Анализ содержания подвижных форм марганца в почвах (на примере Кемеровской области)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Постановление Правительства Ленинградской области от 26.12.96 г. N° 494 «О приведении в соответствие с новым природоохранным законодательством РФ существующей сети ООПТ Ленинградской области».

2. Абрамова, Т.Г. Типы выпуклых болот крайней северо-западной части Ленинградской области [Текст] / Т.Г. Абрамова // Типы болот СССР и признаки их классификации,— Л., 1974.

3. Ковалев, В.А. Болотно-минерало-геохими-ческие системы |Текст] / В.А. Ковалев,— Минск, 1985.

4. Новиков, С.М. Болото Ламмин-Суо [Текст] / С.М. Новиков // Путеводитель VIII Межд. конгр. по торфу,— Л., 1988.

5. Очерки растительности особо охраняемых природных территорий Ленинградской области |Текст| / БИН РАН // Тр. БИН РАН,- Вып. 5,-СПб., 1992.

6. Носков, Г.А. Красная книга природы Ленинградской области: Т. 1 |Текст| / Г.А. Носков, М.С. Боч,- СПб., 1999.

7. Носков, Г.А. Заповедная природа Карельского перешейка |Текст| / Г.А. Носков,— СПб., 2005.

8. Калюжный, И.Л. Гидрохимический режим и химический состав вод олиготрофных болотных массивов [Текст] / И.Л. Калюжный, Л.Я. Леван-довская // Труды ГГИ,— Вып. 22,— Л., 1974.

9. Звягинцев, Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии [Текст] / Д.Г. Звягинцев,— М., 1991.

10. Романенко, В.И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического вещества во внутренних водоемах [Текст] / В.И. Романенко,— Л.: Наука, 1985.

11. Трифонова, И.С. Научные основы контроля качества вод по гидробиологичеким показателям [Текст| / И.С. Трифонова,— Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

УДК 631.4

C.B. Овсянникова

АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ МАРГАНЦА В ПОЧВАХ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Одной из серьезных экологических проблем, с которыми столкнулось современное общество, является загрязнение почвы тяжелыми металлами. Индустриальное производство, крупные агропромышленные и животноводческие комплексы, химизации сельскохозяйственных угодий, разветвленная сфера транспорта и другие неотъемлемые компоненты современной цивилизации стали причиной изменения циклов большинства химических элементов, в том числе тяжелых металлов, что выразилось в изменении направленности миграции, скорости выноса и накопления их в почве. Значительная часть тяжелых металлов, загрязняющих природную среду, попадая в почву аккумулируются в ней и практически не теряются со временем. Особенно прочно тяжелые металлы закрепляются в гумусовых горизонтах почвы [10, 11].

Во второй половине XX века объемы и темпы техногенного загрязнения окружающей среды настолько возросли, что потребовалось при-

нятие специальных международных программ по охране природы. В 1972 году впервые была разработана программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), включающая проблемы мониторинга природной среды в целях раннего предупреждения о наступающих естественных или антропогенных изменениях, которые могут причинить вред здоровью или благополучию людей.

В России при общей площади земельного фонда 1709,9 млн га площадь земель, загрязненных различными токсикантами, достигает 74,3 млн га [3].

Сплошного обследования по загрязнению тяжелыми металлами на территории Кемеровской области не проводилось. Проводились отдельные исследования в районах крупных промышленных городов, в результате которых установлены очаги загрязнения почв некоторыми тяжелыми металлами. Наибольшее загрязнение почв тяжелыми металлами в области характерно для зоны влияния городов Новокузнецк,

Киселевск, Осинники, где показатели суммарного загрязнения почв соответствуют третьему (опасный) и четвертому (чрезвычайно опасный, в п. Елань) уровням [7].

К перечню тяжелых металлов относится такой химический элемент, как марганец. Среднее содержание марганца в земной коре составляет около 0,1 % по массе. Наиболее подвижен марганец в кислых почвах тундры и лесных ландшафтах, где он находится в форме М1Г . Несмотря на то, что марганец относится к группе элементов слабого поглощения растениями, тем не менее избыток его токсичен для организма человека и приводит к ряду патологических изменений: появлению нейротоксических эффектов, прогрессирующему поражению центральной нервной системы, нарушению всасывания железа и др.

В связи с этим изучение процессов накопления тяжелых металлов в почве, как в целом, так и по отдельным элементам, остается весьма актуальным.

Мониторинговые исследования состояния почв на территории Кемеровской области были проведены нами согласно положению «О мониторинге земель», утвержденному Постановлением РФ №491 от 15.07.1992 и по программе выполнения Регионального мониторинга земель (РМЗ) Кемеровской области 1995—2005 гг.

Объектами исследования были почвы Кемеровской области различных типов и подтипов: серые и темно-серые лесные почвы, черноземы выщелоченные и оподзоленные, лугово-черноземные, черноземно-луговые почвы. Исследования проводили в семи опорных пунктах («Яшкинский», «Тяжинский», «Кемеровский», «Ленинск-Кузнецкий», «Беловский», «Новокузнецкий», «Топкинский»). На каждом опорном пункте было организовано от одного («Топкинский») до семи («Беловский») наблюдательных площадок (всего 30). Площадки установлены во всех природно-климатических зонах Кемеровской области с учетом рельефа, почвенного покрова, произволственно-техноло-гических условий. Измерения были проведены в 104 контрольных точках в три этапа в 1995,1999 и 2005 годах. В каждой контрольной точке из гумусовых горизонтов (0—30 см) базовых площадок были отобраны почвенные образцы для определения в них содержания валовых и под-

вижных форм следующих тяжелых металлов: свинец (РЬ), кадмий (Cd), медь (Си), uhhk(Zii), марганец (Мп), никель (Ni), кобальт (Со), железо (Fe), хром (Сг), ртуть (Hg).

Содержание тяжелых металлов в почвах определяли атомно-абсорбционным методом [3,4]. Результаты исследований были обработаны статистическими методами [1,6, 8,9] с помощью компьютерных программ Microsoft Excel и Statistica.

Поскольку проведенная статистическая оценка исходных данных показала, что большинство выборок не имеет нормального распределения, при оценке уровня содержания химических элементов нами была использована медиана. Содержание тяжелых металлов в исследованных почвах Кемеровской области представлено в табл.1.

Суммарное содержание тяжелых металлов в почвах Кемеровской области колеблется от 40,1 мг/кг на опорном пункте «Тяжинский» до 72,8 мг/кг на опорном пункте «Новокузнецкий».

Наиболее загрязненные почвы оказались на опорных пунктах «Новокузнецкий» и «Кемеровский» — концентрация тяжелых металлов в них находилась на уровне 70 мг/кг, наименее загрязненными оказались почвы Тяжинского опорного пункта — содержание тяжелых в контрольных точках было в 1,75 раз ниже, чем в вышеуказанных пунктах, и составило 40 мг/кг.

Металлы в почвах Кемеровской области в порядке убывания приоритетности по количеству составляют следующий ряд: марганец, свинец, цинк, никель, кобальт, кадмий, медь. Их концентрация колеблется в таких пределах, мг/кг: Ми-(28,3-55,9); РЬ-(1,11-1,63); Zn-(0,73-2,90); Ni - (0,58-1,51); Со - (0,33-0,88); Cd -(0,12-0,25); Си - (0,03-0,23). Таким образом, в исследуемом регионе в наибольшем количестве представлен марганец. Анализ соотношения содержания отдельных элементов показал, что во всех опорных пунктах доля марганца среди тяжелых металлов составила в среднем 79,4 % (табл.3).

Результаты проведенных мониторинговых наблюдений загрязнения почвы подвижными формами марганца на исследуемых площадках приведены в табл. 2.

Абсолютный максимум содержания марганца — 376 мг/кг — зарегистрирован на опорном

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в поверхностном слое почв опорных пунктов Кемеровской области

Опорный пункт Металлы, мг/кг Всего, мг/кг

РЬ Сс1 Си Ъъ Мп N1 Со

Новокузнецкий 1,34 0,22 0,23 1,85 55,90 1,12 0,71 72,78

Кемеровский 1,63 0,13 0,09 1,46 48,65 1,14 0,88 68,48

Топкинекий 1,11 0,17 0,03 1,21 54,90 0,63 0,33 62,73

Ленинск-Кузнецкий 1,59 0,18 0,04 0,89 51,87 0,58 0,58 59,02

Яшкинский 1,60 0,12 0,04 0,73 42,08 1,14 0,74 53,55

Беловский 1,44 0,25 0,04 2,90 43,20 0,81 0,56 52,28

Тяжинский 1,50 0,12 0,20 1,01 28,28 1,51 0,73 40,10

Таблица 2

Содержание подвижных форм марганца в поверхностном слое почв Кемеровской области

Опорный пункт, площадка Год Мп, мг/кг Опорный пункт, площадка Год Мп, мг/кг

Кемеровский Яшкинский

Площадка 3.9 1999 44,1 Площадка 1.1 1999 51,1

«Береговая» 2005 4,55 «Яшкипо» 2005 22,1

Площадка 3.10 1999 30,8 Площадка 1.2 1999 58,9

«Новостройка» 2005 3,41 «Пача» 2005 44,8

Площадка 3.11 1999 187,6 Беловский

«Забойщик» 2005 48,6 Площадка 5.21 1999 197,2

Площадка 3.12 1999 376 «Салаирка» 2005 58,6

«Елыкаево», 2005 49,9 Площадка 5.22 1999 101,4

Площадка 4.19 1999 55,7 «Беково» 2005 65,1

«Новая» 2005 41,0 Площадка 5.23 1999 40,2

Новокузнецкий «Цинк» 2005 32,1

Площадка 6.14 1999 80,7 Площадка 5.24 1999 32,7

«Драгунский», 2005 36,2 «Дипк-2» 2005 24,4

Площадка 6.14-а 1999 104,4 Площадка 5.25 1999 37,3

«Атамапово» 2005 22,1 «Поморцево» 2005 28,1

Площадка 6.15 1999 24,7 Площадка 5.26 1999 57,2

«Сосповка» 2005 87,2 «Пермяки» 2005 40,4

Площадка 6.16 1999 56,2 Площадка 5.27 1999 59,5

«Ильинка» 2005 33,6 «Красуля» 2005 40,1

Площадка 6.17 1999 92,7 Площадка 5.27 1999 64,4

«Севск» 2005 38,1 «Красуля» 2005 24,9

Окончание табл. 2

Опорный пункт, площадка Год Мп, мг/кг Опорный пункт, площадка Год Мп, мг/кг

Тяжинский Площадка 5.28 1999 44,4

Площадка 2.3 1999 88,5 «Бачаты» 2005 33,1

«Троицкая» 2005 11,9 Топкинский

Площадка 2.7 1999 67,7 Площадка 7.18 1999 84,0

«Дворниково» 2005 8,10 «Магистральная» 2005 47,8

Площадка 2.8 1999 30,5

«Новомарьинка» 2005 6,80

пункте «Кемеровский» на площадке 3.12 «Елы-каево» в 1999 году а абсолютный минимум — 3,41 мг/кг — на опорном пункте «Кемеровский» на площадке 3.10 «Новостройка» в 2005 году.

Сводный анализ содержания марганца в контрольных точках (см. табл. 2) позволил рассчитать средние значения для каждого опорного пункта (табл. 3). Несмотря на выгодную информативность этих данных, нельзя упускать из виду отсутствие в большинстве выборок нормального распределения, поэтому последующий анализ был проведен на основании не среднего значения, а медианы как более адекватной оценки существующего положения.

Для характеристики техногенного загрязнения тяжелыми металлами был рассчитан суммарный показатель концентрации (Ъ€) [5] путем сравнения полученных результатов с предельно допустимой концентрацией (ПДК) мар-

ганца в почве. Минимальный порог ПДК марганца в почве составляет 60 мг/кг [2]. Содержание марганца в поверхностном слое почв всех опорных пунктов не превышает установленных для него ПДК (см. табл. 3). Однако в почвах Новокузнецкого и Топкинского опорных пунктов концентрация марганца вплотную приближается к нижнему порогу ПДК. Ъс для опорного пункта «Топкинский» составил 0,94, а для опорного пункта «Новокузнецкий» — 0,98.

Ранжирование опорных показало, что наибольшее содержание марганца в почве характерно для опорных пунктов «Новокузнецкий» (58,95 мг/кг) и «Топкинский» (56,24 мг/кг), среднее — для опорных пунктов «Кемеровский» (48,65 мг/кг), «Ленинск-Кузнецкий» (43,54 мг/кг) и «Беловский» (43,20 мг/кг), наименьшее — для опорных пунктов «Тяжинский» (40,45 мг/кг) и «Яшкинский» (39,61 мг/кг).

Таблица 3

Абсолютные и относительные показатели содержания марганца в поверхностном слое почв опорных пунктов Кемеровской области

Опорный пункт и Доля Мп в загрязнении почв тяжелыми металлами, % Среднее значение, мг/кг Медиана Ъс Ранг

Яшкинский 8 78,6 39,6+5,27 42,08 0,66 1

Тяжинский 14 70,5 40,5+9,54 28,28 0,67 2

Кемеровский 16 71,0 81,3+23,2 48,65 0,81 5

Ленинск-Кузнецкий 7 87,9 43,5+8,76 51,87 0,73 4

Беловский 34 82,6 58,7+7,72 43,20 0,72 3

Новокузнецкий 20 76,8 58,9+9,65 55,90 0,98 7

Топкинский 4 87,5 147,4+11,2 55,90 0,94 6

Среднее 79,4 0,79

Таблица 4

Оценка различий содержания марганца в почвах между группами опорных пунктов

Показатель Статистические данные

I гр.

Медиана 55,9 55,9 48,6

Медиана 48,6 35,2 35,2

и расч 708,0 332,5 787,0

87,5 246,6 971,0

Разность 7,3 20,7 13,4

Уровень достоверности - - PD,05

Для более полного сравнительного анализа мы объединили опорные пункты в три группы (I — группа с максимальной концентрацией марганца в почве, II — со средней, III — с минимальной) и обработали данные статистически, используя U-критерий Манна — Уитни (табл. 4) Как видно из приведенной таблицы, максимальная разница наблюдается между I и 111 группами и составляет 20,7 мг/кг, однако она недостоверна, по всей видимости, по причине небольших выборок, поскольку меньшая разность между группой 11 и группой III, составляющая 13,4 мг/кг, является статистически значимой.

Анализ содержания марганца в поверхностном слое различных природно-климатических зон (табл. 5) показал следующее. Почвы, наиболее загрязненные подвижными формами марганца, находятся в лесостепи предгорий (55,90 мг/кг), менее загрязненные — в лесостепи Кузнецкой котловины (51,77 мг/кг в среднем), средней загрязненностью обладают почвы островной лесостепи и степного ядра Кузнецкой котловины (47,53 мг/кг в среднем), а минимальное загрязнение характерно для почв южной тайги и расчлененной северной лесостепи (35,18 мг/кг в среднем).

Таблица 5

Содержание подвижных форм марганца в почвах разных природно-климатических зон

Опорный пункт Зона Мп, мг/кг

Тяжипский Южная тайга и расчлененная северная лесостепь. 28,28

Яшкипский Южная тайга и расчлененная северная лесостепь. 42,08

Беловский Островная лесостепь, степное ядро Кузнецкой котловины. 43,20

Ленинск-Кузнецкий Островная лесостепь, степное ядро Кузнецкой котловины. 51,87

Кемеровский Лесостепь Кузнецкой котловины. 48,65

Топкипский Лесостепь Кузнецкой котловины. 54,90

Новокузпецкий Лесостепь предгорий 55,90

Проведенные мониторинговые исследования с контрольными точками 1995,1999 и 2005 годов, позволили проследить динамику накопления подвижных форм марганца в поверхностном слое почв Кемеровской области (см. рисунок). Для данного анализа были использованы средние значения, полученные при определении подвижных форм марганца по всем контрольным точкам.

Динамика изменений по этапам исследования в 1995, 1999 и 2005 годах показала, что до 1999 года подвижные формы марганца накапливались в почве, и его концентрация с 1995-го по 1999 год увеличилась в 2,5 раза, затем вынос марганца из почвы стал преобладать над его поступлением и к 2000-му году концентрация Мп снизилась в 1,9 раза, приблизившись к уровню 1995 года.

Из вышеизложенного следует, что марганец — наиболее распространенный элемент среди тяжелых металлов, загрязняющих почвы Кемеровской области. Его концентрация не превышает ПДК, однако приближается к нижнему пределу допустимых норм.

Почвы загрязнены неравномерно: содержание марганца в почвах находится в определенной зависимости от природно-климатических зон.

Рис. 1. Динамика содержания марганца в поверхностном слое почв Кемеровской области

В последние годы наблюдается отрицательная динамика — снижение концентрации этого элемента в верхних слоях почв Кемеровской области. По всей видимости, спад развития промышленности, характерный для страны в целом и для Кемеровской области в частности, обусловленный нестабильностью государственных структур в 90-ые годы прошлого века, повлек за собой снижение активных разработок в горнодобывающей и химической промышленностях — потенциальных источниках загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в данном регионе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев, Е.А. Математическая статистика в почвоведении |Текст| / Е.А. Дмитриев,— М.: Изд-во МГУ, 1995,- 319с.

2. ГН 2.1.7.2041—06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 19.01.2006г. [Электронный ресурс]— Режим доступа: http://www.biggost.ru

3. Майстренко, В.Н. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов [Текст] / В.Н. Майстренко, РЗ. Химитов, Г.К. Будников,— М.: Химия, 1996,- 316с.

4. Методические указания МУ 2.1.7.730—99 Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 07.02.1999 [Электронный ресурс|— Режим доступа: http://www.consiiltant.rii

5. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства,— М., 1992. [Электронный ресурс]— Режим доступа: http://www.con-sultant.ru

6. Рунион, Р. Справочник по непараметриче-

ской статистике [Текст] / Р. Рунион,— М.: Финансы и статистика, 1982,— 198 с.

7. О состоянии окружающей природной среды Кемеровской области в 1999 году: доклад Государственного комитета по охране окружающей среды Кемеровской области [Электронный ресурс! // Эко-бюллетень ИнЭкА,— 2000,— N° 9 (56), 10-11 (57-58), № 12 (59) .- Режим доступа: http: //www.admnkz.ru

8. Справочник по прикладной статистике [Текст|: в 2-х томах / Под ред. Э. Ллойда, У. Ледер-мана — М.: Финансы и статистика, 1989,— 1036 с.

9. Холлендер, М. Непараметрические методы статистики [Текст] / М. Холлендер, Д. Вульф,— М.: Финансы и статистика, 1983,— 512 с.

10. Черных, Н.С. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Кн. 5: Экологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами |Текст] / Н.С. Черных, Н.З. Милащенко, В.Ф. Ла-донин,- Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2001,- 148 с.

11. Browman, M.G. Reduction of radiostrontium mobility in asid soils by carbonate treatment. [Текст] / M.G. Browman, В.P. Spalding. //J. Environ. Anal.— 1984. Vol. 13. №1,- P. 166-172.