Математические структурные взаимосвязи между содержанием тяжёлых металлов и свойствами почв как фактор корректировки моделей плодородия почв

Математические структурные взаимосвязи между содержанием тяжёлых металлов и свойствами почв как фактор корректировки моделей плодородия почв

В.Н. Гукалов, к.с.-х.н., В.И. Савич, д.с.-х.н, профессор, С.А. Измайлова, магистр, ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева; А.В. Филиппова, д.б.н, профессор, ФГБОУ ВПО Оренбургский ГАУ

Загрязнение тяжёлыми металлами в значительной степени снижает плодородие почв и урожай сельскохозяйственных культур [1—4]. При этом меняются свойства почв [5, 6]. Для оптимизации почвенного режима разрабатываются способы уменьшения подвижности тяжёлых металлов в почвах [7—9].

В то же время подвижность тяжёлых металлов в почвах и их усвояемость растениями в значительной степени зависят от взаимосвязей свойств почв [10, 11], в т.ч. от подвижности поливалентных катионов с агрохимическими и физико-химическими свойствами почв. Регулируя эти взаимосвязи, можно уменьшить негативное влияние тяжёлых металлов на компоненты экологической системы.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования были выбраны выщелоченные чернозёмы Краснодарского края глинистого гранулометрического состава.

Методика исследования состояла в оценке взаимосвязей содержания валовых и подвижных форм Zn, РЬ, Мп в почвах на разных элементах ландшафта с физико-химическими и агрохимическими свойствами этих почв [12]. Вычисляли уравнения множественной регрессии и парной корреляции. Принятый уровень вероятности Р = 0,95.

Результаты исследований. С нашей точки зрения, перспективно вычисление зависимостей содержания подвижных форм тяжёлых металлов от свойств почв в определённых лимитах содержания гумуса.

Как видно по данным таблицы 1, при увели -чении содержания гумуса отмечается увеличение подвижных форм тяжёлых металлов.

С содержанием гумуса коррелировало содержание N03, NН4, Р2О5, а с этими показателями и

1. Связь содержания гумуса, подвижных форм Р2О5 и NН4 с содержанием подвижных форм тяжелых металлов в выщелоченном черноземе северного склона

Содержание МН4 Р2О5 гп Си Мп РЬ N1

гумуса мг/100 г мг/кг

2,9±0,2 27,6±5,5 14,7±6,3 4,7±0,4 5,0±0,1 137,8±29,0 3,8±0,1 6,2±0,6

1,7±0,2 21,3±2,6 3,1±6,3 3,5±0,1 4,1±0,1 49,0±4,0 3,2±0,1 4,6±0,5

2. Отношение NОз/NН4 в выщелоченных чернозёмах на разных элементах ландшафта

Показатель Северный водораздел Южный водораздел Северный склон Южный склон Балка

NО3/NН4 в слое 0-40 см NО3 /NН4 в верхней части профиля <^О3 / !ЫН4 - в нижней части профиля 0,50±0,04 0,94 0,53±0,05 0,82±0,04 1,17 0,70±0,02 0,47±0,07 1,0 0,45±0,03 0,72±0,08 1,47 0,49±0,05 0,55±0,01 0,89 0,62±0,02

содержание подвижных форм тяжёлых металлов в почвах. При этом содержание и соотношение указанных элементов менялось в почвах на разных элементах рельефа (табл. 2).

Как видно по представленным данным, отношение NО3/NН4 выше на южном водоразделе и южном склоне, как более прогреваемых и с меньшим развитием анаэробиозиса. Это отношение выше в верхней части профиля и меньше в нижней.

В таблице 3 приведены уравнения регрессии зависимости подвижных форм цинка и марганца от содержания в почвах гумуса (Х^, частиц < 0,01 мм (Х2), содержания NО3 и NН4 (Х3 и Х4) и содержания подвижных фосфатов (Х5).

По полученным данным, свободный член уравнения регрессии зависимости содержания РЬ, Zn от изучаемых свойств почв был выше для валовых форм и ниже для подвижных. В то же время индексы корреляции (г) и их достоверности (¥) были выше при вычислении рассматриваемых зависимостей для подвижных форм Zn, РЬ. Это подтверждается данными следующей таблицы.

Вычисление уравнений регрессии взаимосвязей между свойствами почв позволяет в первом приближении оценить зависимость содержания одного элемента от других. Однако это правомочно только в определённых интервалах Х1— Хп. Следует отметить, что при изменении одного из независимых переменных Х взаимосвязи У с другими независимыми переменными также изменяются.

В связи с вышесказанным содержание подвижных форм тяжёлых металлов является функцией не только состава пород, но и свойств почв:

У=/УкХ„

где к — степень влияния X на У, X — содержание гумуса, рН, илистой фракции и т.д.

Рассматриваемые зависимости изменяются для почв отдельных элементов ландшафта. Так, например, для почвы северного водораздела содержание подвижного свинца в зависимости от изучаемых свойств почв описывалось зависимостью:

РЬ = 6,2 + 0,2Х1 - 0,04Х2— 0,02Х3 - 0,001Х4 + 0,03Х5; г =0,96; ¥ =9,5

Для почвы балки: РЬ = 24,9-0,2Х1-0,3Х2 + 0,5Х3-0,3Х4+0,01Х5; г =0,99; ¥ =13,8;

для оценки взаимосвязей между содержанием тяжёлых металлов и свойствами почв целесообразно использовать и вычисление коэффициентов корреляции. Пример такого анализа приведён в таблице 4.

Как видно по представленным данным, содержание валового и подвижного цинка достоверно зависит от содержания гумуса, N0^ NН4, Р2О5 и в узком интервале изменения механического состава почв мало зависит от него (все почвы тяжелосуглинистые и глинистые). Интересно, что коэффициенты корреляции содержания валового цинка от свойств почв больше на южном водоразделе, а подвижного - на северном водоразделе.

По полученным данным, содержание тяжёлых металлов в верхнем слое почв не всегда закономерно убывает с увеличением расстояния от источника загрязнения. Так, с увеличением расстояния от автотрассы содержание свинца увеличивалось в депрессиях, в выположенных склонах, на почвах более тяжёлого гранулометрического состава, при более интенсивном развитии дернового процесса почвообразования. В то же время вблизи источника загрязнения его содержание в верхнем слое уменьшалось при более интенсивном развитии подзолообразовательного процесса.

Согласно проведённым исследованиям, взаимосвязи между свойствами почв и содержанием в них подвижных форм тяжёлых металлов дополнительно характеризуют степень загрязнения почв с информационной точки зрения. Они описываются уравнениями парной корреляции, множественной регрессии и характеризуются коэффициентами корреляции. При влиянии отдельных свойств почв на подвижность тяжёлых металлов проявляются эффекты синергизма и антагонизма. Содержание тяжёлых металлов изменяется на почвах отдельных элементов ландшафта, что необходимо учитывать при мониторинге почв. Зависимость содержания в почве тяжёлых металлов от других свойств почв целесообразно учитывать при характеристике степени загрязнения почв и корректировке ПДК.

3. Зависимость содержания валовых и подвижных форм Zn, Мп от свойств чернозёмов северного склона

Элемент Уравнение регрессии r F

Zn валовой Zn = 41,7 + 2,4X1 - 0,6X2 - 1,3X3 - 0,35X4 + 0,46X5 0,94 6,2

Zn подвижный Zn = 1,4 + 0,4X1 + 0,03X2 + 0,02X3 - 0,04X4 + 0,03X5 0,99 62,7

Mn валовой Mn 469, 8 - 14,7X1 + 3,2X2 - 12,0X3 + 4,7X4 + 2,6X5 0,55 0,3

Mn подвижный Mn -73,5 + 13,6X1 - 0,2X2 + 0,6X3 + 4,7X4 + 2,9X5 0,98 21,2

4. Зависимость валового содержания цинка в чернозёмах и его подвижных форм от свойств почв*

Элемент рельефа Коэффициенты корреляции Zn = f

Х1 Х2 Х3 Х4 Х5

валовое содержание

северный водораздел 0,66 -0,2 0,55 0,53 0,53

южный водораздел 0,83 -0,3 0,80 0,70 0,80

подвижные формы

северный водораздел 0,88 -0,5 0,85 0,79 0,92

южный водораздел 0,61 -0,4 0,56 0,63 0,60

Примечание: * — индексация для Х1 — Х5, как в таблице 3

Токсичное влияние тяжёлого металла на компоненты экологической системы, и в т.ч. на биоту, зависит от свойств почв X (рН, содержание гумуса, ила и т.д.):

X = /УкХП,

где X - содержание подвижной формы тяжёлого металла;

к — степень влияния X на X. Каждый тяжёлый металл влияет на конкретные процессы в определённой степени:

У = / (да,

где X — содержание тяжелого металла; к — степень влияния Х на У. При действии на почву и биоту нескольких тяжёлых металлов:

У = /УкХП,

где У — отдельное свойство почв или процесс в почве и в растениях;

к 1 — степень влияния Х1 на У. Сумма к{ = 1, n — показатель экспоненциального характера зависимости. При этом, очевидно, что в разных интервалах Х зависимости будут отличаться. По полученным данным, свободный член в уравнениях регрессии зависимости содержания тяжёлых металлов от свойств почв выше для валовых форм тяжёлых металлов, а коэффициенты корреляции и уровни достоверности выше для зависимостей, вычисляемых для подвижных форм тяжёлых металлов.

Литература

1. Гукалов В.Н. Тяжёлые металлы в системе агроландшафта. Краснодар: Изд-во И.П. Купреев, 2010. 345 с.

2. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л., 1987. 137 с.

3. Башкин В.Н. и др. Биогеохимические основы экологического нормирования. М.: Наука, 1993. 304 с.

4. Ильин В.Б. Тяжёлые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука, 1991. 215 с.

5. Савич В.И., Седых В.А., Никиточкин Д.Н. и др. Агроэко-логическая оценка состояния свинца в системе почва — растение. М.: ВНИИА, 2012. 360 с.

6. Савич В.И. Физико-химические основы плодородия почв. М.: РГАУ-МСХА, 2013. 430 с.

7. Савич В.И., Федорин Ю.В., Химина Е.Г. и др. Почвы мегаполисов, их экологическая оценка, использование и создание (на примере г. Москвы), М.: Агробизнесцентр, 2007. 660 с.

8. Савич В.И., Белопухов С.Л., Филиппова А.В. Новые методы очистки почв от тяжёлых металлов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 4 (42). С. 322-328.

9. Гукалов В.Н., Савич В.И., Никиточкин Д.Н. и др. Скорость вытеснения тяжёлых металлов из чернозёмов и депонирующая способность чернозёмов, как факторы корректировки степени загрязнения почв // Плодородие. 2014. № 2. С. 44-46.

10. Глазовская М.А. Методические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям. М.: МГУ, 1997. 102 с.

11. Мотузова Г.В. Системно-экологический анализ соединений микроэлементов в почвах: автореф. дисс. ... докт. биол. наук, М.: МГУ, 1992. 33 с.

12. Савич В.И., Сычев В.Г., Шишов Л.Л. и др. Экспрессные методы оценки обеспеченности почв элементами питания и уровня загрязнения токсикантами. М.: ВНИИА, 2004. 152 с.