Аспекты оценки эколого-геохимического состояния степных почв

Аспекты оценки эколого-состояния степных почв

И. В. Грошев, к.биол.н., гл. специалист, О. В. Григорьева, гл. специалист, Комитет по природоохранной деятельности и мониторингу окружающей среды администрации Оренбургской области

Почва — сложный, биокосный, полифункцио-нальный, незаменимый блок биосферы. Специфика почвы состоит в том, что она, образованная процессами геологического и биохимического круговоротов, предопределяет условия для функционирования целостного, взаимосвязанного сообщества организмов (биоценозов). Определяющим фактором образования и развития почв является «живое вещество», в результате жизнедеятельности которого образуется специфический органический полимер — гумус. Основу экологической устойчивости почвенной экосистемы составляют природные биогеохимические массооб-мены вещества, энергии и информации.

В настоящее время особое значение приобретает проблема техногенного загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами (ТМ). Избыточное количество тяжелых металлов отрицательно влияет на биоразнообразие и продуктивность естественных экосистем и агроценозов [ 1, 2], интенсивность микробиологических процессов [3], изменяет качественно-количественный состав гумуса, состав почвенно-поглощающего комплекса, вызывает изменение структуры почв, реакции почвенной среды, диспергирование и уплотнение твердой фазы, изменение химических и агрохимических свойств и ведет к потере почвенного плодородия [4,5,6].

геохимического

В связи с интенсивным воздействием тяжелых металлов на почвенный покров степей целью данного исследования стало изучение основных закономерностей современного эколого-геохими-ческого состояния естественных и техногенно-преобразованных почв степной зоны Южного Урала.

Распределение тяжелых металлов в вертикальном профиле степных почв Предуралья характеризуется биогенно-аккумулятивным типом накопления. Этому способствуют интенсивный биологический круговорот веществ и избирательная поглотительная способность целинной растительности, что определяет накопление цинка, меди, хрома и свинца. Слабый биологический круговорот элементов в почвах сухих степей, усиливающийся климатическими факторами, не в состоянии «снивелировать» влияние литогенеза на почвы. Основная часть химических элементов (цинк, свинец, медь и хром) находится в состоянии рассеяния.

Геохимический состав почв Уральской горной страны отличается значительной зависимостью от литологии пород, что определяет пестроту зон аккумуляции/рассеяния химических элементов. Лесные почвы характеризуются интенсивным накоплением в лесной подстилке цинка. Черноземы также аккумулируют цинк в верхних частях гумусовых горизонтов, но менее активно. Карбонатный геохимический барьер способствует накоплению хрома, свинца, никеля и меди, а солонцовый барьер аккумулирует медь, свинец и никель.

Роль основного геохимического барьера в черноземах играет горизонт травянистой дернины. Мигрируя вниз по профилю, ТМ аккумулируются в гумусовом горизонте. В гумусных горизонтах тенденцию к аккумуляции имеет свинец. Наряду с этим, содержание этого элемента, а также никеля и меди находится в прямой зависимости от их концентрации в почвообразующих породах. В черноземах отмечается действие карбонатного геохимического барьера. На этом барьере аккумулируются никель, свинец и хром. Солонцеватый горизонт также способствует аккумуляции тяжелых металлов и накоплению цинка, хрома и меди.

В целом геохимическое состояние почвенного покрова определяется литологическим и геоморфологическим строением, а также степенью проявления процессов гумификации, карбона-тизации и осолонцевания степных почв, что является основным фактором, формирующим био-ресурный потенциал степных ландшафтов [7].

Как показали геохимические исследования, средние значения содержания подвижных форм тяжелых металлов целинных почв степи в основном не превышают величин ПДК, исключение составляет содержание кадмия в почвенном покрове Зауральской провинции (тах — 1,1—1,5 раза). Максимальное содержание тяжелых металлов в почвах Восточно-Европейской равнины отмечено в черноземах типичных и выщелоченных (1,53 мг/кг), что связано с преобладанием биогенного фактора в формировании геохимии этих почв. В черноземах южных и темнокаштановых почвах доминирующим фактором является литогенез. Почвенный покров Уральской горной страны характеризуется увеличением концентраций подвижных форм тяжелых металлов от черноземов обыкновенных к темнокаштановым почвам (1,65 и 2,18 мг/кг), что указывает на зависимость почв этого региона от пород в условиях засушливого климата. Почвы агроценозов характеризуются более высокими концентрациями химических элементов, что объясняется повышенной аккумулирующей емкостью этих почв, по сравнению с целинными почвами.

Основой почвенно-геохимических исследований и формирования сети эколого-геохимическо-го мониторинга почвенно-биологических ресурсов является определение местного геохимического фона. В качестве фона использовались величины минимальных лимитов среднеарифметических значений содержания химических элементов почв-эталонов и почв реперных участков государственной сети мониторинга почв и земель. Установление фоновых критериев во многом осложнялось большой вариабельностью данных. Особенно в широких пределах этот показатель варьирует в Урало-Илекском округе Восточно-Европей-

ской равнины и во всех провинциях Уральской горной страны.

Использование вычислений позволило выявить районы концентрации/рассеяния химических элементов в целинных почвах. В целом целинные почвы Восточно-Европейской равнины отличаются накоплением меди, цинка и никеля (КК Cu 3,9—9,3; КК Zn - 3,9-6,7; КК Ni - 2,42,6). В почвенном покрове Уральской горной страны к этим элементам (КК Cu - 6,5—8,7; КК Zn 2,6-5,2; КК Ni - 2,4-2,6) присоединяется кадмий (КК Cd - 3,7).

Влияние техногенного фактора на геохимическое состояние почв определяется деятельностью промышленных предприятий, что рассмотрено на примере почв, подверженных интенсивному воздействию Оренбургского газохимического комплекса и почвенного покрова гг. Оренбурга и Мед-ногорска.

Среднее содержание валовых форм химических элементов в почвах и почвообразующих породах района влияния Оренбургского газо-хими-ческого комплекса варьирует в широких пределах: 10,6-30,4 мг/кг. Величины ПДК превышают по никелю и хрому (max Ni - 7,1, Cr - 5,6). Районами аномальных концентраций тяжелых металлов являются сыртовая часть района исследований и часть поймы р. Урал. Накоплению химических элементов способствуют субмеридиональ-ная ориентация увалов, близкое расположение почвообразующих пород и роза ветров. По коэффициенту суммарного загрязнения район исследований характеризуется слабой степенью загрязнения (колебания Zc составляют - 0,7—7,8).

Содержание подвижных форм также отличается достаточно высоким варьированием показателей (0,16—1,02 мг/кг). ПДК в почве превышает только никель на сыртовой части района исследований. Превышение меди, свинца, цинка, никеля и хрома над фоновыми величинами обусловлено аэротехногенными выпадениями. На водораздельно-увалистых частях коэффициент суммарного загрязнения равен 5,9 (слабая степень загрязнения). Санитарно-защитная зона газоперерабатывающего завода характеризуется средней степенью загрязнения (Zc - 13,5—17,6). Максимальные значения коэффициента наблюдаются северо-восточнее газоперерабатывающего завода, в районе среднего течения р.Каргалка (Zc-35,9 — сильная степень загрязнения).

Эколого-геохимическое состояние городских почв г. Оренбурга характеризуется сосредоточением большого количества стационарных (промышленные предприятия) и передвижных (транспорт) источников загрязнения, образующих мощные миграционные потоки тяжелых металлов. Валовые формы химических элементов отличаются значительным варьированием показателей. Основными химическими элементами, содержание

которых превышает ПДК, являются никель, хром и свинец (3,3—3,5; 5,0—5,6; 1,1—1,3 раза). Максимальные значения коэффициента суммарного загрязнения валовых форм тяжелых металлов соответствуют средней степени накопления (14,9— 23,7).

Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах города Оренбурга характеризуется хорошо выраженной контрастностью. Основными элементами, концентрации которых превышают ПДК, являются цинк (5,9—13,4 раза), медь (2,4—31,7 раза), свинец (1,4—7,2 раза) и кадмий (1,4—2,7 раза). Величина коэффициента суммарного загрязнения подвижных форм изменяется в широких пределах {Хс — 1,25—945,89). Сильнаяи очень сильная степень загрязнения наблюдается в центральной части города. Анализ многолетних данных (5—7 лет) по содержанию валовых и подвижных форм выявил, что тяжелые металлы почв города имеют тенденцию к накоплению.

Среди городов Оренбургской области г. Мед-ногорск испытывает наиболее сильное техногенное воздействие. Эколого-геохимическое состояние формируется под воздействием нескольких промышленных предприятий, основным из которых является медносерный комбинат. Основными химическими элементами, концентрации которых превышают ПДК, являются: медь (тах — 10,0—12,6 раза), кадмий (тах — 6,5—9,5 раза), никель (тах — 3,7—5,0 раза), хром (тах — 4,8—5,9 раза), а также, по отдельным точкам, свинец (тах — до 13,6 раза). Среднее значение коэффициента суммарного загрязнения валовых форм ТМ в г. Медногорске составляет 32,15 Хс, достигая по отдельным точкам наблюдения 118,742с (очень сильная степень загрязнения) [8].

Почвы г. Медногорска характеризуются 2—3 кратным превышением концентраций химических элементов над величиной ПДК. Максимальные превышения значений ПДК отмечены по меди

и свинцу (тах — 4,09 раза). Среднее значение коэффициента суммарного загрязнения подвижных форм ТМ в г. Медногорске составляет 101,287с, при максимальных значениях 358,887с и характеризуется как опасная и чрезвычайно опасная степень загрязнения.

Проблема современного эколого-геохимичес-кого состояния естественных и техногенных почв выдвигает на первый план необходимость активизации работ по расширению и детализации по-чвенно-геохимических исследований. Исследования должны быть направлены на уточнение фоновых показателей валовых и подвижных форм в почвах, изучение особенностей миграции и аккумуляции тяжелых металлов в естественных почвах и почвах агроценозов, выявление аномальных участков природного и техногенного характера, с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов веществ и энергии.

Литература

1 Ильин, В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. — Новосибирск: Наука, 1991. — 151 с.

2 Рябинина, 3. Н. Флора и растительность степей Южного Урала и проблемы ботанического мониторинга: автореф. дис. ... док. биол. наук. — Москва, 1996. — 32 с.

3 Колесников, С. И., Казеев, К. Ш., Вальков, В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. —1999. — №4. — С. 505 — 511.

4 Ковда, В. А. Основы учения о почве. Кн. 2. — М.: Наука, 1973. - 468 с.

5 Белякова, Т. М., Гусейнов, А. Н. Техногенное изменение степных ландшафтов Орского Зауралья под влиянием предприятий черной и цветной металлургии // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду: тез. докл. конф. — Пущино, 1984. — С.28—30.

6 Блохин, Е. В., Грошев, И. В. Эколого-геохимическое состояние почвенного покрова Оренбургской области // Охрана окружающей среды Оренбургской области: информационно-аналитический ежегодник / под ред. В. Ф. Куксанова. — Оренбург: ИПК ОГУ, 2002. - С.103-122.

7 Грошев, И. В. Оценка эколого-геохимического состояния почвенного покрова степной зоны Южного Урала (на примере Оренбургской области): дис. ... канд биол. наук. — Оренбург, 2004. — 173 с.

8 Куксанов, В. Ф., Грошев, И. В., Григорьева, О. В. Особенности экологического состояния почв Медногорской геохимической аномалии // Мат-лы II всеросс. науч-практ. конф. Ч. I. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - с.