Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика тяжелых металлов и проблема охраны почв в системе агроландшафта

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Динамика тяжелых металлов и проблема охраны почв в системе агроландшафта"

На правах рукописи

Гукалов Владимир Николаевич

Динамика тяжелых металлов и проблема охраны почв в системе агроландшафта

Специальность 03.02.08 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

16 МАЙ ¿1)13

005058604

Москва -2013

005058604

Работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета в 1998-2012 гг.

Научный консультант доктор биологических наук, профессор,

Белюченко Иван Степанович

Официальные оппоненты: Макаров Олег Анатольевич, доктор биологических

наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», факультет почвоведения, кафедра земельных ресурсов и оценки почв, профессор кафедры

Шеуджен Асхад Хазретович, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент Россельхозака-демии, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт риса Российской академии сельскохозяйственных наук, заместитель директора по координации региональных проблем рисоводства в Российской Федерации

Ашинов Юнус Нухович, доктор биологических наук, профессор, Автономная некоммерческая образовательная организация высшего профессионального образования «Институт экономики и управления в медицине и социальной сфере», ректор

Ведущая организация Государственное научное учреждение Почвенный

институт имени В.В. Докучаева Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится 14 мая 2013 г. в 15— в ауд. М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1., стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан

Ученый секретарь __ , . „

диссертационного совета V С/ Никифорова Алла Сергеевна

1 Общая характеристика работы

Актуальность. Тяжелые металлы (ТМ) и металлоиды объединяют элементы, имеющие стабильные изотопы с атомной массой от 50 (ванадий) до 238 (уран), они активно включаются в пищевые сети и потребляются живыми организмами с водой, воздухом и пищей. Всего эта группа насчитывает 58 элементов (Водяницкий, 2008). В своей работе мы остановимся на изучении динамики валового содержания и концентрации подвижных форм ТМ, оказывающих основную нагрузку на агроландшафты, - Со, Zn, Cu, Mn, Pb, Cd, Ni. Существенными источниками загрязнения агроландшафтов ТМ являются минеральные и органические удобрения, пестициды и другие агро-технологические средства, в составе которых они поступают в почву и водные системы. Значительный вклад в загрязнение среды вносят фосфорные и калийные удобрения, полученные из природного сырья и содержащие в комплексе практически все элементы земной коры, в том числе значительную долю ТМ. Среди мероприятий по стабилизации и улучшению экологической ситуации аграрных ландшафтов особое место отводится системе экологического монит оринга се вооборотов, целесообразно вест и та кже контроль за состоянием других частей агроландшафта (лесополосы, фермы, поселки и другие его составляющие).

На необходимость оценки влияния удобрений на все блоки ландшафта с отслеживанием деградационных процессов в них, а также возможность их загрязнения ТМ указывали многие исследователи (Ильин, 1997; Белюченко, 2003 и др.). Вносимые органические и минеральные удобрения оказывают значительное влияние на физические и химические свойства почвы, на растения и животный мир (Добровольский, 1983), что может явиться причиной изменения геохимических циклов в агроландшафтах и нарушения в них систем самоочищения и самовосстановления (Громов, Павленко, 1989; Белюченко, 1998; 2005 и др.). Содержание ТМ является важным показателем состояния ландшафтов, поскольку нарастание их количества в пищевых сетях ведет к появлению ряда специфических заболеваний живых организмов и замедлению скорости миграционных геохимических процессов. Кроме того, техногенные поступления ТМ в окружающую среду с удобрениями заметно превышают природные. При отмирании растений и животных почва обогащается этими элементами, и при их накоплении постепенно изменяются многие свойства почвенно-поглощающего комплекса (Белюченко, 2003; 2005; 2010; Гукалов, 2010).

К сожалению, мониторинг аграрных ландшафтов, где периодически применяются различные агротехнологии, проводится нерегулярно, и потому распределение в них ТМ отслеживается недостаточно, в то время как информация о динамике накопления этих элементов в почве весьма важна. Особое место занимают вопросы охраны почв.

Цель работы - оценка динамики содержания ТМ и проблема охраны почв в системе агроландшафта. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение валового содержания ТМ и их подвижных форм на всей территории агроландшафта.

2. Изучение динамики валового содержания и подвижных форм ТМ в верхнем слое почвы по сезонам и годам вегетации, по почвенным слоям и сезонам в различных элементах рельефа.

3. Выявление закономерностей распределения и прогнозирование содержания ТМ в почвах агроландшафта.

4. Оценка экологического состояния водных ресурсов агроландшафта.

5. Определение содержания ТМ в растительных кормах и некоторых тканях и продуктах жизнедеятельности КРС.

6. Разработка рекомендаций по охране почв в системе агроландшафта.

Научная новизна работы. Комплексный экологический мониторинг

позволил ос уществить зон ирование территории хозяйства по загрязнению ТМ и выявить неравномерность их распределения с учетом специфики антропогенного воздействия. Для нормирования экологического состояния почв автор рассматривает необходимость включения в показатели их оценки наряду с уровнем загрязнения ТМ содержание органического вещества.

Впервые в условиях агроландшафта пшеничной зоны Краснодарского края проведен комплексный анализ данных экологического мониторинга семи наиболее приоритетных загрязнителей: Хп, РЬ, Сё, Со, Мп, Си, N1. В ходе исследования получены следующие результаты, обладающие элементами научной новизны: 1) изучены процессы накопления и представлена общая сравнительная характеристика распределения ТМ в естественных условиях; 2) выведены и проанализированы регрессионные модели динамики валового содержания и накопления подвижных форм ТМ; 3) выявлены особенности пространственно-временного распределения ТМ в системе анализируемого агроландшафта с учетом технологических приемов ведения сельскохозяйственного производства.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Установлено существенное влияние удобрений на агрономическое состояние почв: содержание органического вещества и минеральных питательных элементов, физические свойства и концентрацию тяжелых металлов первого (Сё, РЬ, Zn), второго (Со, Си и N0 и третьего (Мп) классов опасности по результатам площадных съемок; изучена специфика распределения ТМ по слоям, сезонам и годам, а также дан прогноз их накопления в почве.

2. Изучено экологическое состояние поверхностных вод на основе определения тяжелых металлов в воде реки Средняя Челбаска и во временных стоках балок, а также определен уровень загрязнения воды на фермах и в донных отложениях основной реки, обусловленный привносом загрязнений

во время дождей с территории фермерского хозяйства, минеральных и органических удобрений с плакорного участка севооборота, что сказалось на концентрации отдельных элементов в воде и донных отложениях; ликвидация СТФ привела к снижению загрязнения ТМ в основных составляющих водных ресурсов агроландшафта.

3. Определены полноценность и сбалансированность кормов и содержание в них микроэлементов; большинство ТМ в небольших количествах заметно улучшает рост растений и повышает качество кормов; наибольшее количество ТМ накапливают зеленые корма весной; концентрация металлов в молоке и крови животных колеблется по сезонам и годам, отмечается повышенное содержание цинка и никеля в крови, а никеля и кобальта - в молоке.

4. Установлено, что состояние почв в агроландшафтах в основном определяется системой удобрений; содержание в них ТМ оказывает влияние на физические характеристики почв, на долевое участие в них органических веществ и глинистых комплексов; внесение в почву сложных компостов с включением навоза, фосфогипса и других отходов, разнообразных по дисперсным и коллоидным свойствам, способствует переводу основных ТМ в труднодоступное состояние; практические испытания сложных компостов показали перспективность их создания и применения.

Практическая значимость работы. В результате многолетних исследований получены данные по загрязнению ТМ почв, водных систем и растительности, разработаны предложения по охране почв от загрязнения ТМ в агроландшафтах и получены патенты на создание для этих целей компостов органоминерального происхождения.

Личный вклад автора. Программа исследований проблемы, ежегодные планы и организация их выполнения; осуществление ежегодных экспедиций, организация мониторинга: размещение трансект, выбор показателей оценки состояния ландшафтной системы; обобщение полевых и лабораторных исследований и формулировка выводов принадлежат автору. Результаты исследований опубликованы в 120 работах в соавторстве с Г.В. Волошиной, О.А. Мельник, Л.Б. Попок, И.С. Белюченко и другими исследователями; 15 статей издано в рецензируемых журналах. Результаты исследований используются на экологическом факультете Кубанского госагроуниверситета при чтении курсов агроландшафтной экологии и экологического мониторинга. Получены патенты на изобретения по 5 заявкам.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных конференциях НИИ экологии (2000-2006 гг.), на кафедре общей биологии и экологии (1999, 2000, 2003, 2005, 2007, 2010, 2011, 2012 гг.), на научно-технических советах департамента сельского хозяйства края (2006-2008 гг.), на первой и второй Всероссийских научных конференциях

«Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, март 2009, 2010 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 10 глав, выводов, списка использованной литературы; изложена на 423 страницах машинописного текста и включает 186 таблиц и 47 рисунков; список использованной литературы составляет 419 наименований, из которых 55 - на иностранных языках.

2 Условия, материалы и методы исследований

Природно-хозяйственные условия. Агроландшафт ОАО «Заветы Ильича» расположен в юго-западной части Ленинградского района Краснодарского края. Исследуемая территория характеризуется умеренно континентальным климатом: средняя температура воздуха плюс 10,ГС, абсолютный максимум 38°С (июль), абсолютный минимум минус 26°С (февраль); годовое количество осадков составляет в среднем 500 мм и распределяется по месяцам неравномерно. Лето жаркое и сухое, наступает в первой декаде мая; зима умеренно холодная и наступает в начале декабря, в течение года преобладает ветер восточного и северо-восточного направлений.

Методические аспекты проведения исследований. Исследования проводились в период с 1998 по 2011 гг. на стационарном полигоне многолетнего мониторинга общей площадью 450 га, что составляет 1/8 часть всего хозяйства. Полигон был разбит на два участка: 1 -й, на котором сжигание стерни не проводилось более 15 лет, и 2-й - данный прием не практикуется с 1999 года. Использовались методы отбора почвенных и растительных проб на стационарных площадках и в отдельных блоках агроландшафта (поселок, речная система, фермы, обочины дорог, парки и т.д.). В 1998, 2001 и 2006 гг. по всему хозяйству проведены площадные съемки с сеткой 500 х 500 м, на других объектах - СТФ, МТФ, мехдвор - использовали точечный метод: пробы отбирались по сторонам света на расстоянии 100 м от источника загрязнения и на самом объекте (рисунок 1). В 2007 г. был заложен производственный опыт по изучению влияния модернизации технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур в пятипольном севообороте с внесением органоминерального компоста на основе навоза КРС и фосфогип-са. В 2011 г. на этом участке в октябре-ноябре были отобраны образцы почв с шагом 200 х 100 м на площади 100 га и определено валовое содержание ТМ.

Отбор проб по элементам рельефа проводили в разрезах (рисунок 2) весной, летом, осенью и зимой в 2001-2002 гг., а также в 2006 г. в четырехкратной повторности. Отбор проб почвы в верхнем слое по годам и сезонам проводили на полигоне (рисунок 1). Подготовка проб почвы осуществлялась согласно методикам по определению ТМ. Пробы воды и ила на реке и в жид-

ких стоках отбирали ежегодно. Отбор проб осуществлялся на расстоянии 1 км вверх и вниз по течению реки от поселка и в самом поселке. Пробы воды отбирались 3 раза в год весной, летом и осенью. Всего по результатам каждой экспедиции анализировалось 150 проб почвы, до 30 проб воды и свыше 10 проб ила.

mm......I

«1 № эи BI 361 v 1

'•Г.'

; D»™«

Рисунок 1 - Схема мониторинга агроландшафта в ОАО «Заветы Ильича»

35 -|

¿30

¡>4

х 25 ?

20

15

ч3_/

Рисунок 2 - Размещение разрезов по профилю агроландшафта: 1 - разрез на северном' плакорном участке, 2 - разрез на южном склоне, 3 - разрез в аккумулятивной зоне, 4 - разрез на северном склоне, 5 - разрез на южном плакорном участке.

Сравнивали также содержание ТМ в различных типах кормов, используемых для кормления животных в различные периоды года. С этой целью проводили отбор проб зеленых кормов, включая люцерну, сенаж и силос. Пробы молока и крови отбирали по сезонам и в разные годы исследований. Мочу и навоз отбирали в утренний период, и их анализ проводился в течение двух часов

Для ТМ характерна низкая селективность вытяжек (Мотузова, 1999). Поэтому в своих исследованиях мы ставили задачу определения ТМ на

уровне валового содержания и концентрации их подвижных форм (Водяниц-кий, 2008). Содержание ТМ во всех объектах определялось на атомно-абсорбционных спектрометрах «ААС КВАНТ-2А» и «ААС-КВАН 2-ЭТА» с атомизацией в пламени пропан-воздух в соответствии с утвержденными нормативными документами. При подготовке проб почвы для выполнения валового анализа использовали способ приготовления вытяжки с использованием 1ТЫ03/Н20 (1:1) + Н202 + 1м РГЫОз; для подвижных форм применяли ацетатно-аммонийный буферный раствор с рН 4,8. По большинству показателей валового содержания нормы в основном выдерживались, за исключением кобальта. Для подвижных форм, попадающих в основном при внесении минеральных удобрений, отмечены повышенные показатели содержания меди, марганца и никеля. В процессе дальнейших исследований мы ориентировались на поиска снижения этих показателей. Подготовку проб к анализу осуществляли по методическим указаниям ЦИНАО (валовое содержание и подвижные формы - РД 52.18.289-90).

Выборки проводились в зависимости от типа хозяйственного использования земель лесополос и пашни по сезонам и годам. Достоверность различий между средними проверялась с помощью ^критерия Стьюдента. Для выявления зависимости между содержанием ТМ и физико-химическими свойствами почвы определяли коэффициенты корреляции. Все статистические оценки выполнены на 5% уровне значимости.

3 Состояние почвенного покрова

Почвы хозяйства представлены в основном черноземом обыкновенным, имеющим хорошую структуру, высокую пористость и водопровод-ность. Содержание гумуса широко колеблется при рН 7,8-8,3. Слабощелочная реакция определяется наличием в почве СаС03, который в основном концентрируется в поверхностном слое. Запасы СаСОз на глубине 0-200 см составляют примерно 2400 т/га. Гранулометрический состав преимущественно глинистый и тяжелосуглинистый. Механические элементы скоагули-рованы в прочные микроагрегаты, преобладающая часть которых по размеру относится к крупнопылеватой фракции.

Физические свойства почвы: плотность в поверхностном слое 1,27 г/см3, с глубиной увеличивается до 1,36 г/см3; удельная масса 2,68 г/см3 и с глубиной изменяется мало; скважность пахотного слоя 52%, с глубиной падает до 46%. По профилю в слое А (0-50 см) - почва темно-серая, книзу светлее, рыхлее, комковато-зернистая, встречаются корни растений и ходы дождевых червей. В слое В (50-210 см) - суглинок серый с коричневым оттенком, высокопористый, гумусированный до 1,4 м и глубже, плотнее выше расположенного горизонта, много карбонатной плесени, имеются ходы чер-

вей, кротовины. В слое С (210-450 см) - глина лёссовая, коричневая, зеленовато-серая, твердая, карбонатная, низкопористая, с черными налетами гидрооксидов Мп.

Агрохимические свойства изучаемых почв практически не зависят от расположения (склон или водораздел); содержание в них гумуса колеблется от 3,12 до 3,38% и только в днищах балок возрастает до 4,3%. Почвы щелочные (рН от 8,48 до 8,65), содержание нитратов колеблется от 15,5 до 20,0 и аммиачного азота - от 23 до 33 мг/100 г почвы, и только на северном склоне, где доля нитратов сравнительно невысокая (14,1 мг/100 г), содержание аммиачного азота поднимается до 44,1 мг/100 г (таблица 1). Таблица 1- Агрономические свойства почв изучаемого агроландшафта

(2006 г.)

Элемент рельефа Гумус, % рН ЖГз, мг/100г N11%, мг/100г Р2О5, мг/ЮОг Физическая глина, %

Северный водораздел 3,38 8,47 15,50 27,80 34,50 68,50

Южный склон 3,37 8,53 20,00 33,30 28,50 67,20

Балка 4.30 8,54 18,60 33,30 119,00 65,60

Северный склон 3,29 8,52 14,10 44,10 33,00 69,70

Южный водораздел 3,12 8,65 20,40 22,90 44,00 71,00

Наиболее высоким оказался уровень фосфатов в балке - 119 мг/100 г, т.е. в 3-4 раза больше, чем в других элементах рельефа. Содержание физической глины во всех элементах рельефа варьирует в незначительных пределах - от 65,6 до 71,0%. В целом можно считать, что агрономические свойства чернозема обыкновенного в изучаемых элементах рельефа достаточно сходные и только балочные системы отличаются заметными различиями в содержании гумуса и фосфора. Это, очевидно, связано с дождевыми стоками фосфора, а большое содержание гумуса - с мощной растительной массой, формирующейся в этой системе в летний период.

4 Содержание ТМ в почвах агроландшафта по результатам площадных съемок

Площадная съемка 1998 г. Содержание ТМ определялось по всему хозяйству: в 1998 г. на площади 5700 га, в 2001 - 7500 и в 2006 - 8000 га с шагом 500 х 500 м. Было отобрано 250 образцов, где определялось содержание подвижных форм цинка, свинца, кадмия, кобальта. Наибольшей концентрацией в почвах выделяется цинк (5,71 мг/кг). Содержание подвижных форм изучаемых металлов характеризовалось сравнительно низкой их концентрацией, что объясняется резким ухудшением экономической ситуации и относительно низкими дозами вносимых минеральных удобрений.

Площадная съемка 2001 г. Площадь исследования увеличилась до 7500 га, и число отобранных образцов составило 330, число определяемых металлов увеличили до 7. Оценивали содержание валовое и подвижных элементов. Особых различий в валовом содержании элементов между правым и левым берегами реки Средняя Челбаска не установлено. Всего 3-8% отобранных образцов выделяются по валовому содержанию отдельных металлов. Полигоны мониторинга различаются содержанием отдельных ТМ в сравнении с площадной съемкой на 0,2-3,0% (кобальт, цинк, медь и т.д.). Наибольшие разрывы по содержанию (до 10%) между полями мониторинга и всем хозяйством характерны для кадмия и марганца. Основная площадь ландшафта характеризуется достаточно выровненным валовым содержанием ТМ. Распределение подвижных форм ТМ по территории агроландшафта носит диффузный характер, и их содержание на левом и правом берегах различается мало.

Площадная съемка 2006 г. Площадь исследований увеличилась до 8000 га, количество отобранных образцов составило 400, число определяемых металлов 7. Оценку проводили по валовому содержанию и подвижному составу отдельных элементов. Определение валовой концентрации ТМ (таблица 2) показывает, что, кроме марганца, содержание всех элементов к 2006 г. по сравнению с 2001 г. повысилось; по одним металлам в пределах 1-2 мг/кг почвы (цинк, кадмий, кобальт), а по другим (свинец, медь, никель) -свыше 3-4 мг/кг почвы, а кадмия — на 70%.

Таблица 2 - Валовое содержание ТМ (мг/кг) по результатам площадных съемок в 2001 и 2006 гг.

Элемент Среднее Ошибка среднего Минимум Максимум Коэффициент вариации

2001

Со 11,23 1,23 8,85 19,42 10,94

Ъп 71,95 6,92 49,42 109,44 9,62

Си 23,54 2,56 17,65 47,65 10,86

Мп 730,83 67,82 508,66 1164,40 9,28

РЬ 20,29 5,36 16,25 75,30 26,41

С<1 0,13 0,02 0,10 0,25 13,33

№ 49,33 3,74 42,35 75,14 7,58

2006

Со 12,77 1,31 0,05 17,80 10,27

гп 72,65 8,42 60,23 139,20 11,59

Си 27,00 3,56 21,17 44,17 13,19

Мп 727,05 60,32 617,50 963,50 8,30

РЬ 22,69 2,92 16,29 30,74 12,89

Сс1 0,22 0,05 0,14 0,97 23,87

N1 52,01 3,46 39,72 73,12 6,65

В целом валовые количества металлов укладываются в принятые нормы ПДК при весьма умеренной вариации. По ряду металлов (цинк, кадмий) увеличился верхний порог их концентрации. По всем металлам повысился минимальный уровень содержания. В целом увеличение валового содержания ТМ в почвах агроландшафта с 2001 по 2006 год оказалось незначительным, но устойчивым, что можно объяснить их поступлением в почву с 2004 г. при внесении органических, фосфорных и калийных удобрений.

Содержание подвижных форм ТМ (таблица 3) также повысилось по сравнению с 2001 г. и особенно с 1998 г. Такое увеличение характерно для меди, марганца, кадмия и никеля (для последнего - на 11% при среднем содержании 6,06 мг/кг). Диапазон концентрации подвижных форм металлов в почвах агроландшафта в 2006 г. тоже стал шире, чем в 2001 г.; 6% почвенных образцов имело содержание подвижного никеля менее 4 мг/кг и всего 3% - свыше 7 мг/кг почвы. В 2001 г. количество таких образцов составляло всего 1%. Основная часть почвенных образцов в 2006 г. содержала N1 от 4 до 7 мг/кг почвы.

Таблица 3 - Содержание подвижных форм ТМ по результатам площадных съемок, мг/кг

Элемент Среднее Ошибка среднего Минимум Максимум Коэффициент вариации

1998

Со 0,02 0,001 0,01 0,04 9,62

5,71 0,150 4,11 6,92 32,10

РЬ 0,07 0.009 0,01 0,22 34,01

Сс1 0.005 0,0006 0,001 0,0011 7,85

2001

Со 2,89 0,59 1,82 5,07 20,60

гп 4,98 0,95 2,82 24,54 39,23

Си 4.16 0,94 2,52 14,72 22,55

Мп 189,56 26,60 142,28 288,37 14,03

РЬ 3,58 0,84 1,73 6,45 23,31

С(1 0,04 0,01 0,02 0,08 23,61

N1 5,21 0,95 3,08 8,64 18,17

2006

Со 3.04 0.52 1,58 5,17 17,23

гп 5,64 0,28 2,92 11,72 22,81

Си 5,29 0,85 3,34 8,94 19,86

Мп 200,98 35,94 127,40 342,30 17,88

РЬ 3,59 0,90 1,73 6,97 25,24

Сс1 0,10 0,02 0,05 0,16 16,50

N1 6,06 0,88 4,32 9,58 14,59

Количественное соотношение образцов внутри изучаемой группы ТМ за пятилетний период (с 2001 по 2006 г.) заметно изменилось. Если в 2001 г. количество проб с содержанием подвижных металлов 4-6 мг/кг составило 75%, а 6-7 мг/кг - всего 18%, то в 2006 г. число таких проб увеличилось до 48 и 43% соответственно. За 5 лет возросло число проб с содержанием никеля более 7 мг/кг, что указывает на мобильность этого элемента в почвах ландшафта.

Значительный интерес представляют результаты сравнения валового содержания и подвижных форм различных элементов по отдельным составляющим ландшафта (таблица 4).

Таблица 4 - Содержание ТМ в составляющих ландшафта, мг/кг

Элемент Год Со гп Си Мп РЬ Сс1 №

В целом по агроландшафту

Валовое 2001 11,20 72,10 23,50 727,90 20,30 0,10 49,30

2006 12,80 72,70 27,00 727,10 22,80 0,20 52,00

1998 0,02 5,70 - - 0,10 0,01 -

Подвижные 2001 2,90 5,00 4,20 189,60 3,60 0,04 5,20

2006 3,00 5,70 5,30 201,00 3,60 0,10 6,10

Севооборот

Валовое 2001 11,20 72,00 23,50 730,80 20,30 0,10 49,30

2006 12,70 72,10 26,90 725,50 22,60 0,20 51,90

1998 0,10 4,40 - - 0,10 0,02 -

Подвижные 2001 3,02 5,00 4,20 198,40 3,60 0,04 5,90

2006 3,04 5,50 5,30 201,00 3,50 0,10 6,00

Лесополосы

Валовое 2001 11,50 75,50 23,90 780,10 21,00 0,10 48,70

2006 12,40 71,20 27,50 738,60 24,00 0,30 52,60

1998 0,07 5,00 - - 0,10 0,03 -

Подвижные 2001 2,60 5,20 4,00 179,90 3,50 0,03 5,00

2006 2,90 5,90 5,30 213,80 4,00 0,10 6,30

Естественные угодья

Валовое 2001 10,70 67,30 22,60 684,70 19,30 0,10 49,20

2006 13,60 82,30 28,80 752,30 24,20 0,30 53,60

1998 0,04 5,50 - - 0,10 0,03 -

Подвижные 2001 2,40 5,50 3,50 168,60 3,20 0,04 4,90

2006 3,50 7,70 5,70 241,80 4,50 0,10 7,00

Содержание некоторых ТМ в полях севооборота незначительно отличается от средних по агроландшафту, что можно объяснить высокой долей севооборота - более 90%. Доля некоторых ТМ (цинк, свинец, марганец, никель) как по валовому содержанию, так и по их подвижным формам в почвах лесополос несколько выше, чем в среднем по агроландшафту. Эту особен-

ность мы связываем с более высоким содержанием этих элементов в обменных фондах подстилающих пород. В природных угодьях (поймы и долины реки, днища балок и т.д.) в связи с увеличением внесения органических и минеральных удобрений содержание большинства металлов в почвах заметно повысилось в 2006 г. по сравнению с 2001 и особенно с 1998 годом.

Следует отметить, что загрязненность почв изучаемыми ТМ примерно одинакова по всей площади ландшафта, включая и полигон мониторинга. Например, по валовому содержанию кобальта, цинка, меди, марганца, кадмия и никеля ошибка между средними значениями в целом по ландшафту и по полям мониторинга составляет от 3 до 6%. По содержанию подвижных элементов эта разница составляла от 1 до 2%, за исключением марганца (1012%) и кадмия (до 16%).

Средние показатели содержания ТМ в почвах изучаемого агроланд-шафта превышают общероссийский уровень по свинцу, цинку и меди, а также кларк по свинцу, кобальту, меди и никелю, но их показатели заметно ниже ПДК. Коэффициент вариации показателей подвижных форм всех элементов несколько выше, чем валовых. Только концентрации меди и никеля в нескольких почвенных образцах существенно превышают ПДК; в ряде точек отмечено превышение ПДК также по свинцу. Доверительный интервал при Р = 0,5 колеблется в незначительных пределах.

По итогам площадной съемки 2006 г. в почвах весьма заметно варьирует концентрация цинка (60-139 мг/кг), кадмия (0,13-0,97), кобальта (0,0517,8) и меди (21-44 мг/кг почвы). У этих элементов максимальный уровень превышает минимальный более чем в 2 раза. Валовое содержание никеля в среднем по ландшафту составило 52,3 при разбросе значений от 37,5 до 73,1 мг/кг. В целом можно отметить тенденцию накопления никеля в почве: число проб с содержанием 50 мг/кг возросло от 35 в 2001 до 73% в 2006 г. Достаточно близки концентрации свинца и марганца, у которых минимальные и максимальные показателя находятся в пределах двукратного разрыва.

Подвижность ТМ (их способность переходить из состава твердой фракции в жидкую) зависит от многих факторов: прочности связи соединений ТМ с твердой фазой почвы, физико-химических свойств металлов, агротехнических приемов; их поступление в растения очень изменчиво и зависит от вида растений, климатических и почвенных условий, изменяя которые можно влиять на накопление ТМ в растительной продукции. Высокая подвижность элементов создает угрозу их вымывания за пределы пахотного горизонта и попадания в водоемы и грунтовые воды. В незагрязненных почвах доля подвижных форм тяжелых металлов от их валового содержания не превышает 5-20%. Косвенно их подвижность можно определить, рассчитав долю подвижной формы от валового содержания (таблица 5).

Ранжируя значения подвижности ТМ по степени убывания, можно получить следующую последовательность: Мп>Со>Си>С(1>РЬ>№>7п. Наибольшая подвижность проявляется у марганца (27,64%), а невысокая - у соединений цинка (7,8) и никеля (11,7%). Они активно сорбируются оксидами железа, связываются в органоминеральные комплексы; способы обработки почвы не влияют на их подвижность.

Таблица 5 - Подвижность тяжелых металлов в почвах ландшафта (по данным площадной съемки, 2006 г.)

Показатель Со гп Си Мп РЬ са N1

Валовое содержание, мг/кг 12,77 72,65 27,00 727,05 22,69 0,22 52,01

Концентрация подвижных форм, мг/кг 3,04 5,64 5,29 200,98 3,59 0,04 6,06

Подвижность, % 23,81 7,76 19,59 27,64 15,82 18,18 11,65

Большой аналитический материал за 2001 г. и 2006 г. по содержанию тяжелых металлов в почвах хозяйства позволяет объективно оценить эколо-го-токсикологическую обстановку на основе группировки почв. По данным 2006 г. участков с чрезвычайной экологической ситуацией по загрязнению тяжелыми металлами (>3 ПДК) на территории хозяйства не обнаружено. Контролю на содержание свинца (1-2 ПДК) должна подвергаться продукция со 192 га (2,4% территории). Выборочному контролю качества и показателей безопасности по всем металлам подлежит вся площадь хозяйства. Суммарный показатель загрязнения (2С=3,04) указывает на то, что в соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 почвы изучаемого ландшафта являются условно чистыми,

5 Динамика ТМ в верхнем слое почвы по годам и сезонам

Актуальность исследования связана с необходимостью совершенствования теоретической, методической и технологической основ обработки данных мониторинга экологического состояния почв антропогенно преобразованных ландшафтов. Представляет интерес установление преобладающих источников загрязнения и динамики отдельных ТМ в разные сезоны года и с учетом меняющихся климатических условий. Кроме того, некоторые металлы (кобальт, цинк, медь, никель и марганец) являются важными элементами минерального питания в определенных концентрациях, и с этой точки зрения исследование их подвижных форм представляет практический интерес. Содержание отдельных элементов в верхнем слое почвы определяется концентрацией в нем гумуса, гранулометрическим составом, реакцией среды, емкостью поглощения и другими физико-химическими свойствами. По величине валового содержания ТМ оценивают их контрастность и емкость геохимиче-

ских барьеров (Водяницкий, 2008). Остановимся на особенностях концентрации отдельных элементов.

5.1 Кобальт. Валовое содержание кобальта в 2001 г. составило 10,96± 0,076, а в 2006 г. - 12,80±0,06 мг/кг почвы. Максимальное значение валового кобальта составило 14,5±0,Ю в 2004 и 14,35±0,38 в 2005 г., когда в севообороте преобладали пропашные культуры и было весьма значительным внесение азотных и фосфорных удобрений. В разрезе по сезонам года содержание кобальта зависит от технологии выращивания сельхозкультур. Увеличение концентрации связано с улучшением экономического состояния хозяйства и значительным внесением минеральных удобрений, особенно фосфорных. С осени 2005 г. хозяйство начало переходить на новую технологию, включающую заметное уменьшение обработок земли и приоритетное внесение органических удобрений. Содержание валового кобальта уменьшилось до 12-13 мг/кг почвы. Органические удобрения способствовали снижению валового кобальта на 2-3 мг/кг почвы.

Содержание ТМ по сезонам года варьирует в пределах 0,5-0,8 мг/кг почвы в зависимости от возделываемой культуры и технологических приемов. В осенний период содержание валового кобальта, как правило, снижается, особенно это характерно для оголенных участков, где усиливаются процессы смыва и сноса верхнего слоя почвы, что вызывает обеднение участка питательными веществами, включая и кобальт. Зимой содержание кобальта стабилизируется. Слабо варьирует содержание этого элемента весной. В летний период его концентрация, как правило, наиболее высокая по сравнению с другими сезонами. Содержание кобальта в разных по рельефу системах заметно колеблется. Наиболее богата кобальтом аккумулятивная система, что связано с физико-химическими особенностями почвы (влажность, высокое содержание гумуса и т.д.). В автономных системах содержание кобальта также достаточно высокое, несколько ниже его доля в транзитных системах.

Содержание подвижных форм кобальта в почве нарастало до середины 2002 г. В последующие годы уровень содержания подвижного кобальта стабилизировался практически во все сезоны года. Динамика подвижного кобальта составляет от 3,5 до 4,0 мг/кг. Поступление кобальта из подстилающих пород минимальное.

На полигонах со сжигаемой и несжигаемой стерней валовое содержание изменяется в пределах 12,9, а подвижных форм - 2,7 мг/кг. В лесополосах различий не отмечено: валовое содержание составило 13,4 и 13,8 при сжигании и без сжигания; содержание подвижных форм - соответственно 3,2 и 2,2 мг/кг.

5.2 Цинк. Важную роль в регулировании миграции и сорбции цинка выполняет органическое вещество. Наибольшее содержание цинка отмечено в корнях растений и в подземных органах до цветения; с переходом в фазу спелости зерна содержание цинка снижается. Цинковое голодание растений

может проявляться на карбонатных почвах при рН>7,5. Валовое содержание цинка в первые два года исследований (2001 и 2002 гг.) колебалось от 54 и до 74 мг/кг, что, очевидно, было связано с весенне-летним внесением минеральных удобрений, в первую очередь азотно-фосфорных, под озимые культуры. В 2003 и 2005 гг. уровень валового цинка колебался от 80 до 90 мг/кг, в 2005 и 2006 гг. летом стабилизировался на уровне 80-90, весной - на уровне 76-81, а осенью - 75-83 мг/кг. Летом отмечается нарастание количества цинка во всех элементах рельефа, но в аккумулятивной зоне его доля выше, чем в автономной и транзитной системах. Анализируя соотношение валового цинка, следует отметить антропогенный характер его поступления, о чем свидетельствует широкий разброс его содержания от 75 до 103 мг/кг.

Содержание подвижных форм цинка стабильно во все периоды года: с 1998 по весну 2002 г. составило 5,2-5,8 мг/кг; в 2002 г. отмечено увеличение до 6,4; в 2003-2004 гг. снизилось до 5,5-5,9, а в 2005 и 2006 гг. повысилось до 6,4-6,9 мг/кг почвы. Колебания составили от 5,2 до 6,9 мг/кг, что связано с различным выносом растениями. Низкие показатели подвижного цинка (от 5,2 до 6,7 мг/кг) указывают на стабильность его содержания в верхнем слое чернозема обыкновенного.

Концентрация валового цинка на «сжигаемом» полигоне составила до 77,3 мг/кг почвы; в лесных полосах: 84 на «сжигаемых» и 80 на «несжигаемом» участках; содержание подвижных форм различалось незначительно -от 5,7 на сжигаемом и до 5,2 на несжигаемом полигонах.

5.3 Медь. Этот элемент активно фиксируется мелкодисперсными частицами почвы (глина, пыль) и органическими комплексами и потому считается малоподвижным. Он достаточно устойчив в щелочной, слабощелочной и нейтральной средах, в кислой среде легко диссоциирует. Основной запас меди концентрируется в верхнем слое почвы. Летом, как правило, содержание меди варьирует в различных элементах рельефа; наибольшая концентрация отмечена в аккумулятивной системе. Содержание меди в летний период заметно уменьшается, особенно по сравнению с весной (от 23 до 29 мг/кг). Максимальное содержание меди составило 31,18 мг/кг весной 2003 г., а в основном колебалось от 24 до 26 мг/кг почвы. В первой половине лета снижается инфильтрационный сток, что способствует повышению щелочности раствора и концентрированию валовой меди в органоминеральных комплексах. Осенью содержание валовой меди повышается, что связано с внесением удобрений, а также с усилением промывного режима. Зимой температуры достаточно низкие и отмечается стабилизация в верхнем слое почвы концентрации валовой меди, среднегодовое количество которой в годы исследований колебалось от 25 до 27 мг/кг почвы, причем последние 3 года (2004-2006 гг.) характеризовались довольно близкими показателями. При сжигании стерни содержание меди составило 26 мг/кг почвы и без сжигания - 25,8 мг/кг.

Концентрация подвижных форм меди в среднем за год колебалась от 4,4 до 6,7 мг/кг почвы и максимального уровня достигла в 2003 г.; стабилизировалась в 2004-2006 гг. и составила 5,6-5,7 мг/кг почвы, что указывает на устойчивую концентрацию этого элемента независимо от выноса с урожаем культур и поступления с минеральными и органическими удобрениями. Концентрации подвижных форм при сжигании и без сжигания стерни практически не отличались - соответственно 5,4 и 5,5 мг/кг.

5.4 Марганец. Этот элемент представлен широким набором оксидов, выполняющих различные функции и фиксирующих в своей решетке ряд ТМ (марганофилов) - Со, Ni, Zn, Se и др. (Водяницкий, 2005). Среднегодовое валовое содержание марганца колебалось от 708 (2005 г.) до 745 мг/кг (2001 г.) почвы, т.е. наметилась некоторая тенденция его снижения. По отношению к ПДК показатели варьировали от 0,47 до 0,50. Анализируя сезонное накопление марганца, следует отметить, что его содержание по периодам нарастает до начала 2005 г., а в последние сезоны 2005 и 2006 г. происходит снижение, что говорит о значительном его выносе возделываемыми культурами. При анализе среднегодовых уровней подвижных форм марганца установлено нарастание его количества от 201 в 2001 г. до 233 мг/кг в 2005 г., что составило 0,7 ПДК. В связи с этим можно говорить о некотором его накоплении в связи с повышением урожаев сельскохозяйственных культур и увеличением внесения удобрений.

Доля подвижного марганца варьирует от 180 до 270 мг/кг почвы. Наибольшие различия отмечены в первые 3-4 года при смене технологии выращивания отдельных культур. После стабилизации технологий различия по содержанию марганца между сезонами снизились (от 210 до 230 мг/кг почвы), что связано в основном с разными культурами и сроками их уборки.

Валовое содержание марганца составило в полях севооборота 724,6 при сжигании и без сжигания стерни, а содержание подвижных форм - соответственно 216 и 208 мг/кг. В лесных полосах немного увеличивается валовое содержание: 753 и 738 мг/кг почвы; примерно такая же зависимость и по подвижным формам: при сжигании 253 и 240 мг/кг без сжигания.

5.5 Свинец. Среднегодовое содержание свинца мало колеблется по годам исследований - от 18,3 до 22,7 мг/кг почвы. Наибольшей стабильностью отличаются 2004-2006 гг.: 22,6-22,8 мг/кг почвы. Содержание по движных форм в первые годы (1998 и 1999 гг.) было невысоким и связано, скорее всего, с малым внесением фосфорных и совершенным отсутствием калийных удобрений. С 2000 г. показатели подвижных форм свинца составляли от 3,4 до 4,6 мг/кг почвы и последние 4-5 лет устойчиво стабилизировались в этих пределах. Валовое содержание свинца по сезонам года имеет узкий разброс показателей в течение 6 лет - от 19,2 в 2001 г. до 24,3 мг/кг почвы в 2006 г. По мере совершенствования технологий становится очевидным, что больших различий этого показателя по сезонам не просматривается и особенно в по-

следние 3 года колебания его незначительны. Достаточно стабильное валовое содержание указывает, что основным источником поступления свинца являются минеральные удобрения.

Содержание подвижных форм свинца по сезонам года постепенно нарастает к 2000 г., в 2002 и 2004 гг. идет постепенное увеличение, и в 20052006 гг. наблюдается относительная выравненность по годам, что совпадает с внесением минеральных удобрений. Валовое содержание на «сжигаемых» и «несжигаемых» участках практически не изменилось (по 21 мг/кг почвы). Аналогичная картина отмечена и для подвижных форм. В лесных полосах валовое содержание составило соответственно 22,7 и 21 мг/кг; уровни подвижных форм были одинаковыми (3,8 мг/кг почвы).

5.6 Кадмий. Своеобразная картина складывается с валовым содержанием кадмия, увеличение которого идет постепенно, но достаточно постоянно - от 0,13 до 0,22 мг/кг почвы. Самое высокое его содержание приходится на 2005-2006 гг. - до 0,2 мг/кг почвы и выше. Уровень подвижных форм по отношению к ПДК невысокий - 0,15-0,20 ПДК, но имеет достаточно четкую тенденцию к повышению, что определенно указывает не только на влияние минеральных удобрений, но и возможный трансграничный перенос. Содержание кадмия по сезонам сравниваемых лет тоже постепенно нарастает, повышается и в последующие годы; доля подвижных форм кадмия увеличилась на 50-70% по сравнению с первоначальным уровнем. Валовые количества на сжигаемых и несжигаемых участках не изменились (0,15-0,16 мг/кг почвы). В лесных полосах валовое содержание при сжигании и без сжигания сохранилось без изменения на уровне 0,17-0,18, а по подвижным формам - 0,067 мг/кг.

5.7 Никель. Этот элемент характеризуется достаточно постоянным показателем среднегодового валового содержания на полигоне мониторинга и колеблется от 51 до 54 мг/кг почвы. Увеличение его количества медленное, но постоянное. По всей видимости, основным источником его накопления является внесение минеральных удобрений. Среднегодовые уровни подвижных форм этого элемента имеют несколько иную тенденцию, и их содержание от 2001 к 2006 г. увеличивается с 5,5 до 7,7 мг/кг почвы. Анализ валового содержания никеля по сезонам года показывает довольно большое сходство показателей по месяцам - от 21 до 24,3 мг/кг почвы, что связано со сроками внесения удобрений и состоянием субстрата (влажность, температура и др.). Сезонная динамика подвижных форм составляет от 5,3 до 7,5 мг/кг почвы, что обусловлено сезонными изменениями (температура, вынос с урожаем сельскохозяйственных культур и т.д.).

Ежегодное сжигание стерни на содержание валового никеля не оказало заметного влияния. При сжигании стерни и растительных остатков содержание никеля составляет в среднем 53, без сжигания - 52,8 мг/кг почвы. В лесных полосах уровень никеля составляет 53,8, а без сжигания 54,8 мг/кг, однако превышений ПДК валового никеля не установлено. На сжигаемом полигоне в полях севооборота содержание никеля составило 6,6, и примерно

такой же уровень отмечен и на первом полигоне. По подвижным формам различий в концентрации никеля нет (6,54 и 6,58 мг/кг), т.е. особого влияния на содержание подвижных форм сжигание стерни не оказало. То же отмечено и по лесным полосам - 7,53 и 7,54 соответственно.

5.8 Среднегодовое содержание ТМ по сезонам года. Сравнение среднегодового содержания ТМ с 2001 по 2006 гг. позволило выявить тенденцию их накопления в целом по всему участку. Содержание большинства металлов в течение времени повышается незначительно, при этом вариабельность содержания их подвижных форм по годам невысокая. Значительно варьируют показатели никеля и меди. Максимальное содержание никеля в 2002 г. составило 3,95 ПДК, максимальные значения меди приходятся на 2003 г. и равны 2,25 ПДК. Уровни наиболее токсичных металлов (свинца, кадмия и кобальта) на протяжении всего периода исследований редко превышали допустимые значения. Годовая сумма в загрязнении почв ТМ на всем участке мониторинга не представляет значительного риска (рисунок 3). Увеличение валового содержания кадмия и свинца указывает на прогрессирующее их накопление. Поступление в систему ландшафта свинца связано с выбросами работающей техники, трансграничным привносом и широким использованием в качестве удобрений фосфатов, содержащих примеси этого элемента.

3.4

2001 2002 2003 2004 2005 2006 Годы

Рисунок 3 - Динамика суммарного индекса загрязнения ТМ почв агроландшафта ОАО «Заветы Ильича», 2001-2006 гг.

Изменение содержания ТМ по сезонам года наиболее заметно для подвижных форм меди и никеля, а также по валовому цинку. Наибольшее содержание меди и никеля отмечено весной, а летом и осенью оно заметно снижается. Сезонные ритмы уровней подвижных форм меди и никеля объясняются особенностями увлажнения и температурного режима, а также меняющейся в течение года активностью микробиологических процессов в почве и выносом этих элементов с урожаем сельскохозяйственных культур. Превышение содержания этих элементов в весенний период достигает 3 ПДК для подвижного никеля и 2 ПДК для меди (рисунок 4).

Линейный характер временного нарастания наиболее токсичных из анализируемых металлов (свинец: Я2 = 0,626; кобальт: Я2 = 0,812; кадмий: И2 = 0,896) указывает на их антропогенное происхождение (рисунок 5). Заметное увеличение содержания валового цинка в летний период года (1,6 ПДК) наблюдается вследствие интенсивного его накопления в условиях сухого лета, поскольку в этот период только незначительное количество цинка переходит в подвижные формы и заметно снижаются темпы его выноса (рисунок 6).

Рисунок 4 - Содержание подвижных форм ТМ в почвах агроландшафта по сезонам (1998-2006 гг.)

Рисунок 5 - Динамика подвижного кадмия по годам и сезонам года

(1998-2006 гг.)

Рисунок 6 - Валовое содержание ТМ в почвах агроландшафта по сезонам

(1998-2006 гг.)

Сравнение валового содержания и уровней подвижных форм металлов в системе агроландшафта (лесные полосы, поля с различными приемами возделывания культур) имеет большое значение для выявления роли технологических приемов ведения хозяйства в накоплении ТМ в почве, а также для изучения способов установления барьеров на пути их миграции. Так, на первом полигоне различие между содержанием большинства металлов в полях и лесополосах на 5% уровне значимости недостоверное. Вероятность нулевой гипотезы достаточно высока для свинца и цинка и незначительно преодолевает 5% барьер для кобальта, что указывает на то, что в полях севооборота и в почвах лесополос процессы накопления этих металлов сходны и содержание их в этих системах ландшафта практически не отличается.

Статистически достоверны различия для никеля, меди, кадмия. Количество этих металлов выше в почвах лесополос, при этом существует большой риск увеличения содержания этих металлов до токсичного уровня, что может вызвать нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве этой системы. Иначе складывается ситуация на втором полигоне. Здесь высока вероятность, что различий не существует для меди и никеля, зато содержание остальных металлов, в отличие от первого полигона, в обеих системах ландшафта значительно различается, причем их концентрация выше в лесополосах. По-видимому, технология сжигания стерни на втором полигоне повлияла на соотношение валовых количеств этих элементов в почвах лесополос и полей. Сжигание стерни обусловило резкое усиление миграции ТМ в почвенном профиле, поэтому их валовое содержание в почвах полей уменьшается за счет перехода в подвижные формы. С другой стороны, за счет сорбционной емкости и высокой удерживающей способности лесной подстилки по отношению к техногенным аэраль-ным выпадениям валовое содержание ТМ в почвах лесополос выше, чем в полях. Выявленные закономерности подтверждают роль лесной подстилки, которая определяется её барьерными функциями на пути вертикальной миграции загрязнителей, а также указывает на нежелательное последствие сжигания стерни.

5.9 Среднее содержание ТМ в полях севооборота и лесополосах. Сравнение средних величин содержания подвижных форм ТМ в почвах полей на первом и втором полигонах, а также в лесных полосах по критерию Стьюдента показало достоверные различия на 5% уровне значимости между всеми сравниваемыми вариантами, кроме меди, для которой интервал доверительной вероятности несколько уже (р=0,92 для первого полигона и р=0,82 для второго полигона) (таблица 6). Иными словами, подтверждается защитная функция лесополос, которые выступают в качестве барьера, задерживающего значительную часть загрязняющих веществ и предупреждающего

их поступление в почву. Сравнительно высокие уровни мобильных форм металлов в почвах лесных полос можно объяснить более стабильным уровнем увлажнения этих систем и накоплением большой массы опада. Трансформация соединений указанных металлов в почвах при увлажнении усиливается, в результате чего ускоряются восстановительные и замедляются окислительные процессы, что способствует более высокой подвижности ТМ.

Таблица 6 - Результаты I-теста между средними значениями содержания подвижных форм ТМ в почвах полей и лесополос (1998-2006 гг.)

Эле- Поля, Лесополо- N Число степе- Вероятность

мент мг/кг сы, мг/кг критерий ней свободы нулевой гипотезы

1-й полигон

Со 5,51 2,82 5,14 59 0,000

Тп 5,25 5,92 3,41 59 0,001

Си 5,51 5,84 1,76 59 0,084

Мп 209,77 237,94 5,00 59 0,000

РЬ 3,42 3,67 2,87 59 0,006

са 0,07 0,09 4,95 59 0,000

№ 6,63 7,49 4,76 59 0,000

2-й полигон

Со 2,89 3,25 5,03 42 0,000

Ъл 5,98 7,07 3,29 42 0,002

Си 5,50 5,88 1,38 42 0,175

Мп 218,34 255,45 5,94 42 0,000

РЬ 3,38 3,81 4,21 42 0,000

Ы 0,06 0,07 4,34 42 0,000

N1 6,67 7,22 5,26 42 0,000

Значительное влияние на аккумуляцию металлов в почвах оказывает также видовой состав произрастающих растений, формирующих различную по качеству и количеству общую биомассу и подстилку. Близость дороги к лесополосе на втором полигоне также способствует загрязнению её соединениями ТМ. Несмотря на высокое содержания гумуса в почвах лесополос, что способствует повышению адсорбции и удержанию ТМ в верхнем слое почвы, количество подвижных форм здесь достаточно высокое. Оно заметно выше, чем в почвах полей севооборота, куда ТМ систематически попадают с удобрениями и вследствие выбросов обрабатывающей почву техники. Сравнительный анализ содержания подвижных форм ТМ в почвах разных полигонов показал достоверные различия на 5% уровне в содержании кадмия, кобальта и цинка как в полях полигонов, так и лесопо-

лосах. В почвах разных участков полей севооборота на 5% уровне значимости различаются только валовые концентрации кадмия.

6 Динамика ТМ в почвенных слоях по сезонам и элементам рельефа

Качественные и количественные изменения ТМ по почвенным слоям, элементам рельефа и сезонам года представляют интерес с точки зрения выявления источников загрязнения, а также характера поведения загрязнителей в разных частях агроландшафта. Поскольку многие металл ы (цинк, медь, кобальт и др.) при низкой концентрации являются важными микроэлементами в питании растений, то необходимость их изучения тем более очевидна. Распределение ТМ в почвенном покрове определяется его гумусностью, гранулометрическим составом, реакцией среды, окислительно-восстановительным потенциалом, емкостью поглощения и т.д.

6.1 Исследования 2001-2002 гг. Исследование распределения ТМ по почвенным слоям и элементам рельефа выполнены летом и осенью 2001 г., зимой и весной 2002 г., а также в 2006 г. Распределение ТМ по профилю указывает на различие в их накоплении в верхних слоях почвы, а также на их миграцию в вертикальном направлении. Остановимся на анализе динамики отдельных металлов по почвенным слоям в зависимости от сезона и элементов рельефа.

6.1.1 Кобачът. Валовое содержание кобальта по почвенному профилю в летний период варьирует относительно мало, и разница между верхним и нижним пределами не превышает 1,4 мг/кг. Равномерное размещение кобальта в почвенных слоях связано с его распределением по градиенту концентрации, создаваемому фильтрационными процессами поверхностных и внутрипочвенных стоков. Валовое содержание кобальта в верхних слоях колеблется от 11,4 до 13,7 мг/кг, в аккумулятивной системе - от 12,7 до 14,6 мг/кг почвы. Осенью количество валового кобальта во всех системах снижается, особенно на оголенных участках сельскохозяйственных угодий. В зимний период содержание кобальта равномерно распределяется до глубины 100 см, в весенний период варьирует по почвенным слоям и элементам рельефа, но'в целом по сезонам колеблется незначительно. Высокая концентрация кобальта по почвенным слоям и разрезам свойственна летнему периоду (11,87 мг/кг) и заметно ниже в другие сезоны года. В аккумулятивной системе содержание валового кобальта наибольшее из-за физико-химических особенностей ее территории (влажность почвы, поверхностный и внутриповерх-ностный почвенный стоки), которая выделяется большим накоплением органического вещества и многих элементов минерального питания.

Содержание подвижного кобальта в почве варьирует по слоям в зависимости от рельефа и сезона года, летом отмечено нарастание подвижного кобальта до 2,5 мг/кг в слое до 40 см; до 3,5 мг/кг кобальта концентрируется в аккумулятивной системе в слое 60-80 см с последующим снижением с гЛу-

биною. Различия в содержании подвижного кобальта объясняются особенностями увлажнения почвенных слоев и разным его выносом с урожаем растений. В осенний период в транзитных автономных системах содержание кобальта было довольно высоким (до 3,15 мг/кг почвы), в аккумулятивной системе кобальт размещается по слоям относительно равномерно. Уменьшение количества подвижного кобальта осенью связано со снижением температуры, ослаблением биологической активности почвы, прекращением вегетации травянистых растений. Зимой отмечено стабильное состояние кобальта по почвенному профилю в аккумулятивной системе и снижение его количества в других рельефных образованиях. Весной содержание подвижного кобальта высокое в аккумулятивной зоне, особенно в её верхних почвенных слоях. В остальных разрезах высокой концентрацией выделяется верхний дерновин-ный слой. Наибольшее содержание кобальта весной связано с микробиологической активностью и усилением минерализации органического вещества.

6.1.2 Цинк. Летом валовое содержание цинка нарастает во всех элементах рельефа, но наибольшей концентрацией отличается аккумулятивная зона, что объясняется привносом этого элемента с почвенными частицами с водораздела. В осенний период содержание цинка несколько снижается, особенно в верхних слоях. Зимой содержание валового цинка по сравнению с осенью снижается в верхних слоях, но в нижних горизонтах его концентрация достаточно высокая. В весенний период содержание валового цинка примерно одинаковое во всех элементах рельефа, за исключением аккумулятивной системы, где в слое 40-60 см отмечена его концентрация на уровне

пдк.

Подвижные формы цинка в основном концентрируются в слое 0-20 см на водоразделах (4,1-5,3 мг/кг) и в аккумулятивной зоне (до 7,0 мг/кг). На глубине 40-60 см в балке проявляется геохимический барьер, повышающий долю цинка до 7,4 мг/кг. Начиная с глубины 80-100 см количество подвижного цинка снижается. Осенью его содержание колеблется от 4,5 и до 9,7 мг/кг и в аккумулятивной системе превышает показатели в остальных элементах рельефа. Зимой содержание подвижного цинка в слое 0-40 см приближается к осеннему показателю, что связано с его поступлением в составе минеральных удобрений в этот период. Весной количество подвижного цинка во всех элементах рельефа в верхнем слое составляет 5,6 мг/кг, а с глубиной постепенно снижается.

6.1.3 Медь. Летом максимальная концентрация валовой меди отмечена в почвенных слоях 0-60 см (свыше 24,5 мг/кг), с углублением содержание этого элемента во всех вариантах рельефа снижается. В летний период уровень меди варьирует во всех почвенных разрезах незначительно и с глубиной снижается. Осенью отмечается повышение содержания валовой меди по всему профилю, зимой её содержание в почвенных слоях стабилизируется. В весенний период отмечается высокое содержание меди по профилю всех

разрезов. Наибольшей концентрацией выделяется аккумулятивная система, где содержание меди в слое 0-100 см колеблется от 22 до 26 мг/кг. Весной содержание меди во всех почвенных слоях и разрезах превышает 20 мг/кг при медленном снижении её концентрации и незначительных вариациях этого показателя во всех элементах рельефа.

Концентрация подвижной меди в летний период незначительная в слое 0-80 см, а в нижних слоях она заметно уменьшается, что связано с резким снижением осадков и ослаблением промывного режима. Поступление подвижной меди в основном связано с внесением органических и минеральных удобрений и трансграничным воздушным переносом. В летний период её содержание снижается, а осенью в верхних горизонтах повышается, что связано с усилением дождей и инфильтрацией воды в нижние слои. Зимой доля меди увеличивается в связи с внесением удобрений осенью и усилением дождей. Концентрация подвижной меди достаточно высокая в аккумулятивной зоне, где этот показатель колеблется от 4,7 до 5,3 мг/кг, а также в транзитной - от 4,0 до 4,7 мг/кг. Заметно колеблется содержание меди весной на водоразделе и склонах - от 4,3 до 5,6 мг/кг; в верхнем слое почвы с связи с внесением минеральных удобрений под посевы содержание подвижной меди повышается. Наибольшая концентрация подвижной меди характерна для аккумулятивной зоны ландшафта, что связано в первую очередь со снижением рН почвы до слабокислой.

6.1.4 Марганец. По сравнению с другими металлами концентрация валового марганца во всех элементах рельефа и в почвенных слоях достаточно высокая. Разница между верхними и нижними слоями составляет 20-30%. Летом максимальная концентрация отмечена в слое 80-100 см на южном склоне - свыше 950 мг/кг почвы с последующим снижением до подстилающей породы. Относительно выравнено содержание марганца до глубины 80100 см осенью, зимой его содержание в аккумулятивной зоне доходит до 860 мг/кг и заметно ниже в транзитной системе. Весной наибольшей концентрацией марганца выделяются аккумулятивная зона (свыше 900 мг/кг) и северный водораздел (свыше 800 мг/кг), в остальных разрезах отмечено накопление до 700 мг/кг.

Содержание подвижного марганца по профилю характеризуется заметным снижением в различных элементах рельефа от верхнего слоя к нижнему. Летом наиболее высокой концентрацией марганца выделяются почвы северного склона, северного водораздела и аккумулятивной зоны (от 230 до 270 мг/кг). В почвах других элементов рельефа этот показатель существенно ниже. Такие особенности обусловлены различиями в увлажнении почвы, температурном режиме, интенсивности микробиологических процессов, изменением активности растительного покрова и кислотности почвы. Осенью концентрации марганца по составляющим рельефа повторяют летний вариант: высоким содержанием выделяется аккумулятивная зона (свыше 280

мг/кг в верхнем слое); на северном склоне - немногим более 220 мг/кг. Весной наибольшими концентрациями выделяется аккумулятивная зона (около 300 кг/кг в верхнем слое). В остальных элементах рельефа марганца концентрируется в 2,0-2,5 раза меньше, чем в верхнем горизонте.

Содержание подвижного марганца по почвенным разрезам в различных элементах рельефа заметно колеблется, что подчеркивает значительную мобильность этого элемента и его реакцию на специфику рельефа и колебания условий среды вследствие изменений интенсивности инфильтрационно-го стока и кислотности среды, сезонности развития растительного покрова. Нижний почвенный слой отличается стабильно низкими уровнями содержания подвижного марганца. Наибольшей концентраций подвижных форм марганца выделяется балка, являющаяся геохимически подчиненным элементом, сильно зависимым от остальных составляющих ландшафта.

6.1.5 Свинец. Содержание валового свинца в летний период в верхнем слое почвы северного водораздела составляет свыше 21 мг/кг, в аккумулятивной системе - свыше 22 мг/кг. Осенью в верхних слоях почвы северного водораздела и в аккумулятивной зоне содержание свинца снижается, а на южном склоне отмечено его увеличение. Зимой максимальное накопление свинца характерно для аккумулятивной зоны (около 22 мг/кг), В весенний период отмечена тенденция накопления свинца на южном склоне (19 мг/кг) и до 26,5 мг/кг в горизонте 40-60 см в аккумулятивной зоне.

Подвижные формы свинца в летний период накапливаются на северном водоразделе (свыше 4,8 мг/кг). Осенью отмечено снижение содержания этого элемента на южном склоне и в верхнем слое аккумулятивной зоны. Зимой отмечено уменьшение содержания свинца по всем элементам рельефа. Весной по содержанию свинца выделяются южный склон и водораздел, где колебания в его содержании весьма заметны по слоям и элементам рельефа.

6.1.6 Кадмий. Валовый кадмий является малоподвижным, поскольку его основная часть активно фиксируется мелкодисперсными частицами почвы (органическими и минеральными) в структуре органоминеральных комплексов. В кислой среде валовый кадмий менее устойчив, чем в нейтральной и щелочной. В слабощелочной среде в зоне наших исследований валовый кадмий достаточно устойчив и может служить источником поступления подвижных форм. Летом содержание кадмия в малых количествах изменяется во всех почвенных разрезах, поскольку в этот период снижается инфильтраци-онный сток, повышается щелочность растворов и усиливается консервирование кадмия органоминеральными комплексами. Во всех почвенных слоях северного водораздела валовое содержание кадмия примерно на 30% выше, чем в других системах. В почвах южного склона валовое содержание немного ниже, чем в первом разрезе, что связано с усилением водной и ветровой эрозии. В аккумулирующей системе содержание кадмия в почвенных слоях было выше, чем в транзитных системах. На северном склоне и южном водо-

разделе его содержание по почвенному профилю снижается, хотя в верхних слоях остается достаточно высоким. В конце лета и в начале осени прошли обильные дожди, которые способствовали подкислению почвы, что повлияло на переход части кадмия в подвижные формы. Концентрация кадмия осенью вызвана усилением промывного режима, ослаблением активности микрофлоры, понижением температуры и снижением роста растений.

На южном склоне содержание кадмия значительное и его снижение по профилю происходит медленно. В аккумулятивной системе усиливаются поверхностные и внутрипочвенные стоки, с чем, очевидно, связано снижение по слоям количества валов ого кадмия по сравнению с летним периодом. Осенью вносятся фосфорные и калийные удобрения, в составе которых значительным балластом выступает также кадмий, что способствует его накоплению. Во всех элементах рельефа и почвенных слоях этот показатель по сравнению с летним периодом снижается. Это обстоятельство связано с переходом части кадмия в подвижную форму и дальнейшей его миграцией с инфильтрационным стоком и переносом в соседние системы. В зимний период промывной режим почвы усиливается, температуры остаются низкими, микробиологические процессы затухают и содержание валового кадмия стабилизируется, а в некоторых случаях и повышается. В весенний период высокой концентрацией кадмия выделяется почвенный слой до 80 см в аккумулятивной системе, которую можно характеризовать как особое образование в пределах изучаемого ландшафта, испытывающее да вление поверхностных стоков с вышерасположенных территорий.

Подвижный кадмий концентрируется в корнеобитаемой зоне почвы. Летом, в связи с увеличением поступления в почву минеральных удобрений, в верхнем слое увеличивается концентрация подвижных форм кадмия, особенно в верхних четырех слоях (0-80 см). Осенью содержание подвижного кадмия несколько увеличивается в слое 0-20 см, а с глубины 80 см заметно нарастает по сравнению с летним периодом. Эти изменения можно связать с усилением увлажнения почвы и переносом кадмия с инфильтрационными водами в нижние слои. В зимний период поступление элемента в почву увеличивается в связи с внесением удобрений, особенно фосфорных и калийных, усилением промывного режима и т.д. Отмечено повышение содержания кадмия на глубине 120-140 см, что, очевидно, связано с формированием в этом слое своеобразного геохимического барьера. Изучение подвижного кадмия в почвах северного водораздела в весенний период показало, что его уровень до глубины 80 см колебался относительно мало (0,04-0,06 мг/кг почвы). В нижних слоях его доля постепенно снижается.

6.1.7 Никель. В летний период наибольшая концентрация никеля для всех слоев отмечена в аккумулятивной системе, где его содержание колеблется от 53 в слое 60-80 см до 61 мг/кг в верхнем слое почвы. Самые низкие показатели отмечаются на южном склоне. В осенний период отмечается по-

вышение содержания валового никеля по всем профилям, кроме южного водораздела, где отмечается его снижение. Зимой содержание валового никеля повышается и наиболее существенно в аккумулятивной зоне. В весенний период содержание никеля увеличивается, хотя и наблюдаются определенные различия по отдельным элементах рельефа. В аккумулятивной системе его концентрация выше, чем в других элементах рельефа.

Подвижный никель в летний период имеет наибольшую концентрацию в верхнем слое южного склона (до 8 мг/кг почвы), относительно невысокие показатели на северном водоразделе и в аккумулятивной зоне. В осенний период наибольшая концентрация никеля отмечается на южном склоне (8,4 мг/кг почвы). Зимой содержание подвижного никеля аналогично осени. К середине весны с усилением микробиологических и окислительно-восстановительных процессов в почве доля подвижного никеля увеличилась, особенно это характерно для северного водораздела и для южного склона, где почвенная температура существенно поднялась и процессы трансформации перехода никеля в подвижные формы усилились. Содержание подвижного никеля по почвенным слоям в разные периоды года в целом достаточно стабильно. Следует отметить снижение его содержания во всех элементах рельефа в нижней части почвенного профиля, начиная со 120 см. Объяснить это можно тем, что с глубиной возрастают значения рН и содержание кальция.

6.2 Взаимосвязь ТМсо свойствами почвы. Изучение взаимосвязи ТМ с элементами питания растений показало, что при увеличении количества азотсодержащих веществ в почвах отмечается низкий уровень геохимического фона ТМ. Нитраты и нитриты усиливают подвижность ТМ, и часть их валовых количеств переходит в подвижные формы. Оценку взаимосвязи валового содержания и концентраций подвижных форм ТМ с гумусом, физической глиной, азотсодержащими соединениями и фосфатами мы проводили на основе данных по распределению отдельных металлов по профилю почв в различных элементах рельефа. Установлена статистически достоверная (р<0,05) умеренная отрицательная корреляция валового свинца с физической глиной: г = - 0,37±0,14. Близка к достоверной связь и у Сс1, Си, Отрицательная взаимосвязь с физической глиной указывает, что с увеличением её количества по профилю почвы содержание ТМ падает (таблица 7).

Справедливость положения подтверждает и наличие достоверных связей валового свинца, кадмия, меди и никеля с гумусом, коэффициенты корреляции которых равны соответственно 0,42±0,14; 0,42±0,14; 0,48±0,13; 0,42±0,14. Выявленные взаимосвязи подтверждают техногенное поступление указанных металлов в систему ландшафта и преимущественную их аккумуляцию в верхнем гумусовом слое почвы.

Указанные взаимосвязи сохраняются и для подвижных форм свинца, кадмия, меди и никеля, при этом в большинстве случаев они усиливаются.

Особенно это характерно для связей ТМ с гумусом, которые с высокой степенью достоверности характерны для подвижных форм всех рассматриваемых металлов. Это, во-первых, свидетельствует о биологической аккумуляции ТМ, а во-вторых, указывает на зависимость содержания их подвижных форм от валового содержания.

Таблица 7 - Коэффициент корреляции подвижных форм ТМ с некоторыми агрофизическими и агрохимическими характеристиками почв (2001-2002 гг.)

Показатели Со гп Си N411 РЬ С(1 N1

Физич. глина,% -0,29±0,14 -0,18 -0,26 -0,24 -0,28±0,14 -0,39±0,14 -0,34±0,14

Р 0,05 0,22 0,08 0,10 0,05 0,01 0,02

Гумус, % 0,84±0,08 0,59±0,12 0,71±0,11 0,79±0,09 0,64±0,11 0,74±0,10 0,80±0,09

Р 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

РН -0,29±0,13 -0,29±0,14 -0,28 -0,20 -0,36±0,14 -0,46±0,13 -0,42±0,14

Р 0,05 0,05 0,06 0,19 0,01 0,00 0,00

N0,- 0,78±0,09 0,56±0,12 0,63±0,12 0,69±0,11 0,51±0,13 0,60±0,12 0,66±0,11

Р 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

ын4+ 0,67±0,11 0,61±0,12 0,49*0,13 0,69*0,11 0,51±0,13 0,57±0,12 0,72±0,10

Р 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

р20, 0,65±0,11 0,55±0,12 0,73±0,10 0,67±0,11 0,57±0,12 0,45±0,13 0,59±0,12

р 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Примечание: р - вероятность нулевой гипотезы. г=0

Корреляционные связи между валовым содержанием и подвижными формами ТМ в большей степени зависят от рН почвы. Наиболее чувствительными к окислительно-восстановительному потенциалу почвы оказались валовые никель (г = -0,46±0,13), марганец (г = -0,45±0,13) и кадмий (г = -0,31±0,14). Подвижные формы ТМ тоже подвержены влиянию рН, однако не в такой степени. Так, например, зависимость содержания подвижного марганца от рН оказалась статистически недостоверной, что, скорее всего, можно объяснить влиянием влажности на интенсивность окислительно-восстановительных процессов в почвах, которая, в свою очередь, в условиях жаркого лета сказывается на его подвижности. Достаточно тесная связь с рН проявляется у подвижных форм наиболее токсичных элементов: никеля (г = -0,42±0,14), кадмия (г = -0,46±0,13) и свинца (г = -0,36±0,14), которые не входят в число необходимых для растений микроэлементов.

6.3 Результаты исследования 2006 г. Общим для всех типов геохимических ландшафтов является высокое валовое содержание элементов в верхнем слое почвы вследствие фиксации органическим веществом. Поэтому при анализе распределения ТМ по профилю почв в первую очередь обращается внимание на содержание гумуса в поверхностном слое почвы на различных по геохимическим условиям элементах ландшафта. Так, летом 2006 г. наиболее высокий уровень органического вещества в верхнем слое почвы зафиксирован в аккумулятивной системе, где он составил в

среднем 3,4%, а наименьшие показатели отмечены на южном водоразделе (3,1%) и на северном склоне (3,3%).

Сравнительный анализ среднего содержания ТМ по элементам рельефа показал прямую зависимость от доли гумуса. Приуроченность к определенной каскадной ландшафтно-геохимической системе послужила причиной различия в 2006 г. в среднем содержании валовой меди на северном и южном склонах (при Р < 0,05); выявлены статистически значимые различия в среднем содержании цинка в автономных и транзитных системах, где его доля оказалась ниже. В условиях летнего сезона причина этих явлений заключается в дефиците влаги, высоких температурах, которые более характерны для южного склона и автономных систем ландшафта. При таких условиях происходит переход большей части подвижных форм металлов в малорастворимые, и их вынос в подчиненные системы ландшафта затруднен. Большую роль здесь играет и активность биологических процессов, интенсивность которых регулируется прежде всего влажностью и температурой почвы. Изменение показателей содержания ТМ по профилю почв связано также с содержанием гумуса и глины, определяющих интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Можно отметить, что сезонные различия в среднем содержании подвижных форм по профилю почв проявляются у большинства металлов. Характер динамики подвижных форм ТМ связан с их биологической аккумуляцией и последующим выносом с урожаем растениями.

Увеличение концентраций кадмия, марганца и меди зимой в основном объясняется гидрогенной аккумуляцией этих элементов и особенностью их аэрации по всему профилю почв. Различия зимних и весенних концентраций у кобальта, меди и никеля объясняются активной их аккумуляцией в зимний период при щелочном барьере. Для большинства металлов средние концентрации подвижных форм в транзитной системе ниже, чем в автономной. Это указывает на большую зависимость концентрации подвижных форм ТМ от геохимических условий, характерных для транзитных систем, - направленный характер миграционных потоков, более интенсивный вынос поверхностных стоков. На эту зависимость указывает и тот факт, что в транзитной системе в весенне-осенний и зимне-весенний периоды концентрации ТМ достоверно не отличаются, так как в эти периоды года складываются идентичные температурный и водный режимы, от которых зависит интенсивность миграционных потоков. Отмечены различия в концентрациях у кобальта и марганца и отсутствуют у меди и никеля.

Сезонные распределения подвижных форм ТМ в аккумулятивной системе, в отличие от автономных и транзитных систем, не имеют достоверных различий в концентрации у большинства элементов для периодов лето-весна, лето-зима, весна-осень, весна-зима. Кроме того, общее содер-

жание ТМ в целом по всем сезонам в аккумулятивных системах достоверно выше (Р<0,05), чем в транзитной и автономной системах.

6.4 Валовые запасы ТМ по почвенному профилю. Сравнение содержания ТМ по почвенному профилю показывает, что используемая в хозяйстве до 2005 г. технология выращивания сельскохозяйственных культур способствовала в большинстве случаев постепенному их накоплению. Однако валовое содержание марганца снизилось за год на 317 кг/га, что можно связать с его выносом при возрастании урожаев в основном однолетних культур. Все остальные элементы, включая и цинк, повысили свои концентрации. Содержание цинка в верхнем слое почвы к 2006 г. снизилось, а в расположенных ниже слоях отмечено его нарастание. Вполне возможно, что его концентрация в верхнем слое связана с повышенным выносом корнями интенсивно потребляющих этот элемент растений. Общие запасы кобальта в среднем за год увеличились на 2,35, цинка - на 23,8, меди - 7,75, свинца - 7,96, кадмия - 0,34 и никеля - на 3,18 кг/га.

7 Закономерности распределения и прогнозирование накопления ТМ в почвах агроландшафта

7.1 Распределение содержания ТМ по почвенному профилю. Кумуляция ТМ в почвенных слоях обусловлена их малой подвижностью и зависит от геохимического фона, рельефа, системы использования земель и т.д. В процессе экологического мониторинга ТМ в почве большое внимание уделено их распространению по профилю, которое определяется составом поч-вообразующих пород, направленностью процессов почвообразования, интенсивностью поступления ТМ от различных антропогенных источников. На распределение ТМ и их миграцию по почвенному профилю большое влияние оказывают неровности рельефа территории, преобладание наклонных поверхностей, которые предопределяют гравитационные перемещения водных и твердых масс от более высоких уровней к низким. Направленный характер миграционных потоков и смена их на пути движения вызывает концентрацию загрязнителей в горизонтальном и вертикальном направлениях. При изучении распределения ТМ в почвенных системах в каждом ландшафте учитываются наиболее характерные участки на протяжении всего профиля от водораздела к пониженным элементам ландшафта, благоприятным для формирования потоков рассеивания.

По почвенным разрезам варьирование элементов проявляется слабо, обычно с выраженным максимумом в верхней части профиля (рисунок 7). По профилю почвы выделяются своим распределением никель и медь на границе водораздела и в аккумулятивной системе.

отношение кПДК

д

Рисунок 7 - Распределение ТМ по профилю почвы: а - северная граница водораздела; б - южная граница водораздела; в и г - транзитные системы; д - аккумулятивная система

Локальное повышение концентрации никеля и меди связано с осаждением нерастворимых карбонатов на щелочном барьере. К активным мигрантам можно отнести кобальт и никель: никель активнее мигрирует в балке, а кобальт - в верхних частях рельефа. По А.И. Перельману (1999) кобальт, никель, медь и марганец относятся к водным мигрантам, подвижным и слабо подвижным в окислительной среде, и потому их миграция связана с водным режимом. Свинец, цинк и кадмий не относятся к числу активных водных мигрантов, и их перераспределение в почве подчиненных позиций в основном происходит с твердой частью стока.

Латеральная дифференциация ТМ была изучена для выявления особенностей миграции элементов в агроландшафте с целью рационального использования угодий. Оценка латеральной миграционной способности ТМ рассчитывается через коэффициент латеральной дифференциации (КЛД) -отношение содержания элементов в почвах или отложениях, подчиненных характеристикам элементарных ландшафтов. КЛД цинка, свинца, кадмия, кобальта, марганца, меди и никеля в почвах изучаемого ландшафта составляют соответственно 1,23; 0,97; 0,93; 0,9; 1,01; 0,94; 1,05. Депонирования ТМ (исключая цинк и медь) в основных формах рельефа пока не происходит. Для цинка и меди свойственно накопление в аккумулятивной системе. В целом в почвах ландшафта ситуация благополучна и концентрации всех металлов ниже ПДК.

7.2 Прогнозирование накопления ТМ в почвах агроландшафта. Обработка данных мониторинга позволила проанализировать их временные ряды (зависимость показателей накопления от времени) и определить интенсивность накопления в почве. Это, в свою очередь, послужило основой для построения моделей краткосрочного и среднесрочного прогнозов, необходимых при разработке ряда управленческих решений. Исходными временными рядами для построения трендовых моделей являлись сезонные показатели валового содержания и уровня подвижных форм ТМ. Временные ряды по валовому содержанию семи анализируемых ТМ так же, как и по подвижным формам марганца, меди и никеля, сформировались за шесть лет, а временные данные по цинку, свинцу, кадмию и кобальту были получены за девять лет.

Для металлов, которые предположительно линейно изменяют содержание во времени (подвижные цинк, свинец, кадмий и кобальт), рассчитывались средние показатели динамики: средний уровень ряда; средний абсолютный прирост; средние темпы роста и прироста. Они необходимы для отражения скорости и интенсивности накопления ТМ в почвах. На их основе (таблица 8) можно сделать вывод, что с наибольшей интенсивностью накапливались подвижные кадмий и кобальт, у которых средние темпы прироста составляют соответственно 20,3 и 26,9% в год.

Средние характеристики динамических рядов валового содержания анализируемых ТМ дают другую картину. За многолетний период не выявлено заметного возрастания валового содержания цинка, свинца, кадмия, ко-

бальта, что подтверждает их инертность по отношению ко времени. Среднесрочный прогноз был сделан с помощью способа классической сезонной декомпозиции, основанного на методе скользящей средней. Так, из графика скользящего среднего и исходного ряда динамики подвижного кадмия (рисунок 8) видно, что скользящее среднее испытывает низкочастотные колебания небольшой амплитуды, которые можно интерпретировать как годовые циклы.

Таблица 8 - Средние характеристики динамических рядов содержания подвижных металлов (2000-2006 гг.)

Металлы Средний уровень, мг/кг Средний абсолютный прирост, мг/кг Средний темп роста, % Средний темп прироста, %

Кобальт 3,15 2,60 126,90 26,90

Цинк 5,91 0,04 101,00 1,00

Свинец 4,15 0,12 103,00 3.00

Кадмий 0,08 0,05 120,30 20,30

Рисунок 8 - Исходный и сглаженный ряды содержания подвижного кадмия

Краткосрочный прогноз был построен на основе моделей кривых роста, при которых изменение исследуемого показателя связывают лишь с течением времени, и считается, что влияние других факторов несущественно или косвенно сказывается через фактор времени (таблица 9). Временные модели краткосрочного и среднесрочного прогнозов накопления наиболее проблемных ТМ подтверждают повышение содержания свинца, кадмия и кобальта.

Таблица 9 - Краткосрочный прогноз содержания подвижных форм ТМ в почвах агроландшафта ОАО «Заветы Ильича»

Металл Уравнение общей тенденции Коэффициент детерминации (Я2) Прогнозные значения на 2007 г.

Кобальт у=0,1481+0,499 И2 = 0,712 4,79

Свинец у=0,1431+1,417 Я2 = 0,626 5,56

Кадмий у=0,0031+0,003 Я2 = 0,896 0,09

8 Экологическое состояние водных ресурсов

Весьма существенными накопителями антропогенных загрязнителей являются водные системы, куда из разных источников поступают ТМ, органические вещества и т.д. Основной речной системой, разделяющей изучаемый ландшафт на две части, является река Средняя Челбаска, представляющая относительно крупный приток реки Челбасы. Длина р. Средняя Челбаска составляет 35 км, а на территорию изучаемого ландшафта приходится 3 км. Река относительно маловодна, её вода минерализована и содержит много органического вещества. Основные источники, питающие реку, - это родники, таяние снега, дожди. Дно реки представляет глинисто-иловую основу аллювия. Влияние ландшафта на реку идет по следующим направлениям: 1) привнос загрязнителей с дождевыми потоками с полей и ферм, 2) снос органических и минеральных удобрений с полей, находящихся под уклоном к реке, 3) выбросы работающей техники, 4) трансграничные переносы с заводов Ростовской области.

Оценка химического состава воды и донных отложений в разных точках отбора проб показывает, что уже в поселке идет усиленное накопление в составе воды кальция и ТМ по сравнению с пробами, отобранными до поселка. После населенного пункта содержание гидрокарбонатов увеличивается на 10-14 мг/дм3; Са- 14-16; М§- 1,4-1,6; К - 0,7-0,8 иЫа-на 1,61,9 мг/кг. Заметно повышаются концентрации нитратов, фенолов, марганца, цинка. Меняется содержание ТМ в воде по сезонам года: наибольшее количество наблюдается летом и осенью.

Содержание ТМ изменяется при значительном разрыве минимальных и максимальных значений. В пределах поселка концентрация ТМ (свинец, кобальт, цинк) весьма существенна. Концентрация подвижных форм ТМ в местах отбора проб варьирует мало, несколько выделяется марганец, количество которого в воде у поселка поднимается до 270 мг/кг (перед поселком - 207 мг/кг). Некоторые ТМ (Со, Си, Сс1, №) снижают концентрацию подвижных форм, что связано с их частичной адсорбцией органическими или органоминеральными агрегатами донных отложений. Со-

держание свинца в иловых отложениях, наоборот, повышается. Концентрации подвижных форм ТМ по сезонам и годам достаточно динамичны.

Основным загрязнителем р. Средняя Челбаска по результатам исследований была балка СТФ, а также дождевые стоки со склоновых участков обоих берегов реки. По результатам мониторинга было принято два решения: была закрыта ферма СТФ, а также начаты посадки лесных полос в самых опасных участках смыва почвы и загрязнителей дождевыми стоками с сельскохозяйственных полей.

9 Содержание ТМ в кормах и продуктах жизнедеятельности

животных

9.1 Содержание ТМ в кормах животных. Практически все ТМ относятся к числу биологически активных элементов и всегда содержатся в организмах растений и животных. Небольшие количества ТМ заметно улучшают рост растений. Содержание металлов в растениях связано с их концентрацией в почве. Повышенные концентрации их соединений являются токсичными, особенно для животных. Минимальным содержанием практически всех металлов отличаются сено, сенаж и зеленые корма, что обусловлено поздними сроками их уборки и осыпанием листьев. Содержание всех ТМ в кормах варьирует по годам и сезонам. Наибольшей концентрацией ТМ выделяются летние сборы урожая.

Содержание кобальта варьирует по сезонам года от 0,09 до 0,29 мг/кг, цинка - от 14 до 27, меди - от 2,2 до 4,9 (кукурузный силос), марганец - от 24 (зеленый корм) до 63 (кормосмесь), свинец - от 0,11 (сено) до 0,35 (комбикорма), кадмий - от 0,01 до 0,2, никель - от 0,5 (сено) до 2,1 мг/кг (комбикорма). Безусловно, уровень концентрации подвижных форм ТМ в почве имеет значение в их накоплении в надземной массе кормов, но линейная связь этих показателей не обнаружена. На содержание ТМ в кормах большое влияние оказывает технология выращивания растений. При внесении комплексных удобрений вынос растениями ряда металлов (например, кадмия, свинца) снижается по сравнению с вариантами без удобрений.

Анализ содержания свинца и кадмия в растениях озимой пшеницы показал, что при нормальной вегетации в растениях с механическими повреждениями нарушаются метаболические связи между стеблем, колосом и зерновкой. В результате свинца (в 8-10) и кадмия (в 6-8 раз) в таких пробах накапливается больше, чем в здоровом растении. ТМ по пищевым цепям попадают в организмы животных и человека. По нашим данным, накопление свинца, поступающего из растений озимой пшеницы, у здоровых животных в 10 раз, а по кадмию - в 8 раз меньше, чем у больных животных.

9.2 Содержание ТМ в продуктах жизнедеятельности животных. ТМ в различных соединениях представляют весьма активную в биологическом отношении группу элементов. Некоторые металлы играют важную роль в жизнедеятельности животных и находятся в крови, рубце, печени, почках и других органах. Наблюдаются довольно заметные различия в содержании ТМ по годам и сезонам, что пока трудно объяснить одними условиями содержания животных.

Концентрации ТМ в экскрементах животных различаются и по сезонам, и по годам, что, очевидно, связа но в первую очередь с рационом кормления. В меньшей степени варьирует содержание ТМ в крови у животных и их молоке; различия отмечаются по сезонам года и годам, но больших колебаний по этим показателям практически не бывает, что наиболее характерно для кобальта, цинка, меди. Несколько выходит за указанные параметры содержание марганца, который в крови коров колеблется от 0,024 до 0,063 мкг/дм3. Содержание ТМ в органах животных варьирует в больших пределах, от чего зависит их концентрация в продуктах питания (молоко, мясо). Нарастание содержания ТМ ставит важную проблему по его снижению, которую необходимо решать путем усиления мониторинга за составом кормов и рационом животных, особенно зимой и осенью.

10 Проблема охраны почв в системе агроландшафта

10.1 Экологический мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами. Сельскохозяйственное производство и получение растениеводческой и животноводческой продукции сопровождается использованием большой массы твердых и жидких минеральных удобрений и пестицидов, несущих в качестве балласта массу ТМ и других поллютантов, которые накапливаются также в отходах растениеводства и животноводства и, безусловно, влияют на все составляющие агроландшафтов и прежде всего на почвы, что указывает на необходимость выработки мероприятий по её сохранению. Под охраной почв мы понимаем систему экологических, экономических, технологических и административно-правовых мероприятий, которые способны обеспечить им ресурсовоспроизводящие функции.

Серьезную проблему в охране почв агроландшафтов создаёт влияние на них различных минеральных (азотных, фосфорных и калийных) и органических удобрений. Для хранения последних заняты площади ценных земель. С ростом животноводства возрастает масса хранящегося навоза. Очень важными поэтому являются научно-исследовательские работы по рациональному использованию и переработке органических удобрений без нанесения вреда другим составляющим агроландшафта (водные системы, временные водотоки и т.д.). Почвы, имеющие разное содержание гумуса, кальция и кислотность, различаются по вымыванию ТМ, особенно наиболее токсичных - свинца, кадмия и ртути. Определенное влияние на адсорб-

цию ТМ оказывает органическое вещество. Способностью кумулировать ТМ обладают также оксиды железа. Загрязнение растениеводческой продукции в основном вызывается дисбалансом, возникающим в системе почва-растение.

Большое влияние содержание ТМ оказывает на буферность почв, определяемую химическими свойствами, долей органических веществ и глинистых комплексов, ионообменными, окислительно-восстановительными, кислотными или щелочными и сорбционными свойствами, которые под влиянием поллютантов изменяются, что ведет к ухудшению среды обитания растений. Большое значение имеют процессы осаждения и растворения, регулирующие распространение ТМ между твердыми фазами и почвенным раствором. В степной зоне подвижность металлов ограничена недостатком влаги, нейтральной реакцией раствора, устойчивостью к распаду гумуса. Экологический мониторинг загрязненности почв дает основу для разработки мероприятий, направленных па снижение влияния загрязнителей, в том числе ТМ, на почву.

10.2 Технологии восстановления почв. Среди мероприятий по охране почв выделяют технологические, химические и механические.

1. Технологические мероприятия представляют собой современные технологии производства основной продукции, очистки отходов и промышленных стоков, перевод промышленного производства на малоотходное. Внесение минеральных, органических и органоминеральных удобрений оптимизирует условия вегетации растений и снижает токсичность загрязнителей.

2. Химические мероприятия направлены на инактивацию загрязнителей и основаны на их переводе в малоподвижные формы.

3. К механическим мероприятиям следует отнести удаление и захоронение наиболее загрязненного верхнего слоя почвы при завозе и нанесении чистой плодородной почвы (толщиной до 10-12 см) на поверхность загрязненной, что может быть весьма эффективным в условиях промышленного режима.

Определенный интерес проявляется к развитию технологии восстановления почв, известной как фиторемедиация, которая включает фитоста-билизацию и фитоэкстракцию. Фиторемедиация важна для восстановления сельскохозяйственных земель в районах с перекрывающейся промышленной и сельскохозяйственной деятельностью, где содержание в почве ТМ повышено. Фиторемедиация загрязненных почв является относительно "мягким" и недорогим способом по сравнению с другими приемами рекультивации. Повышение концентрации металлов в почвенном растворе с помощью синтетических хелатообразующих агентов, которые обладают адаптивным действием на поглощение ТМ растениями, является основой фитоэкстракции.

10.3 Сложные компосты и охрана почвенного плодородия. В 2005 г. нами начаты экспериментальные исследования по приготовлению сложных компостов с включением навоза КРС и свиней, фосфогипса и других отходов для получения комплексного удобрения, обогащенного макроэлементами, серой, кальцием и многими микроэлементами. Полученные результаты показали перспективность получения эффективного удобрения, обогащенного органическим веществом, с одной стороны, и комплексным набором минеральных элементов, их смешанным коллоидным составом, с другой. Ряд элементов (Са, Б, Р), микроэлементов (особенно Со, Мп, N1, Ъс\ и др.) и значительное содержание азота благоприятствуют улучшению водного и воздушного режимов почвы, переходу в труднодоступное состояние основных ТМ и неметаллов. Результаты практического испытания органо-минеральных компостов показали перспективность использования различных органических и минеральных отходов в качестве сырья для получения органоминерального удобрения, сдерживающего увеличение концентраций подвижных форм ТМ, снижающего их поступление в растения и заметно улучшающего физические свойства почвы.

Определение валовых запасов ТМ в 2011 г. в связи с переходом на технологию внесения сложного компоста показало незначительное увеличение в почве содержания меди и кадмия, кобальта и цинка; повысилось также содержание в верхнем слое марганца. Улучшение технологии выращивания сельскохозяйственных культур с внесением в верхний слой почвы сложного компоста способствует некоторому снижению накопления ТМ в зерново-пропашном севообороте (таблица 10).

Таблица 10 - Валовые запасы ТМ в верхнем слое почвы в 2001-2011 гг. (кг/га)

Показатели Со гп Си Мп РЬ Сс1 N1

2001 г. 22,46 155,90 47,08 1461,66 40,58 0,23 98,66

2006 г. 25,54 145,30 54,00 1454,10 45,38 0,44 104,02

2011 г. 26,81 158,40 55,08 1509,00 43,80 0,70 115,00

Среднее за 2001-2006 гг. 0,60 -2,10 1,38 -1,51 0,96 0,04 1,07

Среднее за 2007-2011 гг. 0,25 2,62 0,22 10,92 -0,32 0,05 2,19

Расчет баланса ТМ в верхнем слое почвы с внесением органоминерального компоста в 2011 г. по сравнению с 2006 г. показал некоторое снижение в накоплении кобальта, меди и свинца (таблица 11). С учетом различий отдельных видов минеральных и органических удобрений отмечено варьирование показателей поступления в почву тяжелых металлов, а также их вынос из почвы при выращивании различных культур.

Таблица 11 - Баланс ТМ в верхнем слое почвы агроландшафта при

использовании сложного компоста, 2011 г. (кг/га)

Показатели Со Ъп Си ■ Мп РЬ С<1 N1

Поступило (удобрения) 0,08 6,07 0,90 9,65 0,12 0,14 0,72

Почва 26,81 158,35 55,08 1509,00 43,80 0,70 115,00

Всего 26,89 164,42 55,98 1518,65 43,92 0,84 115,72

Вынос (урожай и эрозия почв) 0,30 4,43 2,14 6,15 0,96 0,16 0,75

Баланс 26,59 159,99 53,84 1512,50 42,96 0,68 114,97

Органоминеральный компост, в котором можно регулировать кислотность и уровень содержания органического вещества, получается при внесении 100 т перегноя и 5 т фосфогипса в почву в позднелетний и ранне-осенний периоды. Он способен поддерживать влажность в верхнем слое почвы на 6-12% больше, чем на контроле, что определенным образом отражается на переводе растворимых форм ТМ в труднодоступные. При весьма заметной трансформации верхнего слоя почвы под влиянием внесения органоминерального компоста возможна организация научно-обоснованной системы борьбы с загрязнением почвы ТМ. Переход на подготовку органоминеральных компостов и их использование в севообороте по 4-5-летнему типу будет существенно влиять на стабильность процессов осаждения-растворения ТМ и поддержание концентрации их подвижных форм на относительно низком уровне.

Обобщены данные по содержанию в почве подвижных форм ТМ на всей территории изучаемого хозяйства и 23 северных «пшеничных» районах. Сравнение средних концентраций подвижных форм свинца, цинка и других металлов в почвах хозяйства в сравнении со степными районами края с использованием (-критерия Стьюдента показало, что на 5% уровне значимости нет существенных различий между сравниваемыми объектами, т.е. данными для хозяйства и других районов этой зоны.

Общие выводы

1. С использованием современных методов и приборных систем установлено, что деятельность хозяйства оказывает негативное влияние на все составляющие агроландшафта (почву, водные системы, растительность, животный мир); особенно сильное давление оказывается в пределах полей севооборота по направлению господствующих ветров и по уклону местности и носит как прямой характер физико-химического воздействия (загрязнение и разрушение всей системы или её части), так и опосредованный (через усиление механизмов деградации почвенных и водных систем, растительных и животных сообществ).

2. Валовые концентрации основных ТМ и их подвижных форм для всей территории агроландшафта и полигона мониторинга, установленные

на основании результатов площадных съемок 1998, 2001 и 2006 гг., показали по ряду элементов (марганец, никель, медь, свинец) заметное увеличение (до 8%) особенно за последний пятилетний период, и имеют высокую сопряженность (94-95%), что подтверждает правильность выбора участков исследования. Наиболее сильно увеличилась концентрация кадмия (до 70%) и незначительно (до 5%) - остальных элементов (цинк и кобальт).

3. Максимальное содержание подвижного никеля отмечено в 2002 г. (3,95 ПДК), а меди - в 2003 г. (2,25 ПДК); с годами заметно увеличение валового содержания кадмия и свинца, что связано с внесением минеральных удобрений, с выбросами работающей техники и трансграничным переносом; в засушливые 2004 и 2005 годы наблюдались не достигающие ПДК (0,88 ПДК) всплески концентрации валового цинка.

4. Суммарный показатель загрязнения по данным 2006 г. (гс=3,04) указывает на то, что в соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 почвы ландшафта являются условно чистыми; линейный характер временных трендов для подвижных форм наиболее токсичных металлов - свинца (у=0,1431+1,417; Я2=0,626), кадмия у=0,0031+0,003; Я2=0,896) и кобальта (у=0,148^0,499; Я2=0,712) - указывает на антропогенный источник этих металлов и прогрессирующее их накопление к летнему периоду.

5. Различные условия использования отдельных территорий в системе агроландшафта оказывают существенное влияние на накопление и размещение ТМ по почвенным слоям (0-5 и 5-20 см). Наибольший средний коэффициент накопления по всем металлам приходится на верхние слои почвы (0-20 и 20-40 см), где он составляет 1,2±0,2. Уточнение и углубление исследований в этом направлении будет способствовать развитию системы управления динамикой накопления ТМ в верхних слоях почвы и в растительной продукции.

6. В изучаемом ландшафте по содержанию ТМ сложилась эколого-геохимическая обстановка, когда валовые количества превышают кларко-вую величину: никель - в 1,72 раза, медь - в 1,35, кобальт - в 1,12 раза; по валовому содержанию ни один из металлов не превышает ПДК; по подвижным формам заметно увеличиваются концентрации меди и никеля: соответственно 1,39 и 1,3 ПДК в 2001 г. и 1,76 и 1,52 ПДК в 2006 г.

7. Сезонные различия в среднем содержании подвижных форм ТМ как в целом по профилю почвы, так и по отношению к элементам рельефа вызваны различной способностью к биологической и гидрогенной аккумуляции с разной степенью зависимости распределения от геохимических условий, о чем свидетельствуют относительно низкие по сравнению с летними осенние концентрации кадмия (0,055±0,002 против 0,065+0,002), марганца (44,08+6,37 против 110,41 + 16,47) и свинца (2,93+0,23 против 3,39+0,22), связанные с биологической аккумуляцией и выносом в составе урожая или с пылевыми частицами на плакорных участках; достоверные

различия в весеине-осенних концентрациях большинства ТМ в транзитных системах отсутствуют; отмечено накопление в глинистых горизонтах аккумулятивной системы металлов, перераспределение которых в почвах подчиненных позиций происходит в основном с твердой частью стока (цинк и кадмий).

8. Содержание гумуса, окислительно-восстановительный потенциал, агрофизические и агрохимические свойства почв и техногенное поступление ТМ в систему ландшафта в высокой степени влияют на радиальное и латеральное их перераспределение, на что указывают следующие особенности: умеренные отрицательные корреляционные связи (р<0,05) валового свинца с физической глиной (г = - 0,37±0,14) и близкие к достоверной такого рода связи у кадмия, меди и никеля; достоверные (р<0,05) корреляционные связи этих же металлов с гумусом (соответственно г =0,42±0,14; г = 0,42±0,14; г = 0,48±0,13; г = 0,42±0,14), подтверждающие преимущественную аккумуляцию ТМ в верхнем гумусовом слое почвы и техногенное поступление их в систему ландшафта; тесные связи подвижных форм ТМ с валовым содержанием; высокая чувствительность по отношению к рН в условиях летнего сезона подвижных форм наиболее токсичных элементов: никеля (г=-0,42±0,14), кадмия (г=-0,46±0,13) и свинца (г=-0,36±0,14), и меньшая чувствительность марганца и меди, входящих в число необходимых для растений микроэлементов.

9. С высокой интенсивностью в почвах ландшафта накапливаются подвижные кадмий и кобальт, средние темпы прироста которых составляют соответственно 20,3 и 26,9% в год; при ПДК этих металлов (соответственно 0,2 и 5,0 мг/кг), которые значительно выше их среднего содержания (0,08 и 3,15 мг/кг соответственно), такой темп роста представляет значительный экологический риск и требует тщательного контроля содержания этих металлов в почве; временные модели краткосрочного и среднесрочного прогнозов накопления наиболее проблемных ТМ подтверждают высокую интенсивность накопления свинца, кадмия и кобальта.

10. За десятилетний период изучения состояния степной водной системы не отмечено превышения принятых норм загрязнения ТМ воды и донных отложений; сравнительно высокие концентрации в иловых отложениях отмечены для марганца (до 0,75 ПДК) и в некоторых случаях для меди и никеля; накопление ТМ в кормах животных колеблется в значительных количествах и не всегда прямо соответствует их содержанию в почвах; концентрация ТМ в растительных кормах широко варьирует: в наибольших количествах все изучаемые металлы концентрируются в силосе, в зеленом корме и в листьях люцерны в зависимости от года и сезона.

11. Содержание ТМ в органах животных варьирует весьма существенно; высокой концентрацией кобальта выделяются печень (0.13 мг/кг), лимфоузлы (0,072) и почки (0,063); цинка - рубец (77,3), кишечник (57,03),

печень (85,9), селезенка (95,0 мг/кг); никеля - кишеч ник (2,24), мышца (1,80), селезенка (1,24) и т.д.; концентрация ТМ в молоке и в крови животных колеблется по годам и сезонам, но средние значения обычно не превышают допустимый уровень; в некоторых условиях, особенно в осенне-зимний период, отмечается повышенное содержание цинка и никеля в крови, а никеля и кобальта - в молоке; содержание ТМ в отходах жизнедеятельности КРС весьма сильно колеблется: основная часть изучаемых металлов (до 90%) выводится с экскрементами и около 10% с жидкими отходами.

12. Сельскохозяйственное производство сопровождается образованием жидких, газообразных и твердых отходов, выход которых за пределы хозяйственных объектов оказывает влияние на почвы, водные системы, растения и животных, что указывает на необходимость разработки мероприятий по их охране; для твердых отходов предложена система мероприятий по их использованию в сельскохозяйственном производстве в качестве органических и органоминеральных удобрений; для сбросов отмечается необходимость совершенствования системы очистки и приостановки работы СТФ, для выбросов и сбросов необходимо применение современных методов очистки и их промышленной переработки; предложена система охраны почв, снижающая валовые запасы в их верхнем слое - кобальта, меди, свинца.

Всего опубликовано 120 научных работ, из которых 58 публикаций наиболее полно отражают содержание диссертации.

Статьи в реферируемых журналах

1. Гукалов В.Н., Мельник O.A. Динамика органического вещества в почвах агроландшафта (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 2(6). - С. 77-80.

2. Ткаченко Л.Н., Гукалов В.Н. Динамика хлорорганических пестицидов в почвах агроландшафта // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 2(6). - С. 116118.

3. Бережная Н.П., Гукалов В.Н. Динамика подвижной и валовой меди в системе агроландшафта // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 2(6). - С. 129-132.

4. Гукалов В.Н., Белюченко И.С. Состав и структура агроландшафт-ной системы (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 3(7). - С. 106-111.

5. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Теучеж A.A. Влияние рельефа на содержание подвижного фосфора по профилю почвы // Тр. / КубГАУ. -2007.-№4(8).-С. 75-77.

6. Алифиров М.Д., Белюченко И.С., Волошина Г.В., Гукалов В.Н., Гукалов В.В., Кобецкая O.A., Мельник O.A., Фалин А.Г. Влияние посевов и

органических удобрений на трансформацию азота в черноземе выщелоченном // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 5(9). - С. 79-85.

7. Гукалов В.Н. Загрязнение почв агроландшафта тяжелыми металлами // Вестник РУДН: серия Экология и безопасность жизнедеятельности. - 2007. - № 2. - С. 66-74.

8. Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Влияние сжигания растительных остатков на агрономические свойства почв // Тр. / КубГАУ. - 2008. - № 1(10). -С. 57-60.

9. Гукалов В.Н., Анипкин И.Н.. Динамика подвижного и валового никеля в почвах агроландшафта // Тр. / КубГАУ. - 2008. - № 1(10). - С 8587.

10. Попок Л.Б., Гукалов В.Н., Попок Л.Е. Комплексный анализ содержания тяжелых металлов в почвах агроландшафта // Тр. / КубГАУ. - 2008 -№ 1(10).-С. 128-134.

11. Белюченко И.С., Смагин A.B., Гукалов В.Н., Мельник O.A., Слав-городская Д.А., Калинина О.В. Экологические аспекты совершенствования функционирования агроландшафтных систем Краснодарского края // Тр. / КубГАУ. - 2010. - № 26. - С. 33-38.

12. Гукалов В.Н., Петух Ю.Ю. Влияние органоминерального компоста на состав почвенной мезофауны в посевах озимой пшеницы // Тр. / КубГАУ.-2011.-№31.-С. 126-128.

13. Гукалов В.Н., Петух Ю.Ю. Влияние органоминерального компоста на динамику численности грызунов в посевах озимой пшеницы // Тр. / КубГАУ.-2011.-№31.-С. 111-114.

14. Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Практические основы использования отходов промышленности и сельского хозяйства в качестве мелиоранта чернозема обыкновенного // Тр. / КубГАУ. - 2011. - № 31. - С. 152-154.

15. Гукалов В.Н. Динамика подвижного кадмия по почвенным слоям чернозема обыкновенного // Тр. / КубГАУ. - 2011. - № 31. - С. 165-167.

Монографии

1. Гукалов В.Н. Тяжелые металлы в системе агроландшафта: Монография. - Краснодар: Издательство И.П. Купреев, 2010. - 345 с.

Статьи и доклады на конференциях

1. Гукалов В.Н. Экологические аспекты природоохранных технологий в севообороте агроландшафта // Экол. пробл. Кубани. - 2001. -№ 10. - С. 3-7.

2. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мамась H.H., Швыдкая Н.В. Состав и особенности функционирования вспомогательных подсистем агроландшафта // Экол. пробл. Кубани. - 2001. - № 10. - С. 21 -32.

3. Гукалов В.Н. Экологическая оценка сжигания растительных остатков в полях севооборота // Экол. пробл. Кубани. - 2001. - № 10. - С. 43-49.

4. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мельченко А.И., Двоеглазов В.Н., Тонких З.В. Динамика тяжелых металлов в системе агроландшафта // Экол. пробл. Кубани. - 2001. - № 10. - С. 64-74.

5. Белюченко И.С., Высоцкая И.Ф., Гукалов В.Н., Мельченко А.И. Содержание тяжелых металлов в почвах агроландшафта // Экол. пробл. Кубани.-2001,-№ 12.-С. 105-110.

6. Гукалов В.Н. Экологическая оценка ландшафтных систем Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани. Ленинградский район. - 2002. - № 16.-С. 3-7.

7. Гукалов В.Н. Экологическое состояние малых рек Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани. Ленинградский район. - 2002. - № 16. - С. 44-54.

8. Назарько М.Д., Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Микрофлора почв Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани. Ленинградский район. -2002. - № 16. - С. 68-73.

9. Гукалов В.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами // Экол. пробл. Кубани. Ленинградский район. - 2002. - № 16. - С. 83-107.

10. Гукалов В.Н. Сезонная и годовая динамика кадмия в обыкновенном черноземе (на примере Ленинградского района) // Экол. пробл. Кубани. - 2003.-№ 20. - С. 31-41.

11. Гукалов В.Н. Динамика различных форм свинца в верхнем слое почвы аграрного ландшафта // Экол. пробл. Кубани. - 2003. - № 20. - С. 5053.

12. Белюченко И.С., Высоцкая И.Ф., Гукалов В.Н. Валовые и подвижные формы свинца в аграрных ландшафтах Кубани // Экол. пробл. Кубани. -2003.-№20.-С. 100-201.

13. Гукалов В.Н. Проблемы развития агроландшафтных систем в богарной зоне Краснодарского края // Экол. пробл. Кубани. - 2003. - № 21. -С. 7-281.

14. Гукалов В.Н., Вартанянц Е.А., Дзюба Ю.В., Белюченко И.С. Содержание кадмия в зерновой массе некоторых сортов пшеницы // Экол. пробл. Кубани. - 2004. - № 24. - С. 47-50.

15. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Вартанянц Е.А. Валовые и подвижные формы кадмия в агроландшафте (на примере колхоза «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Экол. пробл. Кубани. - 2004. - № 24. - С. 87-182.

16. Гукалов В.Н. Содержание свинца в ландшафтах степных рек Кубани /У Экол. пробл. Кубани. - 2005. - № 30. - С. 19-23.

17. Гукалов В.Н., Яценко М.В. Содержание кобальта в агроландшаф-тах колхоза «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани. - 2005. - № 30. - С. 82-88.

18.Гукалов В.Н., Белюченко И.С., Демченко М.М. Динамика валового и подвижного марганца в системе агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2005. - Т. 2. - № 2. - С. 55-76.

19. Гукалов В.Н., Яценко М.В. Оценка влияния отходов животноводства на содержание кобальта в компонентах агроландшафта // Экол. пробл. Кубани. - 2006. - № 32. - С. 36-42.

20. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Демченко М.М. Содержание металлов в отходах животноводства // Экол. пробл. Кубани. - 2006 - № 32 - С 47-52.

21. Белюченко И.С., Громыко В.В., Гукалов В.Н., Демченко М.М. Содержание марганца в кормах и биологических жидкостях КРС в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани. - 2006 - № 32.-С. 52-56.

22. Белюченко И.С., Бережная Н.П., Гукалов В.Н. Динамика подвижных и валовых форм меди в системе агроландшафта // Экол. пробл. Кубани. -2006. -№32.-С. 71-76.

23.Гукалов В.Н. Динамика органического вещества и проблемы его трансформации в почвах агроландшафта степной зоны края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2007. - Т. 3. - № 1. - С. 5-17.

24. Гукалов В.Н. Комплексный подход к совершенствованию функционирования агроландшафтных систем // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -

2007. - Т. 3. - № 1.-С. 91-93.

25. Гукалов В.Н. Особенности гидрохимии реки Челбас // Экол. Вестник Сев. Кавказа.-2007.-Т. 3.-№ 1.-С. 102-105.

26.Анипкин И.Н., Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Содержание подвижного и валового никеля в черноземе обыкновенном // Экол. пробл. Кубани. - 2007. - № 33. - С. 10-17.

27. Муравьев Е.И., Попок Л.Б., Попок Е.В., Гукалов В.Н., Белюченко И.С. Закономерности латерального и вертикального распределения тяжелых металлов в почвах агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -

2008.-Т. 4.-№ 1.-С. 5-24.

28. Анипкин И.Н., Гукалов В.Н. Влияние никеля на продуктивность озимой пшеницы и его накопление в зерне // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -2008. - Т. 4. - № 3. - С. 5-8.

29. Анипкин И.Н., Гукалов В.Н. Накопление никеля растениями озимой пшеницы в различных элементах рельефа // Экол. Вестник Сев. Кавказа.-2008.-Т. 4. - № 3. - С. 9-12.

30. Гукалов В.Н. Результаты мониторинга тяжелых металлов в почвах агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2009. - Т. 5. - № 1. - С. 76-83.

31.Гукалов В.Н., Попок Л.Б. Экологические аспекты динамики тяжелых металлов в почвах агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -2009. - Т. 5. - № 2. - С. 35-40.

32. Гукалов В.Н. Концентрация тяжелых металлов в почвах агроландшафта по результатам площадных съемок И Экол. Вестник Сев. Кавказа. -2009.-Т. 5.-№4.-С. 17-38.

33.Гукалов В.Н. Содержание тяжелых металлов в растительных кормах // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2010. - Т. 6. - № 1. - С. 14-23.

34. Попова Т.В., Гукалов В.Н., Белюченко И.С. Особенности размещения тяжёлых металлов в корнеобитаемом слое чернозёма обыкновенного в разных местообитаниях // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2010. - Т. 6. - № 1. -С. 24-26.

35. Гукалов В.Н. Содержание тяжелых металлов в некоторых тканях, продуктах и отходах жизнедеятельности КРС // Экол. Вестник Сев. Кавказа.-2010.-Т. 6. -№ 1.-С. 27-39.

36. Гукалов В.Н. Экологическое состояние водных ресурсов агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2010. - Т. 6. - № 2. - С. 17-25.

37. Гукалов В.Н., Попок Л.Б., Белюченко И.С. Динамика тяжелых металлов в почвенных слоях чернозема обыкновенного по годам и сезонам // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2010. - Т. 6. - № 2. - С. 28-60.

38. Гукалов В.Н. Влияние внесения компоста на основе навоза КРС и фосфогипса на динамику в почве тяжелых металлов // «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства»: материалы II Всерос. науч. конф. / КубГАУ. - Краснодар, 2010. -С. 55-56.

39. Гукалов В.Н., Мельник O.A. Перспективы использования отходов сельскохозяйственных и промышленных производств для повышения плодородия почвы // «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства»: материалы II Всерос. науч. конф. / КубГАУ. - Краснодар, 2010. - С. 55-56.

40. Гукалов В.Н., Попок Л.Б., Белюченко И.С. Прогнозирование содержания тяжелых металлов в почвах агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2011. - Т. 7. - № 2. - С. 4-14.

41. Гукалов В.Н. Динамика тяжелых металлов в верхнем слое почвы по почвенным слоям и элементам рельефа // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -2011.-Т. 7. -№3. С. 4-30.

42. Гукалов В.Н. Технология использования отходов промышленного и сельскохозяйственного производства для мелиорации сельскохозяйственных земель // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2012. - Т. 8. - № 3 .С. 67-73.

Изобретательская работа, патенты

1. Пат. № 2423336 от 10.07.2011 г. И.С. Белюченко, Е.П. Добрыднев, В.Н. Гукалов, Л.Б. Попок, O.A. Мельник, Ю.Н. Помазанова. Способ получения азотсодержащего органоминерального удобрения.

2. Пат. 24233335 от 10.07.2011 г. И.С. Белюченко, Е.П. Добрыднев, В.Н. Гукалов, O.A. Мельник, J1.H. Ткаченко. Способ получения органоминерального удобрения.

3. Пат. 24233337 от 10.07.2011 г. И.С. Белюченко, Е.П. Добрыднев, В.Н. Гукалов, O.A. Мельник, Н.П. Бережная, В.П. Бережная. Способ создания органоминерального удобрения.

4. Пат. 2423812 от 20.07.2011 г. И.С. Белюченко, Е.П. Добрыднев, В.Н. Гукалов, O.A. Мельник, Д.А. Славгородская. Е.В. Терещенко. Способ улучшения агрофизических свойств почвы.

5. Пат. 2426712 от 20.08.2011 г. И.С. Белюченко, Е.П. Добрыднев, В.Н. Гукалов, O.A. Мельник, JI.H. Ткаченко. Способ производства органоминерального удобрения.

Подписано в печать 4.04.2013 г. Бумага офсетная Печ. л, 1,5 Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Офсетная печать Заказ № 265

Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13