее ПДК (таблица
Таблица 3 - Содержание тяжелых металлов в почвенных образцах вблизи города Мценска
№ пробы Кадмий (Cd) Марганец (Мп) Медь (Си) Никель (№) Свинец(РЬ) Цинк ^п)
ПДК 1 140 3 4 6 23
Пробы, отобранные на участке перекрытия плодородного слоя почвы
1 0,99 141,30 3,14 1,15 3,13 17,36
2 0,78 135,23 3,65 1,12 1,39 20,02
3 0,69 140,64 2,84 1,17 2,01 20,32
4 1,05 139,20 2,45 1,15 0,81 21,41
5 0,69 141,00 3,08 1,11 1,14 15,14
Среднее 0,84 139,4 3,03 1,14 1,7 18,85
контроль
6 0,35 28,6 1,04 0,4 0,1 0,8
Таким образом, существенным отрицательным фактором в сельском хозяйстве является антропогенное загрязнение почв, что негативно влияет на состояние агроэкосистем, так как, большая часть земель сельскохозяйственного назначения расположена в зонах воздушного загрязнения предприятий металлургии города Мценска.
Проведенный мониторинг почв агроэкосистем Орловской области отражает негативную нагрузку, и позволяет провести картографирование исследуемой территории.
Полученные данные исследований свидетельствуют о том, что содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвенном покрове Орловской области не превышает предельно-допустимых норм. Исключение составляет Орловский (среднее содержание цинка в почвенном образце превышают ПДК в 1,3 раза) и Мценский районы (содержание меди в почвенном образце превышает ПДК в 1,01раз) (таблица 4).
Таблица 4 - Характеристика содержания тяжелых металлов в почве Орловской области
Район Кадмий (Сd) Марганец (Мп) Медь (Си) Никель (№) Свинец(РЬ) Цинк ^п)
ПДК 1 140 3 4 6 23
Орловский 0,52 36,98 2,36 1,46 0,90 30,51
Верховский 0,16 92,7 0,25 0,002 3,3 16,6
Мценский 0,84 139,4 3,03 1,14 1,7 18,85
На основании полученных данных были построены карты исследуемой территории по максимально превышающим показателям. Мценский район характеризуется повышенным содержанием кадмия, меди и свинца, Орловский район - цинк и медь, Верховский - цинк, свинец.
Исследование содержания токсичных химических элементов, почвенных проб, отобранных на участке перекрытия плодородного слоя с бытовыми отходами, позволяет сделать следующие выводы:
1. Складирование бытовых отходов на участке привело к значительному увеличению содержания токсичных химических элементов: кадмия, марганца, меди, свинца, цинка.
2. Для полного устранения негативного воздействия на окружающую природную среду и плодородие почв бытовыми отходами на исследуемой территории, необходим комплекс мероприятий, который будет направлен на снижение токсичности тяжелых металлов и восстановление утраченного естественного почвенного плодородия.
3. Оптимизация внесения удобрений, совершенствование систем земледелия, повышение устойчивости агроэкосистем являются значимыми факторами снижения негативного воздействия химических загрязняющих веществ.
Основную опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов, т.е. наиболее доступной для растений. Подвижность (доступность) металлов в значительной степени зависит от почвенных и экологических факторов, ключевые из которых - содержание органического вещества( гумуса), кислотность почвы (рН), окислительно-восстановительные условия, плотность почвы и др. [3]
Сколько тяжелых металлов поглощается и удерживается почвой, и в какой форме они находятся, зависит от их фототоксичности и накопления в растениях. Если основная форма загрязняющего вещества в почве является неактивной или стационарной (в поглощенном состоянии, в виде нерастворимых или нерастворимых соединений), то угроза токсических свойств металлов будет минимальной и наоборот. В свою очередь, свойства почвы определяют прочность фиксации соединений элементов и ее буферную способность по отношению к тяжелым металлам, влияют на токсичность для растений [2].
Миграция загрязняющих веществ в почвенно-растительной системе определяется несколькими
факторами, основным из которых является миграционная способность токсиканта и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от их типа, особенностей почвенного покрова (гумусность, гранулометрический состав и др.).), Тип водоснабжения, температурный фактор. Например, свинец в почве менее подвижен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз сильнее аналогичных комплексов кадмия. Свинец и ртуть мигрируют на небольшую глубину (около 10 см); проникновение в глубину почвы кадмия, меди и цинка более выражено (они мигрируют на глубину 30 см) [6].
Миграция тяжелых металлов органами растений может быть представлена следующими рядами (в порядке убывания): стволовые корни-листья-семена-плоды-клубни. Кроме того, содержание тяжелых металлов в тканях корня может вырасти на 500-600 раз, что свидетельствует о больших защитных (буферных) возможности этого подземного органа [5].
Результаты локального мониторинга показывают, что, не смотря, на имеющие отдельные случаи загрязнения почв, большинство растений являются устойчивыми к накоплению в них тяжелых металлов.
Среди травянистых растений наибольшая устойчивость наблюдается у злаков, бобовых, дымки. Например, наибольшую концентрацию свинца может выдержать команда ежа. По отношению к кадмию и способности его накапливать растения располагаются (в порядке возрастания) следующим образом: помидоры -овес - салат - луговые травы - морковь - редис - фасоль - горох - шпинат.
Таким образом, накопление тяжелых металлов в растениях зависит не только от их концентрации, но и физической и химической форма.
Если содержание тяжелых металлов в почвах агроэкосистем достигло высокого уровня, что может привести к превышению предельных значений, необходимо выполнять комплекс специальных мер. Они должны быть как технологическими, так и организационными [4].
Прежде всего, необходимо выбрать культуру, которая в этих почвенных условиях накапливает наименее тяжелые металлы. Правильный подбор культур позволяет добиться двойного снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции [2].
Таким образом, прогнозировать уровни тяжелых металлов в растениеводстве необходимо не только исходя из их содержания в почве, следует также учитывать агрохимические параметры, а также биологические особенности растений. Рациональный подбор культур и мелиоративные мероприятия позволяют получать стандартные чистые урожаи даже на сильно загрязненных тяжелыми металлами почвах.
Литература
1. Беспамятнов, Г.П. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде / Г.П. Беспамятнов. - Л.: Химия, 1975. - 456 с.
2. Бондаренко В.Л., Грачев В.А., Гутенев В.В., Денисов В.В., Денисова И.А., Курбатов А.С., Нагнибеда Б.А. Экология города: учебное пособие. - Ростов н/Д: ИКЦ Март, 2008. - 832с.
3. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами: учеб. пособие / Ю.Н. Водяницкий, - М.: Типография Россельхозакадемии, 2012. - 305с.
4. Грановский Э.И. Современные методы определения тяжелых металлов и их применение для биологического мониторинга (аналитический обзор). Э.И. Грановский, Б.А. Неменко - Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1990. - 97с.
5. Пименова Е.В. Нормирование качества окружающей среды и сельскохозяйственной продукции: учеб. пособие. - Пермь: Пермская ГСХА, 2009, - 74с.
6. Снакин В.В. Система оценки степени деградации почв. - М.: Наука, 1992. - 156с.
