Закруткин В.Е., Шишкина Д.Ю. Методика оценки опасности загрязнения почв подвижными формами тяжелых металлов на территории угледобывающих предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

необходимо установление не только верхней границы оптимального содержания

ПФ, но и нижней, поскольку дефицит мобильных соединений в почвах

сельхозугодий приводит к заболеваниям и задержке роста и развития

сельскохозяйственных культур.

Важное место в агрохимических исследованиях отводится установлению

тех содержаний микроэлементов в почвах, которые позволяют считать почвы

обеспеченными этими микроэлементами. Так, ЦИНАО в 1984 г. была принята

градация по обеспеченности почв подвижными формами меди, цинка, марганца и

кобальта (табл. 11) [47].

Таблица 11

Обеспеченность почв подвижными формами микроэлементов, определенных в

вытяжке ацетатно-аммонийного буферного раствора (рН 4,8)

Микроэлементы

Дифференциация почв по содержанию микроэлементов,

мг/кг

низкое

среднее

высокое

< 0,20

0,21–0,50

> 0,51

< 2,0

2,1–5,0

> 5,1

> 10,5

11,0–20,0

> 21,0

< 0,15

0,16–0,30

> 0,31

Следует отметить, что в качестве пороговых содержаний, отделяющих

области достаточных содержаний от дефицитных, применяются различные

величины. Так, Н.Г. Зырин с соавторами [22] предлагают более

дифференцированную в нижнем диапазоне шкалу (табл. 12). К культурам

невысокого выноса микроэлементов относятся зерновые, кукуруза, зернобобовые,

картофель. Повышенный вынос характерен для корнеплодов, овощей, трав

(бобовых и злаковых), подсолнечника, хлопчатника, винограда и плодовых

деревьев. Группа растений высокого выноса объединяет все перечисленные выше

культуры, находящиеся в условиях высокого агротехнического фона (применение

Таблица 12

Группировка почв по обеспеченности растений микроэлементами (экстрагент –

ацетатно-аммонийный буферный раствор, рН 4,8)

Обеспеченность

Содержание микроэлементов, мг/кг

1-я группа растений невысокого потребления

Низкая

< 5

< 0,1

< 0,5

< 0,05

Средняя

5–10

0,1–0,2

0,5–1,0

0,05–0,1

Высокая

> 10

> 0,2

1,0

> 0,1

2-я группа растений повышенного потребления

Низкая

< 10

< 0,2

< 1,0

< 0,1

Средняя

10–20

0,2–0,5

1,0–2,0

0,1–0,2

Высокая

> 20

> 0,5

> 2,0

> 0,2

3-я группа растений высокого потребления

Низкая

< 20

< 0,5

< 2,0

< 0,2

Средняя

20–40

0,5–1,0

2,0–5,0

0,2–0,5

Высокая

> 40

> 1,0

> 5,0

> 0,5

Таблица 13

Градации обеспеченности почв РФ подвижными соединениями тяжелых металлов

при различном содержании их в вытяжках, мг/кг (ацетатно-аммонийная вытяжка)

Элемент

Обеспеченность

Очень

низкая

Низкая

Средняя

Высокая

Очень

высокая

Таежная зона

< 0,9

0,9–2,1

2,1–4,0

4,0–6,6

> 6,6

< 1,0

1–25

25–60

60–100

> 100

< 0,4

0,4–1,0

1,0–2,3

2,3–5,0

> 5,0

< 0,2

0,2–0,8

0,8–2,0

2,0–4,0

> 4,0

Лесостепная и степная зона

< 1,4

1,4–3,0

3,0–4,0

4,4–5,6

> 5,6

< 25

25–55

55–90

90–170

> 170

< 0,15

0,15–0,3

0,3–1,0

1,0–2,0

> 2,0

< 4,0

4,0–6,0

6,0–8,8

8,8

> 8,8

Сухостепная и полупустынная зона

< 1,0

1,0–1,8

1,8–3,0

4,0–6,0

> 6,0

< 6,6

6,6–12

12–30

30–90

> 90

< 0,6

0,6–1,3

1,3–2,4

2,4

> 2,4

< 0,3

0,3–1,3

1,3–4,0

4,0–16,4

> 16,4

орошения, высоких норм удобрений, своевременная обработка почв и уход за

растениями и т.д.).

Более подробная градация обеспеченности различных почвенных зон

подвижными соединениями ТМ [52] приведена в табл. 13.

Подводя итог обзору существующих методов оценки загрязнения почв

подвижными формами тяжелых металлов, следует остановиться на следующих

выводах.

1. Содержания ПФ ТМ в почве более информативны для оценки

химического загрязнения, поскольку отражают возможность перехода тяжелых

металлов из почвы в сопредельные среды. При изучении подвижных форм ТМ в

качестве групповых экстрагентов обычно используют 1 н растворы соляной и

азотной кислот («жесткие» экстрагенты) и ацетатно-аммонийный буферный

раствор с рН 4,8 («мягкий» экстрагент).

2. Критериями загрязнения почв ПФ ТМ являются величины ПДК,

разработанные для свинца, никеля, кобальта, хрома, марганца, цинка и меди.

Индикатором загрязнения считается также рост содержания ПФ по сравнению с

валовым количеством ТМ.

3. При оценке содержания ПФ ТМ в почвах агроландшафтов учитываются

не только верхние, но и нижние границы оптимального содержания биофильных

элементов – меди, цинка, марганца, кобальта. Определены диапазоны

оптимальных для сельскохозяйственных растений содержаний ПФ в зависимости

от типа почв и вида культур.

5. Фоновые содержания подвижных форм химических элементов в почвах

Интенсивность и направление миграции химических элементов зависят как

от особенностей ионов, формы, в которой присутствует элемент, его химических

свойств (т.н. внутренние факторы миграции), так и от физико-химических и

биологических условий (щелочно-кислотная и окислительно-восстановительная

обстановка, водный режим, температура, давление, влияние жизнедеятельности

растений и микроорганизмов) – внешних факторов миграции. В наибольшей

степени содержание подвижных соединений тяжелых металлов зависит от

свойств почв. Различные генетические типы почв содержат разные количества

подвижных форм, причем их вариабельность гораздо выше, чем вариабельность

валовых содержаний. Причиной различия могут быть генетические особенности

почв, прежде всего, специфика гранулометрического и минералогического

составов, уровень гумусированности, реакция среды. По этой же причине могут

также различаться почвы одного природного региона и, более того, одного

генетического типа в пределах одного и того же региона. Различие между

встреченными минимальными и максимальными количествами подвижной

формы может быть в пределах одного математического порядка.

Многими авторами было показано, что содержание в почве ПФ ТМ

динамично во времени. Причины изменений могут быть разные, однако в

большинстве случаев колебания объясняются деятельностью почвенных

микроорганизмов и возрастными изменениями растений в интенсивности

поглощения химических элементов. На микробиологическую деятельность

большое влияние оказывает влажность почвы, которая тесно связана с текущими

погодными условиями и потому не может иметь определенного ритма. Динамика

ПФ ТМ может быть значительной: максимальные величины могут превосходить

минимальные в 5 раз и более.

По данным [44] динамика подвижных форм элементов в почвах разная и

зависит от стадии вегетационного периода. В частности, для меди максимальная

подвижность составляет 23,2% от валового ее содержания (приходится на июль),

для кобальта – 12,73% (июль), цинка – 20,99% (октябрь), никеля – 17,18%

(август).

Прежде чем определить фоновые величины подвижных форм в почвах

Восточного Донбасса, рассмотрим данные о содержании мобильных соединений

элементов в различных генетических типах почв, находящихся в разных регионах

России и испытывающих различную антропогенную нагрузку.

В результате изучения дерново-подзолистых почв агроландшафтов

Западного Подмосковья Е.М. Никифорова и Л.И. Горбунова [37] сделали вывод о

резком увеличении содержания подвижных форм элементов в пахотных почвах в

отличие от почв природных ландшафтов. Наиболее высокие концентрации

подвижных соединений в почвах установлены для марганца (табл. 14).

Таблица 14

Подвижные формы содержания микроэлементов в профиле пахотных почв

совхоза «Порецкий» Можайского р-на Московской области, мг/кг

Горизонт

Глубина,

см

пах1

0–13

250

2,0

0,7

1,0

3,0

10,0

0,6

пах2

13–23

240

1,0

0,3

1,0

2,0

10,0

0,1

пах1

0–15

440

1,0

0,5

1,0

10,0

0,2

пах2

15–25

440

1,0

0,9

2,0

1,0

10,0

0,4

Содержания подвижных форм цинка, меди, никеля и марганца в основных

типах почв Рязанской области незначительны (табл. 15). Отмечается, что в

черноземах подвижность всех изучаемых элементов снижалась. Это связано как с

высоким содержанием гумуса и илистой фракции, так и с близкой к нейтральной

реакции среды [35].

Тяжелый гранулометрический состав и относительное богатство гумусом –

факторы, снижающие подвижность ТМ в серых лесных почвах и черноземах,

благодаря которым содержание ПФ в этих почвах находится на низком уровне.

Накопление мобильных соединений отмечается в поймах, что

свидетельствует о макромасштабных процессах перераспределения элементов по

формам рельефа с водными потоками. Данное перераспределение в наибольшей

Таблица 15

Распределение подвижных форм тяжелых металлов в основных почвах

Рязанской области, мг/кг

Почвы

Дерново-подзолистые

1,44

0,15

0,38

19,3

Серые лесные

1,92

0,13

0,34

15,8

Черноземы

1,32

0,07

037

6,11

степени характерно для кадмия (табл. 16). Свинец, однозначно тяготеющий к

органическому веществу, проявляет максимальную подвижность в торфяных

почвах, а подвижность цинка и кадмия в них, наоборот, минимальна, так как на

данные элементы, в отличие от свинца, торф действует в качестве

иммобилизатора [49].

Таблица 16

Содержание ТМ в почвах разных типов на территории Рязанской области

(подвижные формы, мг/кг)

Типы почв

Медь

Цинк

Свинец

Кадмий

Серые лесные

0,115

1,446

1,068

0,072

Дерново-подзолистые

0,132

5,793

1,39

0,049

Аллювиальные

0,353

3,875

1,651

0,143

Болотные торфяные

0,148

1,242

2,237

0,05

Черноземы

0,172

1,242

1,495

0,086

Сведения о содержаниях ПФ в наиболее распространенных на территории

Рязанской области почвах, приведенные в другой работе, также подтверждают

относительную равномерность распределения экстрагируемых ААБ металлов в

разных типах почв и пониженные их содержания в черноземах (табл. 17) [38].

Для почв Новосибирской области характерно весьма равномерное

распределение марганца. В черноземах, серых лесных и подзолистых почвах его

концентрация составляет 8 мг/кг, в лугово-черноземных почвах повышается до 16

мг/кг. Минимальным содержанием извлекаемого ацетатно-аммонийным буфером

цинка отличаются черноземы (0,5 мг/кг), затем следуют подзолистые почвы (0,6

мг/кг), серые лесные (0,7 мг/кг), а максимальные содержания характерны для

лугово-черноземных почв – 0,8 мг/кг. Концентрации мышьяка в серых лесных

почвах Новосибирской области составляют 0,1 мг/кг, в черноземах

увеличиваются до 0,16 мг/кг [27].

Таблица 17

Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Рязанской области,

мг/кг

Почва

Дерново-подзолистая

1,08

0,3

0,03

0,08

0,10

0,08

15,1

Серая лесная

(целинная)

10,5

0,5

0,03

0,15

0,46

0,08

31,3

Серая лесная

0,15

0,3

0,03

0,05

0,20

0,08

4,04

Аллювиально-луговая

1,35

0,3

0,07

0,18

1,58

0,08

0,10

26,3

Чернозем

выщелоченный

0,52

0,3

0,03

0,05

0,21

0,08

4,77

Торфяно-болотная

1,33

0,3

0,03

0,39

0,21

0,08

0,36

3,09

Распределение в почве подвижных форм мышьяка редко рассматривается в

научной литературе. Наиболее подробный обзор данных о содержании элемента в

различных типах почв представлен в работе [53]. Концентрация подвижного

мышьяка в подзолистой альфегумусовой почве равна 0,27 мг/кг, в дерново-

подзолистой – 0,14, бурой горно-лесной – 0,28, бурой горно-лесной оподзоленной

0,1, типичном черноземе – 0,13, красноземе – 0,25 мг/кг.

Содержания валовых и подвижных форм приоритетных токсикантов –

ртути, кадмия и свинца – в лугово-черноземовидных почвах Среднего Приамурья

приведены в табл. 18, 19 [17]. Очевидно повышенное содержание подвижных

форм в пахотных почвах по сравнению с почвой, не подверженной

сельскохозяйственному воздействию.

Трансформация тяжелых металлов в черноземах различной степени

буферности в окрестностях Змиевской ГРЭС (Харьковская область Украины)

изучена в работе [50]. Установлено, что черноземы отличаются повышенными

содержаниями ПФ хрома и марганца (табл. 20), что, вероятно, связано с высокими

концентрациями этих металлов в пылевых выбросах ГРЭС.

Таблица 18

Среднее содержание подвижных форм кадмия и свинца в почве пахотных угодий

ТОО «Волковское» и ОПХ ВНИИ сои, мг/кг (2002–2004 гг.)

Элемент

ТОО «Волковское»

ОПХ ВНИИ сои

Кадмий

0,080±0,020

0,077±0,021

0,085±0,021

0,055±0,014

Свинец

1,61±0,32

1,59±0,32

1,52±0,34

1,68±0,34

1,77±0,35

* – номер поля

Исследования распределения подвижных форм тяжелых металлов в почвах

различных сельхозугодий Краснодарского края показали высокую вариабельность

концентраций (табл. 21). Фактическое содержание подвижных форм ТМ в

обследованных образцах почвы изменялось как в абсолютных, так и в

относительных величинах.

Так, концентрации экстрагируемого ААБ свинца в почве различалась почти

в 50 раз (от 0,06 до 2,98 мг/кг), а в процентах от валового содержания – в 16 раз;

разброс в содержании подвижных форм меди был еще выше: максимальное

значение превосходит минимальное в 381 раз [46].

Таблица 19

Среднее содержание подвижных форм кадмия и свинца в почве пахотных угодий

учхозов ДальГАУ, мг/кг (2002–2004 гг.)

Элементы

Учхоз 1 ДальГАУ

Учхоз 2

ДальГАУ

Лесополоса

Кадмий

0,060±0,015

0,110±0,022

0,080±0,020

0,065±0,016

0,020±0,007

Свинец

1,15±0,23

1,71±0,34

1,77±0,35

1,45±0,29

0,97±0,24

Таблица 20

Содержание подвижных форм металлов в черноземах, мг/кг

Черноземы

Типичный луговатый

малогумусный

0,68

6,2

1,23

0,68

1,27

Слабогумусированный

легкосуглинистопесчаный

0,61

4,52

1,5

0,5

1,46

105

В рамках мониторинга земель в Краснодарском крае ведутся исследования по

влиянию различных технологий возделывания сельскохозяйственных культур на

содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах [13]. В табл. 22, 23

приведены данные о количестве подвижных форм в выщелоченном черноземе

при разных вариантах обработки почвы и агротехнологии. Система обработки

почвы включает три варианта: Д

– безотвальная (почвозащитная)

предусматривает использование орудий, имеющих плоскорежущие рабочие

органы; Д

– рекомендуемая (применяемая в зоне для конкретных культур); Д

–

отвальная с периодическим глубоким рыхлением. Варианты агротехнологий

получили условные названия: 000 – экстенсивная; 111 – беспестицидная; 222 –

экологически допустимая; 333 – интенсивная.

Вопросы распределения ПФ элементов в почвах Ростовской области

изучаются почвоведами-агрохимиками с 1960-х гг. Приоритетное внимание

уделялось поведению ТМ, традиционно относимых к микроэлементам, т.е.

марганцу, меди, цинку и кобальту. Их распределение изучалось, прежде всего, с

Таблица 21

Содержание подвижных форм ТМ в пахотном слое почв под различными

сельскохозяйственными культурами

Место отбора проб, почва

Культура

Содержания ТМ, мг/кг

Совхоз «Солнечный»

(вблизи аэродрома),

чернозем выщелоченный

Озимая пшеница

Виноград

Подсолнечник

1,42

1,14

0,50

10,1

14,6

2,2

3,8

4,4

3,2

0,03

0,02

0,04

0,30

0,23

0,32

Учхоз «Кубань» (рисовые

чеки), чернозем слитой

Сорго

Озимая пшеница

–//–

0,73

1,01

1,73

2,3

0,7

1,4

9,8

6,9

2,6

0,05

0,08

0,05

0,37

0,51

0,36

Северо-Кавказская ЗОС

ВИЛР, Динской р-н,

чернозем выщелоченный

Эхиноцея пурпурная

–//–

Календула

0,12

0,30

0,10

0,7

0,5

4,7

1,5

0,2

0,13

0,17

0,11

0,10

0,14

АО «Кубань», Успенский

р-н, чернозем

выщелоченный

Озимая пшеница

Огурец

Кукуруза

0,08

0,16

–

1,1

1,6

1,3

1,8

2,8

5,8

0,08

0,06

0,11

0,14

0,17

0,27

1028 км автодороги Рос-

тов-Минеральные Воды,

чернозем выщелоченный

Озимая пшеница

0,46

0,3

3,1

0,08

0,11

АО «Комсомольское»,

Белореченский р-н,

перегнойно-карбонатная

Озимая пшеница

Гречиха

Озимая пшеница

0,39

0,79

0,47

0,6

1,1

1,2

3,3

3,6

3,7

0,14

0,17

0,31

0,38

0,35

В 10 км от п. Мезмай, близ

обсерватории, горно-

лесная

Пастбище

–//–

–

1,34

2,98

0,8

0,2

0,9

3,7

1,1

1,9

0,19

0,23

0,45

–

0,29

0,16

г. Новороссийск, крестьян-

ское хозяйство «Цемдо-

линское», бурая лесная

Соя

Томат

Кукуруза

0,37

1,10

1,12

2,0

2,2

1,3

11,7

18,7

9,7

0,29

0,17

0,11

0,42

0,30

0,41

г. Геленджик, винсовхоз

«Геленджикский, светло-

серая лесная щебнистая

Виноград

1,98

38,1

10,3

0,12

0,37

Туапсинский р-н, совхоз

«Георгиевский»

перегнойно-карбонатная

парниковая

Яблоня

Огурец

Перец сладкий

1,24

0,80

0,62

11,4

1,4

1,3

3,5

15,5

10,4

0,04

0,05

0,04

0,22

0,31

г. Адлер, совхоз «Россия»,

чернозем выщелоченный

Перец сладкий

Баклажан

0,62

0,81

0,2

6,0

6,7

0,03

0,21

0,16

г. Адлер, АО «Адлерский

чай», желтозем

Чай

1,53

0,1

4,2

0,04

0,50

г. Горячий Ключ, совхоз

«Ключевской»,

светло-серая лесная

серая лесная

Яблоня

Кабачок

Томат

1,37

1,66

2,15

2,4

0,7

0,8

2,0

1,0

2,8

0,03

0,04

0,03

0,28