CC BY
57
УРОВНИ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ПРИКАСПИЙСКОЙ НИЗМЕННОСТИ
Е.К.Батовская, А.А.Жилкия, И.В.Халялииа
Прикаспийский ИМИ йридтт земледелия Северный кв., А; с. Соленое Займище, 416251, Астраханская Шить, Лнпт
Оценены уровни содержания тяжелых металлов в почвах Приквепийской нишснносш; показано, что агрогенный прессинг на земли рисовых систем не привадит к нюсопяешш » почвах тяжелых металлов в концентрациях, прсвышакшшх допустимые нормы; йссяедашшо поведение подвижных форм тяжелых металлов в нативных почта и по'пш «роявндшаф»»,
Взаимодействие человеческого общества с окружающей природной средой на рубеже XX века вскрыло рад серьезных экологических прейдем и приобрело особую остроту. До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ рассматривались, главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота» углеводы и в меньшей степени — тяжелые металлы (ТМ). В настоящее время интерес к ним повысился в связи с наблюдением острых токсичных эффектов, вызванных промышленным загрязнением Не, С<1, Ее, РЬ в системе «воздух - почва - вода - растения » человек*.
На земле не остается территорий, которые в той или иной степени не подверглись бы загрязнению химическими элементами. Около 15% территории России относится к зонам экологического неблагополучия. Наиболее эффективным критерием, по которому можно отличить благополучную местность от территории кризиса, является здоровье человека.
Из 92 встречающихся в природе химических элементов В! обнаружен в организме человека. Микроэлементы Ре, Си, Хп, Со, Сг, Мо, N1» Мл, Ав, Ц признаны эссенциальными, то есть жизненно необходимыми. Любой элемшт в зависимости от концентрации может положительно или отрицательно влиять на здоровье человека. Поступая в клетку в концентрациях» превышающих биологические потребности, металлы оседают на поверхности хромосом, индуцируя при этом химические и электрохимические процессе, которые вызывают изменения в структуре нуклеиновых кислот, могут изменить ход нейрохимических процессов,
В программе глобального мониторинга, принятой ООН» вначале фигурировали только свинец, кадмий и ртуть. Но уже в 1974 году было рекомендовано вести наблюдения за Си, Хп, №, Со, А& Сг, Мп, V, Мо. В 1980 году к ним добавились Бп, А$, $е. Ю.В. Алексеев считает наиболее опасными ртуть, кадмий, свинец, никель, хром. БА Ягодин отмечает, что биофильиые микроэлементы, медь, цинк, молибден и марганец в высоких концентрациях становятся токсичными не только для растений. Они имеют особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение.
Почва в биосфере действует как накопитель загрязняющих веществ и, следовательно, она защищает от загрязнения гидросферу и атмосферу,
В процессе изучения состояния экосистемы важно определить» какое состояние принять за первоначальное: осредненные «фоновые» величины настоящего времени или состояние до начала существенного антропогенного
водойствия. Необходимо также различать региональные и глобальные фоновые КОНЦСНГраЦНИ элементов биосферы. '
В настоящее время мет достаточно надежных данных о фоновом содержании многих тяжедмх металлов. Основной причиной значительных локальных различий » валовом содержании тяжелых металлов, кроме возможного антропогенного загрязнения, является их исходная концентрация в почвообра-эукиией породе. Именно их состав определяет биохимический фон тяжелых металлов в почвенном покрове региона,
Естественные уровни содержания ТМ в почвах подвержены значительным колебаниям и зависят от их количества в минералах, почвообразующих породах» от рельефа, климата и тл. Даже в пределах одного биологического ландшафта почвы существенно различаются по составу.
Большую опасность для живых организмов и человека представшая тяжелые мшзда и токсические элементы» обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами, их относят к биохимически активным веществам.
В. условиях загрязнения среды обитания ТМ существует реальная возможность их попадания » «теме продукты, то представляет серьезную уірозу дет здоровья человека. Наиболее опасными являются лабильные формы ТМ, харапюризуюіішаоя ««кой биохимической активностью и способностью накапливаться в биосрадях.- По чувствительности к ним человека и животных металлы можно расположи» в следующий рад: Щ > Си > > № > РЬ > С<!
> Сг > Ей > Ре > М.» > А! Для каждого металла существует свой механизм токсического действия, но, в основном, в повышенных концентрациях ТМ яшшхш толовыми ядами, воздействующими на отдельные этапы углеводно-фосфатного и аминокислотного обмена. Они способны связывать сульф-гидрильные группы, являющиеся активными центрами многих ферментов, при этом происходит ингибирование или полное прекращение окислительно-воостановительных реакций в клетках, Живые организмы имеют механизм детоксикации в отношении тяжелых металлов — это синтез металлотиони-нов» обеспечивающих связывание ионов металлов в прочные комплексы.
Тяжелые металлы способны оказывать токсичное действие и на растения, которое может быть прямым таи косвенным. Косвенное воздействие — это ухудшение свойств почвы, снижения плодородия, угнетение почвенной биоты, » результате чего ухудшается качество растительной продукции. Прямое влияние состоит в накоплении тяжелых металлов в растениях, что приводит к ж отравлению. Наиболее общие симптомы фитотоксичности, характерные для большинства растений, - это угнетение роста, изменение окраски, хлороз, патология цветов» изменение формы листьев.
Степень негативного воздействия тяжелых металлов на растения определяется не столы» валовым количеством, сколько содержанием мобильных соединений, находящихся в почве. Формы же соединений металлов и процессы их трансформации в большей степени обусловлены свойствами почв: родом и концентрацией анионов в почвенном растворе, формами гумусовых веществ, способных образовывать с катионами металлов разные по растворимости соединения и сорбционными процессами на поверхности твердой фазы почвы, а также свойствами самих металлов.
В случае конкретного почвенно-климатического региона и наличия определенного типа растительности, доступность тяжелых металлов определяется свойствами почвы, изменяя которые можно существенно влить на накопление тяжелых металлов в растительной продукции, К почвенным факторам относятся: гранулометрический состав, содержание органического вещества,
реакция среды, емкость катионного обмена. К этим факторам добавляют содержание подвижных соединений фосфора и дренированное?!., подчеркивая все же их второстепенное значение.
Из приведенного литературного обзора следует, что тяжелые металлы являются серьезной опасностью для окружающей среды, и исследования, проводимые в этой области, будут представлять практический интерес для всех отраслей науки. Таким образом, все пищевые ш многие другие экологические цепи, с которыми связана жизнь человека, проходят через почву. Именно почва аккумулирует и «запоминает» все изменения, происходящие в агроценозе и биосфере. Поэтому объектом наших исследований являлись различные типы почв,
Целью исследований являлось изучение и экологическая оценка роэлич» ных типов почв и почвенного покрова Прикаспийской низменности по отношению к тяжелым металлам.
В связи с этим необходимо решение следующих задач; определение давней содержания тяжелых металлов в почвах естественных апютшдшафтов; изучение изменения миграционной способности и распределения соединений тяжелых металлов в -«рисовых» и нягивных почвах.
Исследования проводились на базе Прикаспийского НИИ аридного земледелия, .который расположен в северной части Астраханской области. Территория, относится к Прикаспийской низменности', являющейся бассейном осадочных пород морского происхождения. Почвообразующие породы представлены залегающими на глубину 80-100 м марганецсодержащими глинами апшеронского яруса со слоями мергеля и подстилающими их карбонатными глинами с конкрециями сидерата; они перекрыты 50-65-метровой толщей средних и тяжелых засоленных глин, карбонатных суглинков и супесей с чередующимися слоями разной мощности песка, гравия, гальки, ракушек хазарского яруса, 18-25-метровой толщей засоленных хвалынских глин и суглинков.
В качестве объектов исследований были выбраны почвы рисовых чеков Калмыцко-Астраханской рисовой оросительной системы (КАРОС), так называемые «рисовые» почвы. Также исследовались почвы, находящиеся в пределах границ этой же системы, но которые никогда ив быш использованы под рис, так называемые почвы нативных ландшафтов. Кроме того, исследованы светло-каштановые почвы целинной степной равнины, находящиеся несколько в стороне от КАРОСа (светло-каштановые почвы дативных ландшафтов),
В ходе исследований провели сравнительную оценку уровней валового накопления и распределения свинца, цинка, никеля, стронция, хрома, марганца, железа в почвенной толще нативных и «рисовых» ландшафтов, а также зависимости распределения металлов от физико-химических свойств почв.
Проведенные исследования показали, что содержание свинца для всех типов почв, как нативных — светло-каштановых и луговых, так и'почв, используемых под орошаемую культуру риса, колеблется от 20 до 30 мэг/кг» что практически приближается к ДЦК элемента (32 мг/кг).
Радиальное распределение свинца слабоконтрастно по профилю, его максимальное количество в нативных почвах накапливается в переходном горизонте АВ (9-23 см). В результате рисоводства максимумы приходятся на верхний пахотный горизонт Апах (0-19 см), т.е. достоверных изменений в распределении элемента в верхних горизонтах не наблюдается.
Зн&чмпгелъмое количество свинца в шшюшально-карбоиатных горизонтах да».» обыюнисгия вшможн^тью его концентрации в частицах карбоната
дашш»»
В целом, » результате испояьзомкш почв в рисовых севооборотах суще-сгонных изменений » распределении свинца не происходит (рис. 1).
Содержание мяояого никеля в иападных почвах колеблется в пределах от № до <*0 мг/ki к максимумами в верхних слоях, суммарная мощность которых сосгашшгг 30-*50 ш, Ышее обогащены никелем луговые солонцеватые почвы. I *рт'ты** тчмх количество никеля в верхних слоях уменьшается в 1,5 jrnm происходит tki/iee равномерное его. распределение по горизонтам с максимумами » *иио*н«м слое и выноса из горизонта АВ.
Атщуттп миртод и верхнем слое нативных почв связана, вероятно, с фиксацией ттпт органическим веществом. Содержание марганца в этих горнчмгтх ш I'iA рлш меньше, чем в нижележащих горизонтах и составляет окот* ТШЬКОО мг/кг, Вште летальное исследование показало, что радиальное распределите маргидаш и ж еде:» практически совпадает,
Содержание марганца я рисовых почвах уменьшается почти в 2 раза по всему профилю» а » верхних горизонтах в 3 раза по сравнению с нативными nmmmt. Концтсгносгь ш распреодяекии по почвенному профилю практически етжмштшя (рис. 2).
г
л 50
У
в 100
и
и ISO
А*
СМ 200
250
Содержание методов, мг/кг
200
__
400 600 800 1000
»|||»|*^
а
■ Саииац Марганец
йм. I. Нвартшт мяв» форм саадо и марш» по профилю шшвных и «рисовых» почв:
& - ттетт; б - «риоовые» почвы
Содержание «яма » почвах нативных ландшафтов колеблется от 50 до 85 мг/шг* РЗДдалшш распределение элемента по профилю неравномерно: цинк в основном шдашмшется в верхнем 30 сантиметровом слое, где его содержание в 1,5-2 раза бтыт> чем в нижележащих горизонтах, второй максимум
приходится т иллювиальный горизонт В4. , ,,
В почвах рисовых полей количество цинка снижено в среднем до зи мг/кг,
распределение по профилю выровнено (рис. 2). „
Содержание хрома в почвах Правобережья Нижней Волги колеблется
интервале 70-140 мг/кг,
Хром резко дифференцирован по профилю почв. Максимумы в нативныл
почвах приходятся на верхние и переходные АВ горизонты, ^не использования почв под орошаемую культуру риса колотество его Уменышось в
частности, для верхних горизонтов - в 1,5 раза. При й готэи-
альное перераспределение со смещением максимума в иллю
зонт ВЗ.
Количество стронция в исследованных почвах колеблется от 140 до 400 мг/кг. Нативные почвы характеризуются меньшим его содержанием» чем почвы рисовых полей. Для нативных почв характерен элювиально-иллювиальный тип распределения стронция, то есть с глубиной его количество постепенно увеличивается. Такое распределение стронция связано с содержанием карбонатов в этих почвах, поскольку стронций и кальций обладают геохимическим и биохимическим содержанием, и отношение 8г/Са в биосфере довольно постоянно,
Вис, 1 Распределение валовых форм цинка м стронция по профилю мш»иш и *ртттр птж,
а - наяпные; 6 - «рисовые» почвы
В результате рисового земледелия количество стронция в почвах существенно возрастает. Для верхних горизонтов это возрастание достигает полуто-ра-двукратной величины. Тип распределения меняется с штошально-шшю-виального на аккумуляшвно-элювиально-иллювиальный, Это можно объяснить зависимостью в распределении стронция от карбонатов» поскольку, в результате рисового земледелия в почвах происходит подтягивание последних к поверхности (рис. 2).
Характерное накопление большинства исследуемых элементов в поверхностных и приповерхностных горизонтах почв нативных ландшафтов можно объяснить высоким содержанием в этих слоях органического вещества и глинистых частиц. Кроме того, в этих слоях велико содержание валового железа и марганца, оксиды и гидроксиды которых сами по себе способны аккумулировать металлы.
Значительное уменьшение количества металлов в профиле рисовых» почв связано, вероятно, с изменением этих же параметров, то есть уменьшением гумуса и илистой фракции, а также с вымыванием солей самих ттелш металлов.
Исследование подвижных форм цинка, свинца и никеля, их динамики и радиального распределения в почвах нативных агроландшафтов позволило выявить ряд закономерностей;
* подвижные формы цинка и свинца присутствуют в основном в гумусово-аккумулятивных и переходных горизонтах А и АВ. Второй максимум отмечается в иллювиально-гипсовом горизонте В4. Это, вероятно, можно объяснить обогащением этих горизонтов илистыми частицами, а также накоплением в них железа;
- в результате рисового земледелия произошел вынос цинка из верхних горизонтов в горизонт В2, Подвижный свинец полностью перешел в нерас-творимые формы;
- для подвижного никеля в нативных почвах характерен элювиально-иллювиальный тип распределения по профилю. В верхних горизонтах он практически отсутствует. Такое распределение элемента в почвенном профиле почти полностью совпадает с радиальным распределением карбонатов, чем, вероятно! оно и объясняется;
- подвижность никеля существенно снижается в результате возделывания риса.
Таким образом! большинство изученных элементов (марганец, цинк, никель, хром) имеют тенденцию к накоплению в верхних органогенных горизонтах почв нативных ландшафтов. Исключение составляют стронций, который накапливается а иллювиально-карбонатных горизонтах, и свинец, равном ерно распределяющийся по почвенному профилю,
В результате использования почв в рисоводстве наблюдаются количественные и качественные изменения в распределении и содержании тяжелых металлов. Количество цинка» марганца, никеля и хрома в верхних горизонтах уменьшается» содержание стронция, — увеличивается. Происходит «выравнивание* » содержании металлов по профилю.
При использовании земель под орошаемую культуру риса происходит снижение лабильных форм свинца и никеля» а подвижный цинк перераспределяется из верхних горизонтов в центральную часть профиля.
По содержанию всех исследованных нами металлов почвы солонцовых комплексов Правобережья Нижней Волги относятся к незагрязненным, и, следовательно, земли Калмьщко-Астраханской рисовой системы не представляют опасности для сельскохозяйственного использования с точки зрения металл отоксичносш.
ЛИТЕРАТУРА
Алексеев ЮЛ Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.:Агропромиздат, 1987.-95 с. Шаыт В, Б. Тяжелые металлы в системе почва-растения. - Новосибирск: Наука, Си. Отделение, 1991. -* 151 с.
Ягодин ВЛ Тяжелые металлы и здоровье человека // Химия в сельском хозяйстве, 1995, М 4, с.18-20.
THE HEAVY METAL CONTENT LEVELS IN THE SOILS OF THE NKAR-CASPIAN LOWLAND
E.K.Batovskaya, A.A.Zhllkin, I.V.Hilyapin*
PricaspllskySRJ of arid farming Sotyonoe Zaimttshe, 416251, Astrakhan Region, Russia
The tovy metal content levels in the Ncar-Caspian lowland soils have been valued. It is defined that aomaenc Dies&kift on the lands of rice systems does not result in heavy metal accumulation m the sojis wjth the concentrations exceeding allowable rates. The behavior of mobile forms of heavy me m
native and agrolandscape soils has been investigated
