Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Мониторинг тяжёлых металлов на сельскохозяйственных угодьях Новосибирской области

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Мониторинг тяжёлых металлов на сельскохозяйственных угодьях Новосибирской области"

На правах рукописи

Фещенко Валентина Петровна

МОНИТОРИНГ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДЬЯХ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.08 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

в АПР 2015

Новосибирск 2015

005566777

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Наплёкова Надежда Николаевна

Официальные оппоненты Сысо Александр Иванович, доктор

биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук, заместитель директора по науке

Барановская Наталья Владимировна,

доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский

политехнический университет»,

профессор кафедры геоэкологии и геохимии

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится « 15 » мая 2015 г. в /О" часов на заседании диссертационного совета Д 220.048.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» по адресу: 630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160. Тел/факс: 8(383)264-29-34, e-mail: norge@ngs.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» и на сайте www.nsau.edu.ru

Автореферат разослан « d/ty-p ¡¿(ftflsyft^ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Маренков В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Антропогенное преобразование биосферы и биогеохимическая эволюция её таксонов привели к изменению поступления в пищевую цепь биофильных и экологически опасных элементов вследствие истощения плодородия и загрязнения почв [Сысо, 2007].

Освоение земель для сельскохозяйственного использования изменяет интенсивность и направление миграции химических элементов [Ильин, 1973]. Накопление наиболее токсичных тяжёлых металлов на сельскохозяйственных территориях вызывает необходимость регулярного контроля их содержания в компонентах агроэкосистем [Черных, Милащенко, Ладонин, 1999].

Проблема загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами особенно актуальна для биологической цепи почва - растение - человек. Особую обеспокоенность вызывает намечающаяся тенденция к концентрированию в организме человека цинка, кадмия и свинца [Барановская, 2011]. Значительная часть тяжёлых металлов, попадая в почву, закрепляется, поглощается растениями и поступает в пищевые цепи. Чтобы оценить уровень загрязнения, необходимо провести анализ данных экологического мониторинга конкретного района.

Степень разработанности темы. Изучение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами не является новой областью исследований. В различных источниках освещены вопросы загрязнения почв и растений тяжёлыми металлами и пути решения проблем, связанных с ним [Черных, Милащенко, Ладонин, 1999; Овчаренко, 2000; Ильин, Сысо, 2001; Сысо, 2007; Красницкий, 2001; Добровольский, 2006; Алексеев, 2008; Просянникова, 2010; Синдирёва, 2011 и др.]. Вместе с тем исследования по длительному наблюдению за динамикой тяжёлых металлов в агроэкосистемах Новосибирской области отсутствуют.

Цель исследования: оценить экологическое состояние основных компонентов агроэкосистем сельскохозяйственных угодий Новосибирской области по содержанию тяжёлых металлов.

Задачи исследования:

1. Изучить содержание тяжёлых металлов (кадмий, свинец, цинк, медь) в почвах сельскохозяйственных угодий Новосибирской области за 10 лет (20022011 гг.).

2. Определить уровни концентрации тяжёлых металлов в растениях агроценозов сельскохозяйственных угодий.

3. Изучить распределение тяжёлых металлов по органам растений и в системе почва - растение.

4. Выявить закономерности распределения тяжёлых металлов в агроценозах сельскохозяйственных культур в зависимости от природно-геоморфологических районов Новосибирской области.

5. Дать экологическую оценку уровней концентрации тяжелых металлов в компонентах агроэкосистем сельскохозяйственных угодий.

Научная новизна. Впервые обобщены многолетние данные по содержанию тяжёлых металлов в почвах и сельскохозяйственных культурах Новосибирской

области на реперных участках локального мониторинга. Проведён комплексный анализ данных экологического мониторинга по содержанию кадмия, свинца, цинка и меди в агроэкосистемах сельскохозяйственных угодий. Выявлены характер распределения и динамика валового содержания тяжёлых металлов в основных компонентах агроэкосистем. Дана оценка экологического состояния агроэкосистем сельскохозяйственных угодий Новосибирской области по содержанию тяжёлых металлов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследования расширяют сведения о содержании тяжёлых металлов в почвах и растениях сельскохозяйственных угодий Новосибирской области.

Выявлены уровни концентрации тяжёлых металлов в основных компонентах агроэкосистем сельскохозяйственных угодий. Материалы диссертации можно использовать для диагностики состояния экосистем, разработки стратегии рационального, экологически безопасного ведения сельскохозяйственного производства.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Новосибирского государственного аграрного университета при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Агрохимия и агропочвоведение», специальность «Агроэкология».

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования послужили экспериментальные методы - наблюдение, сравнение, обобщение, анализ, а также использованы основные положения методологии экологического мониторинга, физико-химический, агрохимический, атомно-абсорбционный методы и метод математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При современном уровне земледелия в Новосибирской области в почвах сельскохозяйственных угодий содержание свинца, цинка и меди за период с 2002 по 2011 г. не увеличилось, выявлено повышение концентрации кадмия на отдельных участках. Содержание и распределение металлов в почвах обусловлено в основном их гранулометрическим составом.

2. Уровни содержания тяжёлых металлов в почвах и растениях изучаемых агроэкосистем не превышают их предельно допустимую концентрацию и не представляют опасности для окружающей среды, они объективно отражают уровень антропогенной нагрузки и степень агрогенного влияния на агроценозы.

3. В растительной продукции агроценозов содержание цинка и меди свидетельствует об их дефиците для растений и животных, а также в системе почва - растение. Ухудшение минеральной полноценности сельскохозяйственных культур из-за недостатка цинка и меди указывает на дефицит в почвах доступной для растений формы.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность исследований обеспечивалась достаточным объёмом полученного материала, проведением аналитических работ в аккредитованной лаборатории, применением стандартных образцов и статистической обработкой полученных результатов.

Результаты исследований докладывались на X, XI Международной научно-практической конференции «Химия и жизнь» (Новосибирск, 2011; 2012); IX

региональной научно-практической конференции молодых учёных вузов Сибирского федерального округа «Инновации молодых учёных аграрных вузов -агропромышленному комплексу Сибирского региона» (Омск, 2011); внутривузовской научно-практической конференции аспирантов по истории и философии науки «Экология знания - новое научное направление» (Новосибирск, 2011); внутривузовской научно-практической конференции аспирантов на немецком языке «Современные проблемы и тенденции развития АПК в Сибири» (Новосибирск, 2011); LXXIII Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Молодёжная наука 2013: технологии,

инновации» (Пермь, 2013).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 работ в изданиях,

рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Представленная работа является обобщением результатов полевых, производственных и лабораторных исследований, полученных автором за 10 лет (2002-2011). Автор разрабатывала программу исследований, лично принимала участие в наблюдениях и лабораторных испытаниях, ей принадлежат анализ и обобщение экспериментальных данных, формулировка научных положений и выводов.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, выводов, библиографического списка и приложения. Библиографический список включает 208 наименований, в том числе 22 иностранных авторов. Работа содержит 31 таблицу, 22 рисунка, 2 приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору биологических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ H.H. Наплёковой. Автор благодарит сотрудников ФГБУ «ЦАС «Новосибирский» за оказанную помощь при проведении полевых и лабораторных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 представлен обзор данных литературы, отражающих степень изученности и современное состояние проблемы. Обобщены сведения об основных путях поступления тяжёлых металлов в агроэкосистемы.

2 УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили в период с 2002 по 2011 г. Погодные условия в годы наблюдений значительно колебались. Вегетационный период ряда лет наблюдений (2003, 2010, 2011) характеризовался умеренно тёплым и засушливым (ГТК<1), другие годы (2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008) были отмечены повышенным количеством атмосферных осадков (ГТК>1), в 2009 г. выпало максимальное количество осадков из 10 лет исследований (ГТК-1,6).

Объектами исследований являлись основные компоненты агроэкосистем (почвы и растения) сельскохозяйственных угодий Новосибирской области. Образцы почвы и растений были отобраны на реперных участках, расположенных в пяти природно-геоморфологических районах Новосибирской области, различающихся экологической ёмкостью [Хмелёв, Танасиенко, 2009]. Схема последовательности проведения исследований отражена на рисунке 1.

Почвы представлены пятью типами, наиболее типичными для каждой морфоструктуры: чернозём выщелоченный (участки 1, 2, 3, 9), светло-серая лесная оподзоленная (участок 6), серая лесная оподзоленная (участок 5), тёмно-серая лесная оподзоленная (участок 4), тёмно-серая лесная (участок 10), чернозёмно-луговая солонцеватая (участок 7), глубокий солонец (участок 8).

Рисунок 1 - Схема исследований

Исследования вели в соответствии с методическими указаниями по проведению локального мониторинга на реперных участках [Методические указания ... , 1991, 2006]. Образцы почвы отбирали ежегодно (2002-2011 гг.) весной с глубины пахотного горизонта. С почвенных разрезов образцы почв на глубину 1 м брали в 2006 и 2011 гг. (1 раз в 5 лет). Пробы растений с выделением основной и побочной продукции отбирали перед уборкой урожая. В смешанных пробах почвы и растений определяли валовое содержание тяжелых металлов. Испытания проб проводили в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ «ЦАС «Новосибирский». Использовали метод атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией. Экстракцию тяжёлых металлов из почвы проводили 5М (молярной) азотной кислотой в соответствии с методическими указаниями ЦИНАО [1992]. Тяжелые металлы в растительных

пробах определяли в их зольных растворах. Содержание элементов в почвенных и растительных вытяжках измеряли на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-АФА и КВАНТ-2АТ. Достоверность результатов испытаний и измерений подтверждали в соответствии с методическими указаниями параллельными испытаниями и использованием стандартных образцов.

Статистическую обработку данных проводили методами дисперсионного, вариационного и корреляционного анализов [Доспехов, 1985] с использованием пакета программ БЫЕОЕССЖ [Сорокин, 2004]. Достоверность различий между вариантами оценивали по критериям Фишера (Б) и Стьюдента (г).

3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОМПОНЕНТОВ АГРОЭКОСИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

ПО СОДЕРЖАНИЮ КАДМИЯ, СВИНЦА, ЦИНКА И МЕДИ (НА ПРИМЕРЕ РЕПЕРНЫХ УЧАСТКОВ ЛОКАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА)

3.1 Содержание тяжёлых металлов в почвах исследуемых агроэкосистем 3.1.1 Динамика содержания тяжёлых металлов в пахотном горизонте почвы На элементный химический состав почв оказывают влияние, наряду с другими факторами, время и деятельность человека. При оценке загрязнения пахотных почв диагностическим следует считать слой 0-20 см [Сысо, 2007].

Динамику валового содержания тяжёлых металлов в пахотном слое почв Новосибирской области изучали в период с 2002 по 2011 г (рисунки 2, 3).

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

свинец —Д— цинк —X— медь

Рисунок 2 - Динамика валового содержания свинца, цинка и меди в пахотном слое почвы на реперных участках (2002-2011гг.), мг/кг

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Год

Рисунок 3 - Динамика валового содержания кадмия в пахотном слое почвы реперных участков (2002-2011гг.), мг/кг

Достоверного увеличения содержания свинца, цинка и меди не выявлено, уровень концентрации кадмия повысился и составил в среднем 0,34 мг/кг.

3.1.2 Закономерности распределения тяжёлых металлов в разных типах почв

На распределение тяжёлых металлов в почве оказывают влияние различные факторы, в том числе метеорологические особенности региона, геохимические факторы, ландшафтная обстановка. По поверхности почв химические элементы могут рассеиваться или накапливаться в зависимости от характера геохимических барьеров данной территории [Добровольский, Гришина, 1985].

Результатами исследований пахотного слоя за 2002-2011 гг. установлены достоверные различия по содержанию тяжёлых металлов в зависимости от типа почвы (Р<0,05) (рисунок 4).

* 60

Рисунок 4 - Среднее валовое содержание тяжёлых металлов в пахотном

слое разных типов почв (2002-2011 гг.), мг/кг (Гвыч ■ по кадмию - 4,00; по свинцу -51,94; по цинку - 25,09; по меди -42,12; Гтаб, -2,29; Р<0,05)

Приоритетной поэлементной зависимости от одного типа почв не установлено. Достаточно сложно соблюсти одинаковую представительность проб

по всем параметрам.

Максимальное содержание кадмия в пахотном слое в среднем за 10 лет отмечено в серой лесной оподзоленной почве (0,37±0,06 мг/кг), свинца - в чернозёмно-луговой солонцеватой (14,6±0,32 мг/кг) и глубоком солонце (15,0±0,36 мг/кг), цинка - в чернозёме выщелоченном и глубоком солонце (по 53,0±1,38 и 53,0±1,54 мг/кг), меди - в глубоком солонце и чернозёме выщелоченном (19,8±0,68 и 19,1±0,46 мг/кг соответственно).

Светло-серая лесная оподзоленная почва менее всего насыщена кадмием, свинцом, цинком и медью, что в основном обусловлено её легкосуглинистым гранулометрическим составом.

Распределение тяжёлых металлов по профилю разных типов почв

Исследования по содержанию кадмия в профиле почвы показали достоверную чёткую дифференциацию по её слоям (Р<0,01), что согласуется со сведениями других авторов [Ильин, Сысо, 2001]. Отмечено наибольшее содержание кадмия в слоях почвы 0-20 и 21-40 см и значительное, практически в 2 раза, снижение в нижележащих. Данные различия достоверны и для профиля почв разных типов (Р<0,01).

Содержание свинца по профилю почв меняется незначительно, но данные различия достоверны (Р<0,05). Снижение уровня концентрации металла отмечено в слое 81-100 см. Данные различия достоверны и для профиля почв разных типов (Р<0,01).

Исследования содержания цинка и меди по профилю разных типов почв достоверной чёткой дифференциации по слоям почвы не выявили. Установлено достаточно равномерное их распределение по профилю всех типов почв. В пахотных почвах эффект биогенной аккумуляции может не проявляться из-за эрозионных процессов [Ильин, Сысо, 2001]. Валовое содержание цинка и меди между слоями почв разных типов достоверно различается (Р<0,01). Данные различия в основном обусловлены неоднородностью почв по гранулометрическому составу.

3.1.3 Распределение тяжёлых металлов в почвах разного гранулометрического состава

Исследованиями пахотного слоя за 2002-2011 гг. установлены достоверные различия по содержанию свинца, цинка и меди в зависимости от гранулометрического состава почвы (Р<0,05), для кадмия данные различия несущественны (рисунок 5).

70 ч

Легкосуглинистый Среднесуглинистый Тяжелосуглинистый Глины

Гранулометрический состав

Рисунок 5 - Среднее валовое содержание тяжёлых металлов н пахотном слое помп разного гранулометрического состава (2002-201 1 гг.), мг/кг : по свинцу - 104,80. по цинку - 43.16. по меди 61.02: /•„„„-,, 2.84: Р<0,05)

Наибольшую экологическую напряжённость создают почвы, насыщенные тяжёлыми металлами в большей степени, - это почвы тяжёлые по гранулометрическому составу, особенно глинистые. Вместе с тем содержание кадмия значительно ниже лишь в легкосуглинистой почве, в остальных почвах его концентрации практически равны.

3.1.4 Особенности распределения тяжёлых металлов в почвах разных природно-геоморфологи ческих районов Особенности формирования почвообразующих пород и почв разных природно-геоморфологических районов отражаются на среднем содержании элементов в верхнем слое (0-20 см) основных типов почв, сформированных в разных климатических условиях и на разных формах рельефа [Сысо, 2007].

В наших исследованиях изучалось содержание тяжёлых металлов в пяти природно-геоморфологических районах Новосибирской области с 2002 по 2011 г. На территории Приобского плато расположены три реперных участка, Кузнецкой котловины - один, на территории Колывань-Томской возвышенности, Предсалаирской равнины и Барабинской низменности - по два.

Результатами исследований пахотного слоя за 10 лет выявлены достоверные различия уровня концентрации тяжёлых металлов в почвах разных природно-геоморфологических районов (Р<0,05) (рисунок 6).

Рисунок 6 - Среднее валовое содержание тяжёлых металлов в пахотном слое почв разных геоморфоструктур (2002-2011 гг.), мг/кг (Рвыч.: по кадмию. - 4,45; по свинцу - 31,84; по цинку - 28,08; по меди -34,63; Ртабл -2,56; Р<0,05)

Почвы Колывань-Томской возвышенности отличаются от почв других районов исследования. Уровень концентрации исследуемых тяжёлых металлов в почвах данного района значительно ниже по всем элементам, что свидетельствует о более низкой экологической напряжённости данного природно-геоморфологического района. Зональные почвы данного района представлены

почвами легкосуглинистыми и среднесуглинистыми, обладающими меньшей буферной способностью.

3.1.5 Экологическая оценка уровней концентрации тяжёлых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий

Экологическое состояние окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве оценивается относительно гигиенического норматива. В соответствии с нормативной документацией [Предельно допустимые ... , 2006] при контроле за состоянием почв преимущество следует отдавать ПДК (предельно допустимые концентрации). Вместе с тем, принятые ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) [Ориентировочно-допустимые ..., 2009], которые учитывают гранулометрический состав и кислотно-щелочные свойства почвы (рН), позволяют более дифференцированно оценивать экологическое состояние почв по содержанию тяжёлых металлов. В годы исследования (2002-2011) были проведены измерения рН, для большинства почв (участки 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10) рНКс1>5,5, в почвах участков 4 и 5 рН ко <5,5.

Исследованиями валового содержания кадмия, свинца, цинка и меди с 2002 по 2011 г. установлено, что выявленные в почве уровни концентрации элементов по санитарно-гигиеническим нормам не представляют опасности, так как значительно ниже ОДК.

Содержание тяжёлых металлов в почвах Новосибирской области за 10 лет оценивали по единицам ОДК. Максимальное содержание установлено для цинка, его концентрация в кислых суглинистых и глинистых почвах составила 0,43 ОДК и 0,23 - в нейтральных суглинистых и глинистых почвах. Концентрации кадмия,

□ почвы кислые суглинистые и глинистые в почвы нейтральные суглинистые и глинистые |

Рисунок 7 - Содержание тяжёлых металлов в почвах Новосибирской области в период с 2002 по 2011 гг. (единиц ОДК)

Вместе с тем отношение концентрации свинца к ПДК составило 0,42 единицы, к кларку почв мира [Виноградов, 1962] - 1,3; по кадмию, цинку и меди — менее 1.

3.2 Содержание тяжёлых металлов в растениях исследуемых агроэкосистем

Обладая высокой токсичностью, тяжёлые металлы представляют опасность для живых организмов. Один из путей поступления тяжёлых металлов в организм человека и животных - употребление в пищу растительной продукции, поэтому исследование её на содержание тяжёлых металлов очень актуально.

Разные авторы приводят в своих исследованиях данные по содержанию тяжёлых металлов в растительной продукции в сухом, воздушно-сухом веществе, в растениях естественной влажности. Наши данные приведены в воздушно-сухом веществе.

3.2.1 Уровни концентрации тяжёлых металлов в овощных культурах

Овощные культуры, как и большинство культурных растений, обладают меньшей степенью толерантности в отличие от дикорастущих [Ильин, 1985], поэтому очень важно знать концентрацию элементов-загрязнителей, содержащихся в овощах.

Концентрация тяжёлых металлов в моркови и картофеле в наших исследованиях колеблется в широких пределах (таблица 1), но существенно ниже ПДК - 0,03 мг/кг для кадмия, 0,5 - для свинца, 10,0 - для цинка и 5,0 мг/кг для меди [Предельно допустимые ... , 1986, Гигиенические требования ... , 2002]. Для сравнения полученных данных с допустимыми уровнями результаты пересчитывали на натуральную влажность.

Таблица 1 - Содержание тяжёлых металлов в моркови столовой и картофеле, мг/кг воздушно-сухой массы___

Химический элемент Х±55Г Нш Источник литературы

Ильин, Сысо, [2001] (по данным разных авторов) Кабата-Пендиас, Пендиас [1989], (в сухом веществе)

Морковь столовая (корнеплод)

Кадмий 0,033 ±0,019 0,01 -0,07 0,06-0,2 -

Свинец 0,29 ±0,11 0,08-0,45 0,5-2,0 0,5 - 3,0

Цинк 8,21 ±3,40 4,42-15,00 10,0-30,0 21,0-27,0

Медь 2,24 ±0,81 0,66-3,36 3,0 - 9,0 4,0-8,4

Картофель (клубни)

Кадмий 0,010 ±0,001 0,008-0,012 0,04 - 0,30 0,03 - 0,30

Свинец 0,50 ± 0,02 0,46-0,54 0,40-1,40 0,5-3,0

Цинк 31,6 ±0,39 30,80-32,60 11,0-45,0 10,0-26,0

Медь 1,40 ±0,07 1,26-1,60 3,0-10,0 3,0-6,6

Полученные данные несколько ниже, приведённых другими авторами [Ильин, Сысо, 2001]. Нашими исследованиями установлено, что выращенная продукция экологически безопасна по содержанию кадмия, свинца, цинка и меди.

3.2.2 Содержание тяжёлых металлов в зерновых культурах Концентрацию тяжёлых металлов в зерне яровой пшеницы, овса и ячменя изучали в 2002-2011 гг. (таблица 2).

Таблица 2 - Содержание тяжёлых металлов в зерне злаковых культур, мг/кг

Культура Химический элемент Х±5х Нт V, %

Яровая пшеница Кадмий 0,033 ± 0,004 0,002 - 0,080 55,7

Свинец 0,33 ± 0,03 0,03 - 0,50 41,4

Цинк 35,30 ± 1,53 17,90-46,40 20,4

Медь 5,15 ±0,40 2,50 - 9,20 36,6

Овёс Кадмий 0,048 ± 0,009 0,030-0,070 36,0

Свинец 0,25 ± 0,04 0,16-0,33 33,7

Цинк 33,30 ±5,02 4,40-45,00 30,1

Медь 3,71 ±0,97 2,40 - 6,50 52,1

Ячмень Кадмий 0,018 ±0,006 0,010-0,030 56,8

Свинец 0,23 ±0,14 0,09-0,36 58,2

Цинк 23,40 ± 7,60 11,3-37,4 56,2

Медь 3,49 ± 0,87 1,76-4,50 43,1

Содержание кадмия и свинца в зерне пшеницы в наших исследованиях несколько ниже, чем в исследованиях В.Б. Ильина и А.И. Сысо [2001], а диапазон концентрации меди шире (2,40-9,20 мг/кг). Уровни концентрации цинка соотносятся с данными приведённых авторов.

Полученные уровни концентрации цинка и меди в зерне ячменя соотносятся с данными других авторов [Просянникова, Клевлина, Сладкова, 2010], тогда как содержание кадмия и свинца в наших исследованиях несколько ниже средних данных приведённых авторов.

Данные по содержанию кадмия, цинка и меди в зерне овса согласуются с приведёнными в литературе [Фатыхов, Исламова, Рябова, 2013], уровень концентрации свинца выше, чем в исследованиях этих авторов, но не превышает ПДК (0,5 мг/кг) и соотносится с другими результатами [Кошелев, 2007].

Исследованиями показано значительное варьирование содержания тяжёлых металлов по культурам и по элементам. Вместе с тем их концентрации в зерновых культурах не превышают ПДК [Предельно допустимые ... , 1986; Гигиенические требования ... , 2002], а медь и цинк содержатся в пониженных концентрациях [Физиология растений, 2005], что может свидетельствовать о снижении минеральной полноценности продукции.

3.2.3 Аккумуляция тяжёлых металлов кормовыми культурами Загрязнение почв тяжёлыми металлами снижает питательность выращенной кормовой продукции [Мажайский, Гусева, 2004], а при высоких концентрациях химических элементов корма могут быть токсичными для животных.

Употребление кормов с повышенным содержанием свинца и кадмия ухудшает биохимический состав крови животных, снижает молочную продуктивность коров и влияет на химический состав молока [Спринчак, 2004].

Содержание тяжёлых металлов в кормовых культурах значительно варьирует не только в разных кормовых культурах, но и внутри вида (таблица 3), но уровни концентрации кадмия, свинца, цинка и меди не превышают предельно допустимых концентраций, установленных департаментом ветеринарии [Методические указания ... , 2002].

Таблица 3 — Содержание тяжёлых металлов в кормовых культурах, мг/кг

воздушно-сухой массы

Химический элемент Нш У,%

Однолетние травы на зелёную массу (вика, горох, овёс)

Кадмий 0,19 ±0,04 0,15-0,26 34,0

Свинец 1,14 ± 0,10 1,00-1,33 14,8

Цинк 28,83 ± 1,19 27,40-31,20 7,16

Медь 4,27 ± 0,27 3,90-4,80 11,1

Зерносмесь на зелёную массу (горох, овёс)

Кадмий 0,03 ± 0,02 0,01-0,07 101,0

Свинец 0,73 ± 0,54 0,17-1,80 128,0

Цинк 9,60 ± 5,50 3,84-20,60 99,3

Медь 1,84 ±0,80 0,98 - 3,44 75,7

Многолетние травы на сено (кострец, люцерна)

Кадмий 0,10 ±0,02 0,002-0,19 68,1

Свинец 0,85 ±0,15 0,13-1,70 61,2

Цинк 25,51 ±3,68 7,04-46,00 49,9

Медь 3,24 ±0,55 0,91-7,10 58,8

Травы естественных угодий (разнотравье)

Кадмий 0,16 ±0,07 0,05-0,36 87,7

Свинец 1,09 ±0,16 0,71-1,40 29,1

Цинк 21,70 ±2,82 13,80-26,90 26,0

Медь 3,56 ± 0,42 2,82 - 4,73 23,4

Кукуруза

Кадмий 0,06 ± 0,03 0,009-0,14 103,7

Свинец 1,38 ±0,78 0,15-3,31 104,3

Цинк 25,35 ± 1,26 22,70 - 28,30 10,0

Медь 3,25 ± 0,76 1,60-5,19 46,5

Вместе с тем отмечается низкое содержание меди (менее 5 мг/кг) и цинка (менее 30 мг/кг) в кормовых культурах, и речь идёт о дефиците биологически необходимых элементов, что приводит к снижению минеральной полноценности продукции. Кроме этого, низкие концентрации цинка в организме животных повышают всасывание кадмия [Смоляков, Бокова, Мотовилов, 2003].

3.2.4 Особенности распределения тяжёлых металлов по органам

растений

В растениях тяжёлые металлы распределяются по органам и тканям неравномерно [Соколов, Черников, Лукин, 2008], поэтому, используя эти свойства, можно выращивать экологически безопасную растительную продукцию при разном уровне антропогенного воздействия на агроценозы.

В наших исследованиях изучали содержание тяжёлых металлов в основной и побочной продукции. Установлен характер локализации кадмия, свинца, цинка и меди по органам различных культур (таблица 4).

Выявлены существенные различия по уровню концентрации кадмия и свинца в основной и побочной продукции. Так, в органах запасания ассимилятов и в генеративных органах данные металлы содержались в меньшей концентрации по всем культурам, что согласуется с другими исследованиями [Ильин, Сысо 2001]. Это обусловлено, вероятно, сильным генетическим контролем органов размножения [Ильин, 1975]. Тогда как содержание цинка в клубнях картофеля и цинка и меди в зерне злаковых культур, превышают их концентрацию в ботве и соломе. Данный факт можно объяснить физиологическими потребностями растения в этих элементах. Цинк, например, избирательно поглощается растениями и концентрируется в органах размножения [Цинк и кадмий ... , 1992]. В корнеплодах моркови меди и цинка меньше, чем в ботве. Вместе с тем содержание тяжёлых металлов в продукции изучаемых сельскохозяйственных культур не превышало допустимых концентраций [Предельно допустимые ... , 1986; Гигиенические требования ... , 2002].

Таблица - 4 Распределение тяжёлых металлов по органам овощных и злаковых культур, мг/кг воздушно-сухой массы_

Культура Орган растения Элемент

кадмий свинец цинк медь

Морковь столовая Корнеплод 0,033±0,019 0,29±0,11 8,21±3,40 2,24±0,81

Надземная масса (ботва) 0,074±0,040 0,85±0,40 15,27±8,87 5,49±2,73

Картофель Клубни 0,010±0,001 0,50±0,02 31,60±0,39 1,40±0,07

Надземная масса (ботва) 0,040±0,001 2,44±0,02 24,20±0,62 7,21±0,09

Яровая пшеница Зерно 0,033±0,004 0,33±0,03 35,30±1,53 5,15±0,40

Стебель (солома) 0,094±0,017 0,71 ±0,13 27,33±2,01 1,70±0,26

Овёс Зерно 0,048±0,009 0,25±0,04 33,30±5,02 3,71 ±0,97

Стебель (солома) 0,076±0,031 0,37±0,05 26,95±9,61 2,50±0,43

Ячмень Зерно 0,018±0,006 0,23±0,08 23,40±7,60 3,49±0,87

Стебель (солома) 0,021±0,005 0,22±0,09 14,60±0,70 1,61±0,22

3.3 Тяжёлые металлы в системе почва -растение

Морковь столовая. Содержание кадмия, свинца, цинка и меди в моркови в зависимости от их концентраций в почве изучали в 2002, 2004 и 2009 гг. Исследованиями установлена тесная прямая корреляционная зависимость содержания кадмия и цинка в корнеплодах моркови от концентрации в почве, коэффициент корреляции составил 0,97±0,06 и 0,97±0,12 соответственно (рисунки 8-9).

2002 г. 2004 г. 2009 г.

□ почва ■ морковь

Рисунок 8 - Содержание кадмия в системе почва - растение w -15,53; W- 2,15 (Р<0,05)

□ почва ■ морковь

2002 г. 2004 г. 2009 г.

Рисунок 9 - Содержание цинка в

системе почва - растение W - 7,95; W- 2,78 (Р<0,05)

Увеличение уровня концентрации тяжёлых металлов в растениях при повышенном поступлении их в почву отмечено и в других исследованиях [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Волошин, 1996; Кузнецова, Зубарева, 1996; Синдирёва, 2011]. Данный факт можно объяснить способностью кадмия к более высокой степени подвижности и скорости передвижения, как в растение, так и внутри него [Алексеев, 1987]. Имея сходные химические свойства и участие в геохимических процессах с цинком, кадмий является его спутником. Эти элементы активно вовлекаются в водную миграцию, в большей степени кадмий [Цинк и кадмий ..., 1992].

Корреляционный анализ показал достоверную тесную отрицательную связь по содержанию свинца и меди в корнеплодах моркови относительно содержания в почве (по свинцу г = -0,69 ± 0,18; по меди г = -0,92 ± 0,19) (рисунки 10-11).

Растения используют регуляторные механизмы, способствующие поступлению меди из почвы при её недостатке в организме, при избытке интенсивность поглощения снижается [Бускунова, 2009].

Корреляционный анализ содержания кадмия, свинца, цинка и меди в зерне яровой пшеницы в зависимости от концентрации в почве показал, что связь имеется, но несущественная, t-критерий Стьюдента теоретический по всем элементам превышает фактический.

□ почва ■ морковь I

Рисунок 10 - Содержание свинца в системе почва - растение 1факт -3,80;^.- 2,12 (Р<0,05)

□ почва ■ морковь

Рисунок 11 - Содержание меди в системе почва - растение 1факг - 4,69;^. -2,78 (Р<0,05)

14

Таким образом, содержание тяжёлых металлов в растениях изучаемых агроценозов зависит от уровня их концентрации в почве. Степень этой связи зависит от особенностей культуры, потребности растения в том или ином химическом элементе и его защитных свойств, природно-климатических условий произрастания и от множества других факторов.

3.4 Особенности накопления тяжёлых металлов сельскохозяйственными культурами, выращенными в разных природно-геоморфологическихрайонах

Содержание химических элементов в растениях зависит как от генетических факторов, так и от уровня концентрации в питательной среде [Ильин, 1985]. Уровни концентрации тяжёлых металлов в зерновых культурах разных природно-геоморфологических районов варьируют (таблица 5). Содержание цинка в зерне овса Колывань-Томской возвышенности достоверно ниже, чем в зерне овса Предсалаирской равнины (Р<0,05). По другим элементам и культурам достоверных различий не установлено.

Минимальные и максимальные значения содержания некоторых тяжёлых металлов в пределах одного природно-геоморфологического района могут различаться в большей степени. Так, содержание кадмия в зерне яровой пшеницы Предсалаирской равнины Маслянинского и Искитимского районов достоверно различается в 2,5 раза (Р<0,05). Отличия минимального и максимального среднего содержания металла в зерне пшеницы разных природно-геоморфологических районов составляют 1,8 раза. Различия содержания свинца, меди и цинка в зерне яровой пшеницы Предсалаирской равнины разных административных районов и разных природно-геоморфологических районов несущественны.

Таким образом, выявлены достоверные различия содержания цинка в зерне овса Колывань-Томской возвышенности и Предсалаирской равнины. По другим элементам и культурам достоверных различий между природно-геоморфологическими районами не установлено. Выявлены пониженные концентрации меди и цинка, свидетельствующие о дефиците биологически необходимых элементов, что приводит к снижению минеральной полноценности продукции.

Таблица 5 - Содержание тяжёлых металлов в зерновых культурах, выращенных в

Химический элемент Приобское плато Кузнецкая котловина Колывань-Томская возвышенность Пред-салаирская равнина

Яровая пшеница (зерно)

Кадмий 0,035±0,006 0,022±0,004 0,030±0,001 0,040±0,009

Свинец 0,30±0,07 0,33±0,05 0,37±0,08 0,35±0,06

Цинк 36,17±2,90 31,46±4,21 35,60±2,23 36,94±2,51

Медь 4,18±0,50 6,31±0,91 6,64±0,48 4,60±0,71

Солома яровой пшеницы

Кадмий 0,120±0,036 0,090±0,033 0,073±0,013 0,084±0,033

Свинец 0,83±0,27 0,96±0,40 0,47±0,22 0,54±0,13

Цинк 26,27±3,81 27,92±4,74 22,13±4,79 29,70±3,56

Медь 2,41 ±0,78 1,52±0,27 1,71±0,77 1,27±0,24

Овёс (зерно)

Кадмий - - 0,04±0,001 0,050±0,012

Свинец - - 0,19±0,01 0,26±0,04

Цинк - - 24,40±0,27" 36,27±4,05"

Медь - - 2,43±0,04 4,13±0,87

Ячмень (зерно)

Кадмий - 0,020±0,010 0,015±0,001 -

Свинец - 0,31±0,06 0,09±0,01 -

Цинк - 16,40±5,10 37,40±0,57 -

Медь - 4,35±0,15 1,76±0,05 -

Примечания

1 Прочерк - нет данных

2 * - различия достоверны (Р<0,05)

ВЫВОДЫ

1. Экологический мониторинг тяжёлых металлов в почвах Новосибирской области с 2002 по 2011 г. показал, что сельскохозяйственное производство и существующий уровень антропогенного влияния не привели к достоверному увеличению содержания свинца, цинка и меди, выявленные повышения концентрации кадмия на отдельных участках не превышают ОДК. Содержание тяжёлых металлов в почвах обусловлено в основном гранулометрическим составом и находится на уровне фона.

2. Достоверно установлено, что содержание кадмия чётко дифференцировано по профилю почвы. Отмечено наибольшее содержание металла в слоях почвы 0-20 и 21-40 см и значительное, практически в 2 раза, снижение в нижележащих слоях. Содержание свинца по профилю почв достоверно различается. Концентрация цинка и меди по профилю почв практически не меняется.

3. Максимальное содержание кадмия в пахотном слое почвы в среднем за 10 лет отмечено в серой лесной оподзоленной почве (0,37 мг/кг), свинца — в чернозёмно-луговой солонцеватой (14,6 мг/кг) и глубоком солонце (15,0 мг/кг). В чернозёме выщелоченном и глубоком солонце наибольшие концентрации цинка (по 53,0 мг/кг) и меди (19,1 и 19,8 мг/кг соответственно). Уровни концентрации кадмия, свинца, цинка и меди в светло-серой лесной оподзоленной почве наиболее низкие.

4. Выявлены достоверные различия уровня концентрации тяжёлых металлов в почвах разных природно-геоморфологических районов, которые обусловлены в основном составом почвообразующих пород и гранулометрическим составом. Наименьшим содержанием тяжёлых металлов отличаются почвы Колывань-Томской возвышенности. По содержанию в почвах кадмия и цинка геоморфоструктуры располагаются следующим образом: Колывань-Томская возвышенность < Приобское плато = Барабинская низменность < Предсалаирская равнина < Кузнецкая котловина. По содержанию свинца: Колывань-Томская возвышенность < Приобское плато < Предсалаирская равнина < Кузнецкая котловина < Барабинская низменность. По содержанию меди: Колывань-Томская возвышенность < Предсалаирская равнина < Приобское плато = Кузнецкая котловина = Барабинская низменность.

5. Содержание тяжёлых металлов в растениях агроценозов зависит от уровня их концентрации в почве. Установлена тесная прямая корреляционная зависимость содержания кадмия и цинка в корнеплодах моркови от концентрации в почве, коэффициент корреляции составил 0,97±0,06 и 0,97±0,12 соответственно. По содержанию свинца и меди в корнеплодах моркови установлена тесная отрицательная связь относительно содержания в почве (г = -0,69±0,18 и г=-0,92±0,19).

6. Значительные различия в содержании тяжёлых металлов отмечены по органам исследуемых сельскохозяйственных культур. В органах запасания ассимилятов и в генеративных органах кадмий и свинец содержались в меньшей концентрации, чем в вегетативных органах, по всем культурам. Содержание цинка в клубнях картофеля и цинка и меди в зерне злаковых культур, превышает их концентрацию в ботве и соломе, что объясняется физиологическими потребностями растений в этих элементах.

7. Выявлены достоверные различия содержания цинка в зерне овса Колывань-Томской возвышенности и Предсалаирской равнины (Р<0,05).

8. Уровни концентрации кадмия, свинца, цинка и меди в овощных, зерновых и кормовых культурах ниже ПДК. Таким образом, растительная продукция экологически безопасна по содержанию тяжёлых металлов, что объективно отражает уровень антропогенной нагрузки и степень агрогенного влияния на агроценозы сельскохозяйственных угодий Новосибирской области.

9. Выявлено низкое содержание меди (менее 5 мг/кг) и цинка (менее 30 мг/кг) в сельскохозяйственных культурах, свидетельствующее о дефиците биологически необходимых элементов и недостаточной минеральной полноценности продукции, что может негативно отразиться на здоровье животных и человека.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Фещенко, В.П. Содержание свинца в почвах реперных участков на территории Новосибирской области / В.П. Фещенко // Вестник НГАУ. - 2012. - №3. - С. 36-39.

2. Фещенко, В.П. Содержание кадмия в почвах реперных участков на территории Новосибирской области / В.П. Фещенко // Плодоводство и ягодоводство России: сб. науч. работ / ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии. - М„ 2013. - T.XXXVI, ч. 2. - С. 295-300.

3. Фещенко, В.П. Содержание меди в почвах Новосибирской области / В.П. Фещенко // Плодородие. - 2013. - №5. - С. 40-41.

4. Фещенко, В.П. Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами сельскохозяйственных культур лесостепи Новосибирского Приобья / В.П. Фещенко // Вестник Алтайского государственного аграрного университега. — 2014. - №1 (111). - С. 39-41.

5. Фешенко, В.П. Экологическое состояние зерновых культур Новосибирской области по содержанию тяжёлых металлов [Электронный ресурс] / В.П. Фещенко // Современные проблемы науки и образования. -2014. -№ 5; URL: www.science-education.ru/119-15088.

6. Фещенко, В.П. Содержание тяжёлых металлов в кормовых культурах Новосибирской области / В.П. Фещенко // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2014. -№10 (120). - С. 33-36.

Работы, опубликованные в других изданиях

7. Фещенко, В.П. Мониторинг содержания валовых форм свинца в почвах Новосибирской области / В.П. Фещенко // Химия и жизнь: сб. тез. и докл. X Междунар. науч.-практ. конф. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. -Новосибирск, 2011. - С. 276-278.

8. Фещенко, В.П. Содержание валовых форм свинца в почвенном профиле / В.П. Фещенко // Там же. - С. 279-281.

9. Фещенко, В.П. Свинец в почвах Новосибирской области / В.П. Фешенко // Инновации молодых учёных аграрных вузов - агропромышленному комплексу Сибирского региона: материалы IX регион, науч.-практ. конф. молодых учёных вузов Сиб. федер. округа / ОмГАУ. -Омск, 2011.-С. 48-50.

10. Фещенко, В.П. Мониторинг валового содержания кадмия в почвах Новосибирской области / В.П. Фещенко // Химия и жизнь: сб. тез. и докл. XI Междунар. науч.-практ. конф. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. -Новосибирск, 2012. - С. 257-259.

11. Фещенко, В.П. Мониторинг валового содержания меди в почвах Новосибирской области / В.П. Фещенко // Молодёжная наука 2013: технологии, инновации: материалы LXXIII В се рос. науч.-практ. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. - Пермь: Перм. ГСХА, 2013.-Ч. 1,-С. 195-198.

12. Фещенко, В.П. Мониторинг тяжёлых металлов на сельскохозяйственных угодьях Новосибирской области / В.П. Фещенко, H.H. Наплёкова, С.И. Филиппов // Инновационные подходы в решении проблем АПК: материалы науч.-практ. конф. аспирантов и соискателей НГАУ. - Новосибирск: НГАУ, 2013. - С. 149 -150.

13. Фещенко, В.П. Особенности накопления тяжёлых металлов сельскохозяйственными культурами, выращенными в разных природно-геоморфологических районах Новосибирской области [Электронный ресурс] / В.П. Фещенко // Современные проблемы загрязнения окружающей среды. - 2014. URL: http://econf.rae.ru/article/8680.

Подписано в печать 10.03.2015 г. Формат 60x84 'Лб. Объем 1 п. л. Заказ № 15. Тираж 100 экз.

Отпечатано в СибНСХБ 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск