Анализ экологического мониторинга территорий Курской области

АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИЙ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ

И.В. Глебова, Д.С. Гридасов, О.А. Тутова

Аннотация: Приведены результаты мониторинговых исследований техногенной эмиссии тяжелых металлов кобальта, никеля, цинка, меди и марганца в черноземы Курской области, установлена степень их техногенной трансформации по геохимическому изменению состава почв относительно принятых в пределах области (свидетельство СП-1 № 901-90) фоновых значений.

Ключевые слова: тяжелые металлы, эмиссия, цинк, марганец, медь, кобальт.

Основной источник микроэлементов в почвах — почвообразующие породы. Почвы, развитые на продуктах выветривания кислых пород (гранитах, липаритах), бедны М, Со, С^ а почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания основных пород (базальтах, габбро), обогащены этими микроэлементами.

Главные почвообразующие породы лесостепной и степной зон — морены, покровные и лёссовидные суглинки, лёсс — содержат примерно одинаковое количество Zn, Со, Од, Мо, и лишь флювиогляциальные пески и супеси значительно обеднены ими. Молибдена в них меньше в 2—3 раза, а остальных элементов в 4—7 раз. Из коренных пород глинистые сланцы богаче других пород цинком, кобальтом, медью.

Микроэлементы способны поступать в почву Курской области и всего ЦЧ в основном с газами атмосферы, с метеорными осадками, при внесении удобрений, мелиорантов, пестицидов для борьбы с болезнями и вредителями растений и вертикально мигрировать из нижезалегающих пород.

Микроэлементы в почвах содержатся: в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов в виде изоморфной подмеси; в форме нерастворимых соединений (солей, оксидов); в ионообменном состоянии; в составе органического вещества; в почвенном растворе.

Огромная роль в миграции олиго- и микроэлементов, их биологической аккумуляции принадлежит высшим и низшим растениям. Корни растений извлекают эти элементы из низших горизонтов почв и материнских пород и переносят их в верхние горизонты. В большей степени это свойственно доннику, норичнику и др. В золе этих растений Мо в 100 и 1000 раз больше, чем в породе, в то время как в золе других растений его столько же, сколько в породе или немногим больше.

Биогенная концентрация микроэлементов зависит от зональных особенностей. На подвижность микроэлементов в почве, их миграционную способность, аккумуляцию, вынос и доступность их растениям оказывают влияние реакция среды (рН), окислительновосстановительные условия, концентрация CO2 и органическое вещество почвы. При кислой реакции почв подвижность Мо уменьшается, но увеличивается подвижность С^ Zn, Мп, Со. Некоторые микроэлементы (В, I, F) подвижны как в кислой, так и в щелочной среде.

Микроэлементы с переменной валентностью в зависимости от окислительно-восстановительных условий почвы могут переходить с высшей валентности на низшую и наоборот, что существенно отражается на их миграционной способности. При смене восстановительных (анаэробных) условий окислительными (аэробными) некоторые микроэлементы, переходя с высшей валентности на низшую, образуют нерастворимые соединения и выпадают в осадок: Мп2 Ип +, другие,

наоборот, приобретают подвижность и легко мигрируют: й^^Сг^.

Большое влияние на подвижность микроэлементов оказывает концентрация СO2 в почвенном растворе. Такие микроэлементы, как Mn, М, Ва, Sr и другие, способны образовывать соли угольной кислоты (карбонаты и бикарбонаты). При повышенной концентрации СO2 в почвенном растворе карбонаты переходят в бикарбонаты, что повышает их растворимость и увеличивает миграционную способность микроэлементов.

На подвижность микроэлементов в почвах влияют гумус и низкомолекулярные органические кислоты: муравьиная, лимонная, щавелевая и др. Одни микроэлементы образуют с органическим веществом растворимые соединения, другие (С^ I) — закрепляются и становятся недоступными для растений.

Содержание микроэлементов и их распределение по профилю различных типов почв неодинаковы. В дерново-подзолистой почве максимальное содержание таких микроэлементов, как Zn, Со, Мо, С^ отмечается в породе (горизонт С), в подзолистом горизонте их содержится менее 50% по сравнению с породой, а в гумусовом горизонте их больше, чем в подзолистом, но меньше, чем в породе.

В черноземах микроэлементов в гумусовых горизонтах обычно больше, чем в породе, но бывают и отклонения, вызванные оподзоленностью, солонцевато-стью, карбонатностью, выпаханностью и другими обстоятельствами.

Сельскохозяйственные культуры могут испытывать как недостаток, так и избыток микроэлементов. Это зависит не от валового содержания их, а от содержания подвижных форм.

Почвы характеризуются как очень бедные подвижными формами микроэлементов при следующем их содержании (мг/кг почвы): медь <0,3, цинк <0,2, марганец <1, кобальт <0,2, молибден <0,05, бор <0,1, а бедные соответственно 1,5; 1; 10; 1; 0,15; 0,2. При указанном содержании микроэлементов в почвах их применение в качестве удобрений эффективно.

В исследуемых нами почвенных образцах Курской области содержание подвижных форм Мп и ^ в серых лесных почвах и черноземе целинном значительно недостает (таблица 1).

Почвы Курской области как черноземы, так и серые лесные в % содержания ПДК достаточно обеспечены никелем и содержат 1/5 значение ПДК свинца. Концентрации же других элементов не превышают 10% ПДК. Важно отметить, что содержание цинка не превышает значений 2% ПДК. В тоже время среднее фоновое значение некоторых ТМ в почвах обладает значительно более высокими показателями. В связи с тем, что для исследования брали образцы почв с пашни после уборки основных зерновых культур области (ячменя, пшеницы, овса) можно предположить, что урожай зерновых культур произвел вынос микроэлементов и тем самым - ремедиацию почвы относительно никеля, меди, цинка и марганца.

Исследования показали, что концентрация подвижной формы кобальта в серых лесных почвах в два раза меньше, чем в пахотном слое чернозема. Такая же тенденция прослеживается и с другими элементами (никелем, кадмием, свинцом, медью). Исключение составляет цинк и марганец, т. к. их концентрации в разных типах почв практически совпадают. Важно отметить, что целинные черноземы обладают большим запасом подвижных форм таких элементов как свинец и марганец.

Таблица 1 - Обеспеченность ионами ТМ почв Курской области

№ п/п Вариант эксперимента Содержание ионов ТМ в почвах районов Курской области

г /к /г 5! -С С К Д С Фоновое содержание ТМ для почв Курской обл., мг/кг** Подвижность иона ТМ, % Фоновое содержание п.ф. ТМ для почв Курской обл., мг/кг*** Чернозем, «Пашня» Серые лесные «Пашня» Чернозем, «Целина» Минеральная часть почвы

* * * *

1 Фоновое содержание кобальта, мг/кг* 5,0 10 0,8 0,08 0,34 0,16 0,14 0,26

2 % ПДК (Со) - - - 1,60 6,73 3,20 2,8 5,2

3 Фоновое содержание никеля, мг/кг* 4,0 33 9 2,97 1,16 0,89 0,8 0,87

4 % ПДК (N1) - - - 74,25 29,05 22,14 20 21,75

5 Фоновое содержание кадмия, мг/кг* 1,0 0,03 38 0,011 0,03 0,03 0,016 0,019

6 % ПДК ^) - - - 1,10 3,00 3,00 1,6 1,9

7 Фоновое содержание свинца, мг/кг* 6,0 16 5,8 0,93 1,08 0,88 1,2 1,2

8 % ПДК (РЬ) - - - 15,5 18,02 14,71 20 20

9 Фоновое содержание меди, мг/кг* 3,00 22 3,4 0,75 0,28 0,19 0,14 -

10 % ПДК (Си) - - - 25,0 9,22 6,33 4,7 -

11 Фоновое содержание цинка, мг/кг* 23,00 52 3,2 1,67 0,43 0,44 0,35 -

12 % ПДК (гп) - - - 7,26 1,87 1,91 1,5 -

13 Фоновое содержание марганца, мг/кг* 140,0 596 2,9 17,28 5,45 5,59 6,8 -

14 % ПДК (Мп) - - - 12,34 3,89 3,99 4,9 -

* - фоновое содержание ионов ТМ, полученное экспериментальным путем;

** - фоновое валовое содержание ионов ТМ, установленное в почве Курского чернозема стандартного образца (Свидетельство СП-1 N° 901-90) в пределах всей области.

***- фоновое содержание подвижных форм ионов ТМ, рассчитанное [http://ej.kubagro.ru/2007/08/pdf/10.pdf] в почве Курского чернозема.

Микроэлементы в почвах содержатся в кристаллической решетке минералов в виде примесей, в форме солей и окисей, в составе органических веществ, в ионообменном состоянии и растворимой форме в почвенном растворе. На формы их соединений в почвах большое влияние оказывают окислительно-восстановительные процессы, реакция среды, концентрация СО2 и содержание органического вещества. Например, в кислой среде увеличивается подвижность меди, цинка, марганца, кобальта, а подвижность молибдена уменьшается. Количество микроэлементов в почве увеличивается при систематическом внесении минеральных мак-ро- и микроудобрений и органических веществ. Их повышенное содержание возможно около рудных месторождений, в зоне деятельности вулканов, в результате техногенного загрязнения территории. Для оценки обеспеченности растений микроэлементами проведена группировка почв по содержанию в них подвижных форм микроэлементов.

Считается, что самыми эффективными приемами регулирования режима питания растений в почвах являются внесение органических и минеральных макро- и микроудобрений, регулирование реакции с помощью известкования кислых и гипсования щелочных почв, применение рациональных приемов обработки почвы. Конечно, в случае здоровых почв с этими рекомендациями можно и согласиться, однако в случае почв, подвергшихся загрязнению или постоянно подвергающихся загрязнению ТМ, вносимыми совместно с мелиорантами и минеральными удобрениями такие рекомендации вызывают справедливое опасение и тревогу за дальнейшее благополучие почв. Нами были рассмотрены тончайшие количественные сорбционные зависимости, которые можно привести в соответствие при внесении строго рассчитанной дозы микроэлементного состава, которая с одной стороны восстановит необхо-

димый микроэлементный баланс, а с другой - не произойдет внепланового загрязнения почвы. Т.о. необходимо формировать определенный комплекс свойств и режимов почв, обеспечивающий получение максимально возможного урожая в каждых конкретных условиях, а также максимальную экологическую безопасность полей ЦЧ.

Тяжелые металлы среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействию на биологические объекты занимают особое место. Многие из них необходимы живым организмам, однако в результате интенсивного атмосферного рассеивания в биосфере и значительной концентрации в почве они становятся токсичными для биоты.

На территории СНГ тяжелыми металлами загрязнены значительные площади. Так, в России загрязнение земель токсичными тяжелыми металлами в концентрациях от 0,2 до 10,0 т/км2 в начале 90-х гг. XX в. наблюдалось на 18 млн. га. В некоторых регионах допустимые уровни превышены в сотни раз.

Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в почвах фоновых районов мира, мг/кг («Мониторинг фонового загрязнения природных

с ред», 1986)

Регион Свинец Кадмий Мышьяк Ртуть

Западная Европа 3,8...80(16) 0,01...1,4 (0,22) 0,10...11 (2,0) ,0 СО .. 7 ^ ° о о" 0,

Европейская территория СНГ 2,8...38

Зарубежная Азия 0 : ^ 3, 0,04...0,40

Азиатская территория СНГ 2,5...38 (16) 0, (0 О ю . 2 0,50...7,3 (3,8) 8 <0 : °, 0( ,0 0,

Примечание: в скобках указано среднее значение.

Сельское хозяйство тоже загрязняет почвы тяжелыми металлами. По оценкам ЦИНАО, к 1990 г. с фосфорными удобрениями в целом по СССР внесено в почву 16 633 т свинца, 3200 т кадмия и 533 т ртути. Можно констатировать наличие устойчивой тенденции формирования негативных процессов «металлогенеза», что нельзя не учитывать при ведении сельскохозяйственного производства. По данным агрохимических обследований, выявлены сотни тысяч гектаров пахотных земель, загрязненных тяжелыми металлами, на которых необходимо проводить специальные профилактические мероприятия, предотвращающие загрязнение растительной продукции токсикантами. В 1996 г. в Российской Федерации более 1 млн. га почв сельскохозяйственных угодий было загрязнено особо токсичными (I класс опасности) и около 2,3 млн. га - токсичными (II класс опасности) элементами.

Тяжелые металлы играют важную роль в обменных процессах, но в высоких концентрациях вызывают загрязнение почв. Токсичное действие тяжелых металлов может быть прямым и косвенным. В первом случае блокируются реакции с участием фермента, что приводит к уменьшению либо к прекращению его каталитического действия. Косвенное воздействие проявляется в переводе питательных веществ в недоступное состояние и создании «голодной» среды. Опасность, вызываемая загрязнением тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почвы.

Тяжелые металлы претерпевают в почве химические превращения, в ходе которых их токсичность изменяется в очень широких пределах. Наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов, т. е. наиболее доступные для живых организмов. Подвижность же существенно зависит от агрофизических факторов, основные среди которых - содержание органического вещества, кислотность почвы, окислительно-восстановительные условия, плотность почвы и др.

Нормирование химических элементов в почве -достаточно сложная задача. Это объясняется несколькими причинами. Отсутствует, например, единая методология нормирования, имеются трудности в получении объективной информации о состоянии почвенных систем и др.

Нормирование содержания химических веществ в почве означает установление концентрации того или иного элемента, снижающей почвенное плодородие, вызывающей повреждение растений и накопление в них элемента выше или ниже определенного уровня. Уровень загрязнения почв контролируется различными нормативами, входящими в систему стандартов и ГОСТов. Постоянно разрабатываются общие принципы нормирования содержания химических загрязняющих веществ в почве. Различают санитарно-гигиеническое, экологическое и социально-экономическое нормирование.

Санитарно-гигиеническое нормирование учитывает четыре основных показателя: транслокационный (переход загрязняющих веществ из почвы в растение через корневую систему), миграционно-воздушный (переход загрязняющих веществ в воздух), миграционно-водный (переход загрязняющих веществ в воду), общесанитарный (влияние загрязняющих веществ на самоочищаю-щую способность почвы и ее биологическую активность).

Поскольку токсиканты поступают в организм человека в основном с продуктами питания, очень важно при санитарно-гигиеническом нормировании учитывать пути миграции поллютантов в системе почва растение и отношение растений к загрязняющим веществам.

Миграция загрязняющих веществ в системе почва

— растение определяется несколькими факторами; основные из них - миграционная способность токсиканта

и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от их вида, особенностей почвенного покрова (гумусированность, гранулометрический состав и пр.), типа водного режима, температурного фактора. Например, свинец и почве менее подвижен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы кадмия. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину (примерно до 10 см); проникновение же в глубину почвы у кадмия, меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину до 30 см). Аналогичные результаты получены и в других исследованиях; 57...74% свинца и ртути при антропогенном загрязнении закрепляется в слое 0...10 см и только 3...8% мигрирует до глубины 30...40 см. Миграция тяжелых металлов по органам растений может быть представлена следующим рядом (в порядке убывания): корни - стебли - листья - семена - плоды - клубни. Причем содержание тяжелых металлов в тканях корня может увеличиваться в 500...600 раз, что свидетельствует о больших защитных (буферных) возможностях этого подземного органа.

Трудности обоснованной оценки почвенно-

экологического состояния территории - одна из причин различного уровня фитотоксичности почв, установленного разными исследователями.

Реальную угрозу для экосистем представляет не валовое содержание токсикантов, а содержание их подвижных форм, поэтому в последние годы проводятся исследования и установление нормирования не только по общему содержанию загрязняющих веществ, но и по концентрации их подвижных форм. Степень прочности связи токсиканта в почве, т. е. его подвижность, зависит от почвенно-экологических факторов, которые необходимо учитывать при нормировании. Решая задачи нормирования, в первую очередь следует учитывать гумусовое состояние почв, поскольку почвы разного генетического типа заметно различаются по сорбционной способности. Миграционная способность зависит еще и от кислотности почв и от гранулометрического и минералогического состава (формируется емкость катионного обмена).

В почвах тяжелого гранулометрического состава подвижность токсикантов снижается. Уплотнение почвы вызывает увеличение подвижности загрязняющих веществ. Окислительно-восстановительные условия в почвах также влияют на процессы миграции токсикантов. Токсичность того или иного элемента может меняться и в зависимости от микро- и макроэлементного состава почвы в окружающей корень среде, что следует учитывать при нормировании содержания загрязняющих веществ в почве.

Оценка степени опасности загрязнения почвы химическими веществами проводится по каждому веществу с учетом следующих общих закономерностей:

- опасность загрязнения тем выше, чем больше фактическое содержание компонентов (Сф) загрязнения почвы превышает ПДК, что может быть выражено коэффициентом Ко = пдк ’ Т'е' опасность загрязнения

тем выше, чем больше Ко превышает единицу;

- опасность загрязнения тем выше, чем выше класс опасности контролируемого вещества, его персистентность, растворимость в воде и подвижность в почве и глубина загрязненного слоя;

- опасность загрязнения тем больше, чем меньше буферная способность почвы, которая зависит от механического состава, содержания органического вещества, кислотности почвы. Чем ниже содержание гумуса,

pH почвы и легче механический состав, тем опаснее ее загрязнение химическими веществами.

Оценка уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и агрохимических исследованиях окружающей среды. Такими показателями являются: коэффициент концентрации химического вещества (Кк). Кк определяется отношением фактического содержания определяемого вещества в почве (Сф) в мг/кг почвы к региональному фоновому (Сфон):

К - С

к С

Т аблица 3 - Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв

'ф

фон.

Мерой интенсивности загрязнения служит коэффициент аномальности или концентрационный коэффициент Кк. На основании проведенных исследований предлагается следующая шкала интенсивности загрязнения тяжелыми металлами гумусового горизонта почв

Суммарный показатель загрязнения (2С) равен сумме коэффициентов концентраций химических элементов - загрязнителей и выражен формулой:

^С - 2 к к - (»-1),

где п - число определяемых ингредиентов;

Кк - коэффициент концентрации /'-го компонента загрязнения.

Оценка степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по показателю 2С, отражающему дифференциацию загрязнения проводится по оценочной шкале, приведенной в таблице 3.

В соответствии с данными рекомендациями исследуемые участки можно охарактеризовать по величине Ко как относительно удовлетворительную опасность суммарным загрязнением ионов ТМ; по величине Кк и

Категории загрязнения почв Величина гс Изменения показателей здоровья населения

I - Допустимая Менее 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений

II - Умеренно опасная 16 - 32 Увеличение общей заболеваемости

III - Опасная 32 - 128 Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно - сосудистой системы

IV - Чрезвычайно опасная Более 128 Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин

Т аблица 4 - Классификация почв Курской области по степени опасности

№ п/п Вариант эксперимента Содержание ионов ТМ в почвах Курской области

Чернозем, «Пашня» Серые лесные «Пашня» Чернозем, «Целина» Минеральная часть почвы

* Ко Кк * Ко Кк * Ко Кк * Ко Кк

1 Фоновое содержание Со, мг/кг* 0,34 0,07 4,25 0,16 0,03 2,00 0,14 0,03 1,75 0,26 0,05 3,25

2 Фоновое содержание N1, мг/кг* 1,16 0,29 0,39 0,89 0,22 0,30 0,8 0,20 0,27 0,87 0,22 0,29

3 Фоновое содержание Сё, мг/кг* 0,03 0,03 2,63 0,03 0,03 2,63 0,016 0,02 1,40 0,02 0,02 1,67

4 Фоновое содержание РЬ, мг/кг* 1,08 0,18 1,16 0,88 0,15 0,95 1,2 0,20 1,29 1,2 0,20 1,29

5 Фоновое содержание Си, мг/кг* 0,28 0,09 0,37 0,19 0,06 0,25 0,14 0,05 0,19 - - -

6 Фоновое содержание Zn, мг/кг* 0,43 0,02 0,26 0,44 0,02 0,26 0,35 0,02 0,21 - - -

7 Фоновое содержание Мп, мг/кг* 5,45 0,04 0,32 5,59 0,04 0,32 6,8 0,05 0,39 - - -

8 Суммарный показатель загрязнения, ^с) - - 3,38 - - 0,72 - - -0,49 - - 3,50

фоновое содержание ионов ТМ, полученное экспериментальным путем.

*

2С - допустимая категория загрязнения почвы. Интересно отметить, что чернозем окультуренный содержит больше всего загрязнений и характеризуется суммарным показателем загрязнения 3,38, что составляет 96% загрязнения минеральной части почвы. Можно предположить, что максимальное загрязнение в почвенные ком

плексы привносит минеральная часть почвы, как структура, обладающая мощным поглотительным механизмом и занимающая большую составную часть почвенной системы.

Информация об авторах

Глебова Илона Вячеславовна, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой кормления сельскохозяйственных животных и кормопроизводства, ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», E-mail: snow1968@inbox.ru, тел. 8-910-27710-70.

Гридасов Денис Сергеевич, аспирант ГБОУ ВПО «Курский государственный университет».

Тутова Ольга Алексеевна, кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры физиологии и химии ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. 8-960-693-88-95.

l8