Содержание тяжелых металлов в почве после распашки залежи первой стадии сукцессии

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ ПОСЛЕ РАСПАШКИ ЗАЛЕЖИ ПЕРВОЙ СТАДИИ СУКЦЕССИИ

Семенова Е.И., Титова В.И., Митянин И.О.^,

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия,

Нижний Новгород, Россия

Аннотация

Исследования проведены на залежном участке с серыми лесными суглинистыми почвами площадью 17 га, распложенном в Первомайском районе Нижегородской области. Изучено влияние утилизации отходов спиртовой промышленности на состояние залежных земель по основным санитарно-гигиеническим показателям - содержанию валовых и подвижных соединений тяжелых металлов. Флористический состав исследуемого участка представлен интенсивно развитой сорно-рудеральной растительностью и луговыми травами. При обследовании участка были отобраны 6 объединенных почвенных проб из слоев 0-10 см и 10-30 см соответственно, каждая из которых составлена из 10 точечных. Результаты обработаны методом вариационной статистики. Изучаемая почва имеет нейтральную реакцию среды, низкое содержание гумуса и высокое и очень высокое содержание подвижных форм фосфора и калия соответственно. Значительное превышение фоновых показателей при определении валового содержания тяжелых металлов отмечено лишь у цинка в 1,9 и 1,4 раза в верхнем и нижнем слое соответственно. Со-держание валовых форм тяжелых металлов на обследуемой территории существенно ниже ОДК, что свидетельствует о благоприятном санитарно-гигиеническом состоянии территории. Содержание подвижных форм тяже-лых металлов при сравнении с фоном превышает его показатели у свинца и кадмия в горизонте 10-30 см, у цинка - в горизонте 0-10 см. При этом содержание подвижных форм всех тяжелых металлов значительно ниже показателей ПДК. Степень подвижности тяжелых металлов была относительно низкой по сравнению с фоновыми показателями, за исключением кадмия.

Ключевые слова: залежь, сукцессия, тяжелые металлы, серая лесная почва, агрохимические показатели.

Abstract

The studies were conducted on a long-kept site with gray forest clay-loam soils with an area of 17 hectares located in the Pervomaisky district of the Nizhny Novgorod region. The influence of waste disposal from alcohol industry on the state of long-kept sites was studied by the basic sanitary and hygienic indicators and namely the content of gross and mobile compounds of heavy metals. The floral composition of the study area is represented by intensively developed ruderal vegetation and meadow grasses. When examining the site, 6 combined soil samples were taken from layers of 0-10 cm and 10-30 cm, respectively, each of them composed of 10 point samples. The results are processed by the method of variation statistics. Studied soil has a neutral reaction of the medium, low humus content and high and very high content of mobile forms of phosphorus and potassium, respectively. A significant excess of background indicators in determining the gross content of heavy metals was noted only in zinc by 1.9 and 1.4 times in the upper and lower layers, respectively. The content of gross forms of heavy metals in the study area is significantly lower than the UEC, which indicates a favorable sanitary and hygienic condition of the territory. When compared with the background, the content of mobile forms of heavy metals exceeds its indicators for lead and cadmium in the horizon of 10-30 cm, for zinc - in the horizon of 0-10 cm. Moreover, the content of mobile forms of all heavy metals is much lower than the LOC. The degree of mobility of heavy metals was relatively low compared to background values, with the exception of cadmium.

Keywords: deposit, vegetational change, heavy metals, gray forest soil, agrochemical indicators.

Введение

Возврат залежных земель в активное сельхозпроизводство - одна из общегосударственных задач, способствующих рациональному ис-пользованию земель сельскохозяйственного назначения и увеличению про-изводства кормов для животноводства [1], [2], [3]. В России в настоящее время очень много земель сельскохозяйственного назначения не используются и зарастают [4], [5]. Здесь, однако, необходимо подчеркнуть, что брошенные, необрабатываемые земли есть и в других странах. Причин этому много: ухудшения в инфраструктуре и отсутствие цивилизации [6], потеря бизнеса [7], недостаток свободных средств на поддержание активного земледелия [8] и мн.др.

Такие земли находятся на разных стадиях сукцессионного развития, при которых изменения в характеристиках почв проявляются по-разному. Так, В.Ф. Дричко с соавт. [9] отмечают изменения кислотно-основных параметров и состава гумуса, а А.В. Леднев и А.В. Дмитриев [10] - изменения основных агрохимических и агрофизических показателей. Отдельные авторы констатируют ухудшение экологического состояния почв: повышение пожароопасности [11] и значительное ухудшение фитосанитарной обстановки [12]. Многое при этом зависит от возраста залежи (стадии сукцессии), характера и условий её содержания.

Целью исследований было изучение состояния почв участка, в течение 5 лет необрабатываемого и периодически используемого для утилизации отходов спиртового производства, по основным санитарно-гигиеническим показателям - валовому содержанию и содержанию подвижных форм тяжелых металлов (ТМ).

утилизация отходы почва тяжелые металлы

Условия и методы проведения исследований

Земельный участок площадью 17 га находится в Первомайском районе Нижегородской области.

Исследуемый участок представляет собою территорию, занятую интенсивно развитой сорно-рудеральной растительностью и луговыми травами. Растительный покров неоднороден, что вызвано, в том числе, сильно выраженным микро- и мезорельефом территории. До введения данного участка в залежь на нем выращивались зерновые культуры. Почвенный покров района исследования представлен серыми лесными суглинистыми почвами, глубина пахотного горизонта составляет 30 см.

Для оценки содержания ТМ в почве и, учитывая, что верхняя часть почвенного профиля испытывает более интенсивную нагрузку, отбор проб выполнили дифференцировано: из слоя 0-10 см и 10-30 см. Отбор проб проведен в соответствии с «Методами отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» (ГОСТ 17.4.4.02-2017). Учитывая пространственную неоднородность участка, обусловленную различным рельефом его отдельных частей, а также разнообразием растительного покрова, при обследовании были выделены 6 площадок размером 0,05 га (10 х 50 м), с каждой из которых отбирали один объединенный образец, составленный из 10 прикопок. Агрохимические показатели определяли в объединенных по глубине почвы образцах (0-30 см).

Анализы выполнены в Центральной научно-методической ветеринарной лаборатории в соответствии с общепринятыми методиками: приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО (ГОСТ 26483-85), определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011), определение содержания органического вещества по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). Валовые и подвижные формы ТМ определяли в соответствии с «Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства» (М., 1992, 63 с.).

При трактовке результатов использовали градации, общепринятые в агрохимической практике [13]. Результаты анализов обработаны методом вариационной статистики с определением размаха варьирования, ошибки средней арифметической и коэффициента вариации признака, а также средневзвешенного значения [14].

Результаты и обсуждение

Агрохимическое состояние почв участка можно охарактеризовать по данным, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Агрохимические показатели почвы, среднее по участку

Примечание: lim - размах варьирования; M - среднее значение показателя, m. - ошибка среднего, V - коэффициент вариации

Результаты анализа показывают, что почвы имеют нейтральную реакцию среды (более 6,0 единиц рН), что значительно выше значения, характерного для зональных серых лесных почв. Отмечена аномально высокая для зональных почв обеспеченность почв биогенными элементами - подвижным фосфором и калием: их содержание по существующей градации обеспеченности почв в основном приурочено к диапазону высоких и очень высоких значений. При этом имеет место значительная вариабельность результатов - по фосфору приближается к 50%, а по калию - к 30%. Вероятнее всего, что эта особенность почвенного покрова есть следствие использования территории в целях утилизации органосодержащих отходов производства местных предприятий и, прежде всего, спиртзавода, находящегося поблизости.

Нейтральная реакция среды и высокое содержание биогенных элементов являются причиной бурного развития растительности, относящейся преимущественно к сорно-рудеральным видам, произрастающим на богатых элементами питания почвах, а также к луговому разнотравью. В целом агрохимические свойства почвы характеризуются значительной вариабельностью, что, безусловно, связано с их ранее осуществленным антропогенным преобразованием из-за утилизации отходов.

Санитарно-гигиеническое состояние почв участка оценивали по содержанию тяжелых металлов (табл. 2). Известно, что в составе отходов спиртзавода (барда, фугат) обычно присутствует некоторое количество элементов данной группы. Так, используемая после- спиртовая барда имела следующие характеристики: содержание сухого вещества - 3,7 %; кислотность - 4,3 ед. рН; массовая доля примесей тяжелых металлов (в пересчете на сухое вещество): свинец - 35, кадмий - 8, цинк - 36, медь - 8, хром - 10, никель - 13, марганец - 16, кобальт - 10 мг/кг [15]. Это дает основание признать их потенциальным источником загрязнения почв, используемых для стихийной утилизации отходов.

Таблица 2 - Валовое содержание тяжелых металлов в почве, мг/кг

Примечание: * - ГН 2.1.7.2042-05. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических ве-ществ в почве; ** - по данным ФГБУ ЦАС «Нижегородский» - [16]

Содержание свинца в почвах обследованного участка во всех случаях существенно ниже ОДК, однако несколько превышает фон. При этом более высокая средняя концентрация металла обнаружена в слое 10-30 см.

Следует отметить, что фоновые концентрации тяжелых металлов для Нижегородской области устанавливаются Государственным центром агро-химической службы «Нижегородский» на основании статистически обработанных данных, полученных на реперных участках локального агроэкологического мониторинга. При этом усредненные показатели не учитывают типовые особенности почв и их разновидность. В связи с этим вполне вероятно, что анализируемые почвы по отдельным элементам будут несколько отличаться от фоновых значений в большую сторону.

Содержание кадмия в среднем находится практически на уровне фона, причем распределение его по слоям более равномерное, чем в случае со свинцом. Концентрации меди, никеля и хрома (не только средние, но и максимальные из отмеченных) ниже фоновых значений, и только содержание меди в верхнем слое превышает ее аккумуляцию в нижележащем горизонте (10-30 см).

Иная ситуация складывается в отношение цинка, коэффициент концентрации которого в среднем составляет 1,9 и 1,4 фоновые единицы в верхнем и нижнем слое соответственно. Максимальные же из отмеченных значений более чем в 3 раза превышают фон. Содержание данного элемента в среднем несколько больше в слое 0-10 см, что может свидетельствовать о привносе его извне. Коэффициент вариации концентраций значителен: около 40% в верхнем и более 70% в нижнем слое, что также является косвенным свидетельством влияния антропогенного фактора на формирование геохимической обстановки в отношении данного металла.

Таким образом, можно констатировать, что на участке с залежью, представленной сорно-рудеральной растительностью, выявлено повышенное содержание цинка, обусловленное, очевидно, влиянием антропогенной деятельности. При этом даже максимальное из отмеченных на обследуемой площади значений существенно ниже ОДК. В целом валовое содержание тяжелых металлов в почве залежи во всех случаях существенно ниже допустимых норм, что свидетельствует о благоприятном санитарно-гигиеническом состоянии обследованной тер-ритории.

Однако поступление металлов в растения зависит не столько от об-щей их концентрации, сколько от наличия подвижных форм (табл. 3).

Концентрация подвижных форм свинца в верхнем слое невысока, од-нако при переходе к нижележащему горизонту она несколько увеличивается, хотя в обоих случаях все отмеченные значения ниже ПДК. Содержание кадмия близко к фоновому уровню, а меди (даже максимум из отмеченных) - несколько ниже фона. Концентрация цинка в верхнем горизонте незначительно превышает фон, а в нижнем, напротив, меньше фона. Диапазон варьирования концентраций подвижных форм никеля и хрома полностью укладывается в низкую область значений и не превышает фоновых концентраций.

Таблица 3 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве, мг/кг

Примечание: * - ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве;

** - по данным ФГБУ ЦАС «Нижегородский» - [16]

Дополнительным показателем, широко используемым при оценке са-нитарно-гигиенического состояния территории, является степень подвижности металлов, которая определяется как доля подвижных форм от валового содержания, выраженная в процентах. Значение данной характеристики во многом обусловлено содержанием гумуса в почве, ее кислотностью, гранулометрическим составом и т.д. Даже периодическая утилизация отходов на участке, изменяя ряд названных свойств, может влиять на подвижность металлов как повышая, так и понижая ее.

Результаты свидетельствуют, что подвижность тяжелых металлов в почве залежного участка является низкой (табл. 4).

Таблица 4 - Степень подвижности тяжелых металлов в почве, %

Так, степень подвижности свинца, несмотря на различие средних концентраций, одинакова в обоих слоях и фактически вдвое ниже подвижности, наблюдаемой на фоновых участках. Кадмий в силу своей химической природы является самым подвижным металлом. Как правило, степень его подвижности связана с изменениями реакции среды почвы, в кислой среде он более подвижен, чем в нейтральной. Так как рН почвы между верхним и нижним слоями не отличаются, то и подвижность кадмия в обоих слоях практически одинакова и близка к фону.

Обращает на себя внимание низкая степень подвижности цинка в почве. Обычно на фоне увеличения концентраций происходит возрастание доли подвижных форм относительно вала. В конкретном случае наблюдается иная картина: на фоне повышенного по сравнению с фоном содержания металла, его подвижность заметно снижена. Данный факт может быть следствием известной связи: фосфор образует с цинком устойчивые нерастворимые в почве соединения, количество которых с возрастанием концентрации фосфора увеличивается, а степень подвижности цинка, соответственно, снижается.

Заключение

Установлено, что залежь первой стадии сукцессии на участке, где периодически в течение 5 лет утилизировались отходы спиртоводочной промышленности, представлена сорно-рудеральной растительностью и луговыми травами.

Агрохимические свойства серой лесной суглинистой почвы залежи характеризуются значительной вариабельностью: содержание органического вещества в пределах участка изменяется более чем в 3 раза (от 1,0 до 3,3%), по содержанию подвижных соединений фосфора и калия почвы характеризуются высокими и очень высокими значениями с коэффициентом вариации около 50 и 30% соответственно.

Результаты определения содержания тяжелых металлов в почве и степени их подвижности свидетельствуют о благоприятной санитарно-гигиенической обстановке на залежном участке перед его распашкой. Валовое содержание и содержание подвижных соединений свинца, кадмия, меди, цинка, никеля и хрома ниже контролируемых предельных значений (ОДК и ПДК соответственно) и их фонового содержания в серых лесных суглинистых почвах Правобережья Нижегородской области.

Список литературы

1.Бедарева, О.М. Освоение залежей под луговые и пастбищные угодья / О.М. Бедарева, Т.Н. Троян, Л.С. Мурачева, О.А. Анциферова, О.П. Федюнина, Г.В. Горшинина // Научный журнал «Известия КГТУ». - 2017. - № 46. - С. 109-120.

2.Иванов, А.И. Насущные проблемы вторичного освоения выведенных из оборота земель в условиях Нечерноземья / А.И. Иванов, И.В. Соколов // Мелиорация земель - неотъемлемая часть восстановления и развития АПК Нечерноземной зоны Российской Федерации. Материалы международной научно-практической конференции 24-25 октября 2018 г. - М.: Изд. ВНИИГиМ. - 2019. - С. 162-166.

3.Иванов, А.Л. Ресурсный потенциал земель России для развития растениеводства / А.Л. Иванов, И.Ю. Савин, В.С.Столбовой // Доклады Академии наук. - 2017. - Т.473. - № 2. - С. 218-221.

4.Амелин А.В. Состояние почвенного плодородия земель, выведенных из сельскохозяйственного оборота в Орловской области / А.В. Амелин, В.М. Казьмин, И.А Рыжов, Н.И. Абакумов // Агрохимический вестник. - 2013. - №3. - С. 15-17.

5.Денисов Ю.Н. Агроэкологическая оценка залежных почв Челябинской области./ Ю.Н. Денисов // Агрохимический вестник. - 2016. -№5. - С. 6-9.

6.Muller, D. Changing Rural Landscapes in Albania: Cropland Abandonment and Forest Clearing in the Postsocialist Transition / D. Muller, D.K. Munroe //Annals of the Association of American Geographers. - 2008. - Vol. 98. - Pp. 855-876.

7.Prishchepov, A.V. Effects of Institutional Changes on Land Use: Agricultural Land Abandonment During the Transition From State-Command to Market-Driven Economies in Post-Soviet Eastern Europe / A.V. Prishchepov, V.C. Radeloff, M. Baumann, T. Kuemmerle, D. Muller // Environmental Research Letters. - 2012. - Vol. 7. 024021.

8.Lambin, E.F. Global Land-Use Change, Economic Globalization, and the Looming Land Scarcity / E. F. Lambin, P. Meyfroidt // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2011. - № 108. - Pp. 3465-3472.

9.Дричко В.Ф. Скорости изменения кислотно-основных параметров, содержания общего углерода и состава гумуса в дерново-подзолистой песчаной почве при переходе от пашни к лесу при сукцессии залежных земель. / В.Ф. Дричко, А.В. Литвинович, О.Ю. Павлова, Д.В. Чернов, В.М. Буре // Агрохимия. - 2015. - №11. - С. 19-29.

10.Леднев А.В. Влияние периода зарастания на изменение агрофизических показателей различных типов почв, расположенных на аккумулятивном направлении вещественно-энергетического потока / А.В. Леднев, А.В. Дмитриев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2017. - №2(57). - С. 28-34.

11.Dubinin, М. Reconstructing Long Time Series of Burned Areas in Arid Grasslands of Southern Russia by Satellite Remote Sensing / M. Dubinin, P. Potapov, A. Lushchekina, V.C. Radeloff // Remote Sensing of Environment. - 2010. - № 114. - Pp. 1638-1648.

12.Соловьев, С.В. Сукцессия на молодых и средневозрастных залежах лесостепной зоны Западной Сибири в пределах Новосибирской области / С.В. Соловьев, Г.Ф. Миллер, А.Н. Безбородова, Д.А. Филимонова // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2018. - № 10. - С.116-120.

13.Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия земель сельскохозяйственного назначения. - М.: ВНИИА, 2003. - 195 с.

14.Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении / Е.А. Дмитриев. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 320 с.

15.Дабахова Е.В. Влияние возрастающих доз барды послеспиртовой на содержание тяжелых металлов в почве и растительной продукции / Е.В. Дабахова, В.И. Титова, Н.А. Корченкина // Достижения науки и техники АПК. - 2014. - № 10. - С. 31-33.

16.Шафронов О.Д. Геологическая основа формирования фона тяжелых металлов в почвах Нижегородчины (словарь-справочник) / О.Д. Шафронов, В.Н. Полухин, В.И. Титова, Р.С. Борисова. - Н.Новгород, 2003. - 63 с.

Размещено на Allbest.ru