Техногенное загрязнение фоновых территорий Южного Зауралья (на примере Троицкого заказника)

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

В Троицком заказнике отмечено накопление тяжелых металлов (Co, Mn, Zn, Pb) в поверхностных горизонтах почв, связанное, по-видимому, с воздушным загрязнением территории. Перераспределение воздушных поллютантов в почвенном покрове привело к повышению содержания некоторых тяжелых металлов в солонцовых почвах пониженных равнин. На примере клубники ( Fragaria viridis) показано приспособление растений к повышенному почвенно-геохимическому фону.

Техногенное поступление тяжелых металлов (ТМ) в воздушную среду имеет глобальный характер. Загрязнение воздуха усиливается и распространяется от населенных и промышленно развитых районов на удаленные, проявляясь даже на фоновых, особо охраняемых природных территориях (Загрязнение воздуха и жизнь растений, 1988). Накопление металлов в почвах представляет опасность для живых организмов, в том числе для растительности. По этой причине необходимо изучение содержания элементов-загрязнителей в экосистемах и прогнозирование возможных последствий дальнейшего антропогенного воздействия.

Цель данной работы – определить состояние Троицкого заказника как особо охраняемой природной территории, выявить наличие загрязнения и характер накопления ТМ в разных компонентах экосистем: почвах и растениях.

Биогеохимический фон заказника определяется в первую очередь химизмом почвообразующих пород. Установлено, что в желто-бурых карбонатных суглинках уровень содержания Ni, Cr, Mn, Cu, Mo выше кларков литосферы, а количество Co, Pb и Zn меньше или равно кларкам (табл. 1).

Наличие металлов в четвертичных суглинках связано с расположением на Урале и в Зауралье месторождений руд и пород, обогащенных тяжелыми металлами. Включение элементов в природную миграцию определяет формирование территорий с повышенным почвенно-биогеохимическим фоном.

Почвы в значительной степени наследуют особенности химического состава почвообразующих пород, однако в результате почвообразования содержание ТМ может существенно измениться. Ус- тановлено, что уровень накопления Pb, Zn, Cu в почвах заказника в 4–6 раз выше кларков почв мира (по Виноградову), а Ni, Co, Cr, Mn и Sr в 1.2–3 раза; уровень Mo приближается к кларкам.

Природный уровень содержания ТМ в почвах существенно трансформируется техногенным загрязнением. В Зауралье особую роль в этом процессе играет усиливающееся загрязнение воздушной среды. Широко распространены такие аэраль-ные поллютанты, как свинец, цинк, марганец, которые переносятся на значительные расстояния и аккумулируются в почве и растительности (Челябинская область.., 1995; Комплексный доклад…, 2002). Относительно повышенное содержание в почвах заказника Pb, Zn не связано с химизмом почвообразующих пород, по-видимому, идет привнос этих элементов из атмосферы.

Как известно, поступление техногенных поллютантов из воздуха сопровождается загрязнением поверхностных слоев почв (Елпатьевский, 1991). Было проведено сравнение содержания ТМ в поверхностных слоях черноземов и солонцов и их содержания в материнской породе. Повторность определения содержания 10-кратная, достоверность различий оценена математически.

Материнская порода по сравнению с верхними слоями почв характеризуется достоверно повышенным количеством Cr, в ходе почвообразовательных процессов содержание этого элемента в почвенных горизонтах уменьшается (табл. 2). Отмечено большее накопление в почве остальных элементов (кроме Мо), чем в материнской породе; при этом достоверные различия установлены по Co, Mn, Zn, Pb, Sr.

Таблица 1

Объект	Ni	Co	Cr	Mn	Cu	Zn	Pb	Mo	Sr
Почвообразующая порода	84	16	460	1140	86	54	10,4	3,2	116
Кларк по Виноградову	58	18	83	1000	47	83	10	2	-

Таблица 2

Содержание ТМ в луговом солонце, мг/кг

Слой, см	Ni	Co	Cr	Mn	Cu	Zn	Pb	Mo	Sr
0–5	90	25	320	1660	95	253	54	1,89	330
10–15	93	24	310	1630	93	186	48	2,31	350
140–150	84	16	460	1140	86	54	10	3,2	116

Примечание. Жирным шрифтом выделены элементы, по которым различия в содержании ТМ достоверны.

Содержание ТМ в почвообразующей породе Троицкого заказника, мг/кг

Биогенная аккумуляция микроэлементов в верхних горизонтах характерна для почв, формирующихся на породах с низким уровнем их содержания (пески, выщелоченные каолинитовые породы). Выше указано, что почвообразующие породы и почвы Троицкого заказника достаточно обеспечены этими элементами. Вероятно, накопление ТМ обусловлено не избирательной аккумуляцией растений в ходе почвообразования, а дополнительным их поступлением из воздушной среды.

Солонец характеризуется значительным накоплением цинка, верхний слой гумусового горизонта содержит цинка на 26% больше, чем нижний слой этого горизонта. Ближайшим источником поступления цинка и других ТМ в экосистемы заказника может служить Троицкая ГРЭС. По остальным ТМ не установлено достоверных различий между дву мя верхними слоями (0–5 и 10–15 см) солонца.

Существуют механизмы перераспределения воздушных мигрантов в почвенном покрове, связанные с характером рельефа, растительности, наличием геохимических барьеров и др. (Ильин, 1991, Добровольский, 1998, и др.). В Троицкой лесостепи в зависимости от рельефа может идти миграция элементов с последующей аккумуляцией в понижениях. Установлено, что черноземы на гриве содержат меньше ТМ, чем солонцы пониженных равнин (табл. 3). По сравнению с черноземом верхний слой солонца содержит достоверно больше Co (разница составила 23%), Mn (30%), Cu (7%) и Pb (28%). Выше было показано, что этими же элементами в большей степени обогащены верхние горизонты почв, чем материнская порода (табл. 2).

Таблица 3 лугового и чернозема обыкновенного, мг/кг

Содержание элементов в слое 0–5 см солонца

Почва	Ni	Co	Cr	Mn	Cu	Zn	Pb	Мо	Sr
Солонец	90	25.0	320	1660	95.0	253	54.0	1.9	330
Чернозем	83.3	20.3	344	1278	88.9	220	42.2	1.5	333
t 05 *	1.0	2.38	0.51	3.09	2.09	1.14	2.85	0.2	0.3

Примечание. t 05* – критерий Стьюдента опытный, теоретический = 2.1. Жирным шрифтом выделены элементы, по которым различия в содержании ТМ достоверны

При высоком уровне содержания ТМ в окружающей среде экологически важно оценить интенсивность накопления элементов растениями. У растений существуют эффективные механизмы защиты от загрязнителей (Ильин, 1991; Ковалевский, 1991; Шемякина, Шушминцева, 2005). В условиях заказника клубника (Fragaria viridis (Duch.) Weston) обитает на луговых солонцах и черноземах. Проведено сравнение содержания ТМ в надземных и подземных органах клубники, произрастающей в различных почвенногеохимических условиях. Оказалось, что один и тот же вид растений отличается по химическому составу. Надземные органы клубники на солонце содержат достоверно больше Co, Mo, Cr и Mn, чем на черноземе (рис. 1). В корнях Cu и Zn концентрируются клубникой на солонце, однако Cr и Mo интенсивнее накапливаются растением на черноземе (рис. 2).

Из названных элементов техногенными загрязнителями солонцовой почвы являются Со, Cu, Zn, Mn, однако в отношении техногенного и токсичного Pb у клубники на разных почвах не установлено существенных различий. Некоторое количество ТМ задерживается на уровне корней, не поступая в надземные органы, чтобы обеспечить нормальный метаболизм и репродукцию. Это могут быть адсорбционные процессы на эпидерме корней, задержка в вакуолях, экзоцитоз (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Нестерова, 1989).

Повышенное содержание Мо и Cr в клубнике на солонце, возможно, обусловлено повышенной подвижностью этих анионогенных элементов в щелочных почвенных водах солонца.

Рис. 1. Содержание ТМ в надземных органах клубники, мг/кг золы

Рис. 2. Содержание ТМ в корнях клубники, мг/кг золы

Таким образом, установлено, что экосистемы Троицкого заказника развиваются в условиях повышенного биогеохимического фона, обусловленного химизмом почвообразующих пород и воздушным загрязнением. Исследования по оценке уровня опасности накопления ТМ и прогнозу экологических последствий загрязнения продолжаются.