CC BY
78
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 634.232:581.5:591
ВЛИЯНИЕ ЗАПАСА ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ НА МИГРАЦИОННЫЕ СПОСОБНОСТИ ВОДНОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И АГРОПРОДУКЦИИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОЙ МАГИСТРАЛИ Г.Е. Шумакова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, докторант
Новочеркасская мелиоративная академия
Исследовался химический состав почв района, прилегающего к автодороге М4 Ростов-на-Дону - Москва. Изучалась зависимость подвижных и малоподвижных форм элементов от запасов влажности в почвенном разрезе и от степени удалённости произрастания ячменя относительно автомагистрали, защищённой и не защищённой лесополосой поля. Установлено, что уровень концентрации металлов находится в обратной зависимости от запасов влаги в почве, что даёт основание говорить о сильном влиянии её состава на концентрацию металлов в ней. Антропогенное загрязнение поля тяжелыми металлами связано с воднорастворимыми соединениями и малоподвижными формами, не входящими в обменные процессы между почвой и растениями. Повышенный уровень концентрации тяжелых металлов не распространяется далее 10-20 м от автотранспортной магистрали и не представляет угрозу загрязнения агрокультуры.
Ключевые слова: автомагистраль, лесополоса, химический состав почвы, влажность, ячмень, солома, тяжелые металлы.
Влияние запасов почвенной влаги на миграционные особенности
элементов почвы
В рамках современных исследований антропогенных источников и объектов загрязнения почвы и агропродукции в том числе, акцент делается на повышенный уровень негативного воздействия на окружающую среду тяжелыми металлами [1], не вдаваясь в саму сущность миграционных процессов в почве, связанных с формами подвижности элементов, участвующих в метаболизме растений. Настоящее исследование посвящено изучению связи воднорастворимых соединений металлов в почвах в зависимости от запасов влаги в почве её ион-катионного состава и потенциального запаса тяжелых металлов, а также влияния защитных лесных полос на уровне накопления элементов в зерне ячменя и соломы.
Исследовался состав почвы чернозема обыкновенного, слабодеградированного, теплые фации (бывший приазовский), содержание гумуса 6 % отобранной на 1030 км автомагистрали М4 Ростов-Дон — Москва, а также яровой ячмень Одесский-100 репродукция Элита на поле площадью 54 га, предшественник кукуруза на силос, отбор образцов производили 22 июля. Урожайность 1,6 т/га.
Методика исследования и анализа результатов
Пробы почв отбирались по разрезу с поверхности до глубины 120-150 см, а также от степени удалённости поля от автомагистрали в условиях защищённости лесополосой и её отсутствия.
Для характеристики химического состава почв сделали три вытяжки:
1. Обработка почв 1 н. HCl (1 н. HNO3) для извлечения элементов, входящих в состав аморфных соединений, что характеризует весь потенциальный запас элементов в почве.
2. Обработка аммонийно-азотным буфером (рН 4,5) для извлечения обменных и растворимых в слабых кислотах форм, что характеризует актуальный запас элемента в почве.
3. Обработка 1%-ным раствором ЭДТА в аммонийно-ацетатном буфере (рН 4,5). Это позволяет дополнительно с обменными растворимыми в слабых кислотах формами извлекать элементы, доступные из почвенных, в основном растения органических комплексов [5].
4. Концентрация элементов, относимых обычно к токсичным: Си, Zn, Сг, №, РЬ, Мп, Fe, А1, Со, Са, Mg определялись методом атомной абсорбции в лаборатории МГУ. Известно, что токсичность элементов определяется только уровнем концентраций их в агроценозах, а дефицит и избыток металлов в организме одинаково наносит вред растениям и всему живому сообществу. Поэтому в экологии введены показатели предельно допустимых концентраций, которые не всегда отражают ситуацию сбалансированности элементного состава живых организмов [2].
Полученные данные обрабатывались и систематизировались в рамках известных и наиболее распространённых моделей математической статистики. Корреляция различных связей исследовалась ранговым методом, поскольку в таком случае, как известно, на величину и значимость корреляции не влияет закон распределения переменных в выборках [4].
Разрез почвы в поле и лесополосе (табл. 1, 3) в общем характеризуется известной и одинаковой тенденцией возрастания запаса влажности с глубиной при близких значениях рН (в конкретном случае это слабощелочные почвы средней полосы РФ) и близких к фоновым значениям ион-катионного состава, гидрокарбонат-иона, сульфат-иона и катионов кальция, магния, натрия и калия. Однако в лесополосе тенденция повышения запасов влажности на отдельных горизонтах на 10-20 % выше, что, очевидно, связано с тем, что корневая система деревьев за счёт осмоса повышает уровень грунтовых вод (работает известный осмотический насос древостоя), обычно характеризующихся преимущественно гидрокарбонатным составом.
Увеличение запаса влаги в почве лесополосы с глубиной коррелирует с вероятностью 95 % с гидрокарбонатом, сульфат-ионом, магнием и рН. Наличие значимой положительной корреляции гидрокарбонат-иона и кальция, сульфат-иона и кальция на фоне возрастания запасов влаги может указывать на то, что форма вхождения магния в состав влаги почв преимущественно связана с растворимыми соединениями гидрокарбоната магния, а кальция - с сульфатом и гидрокарбонатом.
Таблица 1 - Запас влаги и анионно-катионный состав образцов почвы в лесной полосе
Глубина отбора образцов почвы, (см) Запас влаги, мм Плотный остаток, % НСОэ - SO4 -2 Са ' ' Mg •• рН
мг. экв/100 г почвы
0-18 49,4 0,068 0,27 0,011 0,01 0,001 7,50
21-31 74,2 0,062 0,27 0,009 0,01 0,001 7,57
43-53 135,6 0,070 0,29 0,013 0,013 0,001 7,67
68-78 199,5 0,088 0,32 0,014 0,013 0,002 7,78
95-105 247,6 0,069 0,37 0,011 0,012 0,002 7,76
120-130 327,7 0,074 0,32 0,016 0,012 0,002 7,86
В лесополосе и в поле при той же тенденции возрастания запасов влажности с
глубиной воднорастворимые соединения в разрезе поля отличаются по отношению к таковым в лесной полосе. Кальций и магний с глубиной в поле обнаруживает близкую к нулевой корреляции с гидрокарбонатом (за счёт понижения уровня грунтовых вод в поле по сравнению с разрезом лесополосы на 11,3 %). Сульфат-ион обнаруживает близкую к значимой положительной корреляции с кальцием и незначимую отрицательную корреляцию с магнием. То есть, влага почвы в разрезе поля менее дифференцирована относительно воднорастворимых соединений кальция и магния в лесополосе.
Но если вблизи поверхности почвы в поле запас влаги больше почти в 1,8 раза (это как раз 20-30 см слой, питающий корневую систему злаковых), то в лесной полосе она во столько же раз меньше, зато в 1,3 раза больше на глубинах свыше 0,5 м. Причина, как известно, в том, что листва древостоя испаряет более интенсивно влагу, чем злаковые именно в пределах до 0,5 м горизонта почвы, а глубже в лесной полосе запас влажности почвы начинает превышать влажность почвы в поле (табл. 1, 2). В силу меньшего испарения влаги почвы поля злаковыми культурами и способностью корневой системы древостоя лесной полосы выполнять функцию подпитки разреза грунтовыми водами, лесополоса имеет громадное значение в перераспределении влаги снизу вверх по разрезу. В этом смысле воднорастворимые соединения тяжелых металлов в подвижной форме в условиях существования лесной полосы могут мигрировать снизу вверх по разрезу и накапливаться в соломе и зерне злаковых культур в результате метаболизма.
Таблица 2 - Запас влаги и анионно-катионный состав образцов почвы в поле
Глубина отбора образцов почвы, (см) Запас влаги, мм Плотный остаток, % НСОэ - SO4 -2 Са ' ' Mg •• рН
мг. экв/100 г почвы
0-26 88,9 0,078 0,027 0,014 0,012 0,001 7,64
27-37 104,4 0,070 0,027 0,012 0,014 0,001 7,72
41-51 139,6 0,071 0,029 0,006 0,012 0,001 7,85
58-68 244,5 0,075 0,032 0,007 0,012 0,002 7,83
80-90 241,4 0,062 0,037 0,009 0,011 0,002 7,85
110-120 294,2 0,070 0,032 0,005 0,009 0,002 8,02
130-140 293,4 0,069 0,027 0,011 0,010 0,003 7,87
Таблица 3 - Элементный состав почв вблизи автомагистрали (мг/кг)
Интервал отбора образцов почвы Си Zn Сг Ni Pb Mn Fe A1 Co Ca Mg
Элементный состав почвы поля не защищенного лесной полосой от автодороги:
5 м 10,6 19,9 2,98 9Д 13,01 335 1554 2389 0,15 126875 1773
30 м 14,4 17,5 3,38 11,0 3,89 382 1681 2601 0,28 43525 1358
50 м 27,2 15,4 3,24 10,4 9,58 373 1609 2577 0,07 21175 1598
100 м 20,6 15,1 3,38 11,2 9,35 383 1704 2719 0,41 25775 1235
150 м 25,3 14,8 3,11 11,7 8,92 404 1735 2829 0,25 15425 988
220 м 25,9 15,5 3,47 11,6 8,86 471 1456 2899 0,52 11925 985
Среднее на удалении от автодороги 92,5 м 20,7 16,4 3,26 10,3 8,9 391 1623 2669 0,28 40783 1322
Среднее для глин в земной коре 10 95 9,0 6,8 20 850 4720 7130 0,80 22100 2600
Элементный состав проб почвы до лесной полосы:
10 м от дороги 9,3 33,9 3,26 9,6 13,21 358 1804 2689 0,21 9650 1498
Элементный состав почвы в лесной полосе:
30 м от дороги 10,1 18,2 2,93 11,5 12,74 454 1563 2675 0,34 42750 1103
Элементный состав почвы в поле за лесной полосой:
40 м 9,7 11,5 3,34 11,6 9,28 437 1715 2918 0,17 68950 1043
50 м 9,7 10,3 3,26 11,8 9,03 443 1836 2828 0,31 24825 1195
100 м 9,6 10,9 3,55 10,8 8,98 448 1766 3056 0,34 67625 1120
220 м 9,5 11,3 3,36 11,4 8,75 432 1715 2913 0,43 7475 1223
Среднее на удалении от автодороги 102,5 м 9,6 11,0 3,37 11,4 9,01 440 1758 2928 0,31 42212 1145
Элементный состав почвы сверху вниз по разрезу в лесной полосе (см):
0-18 10,4 15,66 2,48 11,4 10,09 491 1522 2167 0,28 10325 356,3
21-31 9,8 10,12 2,75 11,0 7,27 399 1572 2269 0,29 8475 310
43-53 9,4 10,47 3,18 12,1 7,36 366 1753 2510 0,34 9925 336,3
68-78 9Д 9,23 2,92 8,5 6,51 290 1515 2452 0,02 24550 492,5
95-105 7,8 38,5 2,69 6,5 7,24 231 1350 2085 0,04 56125 873,8
120-130 7,0 7,24 2,79 5,8 5,94 216 1324 1960 0,05 65275 1172,5
Среднее на глубине 69,2 м 8,9 15,2 2,8 9,2 7,4 332 1506 3360 0,17 29112 590
-ь.
и>
у?»
С увеличением запаса влаги вниз по разрезу (значимая с вероятностью 95-99 % отрицательная корреляция) в почве уменьшаются аморфные запасы меди, никеля, свинца, марганца, железа, кобальта. Значит, в случае пониженной влажности почвы в верхних горизонтах (например, прикорневая часть злаковых), растения способны поглощать большие концентрации тяжелых металлов и дефицита влаги при том же объёме потребляемой на метаболизм влажности.
С повышением влажности вглубь разреза почвы в лесной полосе растут концентрации кальция и магния, что может быть связано, как уже отмечалось выше, с миграцией этих элементов в воднорастворимых соединениях из более низких горизонтов почвы и грунтовых вод под влиянием осмоса корневой системы деревьев лесополосы. При этом кальций мигрирует преимущественно в виде гидрокарбоната кальция (высокая значимая и положительная корреляция кальция с гидрокарбонат-ионом), а вот магний, как известно, может образовывать лишь ограниченное число воднорастворимых соединений оксидов и бромида, например, из минеральной формы полевых шпатов подпочвенного горизонта или самой почвы, в которых эти элементы превышают кларк земной коры в 1,5-3,0 раза.
В целом, ещё раз подчеркнём, для тяжёлых металлов с повышением запаса влажности почвы наблюдается снижение концентраций с глубиной в лесополосе, а в разрезе почвы в поле, напротив, наблюдается повышение концентраций тяжелых металлов ближе к поверхности на уровне корневой системы злаков (около 20 см).
В таблице 3 приведены данные потенциального запаса элементов, находящихся в аморфной форме в зависимости от расстояния до автодороги с интенсивным автомобильным движением в условиях как отсутствия защитной лесной полосы, так и при её наличии.
В качестве примера приведены сравнительные данные концентраций элементов в почве со средним элементным составом глин в земной коре как одних из наиболее сильных сорбентов примесей в составе глинистых минералов. В них концентрации металлов гораздо выше для всего сравниваемого спектра элементов, кроме меди, никеля и кальция. То есть исследуемые почвы вблизи влияния автодороги отличаются фоновыми концентрациями подавляющего числа металлов, в том числе и наиболее токсичного свинца.
В таблице 4 представлены соотношения потенциального, актуального и доступного растениям запасов элементов в почве. Сравнительный анализ даёт возможность выделить следующее:
1. Доля подвижных и растворимых соединений металлов в почве для каждого элемента специфична и варьируется в довольно широких пределах.
2. В зависимости от наличия или отсутствия лесной полосы, защищающей поля от влияния автомагистрали, извлекаемые запасы в почве могут увеличиваться существенно для меди, алюминия в районе автомагистрали до лесной полосы, оставаясь близкими для других элементов. На наш взгляд, причина этого скорее всего связана с влиянием химизма почвы, находящейся в непосредственной близости от магистрали, поскольку в почву могут попадать химические соединения органических форм, участвующие в составе покрытия дороги (битум и прочие агенты). При этом потенциально извлекаемый запас самого токсичного элемента не меняется в почве поля и придорожной её части. Это может указывать на то, что органические соединения в составе покрытия дороги не влияют на подвижность растворимых соединений токсичного свинца, и в почве самой лесополосы. А вот в деятельном слое почвы поля, защищённого лесной полосой от автомагистрали, извлекаемый запас свинца почти в два раза ниже извлекаемого запаса растворимых соединений свинца вблизи магистрали и лесной полосе. Это требует объяснения.
На взгляд автора, в составе почвы поля, защищенного лесополосой и на уровне корневой системы злаковых, возникают условия снижения доли участвующих в растворении тяжелых металлов органических кислот, извлекаемых самими агрокультурами в приповерхностном слое их корневой системы. Это касается практически всех тяжелых металлов за исключением меди.
3. Весьма любопытны соотношения извлекаемых и не извлекаемых запасов кальция, магния и марганца. Кальций входит в состав влаги почвы и грунтовых вод в форме гидрокарбоната и его увеличение в составе воднорастворимых соединений в разы объяснимо в случае непосредственной близости к автодороге, полотно которой, с одной стороны, имеет известковистую подушку, с другой — почва вблизи автополотна может находиться под влиянием его органических соединений, входящих в состав битума. Однако весьма трудно объяснить, почему в деятельном слое (до 20 см) почвы (область питания корневой системы злаковых) в разы повышаются концентрации магния.
Сравнительный анализ полученных результатов исследований воднорастворимых соединений в почве и растительных образцах под влиянием антропогенного загрязнения
Таблица 4 - Средние значения аморфных, актуальных и извлекаемых запасов элементов из почв (мг/кг)
Запасы Си Zn Сг № РЬ Мп Fe А1 Со Са Mg
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Средний элементный запас почвы поля в полосе шириной 220 м, не защищенного лесной полосой от автодороги:
1 20,7 16,4 3,26 10,3 8,9 391 1623 2669 5,01 40783 1322
2 17,3 5,82 0,23 4,87 6,93 438 161 225 0,28 - -
3 0,28 1,33 0,12 0,39 0,7 55,8 5,7 37 - 37496 1929
4 1,35 8,1 3,7 3,8 7,9 14,3 0,9 0,14 Не опр. 91,0 145,9
Средний элементный запас в почве до лесной полосы:
1 9,3 33,9 3,26 9,6 13,21 358 1804 2689 1,51 9 650 1498
2 5,4 15,1 0,12 4,5 9,37 391 114 191 0,21 - -
3 0,36 6,32 0,07 0,3 1,09 66,5 9,0 53,5 - 35875 660
4 3,9 18,6 2,1 3,1 8,2 18,6 0,5 2,0 Не опр. 371,8 44,0
Средний элементный запас в почве в лесной полосе:
1 10,1 18,2 2,93 11,5 12,74 454 1563 2675 5,04 42750 1103
2 8,7 8,0 0,12 4,5 9,37 469 178 176 0,34 - -
3 0,25 3,14 0,07 0,3 1,09 69 4,0 22,5 - 9775 486
4 2,47 17,25 2,4 2,6 8,5 15,2 0,25 0,8 Не опр 22,3 44,1
Средний элементный состав почвы в поле, защищенного лесной полосой:
1 9,6 11,0 3,37 11,4 9,01 440 1758 2928 5,93 42212 1145
2 8,2 2,6 0,17 7,2 6,2 466 149 234 0,31 - -
Окончание таблицы 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
3 0,16 1.0 0,08 2,5 0,44 57 4,4 34,7 - 9703 361
4 1,7 9,1 2,4 21,9 4,9 12,9 0,25 1,2 Не опр. 22,3 31,5
Средний элементный состав почвы до глубины 20 см (слой питания злаковых культур):
1 10,4 15,7 2,48 11,4 10,1 491 1522 2167 4,85 10325 356,3
2 7,4 8,74 0,03 6,7 6,42 444 135 109 0,28 - -
3 0,51 2,42 - 0,2 0,56 30 2,5 2,5 - 7050 1075
4 4,9 15,4 Не опр. 1,7 5,5 6,1 0,16 0,1 Не опр. 68,3 301
Запасы: 1 - потенциальный, 2 - актуальный, 3 - доступный растениям, 4 - процент извлекаемых запасов элементов растениями от потенциального запаса.
Весьма любопытны данные, которые характеризуют коллективные свойства подвижности металлов. Обращает на себя внимание следующее.
В усваиваемых запасах элементов положительные и значимые (на уровне вероятности 99-95 %) корреляты характерны для элементов группы железа (Мп, Fe, Сг) и магния. Самый токсичный элемент в подвижной форме коррелирует не только с ними, но и с кальцием. Такая зависимость известна в составе естественных минеральных форм самих почв. То есть свинец в воднорастворимой и извлекаемой форме для растений входит в плеяду ассоциантов существенно минеральных форм, формирующих потоки и вторичные ореолы рассеяния в составе земной коры, а не может однозначно связываться с влиянием аэрозолей, возникающих вблизи автодороги.
На справедливость такого заключения указывает наличие тех же коррелятов в составе аморфных запасов. А наличие растворимых форм тяжелых металлов диктуется условиями ионного состава влаги почвы и органических кислот, которые всегда присутствуют в составе почвы.
В ассоциации отрицательных коррелятов потенциального запаса элементы группы железа образуют отрицательные связи со свинцом, что означает, чем больше аморфный запас элементов-ассоциантов, тем ниже концентрации свинца. Если бы свинец попадал в почву под влиянием воднорастворимых соединений аэрозолей, исходящих от автодороги, то свинец бы накапливался не только в приповерхностном слое, но и на больших глубинах.
Максимальный потенциальный запас элементов в аморфной форме в условиях отсутствия лесной полосы в почве таких элементов, как медь, никель, марганец, железо, кобальт увеличивается в направлении от дороги в глубину поля, оставаясь минимальным вблизи дороги. Это никоим образом не связано с влиянием загрязнения почвы в результате эксплуатации дороги, а является следствием особенностей изменения минерального состава почвы с глубиной, в которой сверху вниз по разрезу увеличивается доля минеральной составляющей (глинистых минералов, полевых шпатов в их составе) в связи с уменьшением доли гумуса в составе почвы.
Напротив, потенциальный запас свинца, магния и кальция снижается в направлении от автодороги в глубину поля. Максимальный запас кальция, магния в почве в непосредственной близости к дороге скорее всего связан с фоновым влиянием минералогического состава материала щебня подушки автодороги при её строительстве, поскольку величина концентрации этих элементов в составе почв близка к фоновым концентрациям в земной коре и почвах средней полосы РФ. А вот максимальный запас находящегося в аморфной форме свинца в почве устанавливается в непосредственной близости к дороге, подтверждая источник загрязнения свинцом
влиянием автомобильного транспорта при сжигании низкокачественного бензина в двигателях автомобилей, т.к. количество свинца зависит от качества используемого топлива. Но по сравнению со средним составом глин земной коры (специально обращаемся к ним, поскольку глинистая составляющая входит в состав почвы и является хорошим сорбентом тяжелых металлов в силу наличия в них слюдистых минералов), в почве в среднем доля меди, никеля, кальция выше, а остальные элементы характеризуются концентрациями ниже кларка глин, в том числе токсичного свинца. Т.о. влияние автотрассы на почву поля не может считаться катастрофическим, поскольку важнейшим показателем антропогенного загрязнения автодороги всё-таки является свинец. Хотя его концентрации вблизи дороги повышены, в лесной полосе снижаются, а за её пределами падают ещё больше [1].
Таблица 5 - Значимые (с вероятностью 95 %) элементы-корреляты
различной формы подвижности элементов в составе _аморфных, актуальных и усваемых запасов растениями_
В аморфной Актуальной Усваиваемой
Положительные: Си ( №, Мп, РЬ, Fe, Со). Сг (А1) № (Мп, Fe, Со) РЬ (Мп) Мп (Ре, Со) Fe (А1, Со) Са Положительные: Си (№, РЬ, Мп) № (Мп, Fe, А1, Со) РЬ (Ре Мп (А1,Со) Ре (А1,Со) А1 (Со) Положительные: Си (РЬ, Мп, Ре) Сг (РЬ, Ре, Са, Mg) РЬ (Ре, Са, Mg) Ре (Са^) Са
Отрицательные: Си (Са, Mg) Сг (РЬ, Мп) № (РЬ, А1, Са, Mg) Fe (Са, Mg) А1 (Са, Mg) Со (Са^) Отрицательные: Си (Сг) Zn (А1) Сг (№, РЬ, Мп, Ре, Со) Отрицательные: Zn (Со)
В условиях наличия лесной полосы, в составе её почвы (максимум аморфных запасов) сорбируются часть таких тяжелых металлов, как медь, цинк, свинец, марганец, кальций, входящих в состав пылеватых частиц минеральных составляющих почвы, оседающих в лесной полосе, уменьшаясь в аморфных запасах в глубину поля. Максимальные же аморфные запасы этих элементов находятся в непосредственной близости к дороге — в 10 м до лесной полосы. Такие элементы, как никель, хром, железо, алюминий и магний в почве лесной полосы либо находятся на уровне фоновых концентраций, либо даже ниже их относительно почвы поля. Это может быть объяснено не только способностью деревьев выполнять механически (задерживать, сорбировать пылеватые частицы) защитную функцию от влияния загрязнения, автотранспорта, но и их способностью осуществлять функцию поглощения некоторых тяжелых металлов в результате своего жизненного цикла (сбрасывание их избытка в кору) [3].
В этой связи, большой интерес представляет собой исследование концентраций тяжелых металлов в составе злаковых в поле. В таблице 4 приведены значения концентраций элементов в соломе и зерне в зависимости от расстояния от автодороги и лесной полосы с интенсивным движением автотранспорта различных марок и использующего различный вид топлива.
Сравнительный анализ результатов опробования показал следующее.
1. В соломе по отношению к зерну в среднем отмечается наиболее высокий уровень зольности и кремнезёма, а также других исследуемых химических элементов. Отличительной особенностью является превышение концентраций в зерне перед лесной полосой Мп, Си, Со, №, Cd, Mg относительно концентраций элементов в соломе. За лесной полосой — только Мп, Си, Mg. Таким образом, лесная полоса выполняет функцию задержки (сорбции древесной растительностью) концентраций токсичных тяжелых металлов №, Cd.
Зерно и солома в условиях отсутствия лесной полосы в поле накапливают практически те же элементы, что и перед лесной полосой: Мп, Си, №, Са, Mg с добавлением Са, но при меньших концентрациях Cd, относительно его содержаний в соломе. То есть лесная полоса, как это хорошо известно, выполняет общую защитную функцию от проникновения тяжёлых металлов в агроценоз и в зерне накапливается меньшее количество тяжелых элементов, включая токсичные.
2. С учётом точности анализов и величины стандартного отклонения от среднего можно заметить, что количество SiO2, Fe, Си, Sr, №, да и подавляющего большинства тяжёлых металлов в золе зерна практически близко к постоянной величине за лесной полосой и в условиях её отсутствия. То есть в золе зерна не фиксируется чрезмерные концентрации тяжёлых металлов, а, по сравнению с кларками растений, находятся на уровне фоновых.
3. В зерне превышение концентраций наблюдается в основном в составе биофильных элементов [4], постоянно входящих в состав организмов, в т.ч. и растений, выполняющих определенные биологические функции. К макробиогенным элементам, превышающим концентрации в зерне по отношению к соломе, в конкретно рассматриваемом случае, относится Са, а к микробиогенным — Си, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена, метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы, так и №.
4. В процессе вегетации в солому постепенно «сбрасываются» преимущественно концентрации инертных элементов, обогащая ими солому. В качестве биоиндикации этого процесса проведённый корреляционный анализ состава зерна и пшеницы показал, что корреляты соломы и зерна группируются в ассоциации (значимой положительной и отрицательной незначимой корреляции). При этом максимальное количество элементов, связанных положительной и значимой (с вероятностью 95 %) корреляцией принадлежит соломе с минимальным количеством элементов, образующих отрицательные корреляции. Группировка элементов в биогеохимические ассоциации по степени подвижности относительно одного из инертных (малорастворимых в водных соединениях) элементов — бария (по значению величины суммы корреляционных связей каждого элемента с каждым с учётом знака корреляции) в ряду миграции в соломе демонстрирует 4-5 кратное увеличение подвижности ассоциации элементов в соломе, чем в зерне. Таким образом, зерно как бы «защищается» от проникновения в него тяжёлых металлов, «отдавая предпочтение» накапливаться им в соломе. И что особенно важно, в зольном остатке зерна в ассоциацию подвижных элементов после бария не входит один из самых токсичных из них — свинец, в то время как в составе зольных остатков соломы он в биогеохимической ассоциации самый подвижный. Если внимательно посмотреть в выборку анализов (таблица 1), можно заметить, что в зерне перед лесной полосой накопление свинца в 2 раза выше, чем за ней, а функцию задержания свинца в составе аэрозолей берёт на себя листва
лесополосы [5]. В условиях отсутствия лесной полосы в зерне происходит накопление свинца на расстоянии до 50 м, а дальше его концентрации в зерне становятся практически фоновыми. В условиях наличия лесной полосы непосредственно в 10 м за ней происходит уменьшение концентраций в зерне практически всех тяжёлых металлов в рамках величины стандартного отклонения от среднего.
5. Наличие положительных и значимых корреляций Са и Mg в составе золы соломы со многими тяжёлыми металлами может означать превалирующее значение воднорастворимых соединений в почвенной влаге, отличающейся повышенным значением гидрокарбоната и Mg. Другими словами, основной причиной наличия выявленного биогеохимического спектра элементов в золе соломы и зерна преимущественно является почвенная влага с наличием в ней воднорастворимых соединений тяжелых металлов.
Таблица 6 - Ранговые корреляции и относительная подвижность элементов
в соломе и ^ зерне
Выборка Положительные значимые корреляты Отрицательные значимые корреляты Наиболее подвижные элементы (со значением коэффициента подвижности [5]) в ассоциации относительно инертности бария
Соломы Зола ^Ю2, Са); Зола (Сё);
SiO2 (Со, Сё)
Zn (Мп, Си, А1, Sг, РЬ, Са); Яп (Сг); РЬ - 1,31
Fe (Мп, Си, А1, Ва, РЬ, №, Mg); Fe (Са); Мп - 1,30
Мп (Си, А1, Ва, РЬ, М, Са, Mg); Си - 1,25
Си (А1, Ва, Sг, Со, РЬ, М, Mg); № - 1,17
А1 (Ва, Со, РЬ, №, Mg); А1 - 1,16
Ва (РЬ, №, Mg); Ва - 1,00
Sr (Са, М^
РЬ (Са);
Сг (№);
Со (Сё, М^;
РЬ (Ni, Сё);
N (Ма);
Са (Ма)
Зерна Зола (Fe, Си, Sг, Ма); &02 (2п, А1, Сг, Сё); Яп (А1); Fe (Си, Sг); Мп (РЬ, Са); Си @г, №); А1 (Сг); Ва (Са); 8г (Ni, Са) РЬ (Са); Зола (2п, А1, РЬ); SiO2 (Мп, Са); Яп (Мп, Ва, Са); Fe (Сё); Мп (А1, Ni ); Си (Сё); А1 (Са); Ва (Со); Сг (Са); Со (Са, Ма); РЬ (Ма); Си - 1,91 № - 1,69 Sг - 1,61 Сг - 1,48 Fe - 1,23 Ва - 1,00
Исследование почвы поля с выращиванием на нём ячменя, находящимся под
10
влиянием антропогенного загрязнения автомагистрали дает основание сделать следующие принципиальные выводы:
1. Подавляющее большинство полей зерновых культур в РФ (автомагистраль М4 Ростов-Дон — Москва, Ростов-Дон — Краснодар) располагается в непосредственной близости (от 5 до 20 м) от полотна дороги, что может провоцировать загрязнение почв полей, частично может привести к загрязнению агрокультур тяжелыми металлами разных источников загрязнения (в зависимости не только от топлива, но и состава перевозимых грузов и т.д.) и нанести ущерб здоровью животных и людям, потребляющим продукцию агрокультур в той или иной форме в полосе влияния автодороги.
2. Исследованиями установлено, что в прикорневой зоне (до глубин 20 см) злаковых (на примере ячменя) влияние автомагистрали на микроэлементный состав соломы и зерна минимален даже вблизи её полотна при известной зависимости большего накопления тяжелых металлов в соломе по отношению к зерну.
3. Подавляющая доля воднорастворимых соединений металлов в составе почв связана с естественными источниками их поступления из минеральных её составляющих и влаги.
4. Лесная полоса, как это давно известно, осуществляет не только функцию задержки пыли, вредных аэрозолей листвой, снегозадержание зимой и т. д., но и выполняет роль своеобразного механизма подпитки почв влагой из глубин под влиянием корневой системы, выполняющей функцию осмотического насоса, пополняющего влагой окружение почвы полей. При этом способствует разбавлению воднорастворимых соединений тяжелых металлов в почве до глубин 0,5 м.
5. Элементы тяжелых металлов в зависимости от разных видов запасов в почве объединяются в подвижные ассоциации в строгом соответствии с естественными формами подвижности и коррелируют как в составе почв, так и в составе растений, формируя единый биогеохимический цикл подвижности элементов в составе земной коры, на который мало влияет антропогенный источник влияния автомагистрали.
Резюмируя, можно полагать, что с развитием технологий транспорта, строительства автодорог, их эксплуатации, технологий земледелия влияние автодорог на агрокультуры, расположенные в их близости, будет минимальным и не представлять угрозы здоровью животных и населению, использующим агропродукцию, произрастающую в непосредственной близости от автодорог [3].
Библиографический список
1. Ивонин, В.М. Защита агроландшафтов от загрязнения тяжелыми металлами [Текст] / В.М. Ивонин, Г.Е. Шумакова // Докл. ВАСХНИЛ. - 1990. - № 5. - С. 42-45.
2. Кокин, А.В. Региональная геохимия [Текст] / А.В. Кокин, В.И. Сухоруков, Т.Р. Шишигин. - М.: Наука, 1999. - 432 с.
3. Практикум по агрохимии [Текст] / В.Г. Минеев, Е.П. Дурынина, А.В. Кочетавкин, Н.Ф. Гомонова, Н.К. Грачева, Г.А. Соловьев, Т.Н. Болышева, И.Б. Савельев. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 304 с.
4. Справочник по геохимии [Текст] / Т.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров. - М.: Недра, 1990. - 480 с.
5. Шумакова, Г.Е. Современные проблемы агроэкологии. [Текст]: монография / Г.Е. Шумакова; под ред. А.В. Кокина. - Новочеркасск: НОК, 2010.-162 с.
E-mail: [email protected]
