Тяжелые металлы в пахотном слое почв Высокого Заволжья

Автор: Матвеев В.Н.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 2 т.4, 2002 года.

Бесплатный доступ

Установлено, что в пахотном слое (0...30 см) почв Высокого Заволжья содержатся мышьяк, кобальт, медь, железо, ртуть, никель, свинец, цинк и другие тяжелые металлы. В расчете на 1 га запасы тяжелых металлов в почве колеблются от 3,09...4,846 кг (Hg) до 96,4222... 145,0412 тонн (Fe). На всей посевной площади административных районов Самарской области в провинции Высокого Заволжья запасы тяжелых металлов в пахотном слое почв составляют: As - до 14256.154; Со - до 29443,377; Сu - до 69903,626; Hg - до 2227,254; Ni - до 76630,585; РЬ - до 18578,694; Zn - до 173373,168; Fe - до 74548684,54 тонн.

Короткий адрес: https://sciup.org/148197697

IDR: 148197697

Текст научной статьи Тяжелые металлы в пахотном слое почв Высокого Заволжья

Тяжелые металлы, относящиеся к числу наиболее опасных для биоты и человека загрязнителей природной среды, привлекают в настоящее время большое внимание исследователей [2, 3, 26].

Неоднократно доказана важная биологическая и биогеохимическая роль тяжелых металлов в биологических (организм, популяция) и биокосных (биогеоценоз, ландшафт и др.) системах [1, 5, 8, 11, 24, 27, 30, 31].

Установлено, что основным аккумулятором тяжелых металлов в наземных экосистемах является почва [1, 7, 10, 11, 15, 23, 24, 28]. В связи с этим интенсивно исследуется концентрация тяжелых металлов в почвенном покрове различных регионов: Подмосковье, Центральное Черноземье, Северный Кавказ, Среднее Поволжье, Западная Сибирь и др. [1-3, 7, 11, 23, 26, 28].

Подчеркнем, что, во-первых, большинство регионов России в названном направлении еще не изучены, а, во-вторых, концентрация тяжелых металлов, выраженная в процентах или в миллиграммах на килограмм (килограммах на тонну) почвы, достаточно четко не отражает реальных запасов отдельных элементов, так как для этого надо осуществить расчеты на определенную мощность (толщину слоя) и площадь почвы. Такого рода данных в научной литературе практически нет, а они необходимы для оценки биогеохимических путей миграции тяжелых металлов по трофическим цепям. Этим и продиктовано выполнение данной работы.

Материалы и методы

Исследования осуществлялись в агрофитоценозах северо-восточных административных районов Самарской области, входящих в провинцию Высокого Заволжья, западная граница которой проходит по р. Кондурче, а южная - по рекам Малый Кинель и Большой Кинель [19].

Данная территория относится к лесостепной зоне и представляет собой возвышенно-увалисто-волнистую равнину с тяжелосуглинистыми и глинистыми выщелоченными, типичными и остаточно-карбонатны-ми почвами на пахотных угодьях [19, 20].

В элементарных ландшафтах закладывались пробные площади 10 x 10 м, на которых после геоботанического описания из слоя 0...30 см с помощью лопаты отбирались усредненные образцы почвы для последующего элементного анализа, а также образцы для определения объемной массы с соблюдением общепринятых методов [1, 21]. В лабораторных условиях определяли объемную массу почвы [21], а средний образец воздушносухой почвы растирали в фарфоровой ступке, просеивали через капроновое сито с диаметром отверстий 1мм и навеску 5г помещали в маркированные пергаментные пакеты.

Элементный анализ почвенных образцов осуществлен на установке "Элеан" в Харь- ковском физико-техническом институте по характеристическому рентгеновскому излучению с относительной ошибкой средней арифметической 0,3...5,0%, что допустимо при статистической обработке [6].

Сведения о посевных площадях в исследуемых административных районах получены в управлении сельского хозяйства и продовольствия Самарской области. Содержание отдельных элементов в верхнем 30-сантиметровом слое пахотной почвы, в котором сосредоточено 60...70% корней культурных и сорных растений [11, 18], рассчитывали с учетом объемной массы почвы.

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что в пахотном слое почвы в агрофитоценозах всех административных районов Самарской области (Чел-но-Вершинский, Шенталинский, Клявлинс-кий, Исаклинский, Сергиевский. Красноярский, Кинель-Черкасский, Похвистневский, Кинельский), входящих в геоморфологическую провинцию Высокого Заволжья, содержатся тяжелые металлы: As, Со, Сг, Сu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Sr, Ti, V, Zn. С учетом того, что официальные (го сударственные) санитарно-гигиенические нормативы определены не для всех выявленных нами элементов, в данной работе мы исследовали только As, Co, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn, которые, с одной стороны, наиболее распространены, а, с другой, оказывают особо негативное воздействие на живые организмы [7, 8, 11, 24].

По действующим нормативам [4, 14, 16, 17] для изучаемых элементов приняты следующие предельно-допустимые концентрации их валового содержания в почве: As - 2; Co -50; Hg - 2; Ni - 85; Pb - 32; Zn - 100 мг/кг.

Как видно из табл.1, среднее (фоновое) содержание исследованных элементов в пахотной почве Высокого Заволжья колеблется в широких пределах, но не превышает ПДК. Исключение составляет Zn, которого в почвенном покрове Челно-Вершинского и Шен-талинского районов больше ПДК, и As, концентрация которго превосходит данный норматив повсеместно.

Однако, на отдельных полях (локально)

содержание различных тяжелых металлов может существенно превышать ПДК. Так, в Красноярском, Кинель-Черкасском районах концентрация Со на локальных участках превышает ПДК в 1,7...1,8 раз, а в Кинельском районе - в 4,2 раза. Концентрация Сu в почве на отдельных полях Челно-Вершинско-го, Клявлинского, Исаклинского, Сергиевского, Красноярского, Кинель-Черкасского, Кинельского районов составляет от 1,4 до 4,3 ПДК. Только в почвенном покрове Шенталин-ского района максимальное содержание Сu существенно меньше ПДК (табл.1).

Нами отмечены поля во всех исследованных районах, за исключением Красноярского, в почве которых содержание Ni достигает от 1,03 до 2,8 ПДК. Превышение ПДК по содержанию Zn в пахотном слое почв на отдельных полях зафиксировано во всех районах Высокого Заволжья в 1,3...5,4 раза, а Pb-в Клявлинском, Исаклинском, Сергиевском, Красноярском районах в 1,09...1,8 раза.

Наибольшее среднее содержание железа в пахотном слое почв отмечено в Челно-Вершинском и Клявлинском районах. Однако, концентрация Fe в почвенном покрове Высокого Заволжья, во-первых, сильно варьирует, а во-вторых, на локальных участках может достигать больших величин (в Сергиевском районе - 61,422, в Клявлинском-65,499 кг га) Это в 1,8...1,9 раза превышает региональный фон [11]. Установленное среднее содержание железа в пахотных почвах всех исследованных районов, за исключением Красноярского и Кинельского. также превосходит региональный фон.

Следует отметить, что среднее содержание в пахотном слое почвенного покрова Высокого Заволжья Со (Челно-Вершинский, Шенталинский, Исаклинский, Сергиевский. Красноярский, Кинель-Черкасский. Кинельский районы), Ni (Челно-Вершинский. Шен-талинский, Клявлинский, Сергиевский, Красноярский. Кинель-Черкасский. Похвис-тневский. Кинельский районы), Pb (Исаклин-ский, Сергиевский районы). Zn (Челно-Вер-шинский, Шенталинский, Клявлинский, Исаклинский, Сергиевский, Красноярский районы) превышает региональный фон [11].

Таблица 1. Концентрация тяжелых металлов в почвенном покрове Высокого Заволжья, мг/кг

Районы	As			Co
Районы	n	x±m	max	n	x±m	max
Челно-Вершинский	16	7,81 ± 1,4	17,0	16	15,5 ± 0,86	22,0
Шенталинский	28	11,9 ± 4,2	123,0	28	12,57 ± 0,51	16,0
Клявлинский	31	5,94 ± 0,88	19,0	31	15,52 ± 0,77	22,0
Исаклинский	26	5,88 ± 0,98	18,0	26	13,35 ± 0,82	20,0
Сергиевский	33	4,76 ± 0,82	17,0	33	13,58 ± 0,99	41,0
Красноярский	36	4,89 ± 0,7	14,0	36	16,22 ± 3,28	90,0
Кинель-Черкасский	35	4,74 ± 0,71	15,0	35	12,51 ± 2,23	86,0
Похвистневский	26	5,69 ± 1,03	18,0	26	12,12 ± 0,66	17,0
Кинельский	81	14,99 ± 2,33	102,0	81	20,27 ± 4,04	210,0
Районы	Cu			Fe
Районы	n	x±m	max	n	x±m	max
Челно-Вершинский	16	39,38 ± 5,17	79,0	16	43951,87 ± 1114,67	50427,0
Шенталинский	28	20,57 ± 1,47	37,0	28	34455,53 ± 1121,62	46348,0
Клявлинский	31	41,74 ± 3,84	98,0	31	44894,54 ± 2005,22	65499,0
Исаклинский	26	43,42 ± 8,69	238,0	26	40214,61 ± 118,57	58513,0
Сергиевский	33	38,42 ± 4,46	128,0	33	39424,84 ± 1235,78	61442,0
Красноярский	36	42,92 ± 5,37	159,0	36	30467,58 ± 2255,92	60030,0
Кинель-Черкасский	35	29,69 ± 3,03	84,0	35	36521,34 ± 1249,47	53786,0
Похвистневский	26	32,0 ± 2,63	56,0	26	36187,19 ± 1208,42	51224,0
Кинельский	81	30,59 ± 3,63	169,0	81	30038,07 ± 941,45	58372,0
Районы	Hg			Ni
Районы	n	x±m	max	n	x±m	max
Челно-Вершинский	16	1,0 ± 0,001	1,1	16	49,06 ± 10,76	128,0
Шенталинский	28	1,0 ± 0,01	1,01	28	44,36 ± 8,68	237,0
Клявлинский	31	1,0 ± 0,001	1,01	31	44,84 ± 8,07	138,0
Исаклинский	26	1,04 ± 0,04	2,0	26	26,0 ± 4,46	92,0
Сергиевский	33	1,03 ± 0,03	2,0	33	30,27 ± 4,63	88,0
Красноярский	36	1,11 ± 0,05	2,0	36	31,89 ± 4,38	84,0
Кинель-Черкасский	35	1,06 ± 0,04	2,0	35	44,66 ± 6,78	157,0
Похвистневский	26	1,0 ± 0,001	1,1	26	34,58 ± 8,16	169,0
Кинельский	81	1,51 ± 0,06	2,0	81	38,05 ± 3,82	119,0
Районы	Pb			Zn
Районы	n	x±m	max	n	x±m	max
Челно-Вершинский	16	6,38 ± 1,77	22,0	16	114,44 ± 12,8	203,0
Шенталинский	28	8,29 ± 1,39	27,0	28	105,82 ± 17,84	542,0
Клявлинский	31	10,81 ± 2,05	44,0	31	94,48 ± 8,14	186,0
Исаклинский	26	15,12 ± 2,34	59,0	26	97,88 ± 8,53	193,0
Сергиевский	33	12,06 ± 1,7	35,0	33	93,97 ± 7,35	221,0
Красноярский	36	9,83 ± 2,01	59,0	36	89,39 ± 7,49	219,0
Кинель-Черкасский	35	6,14 ± 1,1	20,0	35	73,49 ± 7,55	220,0
Похвистневский	26	10,3 ± 1,9	27,0	26	75,31 ± 6,62	127,0
Кинельский	81	5,88 ± 0,72	28,0	81	55,18 ± 4,46	183,0

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в пахотном слое (0...30 см) почвы в условиях Высокого Заволжья в расчете на единицу площади, кг/га

Районы	As		Co
Районы	n	x±m	n	x±m
Челно-Вершинский	16	25,773 ± 4,62	16	51,15 ± 2,84
Шенталинский	28	39,27 ± 13,86	28	41,481 ± 1,68
Клявлинский	31	18,355 ± 2,72	31	47,957 ± 2,38
Исаклинский	26	18,169 ± 3,03	26	41,252 ± 2,53
Сергиевский	33	14,708 ± 2,53	33	41,962 ± 3,06
Красноярский	36	15,697 ± 2,25	36	52,066 ± 7,38
Кинель-Черкасский	35	15,215 ± 2,28	35	40,157 ± 7,16
Похвистневский	26	17,582 ± 3,18	26	37,451 ± 2,04
Кинельский	81	48,118 ± 7,48	81	65,067 ± 12,97
Районы	Cu		Fe
Районы	n	x±m	n	x±m
Челно-Вершинский	16	129,954 ± 17,06	16	145041,17 ± 3678,41
Шенталинский	28	67,881 ± 4,85	28	113703,24 ± 3701,35
Клявлинский	31	128,976 ± 11,86	31	138724,12 ± 6196,13
Исаклинский	26	134,168 ± 26,85	26	124263,14 ± 366,38
Сергиевский	33	118,718 ± 13,78	33	121822,75 ± 3818,56
Красноярский	36	137,773 ± 17,24	36	97800,93 ± 7241,5
Кинель-Черкасский	35	85,675 ± 9,73	35	117233,5 ± 4010,79
Похвистневский	26	98,88 ± 8,13	26	111818,41 ± 3734,02
Кинельский	81	98,194 ± 11,65	81	96422,2 ± 3050,29
Районы	Hg		Ni
Районы	n	x±m	n	x±m
Челно-Вершинский	16	3,3 ± 0,003	16	161,598 ± 35,51
Шенталинский	28	3,3 ± 0,03	28	146,388 ± 28,64
Клявлинский	31	3,3 ± 0,003	31	138,555 ± 24,94
Исаклинский	26	3,214 ± 0,12	26	80,34 ± 14,34
Сергиевский	33	3,183 ± 0,09	33	93,534 ± 14,31
Красноярский	36	3,563 ± 0,16	36	102,367 ± 14,06
Кинель-Черкасский	35	3,403 ± 0,13	35	143,358 ± 21,76
Похвистневский	26	3,09 ± 0,003	26	106,852 ± 25,21
Кинельский	81	4,847 ± 0,19	81	122,14 ± 12,36
Районы	Pb		Zn
Районы	n	x±m	n	x±m
Челно-Вершинский	16	21,054 ± 5,84	16	377,852 ± 42,24
Шенталинский	28	27,357 ± 4,59	28	349,206 ± 58,87
Клявлинский	31	33,403 ± 6,33	31	291,943 ± 25,15
Исаклинский	26	46,721 ± 7,23	26	302,449 ± 26,36
Сергиевский	33	37,265 ± 5,25	33	290,367 ± 22,71
Красноярский	36	31,554 ± 6,45	36	286,942 ± 24,04
Кинель-Черкасский	35	19,709 ± 3,53	35	235,903 ± 24,23
Похвистневский	26	31,827 ± 5,87	26	232,708 ± 20,45
Кинельский	81	18,875 ± 2,31	81	177,128 ± 14,32

Это свидетельствует о том, что в названных районах, во-первых, отмечается повышенное загрязнение пахотных почв железом, кобальтом, никелем, свинцом и цинком, а, во-вторых, здесь действуют некоторые антропогенные источники данных элементов.

Содержание тяжелых металлов в 30-сантиметровом слое почв в расчете, на единицу площади отражает тот потенциальный запас, который доступен для корней растений. Наибольшие запасы As отмечены при этом в пахотной почве Кинельского, Шенталинского и Челно-Вершинского районов (25,773...48,118 кг/га), а наименьшие - в Сергиевском, Ки-нель-Черкасском и Красноярском (14,708... 15,697 кг/га) районах (табл.2).

Запасы тяжелых металлов в почве обследованных районов Самарской области подвержены существенному варьированию: Со - от 37,451 до 65,067; Сu - от 67,881 до 137,773; Hg - от 3,09 до 4,847; Ni - от 80,34 до 161,898; Рb - от 18,875 до 46,721; Fe - от 96422,2 до 145041,2 кг/га.

Причем, если наибольший запас в пахотном слое почвы As, Co и Hg характерен для Кинельского района, то Сu - для Красноярского, Fe, Ni, Zn - для Челно-Вершинс-кого, Pb для Исаклинского районов. Минимальные запасы в почве свойственны для As - в Сергиевском, Со - в Похвистневс-ком, Сu - в Шенталинском, Hg - в Похвист-невском, Ni - в Исаклинском, Fe, Zn, Pb - в Кинельском районах (табл.2).

В связи с повсеместным распространением в Высоком Заволжье глинистых и тяжелосуглинистых почв, их объемная масса варьирует незначительно: от 1,03 до 1,1 г/см3. Поэтому запасы тяжелых металлов в пахотном слое в расчете на единицу площади прямо зависят от их концентрации (табл.1 и 2). Попытка связать их с гумусированностью. эродированностью, биопродуктивностью пашни, ее обеспеченностью азотом, фосфором. калием, с климатическими условиями (атмосферные осадки, сумма активных температур), с общей оценкой техногенного загрязнения атмосферного воздуха конкретных административных районов Самарской области [9, 11, 19, 20, 22, 29] оказалась неудачной.

Таким образом, причины неравномерности в распределении тяжелых металлов в почвенном покрове исследованных районов остаются до конца не выясненными. Тем не менее, данные о запасах тяжелых металлов в корненасыщенном слое почв (табл.2) сами по себе совершенно необходимы для определения объемов отдельных элементов, извлекаемых с растениеводческой продукцией с единицы посевной площади [12, 13, 25].

Как видно из табл.3, в пахотном слое посевных площадей отдельных административных районов, входящих в провинцию Высокого Заволжья, аккумулировано от 836,382 (Клявлинский район) до 3666,688 (Кинельский район) тонн As, от 1796,417 (Шенталинский район) до 4958,235 (Кинельский район) тонн Со, от 2939,722 (Шенталин-ский район) до 12146,664 (Сергиевский район) тонн Сu, от 142,913 (Шенталинский район) до 409,496 (Кинель-Черкасский район) Hg, от 4245,326 (Исаклинский район) до 17250,841 (Кинель-Черкасский район) тонн Ni, от 1029,983 (Челно-Вершинский район) до 3812,843 (Сергиевский район) тонн Pb, от 13302,966 (Клявлинский район) до 29709,48 (Сергиевский район) тонн Zn, от 4924146,215 (Шенталинский район) до 14107175,99 (Ки-нель-Черкасский район) тонн Fe.

В рассчете на всю посевную площадь Высокого Заволжья запасы тяжелых металлов в пахотном слое почвы достигают: As - до 14256,154; Со - до 29443,377; Сu - до 69903,626; Hg - до 2227,254; Ni - до 76630,585; Pb - до 18578,694; Zn - до 173373,168; Fe - до 74548684,54 тонн. Они составляют начальное звено в биогеохимическом круговороте данных элементов.

Заключение

1. В пахотном слое почвенного покрова Высокого Заволжья содержатся тяжелые металлы (As, Со, Сг, Сu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Sr, Ti, V, Zn), из которых, повсеместно распространены As, Co, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn, Cu.
2. Средняя концентрация тяжелых металлов в почве различных районов, входящих в провинцию Высокого Заволжья, колеблется в широких пределах: As - от 4,74 до 14,99,
3. Потенциально доступные для корней растений запасы тяжелых металлов в 30-сантиметровом слое пахотных почв в расчете на 1 га составляют: As - 14,709...48,118; Со -37,451...65,067; Сu - 67,881...137,773; Hg -3,09...4,847; Ni - 80,37...161,898; Pb -18,875...46,721; Fe - 96422,2...145041,2 кг/га
4. В расчете на посевную площадь всех административных районов, входящих в провинцию Высокого Заволжья, запасы тяжелых металлов в пахотном слое почвенного покрова достигают: As - до 14256,154; Со - до 29443,377; Сu - до 69903,626; Hg - до 2227,257; Ni - до 76630,585; Pb - до 18587,694; Zn - до 173373,168; Fe - до 74548684,54 тонн. Они составляют начальное звено в биогеохимическом круговороте данных элементов.

Таблица 3. Аккумуляция тяжелых металлов в пахотном слое (0...30 см) почвы на посевных площадях Высокого Заволжья, тонн

Районы	Дз	Со	Си	Ре
Челно-Вершинский	1260,841 ± 226,01	2502,309 ± 138,93	6357,479 ± 834,59	7095559,078 ± 179951,49
Шенталинский	1700,666 ± 600,23	1796,417 ± 72,75	2939,722 ± 210,04	4924146,215 ± 160294,36
Клявлинский	836,382 ± 123,94	2185,256 ± 108,45	5877,049 ± 540,42	6321241,976 ± 282339,05
Исаклинский	960,086 ± 160,11	2179,83 8 ± 13 3,69	7089,705 ± 1418,81	6566312,844 ± 19360,25
Сергиевский	1504,878 ± 258,86	4293,426 ± 313,09	12146,664 ± 1409,93	12464538,31 ± 390703,6
Красноярский	1162,347 ± 166,61	3855,435 ± 546,48	10201,952 ± 1276,6	7242061,066 ± 536225,83
Кинель-Черкасский	1830,882 ± 274,36	4832,252 ± 861,59	10309,615 ± 1170,8 5	14107175,99 ± 482634,4
Похвистневский	1333,384 ± 241,16	2840,209 ± 154,71	7498,861 ± 616,56	8480084,578 ± 283180,61
Кинельский	3666,688 ± 569,99	4958,235 ± 988,34	7482,579 ± 887,75	7347564,484 ± 232438,2
Сумма	14256,154	29443,377	69903,626	74548684,54

	Нд	Ni	РЬ	Zn
Челно-Вершинский	161,439 ± 0,15	7920,212 ± 1737,18	1029,983 ± 285,69	18475,113 ± 2066,42
Шенталинский	142,913 ± 1,29	6339,625 ± 1240,31	1184,749 ± 198,78	15123,064 ± 2549,48
Клявлинский	150,371 ± 0,14	6313,535 ± 1136,44	1522,074 ± 288,44	13302,966 ± 1146,01
Исаклинский	169,834 ± 6,34	4245,326 ± 757,75	2468,831 ± 382,05	15982,01 ± 1392,91
Сергиевский	325,675 ± 9,21	9570,118 ± 1464,16	3812,843 ± 537,16	29709,48 ± 2323,62
Красноярский	263,836 ± 11,85	7580,174 ± 1041,13	2336,542 ± 477,62	21247,768 ± 1780,14
Кинель-Черкасский	409,496 ± 15,64	17250,841 ± 2618,47	2371,663 ± 424,78	28387,151 ± 2915,69
Похвистневский	234,339 ± 0,23	8103,442 ± 1911,87	2413,696 ± 445,17	17648,109 ± 1550,89
Кинельский	369,351 ± 14,48	9307,312 ± 941,85	1438,313 ± 176,03	13497,507 ± 1091,21
Сумма	2227,254	76630,585	18578,694	173373,168

Биология и экология

Со - от 12,12 до 20,27, Сu - от 20,57 до 43,24, Hg - от 1,0 до 1,51, Ni - от 26,0 до 49,06, Pb -от 5,88 до 15,12, Zn - от 55,18 до 114,44, Fe -от 30038,07 до 44894,54 мг/кг. На локальных участках содержание As, Co, Cu, Ni, Zn, Pb в почве превышает установленные ПДК.

Статья научная