Влияние тяжёлых металлов на плодородие почв Челябинской области

Загрязнение почв тяжёлыми металлами в высоко урбанизированных районах с развитой промышленностью является проблемой, затрагивающей многие регионы мира [1–10]. Накопление тяжёлых металлов в плодородном слое почвы приводит не только к аккумуляции их в сельскохозяйственной продукции [1, 2, 4, 5], но в дальнейшем снижает плодородие почв. Особенно это актуально для Южного Урала, где развитое сельское хозяйство находится в близком соседстве с масштабными промышленными зонами. Выбросы промышленных предприятий, преимущественно металлургического комплекса, а также твёрдые отходы с высоким содержанием тяжёлых металлов постоянно загрязняют сельскохозяйственные угодья, вызывая эрозионные процессы и сниженая плодородие почв. Одним из основных показателей антропогенной нагрузки на почву является содержание в ней тяжёлых металлов. В первую очередь оценке подлежат такие металлы как кадмий, никель, свинец, медь и хром [11, 12]. Ранее исследователями [11] было обнаружено, что значительное загрязнение земель Челябинской области тяжёлыми металлами наблюдается в степной зоне, что связано с рассеиванием и осаждением на подстилающую поверхность компонентов выбросов промышленных предприятий Магнитогорска и Троицка. Наибольшая концентрация загрязнений отмечается вблизи крупных промышленных центров: Челябинска, Магнитогорска, Троицка, Верхнего Уфалея и близлежащих к ним районов (Агаповского, Верхнеуральского, Сосновского, Красноармейского и Еткульского). В данной работе приводятся результаты исследований важнейших свойств выщелоченных и обыкновенных черноземов в Верхнеуральском, Октябрьском и Сосновском районах Челябинской области за период 2006–2015 гг.

Экспериментальная часть

Исследования проводились в период с 2006 по 2015 года. Почвенные разрезы делались в Октябрьском, Верхнеуральском и Сосновском районах. Точечные пробы отбирали на пробной площадке из двух горизонтов методом конверта с глубины от 0 до 5 и от 5 до 20 см массой 0,5 кг в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб» и ГОСТ 17.4.02–84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб почв для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».

Определение кобальта в почве производили фотометрическим методом на фотометре фотоэлектрическом «КФК-3-01» согласно ГОСТ Р 50687-94 «Почвы. Определение подвижных соединений кобальта по методу Пейве и Ринькиса в модификации ЦИНАО». Определение меди, цинка, свинца и кадмия проводили по методикам, приведённым в [14] с использованием атомноабсорбционного спектрофотометра «Квант-2АТ».

Обсуждение результатов

Значительная часть земель Сосновского района находится в зоне антропогенного влияния промышленных предприятий г. Челябинска. Исследования на территории племзавода (ПЗ) «Россия в Сосновском районе показали, что миграция тяжёлых металлов в почвах, прилегающих к территории ЧМК, имеет гумусово-аккумулятивный характер. Максимальная аккумуляция Pb, Cd, Cu, Ni, Zn проявляется в верхних горизонтах почвы. Это связано со способностью металлов образовывать комплексы с органическими веществами в составе почвы и, таким образом, накапливаться в горизонтах, богатых гумусом (табл. 1).

Таблица 1

Валовое содержание тяжёлых металлов в почве на территории племзавода «Россия» Сосновского района, мг/кг почвы

Горизонты почвы	Pb	Cu	Ni	Cd	Zn
A (гумусовый)	34,20	87,16	36,7	3,71	146,7
AB (второй гумусовый)	10,40	38,90	34,50	3,16	51,40
B (переходный)	9,60	58,17	41,4	3,08	96,40
ПДК (ОДК) (мг/кг) с учетом фона	32,00	3,00	4,00	1,00	23,00

Наблюдается накопление тяжёлых металлов в верхнем горизонте почвы, затем происходит некоторое снижение их концентрации в горизонте AB и затем увеличение в горизонте B.

Мониторинг показал, что исследуемые залежные почвы в Сосновском районе относятся к чернозему выщелоченному, по гранулометрическому составу – среднесуглинистые. Структура почвы зернистая и мелкокомковатая.

Ранее было выявлено, что содержание и накопление тяжёлых металлов зависит от концентрации подвижного фосфора (P₂O₅) в почве [11]. Это можно объяснить тем, что тяжёлые металлы образуют со свободными фосфат ионами нерастворимые фосфаты состава: Pb 3 (PO 4 ) 2 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , Zn₃(PO₄)₂. Данные соединения аккумулируются в почве и обеспечивают повышенный уровень валового содержания металлов, одновременно снижая содержание подвижного фосфора. Подобные результаты отмечаются и на землях Магнитогорской промышленной зоны.

Если в 2012 году на фоне слабокислой реакции почвенного раствора (рН 4,8–5,5) наблюдалось повышенное содержание тяжелых металлов, а именно: содержание меди, никеля и цинка значительно превышало ПДК, а концентрация кадмия была несколько выше ОДК (с учетом фоновых концентраций) [15]. Однако в 2015 году превышение ПДК по данным элементам не наблюдалось. Это связано с тем, что за летний период 2015 года выпало в 2,2 раза больше осадков, чем в 2010 и 1,5 раза больше, чем в 2012 году. В связи с этим массовая доля тяжелых металлов (медь, свинец, кадмий, цинк) была нулевой.

Подобные исследования химического анализа пахотных и залежных почв были проведены в 2010 году в Октябрьском районе. Для чего было сделано два почвенных разреза – на пашне и на залежи, где определялось содержание тяжелых металлов по горизонтам. Результаты данных исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2 Валовое содержание тяжёлых металлов в почве на территории с. Подовинное Октябрьского района, мг/кг почвы

	Горизонт, см	Подвижные формы
№ пробы		Pb	Cu     \	Ni      \	Cd     \	Zn     \	Co
Разрез №1 (пашня в обработке)
1	0–10	0,14/10,88	0,03/17,60	1,50/24,20	0,08/0,15	0,26/68,94	0,13/7,07
2	10–20	0,11/10,66	0,02/16,30	1,32/25,23	0,04/0,15	0,14/63,7	0,07/7,26
3	20–50	0,14/10,21	0,02/16,30	1,03/23,40	0,05/0,08	0,11/53,26	0,04/5,92
4	50–100	0,38/9,48	0,06/15,10	0,70/21,50	0,06/0,09	0,09/51,14	0,05/4,55
Разрез №2 (залежные земли)
5	0–10	0,06/10,05	0,02/19,90	1,64/21,44	0,03/0,08	0,29/66,2	0,06/6,49
6	10–20	0,23/10,60	0,03/18,00	1,12/22,40	0,04/0,07	0,04/63,87	0,05/6,46
7	20–50	0,18/10,21	0,02/20,42	1,38/20,42	0,05/0,09	0,24/63,14	0,07/6,77
8	50–100	0,47/9,00	0,10/20,24	0,67/20,24	0,08/0,09	0,15/62,15	0,03/5,04
ПДК (ОДК), мг/кг		32,0	3,0	4,0	1,0	23,0	5,0

Примечание : в числителе – кислотнорастворимые формы, в знаменателе – подвижные формы .

Для того, чтобы проследить за процессами, протекающими на необработанных землях, и изучить причины изменения их состояния, были отобраны пробы в 2003–2008 гг. в южной лесостепи на опытном поле учебного хозяйства Верхнеуральского агролицея № 133. Результаты анализа почв опытного участка приведены в табл. 3.

Таблица 3 Результаты химического анализа образцов опытного участка, мг/кг почвы. Верхнеуральский район (2003–2008 гг.)

№ пробы	Горизонт, см	Pb	Cu	Ni	Cd	Zn	Co
1	0–10	0,14/12,88	0,03/21,6	1,50/34,2	0,08/0,15	0,26/78,9	0,13/7,07
2	10–20	0,11/12,66	0,02/30,3	1,32/35,2	0,04/0,15	0,14/73,7	0,07/7,26
3	25–40	0,19/10,21	0,02/16,3	1,03/29,45	0,05/0,08	0,01/53,2	0,04/5,92
4	40–70	0,08/9,48	0,06/15,1	0,70/24,5	0,06/0,09	0,09/51,8	0,05/4,55
5	70–100	0,08/9,8	0,10/17,1	0,67/27,2	0,08/0,09	0,15/62,7	0,4/5,04
ПДК (ОДК), мг/кг		32,0	3,0	4,0	1,0	23,0	5,0

Примечание : в числителе – кислотнорастворимые формы, в знаменателе – подвижные формы.

Установлено, что в первые два года на заброшенных землях преобладали корнеотпрысковые сорные растения (осот полевой, бодяк полевой, молочай лозный, вьюнок полевой), они являлись доминирующими видами и составляли более 80 % биомассы. На третий год на залежных землях корнеотпрысковые сорняк, а также некоторые виды однолетних начинают выпадать из травостоя, увеличивается доля таких видов как тысячелистник, пырей ползучий, смолевка хлопушка, овсяница луговая, на пятый – восьмой год начинают доминировать залежные виды растений, появляется полынь обыкновенная, льнянка обыкновенная, пижма обыкновенная, трехреберник непахучий, чина луговая, оносма простейшая и др. [16].

Морфологический верхний (0–10 см) горизонт характеризуется большой насыщенностью корнями степной растительности. На пашне в слое 0–10 см объем корней достигает 637 см³ на 1 м², на залежи 2 года – 875 см³, на пятилетней залежи – 1820 см³ на 1 м². Насыщенность почвы корнями в слое 0–10 см на залежных землях по сравнению с пашней (горохо-овсяные смеси) возрастает: в среднем в 3 раза. Определение интенсивности выделения СО 2 по методу В.И. Штатного в 0–10 см показало увеличение биологической активности почвы на залежных почвах в сравнении с пашней. Так, под горохо-овсом на пашне выделялось 0,48 г/см³ СО 2 , а на пятилетней залежи – в 1,2 раза больше.

Особый интерес и практическую ценность имеет структура и плотность сплочения залежных почв черноземов. По данным исследованиям содержание агрегатов (0,25 до 10 мм при сухом просеивании почвы на второй год залежи составляло 69,3 %, на пятилетней содержание агрегатов увеличилось на 5,8 %, а на восьмилетней залежи на 8 % и составляло 79,4 %. Одно их важнейших свойств почвы – плотность сложения, которая для большинства полевых культур находится в пределах 1,1–1,2 г/см3 в проводимых исследованиях на черноземе обыкновенном на целине в слое 0–10 см она составляла 1,24 г/см3, на залежи второго года – 1,26 г/см3.

В первые годы после перевода пашни в залежные земли наблюдается уплотнение почвы, затем за счет увеличения массы корней растений происходит ее разуплотнение. На пашне наименьшая плотность наблюдалась после рапса – 1,02 г/см3, наибольшая – после пшеницы и горохо-овсяной смеси, около 1,18–1,15 г/см3 соответственно.

Заключение

Повышенная концентрация тяжёлых металлов в почвах Южного Урала связана со сложными геоморфологическими условиями и с воздействием антропогенных факторов. Почвенный покров вблизи промышленных зон характеризуется высоким содержанием Zn, Cu, Cd, Ni. Содержание тяжёлых металлов отрицательно влияет на основные свойства почвы, в особенности на микрофлору, подвижные формы фосфора, который является лимитирующим фактором для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Перевод земель в залежные способствует накоплению органического вещества и снижает отрицательное действие тяжёлых металлов.

Изменение черноземов выщелоченных и обыкновенных после пяти и восьмилетнего пребывания их в залежном состоянии приводит к изменению видового состава растений, накоплению органического вещества, значительному увеличению корней, возрастанию биологической активности почвы. В результате изменяются основные агрофизические свойства почв: на пяти и восьми летней залежи уменьшается плотность сложения, улучшается структура верхней части бывшего обрабатываемого пахотного слоя. Для ввода их в сельскохозяйственный оборот необходима дифференцированная технология обработки почвы, использование гербицидов, удобрений и мелиорантов в зависимости от сроков пребывания в залежи, что приводит к снижению содержания тяжёлых металлов в почве и повышению её плодородия.