Агроэкологическая оценка степени воздействия различных уровней содержания тяжелых металлов в светло-серой лесной почве на интенсивность роста газонных трав

Загрязненная тяжелыми металлами почва может участвовать в механизме передачи многих заболеваний. Заражение человека микроорганизмами, влияние ксенобиотиков, содержащихся в почве, может происходить через грунтовую воду, пыль, грызунов, мух, овощи, при ранениях и непосредственном контакте во время сельскохозяйственных и земляных работ. Достаточно загрязняется почва вредными промышленными веществами, такими как хром, ртуть, медь, цинк, мышьяк, свинец, нефтепродукты, никель, вольфрам, олово и др. К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отбросы производства. В нашей стране ежегодно образуется свыше 1 млрд т промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичны. Огромные площади земель заняты свалками, золо-отвалами, хвостохранилищами и др., которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к самоочищению, как известно, ограничена.

В России в разных сферах производственной деятельности (сельскохозяйственной, медицинской и природоохранной) используются наборы биотестов, регламентированные к применению для оценки качества почв. Установлены реестры методик экотоксикологического анализа в трех разных сферах: контроле агроценозов (при оценке безопасности продукции и плодородия почв), санитарно-эпидемиологическом контроле (при определении уровня вредного воздействия относительно безопасности для здоровья человека) и экологическом контроле природных экосистем (с целью характеристики биоразнообразия и сбалансированного развития).

Для анализа почв в агроценозах обычно применяются семена высших растений. Тест-параметрами для них служат показатели прорастания: всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания, а также показатели интенсивности начального роста семян (длина корней, длина зеленых проростков, масса корней, масса зеленых проростков) [1].

Деградация почв вызывает ухудшение состояния растений и уменьшение периода их биологической активности. При загрязнении почв тяжелыми металлами изменяется ряд биологического поглощения и интенсивность накопления элементов растениями из твердой фазы почвы. При загрязнении почв в связи с ухудшением условий произрастания отмечается увеличение доли корневой части в сравнении с наземной, уменьшение продолжительности жизни растений. При этом поглощая тяжелые металлы и другие токсиканты, растительный покров в значительной степени влияет на устойчивость почв к деградации под влиянием антропогенных воздействий. В связи с этим возрастает экологическая роль разных типов насаждений и отдельных растений в создании экологически безопасных условий в антропогенно-напряженных территориях [3].

В связи с этим для оценки характера действия тяжелых металлов в окружающей среде и степени их токсичности широко используются методы биоиндикации.

В наших исследованиях была сделана попытка установить степень фитотоксичности антропогенно-нарушенных почв по ингибированию роста и развития проростков травосмесей - клевер луговой (красный) «Малиновый лужок», широко используемых для озеленения газонов и установления их устойчивости к тяжелым металлам при проведении фиторемедиации почв [2].

Скорость поглощения металлов зависит от pH почвенного раствора, содержания органических веществ, гранулометрического состава, а также концентрации других ионов.

Объектами исследования служили ключевые участки с удалённостью 20 м и 300 м от шлакового отвала в д. Большое Думчино, Мценского района, Орловской области, в качестве фоновой светло-серой лесной почвы исследовали участок, ненарушенный техногенным воздействием, где изучали типичную для данной местности светло-серую лесную почву (AlbicLuvisols, Aj-светлогумусовый горизонт 020 см) с различным уровнем антропогенного воздействия шлакового отвала. Образовавшийся шлаковый отвал в настоящее время представляет собой холм высотой 30-40 м, сложенный сыпучим материалом, который расположен вблизи населённого пункта д. Большое Думчино (1 км). С северо-восточной и восточной стороны к отвалу примыкает лесной массив, а с остальных сторон его окружает пашня, используемая в настоящее время под многолетние травы. Алюминийсодержащий шлак АООТ ЦМиС-физико-химические свойства солевого отвального шлака: сыпучий металл, фракции 3 мм, цвет светло-серый, водородный показатель водной вытяжки Рн-8, основные фазы-хлорид калия (KCI), хлорид натрия (NaCl), оксид алюминия (Al₂O₃), оксид кремния (SiO₂). Наличие аммиака свыше 30 мг/м³, в сухой пробе (шлаковый отвал) наличие аммиака не обнаружено. Отсевы солевого алюминиевого шлака относятся к IV классу малоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества в промышленности. Классификация и общие требования» (табл. 1.).

Таблица 1 - Химический состав солевого отвального шлака (д. Б. Думчино)

Элементы соединения	Содержание, %	Элементы соединения	Содержание, %	Элементы соединения	Содержание, %
Al	2,82	Ca	0,2	Cu	0,66
Al2O3	16,26	Na	2,42	Co	н/о
Si	4,90	K	3,74	Cd	0,004
Mg	1,74	Cl	2,00	Sn	0,018
Fe	1,70	Ti	0,085	SO 4	0,28
Zn	0,64	Mn	0,15	Ni	н/о

Исследуемые почвенные пробы отбирались по методу конверта следующим образом: в центре и по углам квадрата 1х1 м брали 5 равных образцов почвы, затем их смешивали и получали интегральную почвенную пробу. Содержание валовых и подвижных форм тяжёлых металлов определяли в аммиачно-ацетатном буферном растворе, рН 4,8 методом атомно-абсорбционной спектроскопии (ГОСТ 30178-96).

Результаты исследований . Интерес представляют данные о накоплении подвижных форм тяжелых металлов в светло-серых лесных почвах на разном удалении от источника загрязнения – шлакового отвала (табл. 2). Наибольшее количество подвижных форм исследуемых тяжелых металлов установлено в исследуемой светло-серой лесной почве на удалении от шлакового отвала в 20 м в условиях 2010 г., а в почве с удалённостью от отвала на 300 м отмечается закономерное уменьшение абсолютных количеств подвижных металлов, исключение составили данные о содержании подвижной меди, её количество возрастало на 0,34 мг/кг в почвах опытных площадок, удалённых от отвала 300 м.

Таблица 2 – Содержание подвижных форм тяжёлых металлов в светло-серых лесных почвах д. Большое Думчино

Годы исследо вания	Удалённость, м	Элементы, мг/кг сух в-ва						Zc
		Cd	Сu	Сr	Ni	Рb	Zn
2010 год	20	0,29 +0,03	1,76 +0,02	0,30 +0,01	3,87 +0,02	0,75 +0,01	4,17 +0,05	9,15
	% от валового содержания	45,31	1,84	1,52	5,55	6,92	2,78
	300	0,23 +0,01	2,16 +0,05	0,18 +0,01	3,49 +0,03	0,68 +0,04	3,87 +0,01	8,3
	% от валового содержания	46,0	2,88	0,94	7,65	7,39	3,16
2016 год	20	0,012	4,67 +0,05	2,1 +0,05	0,79 +0,01	10,86 +0,34	4,88 +0,03	9,60
	% от валового содержания	5,22	1,49	12,07	2,24	15,9	2,81
	300	0,009	0,23 +0,01	0,16 +0,02	0,03	11,1 +0,03	0,17 +0,01	6,098
	% от валового содержания	4,09	0,96	1,33	0,17	58,73	0,29
ФОН	Фоновая почва	0,3 +0,07	1,5 +0,03	0,9 +0,03	0,7 +0,06	1,82 +0,04	4,6 +0,44
	% от валового содержания	33,3	12,2	2,5	4,67	2,36	34,33

Однако, степень подвижности исследуемых тяжелых металлов возрастала с увеличением удалённости от источника загрязнения. Так, самый наибольший процент подвижных форм металлов установлен для кадмия – от 45,31 % до 46,0 %, для свинца – от 6,92 % до 7,39 %, никеля – от 5,55 % до 7,65 % от валового их содержания. При этом самый высокий коэффициент суммарного загрязнения установлен в гумусовом слое почвы в непосредственной близости к шлаковому отвалу 9,15 ед. С увеличением удалённости от источника загрязнения количество подвижных форм исследуемых металлов слабо изменяется, что обусловило высокое значение суммарного коэффициента 8,3 ед., который незначительно отличается от интенсивности загрязнения почвы в непосредственной близости к источнику загрязнения.

Исследованиями установлено влияние фактора времени на изменение количества и качественного состава подвижных форм тяжелых металлов. Так, в условиях 2016 г. отмечается закономерное абсолютное снижение количества изучаемых тяжелых металлов: содержание подвижного кадмия на опытных площадках вблизи шлакового отвала (20 м) снижается в 24 раза. С увеличением удалённости до 300 м от отвала количество подвижных форм кадмия за период 2010-2016 гг. снижается в 25,5 раза, при этом установлено резкое снижение степени подвижности кадмия с 45-46 % от валового содержания в почве в условиях 2010 г. до 4,09-5,22 % в условиях 2016 г. Изменение степени подвижности тяжелых металлов способствовало увеличению суммарного коэффициента накопления тяжелых металлов до 9,60 ед. вблизи шлакового отвала и до 6,098 ед. в почве, удалённой от шлакового отвала на 300 м.

В условиях незагрязненных фоновых светло-серых лесных почв самый высокий процент подвижных форм тяжелых металлов показан для цинка – 34,33 %, кадмия – 33,3 %, меди – 12,2 %, никеля – 4,67 %, хрома – 2,5 %, свинца – 2,36 %.

Показано, что доля металлов, извлекаемых из пробы почвы аммонийно-ацетатным буфером с рН=4,8, в непосредственной близости к шлаковому отвалу убывает в ряду: Zn˃Ni˃Cu˃Pb˃Cr˃Cd, при удалении почвы от источника загрязнения на 300 м доля металлов убывает в ряду: Zn˃Ni˃Cu˃Pb˃Cd˃Cr в условиях 2010 г.

В почвенно-климатических условиях 2016 г. доля исследуемых металлов убывает для почвы в непосредственной близости к шлаковому отвалу в ряду: Pb˃Zn˃Cu˃Cr˃Ni˃Cd, а при удалении почвы от источника загрязнения доля металлов убывает в ряду: Pb˃Cu˃Zn˃Cr˃Ni˃Cd.

Проведенными исследованиями показана зависимость роста и развития всходов семян клевера от интенсивности накопления тяжелых металлов в верхнем горизонте светло-серой лесной почвы, испытывающей воздействие шлакового отвала п. Думчино, а также величины pH, содержания органического вещества, гранулометрического состава, степени подвижности кадмия и свинца. Для светлосерой лесной почвы, антропогенно-измененной под действием шлакового отвала, отмечается изменение всхожести семян клевера от 68,2% вблизи отвала до 62,2% с удалением от отвала на 300 м, что связано с изменением гранулометрического состава от среднесуглинистого в непосредственной близости к отвалу до легкосуглинистой на удалении 300 м, при этом величина кислотности колеблется в пределах pH 6,5-6,9 (табл. 3).

Таблица 3 – Влияние степени загрязнения тяжелыми металлами слоя 0-20 см светло-серой почвы на массу, высоту проростков клевера красного и рыхлокустовых злаковых трав (трава газонная «Полисад»)

£ S к о з | ° ‘ $ = о £ ГО I— Инга > о to	го *-о $ 2 Е к ° го 2 -о о. О с	га О щ й g 5 о £о о £	° СО з н ~ о >х Ф X Q.	н о ф о X о 03	о 2	О т Q.	о; о Ф го Т Z 3 X 2 Е е	о N	ф m 3 С н Ф И о Л ° о о с z
									73 о	0.
клевер красный
20 м	0,47	0,12	58	68,2	1,43	6,50	39,02	43,11	5,22	15,9
300 м	0,53	0,09	52	61,2	2,34	6,90	27,54	5,41	4,09	58,73
Фоновая почва	0,39	0,09	49	57,6	1,55	4,9	28,1	-	33,3	2,36
трава газонная «Полисад»
20м	0,17	0,14	63	61,2	1,43	6,50	39,02	43,11	5,22	15,9
300м	0,14	0,12	68	66,0	2,34	6,90	27,54	5,41	4,09	58,73
Фоновая почва	0,21	0,15	71	68,9	1,55	4,9	28,1	-	33,3	2,36

Степень подвижности кадмия была наибольшей в непосредственной близости к отвалу, а степень подвижности свинца самая наибольшая при удалении почвы от отвала на 300 м и составила, 58,73%, что и обусловило колебания в высоте растений от 3,5 см до 2,98 см и изменения сырой массы растений от 0,47 г до 0,53 г, а сухой массы растений – от 0,12 до 0,09 г, при удалении шлакового отвала на 20 м и 300 м соответственно. Исследования состояния проростков клевера красного на изучаемых почвогрунтах, отличающихся интенсивностью накопления валовых и подвижных форм тяжелых металлов, показало различную реакцию растений на концентрацию тяжелых металлов, таких как кадмий и свинец [5-8].

Для проростков клевера условия светло-серой легкосуглинистой почвы менее благоприятны для всхожести и развития растений клевера (рис. 1). Так, на светлосерых лесных почвах установлено самое наименьшее количество проросших растений – 49 шт. проростков и самая низкая всхожесть – 57,6%. По величине сырой массы проростки клевера в условиях светло-серой лесной почвы величина сухой массы проростков составила 0,9 г. Таким образом, почва, как чрезвычайно гетерогенная среда с большим количеством питательных элементов, представляют собой сложный объект для биотестирования. Результат экспериментального тестирования почв во многом зависит от условий биотестирования, свойств самой почвы и выбора тест-организма.

СВЕТЛО СЕРАЯ Л ЕСНАЯ ЗОНА влияния ШЛАКОВОГО ОТВАЛА

Рисунок 1 – Проростки клевера красного на исследуемых образцах антропогенно-изменённой светло-серой лесной почвы д. Большое Думчино (шлаковый отвал)

В условиях светло-серых лесных почв, испытывающих воздействие шлаковых отходов металлургического производства, показано, что, чем выше уровень накопления тяжелых металлов, тем ниже общее количество проросших растений злаковой травосмеси и величина их сырой и сухой массы (рис. 2). Так, в непосредственной близости к отвалу, общее количество проросших растений составило 63 шт., сырая масса которых достигала 0,18 г, а сухая масса 0,15 г. При большем удалении от шлакового отвала количество проросших растений увеличивалось до 68 шт., а величина их сырой и сухой массы изменялась незначительно и составила 0,14 г и 0,13 г соответственно. Для фоновой светло-серой лесной почвы количество проросших растений злаковой смеси составило 71 шт. проростков, сырая масса которых составила 0,21 г, а сухая масса проростков 0,15 г.

СВЕТЛО СЕРАЯ ЛЕСНАЯ kALBlCLUVISOLS, с ветлогумусовый

ГОРИЗОНТ 0-20СМ>

ЗОНА влияния ШЛАКОВОГО ОТВАЛА (П. ДУМЧИНО)

20м  150м 300м 450м

20м 150м 300м 450м

Рисунок 2 - Проростки травы газонной на исследуемых образцах антропогенно-преобразованной светло-серой лесной почвы д. Большое Думчино

Нашими исследованиями показано, что для повышения эффективности биотестирования необходимо чётко отрабатывать условия подготовки проб с учётом особенностей химического и агрегатного состава почвенных образцов и выбора биотест-систем, то есть, для разных видов поллютантов необходимо подбирать методы с учётом диапазона их чувствительности и расширять спектр методик биотестирования, предназначенных для экотоксикологической оценки почв.

Выводы. Комплексными научно-экспериментальными исследованиями экотоксикологического состояния почв антропогенно-трансформированных территорий светло-серых лесных почв в зонах экстремальных техногенных воздействий шлаковых отходов (д. Большое Думчино Орловской области) доказана самая высокая плотность загрязнения почв металлами территорий с воздействием отходов металлургического производства.

Показано значительное варьирование количества тяжёлых металлов в гумусовых горизонтах антропогенно преобразованной светло-серой лесной почвы в зоне экстремального техногенного воздействия шлакового отвала по ключевым участкам с закономерным снижением количества как валовых, так и подвижных форм исследуемых тяжёлых металлов и величины коэффициента суммарного загрязнения (Zс) с увеличением удалённости от источника загрязнения в зоне действия шлакового отвала (Zс) с 43,1 до 5,41 ед. (вал.) и с 9,6 до 6,1 ед. (подв.)

Установлено, что с увеличением интенсивности накопления тяжёлых металлов и величины коэффициента суммарного накопления их в светло-серой лесной почве отмечается ингибирование роста и развития растений клевера и злаковой травосмеси, ухудшение их физиологического состояния.