CC BY
57
УДК 631.452, 631.453
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-14111
ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА ИХ БОНИТИРОВОЧНУЮ ОЦЕНКУ (НА ПРИМЕРЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)
Е. А. Иванцова, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, Волгоградский государственный университет, ivantsova.volgu@mail.ru, Волгоград, Россия,
А. Н. Водолазко, соискатель ученой степени кандидата биологических наук, Волгоградский государственный университет, sanek_vlg@mail.ru, Волгоград, Россия
В статье представлена методика бонитировочной оценки почв с учетом их загрязненности тяжелыми металлами, разработанная на основе данных об их содержании в почвах земель сельскохозяйственного назначения Волгоградской области, полученные в процессе проведения агроэкологического мониторинга почв на реперных участках. Отражена география проведения исследований, которая включает девять административных районов центральной и южной части Волгоградской области, расположенных в сухостепной почвенной зоне, отмечены условия расположения реперных участков. Описана методика проведения исследования, а также первичные источники данных. Определены загрязняющие элементы и агрохимические характеристики почв, по которым проводились исследования. Представленная в статье методика основана на учете оптимальных показателей содержания элементов в почве, обеспечивающих высокий уровень плодородия, с одной стороны, и приемлемое эколого-токсикологическое состояние, с другой. Приведено обоснование эффективности и рациональности применения представленной методики. Показан пример расчета балла бонитета почв с учетом их загрязнения тяжелыми металлами. Представлена сравнительная характеристика результатов бонитировочной оценки почв, проведенной по стандартной методике и по методике, описываемой в статье.
The article presents a methodology of bonitation evaluation of soils with regard to their contamination with heavy metals. The method is developed on the basis of data on the content of heavy metals in soils of agricultural lands of the Volgograd Region, which were obtained in the process of agroecological monitoring of soils on reference sites. The article reflects the geography of research, which includes 9 administrative districts of the central and southern part of the Volgograd Region, located in the dry steppe soil zone. The conditions of the location of reference areas are also noted. The research methodology and primary data sources are described. The polluting elements and agrochemical characteristics of soils on which research were carried out are defined. The technique presented in the article is based on taking into account the optimal indicators of the content of elements in the soil, providing a high level of fertility on the one hand and an acceptable ecological and toxicological state, on the other hand. The article shows an example of calculation of soil bonitation score taking into account their pollution by heavy metals. The substantiation of efficiency and rationality of application of the presented technique is given. The comparative characteristics of the results of soil bonitation evaluation conducted according to the standard methodology and the methodology described in the article are presented.
Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение тяжелыми металлами, ПДК, подвижные формы, валовые формы, почвы Волгоградской области, бонитировка почв.
Keywords: heavy metal, heavy metal pollution, maximum permissible concentration, movable forms, gross forms, the soils of the Volgograd Region, soils bonitation.
Введение. Одним из основных аспектов стабильного функционирования сельскохозяйственной деятельности является объективная оценка качественного и функционального состояния почв земель, отведенных для выращивания сельскохозяйственных культур. Качественное состояние почв определяется, прежде всего, бонитировкой, которая является уточненной агрономической группировкой почв, где учет качества по естественному плодородию выражается в баллах. Бонитировка позволяет выявить качественное состояние почв относительно сопоставимых участков, но, что важнее — относительно оптимальных показателей плодородия для конкретного типа почв [3, 5].
В настоящее время в современных исследованиях по совершенствованию методик бонитировки почв достаточно много уделяется внимания разработке методик бонитировки для конкретных типов почв, ландшафтов или агроклиматических зон. Кроме того, ведется поиск наиболее эффективной методики оценки, учитывающей не только показатели плодородия почв, но и показатели экологического состояния. Так, разрабатываются основные принципы методики бонитировки почв неорошаемой пашни, внедряются дополнительные коэффициенты экологической нарушенности почв и т. д. Кроме того, бонитировочная оценка почв используется при расчете воздействия на почвенный покров и вычислении минимизации его эксплуатации [1, 13]. В связи с этим возникает необходимость разработки обоснованного подхода к оценке качества почв, в котором учитывается не только плодородие, но и эколого-токсикологическое состояние и который являлся бы достаточно простым и понятным в применении. Для Волгоградской области как сельскохозяйственного региона данные исследования являются особо актуальными [2, 6—10, 12].
Объектом исследования являлись земли сельскохозяйственного назначения сухостепной почвенной зоны Волгоградской области.
Предметом исследования являлось выявление влияния загрязнения почв сельскохозяйственных земель тяжелыми металлами на их бонитировочную оценку.
Модели и методы. Исследование проводилось на базе Федерального государственного бюджетного учреж-
дения «Центр агрохимической службы «Волгоградский». Агроэкологический мониторинг земель сельскохозяйственного назначения осуществлялся на 21-м реперном участке, расположенных в Городищенском, Дубовском, Иловлинском, Ко-лачевском, Ленинском, Светлоярском, Средне-ахтубинском, Суровикинском и Фроловском районах Волгоградской области. Реперные участки заложены на землях сельскохозяйственного назначения в техногенно-загрязненных зонах, вблизи крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей, городов, на полях, где ранее интенсивно применялись средства химизации. Выявление содержания тяжелых металлов, долгоживущих радионуклидов и изотопов осуществлялось в соответствии с «Методическими указаниями по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения» [11].
Экол ого-токсикологическая оценка почв проводилась по следующим элементам:
Подвижная форма — цинк ^п), кадмий (Сё), свинец (РЬ), никель (N1), медь (Си);
Валовая форма — мышьяк (Аз), ртуть (Н).
Предельно допустимые концентрации (ПДК) подвижных форм тяжелых металлов в почве представлены в таблице.
Результаты и обсуждение. На основе зависимостей концентрации тяжелых металлов в почве и в конечной продукции была разработана методика оценки качества почв с учетом содержания в них тяжелых металлов. Базисной методикой послужила методика проведения бонитировоч-ной оценки почв, разработанная ЦИНАО.
Этим методом оценивают кислотность почв, содержание гумуса, фосфора, калия, кальция, магния, основных микроэлементов, сумму поглощенных оснований и степень насыщенности почв основаниями.
Согласно методике ЦИНАО балл плодородия почв определяется по каждому показателю по формуле 1:
Вп = Х -100,
(1)
Предельно допустимые концентрации подвижных форм тяжелых металлов в почве, мг/кг [4]
Подвижная форма Валовая форма
Zn Cd (ОДК) Pb № As
23,0 0,5—2,0 6,0 4,0 3,0 2 2,1
где Вп — относительный балл показателя плодородия почв; Х — фактическое значение агрохимического показателя; А — оптимальное значение агрохимического показателя.
Такой расчет балла бонитета по конкретным показателям является наиболее простым и удобным для использования. В данном случае рассчитывается качество почвы относительно оптимального значения [3, 11].
Оптимальным значением содержания в почве для каждого тяжелого металла является ПДК или ОДК. Таким образом, можно рассчитать балл качества почв относительно оптимального содержания в них тяжелых металлов.
Корректировка балла бонитета почв проводится в несколько этапов.
1. Определяется балл качества почв по каждому тяжелому металлу. Расчет проводится по формуле 2:
ККПМ = X,
(2)
где ККПм — коэффициент качества почв по содержанию тяжелого металла; Х — фактическое значение содержания тяжелого металла в почве; А — ПДК тяжелого металла в почве (оптимальное значение).
Значения коэффициента качества почв могут изменяться в пределах от бесконечно малого до 1. Если коэффициент качества почвы по конкретному тяжелому металлу будет превышать значение 1, это означает, что концентрация данного металла в почве ниже ПДК и в расчете итогового балла бонитета почв он не учитывается.
2. Вычисленное значение коэффициента показывает качественное состояние почвы относительно оптимального качества почв. За оптимальное качество почв принимается значение коэффициента 1 (100 % качество). Общий балл бонитета почвы рассчитывается с учетом влияния каждого тяжелого металла по формуле 3:
Бобщ = 0,5-(Б1 + В2)- ККПм
(3)
где Б1 — балл бонитета по основным агрохимическим показателям; Б2 — балл бонитета по сопутствующим агрохимическим показателям; ККПм — коэффициент качества почвы по содержанию тяжелого металла.
3. Итоговый балл бонитета почвы рассчитывается как среднее арифметическое общих баллов бонитета, скорректированных по ККПм (формула 4).
В = В общ 1 + Вобщ 2 + .
ВТЛТТ
. + В
общ»
где Бобщ1 2 п — общий балл бонитета, скорректированный по ККП для каждого тяжелого металла; п — число учитываемых в расчете тяжелых металлов.
Общий балл бонитета необходимо вычислять с учетом влияния каждого тяжелого металла, так как в конкретном случае почвы могут быть сильно загрязнены одним тяжелым металлом и иметь слабое загрязнение другими тяжелыми металлами.
Для примера приведен расчет итогового балла бонитета почв без учета загрязнения тяжелыми металлами и с учетом загрязненности тяжелыми металлами на реперном участке № 1 Городищен-ского района в 2001 году.
Расчет балла бонитета почв без учета загрязнения тяжелыми металлами производился следующим образом:
1. Рассчитывался балл бонитета по основным агрохимическим показателям:
Бг = 1^.100 = 88,1; Вр = -100 = 46,15;
Бк = 4f2-100 = 70,64; Брн = 65'ЮО = 79;27,
6,5 8 , 2
где балл бонитета вычислен по показателям: г — гумус; р — подвижный фосфор; к — обменный калий; рН — кислотность;.
2. Рассчитывался суммарный оценочный балл основных агрохимических показателей:
В = 8 8 , 1 + 46, 1 5 + 70 ,64 + 79,27 = 71 04 1 4 ,.
3. Рассчитывался балл бонитета по сопутствующим агрохимическим показателям (микроэлементам и сумме поглощенных оснований):
Босн = 3096 '100 = 198,46; вси=0|;-100 = 24;
В2п = 0Л-100 = 38,95;
Вс° = 0Л'100 = 52;
Вмп = 26,3 'Ю0 = 95,64,
где балл бонитета вычислен по показателям: осн — сумма поглощенных оснований; Си — медь; — цинк; С° — кобальт; Мп — марганец.
4. Рассчитывался суммарный оценочный балл сопутствующих агрохимических показателей:
5. Вычислялся общий оценочный балл бонитета:
В = 0,5(В1 + В2) = 66,58.
Расчет балла бонитета почв с учетом их загрязнения тяжелыми металлами производился следующим образом:
В пунктах 1—4 не производилось никаких изменений, они идентичны вышеописанным.
5. Рассчитывался балл качества почв:
Врь = 5ТТ7 =1,16; ВNi = 9:044 =0,44;
Вси = Лс = 0,39; Вzn = Д = 4,45;
8,26 0,5
5,17
Б = 1 00 + 24 + 38,95 + 52 + 95 ,64 = 62
12.
Бса = 0ттг = 4,55; Бсй = (ЦТ = 18,18;
БН = öM8 = 75.
Из полученных расчетов видно, что коэффициент качества для свинца, цинка, кадмия и ртути превышает значение 1, что означает отсутствие загрязнения почвы данными тяжелыми металлами. В связи с этим в расчете итогового балла бонитета эти показатели не учитывались.
6. Вычислялся общий балл бонитета с учетом корректировки по ККП для каждого тяжелого металла:
Бобщ(№) = 0,5(71,04 + 62,12)-0,44 = 29,3; Бобщ(Си) = 0,5(71,04 + 62,12)-0,36 = 23,97; Бобщ^) = 0,5(71,04 + 62,12)-0,22 = 14,65.
7. Рассчитывался итоговый балл бонитета почв с учетом корректировки по коэффициенту качества почв:
Бит = 29 ,3 + 23 ,397 + 1 4,65 = 22,64.
Вычисленный итоговый балл бонитета почв с учетом корректировки по коэффициенту качества почв значительно отличается от балла бонитета, рассчитанного без учета загрязнения почв тяжелыми металлами. Значение балла снизилось с 66,58 до 22,64, соответственно класс бонитета почв также снизился с VII до III. Данный пример расчета показывает, как зависит качество почв от содержания в них тяжелых металлов.
Заключение. Проведенные исследования и вычисления балла бонитета почв с учетом корректировки по коэффициенту загрязнения почв тяжелыми металлами показывают, что итоговый балл бонитета значительно отличается от балла бонитета, рассчитанного без учета загрязнения
почв тяжелыми металлами. Значение балла в конкретном примере снизилось с 66,58 до 22,64, соответственно класс бонитета почв также снизился с VII до III. Данный пример расчета является одним из способов учета показателей экологического состояния почв при проведении их качественной оценки. Представленная выше методика расчета почвенного бонитета на основе агрохимических показателей с учетом загрязнения почв тяжелыми металлами является достаточно простой и понятной, что способствует при-
кладному использованию данной методики в широком спектре сельскохозяйственной и экологической деятельности.
Публикация подготовлена при финансовой поддержке Государственного задания Минобрнауки РФ по теме «Разработка экологоориентированных биотехнологий оптимизации аридных агробиоцено-зов Юга России на основе достижений физико-химической биологии и биоинформатики» (проект № 40.7534.2017/8.9)
Библиографический список
1. Белорусцева Е. В. Мониторинг земель сельскохозяйственного назначения Нечерноземья с применением ГИС-тех-нологий: автореф. дис. ... канд. географ. наук: 25.00.26 / Белорусцева Екатерина Викторовна. — М., 2013. — 23 с.
2. Воробьев А. В. Характеристика категорий и качественное состояние земель Волгоградской области / А. В. Воробьев // Сборник трудов IV Международной научно-практической конференции молодых исследователей 26—28 апреля 2010 г. — Волгоград, 2010. — С. 159—161.
3. Воробьев А. В. Совершенствование системы земельного учета при проведении государственной кадастровой оценки земель сельскохозяйственного назначения в Волгоградской области / А. В. Воробьев, А. В. Смыков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее образование. — 2015. — № 3(39). — С. 237—241.
4. Доклад «О состоянии окружающей среды Волгоградской области в 2016 году» / Ред. колл.: В. Е. Сазонов [и др.]; Комитет охраны окружающей среды и природопользования Волгоградской области. — Ижевск: ООО «Принт-2», 2017. — 300 с.
5. Дымдын О. С. Сущность бонитировки почвы / О. С. Дымдын // Молодой ученый. — 2012. — № 1-2. — С. 161—163.
6. Евтюхин В. Ф. Экологическое обоснование контроля и детоксикация агроценозов юга Центрального Черноземья, подверженных техногенному воздействию: автореф. дис. ... д-ра биол. наук: 03.02.08, 06.01.04 / Евтюхин Владимир Федорович. — Балашиха, 2011. — 48 с.
7. Иванцова Е. А. Качество почв земель сельскохозяйственного назначения сухостепной почвенной зоны Волгоградской области / Е. А. Иванцова, А. Н. Водолазко // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. — 2018. — № 2 (50). — С. 150—157.
8. Кавеленова Л. М. Математические методы в ботанических и экологических исследованиях: методические указания / Л. М. Каваленова. — Самара: Самарский университет, 1994. — 32 с.
9. Киричкова И. В. Аккумуляция тяжелых металлов в посевах многолетних трав, возделываемых на южных черноземах Волгоградской области / И. В. Киричкова // Актуальные проблемы развития науки и образования: материалы международной научно-практической конференции. — М., 2014. — С. 104—106.
10. Можайский Ю. А. Влияние загрязнения тяжелыми металлами почвы на ее свойства и экологические показатели / Ю. А. Можайский, В. Ф. Евтюхин, Т. М. Гусева // Сергеевские чтения: материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. — М., 2014. — С. 438—442.
11. Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения / Под ред. Л. М. Державина, Д. С. Булгакова. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2003. — 240 с.
12. Полетаева Е. А. Загрязнение почвы тяжелыми металлами / Е. А. Полетаева, Л. И. Ковалева // II Лужские научные чтения, современное научное знание: теория и практика: материалы международной научно-практической конференции. — Санкт-Петербург, 2014. — С. 83—86.
13. Тихонова Д. А. Почвенное обследование и кадастровая оценка земель сельскохозяйственного назначения Волгоградской области [Электронный ресурс] / Д. А. Тихонова // Студенческий электронный научный журнал. — 2017. — № 18 (18). — Режим доступа: https://sibac.info/journal/student/18/ 87346.
THE EFFECT OF SOIL CONTAMINATION OF AGRICULTURAL LANDS WITH HEAVY METALS ON THEIR BONITATION ASSESSMENT: A CASE STUDY OF THE VOLGOGRAD REGION
E. A. Ivantsova, PhD (Agricultural), Dr. Habil, Associate Professor, Volgograd State University, ivantsova.volgu@mail.ru, Volgograd, Russia,
A. N. Vodolazko, Doctoral candidate for PhD (Biology), Volgograd State University, sanek_vlg@mail.ru, Volgograd, Russia
References
1. Belorusceva E. V. Monitoring zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya Nechernozem'ya s primeneniem GIS-tekhnologij: av-toref. dis. ... kand. geograf. nauk: 25.00.26 [Monitoring of agricultural lands of non-Chernozem region using GIS technologies: autoref. dis. ... kand. geographer. Sciences: 25.00.26]. Moscow, 2013. 23 p. [in Russian].
2. Vorob'ev A. V. Sbornik trudov IV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh issledovatelej 26—28 aprelya 2010 g. [Proc. of the IV International scientific and practical conference of young researchers 26—28 April 2010 y.] — Volgograd, 2010. P. 159—161. [in Russian].
3. Vorob'ev A. V., Smykov A. V. Sovershenstvovanie sistemy zemel'nogo ucheta pri provedenii gosudarstvennoj kadastrovoj ocenki zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya v Volgogradskoj oblasti. Izvestiya nizhnevolzhskogo agrouniversitet-skogo kompleksa nauka i vysshee obrazovanie. [Improving the system of land accounting in the state cadastral evaluation of agricultural land in the Volgograd region. Proceedings of the lower Volga agricultural University complex science and higher education], 2015, № 3(39), P. 237—241. [in Russian].
4. Doklad "O sostoyanii okruzhayushchej sredy Volgogradskoj oblasti v 2016godu" [Report "On the state of the environment of the Volgograd region in 2016"]. Izhevsk: "Print-2", 2017. 300 p. [in Russian].
5. Dymdyn O. S. Sushchnost'bonitirovkipochvy. Molodoj uchenyj. [The essence of the appraisal of the soil. Young scientist]. 2012. № 1-2. P. 161—163. [in Russian].
6. Evtyuhin V. F. Ekologicheskoe obosnovanie kontrolya i detoksikaciya agrocenozov yuga central'nogo chernozem 'ya, podverzhennyh tekhnogennomu vozdejstviyu: avtoref dis. ... d. biol. nauk: 03.02.08, 06.01.04 [Ecological substantiation of control and detoxification of agrocenoses of South of the Central Chernozem region exposed to anthropogenic impact: author. dis. ... D. Biol. Sciences: 03.02.08, 06.01.04]. Balashiha, 2011. 48 p. [in Russian].
7. Ivantsova E. A. Kachestvo pochv selskoxozyastvennogo naznachenia suxostepnoj pochvennoj zony Volgogragskoj oblasti Izvestiya nizhnevolzhskogo agrouniversitet-skogo kompleksa nauka i vysshee obrazovanie. [Quality of soils of agricultural lands of the dry-steppe soil zone of the Volgograd region/ Proceedings of the lower Volga agricultural University complex science and higher education]. 2018. № 2(50). P. 150—157. [in Russian].
8. Kavelenova L. M. Matematicheskie metody v botanicheskih i ekologicheskih issledovaniyah: Metodicheskie ukazaniya [Mathematical methods in Botanical and ecological researches: Methodical instructions] / Samara: Samarskij universitet, 1994. 32 p. [in Russian].
9. Kirichkova I. V. Aktual'nye problemy razvitiya nauki i obrazovaniya. Sbornik nauchnyh trudovpo materialam Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii: v 7 chastyah. [Actual problems of development of science and education. Collection of scientific papers on the materials of the International scientific-practical conference: in 7 parts]. Moscow, 2014. P. 104—106. [in Russian].
10. Mazhajskij Yu. A. Sergeevskie chteniya. Materialy godichnoj sessii Nauchnogo soveta RAN po problemam geoekologii, inzhenernoj geologii i gidrogeologii. [Sergeyev readings. Proceedings of the annual session of the RAS Scientific Council on Geoecology, engineering Geology and hydrogeology]. Moscow, 2014. P. 438—442. [in Russian].
11. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu kompleksnogo monitoringa plodorodiya pochv zemel'sel'skohozyajstvennogo naznacheniya. [Methodical instructions on carrying out complex monitoring of soil fertility of agricultural lands]. Moscow: FGNU "Ros-informagrotekh", 2003. 240 p. [in Russian].
12. Poletaeva E. A. II Luzhskie nauchnye chteniya, sovremennoe nauchnoe znanie: teoriya i praktika. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. [II Luzhsky scientific readings, modern scientific knowledge: theory and practice. Proceedings of the international scientific and practical conference] Saint-Peterburg, 2014. P. 83—86. [in Russian].
13. Tihonova D. A. Pochvennoe obsledovanie i kadastrovaya ocenka zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya Volgogradskoj oblasti. Student electronic scientific journal, 2017. № 18 (18), Available at: https://sibac.info/journal/student/18/ 87346.
