Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный областной университет

Водорастворимые формы некоторых макро- и микроэлементов в почвах урбанизированных территорий Московского региона

Батырева А.М.

Петренко Д.Б.

Радугина О.Г.

Свердлова Н.Д.

Аннотация

фотометрия почва водорастворимый засоление

В работе представлены результаты изучения содержания водорастворимых форм макро- и микроэлементов методами фотометрии пламени, потенциометрии и масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связанной плазме в 30 пробах почв, отобранных на придорожных и селитебных территориях Московского региона. Показана возможность использования тройных диаграмм содержаний водорастворимых форм Na-K-Ca для изучения специфики засоления почв. Выявлено, что степень обеспеченности исследованных почв калием варьирует от очень низкой до повышенной. Почвы не накапливают водорастворимых форм фторид- и хлорид-ионов, а также Mn, Co, Zn, Mo, Cd, Sb и Pb, но накапливают медь в концентрациях до 3,5 ПДК.

Ключевые слова: Московская область, придорожные территории, почвы, тяжелые и токсичные металлы, хлорид-ион, фторид-ион

Введение

В настоящее время уделяется значительное внимание оценке экологической обстановки и установлению уровней загрязнения почв [14, 17], поверхностных вод [3, 6] и атмосферных осадков [13, 16] в районах расположения крупных промышленных предприятий и транспортных артерий на территории Московского региона. По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат), на 2015 г. суммарный выброс всех предприятий Подмосковья составлял 221 тыс. т загрязняющих веществ. Однако это только от стационарных источников, тогда как преобладающая доля поллютантов, попадающая в атмосферу, исходит от различных транспортных средств: более 80% всех выбросов свинца, более 40% всех выбросов оксидов азота и более 20% всех летучих органических составляющих [12]. По данным ГИБДД России, на начало 2017 г. автомобильный парк Москвы и Подмосковья составил 4,88 млн. и 3,17 млн. транспортных средств, соответственно, а суммарный выброс загрязняющих веществ по Московской области достиг 770,2 тыс. т [22]. К настоящему моменту накоплен обширный материал по оценке валовых концентраций тяжелых металлов, различных радионуклидов, полихлорбифенилов и фтора в почвах урбанизированных территорий Москвы и Подмосковья [1, 2, 5, 11, 20]. Вместе с тем следует отметить определенный недостаток фактических данных о содержании в почвах водорастворимых форм экотоксикантов, непосредственно влияющих на рост и развитие растений и почвенной биоты. В рамках данной работы изучено содержание подвижных форм натрия, калия, кальция, хлора, фтора и тяжелых металлов в почвах Московской области и г. Москвы.

Экспериментальная часть

Пробы почв отбирали весной 2016 г. на участках, подверженных антропогенному воздействию и близких к проезжей части. Всего было заложено 6 пробных площадок (рис. 1) размером 100Ч100 м вдоль векторов розы ветров [9], с каждой было отобрано по 5 образцов методом «конверта». Все пробы отбирали с глубины ?5 см от поверхности почвы с помощью бура-пробоотборника.

Рис. 1. Планы площадок отбора проб почв весной 2016 г.

Образцы в поселке Ашукино были отобраны по обеим сторонам асфальтированной автодороги и вблизи частных жилых домов с приусадебными участками. Образцы из г. Королёва отбирали неподалеку от промышленной зоны, рядом с многоквартирными жилыми домами. Все точки находились рядом с проезжей частью, нагрузка которой оценивается как умеренная. Образцы на территории пос. Свердловский Щёлковского района были отобраны неподалеку от Монинского шоссе и многоквартирных жилых домов. Влияние антропогенной нагрузки на участок оценивается как среднее. Состояние растительности оценивается как слабо угнетённое. В посёлке Малаховка Люберецкого района пробы отбирали вдоль автомобильных дорог и частных жилых домов с приусадебными участками неподалеку от АО «Малаховский экспериментальный завод», опытно-механического завода, завода стройматериалов, пищевого комбината. Образцы в районе Печатники г. Москвы отбирали неподалеку от таких крупных предприятий, как Московский энергомеханический завод, Курьяновские очистные сооружения ОАО «Мосводоканал», автомобилестроительный завод ЗАО «РЕНО Россия», опытно-экспериментальный механический завод «Рекорд». Рядом с местами отбора проб вдоль Варшавского шоссе находятся многоквартирные жилые дома, протекает р. Котловка.

Пробы подготавливали к анализу согласно [10], затем из них готовили водные вытяжки. Из усредненной пробы брали навеску образца массой 5,00 ± 0,01 г., которую помещали в полипропиленовую пробирку ёмкостью 50 см³, заливали 25 см³ дистиллированной воды. Пробирки с суспензией закрывали крышками и ставили в шейкер на 30 мин. Вытяжку фильтровали через фильтр «синяя лента». Определение Na⁺, K⁺ и Ca²⁺ в вытяжках почв проводили методом фотометрии пламени на пламенном фотометре ФПА-2-01 по методике, описанной в [11]. Содержание хлорид- и фторид-ионов и pH определяли методом прямой потенциометрии на рН-метре-иономере «Эксперт-001» с использованием ионоселективных электродов ЭЛИС-131, ЭЛИС-221 и ЭС-10301, соответственно [25]. При определении хлорид-иона пользовались вспомогательным электродом двойного слоя Readelkis OP-082, заполненным 1 М раствором K₂SO₄. При определении фторид-иона использовали хлорид-серебряный электрод «ЭВЛ-1М3», заполненный насыщенным раствором KCl. Удельную электропроводность почвенных вытяжек определяли с помощью кондуктометра ЭКСПЕРТ-002. Концентрации микроэлементов в образцах определяли методом масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связанной плазме на квадрупольном масс-спектрометре X^II -Series Thermo Scientific (США).

Результаты и их обсуждение

Результаты определения концентраций водорастворимых катионов Na⁺, К⁺, Са²⁺, хлорид- и фторид-анионов, удельной электропроводности и pH водных вытяжек исследованных образцов почв представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты химического определения важнейших характеристик исследованных образцов почв

Изучение катионного состава почвенных вытяжек показало, что у большинства образцов содержание водорастворимых форм Na⁺, K⁺ и Ca²⁺ не превышает 200 мг/кг. Эту отметку по содержанию ионов K⁺ превышают образцы 1 (259 мг/кг) и 5 (204 мг/кг) из района Печатники. Необходимо отметить пониженное содержание ионов Na⁺, K⁺ и Ca²⁺ в образцах, отобранных вблизи Варшавского шоссе, что можно объяснить, приняв во внимание тип почвы. Почвы на этих участках являются песчаными и супесчаными. Такие почвы чрезвычайно плохо удерживают различные ионы.

Калий является одним из важнейших элементов питания растений. Он необходим для нормального течения фотосинтеза, усиливает синтез крахмала, целлюлозы и пектиновых веществ [4]. Данные по содержанию водорастворимого калия позволяют выполнить оценку обеспеченности растений этим элементом питания на исследованных территориях (рис. 2). Из полученных результатов видно, что содержание водорастворимого калия на участках на территории пос. Ашукино, пос. Свердловский и нагорного р-на г. Москвы не превышает 40 мг/кг (по K₂O), что, в соответствии с общепринятой шкалой [15], отвечает очень низкой обеспеченности почв калием. Степень обеспеченности калием участков на территории пос. Малаховка и г. Королев является средней (81-120 мг/кг по K₂O). Участок на территории р-на Печатники характеризуется повышенной обеспеченностью почв калием.

Рис. 2. Средние содержания водорастворимого K₂O в почвах исследованных участков

Соли натрия легкорастворимы в воде и токсичны для растений, их избыток вызывает повышение осмотического давления, нарушение белкового и энергетического обмена [16]. В целом концентрация натрия в исследованных образцах невелика, повышенные содержания натрия выявлены в трех образцах: по одному образцу из отобранных на территории участков 2 и 5 (496 и 301 мг/кг, соответственно). Можно говорить о точечном натриевом типе засоления почв этих участков, поскольку концентрации остальных катионов относительно низкие. В районе Печатники (образец №4) повышенная концентрация катиона натрия (301 мг/кг) сочетается с повышенной концентрацией катионов кальция (314 мг/кг), таким образом, почву данного участка можно назвать засоленной по кальциево-натриевому типу. Концентрация Ca²⁺ превышает отметку 200 мг/кг у 6 образцов.

Для выявления специфики в содержании основных катионов в почве мы предприняли попытку использовать тройные диаграммы (рис. 3).

Из данных рисунка 3 видно, что в исследованных образцах, в основном, преобладает катион кальция. По содержанию металлов некоторые участки образуют на диаграмме достаточно обособленные области: так, например, точки, характеризующие участок на территории г. Королев, расположены в нижней части диаграммы, а точки характеризующие участок на территории пос. Свердловский, - в центре диаграммы. Таким образом, использование тройных диаграмм содержания подвижных форм Na-K-Ca в почвах, по всей видимости, может быть полезно при изучении специфики их засоления и требует дальнейшего изучения на большем объеме экспериментального материала.

Рис. 3. Диаграмма содержаний ионов Na⁺, K⁺ и Ca²⁺ в почвах на исследованных участках

Удельная электропроводность водных вытяжек исследованных почв, полученных при соотношении почвы к воде 1:5, в 70% случаев составила менее 600 мкСм/см, что соответствует незасоленным почвам в соответствии со шкалой оценки, приведенной в [7]. В 30% случаев удельная электропроводность находится в диапазоне 611-1783 мкСм/см, что отвечает умеренному засолению. Повышенное засоление не имеет равномерного характера и отмечается в отдельных точках на территории пос. Ашукино и пос. Малаховка.

Хлорид-ион токсичен для растений и вызывает угнетение их роста. Для Cl ^- принят порог токсичности 0,3 мг-экв на 100 г. почвы [9], что соответствует 106 мг хлорид-ионов на 1000 г. почвы. Таким образом, предельное количество ионов Cl^-, выше которого начинается угнетение роста и развития растений, наблюдается в 6 образцах. Значительное превышение нормы наблюдается в образце №1 из поселка Ашукино (695 мг/кг), что может быть связано со сбросом снега с проезжей части в зимнее время. В образце №5 на территории п. Малаховка концентрация хлорид-иона составляет 286 мг/кг, однако среднее значение концентрации хлоридов превышает порог токсичности только в пос. Свердловский. В 93% отобранных проб почв концентрация хлорид-иона не превышает 200 мг/кг (рис. 4).

Рис. 4. Содержание хлорид-иона в почвах на исследованных участках

Прослеживается динамика распространения Cl ^- на исследованных участках. В образцах, отобранных ближе к проезжей части, наблюдаются более высокие концентрации Cl^-, чем в тех, что отобраны на расстоянии 100 м от проезжей части, что позволяет говорить о противогололёдных реагентах, применяющихся в зимний период, как об одном из возможных источников загрязнения.

Фтор влияет на метаболизм растений и в избыточных количествах способен вызывать снижение темпов поглощения кислорода и ассимиляции питательных веществ, разрушение ДНК и РНК и ингибировать ряд других процессов [24]. Известно, что фтор под влиянием выбросов автотранспорта способен накапливаться в почвах придорожных территорий Московской области в концентрациях, в среднем превышающих фоновые значения в 3,4 раза [18]. В зависимости от того, в форме каких соединений находится фтор в почвах, он проявляет различную токсичность и доступность для растений. В этой связи нами изучено содержание водорастворимой формы фтора. Во всех анализируемых образцах содержание фторид-иона не превышает ПДК для водорастворимых форм. Несколько повышенную концентрацию фтора в образце №3 из Ашукино (2,8 мг/кг) можно объяснить применением на дачных участках фосфорных удобрений, в составе которых возможно содержание F^- в качестве примеси. Полученные данные согласуются с данными работы [21], также не выявившей высоких концентраций фтора в антропогенно нарушенных почвах урбанизированных территорий Московского региона.

Наиболее низкие значения pH отмечены для водных вытяжек, полученных из почв, отобранных в Люберецком районе (№5), районе Печатники (№4) и в поселке Ашукино (№3) и составляют 4,6; 4,9 и 5,5, соответственно (рис. 5), что характерно для почв средней степени кислотности. Низкие значения водородного показателя могут быть связаны с процессами заболачивания мест отбора проб и накоплением в них гуминовых кислот. У 14 образцов значения pH превышают 8,0, что соответствует слабощелочной среде. Щелочная среда может быть обусловлена содержанием в почвах анионов слабых минеральных кислот.

Рис. 5. Значения pH водных почвенных вытяжек исследованных участков

В ходе исследования было выполнено определение тяжелых и токсичных элементов в водных почвенных вытяжках, результаты которого приведены в таблице 2.

Таблица 2. Средние концентрации водорастворимых форм тяжелых и токсичных элементов в исследованных почвах, мг/кг

В большинстве исследованных образцов содержание тяжелых токсичных металлов не превышает нормативы. Превышений по содержанию кобальта, цинка, кадмия и свинца в почвах исследованных участков не обнаружено. Однако необходимо отметить высокое содержание меди в пробах, отобранных в районе Печатники, где отмечено превышение ПДК для подвижных форм в три раза. В пос. Свердловский концентрация меди в 3,5 раза превышает ПДК.

Выводы

На примере Московского региона изучено содержание подвижных форм макро- и микроэлементов в почвах придорожных и селитебных территорий. Показана возможность использования тройных диаграмм содержаний подвижных форм Na-K-Ca для изучения специфики засоления почв. Степень обеспеченности исследованных почв калием варьирует от очень низкой до повышенной, почвы не накапливают подвижных форм фторид- и хлорид-ионов, а также Mn, Co, Zn, Mo, Cd, Sb и Pb, но накапливают медь в концентрациях до 3,5 ПДК.

Список использованных источников

1. Аладин Д.Ю., Деева Н.Ф., Севостьянов С.М., Дёмин Д.В. Влияние микрорельефа на распределение полихлорбифенолов в почвах // Экология урбанизированных территорий. - М.: Издательский дом «Камертон». - 2017, №2. - С. 64-70.

2. Ачкасов А.И., Варава К.В., Самаев С.Б. Эколого-геохимические исследования почв Москвы // Разведка и охрана недр. - 2016, №11. - С. 49-54.

3. Балова Е.К., Волшаник В.В. Исследование влияния антропогенных факторов на загрязнение городских водных объектов // Экология урбанизированных территорий. - М.: Издательский дом «Камертон». - 2016, №4. - С. 27-32.

4. Власюк П.А. Биологические элементы в жизнедеятельности растений // АН СССР, Ин-т физиологии растений. - Киев: Изд-во «Наукова думка». - 1969. - 516 с.: ил., карты.

5. Воронов С.И. Эффективность защитных мероприятий в агропромышленном производстве Московской области в условиях загрязнения почв ¹³⁷Сs // Успехи современной науки. - 2017, т. 1, №9. - С. 166-173.

6. Ворончихина К.А., Петренко Д.Б., Васильев Н.В. Оценка экологического состояния поверхностных вод урбанизированных территорий Московского региона по их макрокомпонентному составу // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. - 2017, №4. - С. 76-86.

7. Гиниятуллин К.Г., Рязанов С.С., Григорьян Б.Р., Шакирзянов И.В., Шакирзянов Р.В., Ваганова Е.С., Галиуллина А.Г. Использование геостатических методов для характеристики вариабельности агрохимических свойств (на примере изучения пахотных угодий Северного Казахстана) // Ученые записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. - 2016, т. 158, №2. - С. 259-276.

8. ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. - 2006. - 15 с.

9. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Межгосударственный стандарт. - М.: ИПК издательство стандартов. - 2004. - 4 с.

10. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа. - М.: Государственный комитет по стандартам. - 1984. - 8 с.

11. Журавлева М.А., Зубрев Н.И., Кокин С.М., Аксёнов В.А. Загрязнение свинцом придорожных зон в мегаполисе // Наука и техника транспорта. - 2016, №1. - С. 8-14.

12. Ильина А.А. Экологические аспекты очистки поверхностных стоков с автомобильных дорог. // Сборник научно-методических работ по повышению уровня обоснованности проектов автомобильных дорог и сооружений на них. - М.: Союздорпроект. - 2004. - 230 с.

13. Каплина С.П., Каманина И.З. Комплексная оценка экологического состояния г. Дубны Московской области // Экология урбанизированных территорий. - М.: Издательский дом «Камертон». - 2017, №2. - С. 30-35.

14. Макаров О.А., Макаров А.А. Прогнозирование Химического загрязнения почв тяжелыми металлами при помощи балансового метода (на примере локальных участков города Москвы и города Подольска) // Экология урбанизированных территорий. - М.: Издательский дом «Камертон». - 2016, №1. - С. 50-58.

15. Мамонтов В.Г., Гладков А.А. Практикум по химии почв: учебное пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. - 2015. - 272 с. - (Высшее образование. Бакалавриат).

16. Меркушева М.Г., Убугунов Л.Л., Андреева И.М., Балданова А.Л. Натрий в системе почва-растение пойменных лугов Западного Забайкалья // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. - 2011, №4. С. 37-43.

17. Нестеров И.С., Петренко Д.Б., Васильев Н.В. Оценка загрязнения почв придорожных территорий Московской области экотоксикантами // Проблемы экологии Московской области: сборник научных материалов / Ред. колл.: Гильденскиольд С.Р. и др. - М.: ИИУ МГОУ. - 2015. - С. 200-205.

18. Петренко Д.Б., Корсакова Н.В., Васильев Н.В. Накопление фторсодержащих соединений в почвах придорожных территорий Московской области // Теоретическая и прикладная экология. - 2018, №1. - С. 39-46.

19. Петренко Д.Б., Малинова А.С., Дубровская А.М., Васильев Н.В. Комплексная эколого-химическая оценка загрязненности воздушной среды г. Мытищи (Московская область) по данным анализа снега // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. - 2015, №5. - С. 49-56.

20. Петренко Д.Б., Нестеров И.С., Якунина Ю.Н., Новикова Н.Г., Корсакова Н.В., Васильев Н.В. Фтор в почвах придорожных территорий Московской области // Вестн. МГОУ. - 2013, №5. - С. 75-79.

21. Полуэктов Н.С. Методы анализа по фотометрии пламени. - Москва: Химия. - 1967. - 307 с.

22. Регионы России. Социально-экономические показатели. - 2016: Р32. Стат. сб. / Росстат. М. - 2016. 1326 с.

23. Рюмкина А.А., Петренко Д.Б. Формы нахождения фтора в антропогенно загрязненных почвах Московского региона Мытищи // Проблемы экологии Московской области: сборник научных материалов / Ред. колл.: Гильденскиольд С.Р. и др. - М.: ИИУ МГОУ. - 2015. - С. 81-84.

24. Танделов Ю.П. Фтор в системе почва - растение. - Красноярск. - 2012. - 146 с.

25. ФР.1.31.2005.01774. Методика выполнения измерений водородного показателя (рН), общей жёсткости, массовых концентраций Cl^-, Br^-, I^-, F^- и других ионов в водных средах методом потенциометрии. - М.: Эконикс-эксперт. - 2005. - 127 с.

Размещено на Allbest.ru