Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тяжелые металлы в окружающей среде 6
1.1 . Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду 6
1.2.Тяжелые металлы в почвах и почвообразующих породах 10
1.3.Влияние тяжелых металлов на биологическую активность почв 34
1.4. Влияние тяжелых металлов на жизнедеятельность растений 37
1.5. Роль тяжелых металлов в жизни животных и человека 47
1.6.Экологическое нормирование содержания тяжелых металлов в системе почва-растение 51
1.7.Способы детоксикации тяжелых металлов в почвах 56
Глава 2. Эколого-географические условия, объекты и методы исследований 59
2.1 . Характеристика района исследования 59
2.2.Эколого-географические условия 60
2.2.Объекты и методы исследования 65
Глава 3. Тяжелые металлы в системе почва - растениеводческая продукция 69
3.1. Тяжелые металлы в почвах 69
3.1.1. Физико-химическая характеристика почв 69
3.1.2. Содержание тяжелых металлов в почвах садов 70
3.2. Видовой состав основных культур, выращиваемых на садовых участках г. Сибай 87
3.3. Тяжелые металлы в плодово-ягодных и овощных культурах 95
Глава 4. Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на микроэлементный состав растений 138
Выводы 140
Список литературы 142
Приложения
- Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду
- Характеристика района исследования
- Тяжелые металлы в почвах
- Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на микроэлементный состав растений
Введение к работе
Актуальность исследований. Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу наиболее опасных химических загрязняющих веществ. Обогащение ими биосферы, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, приводит к росту площадей загрязненных земель, что вызывает необходимость регулярного контроля их содержания. Особенно это касается районов, где среда и без того обогащенная соединениями тяжелых металлов, дополнительно подвергается техногенному загрязнению (Ильин, 1991).
Наличие медно-колчеданных месторождений в рудных районах Башкирского Зауралья (БЗ) способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей промышленности, строительство предприятий в котором велось без должного учета экологических требований. Опасному загрязнению подвергаются почвы индивидуальных садов и огородов, соседствующих с карьерами, обогатительными фабриками и хвостохранилищами.
Почвы являются депонирующей средой для токсикантов и могут служить индикатором экологической обстановки, а произрастающие на ней растения являются основными «поставщиками» тяжелых металлов в организм животных и человека. В связи с этим мониторинг техногенного загрязнения почв и выращиваемой на них растениеводческой продукции тяжелыми металлами в зоне воздействия предприятий-загрязнителей особенно важен, так как основной рацион питания населения малых городов и сел составляют выращиваемые на садово-огородных участках овощи и фрукты.
Цель и задачи исследований. Цель - изучить содержание тяжелых металлов (Си, Zn, Cd, Pb, Fe и Mn) в системе почва - растениеводческая продукция в условиях техногенного воздействия Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината (СФУГОК).
В задачи исследований входило:
1. Определить содержание ТМ в почвах длительно используемых и вновь осваиваемых коллективных садов г. Сибай, расположенных вблизи с промышленной зоной города и максимально удаленных от нее, в качестве критерия оценки их экологического состояния.
2. Выявить особенности накопления ТМ в товарной части культурных растений, выращиваемых на садовых участках, и охарактеризовать их санитарно-гигиеническое качество.
3. Дать количественную оценку миграции ТМ в системе почва - растение на основе вычисления коэффициентов накопления (Кн).
4. Установить существующие корреляционные связи между тяжелыми металлами в почвах и растениях.
5. Рассмотреть влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на микроэлементный состав растений.
Научная новизна. В условиях БЗ на примере г. Сибай впервые проведены комплексные исследования влияния деятельности горно-обогатительного комбината на накопление и распределение ТМ в системе почва — растениеводческая продукция с учетом длительности эксплуатации садовых участков и удаленности источника загрязнения (ИЗ). Проанализирован большой перечень выращиваемых культур, выявлены основные металлы-загрязнители и некоторые особенности их накопления в растительном организме.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные позволяют дать оценку экологического состояния почв и качества выращиваемой на них • продукции в условиях техногенного загрязнения. Результаты могут быть использованы для установления предельно допустимых концентраций (ПДК) ТМ в почвах и растениях, а также как основа для разработки основных направлений, методов и природоохранных мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность населения в регионе.
Организация исследований. Работа выполнена в рамках Государственной научно-технической программы Республики Башкортостан (РБ) «Научное обеспечение воспроизводства биологических ресурсов и развития агропромышленного комплекса РБ» (контракт № 2/13-Б АН РБ от 01.02.2006 г.) согласно плану научно-исследовательских работ АНРБ. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Почвы садов, расположенных в радиусе 5 км от промышленной зоны г. Сибай, загрязнены относительно РГФ медью, цинком, свинцом и кадмием.
2. Концентрация ТМ в растениях зависит от содержания их подвижных форм в почвах и биологических особенностей культур.
3. В зоне повышенного техногенного воздействия растениеводческая продукция загрязняется Zn, Cd и Fe.
4. В почвах и растениях тяжелые металлы тесно коррелируют между собой.
5. Загрязнение почв тяжелыми металлами ведет к изменению нормального соотношения микроэлементов в растениях.
Апробация. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на региональной научно-практической конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Южного Урала и Среднего Поволжья «Почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие» (Уфа, 2006), на II Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2007), на III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007), на IV-й Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2007), на всероссийской научно-практической конференции в рамках XVII Международной специализированной выставки «Агрокомплекс - 2007» (Уфа, 2007), на Республиканской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы конкурентоспособного воспроизводства в Башкирском Зауралье» (Сибай, 2008).
Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 в рекомендованных изданиях ВАК РФ.
Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду
Загрязнение почв ТМ - одна из самых важных проблем современной экологии, так как последствия загрязнения плодородного слоя касаются практически всех компонентов биосферы. И главная роль здесь принадлежит высшим растениям, которые непосредственно поглощают ТМ из почвы и включают их в трофические цепи (Ильин, 1991; Панин, Бирюкова, 2005).
Под «тяжелыми металлами» обычно понимают металлы переходных групп с атомной массой 50 и имеющих плотность более 8000 кг/м . К ним относят как физиологически необходимые для организмов элементы - Zn, Си, Mn, Fe, Со, Мо, так и те, необходимость которых пока не доказана - Pb, Ni, Cd, Hg (Алексеев, 1987; Минеев, 1988; Геохимия окружающей..., 1990; Алексеева-Попова, 1991; Ильин, 1991; Тяжелые..., 1997; Пронина, 2000).
Все тяжелые металлы характеризуются рядом сходных химических и физико-химических свойств. Их ионы в большинстве случаев имеют заряд "+, их гидроксиды, карбонаты и фосфаты нерастворимы в воде, а хлориды, сульфаты, нитраты и ацетаты — растворимы (Орлов, Безуглова, 2000).
Все тяжелые металлы, попав в атмосферу, почву или водоемы, включаются в природный круговорот веществ и удаляются очень медленно, при выщелачивании, эрозии и дефляции, потреблении растениями. Период их полуудаления для почв в условиях лизиметров составляет: для Zn - от 70 до 510 лет, для Cd - от 13 до 1100, для Си - от 310 до 1500 и для РЬ - от 740 до 5900 лет (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Агроэкология, 2000). По данным И.О. Плеханова (2007) время, за которое концентрация элементов в сильно загрязненных супесчаных дерново-подзолистых почвах снижается в 2 раза, составляет: для Cd и Zn - 12 лет, Си - 15 лет, Ni — 20 лет.
В атмосферу тяжелые металлы в основном заносятся в составе аэрозолей и пыли. Техногенная доля меди и цинка в атмосфере составляет примерно 75 %, кадмия и ртути - 50 %, никеля - 30 %, кобальты - 10 %. Наиболее высокая эмиссия характерна для свинца - 50-80 % (цит. по Майстренко и др., 1996).
При широком разнообразии соединений ТМ, поступающих в почву в составе газопылевых выбросов металлургических предприятий, преобладают их оксиды. Количество сульфидов и воднорастворимых фракций тяжелых металлов сравнительно невелико (Судницын, Сашина, 2006).
Основными источниками загрязнения ТМ являются предприятия черной и цветной металлургии, предприятия горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, предприятия по добыче и переработке нефти, тепловые электростанции, транспорт и др. (Алексеев, 1987). Протяженность зоны локального загрязнения почв достигает 10-20 км. При этом наиболее высокие уровни загрязнения отмечаются в первых 3-5 км от источника загрязнения (Евдокимова, 1985; Малахов и др., 1989).
Очень часто вокруг карьеров и промышленных предприятий располагаются индивидуальные застройки, сады и огороды. Многочисленные исследования показывают, что в огородных почвах может накапливаться значительное количество ТМ (табл.2). Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в огородных почвах, расположенных в зоне техногенного влияния, мг/кг (Ильин, 1991) Элемент Источник загрязнения Рудник Металлургический комбинат Мин им. Максим. Среднее Миним. Максим. Среднее Zn 199 1919 625 102 646 222 РЬ 48,9 513 150,8 15,5 95,5 26,1 Cd следы 8,25 2,10 0,04 3,05 0,23 Си 33,1 241 74,8 24,5 67,6 43,6 Ni 26,9 60,3 47,4 17,4 58,9 43,5 Сг 47,9 186 95,4 16,9 104,7 67,8 Со 8,1 58,9 15,0 9,1 23,4 14,3 Немалую роль в загрязнении почв тяжелыми металлами играет внесение удобрений, направленное на оптимизацию жизненных условий растений, что неизбежно ведет к изменению состава почвы. Поэтому особое внимание должно уделяться уровню содержания и соотношения элементов питания в почве, обеспечивающих повышение урожаев и качество производимой продукции (Парасюта и др., 2000).
Наиболее чистыми являются азотные и калийные удобрения (Овчаренко, 1995). Фосфорные и органические удобрения содержат ТМ в значительных концентрациях. К 1990 г. с фосфорными удобрениями в почвы СССР было внесено 3200 т кадмия, 16630 т свинца и 553 т ртути (Милащенко, 1980).
По данным Н. Schroeder, J. Balassa (1963) простой суперфосфат является источником Cd. Исследования J. Саго (1964) показали, что содержание элементов в данном удобрении составляет: Cd - 50-170 мг/кг, Сг — 66-243 мг/кг, Со - 0-90 мг/кг, Си - 4-79 мг/кг, РЬ - 7-92 мг/кг, Ni - 7-32 мг/кг, V - 70-180 мг/кг и Zn - 50-1430 мг/кг. Промышленные удобрения могут служить источником поступления Мп, Си, Pb, Ni и Cd. Для навоза характерна высокая обогащенность Zn, Мп, Си и Cd (Попова, 1991;Минеев, 1990). Приблизительные содержания микроэлементов в веществах, используемых в сельском хозяйстве, представлены в таблице 3. Таблица 3. Агротехнеческие источники загрязнения почв тяжелыми металлами, мг/кг сухого вещества (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) Металл Орошениесточнымиводами Фосфорные удобрения Известь Азотные удобрения Органика Пестициды Cd 2-1500 0,1-170 0,04-0,1 0,05-8,5 0,3-0,8 Си 50-3300 1-300 2-125 1-15 2-60 12-50 Сг 20-40600 66-245 10-15 3,2-19 5,2-55 Hg 0,1-55 0,01-1,2 0,05 0,3-2,9 0,09-0,2 0,8-42 Pb 50-3000 7-225 20-1250 2-27 6,6-15 60 Ni 16-5300 7-38 10-20 7-34 7,8-30 Zn 700-49000 50-1450 10-450 1-42 15-250 1,3-25 Изменяя химические и физико-химические свойства почвы, удобрения способны воздействовать на подвижность тяжелых металлов и их миграцию в почвенном растворе по профилю. Так, подкисление, которое вызывают многие минеральные удобрения, мобилизирует их, а внесение органического вещества, напротив, способствует их иммобилизации (Тяжелые металлы и..., 1994).
Загрязнение почв сельскохозяйственного назначения тяжелыми металлами часто происходит в результате внесения в них осадков сточных вод (ОСВ), которые используют в качестве нетрадиционных органо-минеральных удобрений. Возможность использования ОСВ в качестве удобрений обусловлена высоким содержанием в них органического вещества (45-60 %), общего азота (2-3 %) и фосфора (1-5 %), но наличие в них токсичных веществ, в том числе ТМ, служит основным ограничением их применения. Анализ ОСВ показал в них повышенное содержание Cd, Сг и Ni, превышающее нормы, принятые в ряде стран (Плеханова др., 1995).
Масштабы загрязнения зависят от дозы внесенного осадка, его состава и химических свойств почв. ОСВ являются источником металлорганических соединений в почвах, которые вовлекаются в биологический круговорот без предварительной трансформации и представляют наибольшую опасность (Пинский, 1992).
Таким образом, в результате хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, которые поступают в нее из самых разнообразных источников, и эта проблема к настоящему времени приобрела глобальный характер.
Характеристика района исследования
Башкирское Зауралье - это один из крупных регионов Республики Башкортостан, где наличие медноколчеданных месторождений способствовало бурному развитию горнодобывающей и рудоперерабатывающей промышленности. Длительность работы горно-обогатительных комбинатов здесь составляет 50-70 лет.
Исследования проводились в 2005-2008 гг. в г. Сибай РБ, где градообразующим предприятием является Сибайский филиал Учалинского ГОК, известный ранее как Башкирский медно-серный комбинат (БМСК). Предприятие специализируется на добыче и обогащении медных и медно-цинковых колчеданных руд, которые представляют собой линзовидные залежи обычно сплошных, реже вкрапленных руд, сложенных в основном пиритом (FeS), содержащих примесь халькопирита (CuFeS2), сфалерита (ZnS) и других минералов. Они образовались на морском дне или вблизи него в результате деятельности термальных источников, связанных с вулканизмом.
Для Сибайского рудного района характерны месторождения живетского возраста девонского периода. Они залегают среди риолит-базальтовых и базальт-андезит риолитовых вулканитов. Месторождения разрабатываются открытым и шахтным способом.
СФУГОК является одним из основных поставщиков концентратов меди и цинка металлургическим предприятиям России. Предприятие состоит из нескольких крупных карьеров, подземного рудника, обогатительной фабрики, хвостохранилищ и других промышленных объектов. Оно располагается на шести промплощадках, три из которых находятся в черте г. Сибай: 1. Сибайский карьер - расположен в юго-западной части города и граничит с жилыми постройками с севера и востока; 2. Камаганский карьер - расположен северо-западнее Сибайского карьера на расстоянии 3 км; 3. Сибайская обогатительная фабрика (СОФ) — расположена в северовосточной части города на расстоянии 0,7-1 км от жилой зоны города, с северо-востока граничит с коллективными садами.
Водопользование СФУГОК осуществляет из водохранилища на р. Худолаз, где установлены две насосные станции: одна для производственного водоснабжения предприятия, другая для орошения коллективных садов.
В 2002 г. предприятиями г. Сибай было выброшено в атмосферу 4,1 тыс. т загрязняющих веществ, в поверхностные водоемы сброшено без очистки 13,61 млн. м сточных вод (Государственный доклад..., 2003).
По данным СВ. Летуновой и Е.А. Беловой (1978) в «хвостах» Сибайской обогатительной фабрики содержится 2900 мг/кг меди, 4400 мг/кг цинка, 390000 мг/кг серы, 317 мг/кг ванадия и др.
По зональной классификации г. Сибай расположен в зоне сухих степей, на стыке Европы и Азии, где восточное предгорье Южного Урала одним из своих хребтов Ирендыком незаметно переходит в Западно-Сибирскую равнину. Он находится на границе с Челябинской областью, в 100 км от г. Магнитогорска, в 520 км от г. Уфы и на 173 км юго-восточнее г. Белорецка.
Климат здесь резко континентальный. Существенную роль в его формировании играют Уральские горы, которые служат естественной преградой переносу воздушных масс. Зимой эта территория находится под влиянием холодного сибирского воздуха, летом атлантический воздух проникает сюда уже нагретым и иссушенным. Поэтому специфическими чертами местного климата являются довольно длительная, холодная и малоснежная зима, жаркое и засушливое, иногда с пыльными бурями, лето, резкие колебания суточного и годового хода температуры (Богомолов, 1954; Вдовин, 1957; Агроклиматические ресурсы..., 1976; Хазиев и др., 1995).
В последние десятилетия в БЗ наблюдается аридизация климата, температура воздуха повысилась на 0,65, сумма осадков снизилась па 50 мм. Засушливый климат способствует развитию ветровой эрозии почвы (Мукатанов, 1999).
Средняя температура воздуха по метеостанции Сибай за 1998-2008 гг. составила 3,8. В атмосферной циркуляции преобладают ветра юго-западного, северо-западного, северного направлений.
Самыми холодными месяцами являются январь и февраль, наиболее жаркими - июнь и июль. Абсолютный максимум температуры в июле может достигать 42С. Амплитуда среднемесячных температур января и июля превышает 36, а между абсолютным минимумом и максимумом составляет 86 (Тайчинов, Бульчук, 1975).
Количество выпадающих осадков составляет в среднем 320-400 мм в год, а иногда менее 300 мм. Повторяемость засух — 20-30% (Хазиев и др., 1995;).
Маломощный снежный покров, который поздно устанавливается и рано сходит и обычно не превышает 30 см, способствует глубокому промерзанию почвы. Продолжительность периода со снежным покровом в зоне составляет 155-170 дней. Перед снеготаянием запас воды в снегу составляет 45-46 мм, но в отдельные годы не превышает 18 мм (Селянинов, 1961; Агроклиматические ресурсы..., 1976; Экология и безопасность..., 1999).
Основными почвообразующими породами являются элювиально-делювиальные и делювиальные отложения, преимущественно тяжелого механического состава. Реже встречаются аллювиальные, озерно-аллювиальные и болотные отложения. Разнообразные геологические отложения обусловливают богатство почвообразующих пород элементами питания растений, особенно микроэлементами, а в некоторых случаях тяжелыми металлами (Хазиев, 1995). Почвы большей части территории БЗ представлены черноземами. Обобщая литературные данные (Гайсин, Гарифуллин, 1957; Тайчинов, 1960; Тайчинов, Бульчук, 1973; Черноземы..., 1973; Мукатанов, 1994; Хазиев и др., 1985; 1995; 1997; Суюндуков, 2001) можно сказать, что характерной особенностью этих черноземов является активизация катионов кальция в профиле почв, скопления карбонатов мучнистой формы, а также потековато-языковатый профиль. Эти признаки определяются засушливостью климата и тяжелым механическим составом почв и пород. Образование глубоких трещин, которые заполняются гумусовым мелкоземом, происходит в периоды засух и в малоснежные суровые зимы, когда почвы глубоко промерзают.
Развитие горнодобывающей промышленности в БЗ повлекло за собой нарушение почвенного покрова, формирование специфических карьерно-отвальных типов ландшафтов и техногенно-нарушенных почв (Мукатанов, 1992). Эти почвы не дифференцированы по генетическим горизонтам, перемешаны со щебенкой и обломочным материалом коренных пород. Заселение таких участков естественной растительностью затруднено. Кислотность почв зависит от характера вмещающих пород, а содержание органического вещества в верхних горизонтах может изменяться в широких пределах. Накопление различных элементов в почвах обусловлено преимущественно их наличием в коренных породах, добываемых рудах и трансрегиональным переносом (Габбасова, Хабиров, 2003).
Тяжелые металлы в почвах
Исследуемые почвы представлены черноземами обыкновенными тяжелого механического состава. Известно, что садово-огородные почвы достаточно сильно преобразовываются самим человеком и поэтому могут значительно отличаться по свойствам от исходных почв. В связи с этим нами были определены некоторые физико-химические свойства почв (табл. 12).
Как показали исследования, количество гумуса в почвах наиболее освоенных садов (№ 3, 10 и 17) варьирует в пределах 7,5-8,3 %. Сумма поглощенных оснований также достаточно высокая, в пределах 36,8-47,3 мг.экв на 100 г почвы. Значительное место в почвенно-поглощающем комплексе занимает кальций (25,4-32,2 мг.экв/100 г). Содержание аммонийного азота находится в пределах от 31 до 45 мг/кг, нитратного азота - 30,9-45,7 мг/кг. Реакция солевой вытяжки нейтральная (рН = 6,8-7). Гидролитическая кислотность - 0,54-0,67 мг.экв на 100 г почвы.
Почвы менее освоенного сада № 16 отличаются меньшим содержанием гумуса (6,5 %), нитратного и аммонийного азота (10,7 и 28 мг/кг соответственно), высокой гидролитическорй кислотностью (2,74 мг.экв на 100 г почвы) и более кислой реакцией солевой вытяжки (рН = 5,9).
В целом, высокое содержание гумуса, суммы поглощенных оснований и кальция в ППК, а также нейтральная среда свидетельствуют о высоких буферных свойствах исследуемых почв по отношению к тяжелым металлам.
Интенсивная эксплуатация медноколчеданных месторождений, а так же естественный повышенный геохимический фон оказывают серьезное влияние на содержание тех или иных элементов в почвах БЗ (Ковальский, 1974; Скарлыгина-Уфимцева и др., 1976; Ковальский и др., 1981).
По данным исследований Опекуновой и др. (2001) естественное фоновое содержание меди, цинка и железа в степных почвах окрестностей г. Сибай повышено, а их количество в почвах, подверженных техногенному влиянию зависит от близости расположения ИЗ.
А.А. Кулагин и Ю.А. Шагиева (2005) в своей работе отмечают, что в непосредственной близости от БМСК пахотный слой черноземов обыкновенных по содержанию валовой и подвижной Си имеет очень высокий уровень загрязнения по Важенину (1987), который превышает ПДК в 14,3 и 75,7 раз соответственно. По валовым формам Zn уровень загрязнения расценивается как слабый, по подвижным формам — очень высокий (превышение ПДК в 1,4-6,3 раза). При этом импактная зона раполагается в радиусе 5-10 км.
Свинец в почвах Башкирского Зауралья не является приоритетным металлом — загрязнителем, однако он может накапливаться в больших количествах в условиях городской среды. Кадмий является химическим аналогом и спутником цинка и в небольших количествах присутствует в колчеданных месторождениях. Марганец является антагонистом железа (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991).
Для Си, Zn и Мп в исследуемых почвах характерно снижение концентрации от аккумулятивного горизонта А к переходному АВ. Максимальное их количество наблюдается в иллювиальном горизонте В. Для Fe свойственна наибольшая аккумуляция в гумусовом горизонте А и дальнейшее снижение вниз по профилю, для РЬ - равномерное распределение по всем горизонтам, для Cd - резкое возрастание концентрации в горизонте АВ и незначительное уменьшение в горизонте В (Опекунова и др., 2001).
Медь. В почвах садов возможно значительное накопление меди под влиянием техногенных факторов, а также в связи с ее содержанием во многих препаратах, используемых садоводами в качестве средства борьбы с вредителями и сорняками, в удобрениях (Теренько, Образцова, 1985; Алексеев, 1987; Иванова, 1987). Известны случаи, когда в огородных почвах, загрязненных рудником, содержание валовых форм меди достигало 241 мг/кг (Ильин, 1991).
По данным М.Г. Опекуновой и др. (2001) валовое содержание меди в почвах садов г. Сибай находится в диапозоне от 64,3 до 145,7 мг/кг. В садах, расположенных близко к промышленной зоне города, концентрация меди в почвах превышает ОДК, которая для глинистых и суглинистых почв с рН 5,5 составляет 132 мг/кг.
НСРоз 6,16 0,13 Почвы садов достоверно различаются по количеству в них кислоторастворимых форм меди (HCPos = 6,16 мг/кг), кроме садов № 3 и 17, где их концентрация оказалась приблизительно равной и в среднем составила 71,9 и 72,9 мг/кг соответственно. Наиболее загрязненными оказались участки коллективного сада № 10, расположенного в непосредственной близости с обогатительной фабрикой. Здесь среднее содержание металла в почвах составило 85,4 мг/кг. В почвах сада № 16 количество меди в среднем находилось на уровне 34,2 мг/кг (рис. 1а).
Региональный фон для валовой меди установлен на уровне 49 мг/кг (Опекунова, 2001), фон для черноземов - 25 мг/кг (Методические указания..., 1993). В садах № 3, 10 и 17 концентрация кислоторастворимых форм меди выше РГФ в 1,5 -1,7 раз, фон для черноземов - в 3-3,5 раз. По сравнению с почвами сада № 16 в этих садах наблюдается превышение в 2-2,5 раза.
Содержание подвижной меди в исследуемых почвах варьирует в пределах от 0,26 до 1,81 мг/кг, что не превышает ПДК, установленной на уровне 3 мг/кг (рис.16). Выявлено, что количество подвижных соединений элемента в почвах зависит от содержания его кислоторасворимых форм (г = 0,84).
Почвы всех четырех садов достоверно различаются по содержанию подвижных форм меди и располагаются в следующем ряду убывания: № 10 № 3 № 17 № 16 (НСРоз = 0,13 мг/кг).
Наиболее мобильна медь в почвах сада № 10, где ее количество в среднем составляет 1,49 мг/кг. Далее следуют сады № 3 и 17, и если содержание кислоторастворимых форм меди в почвах этих садов было примерно одинаковым, то по количеству подвижной меди они отличаются. Так, в саду № 3 в среднем оно составило 1,15 мг/кг, тогда как в саду № 17 — 0,81 мг/кг. Причиной, по всей видимости, является относительная близость расположения к СОФ и более длительная эксплуатация участков коллективного сада № 3. Содержание подвижных форм меди в почвах сада № 16 в среднем находится на уровне 0,34 мг/кг. Таким образом, по сравнению с ним в садах № 3, 10 и 17 наблюдается превышение в 2,5-4,5 раза.
Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на микроэлементный состав растений
Медь, цинк, железо и марганец являются важными микроэлементами для растений. Интенсивная антропогенная нагрузка на почву вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнения. Результатом этого является нарушение соотношений элементов минерального питания в растениях, произрастающих на загрязненных почвах (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991).
Из таблицы следует, что в данных условиях в растениях повышены концентрации цинка и железа, и снижены содержания марганца. Особенно сильно изменены соотношения между марганцем и железом в сторону значительного перевеса последнего.
Таким образом, техногенное загрязнение среды ТМ, накладываясь на повышенный геохимический фон исследуемых территорий, приводит к значительным изменениям химического состава почв и выращиваемых на них растений. В этих условиях растения способны содержать опасные концентрации одних элементов и испытывать недостаток других.
1. Уровень содержания ТМ в почвах коллективных садов г. Сибай определяется расстоянием от ИЗ и длительностью эксплуатации садовых участков.
Концентрация кислоторастворимых и подвижных форм Си, Zn, Pb и Cd в почвах садов, расположенных в радиусе 5 км от промышленной зоны города, повышено относительно РГФ. Содержание подвижных форм Zn превышает ПДК до 1,5 раз.
В зоне повышенной техногенной нагрузки по суммарному показателю загрязнения почвы относятся к категории умеренной опасности.
Содержание кислоторастворимых и подвижных форм ТМ в почвах максимально удаленного от города сада № 16 находится в пределах нормальных концентраций.
2. Накопление тяжелых металлов в растениеводческой продукции зависит от содержания их подвижных форм в почвах и от биологических особенностей культур. В органах растений металлы распределяются неравномерно и убывают в ряду: листья корнеплоды плоды видоизмененные побеги. В культурах, выращиваемых в зоне повышенного техногенного воздействия, выше ПДК способны накапливаться Zn, Cd и Fe. Наибольшую чувствительность к загрязнению проявляют листовые овощи - Anethum graveolens L., Allium сера L., Brassica oleracea L. и корнеплоды Beta vulgaris L., Raphanus sativus L. В наименьшем количестве ТМ накапливаются в плодах древесно-кустарниковых видов растений.
3. Загрязнение культурных растений Cd происходит при содержании его подвижных форм в черноземных почвах в количестве 0,27 мг/кг, тогда как ПДК для него установлена на уровне 0,5 мг/кг. Это доказывает необходимость пересмотра существующих нормативов для данного элемента в сторону их ужесточения.
4. В условиях загрязнения почв тяжелыми металлами эффективность их миграции из почвы в растительный организм снижается, о чем свидетельствуют невысокие значения коэффициентов накопления.
5. Установлены тесные положительные корреляционные связи в почвах -между Си - Zn, Си - Pb, Си - Cd, Zn - Pb, Zn - Cd, Pb - Cd, в растениях - между Zn - Pb, Zn - Fe, Zn - Mn, Pb - Fe, Pb - Mn и Fe - Mn. Между содержанием Mn в растениях и количеством ТМ в почвах выявлена обратная корреляционная зависимость.
6. Загрязнение почв тяжелыми металлами ведет к изменению нормального соотношения микроэлементов в растительном организме. В большинстве исследуемых культур наблюдается избыточное содержание Zn, Fe и дефицит Мп.
