Антропогенное изменение содержания подвижных форм тяжелых металлов в зависимости от глубины их концентрации в пахотном слое чернозема выщелоченного

Введение. Особый интерес в группе загрязняющих веществ почвы представляют тяжелые металлы как в подвижной, так и валовой формах. [ 1,5 ] Особенность тяжелых металлов как загрязнителей определяется следующими специфическими свойствами, отличающими их от других загрязнителей:

• -    говоря о тяжелых металлах как о загрязнителях, следует предполагать их концентрацию в пределах техногенных аномалий, вызванных природными или техногенными процессами, в десятки и сотни раз превышающую нормальное среднестатистическое (фоновое) их содержание в почвах незагрязненных ландшафтов [ 1, 2 ] . Тяжелые металлы сложно соотносятся с микроэлементами, под которыми подразумеваются элементы, требующиеся для растительных и животных организмов (по А.П. Виноградову) и содержание которых измеряется величинами n x 10 ^-2 - n x 10 ^-5 %. Они необходимы для нормального протекания метаболических процессов в растениях, содержатся в клеточном веществе всех живых организмов, а их недостаток приводит к резкому ухудшению процессов обмена веществ, гибели растений и животных; [ 1,2 ]

• -    тяжелые металлы способны накапливаться в растительности и животных организмах (в том числе организме человека) до высокотоксичных уровней, вызывая снижения их жизненных функций, а также приводя к гибели;

• -    тяжелые металлы активно включаются в биологический круговорот, что приводит к быстрому (активному) загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред (питьевой воды, воздуха и пищевых продуктов), то есть они обладают высокой технофильностью, как показателем интенсивности их участия в загрязнении среды обитания человека [ 3, 4 ] . Например, рассеивание ртути и свинца в среде обитания составляет 80-90% от их годового производства;

• -    в отличие от органических загрязняющих веществ тяжелые металлы не подвержены деструкции. В ходе миграции они могут изменять уровень содержания или форму нахождения. Накапливаясь в почвах, тяжелые металлы крайне медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (удаление половины от начальной концентрации) для почв в условиях лизиметра сильно варьирует: для цинка – от 70 до 510 лет, кадмия – от 13 до 1100 лет, меди - от 310 до 1500 лет, свинца - от 740 до 5900 лет [ 1, 6 ] .

Особый интерес представляют источники загрязнения тяжелыми металлами почв земель сельскохозяйственного назначения. Среди основных сельскохозяйственных источников поступления тяжелых металлов в почву выделяются орошение сточными водами, применение различных видов органических и минеральных удобрений, загрязнение производственными отходами, отходами животноводства и быта. В этом отношении особого внимания требуют почвы земель сельскохозяйственного назначения в связи с необходимостью нормирования количества загрязняющих веществ в почве. Важнейшим условием организации земледелия на загрязненных территориях является детальная, научно-обоснованная информация об уровнях загрязнения почв сельскохозяйственных угодий [ 4, 5 ] .

Цель исследования: анализ оценки степени изменения плодородия черноземных почв сельскохозяйственных земель, нарушенных размещением и захламлением бытовыми отходами и земельными работами, на основании результатов лабораторного исследования почвенных проб, взятых с нарушенной земельной территории на глубине почвы 0-5 см.

При этом решению подлежат следующие задачи:

• 1.    Оценить характер антропогенного изменения содержания подвижных форм тяжелых металлов в зависимости от источника загрязнения.

• 2.    Установить количественные градации интенсивности накопления подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое черноземных почв.

• 3.    Выявить степень количественного содержания исследуемых тяжелых металлов в почвах в зависимости от размещения на них отходов различного происхождения.

• 4.    Показать различные оценочные категории почв в зависимости от интенсивности выведения тяжелых металлов из почвы.

Объекты и методы исследования. В 2022 году были проведены исследования почвенных проб, взятых с территории участка сельскохозяйственного назначения. Отбор образцов проводили согласно требованиям:

• – ГОСТ 17.4.3.01-2017 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб».

  – Медь (подвижная форма) – РД 52.18.289-90-Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома и марганца) в пробах почвы атомноабсорбционным анализом.

  – Свинец (подвижная форма) – РД 52.18.289-90-Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома и марганца) в пробах почвы атомноабсорбционным анализом.

  – Цинк (подвижная форма) – РД 52.18.289-90-Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта,хрома и марганца) в пробах почвы атомноабсорбционным анализом.

Результаты и обсуждения. В таблице 1 представлены данные о количественных градациях степени накопления подвижных форм меди, свинца и цинка в пахотном горизонте чернозема выщелоченного в слое 0-5 см.

Таблица 1 – Количественные градации степени накопления подвижных форм тяжелых металлов в пахотном горизонте черноземных почв (слой 0-5 см).

Степень содержания форм тяжелых металлов	Количественная градация для Cu подв. мг/кг	Количественная градация для Pb подв. мг/кг	Количественная градация для Zn подв. мг/кг
I очень низкая	0,22-0,39	0,80-0,90	30,0-40,0
II низкая	0,40-0,53	0,91-1,0	40,01-50,0
III средняя	0,54-0,66	1,01-1,10	50,01-60,0
IV высокая	0,67-1,98	1,11-1,45	60,01-65,0

Интерес представляет характер распределения подвижных форм тяжелых металлов в почве черноземных сельскохозяйственных земель в зависимости от характера и интенсивности накопления исследуемых тяжелых металлов в связи с размещением на почвах отходов различного происхождения. Так, нами установлена количественная градация накопления подвижных форм металлов в категориях «очень низкая» степень накопления, «низкая», «средняя» и «высокая» степени концентрации изучаемых форм тяжелых металлов в пахотном слое черноземных почв.

Так, для разных количеств подвижных форм меди нами выявлены следующие почвенные градации в количественном содержании «очень низкое» содержание в пределах 0,22-0,39 мг/кг; «низкое» 0,40-0,53 мг/кг; «среднее» 0,54-0,66 мг/кг; «высокое» 0,67-1,98 мг/кг (рис. 1).

Средневзвешенное количество подвижной меди для «очень низкой» категории оценки составило 0,29 мг/кг. При этом количество почвенных проб, попадающих в данную категорию, как видно из диаграммы, достигало 35,7% из всех исследуемых почвенных проб.

Интерес представляет характер количественного и качественного изменения исследуемых почвенных проб на глубине 0-5 см по степени накопления в них подвижной меди в категории «низкое» содержание подвижной меди 0,40-0,53 мг/кг Так, количество почвенных проб, попадающих в эту категорию, составило 35,7% (5 шт.) из всех исследуемых почвенных проб.

Почвенные исследования показали интенсивность накопления в черноземной почве в поверхностном слое 0-5 см подвижной меди в категории «средняя» степень накопления от 0,54-0,66 мг/кг только в двух почвенных пробах из всех исследуемых, что составило 14,3 %.

При этом «высокая» степень накопления подвижной меди выявлена в 2 почвенных пробах, в которых содержание подвижной меди изменялось в пределах 0,67-1,98 мг/кг, а средневзвешенное количество в исследуемых почвах достигало 1,345 мг/кг.

Процентное содержание количества подвижных форм меди в почвенных пробах всех степеней

I очень низкая

II низкая

III средняя

IV высокая

Рисунок 1 – Процентное содержание количества подвижных форм меди в почвенных пробах всех степеней концентрации

Выполненные исследования по определению степени градационных количественных изменений в содержании подвижных форм свинца в исследуемых почвах показали следующие градации количественного содержания подвижного свинца в категориях: «очень низкое» количество в пределах 0,80-0,90 мг/кг; «низкое» 0,91-1,0 мг/кг; «среднее» 1,01-1,10 мг/кг; «высокое» 1,11-1,45 мг/кг.

Согласно установленных градационных категорий содержания подвижных форм свинца в исследуемых почвах нами выявлено, что средневзвешенное количество подвижного свинца в категории «очень низкое» содержание составило 0,8575 мг/кг, при этом количество почвенных проб, попадающих в данную категорию, достигало 57,1% из всех исследуемых почвенных проб.

Интерес представляет характер количественного и качественного изменения исследуемых почвенных проб на глубине 0-5 см по степени количественного содержания в них подвижного свинца с «низкой» категорией оценочного содержания – 0,91-1,0 мг/кг. Так, количество почвенных проб, попадающих в эту категорию, составило 14,3% (2 шт) из всех исследуемых почвенных проб.

Почвенные исследования показали интенсивность накопления в черноземной почве в поверхностном слое 0-5 см подвижного свинца в количестве 1,01-1,10 мг/кг («средняя» категория накопления) только в трех почвенных пробах из всех исследуемых или в 21,4 %.

При этом «высокая» степень накопления подвижного свинца в пределах 1,111,45 мг/кг выявлена только в одной почвенной пробе, в которой средневзвешенное количество подвижных форм свинца достигало 1,45 мг/кг (рис. 2).

Процентное содержание количества подвижных форм свинца в почвенных пробах всех степеней концентрации

I очень низкая

II низкая

III средняя

IV высокая

Рисунок 2 – Процентное содержание количества подвижных форм свинца в почвенных пробах всех степеней концентрации

В результате исследования пахотного слоя черноземных почв на глубине 0-5 см нами были установлены следующие градации количественного содержания цинка для следующих оценочных категорий: «очень низкое» содержание в пределах 30,0-40,0 мг/кг; «низкое» 40,01-50,0 мг/кг; «средняя» 50,01-60,0 мг/кг; «высокая» 60,01-65,0 мг/кг

К «очень низкой» степени концентрации подвижных форм цинка в результате исследования нами были отнесены всего 2 почвенных пробы из всех исследуемых 15 почвенных проб, что составило 13,3 %.

Как видно из данных диаграммы, количество почвенных проб, попадающих в «низкую» оценочную категорию составило 33,3% (5 шт) из всех исследуемых почвенных проб. Средневзвешенное количество подвижного цинка для данной категории оценки составило 43,056 мг/кг.

По итогам проведенного нами исследования поверхностного слоя 0-5 см черноземной почвы интенсивное накопление подвижного цинка в «средней» оценочной категории - 50,01-60,0 мг/кг было обнаружено в трех почвенных пробах из всех исследуемых, что составило 20,1%.

Из всех 15 почвенных проб «высокая» степень накопления подвижного цинка была выявлена в 5 исследуемых образцах, в которых содержание изменилось в пределах 60,01-65,0 мг/кг, что составило 33,3%. Для данной категории количественного содержания подвижного цинка средневзвешенное значение составило 61,872 мг/кг.

Процентное содержание количества подвижных форм цинка в почвенных пробах всех степеней концентрации

I очень низкая

II низкая

III средняя

IV высокая

Рисунок 3 – Процентное содержание количества подвижных форм цинка в почвенных пробах всех степеней концентрации

Выводы.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы, подтвержденные результатами исследований:

• 1.    Установлены количественные почвенные градации содержания подвижных форм меди, свинца, цинка в категориях «очень низкое»; «низкое» ; «среднее»; «высокое» для каждого исследуемого металла.

• 2.    Доказаны качественные изменения в количественном содержании подвижных форм тяжелых металлов: меди, свинца, цинка в зависимости от биологических особенностей металла-загрязнителя.

• 3.    Выявлено изменение степени количественного накопления тяжелых металлов – меди, свинца, цинка в зависимости от характеристики источника загрязнения.