Аккумуляция тяжелых металлов в растениеводческой продукции зоны техногенеза

Лисецкий Ф.Н., Свиридова А.В., Кухарук Н.С., Голеусов П.В., Чепелев О.А.

Белгородский государственный университет

АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ ЗОНЫ ТЕХНОГЕНЕЗА

Предложена система ландшафтно-экологического мониторинга агроценозов с учетом почвенно-геохимической и позиционно-динамической структуры ландшафтов. Изучены закономерности распределения микроэлементов в системе «почва - растение». Установлены границы зоны экологической ответственности горнорудных предприятий с последующим составлением прогноза по разработанным электронным картам с привязкой базы данных. Даны рекомендации по повышению экологической безопасности землепользования в районах железорудного производства.

Введение

В данной работе предпринята попытка оценить интенсивность аккумуляции тяжелых металлов (ТМ) в растениеводческой продукции, произведенной в зоне влияния предприятий горнодобывающей (железорудной) промышленности. Актуальность исследования обусловлена интенсивным количественным и качественным истощением почвенных ресурсов в районах промышленного освоения Центрально-Черноземного региона. Практическая значимость исследования связана с возможностью обоснования границ зоны экологической ответственности горнорудных предприятий.

Старооскольско-Губкинский промышленный район Белгородской области является основным горнопромышленным узлом Курской магнитной аномалии (КМА), в недрах которой сосредоточено до 60% запасов железных руд России. Основными источниками загрязнения природных сред, включая земли сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов, являются Лебединский и Стойленский горно-обогатительные комбинаты (ГОКи), Оскольский электрометаллургический комбинат и завод металлургического машиностроения, под влиянием которых происходит глубокая трансформация окружающей среды. По данным НИИКМА им. Л.Д. Шевякова, зона максимального воздействия на агроландшафты (радиус 3-5 км) характеризуется высоким пылевым загрязнением земель (1000-1500 кг на 1 га в год), что определяет несомненную значимость проведения мониторинговых исследований на территориях, подверженных техногенному прессингу.

Область нарастающих негативных воздействий в Старооскольско-Губкинском регионе включает земли 23 сельскохозяйствен-

ных предприятий. Важно подчеркнуть, что в структуре почвенного покрова периферийной зоны исследуемого района доминируют наиболее высокобонитетные подтипы черноземов лесостепной зоны.

Таким образом, своевременное снижение риска загрязнения растениеводческой продукции ТМ с последующим устранением передачи ТМ по трофической цепи является важной задачей при проведении подобных исследований.

Цель настоящей работы состояла в исследовании процесса аккумуляции тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах и его взаимосвязи с почвенными условиями.

В рамках исследования были поставлены следующие задачи: оценить количественные показатели накопления в растениеводческой продукции основных тяжелых металлов, таких как кадмий, свинец, медь и цинк (Cd, Pb, Cu и Zn); выявить корреляционные зависимости в системе «почва - растение» по содержанию указанных металлов; определить уровни избирательной поглотительной способности различных видов сельскохозяйственных культур по отношению к ТМ; установить качество растениеводческой продукции в соответствии с действующими нормативами.

Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследования выбраны: 1) сельскохозяйственные культуры, попадающие в зону техногенного давления: пшеница (Tritium L), ячмень (Hordeum L.), овес (Avena L.), подсолнечник (Heliantus S.), кукуруза (Zea L.), люцерна (Medicago S.), гречиха (Fagopyrum Mill.), горох (Pisum S.), горчица (Sinapis A.), соя (Glycine H.), разнотравье; 2) почвенный покров, представ-

ленный преимущественно черноземами типичными и черноземами выщелоченными; 3) тяжелые металлы, входящие в группу приоритетных загрязнителей, но обладаю-

---- Граница бассейна ч. N /

Г раницы ландшафтных пплог.

Катенарные сопряжения Точки сети мониторинга А Пун|а наблюдения в

^ на отдельных катенах ^ замыкающем створе

™ в узлах впадения и слияния в

щие различной биофильностью, такие как Сё, РЬ, Си и 7и.

Использованы следующие основные методы исследования: полевое обследование с

г

а - бассейновые структуры, б - выделение позиционно-динамических структур внутри бассейнов, в - принцип размещения точек опробования в катенарных сопряжениях, г - точки полученной сети мониторинга на космическом снимке.

Рисунок 1. Принцип пространственной организации сети ландшафтно-экологического мониторинга

отбором проб растениеводческой продукции и почвенных образцов, методы химического анализа, статистический и картографический методы.

Система ландшафтно-экологического мониторинга организована на основе совмещения различных принципов ландшафтной декомпозиции территории. Базовый каркас системы мониторинга создан по бассейновому принципу с выделением замыкающих створов разнопорядковых бассейнов в качестве индикационных объектов (рис. 1-а). С целью контроля экологического состояния почв и растительности в различных частях отдельных склонов площадь бассейнов была дифференцирована с использованием позиционно-динамического подхода (рис. 1-б). На этом этапе объектами мониторинга стали отдельные ландшафтные полосы. Для изучения латеральной миграции загрязнителей точки опробования были размещены по профилям катенарных сопряжений (рис. 1в). Таким образом, за счет комбинирования двух способов ландшафтной декомпозиции территории была создана иерархическая пространственная структура ландшафтноэкологического мониторинга: ландшафтные полосы - катенарные сопряжения - бассейновые структуры (рис. 1-г). Такая система мониторинга позволяет дать объективную, обоснованную с точки зрения современных ландшафтно-геохимических представлений оценку экологического состояния почв и растительности в зоне влияния горнорудного производства.

Отбор растительных и почвенных образцов сопровождался координатной привязкой точек с помощью системы глобального позиционирования (GPS). Выполнено обоснование величин фонового содержания элементов в почвах и растениях, в том числе найдены региональные эталоны. Исследования проводили в 2005 г., на момент окончания активной вегетации сельскохозяйственных культур.

В период проведения эколого-геохими-ческого обследования территории было отобрано 337 почвенных и 120 растительных образцов, представленных 11 культурами. Площадной отбор проб в слое 0-10 см осуществляли методом конверта. Кроме того, отобра-

ны образцы почв по профилю, включая горизонт С (почвообразующая порода).

Содержание валовых форм ТМ определяли в ФГУ «Центр агрохимической службы «Белгородский»» атомно-абсорбционным методом по принятой в агрохимии и агроэкологии методике ЦИНАО [3]. Также были установлены общее содержание гумуса и потенциальная кислотность (рНКС1) почвенного раствора.

Результаты и обсуждение

Сводные результаты статистической обработки мониторинговых данных представлены в табл. 1. Уровень концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) в почвах Староос-кольско-Губкинского промышленного района оценивали относительно ориентировочных допустимых концентраций (ОДК), среднего содержания ТМ в почвообразующей породе (табл. 2) и фоновых значений [Красная книга почв..., 2007].

Оценки коэффициента радиальной дифференциации (КРД), определяемого как отношение содержания химических элементов в почве к содержанию ТМ в почвообразующей породе, свидетельствуют о значительных различиях во внутрипрофильном распределении содержания ТМ (Кр варьирует от 0,7 до 2,6). Среднее значение КРД составляет 1,36 ± 0,02, что в целом указывает на повышенное содержание ТМ в почвах исследуемой территории по сравнению с почвообразующей породой. В склоновых ландшафтах тяжелые металлы преимущественно задерживаются в гумусовом горизонте почв, обладающем наибольшей биогеохимической сорбционной способностью. Распределение КРД имеет правостороннюю асимметрию (1,16) и положительный эксцесс (4,38), что указывает на преобладание значений, превышающих средние. На почвах супесчаного гранулометрического состава (территория левобережной части долины р. Оскол) с менее эффективным почвенно-погло-щающим комплексом и промывным водным режимом происходит вымывание ТМ в глубокие горизонты почв (КРД < 1).

Статистический анализ распределений выборок данных содержания ТМ в растениеводческой продукции свидетельствует о

Таблица 1. Статистические характеристики данных сети ландшафтно-экологического мониторинга на территории воздействия предприятий КМА

Показатели N тіп тах Среднее (х±^58х) V, % Е А Р, %

Содержание ТМ в почвах, мг/кг

кадмий 337 0,2 0,9 0,40±0,01 25 4,4 1,2 65,6

свинец 337 3 84,0 14,0±0,6 39 87 7,0 63,5

медь 337 0,9 30,0 12,6±0,3 23 5,3 -0,5 79,2

цинк 337 10 138,0 41,4±1,0 22 42,2 2,7 86,9

содержание гумуса, % 337 1,4 9,3 5,1±0,1 26 0 -0,2 -

рНксі 292 4,0 7,4 6,4 ±0,09 12 -0,7 -0,8 -

Содержание ТМ в растениях, мг/кг

кадмий 120 0,015 0,13 0,06±0,01 81 80,6 8,2 0,8

свинец 120 0,13 52,8 10,4±1,0 79 7,4 2,2 70,0

медь 120 1,1 10,1 3,1±0,2 63 1,6 1,4 0

цинк 120 1,58 42,7 17,2±1,0 50 0,6 1,0 0

Примечание: V - коэффициент вариации; Е - коэффициент эксцесса; А - коэффициент асимметрии; Р - частота превышения значений по отношению к уровню локального фона (для почв на суглинках) или к нормальной концентрации химических элементов в растениеводческой продукции [4].

Таблица 2. Содержание ТМ в почвообразующей породе, мг/кг

Гранулометрический состав Кадмий Свинец Медь Цинк

Суглинистый 0,30 10 9 39

Супесчаный 0,25 3 3 23

преобладании значений, близких к средним величинам. Гистограммы распределений данных по Сё, РЬ и Си оцениваются как нормальные, стремящиеся влево от нуля. Высокие значения эксцесса и асимметрии наблюдаются по РЬ (7,39 и 2,21 соответственно), что свидетельствует о значительном разбросе данных относительно среднего. По остальным изученным элементам (Сё, Си, Zn) отмечены невысокие значения показателя асимметрии (0,99-1,41), что также указывает на концентрацию данных относительно средних величин. Поэтому можно утверждать, что на обследованной территории преобладают фоновые значения концентрации ТМ в растениях. Бимодальное распределение отмечено только для цинка.

По данным средневзвешенных значений содержания ТМ в растениях составлены ранжированные ряды культур по степени накопления в них ТМ (в порядке убывания):

Кадмий (Сё): люцерна > соя > разнотравье > гречиха > горчица = кукуруза = ячмень

> горох > пшеница > овес > подсолнечник;

Свинец (РЬ): ячмень > подсолнечник > гречиха > горох > горчица > разнотравье

> люцерна > овес > соя > пшеница > кукуруза;

Медь (Си): подсолнечник > гречиха > соя

> люцерна > горчица > кукуруза > разнотравье > горох > овес > ячмень > пшеница;

Цинк ^,п): подсолнечник > соя > люцерна > гречиха > горох > кукуруза > горчица

> овес > разнотравье > пшеница > ячмень.

Величину загрязнения растениеводческой продукции определяли, сопоставляя с максимально допустимым уровнем (МДУ) содержания ТМ в растениеводческой продукции [5] и с отобранными на значительном удалении от источников воздействия растительными образцами, а также с учетом розы ветров.

Санитарно-гигиеническое состояние растениеводческой продукции представлено на рис. 2.

Для оценки относительной подвижности элементов на локальном уровне использовали коэффициент биологического поглощения (КБП):

N

КБП=/,

s

где Np - содержание элемента в золе растений, Ns - содержание элемента в почве, на которой произрастает данное растение.

Характер накопления ТМ в растениях оценивали по классификации элементов относительно КБП [6].

Особенность минерального питания растений является основным фактором, влияющим на накопление ТМ в них. Наибольшее количество Zn и Си накапливают подсолнечник, гречиха, соя, люцерна, кукуруза. Высокая степень накопления Сё отмечается в люцерне, сое, разнотравье. Содержание РЬ в наибольших количествах обнаружено в ячмене, подсолнечнике, гречихе.

Установлено, что Сё, относящийся к группе очень слабого биологического поглощения, на территории КМА может быть отнесен к группе среднего биологического захвата.

Усиление биологического поглощения по РЬ отмечено в люцерне, разнотравье, гречихе, горохе, горчице, ячмене, подсолнечнике, КБП = 0,51: 0,54: 0,69: 0,79: 0,83: 1,23: 1,18 (соответственно), что позволяет обосновать переход РЬ в группу элементов сильного биологического захвата.

Для всех сельскохозяйственных культур не наблюдается усиления биологического поглощения Си (КБП = 0,154-0,526), данный элемент относится к группе среднего накопления. Для Zn отмечено ослабление биологического поглощения (КБП = 0,3-0,85), что сви-

детельствует о переходе данного элемента из группы интенсивного накопления в группу слабого накопления и сильного захвата.

В настоящее время активно ведется работа по разработке нормативных показателей загрязнения ТМ почв, оценивают экологические риски. Для конкретного региона целесообразно провести оценку сопоставимости и применимости различных показателей нормирования.

С целью обоснования применения ОДК для почв изучаемого региона нами был рассчитан нормированный коэффициент биологического поглощения (^бН), предложенный В.Е. Закруткиным (1995):

Кбн =

Ср-ПДК

/С

п’

где ^бн- нормированный коэффициент биологического поглощения, Ср - концентрация элемента в растениях, С - концентрация элемента в почве, ПДК - предельная концентрация в почве.

Анализ графиков зависимости от со-

держания ТМ в почвах (рис. 3) позволяет сделать вывод о том, что ОДК можно использовать в качестве норматива для почв Старооскольско-Губкинского региона, так как существует тесная корреляционная

Рисунок 2. Среднее и максимальное содержание ТМ в растениеводческой продукции Старооскольско-Губкинского промышленного района

связь между КбН и содержанием Cd, Pb, Cu и Zn (значения г = 0,984; 0,94; 0,98; 0,88 соответственно).

На основе расчетов показателей активного загрязнения и коэффициентов концентрации элементов в растениях ТМ были про-ранжированы по степени интенсивности их накопления в сельскохозяйственной продукции. Установлено, что накопление химических элементов в растениях происходит в такой последовательности: Pb > Cd > Zn > Cu.

По результатам обработки геомонито-ринговых данных была создана серия электронных карт пространственного распределения ТМ с привязкой базы данных экологогеохимического обследования Староосколь-ско-Губкинского промышленного региона. Для этого использованы средства ГИС, в частности методы автоматизированного построения в программных продуктах Бел-ГИС и Surfer 8. На рис. 4 представлены картограммы распределения ТМ в растениеводческой продукции в зоне влияния действующего горнопромышленного комплекса. Картограммы составлены без учета различий культур, поэтому отражают текущую ситуацию пространственных схем севооборотов хозяйств на момент исследования.

Ранее было установлено [2], что в зону сверхнормативного (сверхфонового) превы-

шения уровня загрязнения почв тяжелыми металлами попадает семь сельскохозяйственных предприятий общей площадью 5036 га. Анализ картосхем распределения ТМ в растениеводческой продукции исследуемого района свидетельствует о меньшем распространении ореолов ее загрязнения по сравнению с ореолами накопления этих микроэлементов в почвах. Это можно объяснить буферной способностью почв (иммобилизацией ТМ), а также барьерной функцией сельскохозяйственных растений в отношении поступления в них ТМ из почв.

Анализ пространственного распределения ТМ в растениях позволил выявить следующие закономерности: локализация максимального загрязнения продукции отмечается на землях сельскохозяйственного назначения, расположенных в непосредственной близости от предприятий горнорудного производства; несмотря на выявленные зоны нарастания концентраций металлов, основная масса растениеводческой продукции не имеет показаний выше МДУ за исключением содержания РЬ. Частота превышения его значений по отношению к нормальной концентрации элемента в исследуемых растениях составляет 70%. Наибольшее количество РЬ содержится в ячмене (РЬф = 17,1 мг/кг), подсолнеч-

Рисунок 3. Зависимость между Кбн в сельскохозяйственной продукции и содержанием ТМ в почвах Старооскольско-Губкинского промышленного района

Рисунок 4. Картограммы распределения ТМ (Cd, РЬ, Си, Zn) в растениеводческой продукции Старооскольско-Губкинского промышленного узла

нике (РЬср = 16,3 мг/кг). Максимальная концентрация элемента зафиксирована в ячмене (РЬтах = 52,8 мг/кг), что в 10,6 раза выше нормы.

Высокое содержание РЬ в растениеводческой продукции можно объяснить поступлением элемента не только через почву, но и аэральным путем из природно-технических геосистем предприятий горнодобывающей промышленности.

Содержание Сё в сельскохозяйственных культурах находится в пределах нормы. В юго-западной (6-10 км от ГОКов) и южной частях Старооскольско-Губкинского промышленного района (5-10 км от источников), где выращивают люцерну, подсолнечник, сою, разнотравье, наблюдается процесс аккумуляции Сё.

Наибольшая концентрация Си (10,1 мг/кг) зафиксирована на посевах овса, которые размещены по направлению к карьеру Лебединского ГОКа.

В продукции, произрастающей в южной части Старооскольско-Губкинского про-

мышленного района на расстоянии 5-10 км от ГОКов, отмечено наибольшее содержание по Zn (в подсолнечнике - 35,7 мг/кг, сое - 29,9 мг/кг, гречихе - 28,2 мг/кг).

Выводы

1. При обосновании нормативов для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами на локальном уровне необходимо учитывать фоновый уровень содержания ТМ и тип почвообразующей породы.

2. Существует достаточно тесная корреляционная связь между нормированным коэффициентом биологического поглощения и содержанием ТМ в почвах, что позволяет использовать ОДК на исследуемой территории в качестве нормативного показателя.

3. Наибольшее количество тяжелых металлов накапливается в растениях с более крупными, сильно опушенными листьями. Установлен ряд бионакопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях, культивируемых в хозяйствах региона: РЬ > Сё > Zn > Си.

4. Внешняя граница зоны влияния горнорудных предприятий, отражающаяся на качестве выращиваемых сельскохозяйственных культур, находится на удалении 5-6 км от промышленной площадки.

5. Необходимо провести ряд мероприятий по предотвращению загрязнения растительной продукции, в частности введение ограничений на использование севооборотов с участием кормовых и пропашных культур в 6-км зоне сверхнормативного (сверхфонового) превышения уровня загрязнения земель ТМ вокруг горнодобыва-

ющих предприятий на общей площади 5036 га (7 хозяйств); переход на короткопольные севообороты с участием зерновых, технических культур (например, эфирномасличных) и многолетних трав (без использования их в кормовых целях, допускается выращивание на семена) или однолетних си-дератов (горчица, рапс); введение запретов на размещение полей севооборотов в днищах балок, примыкающих к карьерно-отвальным комплексам, в связи с концентрацией поллютантов в данных элементах ландшафта.

Список использованной литературы:

1. Закруткин В.Е., ШишкинаД.Ю., Шкафенко Р.П. Проблемы нормирования тяжелых металлов в почвах агроландшафтов // Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. 1995. №3. С. 76-81.

2. Лисецкий Ф.Н., Голеусов П.В., Кухарук Н.С., Марциневская Л.В., Чепелев О.А., Свиридова А.В. Почвенно-экологический мониторинг в зоне влияния крупных промышленных центров // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы II Междунар. науч. конф. Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. С. 232-238.

3. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.: ЦИНАО, 1992. 61 с.

4. Минеев В.Г., Ремпе, Е.Х. Агрохимия, биология и экология почвы. - Москва: Росагропромиздат, 1990. 206 с.

5. Покровская С.Ф., Таланов Г.А., Хмелевский Б.Н. Санитария кормов. М, 1991. 272 с.

6. Черных Н.А., Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. М.: Агроконсалт, 2002. 200 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №06-05-96306