THE SAMARA REGION MAIN SOIL TYPES HEAVY METALS ACCUMULATION

Full Text

Антропогенная деятельность вызывает изменения в структуре и функциях природных экосистем: под воздействием мощных факторов загрязнения меняются направления и темпы миграции химических элементов, перемещаются зоны их выноса и накопления. Одним из таких факторов являются тяжелые металлы (ТМ). Благодаря высокой биологической активности ТМ, попадая в почву, включаются в той или иной степени в биологический круговорот. Ухудшение экологической обстановки в Самарской области требует изучения естественных биогеоценозов с новой точки зрения [1-4]. Цель исследований – прогнозирование экологического состояния земель сельскохозяйственного назначения Заволжской провинции степной зоны. Задача исследований – выявление закономерностей распределения тяжелых металлов (Fe, Cr, Cu, Zn, Pb, Mn и Cd) в почвенном профиле темно-каштановых, серых лесных почв и черноземов (южном, обыкновенном, типичном, выщелоченном и оподзоленном). Материалы и методы исследований. Объектами исследований послужили зональные почвы Заволжской провинции степной зоны (темно-каштановые почвы, черноземы южные, обыкновенные и типичные), Предуральской провинции лесостепной зоны (темно-серые лесные почвы и черноземы выщелоченные) и Среднерусской провинции лесостепной зоны (черноземы оподзоленные) Самарской области [5]. В ходе исследования 2011-2012 гг. на кормовых угодьях были заложены почвенные разрезы глубиной 1,5 м, из которых был произведен отбор почвенных проб через каждые 30 см [6, 7]. Результаты исследований показали, что содержание гумуса в верхнем слое темно-каштановой почвы составляет 3,6%, темно-серой лесной почвы – 5,8%. Обследованные черноземы являются малогумусными с содержанием гумуса в верхнем горизонте 4,1-5,8%. Реакция среды почвенного раствора темно-каштановой почвы и чернозема южного слабощелочная (рН сол. – 7,5 и 7,1 соответственно), чернозема обыкновенного, выщелоченного и типичного – нейтральная (рН сол. – 6,0-6,6), чернозема оподзоленного и темно-серой лесной почвы – слабокислая (рН сол. – 5,4 и 5,5 соответственно). Обеспеченность подвижным фосфором темно-каштановой почвы и чернозема южного очень низкая (7,2-17,6 мг/кг почвы), чернозема обыкновенного – низкая (48,3 мг/кг почвы), темно-серой лесной почвы и чернозема типичного – средняя (67,5-68,5 мг/кг почвы), чернозема обыкновенного – повышенная (121,8 мг\кг почвы). Обеспеченность темно-каштановой почвы и чернозема южного обменным калием очень низкая (2,1-14,7 мг/кг почвы), чернозема обыкновенного и выщелоченного – средняя (51,0-72,6 мг/кг почвы), чернозема оподзоленного – повышенная (113,5 мг/кг почвы), темно-серой лесной почвы и чернозема типичного – высокая (128,4-135,0 мг/кг почвы). Содержание легкогидролизуемого азота в почвенных образцах колеблется от 33,6 до 47,6 мг/кг почвы, что соответствует оптимальному уровню для нормального роста и развития растений. По механическому составу описываемые почвы легкоглинистые (содержание «физической глины» составляет 50,7-59,7%). В таблице 1 приведены данные по содержанию валовых и подвижных форм ТМ в почвах обследованных участков, основные нормативы содержания ТМ и фоновое их содержание. Таблица 1 Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в профиле основных типов и подтипов почв Самарской области, мг/кг Слой почвы, см Элементы Pb Cd Fe Zn Cu Mn Cr 1 2 3 4 5 6 7 8 Темно-каштановая почва 0-30 4,20* 15,30 0,04 0,12 - 11885,60 0,60 64,80 0,20 21,20 56,30 728,70 0,10 26,40 30-60 4,80 14,90 0,06 0,07 - 11465,30 0,70 66,50 0,20 21,00 63,10 554,50 0,30 25,00 60-90 5,60 14,90 0,04 0,07 - 22697,00 1,00 57,40 0,30 21,90 61,0 493,60 0,30 24,20 90-120 5,80 14,60 0,08 0,08 - 22253,30 0,50 65,60 0,30 21,50 51,40 536,60 0,40 23,00 120-150 6,00 15,30 0,10 0,06 - 23444,20 0,50 68,90 0,30 22,10 62,80 628,90 0,40 25,30 Фон [8] 14,70 0,45 10410,00 42,80 14,40 625,00 26,80 Чернозем южный 0-30 2,20 14,90 0,05 0,08 - 23663,10 0,20 71,40 0,09 21,20 20,30 719,90 0,07 27,80 30-60 2,50 13,90 0,02 0,05 - 20159,90 0,50 65,50 0,13 19,70 24,60 691,50 0,20 22,90 60-90 4,10 13,90 0,06 0,07 - 20446,20 0,50 64,30 0,18 18,80 45,30 638,60 0,40 21,10 90-120 2,20 13,80 0,05 0,07 - 23445,00 0,40 67,90 0,06 19,50 28,70 683,10 0,20 24,40 120-150 4,20 14,10 0,06 0,06 - 23676,70 0,50 66,50 0,29 18,60 55,10 627,80 0,40 18,30 Фон 12,30 0,70 11100,00 34,90 14,10 560,00 11,20 Чернозем обыкновенный 0-30 1,70 12,50 <0,02 0,11 - 30863,70 1,40 67,40 <0,01 21,60 22,70 646,00 0,15 24,00 30-60 1,70 11,60 <0,02 0,11 - 20646,80 0,80 69,80 <0,01 18,60 14,80 643,00 0,15 20,40 60-90 2,90 11,80 <0,02 0,08 - 28423,00 0,50 53,70 <0,01 17,20 29,00 565,60 0,15 18,90 90-120 4,70 12,60 <0,02 0,10 - 27954,70 0,40 54,30 0,03 16,70 48,10 539,60 0,40 14,40 120-150 5,40 12,60 <0,02 0,08 - 19497,40 0,60 36,50 0,26 16,60 64,40 338,40 0,50 12,40 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Фон 13,50 0,80 12810,00 37,90 11,30 360,00 17,90 Чернозем типичный 0-30 0,25 7,30 0,07 0,28 - 30458,00 0,11 54,10 0,16 16,70 25,60 702,00 1,18 40,20 30-60 0,35 7,40 0,04 0,31 - 29896,00 0,08 53,70 0,24 15,80 16,40 461,0 0,92 37,20 60-90 0,14 7,30 0,05 0,32 - 26932,00 0,13 56,00 0,47 15,00 31,00 482,00 0,12 54,90 90-120 0,15 5,30 0,06 0,26 - 20907,00 0,18 59,00 0,99 13,90 23,60 421,00 н/обн 19,90 120-150 0,40 5,20 0,06 0,24 - 20776,00 0,20 51,00 0,96 19,30 24,70 393,00 н/обн 23,90 Фон 14,60 0,82 11240,00 32,90 13,40 540,00 28,00 Чернозем выщелоченный 0-30 0,21 12,00 0,06 0,43 - 21302,00 0,09 36,80 0,19 20,40 9,67 619,00 7,57 64,80 30-60 0,58 13,50 0,05 0,44 - 20721,00 0,25 36,90 0,18 20,70 25,20 746,00 4,45 63,20 60-90 0,66 14,40 0,10 0,46 - 21200,00 2,71 36,80 0,24 17,50 24,40 518,00 5,67 62,00 90-120 1,35 10,30 0,09 0,53 - 22113,00 0,30 36,70 1,85 19,60 15,20 770,00 7,16 50,90 120-150 0,78 11,50 0,03 0,45 - 28959,00 0,22 36,80 0,91 22,40 17,50 782,00 3,26 76,40 Фон 12,60 0,78 10830,00 34,90 15,00 500,00 49,60 Чернозем оподзоленный 0-30 0,25 7,40 0,03 0,08 - 5351,10 0,30 29,10 <0,01 9,80 51,80 523,80 0,07 16,60 30-60 <0,2 2,40 <0,02 0,07 - 11007,80 0,07 30,80 <0,01 3,30 10,00 89,80 0,04 9,60 60-90 0,20 4,20 <0,02 0,02 - 12110,50 0,02 24,50 <0,01 6,10 2,10 40,20 <0,01 22,70 90-120 0,20 3,80 <0,02 <0,02 - 5842,50 0,03 26,60 <0,01 5,90 2,30 43,20 <0,01 24,40 120-150 0,40 4,50 <0,02 <0,02 - 13000,40 0,04 27,10 <0,01 6,60 2,20 52,00 <0,01 26,70 Фон 12,70 0,54 7360,00 28,20 10,30 342,00 19,30 Темно-серая лесная почва 0-30 0,60 20,10 <0,02 0,07 - 15553,30 0,70 89,3 <0,01 28,6 63,60 1785,9 0,23 30,5 30-60 0,60 18,00 <0,02 <0,02 - 21901,40 0,06 89,3 <0,01 27,7 44,50 1944,1 0,15 34,6 60-90 0,90 20,40 <0,02 0,13 - 26257,50 0,05 69,1 <0,01 26,8 51,90 3335,6 <0,01 29,5 90-120 0,90 18,30 <0,02 <0,02 - 17766,60 0,03 79,8 <0,01 35,6 19,40 1452,6 <0,01 41,8 120-150 1,20 21,40 <0,02 <0,02 - 18299,80 0,03 70,1 <0,01 36,4 22,40 1675,1 <0,01 39,3 Фон 13,40 0,50 9100,00 31,1 9,8 455 16 ПДК [9] 6,00 32,00 1,00 2,00 - 38000,00 23,00 220,0 3,00 132,0 140,00 1500,0 6,00 100,00 Примечание: *над чертой – содержание подвижных, под чертой – валовых форм ТМ. Содержание ТМ в обследованных почвах ниже норм ПДК [9], кроме Mn, содержание валовой формы которого в темно-серой лесной почве превышает ПДК в 1,2 раза и подвижной формы Cr, содержание которой в черноземе выщелоченном выше ПДК в 1,3 раза. Хотя для исследования были выбраны относительно благоприятные в экологическом плане участки, достаточно удаленные от различных источников загрязнения, такие показатели говорят о поступлении Mn и Cr из вне. Во всех обследованных почвах наблюдается низкое содержание подвижных форм Zn (0,02-1,40 мг/кг почвы), при недостатке которого в растениях происходит нарушение процессов синтеза хлорофилла, белкового, углеводного и фосфорного обмена веществ. Верхние горизонты всех обследованных почв характеризуются низким содержанием подвижных форм Cu (<0,01- 0,20 мг/кг), при недостатке этого элемента в доступной форме для растений, происходит задержка роста, потеря тургора, развиваются хлорозы листьев. Высокое содержание подвижной формы Mn (20,3-63,6 мг/кг почвы) наблюдается в верхних горизонтах всех почв, что благоприятно для нормального роста и развития растений, кроме чернозема выщелоченного, верхний горизонт которого характеризуется низким содержанием подвижного Mn (9,67 мг/кг почвы) [7, 10]. По сравнению с фоновым содержанием [8] содержание валовых форм ТМ повысилось в 1,2-2,7 раза, кроме Cd, содержание валовой формы которого в почвах обследованных участков снизилось по сравнению с фоновым содержанием в 3,8-8,8 раза. Кроме того, содержание валовых форм Pb, Fe, Cu и Cr в черноземе оподзоленном по сравнению с фоновым содержанием снизилось в 1,1-1,7 раза. Содержание валовой формы Pb ниже фонового в черноземах обыкновенном, типичном, выщелоченном, оподзоленном в 1,1-2,0 раза. По содержанию валовых форм ТМ в профиле различных типов почв наблюдается следующая тенденция: в черноземе обыкновенном с глубиной постепенно снижается концентрация Cu, Mn и Cr в 1,3-1,9 раза, содержание Cd уменьшается в черноземе оподзоленном на 12,5-71,4%; содержание Fe уменьшается в черноземе типичном в 1,5 раза. Во всех типах почв отмечается постепенное увеличение с глубиной содержания подвижной формы Pb в 1,4-3,7 раза. В профиле чернозема оподзоленного и темно-серой лесной почвы наблюдается снижение с глубиной концентрации подвижных форм Zn, Mn и Cr на 64,8-95,8%. Увеличивается с глубиной содержание подвижных форм Cu и Cr в темно-каштановой почве, черноземе южном и обыкновенном, Zn – в черноземе южном, Cu – в черноземе типичном в 1,5-26 раз (рис. 1, 2). Рис. 1. Содержание подвижной формы Cu в почвах: 1 – темно-каштановая почва; 2 – чернозем южный; 3 – чернозем обыкновенный; 4 – чернозем типичный; 5 – чернозем выщелоченный; 6 – чернозем оподзоленный; 7 – темно-серая лесная почва Рис. 2. Содержание валовой формы Cu в почвах: 1 – темно-каштановая почва; 2 – чернозем южный; 3 – чернозем обыкновенный; 4 – чернозем типичный; 5 – чернозем выщелоченный; 6 – чернозем оподзоленный; 7 – темно-серая лесная почва Распределение ТМ в почвенном профиле зависит от наличия и расположения геохимических барьеров. Так, взаимодействуя с органическим веществом почв, в гумусовом горизонте аккумулируются валовые формы всех ТМ в черноземах южном и обыкновенном, валовые формы Pb, Cd, Mn и Cr – в темно-каштановой почве, валовые формы Pb, Cd, Mn и Cu – в черноземе оподзоленном и валовые формы Fe и Mn – в черноземе типичном. В оподзоленном горизонте выявлены минимальные концентрации валовых форм Pb, Cu, Cr, подвижной формы Pb. В верхнем горизонте темно-серой лесной почвы аккумулируются подвижные формы Zn, Mn, Cr. По общему содержанию ТМ в разных типах почв наблюдается следующая картина: минимальное значение характерно для чернозема оподзоленного, максимальное (в 2,7 раза выше) – для чернозема типичного. Суммарный показатель загрязнения почвы отражает степень опасности загрязнения почв комплексом элементов [9]. По величине этого показателя исследуемые почвы отнесены к категории с допустимым уровнем загрязнения, Zc (по Fe, Cr, Cu, Zn, Pb, Mn и Cd) колеблется в пределах 0,17-8,98. Максимальное значение суммарного показателя загрязнения почвы характерно для темно-серой лесной почвы, минимальное – для чернозема оподзоленного. Статистическая обработка материалов исследований позволила выявить наличие положительной корреляционной зависимости между содержанием валовых форм Pb и Zn (r = 0,72), что отражает сходную направленность биохимической миграции в процессе почвообразования. Аккумуляция подвижных форм Cr в исследованных почвах находится в прямой зависимости от его валового содержания (r = 0,74). При увеличении рН почвенного раствора увеличивается содержание подвижной формы Pb (r = 0,71). В исследованных почвах выявлен высокий уровень положительной корреляционной связи (r = 0,74-0,99) содержания Pb, Cu и Cr, а также валовых форм Zn, Mn и Cd гумусового слоя с материнской породой. Выводы: 1) Почвы земель сельскохозяйственного назначения Самарской области в основном являются экологически чистыми по содержанию ТМ. Загрязнение почв ТМ носит единичный и локальный характер. 2) Выявлено недостаточное содержание в обследованных почвах подвижной формы микроэлементов – Zn (0,02-1,40 мг/кг почвы) и Cu (<0,01-0,20 мг/кг почвы), Mn – в черноземе выщелоченном (9,67 мг/кг почвы); избыточное Mn – в остальных типах почв (20,3-63,6 мг/кг почвы). 3) Природные и техногенные элементы по-разному аккумулируются в различных типах почв: Mn и валовые формы Pb, Zn, Cu накапливаются в темно-серой лесной почве, подвижные формы Pb и Cu – в темно-каштановой почве, Fe и подвижный Zn активнее аккумулируются в черноземах обыкновенных, Cr и Cd – в черноземах типичных и выщелоченных. 4) Выявлены парные корреляционные зависимости между содержанием валовых форм Pb и Zn (r = 0,72), подвижных форм Cr от их валового содержания (r = 0,74), подвижной формы Pb – от рН почвенного раствора (r = 0,71), а также между содержанием Pb, Cu, Cr и валовых форм Zn, Mn и Cd в гумусовом слое и материнской породе (r = 0,74-0,99). Рекомендации: 1) Необходимо выявить и по возможности ликвидировать или обезвредить источники загрязнения Cr и Mn, снизить концентрацию этих токсикантов до допустимых значений. 2) На темно-каштановой почве как более чувствительной к загрязнению ТМ рекомендуется проведение экологического мониторинга. 3) При ведении сельскохозяйственного производства на обследованных почвах необходимо учитывать недостаточное содержание Zn и Cu и вносить микроудобрения: сернокислые Zn и Cu, ЖУСС-3 и пр. [10].

About the authors

S V Ishkova

FSBEI HVE «Samara State Agricultural Academy»

Email: s-ishkova@mail.ru
post-graduate course student 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, 2 Uchebnaya str

References

Supplementary files