Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка состояния тяжелых металлов в черноземах южно-европейской группы степной почвенно-биоклиматической области в системе агроландшафта

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Оценка состояния тяжелых металлов в черноземах южно-европейской группы степной почвенно-биоклиматической области в системе агроландшафта"

УДК 631.416.8:631.445.4 (470.620)

На правах рукописи

С у

Гукалов Владимир Николаевич

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЧЕРНОЗЕМАХ ЮЖНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ГРУППЫ СТЕПНОЙ ПОЧВЕННО-БИОКЛИМАТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ В СИСТЕМЕ АГРОЛАНДШАФТА

Специальность: 03.02.13 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

г 9 ш 2015

005570953

Москва - 2015

005570953

Работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Белюченко Иван Степанович

Официальные оппоненты: Дабахова Елена Владимировна, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор кафедры агрохимии и агроэкологии, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО «Нижегородская сельскохозяйственная академия»

Чижикова Наталья Петровна, доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией микроморфологии и минералогии почв ФГБНУ «Почвенный институт имени В.В. Докучаева»

Макаров Олег Анатольевич, доктор биологических наук, профессор кафедры земельных ресурсов и оценки почв ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Ведущая организация: ФГБНУ Всероссийский научно-

исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова.

Защита состоится 21 сентября 2015 года в 1700 на заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел/факс: 8(499)976-17-14, e-mail: dissovet@timacad.ru

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в ЦНБ имени Н.И. Железнова РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева и на сайте университета: http://www.timacad.ru

Автореферат разослан_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Л. Игнатьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью получения высоких урожаев с/х продукции хорошего качества в одном из крупных сельскохозяйственных регионов России, разработкой новых методов оценки состояния тяжелых металлов в почве и в ландшафте, разработкой новых подходов к уточнению ПДК тяжелых металлов в почвах.

Почвы Краснодарского края хорошо изучены в генетическом и агрономическом отношении. Однако содержание, распределение и подвижность многих металлов в них изучались в основном 40-50 лет назад. Ведение современного сельскохозяйственного производства требует действенных мер для охраны отдельных биотипов и биотопов. Большое значение в этом аспекте имеет непрерывный аналитический контроль цепи: почва - вода - растения, корма - животные - продукты животноводства.

Однако до сих пор нет четких данных о степени и условиях перехода элементов из почвы и воды в растения, из кормов и воды - в животноводческую продукцию и т.д. Достаточно спорным остается вопрос о месте депонирования микроэлементов (включая органно-металлические соединения) в организме животных. В выполненной работе определены концентрации тяжелых металлов в почве, водной среде, в некоторых продуктах растениеводства и животноводства. Установлены математические взаимосвязи загрязнения тяжелыми металлами разных компонентов ландшафта во времени и в пространстве.

Цель исследования

В работе изучалось состояние соединений тяжелых металлов в черноземах агроландшафтов Краснодарского края в сезонной динамике, на разных элементах рельефа, под отдельными с/х угодьями в течение 10 лет с целью уточнения степени загрязнения почв и ПДК на основе углубленной оценки состояния тяжелых металлов в почвах и взаимосвязей между компонентами ландшафта.

Задачи исследования

1. Оценка валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов в черноземах по профилю почв, на разных элементах рельефа, в сезонкой динамике в течение ряда лет на базовых разрезах и мониторинговых площадках.

2. Углубленная оценка состояния тяжелых металлов в изученных почвах с учетом скорости их перехода из почвы в раствор, депонирующей способности почв, содержания в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов, взаимосвязей между содержанием тяжелых металлов и свойствами почв.

3. Оценка содержания тяжелых металлов в других компонентах ландшафта, в поверхностных водах, донных отложениях, иле, в растениях, кормах, продуктах животноводства, в экскрементах животных.

4. Разработка алгоритмов уточнения степени загрязнения почв и ПДК с учетом углубленной оценки состояния тяжелых металлов в почвах и взаимосвязей их состояния в разных компонентах агроландшафта.

5. Уточнение моделей плодородия исследуемых почв при загрязнении их тяжелыми металлами и путей оптимизации обстановки.

]

Научная новнзна исследования

1. Впервые дана углубленная оценка состояния тяжелых металлов в компонентах ландшафта черноземов Краснодарского края - крупного производителя с/х продукции в России.

2. Установлены взаимосвязи содержания тяжелых металлов в почвах, поверхностных водах, растениеводческой и животноводческой продукции, в испарениях из почв и в продуктах транспирации растений.

3. Предложена информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в почвах с учетом дополнительных параметров - кинетики перехода ионов из почвы в раствор, депонирующей способности почв, изменения содержания тяжелых металлов в растворах десорбентов в зависимости от комплексообразую-щей способности экстрагентов, с учетом энергетического состояния почв и продуктов испарения из них.

4. Предложены алгоритмы для уточнения степени загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом изменения их содержания во времени и в пространстве (в пределах структуры почвенного покрова и по профилю почв), с учетом сочетания свойств почв.

5. Предложены новые способы уменьшения токсичности тяжелых металлов в системе почва - растения - животные: 1) применение сорбентов с заданными константами ионного обмена и энтеросорбентов; 2) конкурирующее комплексо-образование и образование хелатов; 4) применение фиторемедиации после предварительного увеличения подвижности тяжелых металлов и увеличения биомассы за счет применения удобрений.

Практическая значимость результатов исследований

По результатам исследований установлена степень загрязнения тяжелыми металлами почв (черноземов) и других компонентов типичного ландшафта Краснодарского края. Оценено изменение степени загрязнения почв на плато, склонах и в аккумулятивных элементах рельефа, по профилю почв до 2 м.

Предложены алгоритмы уточнения степени загрязнения почв и ПДК с учетом углубленной оценки состояния тяжелых металлов в почвах, изменения их содержания в пространстве и во времени, при протекании почвообразовательных процессов (дернового, элювиального и глеевого). Предложены органно-минеральные компосты для уменьшения загрязнения почв тяжелыми металлами (получено 5 патентов).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Установлены закономерности изменения состояния тяжелых металлов в почвах, закономерности взаимосвязей их содержания в почвах и других компонентах ландшафта, изменения по рельефу, в сезонной динамике, в структуре почвенного покрова, по профилю почв. Предложена комплексная оценка состояния тяжелых металлов в почвах с учетом кинетики процессов, депонирующей способности почв, констант ионного обмена, термодинамических параметров, энергетической оценки почв и поверхностных вод.

2. Состояние тяжелых металлов в отдельных компонентах ландшафта взаимосвязано и взаимообусловлено. Для описания математических структурных взаимосвязей состояния тяжелых металлов в компонентах ландшафта (почва, по-

верхностные воды, растительность) предлагается использовать модифицированные уравнения парной корреляции и множественной регрессии.

3. Содержание тяжелых металлов закономерно изменяется в сезонной динамике и при развитии почвообразовательных процессов. Предложены уравнения для описания этих взаимосвязей.

4. Показана необходимость для оценки загрязнения почв определения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах отдельных элементов рельефа, в пределах полей севооборотов, по профилю почв. Эти изменения при оценке загрязнения полей тяжелыми металлами. Предложены уравнения для корректировки степени загрязнения почв учетом этих факторов.

5. Предложен алгоритм влияния свойств почв на подвижность в них тяжелых металлов. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах и их токсичность зависят от сочетания свойств почв (рН, гумуса, содержания илистой фракции, емкости поглощения почв, ЕЬ и т.д.). При влиянии этих факторов на подвижность тяжелых металлов отмечаются эффекты синергизма и антагонизма.

6. Для оценки загрязнения тяжелыми металлами почв предлагается учитывать их содержание в отдельных горизонтах почвенного профиля, скорость их перехода из почвы в раствор, константы обмена в системе почва-раствор, депонирующую способность почв к тяжелым металлам, энергетическую оценку состояния почв и продуктов испарения из них.

7. Доказывается, что при оценке загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо учитывать их содержание в других компонентах экологической системы и соотношение отдельных катионов, положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений.

8. Для уменьшения степени токсичности тяжелых металлов в агрофитоце-нозе предлагаются пути уменьшения их подвижности и содержания в отдельных компонентах агрофитоценоза с применением сорбентов типа клиноптиолита, эн-теросорбентов, осаждение в виде труднорастворимых осадков, за счет образования устойчивых комплексов с органическими лигандами, при удалении за счет фиторемедиации при увеличении их подвижности в почве и повышении биопродуктивности с применением удобрений и мелиорантов, при создании структуры почв, при применении компонентов, содержащих конкуренты тяжелым металлам при поступлении в растения.

Доказывается необходимость корректировки моделей плодородия почв при загрязнении их тяжелыми металлами.

Степень достоверности

Все материалы обработаны методом вариационной статистики. Все выводы достоверны.

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.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на научных конференциях НИИ экологии (2000-2006 г.г.), на кафедре общей биологии и экологии (1999, 2000, 2003, 2005, 2007, 2010, 2011, 2012 г.г.), на научно-технических советах департамента сельского хозяйства края (2006-2008 г.г.), на первой и второй Всероссийских научных конференциях «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, март 2009, 2010, 2013 г.г.), на научной конференции РГАУ-МСХА (октябрь 2014 г.), в Астраханском гос. университете (ноябрь 2014), на международной научно-практ. конф. «Перспективы и проблемы размещения отходов производства и потребления в агроэкосистемах» (Нижегородская ГСХА, декабрь 2014).

Публикации

Работа выполнялась в течение 16 лет. По материалам диссертации опубликованы 4 монографии и 70 статей, в т.ч. 20 работ, опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Результаты исследований используются на экологическом факультете Кубанского госагроуниверситета при чтении курсов агроланд-шафтной экологии и экологического мониторинга. Получены патенты на изобретения по 5 заявкам.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 350 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Работа включает 115 таблиц и 14 рисунков, список использованной литературы составляет 503 наименования. Приложение включает 109 таблиц и 29 рисунков.

Благодарности

Автор выражает благодарность своему научному консультанту доктору биологических наук Белюченко И.С. за советы и ценные замечания, докторам сельскохозяйственных наук Савичу В.И., Черникову В.А., Белопухову С.Л., проректору Кубанского государственного аграрного университета по науке профессору Федулову Ю.П., декану факультета агроэкологии профессору Родионову А.И.

При выполнении работы большую помощь оказали сотрудники кафедры общей биологии и экологии (1998-2012 г.г.) Кубанского госагроуниверситета. Особенно хочется отметить к.б.н. Мельченко А.И., Бозину Т.В., Филобок М.Л., Демченко М.М., Корунчикову В.В., Бережную Н.П., Высоцкую И.Ф., Переборы Е.А., Волошину Г.В., консультировавших по изучаемым вопросам в экспедиционных, лабораторных и аналитических исследованиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет большое практическое значение, важное как для получения высоких урожаев с/х продукции, так и для получения экологически чистой продукции растениеводства, животноводства, птицеводства, рыбоводства. Загрязнение почв тяжелыми металлами определяет загрязнение ими водной и воздушной среды, продолжительность жизни и состояния здо-

ровья проживающих на данной территории людей. С учетом изложенного, загрязнение почв тяжелыми металлами имеет и большое экономическое значение.

В настоящее время по оценке состояния тяжелых металлов в системе почва-растение выполнено значительное количество фундаментальных исследований и опубликован ряд обобщающих монографий (Алексеев Ю.В., 1987; Алексеенко В.А., Башкин В.Н. и др., 1993; Большаков В.А., Борисочкина Т.И., 2002; Варшал Г.М., 1992; Виноградов А.П., 1950; Водяницкий Ю.Н., 1998; Воробьева Л.А., 1986; Горбатов B.C., 1988; Глазовская М.А., 1988; Сает Ю.Е. и др.. 1990; Григорян К.В., 1990; Гришин Л.А., 1988; Дабахов М.В., Дабахова Е.В., Титова В.И., 2005; Дабахов М.В., 2012; Добровольский В.В., 1998; Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1988; Елпатьевский П.В., 1993; Ершов Ю.А., 1984; Зырин Н.Г., 1985; Ильин В.Б., 1991; Карпухин А.И., 2005; Карпухин А.И., Торшин С.П., 2010; Кузнецов

A.B., 1992; Ковальский В.В., 1979; Мотузова Г.В., 1988; Орлов Д.С., 1992, 2000; Овчаренко М.М., 1997; Обухов А.И., 1988; Пинский Д.Л., 2012; Перельман А.И., 1975; Помазкина Л.В. и др., 1999; Торшин С.П., 1995; Уткин A.A., 2004; Учватов

B.П., 1999; Черников В.А., 2000, 2008, 2013; Цаплина М.А., 1991; Черных В.А., 2002; Шильников И.А. и др., 1994; Ягодин Б.А., Кидин В.В., 1993; Минькина Т.М., 2012; Никитина М.В., 2012; Дмитраков Л.М., 2012; Зубков Д.А., 2012; Савич В.И., 2012; Григориади A.C., 2012; Антоненко Е.М., 2012; Махинова А.Ф., 2013; Мотузова Г .В., 2012; Савич В.И., 2013; Архангельская A.M., 2015).

Однако ряд вопросов оценки состояния тяжелых металлов в почвах остается нерешенным. Слабо изучены закономерности изменения содержания тяжелых металлов в почвах в зависимости от интенсивности и скорости протекающих почвообразовательных процессов, от взаимодействия между компонентами ландшафтов. Расчеты эффективных растворимостей осадков, констант ионного обмена и констант устойчивости комплексов тяжелых металлов не нашли практического применения при оценке степени загрязнения почв. Мало изучены эти вопросы и для исследуемых черноземов Краснодарского края.

Ряд авторов отмечает необходимость уточнения степени загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом типа почв, гранулометрического состава, физико-химических свойств почв (Матвеев Ю.М., Прохоров А.Н., 1997; Мотузова Г.В., 1988; Обухов А.И., 1989; Зырин Н.Г., 1985; Черных H.A., 2002; Савич В.И., 2014; Савич В.И., 2015). Другие авторы отмечают необходимость уточнения степени загрязнения почв с учетом типа почв, гранулометрического состава, физико-химических свойств (Veldkamp W.J., 1991; Никитина М.В., 2012; Азаренко Ю.А., 2012; Махинова А.Ф., 2012; Семенкова И.Н., 2012;). Водяницкий Ю.Н. (2004) указывает на перспективность оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом их содержания в отдельных горизонтах почвенного профиля, а не только в пахотном слое.

Глава 2. Объекты исследования

Исследуемые почвы относятся к степной почвенно-климатической области черноземных почв, к южно-европейской группе этих почв. Для черноземов этой I фации характерно наличие восходящих токов влага к поверхности почвы и, в то же время, глубокое промачивание почвенного профиля, а во влажные годы -сквозное промачивание.

Для черноземов рассматриваемой фации характерна большая мощность гумусового слоя (100 и более см), невысокое содержание гумуса (до 3%). В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты, связанные с кальцием. Почвы характеризуются часто наличием мицеллярной формы карбонатов, высокой емкостью поглощения и хорошей агрегированностью. Для почв часто характерно увеличение содержания илистой фракции в горизонте АВ, что связывают с внутрипочвенным оглиниванием. По мощности гумусового горизонта почвы мощные 120-80 см, по содержанию гумуса слабогумусные, по глубине вскипания - поверхностно-карбонатные, по гранулометрическому составу - глинистые.

Учитывая фациальные особенности черноземов, исследуемые почвы относятся к обыкновенным мощным, слабогумусным, карбонатным глинистым черноземам на лессовидных карбонатных суглинках. На склонах почвы смытые и менее гумусированные, с более близким к поверхности расположением карбонатов. В аккумулятивной зоне почвы лугово-черноземные с признаками оглеения. Степень избыточного увлажнения и эродированности меняется и в пределах структуры почвенного покрова на отдельных элементах микрорельефа.

Содержание в почвах 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 доля нитратов сравнительно невысокая (14,1 мг/100 г), а содержание аммиачного азота поднимается до 44,1 мг/100 г

В настоящей работе представлены результаты исследований, полученные при оценке содержания и распределения тяжелых металлов в почвах, природных водах, растениях и в некоторых биологических объектах. Исследования проводились в период с 1998 по 2014 г.г. Объектом исследований был выбран агроланд-шафт в хозяйстве «Завета Ильича» Ленинградского района Краснодарского края, на 4 полях которого был организован многолетний мониторинг динамики тяжелых металлов на фоне определенного уровня плодородия по годам и сезонам вегетации при одновременном выращивании на этих полях чередующихся культур действующего севооборота. Стационарный полевой полигон мониторинга общей площадью 450 га составляет 1/8 площади всего хозяйства. Было проанализировано до глубины 2 м от 360 до 580 образцов в год.

В течение всего периода исследований определена сезонная и годовая динамика валовых и подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое, распределение их по профилю почвы, сезонная и годовая динамика содержания тяжелых металлов в воде реки Средняя Челбаска и ее донных отложениях. Дана оценка содержания тяжелых металлов в кормах, а также в некоторых тканях и продуктах жизнедеятельности крупного рогатого скота.

Глава 3. Методика исследования

Работа выполнена в период с 1998 по 2014 г.г.

Проведены полевые исследования, лабораторные анализы, поставлены модельные опыты, проведена математическая обработка данных анализов.

В полевых условиях проведена идентификация почв на разных элементах рельефа и участках различного хозяйственного использования, выбраны типичные участки для изучения сезонной динамики изменения содержания тяжелых

металлов в почвах и углубленной оценки их состояния. Пробы отбирались весной, летом, осенью, зимой на северном и южном плакорных участках, на северном и южном склонах, в аккумулятивной зоне. Определены валовые и подвижные формы Pb, Zn, Cu, Cd, Mn, Co, Ni до глубины 200 см (Минеев В.Г., 2001). В соответствии с общепринятыми для черноземов методиками определены физико-химические и агрохимические свойства почв (ГОСТ 26205-91).

Для оценки взаимосвязей состояния тяжелых металлов в компонентах ландшафта их содержание определено в почвах разного хозяйственного использования, в поверхностных водах, растениях, кормах, в молоке, мясе, навозе.

При углубленной оценке состояния тяжелых металлов в почвах определена скорость их перехода из твердой фазы в раствор (Карпухин А.И., 2005, 2010; Са-вич В .И., 2014), депонирующая способность почв по отношению к тяжелым металлам (Савич В.И., Панов Н.П., Дерюгин И.П., 1989), содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов (Савич В .И., Сычев В.Г., Шишов Л.Л., 2005), фракционный состав соединений тяжелых металлов в почвах на основе конкурирующего комплексообразо-вания (Савич В.И., 1984; 2014).

Для углубленной оценки почв и их взаимодействия с тяжелыми металлами изучены инфракрасные спектры почв и дериватограммы (Соколова Т.А. и др., 1978; Крищенко В.П., 1997).

Оценено испарение тяжелых металлов из почв и их транспирация из растений. В поверхностных водах определен из химический состав, содержание положительно и отрицательно заряженных аэроионов в воздушной среде, содержание в водах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов (Савич В.И., Сычев В.Г., Шишов Л.Л., 2004).

По данным газоразрядной визуализации дана энергетическая оценка состояния вод (Короткое К.Г., 2001).

Для оценки возможности определения степени загрязнения почв с использованием дистанционных методов зондирования определена отражательная способность почв и космических снимков территории методом компьютерной диагностики в цветовых системах CMYK, Lab, RGB (Савич В.И., Егоров Д.Н., 2005).

В модельных опытах изучено изменение взаимодействия почв с тяжелыми металлами в зависимости от времени компостирования, изменение свойств почв при высокой степени загрязнения их свинцом, оценено влияние на фиторемедиа-цию обогащение почв цеолитом, подкормки растений биофильными элементами и гумагами из отходов с/х производства и помета.

При математической обработке данных вычислялся коэффициент варьирования, коэффициенты асимметрии и эксцесса, достоверность различий сравниваемых величин. Для оценки взаимосвязей между свойствами почв и содержанием тяжелых металлов рассчитывались уравнения регрессии.

При оценке изменения содержания тяжелых металлов по профилю почв вычислялись уравнения парной корреляции по 15 формулам по авторской программе кафедры статистики РГАУ-МСХА. Принятый уровень вероятности Р = 0,95.

Глава 4. Экспериментальная часть

4.1. Содержание тяжелых металлов в черноземах изучаемых агроланд-шафтов

Состояние тяжелых металлов в почве характеризуется их свойствами, процессами и режимами. Оптимальное состояние тяжелых металлов в агрофитоцено-зах при существующих почвенно-климатических, экологических и экономических условиях описывается моделью их состояния или моделью плодородия для данного уровня и условий загрязнения.

Из свойств, характеризующих состояние тяжелых металлов в почве, определяется их валовое содержание, содержание водорастворимых и подвижных форм, положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений, фракционный состав соединений тяжелых металлов в почвах.

Из процессов, характеризующих состояние тяжелых металлов в почвах, определяются: их изменение по профилю и по элементам ландшафта, сорбция тяжелых металлов почвами за счет осадкообразования, ионного обмена, комплексооб-разования, кинетика сорбции и перехода из твердой фазы в раствор, буферная емкость почв к тяжелым металлам, буферность - изменение состояния от влажности и температуры, депонирующая способность почв в отношении тяжелых металлов, миграция тяжелых металлов по профилю почв, в пониженные элементы рельефа, с восходящими токами воды, испарение тяжелых металлов из почв.

Режимы состояния тяжелых металлов в почвах характеризуют изменение их свойств и процессов трансформации, миграции и аккумуляции во времени и в пространстве. Это изменение содержания, состояния и миграции в сезонной и годовой динамике в верхнем горизонте и по профилю почв, последовательное изменение свойств почв под воздействием тяжелых металлов с наличием прямых и обратных связей. Это изменение состояния тяжелых металлов под влиянием почвообразовательных процессов. К режимам относится трансформация, миграция и аккумуляция тяжелых металлов при их переходе из одного компонента ландшафта в другой.

Содержание тяжелых металлов в почвах, наряду с геохимическими провинциями и содержанием их в породе, определяется уровнем антропогенного воздействия, рН и ЕЬ среды, наличием и составом органического вещества, характером геохимических барьеров в почвенном профиле.

Для исследуемых почв содержание валовых и подвижных форм уменьшается вниз по профилю, отличается для почв, развитых на разных элементах рельефа. При этом доля подвижных форм от валовых в нижних горизонтах меньше.

По полученным данным, содержание подвижных форм увеличивалось при подкислении среды, при развитии восстановительных условий, при большей ком-плексообразующей способности десорбентов. С нашей точки зрения, значение ПДК по тяжелым металлам в почвах должно дифференцироваться для разных типов почв, почв определенного гранулометрического состава, рН, ЕЬ, степени гу-мусированности, для определенных лимитов емкости поглощения почв.

Вниз по профилю содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов уменьшается. При этом в нижних горизонтах, по сравнению с верхними, доля подвижных форм от валового содержания ниже. По отношению валовых и под-

вижных форм тяжелых металлов в слое 0-40 см и 80-120 см отмечается следующий ряд: N1 > Со, Си > РЬ.

Ранжируя значения подвижности тяжелых металлов по степени убывания по данным площадной съемки 2006 г., получена следующая последовательность: Мп > Со > Си > С(1 > РЬ > Ъъ.. Отмечается корреляция между валовыми и подвижными формами тяжелых металлов, в большей степени для цинка (г = 0,59) и в меньшей степени для никеля, кобальта и свинца (г = 0,50-0,44). Содержание подвижных форм соединений тяжелых металлов в почвах имеет друг с другом положительную корреляцию. Однако г колеблется от 0,3 до 0,1, что свидетельствует о различном влиянии на подвижность отдельных тяжелых металлов физико-

химических и агрохимических свойств почв.

Таблица 1 □ Отношение содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почвах, мг/кг ___

Глубина образцов Северный плакоршлй участок Южный пла-корный участок Аккумулятивная зона Северный склон Южный пла-корный участок

Ni - валовое содержание

0-40 54,6±0.2 54,0±0,4 59,1±1,2 55.5±0,4 52,7±0,.2

80-120 53.4±0.2 49,0±0,6 50,1±0,9 50,4±0,7 48,3±0,8

Ni — подвижные формы

0-40 6,0±0,4 6,0±1,4 5,6±0,1 5,4±0,1 5,7±0Д

80-120 2.8±0,2 2.5±0,2 2.3±0.2 2,7±0,2 3,6±0,3

Ni - отношение валовых и подвижных ( юрм

0-40 9,1 9.0 10.6 10.3 9,2

80-120 19.1 19,6 1,8 18,7 13,4

Со - валовое содержание

0-40 12.1±0.3 12.8±0.3 12,4±0,2 12,1±0,3 12,2±0,2

80-120 10,8±0,2 11,8±0.9 12,1±0,5 11,4±0,4 10,9±0,3

Со — подвижные формы

0-40 2,8±0,1 2.6±0.4 2.4±0.2 2,6±0,3 2,4±0,3

80-120 1.6±0.2 1,4±0.2 2.3±0,3 1,&t0,2 1,2±0,2

Со - отношение валовых н подвижных форм

0-40 4,3 4,9 8,4 4,6 5,1

80-120 6,7 8.4 5.3 7.1 9Д

Си - валовое содержание

0-40 24,9±0.3 24,8±0,5 24,6±0,6 23,3±0,3 24,6±0,7

80-120 21,5±0.8 23,1±0,9 22.1±1,6 21,8±0.3 22,7±0,2

Си — подвижные формы

0-40 4,5±0,2 4.3±0,4 4.3±1,0 4,2±0,4 4,3±0,3

80-120 3.8±0,4 3,8±0.44 4,9±0,8 3,6±0,3 3,7±0,4

Си - отношение валовых и подвижных форм

0-40 6.2 5,8 5,7 5,6

80-120 7.2 6,1 4.5 6,1 6,1

РЬ - валовое содержание

0-40 19,8±0,7 19,0±1.0 19,8±0,9 19,9±0,4 20,9±0,4 80

80-120 18Д±0,5 18,4±0,7 17,8±1,5 18,3±0,6 18,3±0,8

РЬ - подвижные формы

Продолжение таблицы 1

0-40 4,2±0,3 3,9±0,4 4,2±0,2 3,9±0,2 3,8±0,4

80-120 2,8±0,2 2,9±0,2 3,5±0,7 2,9±0,3 2,8±0,2

РЬ - отношение валовых и подвижных юрм

0-40 4,7 4,9 4,7 5,1 5,5

80-120 6,5 6,3 5,1 6,3 6,5

В работе предлагается оценка состояния тяжелых металлов в почвах по свойствам, процессам и режимам. Исследуемые почвы не загрязнены тяжелыми металлами, однако их максимальное валовое содержание в почвах отдельных элементов рельефа и сезонов года близко или превышает уровень ПДК. Содержание подвижных форм тяжелых металлов было превышено по отношению к ПДК по меди и никелю в 2001 г. в 1.4 и 1,3 раза, а в 2006 г. - в 1,8 и 1,5 раза соответственно.

4.2. Комплексная оценка состояния тяжелых металлов в изучаемых почвах

В работе показано, что для более точной оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами целесообразно проведение углубленной оценки состояния тяжелых металлов в почвах с определением кинетики их перехода из твердой фазы в раствор, депонирующей способности почв по отношению к тяжелым металлам, содержания и соотношения в системе почва-растение положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов, содержания их водорастворимых форм и фракционного состава соединений тяжелых металлов. Комплексная оценка состояния тяжелых металлов в почвах позволяет уточнить значение их ПДК и степень загрязнения для конкретных условий.

4.2.1. Депонирующая способность почв по отношению к тяжелым металлам

Содержание тяжелых металлов в вытяжках из почв обусловлено эффективной растворимостью их осадков, константами нестойкости комплексов и константами ионного обмена в системе почва-растение. Однако это содержание не адекватно полностью содержанию тяжелых металлов в твердой фазе почв (Савич В.И., Карпухин А.И., 2005; Фокин А.Д., 1983). Для оценки содержания ионов в твердой фазе используется метод радиоактивных индикаторов (Фокин А.Д., 1983) и оценка депонирующей способности почв к тяжелым металлам (Дерюгин И.П. Панов П.П., Савич В.И, 1989).

С нашей точки зрения, депонирующую способность почв к тяжелым металлам следует учитывать при корректировке загрязнения почв и ПДК. Для оценки депонирующей способности почв проводится последовательное 5-10-кратное вытеснение ионов из твердой фазы Н20 и растворами десорбентов. Полученные нами данные приведены в следующей таблице.

По полученным данным, изученные черноземы и взятые для сравнения почвы других типов обладают депонирующей (возобновляющей) способностью почв к Са, Бе, Мп, гп, РЬ. Эта способность выше в тяжелосуглинистых черноземах по сравнению с легкосуглинистыми; ниже в черноземах деградированных (дегу-мифицированных). При промывании исследуемых почв последовательно новыми порциями 0,05н НС1 концентрация ионов Са, Mg, Ре, Мп, Ъп в растворе посте-

пенно падает, что обусловлено переходом в раствор десорбента ионов, более прочно связанных с ППК.

Таблица 2 □ Депонирующая способность черноземов к РЬ, 7п, Мп (вытяжки

Параметр Чернозем, т/с Чернозем, л/с

V 2, 3,4 V 2,3,4

Fe 129,50±13,4 41,8±22,9 8,8 7,80±2,0

Мп 37,10±34,5 12,3±11,3 10,8 3,60±2,0

Zn 1,20±0,8 0,30±0,20 1,0 0,46±0,3

РЬ 0,52±0,15 0,05±0.02 0,26 0,03±0,01

£ - сумма вытесненных фракции, мг/100 г; 2, 3, 4 - 2-ая, 3-ья, 4-ая фракции фильтрата

Депонирующая способность почв к тяжелым металлам (Д) должна учитываться при прогнозе их токсичности: Т, - f [кД,п] и при корректировке ПДК.

ПДК; = Пк-Д "']

С учетом токсичности Ti и ПДК, без поправки на депонирующую способность почвТ; (ст); ПДК,(ст)

Т, = Т,(ст) -kiD"; ПДК, = ПДК, (ст) • k.D,"1.

4.2.2. Скорость перехода ионов из твердой фазы в раствор, как фактор корректировки плодородия почв и ПДК тяжелых металлов в почвах

Ионы биофильных элементов и токсикантов переходят из твердой фазы в раствор и поглощаются растениями с определенной скоростью. Если скорость поглощения биофильных элементов растениями велика, а скорость их выхода из твердой фазы в раствор мала, то наблюдается дефицит элементов питания для растений. Это явление отмечалось еще Прянишниковым Д.Н., а впоследствии детально изучено Карпухиным А.И. (2004), Савичем В.И. (2006).

Данное явление отмечалось на почвах с хорошо выраженным интрамицел-лярным типом поглощения, в почвах с большой долей в минералогическом составе минералов типа 2:2 и 2:1 (например, монтмориллонита, вермикулита и т.д.). Кинетика процессов ярче проявляется в почвах тяжелого гранулометрического состава, с большей емкостью поглощения почв, более гумусированных. Наиболее ярко оно проявляется в черноземах и вертисолях.

Скорость перехода ионов из твердой фазы почв в раствор определяется явлениями внешнедиффузионной, внутридиффузионной и химической кинетики разных порядков (Карпухин А.И.. Савич В.И., 2006; Савич В.И., 2014), которые описываются соответствующими математическими уравнениями. В первом приближении, достаточном для практических целей, определяют долю быстро и медленно вытесняемых форм соединений ионов при времени десорбции их из почв от 5 минут до 6 суток. Для устранения ошибок, связанных с варьированием свойств почв, десорбция ионов проводится из одной навески при большой массе почвы и большой массе раствора десорбента 200-500 мл, при этом взятие проб по 10 мл не изменяет существенно равновесие в системе твердая фаза - раствор (Савич В.И., 2014).

Чем больше скорость вытеснения биофильных элементов из твердой фазы в раствор, тем лучше почва обеспечена ими, и оптимальный их уровень (Уор0 может

быть снижен. У = f(k-V~'), где V - скорость перехода, например, NPK из твердой фазы в раствор Н20 или других десорбентов, к - коэффициент, показывающий долю влияния на оптимум скорости перехода ионов из твердой фазы в раствор. В то же время, при очень большой скорости перехода ионов из ППК в раствор они связаны, как правило, рыхло и легко вымываются осадками из корнеобитаемого слоя почвы.

Кинетика перехода ионов из твердой фазы в раствор хорошо выражена и для тяжелых металлов (Карпухин А.И., Бушуев H.H., 2004; Савич В.И., 2013). Чем с большей скоростью тяжелые металлы переходят из твердой фазы в почвенный раствор, тем их влияние на растения более токсично. При этом содержание тяжелых металлов в растворе возрастает: ТМ, = ТМс • kV", где ТМ; - содержание в исследуемой почве с учетом кинетики процесса, ТМС - содержание подвижной формы за время десорбции, принятое в стандартной методике. Величина ПДК становится ниже:

ПДК, = ПДКс -kV"1, где к - коэффициент, показывающий степень влияния кинетики процесса на ПДК этого иона в почве.

В почве протекают одновременно несколько форм кинетики: как указывалось ранее, внешнедиффузионная, внутридиффузионная, и химическая разных порядков. Все они влияют на ПДК в разной степени. ПДК, = ПДКС •Sk.Vr'.

Полученные нами данные подтверждают такую закономерность.

Таблица 3 □ Кинетика вытеснения калия из исследуемых почв

Почва, разрез, горизонт 10 мин. 1 час 24 час. 6 сут. Ultj

чернозем, Р-1 Ап 14 95 35 38 2,7

дерново-подзолистая. Р-2 Ап И 16 14 20 1,8

*) в относительных единицах

При обобщении полученных данных информативно отношение максимальной и минимальной концентрации тяжелых металлов, вытесненных последовательными порциями десорбентов, для всех исследуемых почв. Так, это отношение для Си в черноземе тяжелосуглинистом, легкосуглинистом и дерново-подзолистой среднесуглинистой почве равнялось соответственно 3,7±0,6; 1,4; 2,9±0,8. Для Сё это соотношение соответственно составляло 3,8±0,8; 2,7 и 3,3±0,4; для Со -6,5±3,0; 2,0 и 2,1±0,1.

В работе предлагается для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ;) и ПДК по тяжелым метлам (ПДК,) учитывать скорость перехода тяжелых металлов из почвы в раствор. Скорость перехода тяжелых металлов из твердой фазы почв в раствор СНзСОСЖНд с рН = 4,8 (V) меньше в черноземах, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами и меньше в черноземах тяжелосуглинистых по сравнению с черноземами легкосуглинистыми.

Предлагается алгоритм оценки содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах и ПДК по ним с учетом кинетики процессов десорбции: ТМ; = ТМс • кУп; ПДК! = ПДКс кУ"1.

4.2.3. Содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов

Содержание положительно и отрицательно заряженных соединений ионов в системе почва-растение является одним из параметров оценки плодородия почв и уровня загрязнения системы тяжелыми металлами (Савич В.И., Сычев В.Г., 2001). Положительно заряженные соединения катионов представлены их ионными формами и в меньшей степени комплексами с широким отношением Ме:Ь, где Ь - органический или неорганический лиганд, участвующий в комплексообразовании. Отрицательно заряженные соединения катионов в почвах, водах и растениях представлены их комплексами с органическими и неорганическими лигандами и гидроксикомплексами (Савич В.И., 1984; Воробьева Л.А., 1986; Мотузова Г.В., 1988, Карпухин А.И., 2004).

Присутствие в почве отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов значительно изменяет их миграцию по почвенному профилю, поглощение растениями и константы ионного обмена в системах почва-раствор и почвенный раствор — почва - растение. Комплексные соединения тяжелых металлов, поступающие в растения, участвуют в процессах конкурирующего комплек-сообразования аддендов и лигандов (тяжелых металлов и органических веществ комплексообразователей).

При слабом загрязнении почв тяжелыми металлами они в значительной степени находятся в почве и в растениях в виде комплексных отрицательно заряженных соединений. При значительной степени загрязнения почв тяжелыми металлами доля их положительно заряженных соединений в почве и в растениях возрастает. Это дает возможность с помощью соотношения положительно и отрицательно заряженных соединений тяжелых металлов (МЬ7МЬ") уточнить степень загрязнения почв. В первом приближении, ТМ, = ТМс -к (МЬШ /МЬП")

ПДК, = ПДКс -к (МЬт7МЬп")"', где ТМ, и ПДК, - содержание подвижных тяжелых металлов и ПДК по ним с учетом соотношения положительно и отрицательно заряженных соединений тяжелых металлов, к - коэффициент, характеризующий степень зависимости ПДК, и ТМ; от доли в почве положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов.

Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит и к изменению доли их положительно и отрицательно заряженных соединений в почвах. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.

Таблица 4 □ Изменение содержания положительно и отрицательно заряженных соединений Са, Бе, РЬ при загрязнении почв свинцом_

Вариант

контроль

+ РЬ

Отношение МЬ7М17

Са

0,98±0,02

0,66±0,11

1,00±0,05

0,64±0,02

Ре

1,33±0,01

0,51±0,39

РЬ

0,33±0,01

0,08±0,01

*) навеска почв 5 г, напряжение 12 в, время 10 мин., десорбция из хроматографической бумаги 10 мл 0,1нНС1

При пересчете из мг/л в мг/100 г содержание положительно и отрицательно заряженных соединений кальция, магния, железа, свинца, вытесняемых из почв

при напряжении 12 в и времени 10 мин. составляет для Са - 1-2 мг/100 г; для - 2-4; для Бе - 0,1-0,02; для РЬ - 0,03-0,002 мг/100 г.

Внесение в почву КН2Р04 в результате конкурирующего комплексообразо-вания органических лигандов и Н2Р04", НР042"; Р043' привело к изменению доли положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений Са, Ъп, Бе в черноземах и взятых для сравнения дерново-подзолистых почвах (к 5 г почв добавляли 5 мл 0,1н КН2Р04 и после высыхания проводили электрофоретическое вытеснение из почв Са, Zn, Бе).

Таблица 5 □ Влияние насыщения почв Р205 на отношение в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов, мг/л, __МЬП+ /МЬП"

Почва Са Ъп Бе

1 2 1 2 1 2

чернозем 0,9 1,3 1,2 0,3 21,7 2,6

дерново-подзолистая 0,7 0,5 0,6 0,5 16,2 2,8

*) 1 - без насыщения почв Р20;, 2 - после насыщения почв Р2С>5, мг/100 г = мг/л : 5

Как видно из представленных материалов, насыщение почв КН2Р04 увеличило долю положительно заряженных соединений Са в черноземе, но уменьшило долю положительно заряженных соединений Тп, Бе в исследуемых почвах и Са в дерново-подзолистой почве, что, видимо, обусловлено образованием фосфатных комплексов.

Таким образом, в исследуемых черноземах присутствуют и положительно, и отрицательно заряженные комплексные соединения кальция, магния и тяжелых металлов, что необходимо учитывать при корректировке степени загрязнения почв тяжелыми металлами и ПДК по ним.

В результате реакций конкурирующего комплексообразования доля положительно заряженных соединений в почвах Са, 2п, Бе возрастает при насыщении почв КН2Р04.

Учитывая, что заряд соединений тяжелых металлов в почвах влияет на их сорбцию отрицательно заряженными сорбционными местами ППК и положительно заряженными гидроксикомплексами железа и алюминия при кислых реакциях среды, рекомендуется учитывать долю положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов в почвах при уточнении степени их токсичности.

4.2.4. Содержание водорастворимых форм соединений тяжелых металлов в почвах, как индикатор эффективных произведений растворимости их осадков, эффективных констант нестойкости комплексов и констант ионного обмена в системе почва-раствор

Содержание водорастворимых форм соединений тяжелых металлов в почвах является важным показателем степени загрязнения почв. Эти формы соединений тяжелых металлов, в первую очередь, поглощаются растениями, мигрируют в водную и воздушную среды. Их содержание в почве является интегральным показателем рН и ЕЬ, степени гумусированности почв. Концентрация водораствори-

мых форм тяжелых металлов определяется эффективной растворимостью имеющихся осадков, эффективными константами ионного обмена в системе почва-раствор и эффективными константами нестойкости комплексов тяжелых металлов с органическими и неорганическими анионами. При загрязнении почв концентрация водорастворимых форм может быть рассчитана с достаточным уровнем приближения по опубликованным диаграммам растворимости тяжелых металлов.

По полученным нами данным, в исследуемых почвах отмечалась достоверная корреляция содержания подвижных и водорастворимых форм тяжелых металлов от рН среды и степени гумусированиости.

По данным УеИкатр (1991), эта зависимость отличается для органических и минеральных почв. Так, для минеральных почв подвижность в интервале рН = 5-7 составляет для Си - 85-100%, при рН = 7,5- - 75-80%, при рН = 8,0 - 60-70%; при рН = 9,0 - 20-35%, но при рН = 9,5 - снова 100%. Для Хп эти показатели соответственно равны 75-100%; 75-80%; 60-70%; 20-35% и при рН = 9,5 - 20%.

Таким образом, в разных интервалах рН зависимость подвижности тяжелых металлов от рН неоднозначна, что определяется протонированием и гидратообра-зованием для комплексов, образованием гидроксикомплексов, растворимостью осадков, увеличением степени базоидности почв при подкислении среды, а, следовательно, изменением констант ионного обмена тяжелых металлов в системе ППК - раствор.

По полученным данным, содержание водорастворимых форм соединений тяжелых металлов в почвах составляет порядок величин: РЬ - 0,0п; N1 - 0,0п; Мп -0,п-0,0п; Си - 0,0п мг/л.

Сопоставление содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах с произведениями растворимости их возможных осадков свидетельствует о преимущественном образовании осадков типа Ме(ОН)п и в ряде случаев о связи тяжелых металлов в почвах по типу ионного обмена. Образование комплексов увеличивает растворимость осадков и изменяет константы ионного обмена тяжелых металлов из раствора на другие катионы ППК.

С нашей точки зрения, следует выделять конкурирующее комплексообразо-вание, конкурирующее осадкообразование, конкурирующие процессы в явлениях ионного обмена. При этом происходит конкуренция, как аддендов, так и лигандов (как тяжелых металлов и катионов, так и анионов); конкуренция происходит в твердой фазе почв, в растворе, в растениях, в микроорганизмах.

С практической точки зрения, знание данных процессов позволяет разрабатывать новые селективные пути оптимизации обстановки при загрязнении почв тяжелыми металлами.

По полученным данным, содержание водорастворимых соединений тяжелых металлов в почвах несет информационную функцию об их содержании и подвижности и является интенсивным параметром оценки их состояния.

4.2.5. Изменение содержания тяжелых металлов в структурных отдель-ностях почв разного размера

Растения потребляют элементы питания и токсиканты из разных слоев структурных отдельностей почв. При этом легче поступают в растения ионы из внешних слоев структурных отдельностей (Замараев А.Г., Савич В.И., 2005).

При наличии в почвах комковатой структуры внешние слои комочков имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал (на 100-150 мв выше), по сравнению с внутренними слоями (Савич В.И., Кауричев И.С., Шишов Л.Л., 1999). Это обусловливает возможность поглощения растениями из внешних слоев Ы03, а из внутренних - N11,, Ре2+, Мп2+. Последние в окисленной форме (Ре^+, Мп4+) не поглощаются, в связи с выпадением в осадок в виде Рс(ОН)з, Мп(ОН)4. В связи с наличием внутри структурных отдельностей более восстановленных условий там сохраняется органическое вещество от полной минерализации. Внутри структурных отдельностей выше влажность, больше содержание С02. В разных слоях комковато-зернистой структуры отличается и микробиологическая активность (Фокин А.Д., 2013). Указанные особенности определяют более высокое плодородие почв с комковато-зернистой структурой.

На химический состав структурных отдельностей влияют протекающие почвообразовательные процессы и система применения удобрений. В связи с миграционными потоками веществ в почве вверх, вниз и в боковых направлениях, состав граней структурных отдельностей, расположенных вверху, внизу и сбоку отличается.

В соответствии с рабочей гипотезой, разные слои структурных отдельностей черноземов должны отличаться и по содержанию тяжелых металлов. Образование структуры в уже загрязненных почвах приводит к аккумуляции тяжелых металлов внутри структурных отдельностей и должно уменьшать их поступление в растения. Аналогичная зависимость установлена Фокиным А.Д. и Торшиным С.П. для радионуклидов. Исследованиями Мустафы Исмаила Умера (2013) показано, что поглощение 903г растениями в 2-3 раза было больше с поверхности агрегатов, чем из их внутрипедной массы.

В проведенных нами исследованиях структурное состояние оценивалось методом сухого просеивания (Вадюнина А.Ф., 1986) в исследуемых черноземах и в образцах деградированных черноземов, менее гумусированных. В полученных фракциях определено содержание подвижных форм тяжелых металлов, Са и К в растворе СНзСООШ!, с рН=4,8.

По полученным нами данным, прослеживается тенденция увеличения в черноземе содержания подвижных Са, К во фракциях 2-0,2 мм и уменьшения - во фракции < 0,25 мм. Содержание подвижных форм свинца выше во фракции >3 мм. В деградированном черноземе при меньшей его гумусированности наименьшее содержание подвижных форм всех изученных элементов отмечается во фракции < 0,25 мм. Так, содержание свинца во фракции > 10 мм составляло 0,33 мг/л; во фракции 10-3 мм-0,18±0,04; 2-0,25 мм-0,14±0,01 мг/л.

По литературным данным, в большинстве случаев более мелкие фракции содержат больше илистой фракции, и их емкость поглощения выше. Однако в них больше и прочность связи катионов, а, следовательно, может быть меньше и подвижных форм. В то же время, по данным Поляковой Н.В. (2012), содержание гумуса было больше в более крупных фракциях.

В связи с тем, что по существующей методике мелкие корешки и не полностью разложившиеся растительные остатки перед определением гумуса не отбираются, в крупных фракциях будет больше гумуса, а, следовательно, емкость по-

глощения почв. Минералы типа 2:2 и 2:1 тоже не всегда преобладают во фракции < 0,25 мм (Чижикова Н.П., 2013).

С нашей точки зрения, при наличии структуры почв в течение длительного выращивания растений внешние слои структурных отделыюстей будут обедняться тяжелыми металлами. С этой точки зрения, образование структуры почв уменьшит токсичность тяжелых металлов. Частично это обусловлено и оптимизацией других свойств почв.

4.3. Информационная оценка состояния тяжелых металлов в изучаемых почвах

В работе доказывается целесообразность информационно-энергетической оценки состояния тяжелых металлов в почвах. Такая оценка обусловлена последовательным изменением свойств почв при загрязнении их тяжелыми металлами, изменением содержания тяжелых металлов по профилю почв, в пространстве в пределах поля и ландшафта, изменением во время вегетации и в течение ряда лет, при развитии почвообразовательных процессов. Предлагается оценка состояния тяжелых металлов в почвах по математическим структурным взаимосвязям их содержания с физико-химическими и агрохимическими свойствами почв.

4.3.1. Математические структурные взаимосвязи между свойствами почв, как индикатор плодородия и деградации почв

В соответствии с законом структурной корреляции Кювье Ж., в целостной системе все ее части соответствуют друг другу, как по строению, так и по функциям. При этом изменение одной части системы (почвы) или отдельной функции неизбежно ведет за собой изменение других частей и функций.

Токсичное содержание тяжелых металлов в почвах зависит от сочетания свойств почв. Оно ниже при большей гумусированности, при увеличении рН и ЕЬ, при большей емкости поглощения почв. Для каждых конкретных почв эти взаимосвязи являются характерными и, с нашей точки зрения, должны учитываться при оценке степени загрязнения почв. Пример таких зависимостей приведен в следующей таблице.

Таблица 6 □ Зависимость валового содержания тяжелых металлов в почвах от сочетания свойств почв

_ (гумуса - XI, <0,01 мм - Х;, Ш3 - Х3, N1^ - Хд, Р2О5 - Х5)_

Тяжелый ме- | Уравнения регрессии *

татл_____

РЬ вал. ~ РЬ =-9,3+ 7,3X1+0.4X2-1,7Хз + 0,6Х4 +0,1Х5. г = 0,94, Б = 6,0

ЙГвшт 7.п = 51,2 + 4,2X1 + 0ДЗХ2 + 0,27Хз - 0,12X4 + 0,04Х5, г = 0,95, Р = 7,0

*) для южного водораздела

По полученным данным, взаимосвязи между свойствами почв и содержанием тяжелых металлов являются дополнительным важным параметром, характеризующим плодородие и деградацию почв. Связи для незагрязненных и загрязненных тяжелыми металлами почв отличаются. Для оценки степени деградации почв необходимо сравнивать взаимосвязи в почве, соответствующей модели плодородия почв данного типа и режима, и взаимосвязи в загрязненной почве.

Взаимосвязи отличаются по вектору - положительным или отрицательным значениям коэффициентов корреляции, тесноте связи ( по величине коэффициен-

тов корреляции), по устойчивости (при определении их весной, летом, осенью) в " разных точках поля, по степени влияния свойства почв на состояние тяжелых металлов в почве (по величине к в уравнениях).

При оценке влияния свойств почв на содержание подвижных форм тяжелых металлов проявляются эффекты синергизма и антагонизма. Они идентифицируются при сравнении коэффициентов корреляции зависимости содержания тяжелых металлов от определенных свойств почв в уравнениях парной корреляции и множественной регрессии.

Пример коэффициентов корреляции подвижных форм тяжелых металлов со свойствами почв приведен в следующей таблице.

Таблица 7 □ Корреляционный анализ взаимосвязи подвижных форм тяже- ]

дых металлов с некоторыми физико-химическими свойствами почв

Показатель Ъп РЬ Сс1 Со Мп Си №

глина -0,39 -0,32 -0,28 -0.29 -0,43 -0,34 -0,40

гумус 0,81 0,75 0,72 0,83 0,75 0,65 0.80

РН -0,29 -0,40 -0,32 -0,39 -0,38 -0,46 -0,47

р205 0,28 0,35 0,39 0,34 0.32 0,23 0,32

*) жирным шрифтом выделены статистически недостоверные связи

Графическая зависимость содержания подвижных форм тяжелых металлов от содержания гумуса и физической глины приведена на следующем графике.

ж

Рисунок 1 □ Зависимость содержания подвижных форм металлов от гумуса и физической глины на 1-м разрезе, лето 2006 г.: а - распределение цинка; б -распределение свинца; в - распределение кобальта; г - распределение кадмия, д -распределение марганца; е - распределение меди; ж - распределение никеля

При этом для разных элементов зависимость их содержания от рассматриваемых свойств почв отличалась. Так, например, зависимость содержания подвижных форм тяжелых металлов от содержания гумуса выражалась следующими уравнениями: для Zn - У = 2 + 0.73Х, R2 = 0,86; для РЬ - У = 1,47 + 0,92Х, R2 = 0,92; для Cd - У = 0,01 + 0.01Х, R2 = 0,90; для Со - У = 0,26 + 0,9Х, R2 = 0,93; для Мп = У = -1,33 + 6,5Х, R2 = 0,95; для Си - У = 1,7 + 0,78Х, R2 = 0,56; для Ni - У = 1,6 + 1,2Х, R2 = 0,93. Однако зависимость содержания тяжелых металлов от свойств почв зависит от интервалов независимых переменных.

В почве существуют прямые и обратные связи, статические и динамические, которые по вектору отличаются. Так, например, содержание тяжелых металлов прямо пропорционально зависит от содержания гумуса, который обладает большой емкостью поглощения катионов (500-800 мг-экв/100 г) при емкости поглощения песка 5 мг-экв/100 г.

Однако в динамических связях, чем больше загрязнение почв тяжелыми металлами, тем меньше биопродуктивность, меньше поступление в почву остатков растений, больше доля грибной микрофлоры в разложении остатков и меньше гумуса, т.е. связь обратно пропорциональная.

Таким образом, согласно проведенным исследованиям, взаимосвязи между свойствами почв и содержанием в них подвижных форм тяжелых металлов дополнительно характеризуют степень загрязнения почв с информационной точки зрения. Они описываются уравнениями парной корреляции, множественной per-

рессии и характеризуются коэффициентами корреляции. При влиянии отдельных свойств почв на подвижность тяжелых, металлов проявляются эффекты синергизма и антагонизма.

Содержание тяжелых металлов изменяется на почвах отдельных элементов ландшафта, что необходимо учитывать при мониторинге почв. Зависимость содержания в почве тяжелых металлов от других свойств почв целесообразно учитывать при характеристике степени загрязнения почв и корректировке ПДК.

Токсичное влияние тяжелого металла на компоненты экологической системы и в т.ч. на биоту зависит от свойств почв Ъх (рН, содержание гумуса, ила и т.д.): Х; = Г где X, - содержание подвижной формы тяжелого металла, к -

степень влияния на X;.

Каждый тяжелый металл влияет на конкретные процессы в определенной степени: У; = 5 (к,Х,)п, где X, - содержание тяжелого металла, к - степень влияния Х^аУ;.

При действии на почву и биоту нескольких тяжелых металлов: У, = 1к;Х°, где У, - отдельное свойство почв или процесс в почве и в растениях, к, - степень влияния X, на У;. Сумма к, = 1, п — показатель экспоненциального характера зависимости. При этом, очевидно, что в разных интервалах Xi зависимости будут отличаться.

По полученным данным, свободный член в уравнениях регрессии зависимости содержания тяжелых металлов от свойств почв выше для валовых форм тяжелых металлов, а коэффициенты корреляции и уровни достоверности выше для зависимостей, вычисляемых для подвижных форм тяжелых металлов.

Для оценки взаимосвязей между содержанием подвижных форм тяжелых металлов и свойствами почв (X,) предлагается учитывать: а) вектор связи - знак коэффициентов корреляции и регрессии для зависимости ТМ = Г(Х,); б) тесноту связи - величину коэффициентов корреляции и регрессии; в) степень влияния X, на ТМ - величину коэффициентов к в уравнениях регрессии; г) проявление эффектов синергизма и антагонизма по влиянию свойств почв на подвижность тяжелых металлов (по сравнению коэффициентов корреляции У от Х; и У от £Х;).

Для оценки устойчивости почв предлагается вычисление суммы коэффициентов корреляции без знака. Чем выше эта величина, тем устойчивее к внешним воздействиям почва. По полученным данным, более устойчивы почвы на плато и в аккумулятивном ландшафте, менее устойчивы на склонах.

Валовое содержание тяжелых металлов и содержание их подвижных форм прямо пропорционально связаны с содержанием гумуса и содержанием подвижных форм Р205. Связь их с содержанием физической глины незначительна, что связано с однородным гранулометрическим составом почв. Связь содержания тяжелых металлов в почвах с содержанием N03, N11, достаточно высокая, что характеризует связь с окультуренностью почв. Однако коэффициенты к при X, в уравнениях регрессии невелики и непостоянны по знаку.

Содержание всех элементов имеет статистическую значимую тесную положительную связь (г = 0,65-0,83) с гумусом. Установлен следующий ряд влияния гумуса на содержание подвижных форм тяжелых металлов: Со > Ъп > № > РЬ > Мп > С<1 > Си.

Все элементы имеют статистическую значимую слабую обратную связь с рН почв (г от -0,2 до -0,47). Все элементы ( за исключением кадмия) имеют статистическую значимую обратную связь с содержанием частиц < 0,01 мм (г от -0,28 до -0,43).

Предлагается алгоритм уточнения степени загрязнения почв, ПДК по загрязнению почв тяжелыми металлами с учетом взаимосвязей свойств почв.

Степень загрязнения почв с учетом взаимосвязей свойств почв:

ТИ = ТМс • ИчГ1 + к2 Е"1 + кзрН"1 + к<(< 0,01 мм) + кзСРгОз)"1, ТМС - степень загрязнения без учета рассматриваемых факторов.

ПДК тяжелых металлов с учетом взаимосвязей свойств почв:

ПДК, = ПДКс • ИчГ + к2 Е + к3рН + кд(< 0,01 мм) + к5(Р205)

Накопление тяжелых металлов в почвах при проявлении геохимических барьеров, обусловленных гумусом, емкостью поглощения, щелочной реакцией, содержанием фосфатов, достаточным для осадкообразования:

Нтм, = Пк,Г + к2Е + к3рН + 1е,(< 0,01 мм) + к5(Р205).

4.3.2. Динамика изменения содержания тяжелых металлов в почвах в течение 10 лет, как параметр информационной оценки состояния тяжелых металлов в почвах

Содержание тяжелых металлов в почвах изменяется в течение года и за многолетний период. В работе оценено содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов весной, летом, осенью, зимой в течение 10 лет на почвах разных элементов рельефа.

Анализ содержания тяжелых металлов в течение 10 лет позволяет установить тренд изменения степени загрязнения почв во времени и рассчитать прогноз изменения загрязнения на перспективу. Анализ изменения содержания тяжелых металлов в почвах в сезонной динамике важен с 2 сторон:

1. Образцы почв для исследования отбираются весной, и определение проводится в высушенных образцах. Однако если летом или осенью содержание тяжелых металлов повышается, то растения гибнут или угнетаются при приемлемых степенях загрязнения весной.

2. Изменение содержания тяжелых металлов в почвах в течение года позволяет рассчитывать гистерезис по их содержанию в почвах. При этом степень ра-зомкнутости петли гистерезиса характеризует степень нестационарности состояния почв и интенсивность развития почвообразовательных процессов и загрязнения почв.

По полученным данным, сезонные вариации содержания тяжелых металлов особенно четко проявляются по отношению к подвижным формам Си и № и объясняются особенностями увлажнения и температурного режима почвы по сезонам года, выносом элементов с урожаем с/х культур и меняющейся в течение года активностью микробиологических процессов в почве; превышения ПДК приходятся на весенний период и в среднем достигают 3 ПДК для никеля и 2 ПДК - для меди.

Весной концентрации подвижных форм тяжелых металлов на водоразделе и в транзитных системах на соответствующих уровнях почвенного профиля заметно выше, чем летом, осенью и зимой. Это объясняется беспрепятственным перемещением элементов в нижние слои почвы из-за сниженной интенсивности биоло-

гической аккумуляции в верхних слоях в зимний период, а также повышенным содержанием влаги. В аккумулятивной системе ландшафта минимальные концентрации мобильных элементов (за исключением цинка) в почве характерны для осени, когда биологическое поглощение их практически прекращается.

Содержание в почвах подвижных форм тяжелых металлов и их валовые уровни с течением времени постепенно возрастают; заметной вариабельностью отличаются подвижные формы Сй, N1 и Си; максимальное содержание подвижного N1 наблюдалось в 2002 г. (3,95 ПДК), а Си - в 2003 г. (2,25 ПДК); по валовому содержанию с годами заметно увеличение Сс1 и РЬ, что связано с выбросами работающей техники и трансграничным переносом; в засушливые 2004 и 2005 гг. наблюдались не достигающие ПДК (0,88 ПДК) всплески концентраций валового гп.

Суммарный показатель загрязнения по данным 2006 г. (X =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: РЬ (у = 0,1431 + 1,417; Ы2 = 0,626); Сс1 (у = 0,0031 + 0,003; И.2 = 0,896) и Со (у = 0,1481 + 0,499; Я2 = 0,712) - указывает на антропогенное прогрессирующее их накопление.

Пример средних характеристик динамических рядов содержания подвижных форм тяжелых металлов в изучаемых почвах приведен в таблице 8.

Таблица 8 □ Средние характеристики динамических рядов содержания под-

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

Со 3,15 2,60 126,90 26,90

Ъп 5.91 0,04 101,00 1,00

РЬ 4,15 0,12 103,00 3,00

са 0,08 0,05 120,30 20.30

С наибольшей интенсивностью в изучаемом ландшафте накапливаются подвижные Сс1 и Со, средние темпы прироста которых составляют соответственно 20,3 и 26,9% в год. И хотя ПДК этих металлов (соответственно 0,2 и 5,0 мг/кг) значительно выше их опытного среднего уровня (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 прогностические модели краткосрочного и среднесрочного прогнозов накоплен™ наиболее проблемных тяжелых металлов подтверждают высокую интенсивность накопления РЬ, С<1 и Со.

4.3.3. Взаимосвязь загрязнения почв тяжелыми металлами и интенсивности развития почвообразовательных процессов

Загрязнение почв тяжелыми металлами в значительной степени обусловлено развитием почвообразовательных процессов. В работе определено содержание тяжелых металлов в почвах пашни, залежи, лесополосы и на разных элементах ландшафта, на которых отличается интенсивность проявления дернового процесса, элюирования, оглеения. В модельных опытах оценено элюирование тяжелых

металлов из почв водорастворимыми органическими веществами продуктов разложения растительного покрова залежи и лесополосы.

В исследуемых почвах интенсивно протекает дерновый процесс почвообразования, на пониженных элементах рельефа - глеевый и в меньшей степени -элювиальный. Развитие этих процессов приводит к накоплению и миграции тяжелых металлов, к перераспределению их содержания по почвенному профилю. При этом в полях залежи и луга лучшие условия для развития дернового процесса почвообразования, а под лесом и в пониженных элементах рельефа - более вероятно развитие элювиалыю-глеевого процесса.

По полученным данным, в верхнем горизонте пашни (0-5 см) содержание всех исследуемых элементов выше, чем в слое 5-20 см. Аналогичная ситуация наблюдается и для почв, расположенных в поселке. Так, содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах пашни в слое 0-5 и 5-20 см составляло соответственно 2п - 4,4 и 3,5; РЬ - 4,3 и 3,4; Сд - 0,15 и 0,08; Со - 4,5 и 3,5; N1 - 7,2 и 6,0; Мл - 337 и 259; Сг - 1,6 и 1,1; Бе - 0,5 и 0,3; А1 - 2,6 и 2,1; Си - 7,4 и 6,8 мг/кг.

Коэффициент вариации содержания тяжелых металлов в почвах отличается для валового содержания и подвижных форм, для участков разного хозяйственного использования. Так, коэффициент вариации валового содержания цинка составлял на полях 9,6; под лесополосами - 6,6%, под естественными сообществами —1,8%.

В почвах лесополос отмечалось большее содержание тяжелых металлов, чем в почвах пашни. Так, содержание подвижных форм тяжелых металлов составляло для почв пашни и лесополос соответственно для 2-го полигона: Со - 2,9 и 3,3 мг/кг; 2п - 5,9 и 7,1; Си - 5,5 и 5,9; Мп - 218,3 и 255,4; Сс1 - 0,06 и 0,07; N1 -6,7 и 7,2; РЬ - 3,4 и 3,8 мг/кг при критерии от 3,3 до 5,9.

Таким образом, подтверждается роль лесополос в качестве барьера, задерживающего потоки воздушной миграции тяжелых металлов. В почвах лесополос было больше и валовое содержание тяжелых металлов.

В ряде случаев отмечается и элювиально-иллювиальное распределение валового содержания тяжелых металлов по почвенному профилю. Так, летом 2001 г валовое содержание свинца составляло в аккумулятивном, условно элювиальном и иллювиальном горизонтах соответственно для северного плакорного участка 21,7; 18,6 и 21,3; для аккумулятивной зоны - 22,4; 19,5 и 20,2; для северного склона - 20,7; 19,8 и 20,3; для южного плакорного участка 20,9; 19,8 и 20,8 мг/кг. При этом глубина распространения этих зон на разных элементах рельефа отличалась на 20-40 см.

При влиянии почвообразовательных процессов проявляются обратные связи: причина влияет на следствие и, в свою очередь, следствие влияет на причину. Так, загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к уменьшению биопродуктивности угодий, ингибированию микробиологической активности. Эти факторы вызывают уменьшение содержания в почве гумуса, емкости поглощения почв и приводят к увеличению степени токсичности тяжелых металлов.

Результаты модельных опытов показали, что вытеснение тяжелых металлов из почв и их элюирование в нижние слои определяется рН и концентрацией ионов ЕГ в мигрирующих водах, ЕЬ и количеством восстановленных веществ в мигри-

рующих водах, константами устойчивости комплексов тяжелых металлов с водорастворимым органическим веществом разлагающихся растительных остатков и количеством комплексообразователей в мигрирующих водах. Водорастворимые продукты разложения растительных остатков луга и лесополос существенно отличаются как по этим показателям, так и по ИК спектрам, указывающим на долю в изучаемых растворах карбоксильных, спиртовых и фенольных группировок.

При совместном влиянии почвообразовательных процессов на подвижность тяжелых металлов в почвах проявляются эффекты синергизма и антагонизма.

Развитие дернового процесса приводит к накоплению тяжелых металлов в верхнем слое почв, развитие оглеения сопровождается увеличением подвижности ионов переменной валентности; развитие элюирования является причиной элювиально-иллювиального распределения тяжелых металлов в почвенном профиле.

Развитие рассматриваемых процессов влияет на оценку загрязнения почв разного хозяйственного использования. При развитии дернового процесса почвообразования загрязнение верхнего слоя почв может быть выше на участках, более удаленных от очага загрязнения, чем на участках ближе к источнику загрязнения, но при развитии оподзаливания.

Развитие почвообразовательных процессов рекомендуется учитывать при прогнозе содержания тяжелых металлов в почвах в результате эволюции почв.

ТМ; = ТМС • к -Упп 1, где ТМ, - содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов при длительном развитии почвообразовательных процессов, I -время, к - коэффициент влияния почвообразовательного процесса на содержание валовых или подвижных форм тяжелых металлов в почвах, ТМ, - исходное содержание тяжелых металлов в почве, Уп - интенсивность развития исследуемого почвообразовательного процесса. Для дернового процесса почвообразования и оглеения (для ионов переменной валентности) величина к со знаком «+», при развитии элювиального процесса - со знаком «-».

4.3.4. Поэтапное изменение свойств почв при загрязнении их тяжелыми металлами

При загрязнении почв тяжелыми металлами происходит последовательное изменение свойств почв с проявлением прямых и обратных связей. Это подтверждено данными 6 модельных опытов при загрязнении изучаемых черноземов свинцом и никелем продолжительностью от 3 недель до 2 месяцев и при компостировании почв по вариантам в условиях оптимальной и избыточной влажности. В 3 срока определены показатели: рН, ЕЬ, N03, электропроводность, содержание водорастворимых форм РЬ, N1, Са, Бе, К.

По полученным данным, в процессе компостирования почв существенно изменялись значения рН, ЕЬ, микробиологическая активность и, как следствие содержание N03 и водорастворимых соединений катионов. При этом, в связи с наличием индуктивного эффекта поглощенных катионов, сорбция почвой РЬ и N1 вызывала изменение подвижности и других катионов. При влиянии на почву изменения кислотно-основного и окислительно-восстановительного состояния проявлялись эффекты синергизма и антагонизма. Содержание водорастворимых форм поливалентных катионов в почвах значительно изменялось в зависимости от продолжительности взаимодействия почв с водой. При промывании почв водой

(что характерно для вод, мигрирующих через почвенный профиль) в раствор переходили незначительные количества поливалентных катионов (10°-10" м/л). При взаимодействии почв с водой в течение суток количество водорастворимых форм возрастало на порядок и больше.

Так, при загрязнении исследуемого чернозема свинцом - РЬ(М03)2 значение показателей через 1 сутки и через 4 недели изменилось в условиях оптимальной влажности: рН от 7,7±0,1 до 8,0±0,1; Ы03- от 25,0±0,2 до 2,5±0,5; содержание РЬ мг/л - от 0,01±0,01 до 0,09±0,04; Ъъ. - от 0,05±0,04 до 0,10±0,02. При загрязнении почв № (№804) содержание №, РЬ, 7п в водной вытяжке (П:Р = 1:10) изменилось от 1 недели к 2 неделям компостирования: № - от 5,2±2,5 до 9,0±3,4; РЬ - от 0,1 ±0,1 до 0,2±0,1; гп - от 0,19±0,07 до 0,32±0,18 мг/л.

По полученным ранее данным (Савич В.И., Гукалов В.Н., 2014), при загрязнении чернозема свинцом (200 мг/кг) активность Ж)3 мг/л • 104 составляла через 15 минут и 3 суток - 11,45±0,51 и 0,60±0,02; содержание N114 изменилось от 15,3±3,7 до 4,2±0,06.

С нашей точки зрения, негативное влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на развитие растений может оказывать не только их высокая концентрация в растворе и в подвижной форме, но и ряд изменений свойств почв, возникающих при загрязнении. Так, например, в кислых почвах загрязнение их тяжелыми металлами приводило к подкислению среды, в нейтральных и щелочных - к подщелачиванию. Эти изменения необходимо учитывать при оценке влияния степени загрязнения почв на компоненты агрофитоценоза.

4.3.5. Изменение содержания тяжелых металлов по профилю почв, как фактор корректировки плодородия почв и ПДК

В разделе рассмотрены особенности изменения валового содержания тяжелых металлов и их подвижных форм по профилю почв до 2 м на разных элементах рельефа (северном и южном плато, северном и южном склонах, в аккумулятивной зоне) весной, летом и осенью в течение 10 лет.

Растения поглощают элементы питания и токсиканты не только из пахотного слоя, но и из более глубоких слоев почвенного профиля. Поэтому, с нашей точки зрения, необходимо знать содержание тяжелых металлов в почвах во всем кор-необитаемом слое. Чем больше содержание токсикантов в сумме во всех слоях почвенного профиля, тем больше загрязнена почва тяжелыми металлами. Такая оценка предлагалась Водяницким Ю.Н. (2004).

ТМ2 = ТМдп + ТМА,+ ТМВ, + ТМВ2 + и т.д., где ТМ - содержание в отдельных слоях в кг/га. Для расчета необходимо знать содержание в каждом почвенном горизонте (мг/кг), мощность слоя и плотность почв г/см (объемный вес).

С нашей точки зрения, для более точной оценки загрязнения почв тяжелыми металлами в отдельных слоях почвенного профиля необходимо знать и долю деятельных корней в каждом слое (что естественно отличается для отдельных с/х культур).

ТМ£ = £ТМ, • Нем ' ОВ г/см3, где ТМ, - содержание ТМ в мг/100г почвы; Н -мощность слоя; ОВ - плотность слоя, г/см3; ТМ^- в кг/га.

С учетом доли деятельных корней в каждом слое (К в долях от 1)

ТМЕ = ]ГТМ1 НОВК, где ]ГК = 1

При уточнении данного показателя следует учитывать, что поглощение тяжелых металлов растениями из каждого слоя почв будет отличаться в зависимо- | сти от возраста растений, что определяется коэффициентом к. £к=1 при наличии интегральной зависимости. ТМг = }ТМ; НОВКк

Для оценки опасности загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо г учитывать ПДК по следующим элементам: ТМ£/ПДКЕ= |(ТМД1ДК0Н-ОВ-К к

Однако при дальнейшем уточнении оценки следует учитывать, что ПДК для ) каждого слоя теоретически должно отличаться (для черноземов, в первом при- ? ближении, для слоя Ап + А! + АВ эта величина постоянная). При этом, чем боль- ! ше тяжелых металлов в почвенном профиле (в первую очередь водорастворимых ] и подвижных), тем ПДК для верхнего слоя должна быть ниже.

ПДКдп = ПДКс*ТМдд/ ТМ£, где Г]ДКС - принятое значение ПДК для пахотного слоя.

Определение содержание тяжелых металлов в почвах для слоя 1м трудоемко и требует значительных затрат. Целесообразно в расчетах учитывать законо- | мерность изменения содержания тяжелых металлов в почвенном профиле.

Такая закономерность является функцией интенсивности развития почвообразовательных процессов на почвах определенного гранулометрического состава (легких, средних и тяжелых) и типа водного режима почв.

При развитии подзолообразования формируется элювиально-иллювиальный 5 тип распределения тяжелых металлов в почвенном профиле, при развитии дернового процесса - аккумулятивный с накоплением тяжелых металлов в верхнем слое, что характерно для черноземов. При развитии оглеения увеличивается под- I вижность тяжелых металлов переменной валентности.

Однако протекание этих процессов отличается на разных элементах рельефа: северных, южных, западных, восточных склонах, склонах разной крутизны, на плато, склонах и в депрессиях.

Графики распределения тяжелых металлов по профилю приведены на рисунке 2.

б

А

Д

Рисунок 2 П Распределение тяжелых металлов по профилю почвы: а - северная граница водораздела; б - южная граница водораздела; в и г - транзитные системы; д — аккумулятивная система

Таблица 9 □ Обобщенные данные изменения валового содержания тяжелых металлов по почвенному профилю (с учетом содержания в сезонной динамике и

Элемент Уравнения парной корреляции

Сё У = 0,15 - 0.0004Х, г = -0.79

Си У = 25,7 - 0,05Х, г = -0,78

№ 1 У = 54,6 - 0,04Х, г = -0,75

2 У = 71,2 - 0,43Х, г = -0,90

РЬ 1 У = 20,1 — 0,02Х, г = -0,72

2 У = 27,4 - 0,14Х, г = -0,86

Хп 1 У = 76,9 -0.09Х, г = -0,93

2 У = 94,3 — 0,58Х, г = -0,87

Со У = 13,8 - 0,03Х, г = -0,83

*) 1 - для плато и склонов; 2-для аккумулятивного рельефа

Судя по полученным данным, в подавляющем большинстве случаев изменение валового содержания тяжелых металлов по профилю черноземов описывается уравнением: У = а-ЬХиУ = а- Ь -IgX. Для весны, лета и осени, а также для почв отдельных элементов рельефа зависимости изменения валового содержания тяжелых металлов по профилю почв близки. Для Ni, Pb, Cd, Zn, Cu более резкое убывание с глубиной отмечается для почв аккумулятивной зоны. Наименее достоверное изменение валового содержания по профилю почв отмечается для кадмия, где коэффициенты корреляции составляют до -0,3; -0,4.

Развитие дернового процесса почвообразования по накоплению в верхнем слое тяжелых металлов характеризуется увеличением их содержания в верхнем слое и градиентом концентрации в слое 0-40 и 80-120 см.

При обобщении данных по содержанию тяжелых металлов в отдельных слоях почвенного профиля валовое содержание отдельных ТМ в кг/га составляет в 2006 г. для Zn - 1855,4; для Cu - 553,3; для РЬ -485,9; для Ni - 1299,7; для Со -284,2; для Cd - 5,1; для Мп - 16322 кг/га.

Для корректировки степени загрязнения почв тяжелыми металлами, в пером приближении, для исследуемых почв предлагается рассчитывать их содержание в каждом слое по уравнениям парной корреляции типа У - А - B-lgX; У = А - ВХ, где X - глубина слоя; А и В - эмпирические коэффициенты.

4.4. Энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в изучаемых почвах

В соответствии со взглядами Куражковского Ю.Н. (1990), жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело (биокосную систему «почва»), только в процессе движения через объект вещества, энергии и информации (Реймерс Н.Ф., 1994).

В настоящее время проводят энергетическую оценку почв (Волобуев В.Р., 1959; Алиев С.А., 1978; Савич В.И., 2004) и энергетическую оценку систем земледелия (Шатилов И.С., 2004; Герайзаде А.П., 1988; Володин В.М., 2000; Свен-тицкий И.И., 1981; Булаткин А.Г., 1987).

В главе рассмотрены аспекты энергетической оценки почв и систем земледелия при загрязнении их тяжелыми металлами. Представлены экспериментальные материалы по ИК спектрам изучаемых черноземов, загрязненных и не загрязненных свинцом, по анализу цветовой гаммы почв этих образцов методом компьютерной диагностики в цветовых системах Lab, RGB, CMYK, по энергетической оценке испаряющихся из почв вод методом газоразрядной визуализации. Показано, что изменение энергетического состояния почв при загрязнении их тяжелыми металлами обусловлено не только уменьшением биопродуктивности угодий и накопления энергии, но также изменением энергии активации реакций, энтропии процессов.

4.5. Взаимосвязь состояния тяжелых металлов в компонентах агро-ландшафтов Краснодарского края

Содержание тяжелых металлов изменяется не только по почвенному профилю, но и в пространстве в пределах поля.

Как правило, развитие надсистем определяет многие ограничения в развитии входящих в них подсистем (бассейн - ландшафт - катена - почва - горизонты

- мезо и микрозоны). При этом процессы-организаторы стимулируют развитие по определенным направлениям. Целое ограничивает число степеней свободы изменения своих частей.

В работе рассмотрены взаимосвязи содержания тяжелых металлов в почвах по профилю, в пределах поля, на отдельных элементах рельефа, в поверхностных водах, в приземном слое воздуха, в растительности, в кормах для животных, в продуктах животноводства.

4.5.1. Изменение содержания тяжелых металлов в пространстве в пределах поля

В связи с неоднородностью в пределах производственных участков уровня грунтовых вод, микрорельефа и гранулометрического состава, структуры почвенного покрова на участках изменяется и содержание тяжелых металлов, что, с нашей точки зрения, необходимо учитывать при оценке степени загрязнения почв. Для этих целей целесообразно рассчитывать коэффициент варьирования содержания тяжелых металлов в почвах, коэффициенты асимметрии и эксцесса. Таблица 10 □ Вариационно-статистические характеристики содержания подвиж-

ных форм тяжелых металлов в верхнем слое почв (2006 г.)

Элемент Среднее Ошибка средней Минимум Максимум Доверительный интервал при Р = 0,05 Коэффициент вариации ПДК

содержание подвижных форм

Со 3,04 0,03 0.06 0,16 2.99-3,10 16,90 5,0

Ъп 5,64 0.07 2,92 11.72 5,51-5,78 22,09 23,0

Си 5.29 0.06 3,34 8,94 5,18-5,40 19.48 3,0

Мп 200,90 1,91 127,40 342,30 197,21-204,7 17,54 500,0

РЬ 3.59 0.05 1,73 6,97 3,50-3,69 24,76 6,0

са 0.04 0,001 0,02 0,08 0,10-0,10 16,19 0,2

№ 6,06 0,05 4,32 9,58 5,97-6.16 14,31 4,0

В пределах структуры почвенного покрова в пределах полей встречаются почвы разной степени эродированности и намытости, глееватости, что приводит к существенному изменению физико-химических и агрохимических свойств почв, а, следовательно, и содержания в отдельных компонентах структуры почвенного покрова подвижных форм тяжелых металлов. При этом на склонах отмечается совместное развитие водной и ветровой эрозии: водной весной после таяния снега и при значительной интенсивности осадков в отдельные дни, а ветровой - при пересыхании верхнего слоя и скорости ветра более 11 м/сек.

По полученным данным, изменение содержания тяжелых металлов в пределах полей необходимо учитывать для уточнения степени загрязнения производственных участков тяжелыми металлами, т.к. при вычислении средних арифметических величин не учитываются площади с высоким, часто выше ПДК содержанием тяжелых металлов. Это особенно важно при использовании интенсивных технологий, при применении высокоточного земледелия и для получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции. Для уточнения степени загрязнения почв с учетом варьирования содержания ТМ в пределах поля предлагается вычисление коэффициента варьирования (У%), показателей асимметрии и эксцесса, до-

ли площадей в структуре почвенного покрова - поля разной степени загрязнения, необходимо составление картограмм загрязнения полей тяжелыми металлами и учет максимальных значений загрязнения. ТМ, = ТМс • к-У%, где ТМс - среднеарифметическое содержание, У% - коэффициент варьирования, к - степень влияния коэффициента варьирования на уровень загрязнения при близких значениях числа образцов в сравниваемых вариационных рядах, т.к. коэффициент варьирования уменьшается с увеличением численности выборки.

Как установлено проведенными нами исследованиями, у всех тяжелых металлов варьирование содержания подвижной формы выше варьирования валового содержания. Коэффициент вариации валового содержания тяжелых металлов по результатам определения их на площади 7500 га в 2001 г. составил следующий ряд:

РЬ (26,4%) > Сс1 (13,3%) > Со, Си (10,9%) > Мп, Ъъ. (9,6-9,2%) > № (7,6%).

Коэффициент вариации валового содержания тяжелых металлов по результатам определения их в 2006 г. составил следующий ряд: Сё (23,9%) > РЬ, Си, Ъъ (11,6-13,2%) > Мп, № (8,3-6,6%), а для подвижных форм РЬ (24,8%) > 7л\ (22,1%) > Си (19,5%) > Со, Мп, Сё, № (14,3-17,5%), т.е. во всех случаях коэффициент вариации выше для РЬ и ниже для №, Мп.

4.5.2. Изменение содержания тяжелых металлов в почвах по элементам рельефа

Проведенными исследованиями установлено закономерное изменение содержания тяжелых металлов в почвах разных элементов рельефа. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.

Таблица 11 □ Содержание тяжелых металлов в почвах на разных элементах

рельефа

Элемент рельефа 2а РЬ Со Си Мп №

валовое содержание

южный склон 74,9 15,1 13,5 23,2 725 55,3

аккумулятивная зона 79,5 19,8 13,6 26,2 870 62,7

подвижные юрмы

южный склон 4,5 4.3 12,8 5,6 185 8,7

аккумулятивная зона 10,2 3,9 12,4 6,8 276 5,9

Как видно из представленных данных, валовое содержание тяжелых металлов и содержание их подвижных форм выше в большинстве случаев в почвах аккумулятивных элементов рельефа по сравнению со склонами.

Важное значение для перераспределения ТМ по профилю почв, в катене и по элементам ландшафта имеет наличие в почвенном профиле и в катене геохимических барьеров: сорбционного - обусловленного наличием органического вещества и емкостью поглощения почвами катионов, окислительного - вызывающего выпадение в осадки в окислительных условиях катионов переменной валентности Бе, Мп, Си, частично РЬ, Сг, восстановительного и сульфидного - обусловливающих образование осадков сульфидов, щелочного и карбонатного - находящегося в нижних слоях чернозема. При с/х использовании почв интенсивность действия этих барьеров изменяется.

Средние арифметические коэффициенты корреляции содержания тяжелых металлов от X, по элементам рельефа вычислены при включении в выборку всех изучаемых тяжелых металлов.

Величина коэффициентов корреляции и сумма коэффициентов корреляции зависимости У от X, без учета знаков характеризует степень устойчивости системы, степень ее прогрессивного развития (Синельников Э.П., 1988; Савич В.И., 2009, 2014). Данные, полученные для исследуемых почв, приведены в следующей таблице.

Таблица 12 □ Коэффициенты корреляции содержания подвижных форм тяжелых металлов и свойств почв на разных элементах рельефа ((гумус - Хь

< 0,01 мм - Х2; Юз - Х3; ЫН, - Х4; Р205 - Х5)

Элемент рельефа и тяжелые металлы X, Х2 Х3 X, х5 V

северное плато 0,90±0,0 -0,48±0,06 0.80±0,00 0,80±0,03 0,90±0,00 3,88

южное плато 0,77±0,05 -0,31±0,05 0,80±0,03 0,72±0,05 0,78*0,05 3,38

северный склон 0,82±0,05 -0,04±0,02 0,85±0,04 0,63±0,08 0,82±0,05 3,06

южный склон 0,68±0,10 -0,26±0,05 0,68±0,10 0,77±0,07 0,80±0,06 3,19

аккумулятивный рельеф 0,88±0,02 -0,40±0,08 0,83±0,04 0,90±0,00 0,90±0,00 3,91

РЬ 0,68±0,12 -0,31±0,13 0,66±0,10 0,64±0,10 0,78±0,06 3,07

Со 0,82±0,04 -0,30±0,11 0,80±0,03 0,80±0,05 0,90±0,00 3,62

Си 0,82±0,09 -0,29±0,09 0,74±0,07 0,72±0,09 0,76±0,06 3,33

Хп 0,80±0,05 -0,29±0,08 0,80±0,06 0,76±0,06 0,84±0,07 3,49

Ж 0,86±0,03 -0,35±0,08 0,86±0,03 0,86±0,03 0,82±0,02 3,75

Мп 0,89±0,01 -0.22±0,06 0,86±0.03 0,80±0,06 0,90±0,01 3,67

Как видно из представленных данных, наиболее устойчивыми системами являются почвы на плато и в аккумулятивном ландшафте, менее устойчивыми почвы на склоне.

Таким образом, с нашей точки зрения, для оценки загрязнения производственных участков с/х угодий тяжелыми металлами необходимо дополнительно оценивать изменение их содержания по профилю почв, на разных элементах рельефа, учитывать не только среднюю арифметическую величину, но и долю площадей с разной степенью загрязнения, показатели асимметрии и эксцесса.

4.5.3. Содержание тяжелых металлов в водной среде

Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах в значительной степени определяет экологическое состояние компонентов агроландшафтов. Продукты испарения из вод поглощаются почвами и растениями, вода используется для полива сельскохозяйственных угодий и из поверхностных вод поднимается по капиллярам в верхние горизонты почв, поверхностные воды используются, как источник питьевой воды, для животных.

В то же время, состав поверхностных вод в значительной степени определяется составом ложа водоемов, продуктами поверхностного и внутрипочвенного стока с окружающих территорий. В проведенных исследованиях оценено содержание тяжелых металлов в водах, в иле, в донных отложениях реки, в разные годы, в сезонной динамике, содержание тяжелых металлов в питьевой воде и в воде балок, в водах реки в зоне поселка, перед поселком и после поселка.

По полученным данным, содержание тяжелых металлов в воде реки Средняя Челбаска Краснодарского края весной, летом и осенью составляло соответственно: Со - 0,002; 0,03 и 0,02; Zn - 0,01; 0,02 и 0,05 мг/дм3, т.е. было ниже весной при разбавлении вод реки талыми водами. В воде реки в эти периоды содержание Си составляло соответственно 0,004; 0,007; 0,005; Cd - 0,0002; 0,0006; 0,0005; Ni -0,002; 0,004; 0,003; Pb - 0,006; 0,009; 0,007 мг/дм3.

Загрязнение одного компонента экологической системы неизбежно приводит к загрязнению других компонентов, и деградация одного компонента приводит к деградации других компонентов. При этом существуют прямые и обратные связи с проявлением эффектов синергизма и антагонизма.

Состав поверхностных вод тесно взаимосвязан с химическим составом ложа водоема. По полученным данным, взаимосвязь содержания Cu, Ni, Мп в поверхностных водах (У) от содержания их в иле (Х2) и донных отложениях (Х^ описывалась уравнением: У = 0,003 + 0,0001Х, - 0,0004Х2; г = 0,98; F = 66,5

Коэффициент корреляции этих элементов в воде и в донных отложениях составлял 0,96; а в воде и в иле - 0,98 (содержание в воде выражалось в мг/дм3, а в почве и в иле - в мг/кг). Аналогичные зависимости получены и для других тяжелых металлов.

Связь содержания Со, Zn, Pb в воде, в донных отложениях и в иле описывалась уравнением: У = 0,0097 + 0,0005Х! - 0,0015Х2; г = 0,94; F = 22,6. Коэффициент корреляции содержания Cu, Zn, Pb в поверхностных водах и в донных отложениях составлял 0,94; в водах и в иле - 0,78.

Поверхностные воды обладают определенными свойствами, процессами и режимами, что характеризуется информационно-энергетической оценкой состояния вод. Указанная оценка идентифицируется по математическим структурным взаимосвязям между химическими показателями качества вод, состоянием вод и других компонентов ландшафта, по содержанию в водах комплексов и ассоциа-тов, положительно и отрицательно заряженных соединений катионов, буферности вод, по их самоочищающей способности, изменению состава вод во времени и в пространстве, по энергетическим параметрам вод.

Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах и в почвенных растворах изменялось при загрязнении почв свинцом. В проведенном модельном опыте оценивалось содержание водорастворимых форм Pb, Ni, Fe, Mn, Zn, Cu в поверхностной воде (отношение почва - Н20 = 1:10). Содержание этих элементов в воде над черноземом и черноземом, загрязненным свинцом, составляло соответственно Pb - 0,06 и 0,19 мг/л; Си - 0,05 и 0,07 мг/л. Для выпаханного чернозема эти показатели были соответственно равны: Pb - 0,08 и 1,1 мг/л; Fe - 0,03 и 0,05; Мп-0,02 и 0,19; Си-0,01 и0,02 мг/л.

4.5.4. Содержание тяжелых металлов в воздушной среде, в испарениях из почв и в продуктах трансипрацни из растений

Тяжелые металлы содержатся в воздушной среде, и загрязнение ими в значительной степени определяет загрязнение почв и растительности (Экологические функции литосферы, 2000). Кроме того, в воздушной среде содержатся другие компоненты, токсичные для биоты почв и растений. Следовательно, при загряз-

нении воздушной среды токсичное влияние тяжелых металлов на систему почва-растение увеличивается, а значение ПДК в почве должно быть ниже.

Техногенные атмогеохимические аномалии формируются в результате добычи углеводородного сырья, миграции газов из хранилища бытовых отходов, значительное количество газообразных продуктов мигрирует в воздушную среду из разломов земной коры.

В то же время, чем больше почвы и воды загрязнены ТМ, тем больше тяжелые металлы мигрируют из них в воздушную среду.

Продукты транспирации растений отражают уровень плодородия почв и степень их загрязнения. Поглощаясь из воздушной среды человеком, животными, растениями и микроорганизмами, они изменяют в них течение процессов метаболизма и влияют на устойчивость биологических объектов к загрязнению. Значения ПДК по тяжелым металлам для воздушной среды значительно ниже, чем ПДК для почв.

Согласно исследованиям Савича В.И. с соавторами (2007), избыток био-фильных элементов и токсикантов в почвах приводил и к увеличению выделения их с транспирацией из растений. Так, содержание свинца в продуктах транспирации из клена составляло 0,15 мг/л; из одуванчика - 0,23; из подорожника - 0,28; из мать-и-мачехи - 0,28. Содержание меди соответственно 0,02; 0,13; 0,03; 0,09 мг/л. При обогащении почв и клена свинцом содержание его в продуктах транспирации возрастало до 0,18 мг/л. При обогащении растений медью содержание ее в продуктах транспирации увеличивалось в одуванчике до 0,27 мг/л; в подорожнике - до 0,35; в мать-и-мачехе - до 0,26 мг/л (Савич В.И., 2011,2012).

По данным автора (2012), содержание элементов в испарениях из почв составляло: Мп -0,07-0,3 мг/л; РЪ - 0,1-0,2; Бе - 0,2-0,8; Тп - 0,04-0,10; Си - 0,04-0,10 мг/л. Вблизи автотрассы содержание свинца в испарениях из почв возрастало от 0,11 до 0,18 мг/л В испарениях из почв были и положительно, и отрицательно заряженные соединения тяжелых металлов. В то же время, по литературным данным, на растение влияют тяжелые и легкие, положительно и отрицательно заряженные аэроионы.

В проведенных нами исследованиях отмечается тенденция увеличения при загрязнении почв свинцом доли положительно заряженных аэроионов. При оценке полученных данных с использованием непараметрических критериев различия содержание положительно заряженных аэроионов в черноземе выше в 2 случаях из 8, при добавлении свинца - в 7 случаях из 8. В деградированном (выпаханном) черноземе содержание положительно заряженных аэроионов выше, чем отрицательно заряженных - в 4 случаях из 8; при добавлении свинца - в 6 случаях из 8.

При загрязнении почв свинцом несколько возрастает количество аэроионов положительной полярности, уменьшается содержание аэроионов отрицательной полярности, и увеличивается коэффициент униполярности. В испарениях из почв избыточного увлажнения, по сравненшо с испарениями из почв оптимального увлажнения, несколько уменьшалась доля аэроионов отрицательной полярности и коэффициент униполярности.

Таким образом, при загрязнении почв тяжелыми металлами они переходят в воздушную среду за счет испарения из почв и за счет транспирации из растений.

При загрязнении тяжелыми металлами воздушной среды они поглощаются системой почва-растение. Загрязнение исследуемых черноземов свинцом привело к увеличению доли в испарениях из почв положительно заряженных аэроионов, что неблагоприятно для биоты.

Вода, испаряющаяся из почв, и водные вытяжки из разных почв характеризуются определенной энергетикой, определяемой методом газоразрядной визуализации и при определении аэроионов. В испарениях и водных вытяжках из черноземов эта энергетика была выше, чем в аналогичных продуктах из дерново-подзолистых почв, а в загрязненных тяжелыми металлами черноземах выше, чем в незагрязненных аналогах.

В то же время, загрязнение тяжелыми металлами воздушной среды неизбежно приводит и к загрязнению ими почв. Это иллюстрируется для исследуемого объекта с учетом расположения в районе промышленных предприятий, загрязнения воздуха и розы ветров.

Предлагается учитывать степень загрязнения воздушной среды (В3) на токсичность тяжелых металлов для биоты ТМ, и ПДК,:

ТМ; = ТМС Хк,В3; ПДК; = ПДКс -Хк.-Вз"1; где ТМС и ПДКс - показатели, установленные без учета загрязнения воздушной среды.

4.5.5. Взаимосвязь содержания тяжелых металлов в почвах, в водах, в растениях, в кормах, в продуктах животноводства, в навозе

Состояние тяжелых металлов во всех компонентах ландшафта тесно взаимосвязано, и загрязнение одного компонента приводит к загрязнению других. Загрязнение водной и воздушной среды приводит к загрязнению почв, выращиваемых растений, кормов и продуктов животноводства. В свою очередь, загрязнение навоза тяжелыми металлами приводит к загрязнению ими почв и растительности. Пожнивные остатки растений, загрязненных тяжелыми металлами, загрязняют почву, водную и воздушную среды. То есть в агроландшафте наблюдаются прямые и обратные связи миграции тяжелых металлов между компонентами ландшафта, прямые и обратные связи развития деградации компонентов агроланд-шафта. В проведенных нами исследованиях оценивалось загрязнение тяжелыми металлами почв, водной среды, воздушной среды, растений, кормов, мяса и молока животных, экскрементов животных.

Практически все ТМ относятся к числу биологически активных элементов и всегда содержатся в организмах растений и животных. 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.

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, связано 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.

С нашей точки зрения при оценке загрязнения тяжелыми металлами любого компонента ландшафта необходимо учитывать степень загрязнения других компонентов. Деградация одного компонента ландшафта вызывает деградацию других.

Глава 5. Уточнение ПДК и ПДУ содержания тяжелых металлов в почвах с учетом протекающих процессов и режимов

Проведенные нами исследования показали существенные зависимости содержания подвижных форм тяжелых металлов от свойств почв, от протекающих почвенных и почвообразовательных процессов, в сезонной динамике, от развития почв на определенных элементах рельефа. В работе доказывается, что эти зависимости необходимо учитывать при оценке степени загрязнения почв и ПДК по тяжелым металлам. Необходимость таких уточнений диктуется и известными законами экологии.

Закон совокупности действия факторов, сформулированный Бауне Б., Тин-неманом, говорит о том, что взаимосвязь факторов и их взаимное усиление и ос-

лабление определяют их воздействие на систему (в данном случае почву) и эффект влияния. При этом важно не только воздействие извне, но состояние системы (степень деградации или плодородия почв).

Согласно закону толерантности Шелфорда В. и постулатам Одума Ю., оптимальная зона и пределы выносливости организма (растений, почвы) по отношению к тому или иному фактору могут заметно смещаться в зависимости от того, в каком сочетании и с какой силой действуют одновременно другие факторы. При этом одни и те же факторы в сочетании с другими оказывают неодинаковое экологическое действие.

Аксиома эмерджентности свидетельствует о том, что целое больше суммы его частей и всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей - подсистем.

Проведенные исследования позволили предложить алгоритмы уточнения степени загрязнения почв тяжелыми металлами и ПДК по ним.

Степень загрязнения почв с учетом соотношения положительно и отрицательно заряженных соединений тяжелых металлов

ТМ; = ТМс • к(МЬп+/МЬп")

Степень загрязнения почв с учетом скорости перехода тяжелых металлов из почвы в раствор:

ТМ; = ТМс • кУп

Степень загрязнения почв с учетом депонирующей способности почв к тяжелым металлам:

ТМ, = ТМс • кДеп

Степень загрязнения почв с учетом развития дернового процесса почвообразования (Ак) и оподзаливания (М):

ТМ; = ТМс' 2к,Ак + к2М-1

Степень загрязнения почв с учетом сочетания свойств почв (гумуса, емкости поглощения, рН, ЕЬ, гранулометрического состава):

ТМ; = ТМс' Ек,Г1 + к2 Е'1 + кзрНГ1

1. Загрязнение почв производственного участка тяжелыми металлами пропорционально коэффициенту варьирования их содержания во времени и в пространстве

ТМ; = ТМс" кУ%

2. Прогноз содержания тяжелых металлов (Уп+ь) в почвах с учетом темпа загрязнения почв (АУ):

Уп+1 = У„ + ЬАУ, где Уп - содержание в год анализа, Ь - число лет, ДУ -значение среднего абсолютного прироста за год

3. Уточнение степени загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом соотношения содержания тяжелых металлов и катионов в водорастворимой форме и в подвижном состоянии:

ТМ; = ТМс • £к (ТМ/К), где К - катионы Са, Мд, К, Бе.

4. Уточнение степени загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом загрязнения водной (В) и воздушной среды (Аэ):

ТМ; = ТМс-(к,В + к2Аэ)

5. Уточнение степени загрязнения почв с учетом их расположения в ландшафте:

ТМ, = ТМС • к-Э"1, ТМ = ТМс-к-ЬГ1, где Э - степень развития эрозии, Н - степень намытости почв в аккумулятивных элементах рельефа.

Алгоритмы уточнения ПДК по тяжелым металлам с учетом углубленной оценки их состояния в почве и взаимосвязей состояния в компонентах ландшафта

Предельно допустимая концентрация содержания тяжелых металлов в почвах с учетом соотношения их положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений:

ПДК; = ПДКс ■ к (мьп7мьпу'

Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов с учетом скорости их перехода из твердой фазы в раствор: ПДК, = ПДКс-Хк^Г1

Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почвах с учетом депонирующей способности почв по отношению к ним: ПДК; = ПДКс • кДеп"1

Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почвах с учетом развития дернового процесса почвообразования (Ак) и элюирования (М): ПДК; = ПДКс ■ Ек, Ак1 + к2М

Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почвах с учетом взаимосвязей свойств почв (содержания гумуса, емкости поглощения, рН, ЕЬ, гранулометрического состава):

ПДК, = ПДКс' £к;Г + к2 Е + к3рН + к4ЕЬ

Глава 6. Способы уменьшения токсичности тяжелых металлов в почвах

При загрязнении компонентов агроландшафта тяжелыми металлами более эффективна оптимизация их состояния во всех компонентах.

В работе показана перспективность мелиорации поливных вод (Дубенок Н.Н., Гукалов В.Н., 2014), уменьшения загрязнения растений и кормов за счет внесения удобрений, уменьшения подвижности тяжелых металлов в почвах при их осаждении в виде карбонатов и осадков гидроокисей, при сорбции цеолитом, при электромелиорации после предварительного увеличения подвижности тяжелых металлов с использованием комплексонов, за счет фиторемедиации.

В работе показано, что при фиторемедиации происходит уменьшение содержания водорастворимых форм при постоянстве валового содержания и в почвах тяжелого гранулометрического состава - при постоянстве содержания подвижных форм.

Эффективность фиторемедиации почв определяется следующими параметрами взаимосвязей в системе почва-растение: 1) коэффициентом накопления тяжелых металлов культурой; 2) устойчивостью культуры к загрязнению; 3) соотношением корневой и надземной массы; 4) биологическим урожаем на загрязненной почве; 5) кратностью удаления биомассы с поля в течение вегетационного периода; 6) влиянием корневых остатков на подвижность тяжелых металлов в почве; 7) глубиной распространения основной массы корней и поглощением тяжелых

металлов из разных слоев почвенного профиля; 8) изменением перечисленных факторов при внесении удобрений.

В работе в модельном опыте изучена возможность изменения эффективности фиторемедиации при внесении в почву гуматов различного состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предлагается информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в почвах и во всех компонентах агроландшафтов, учитывающая взаимосвязи содержания тяжелых металлов со свойствами почв, взаимосвязи их состояния в компонентах ландшафта, по профилю почв и в пределах урбанизированных экосистем, в сезонной динамике.

2. Доказывается необходимость дополнительной оценки состояния тяжелых металлов в почвах по скорости их перехода из почвы в раствор, депонирующей способности почв, содержанию положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов, по математическим взаимосвязям содержания тяжелых металлов в почвах с физико-химическими свойствами почв.

3. Валовые концентрации основных тяжелых металлов и их подвижных форм для всей территории агроландшафта и полигона мониторинга, установленные на основании результатов площадных съемок 1998, 2001, 2006 г.г., показали по ряду элементов (марганец, никель, медь, свинец) заметное увеличение (до 8%) особенно за последний 5-летний период и имеют высокую сопряженность (9495%), что подтверждает правильность выбора участков исследования. Наиболее сильно увеличилась концентрация кадмия (до 70%) и незначительно (до 5%) - остальных элементов (цинк и кобальт). Процент подвижных форм тяжелых металлов в почвах от их валового содержания составляет для Со -23,8%, Ъл - 7,8; Си -19,6; Мл - 27,6; РЬ - 15,8; С(1 - 18,2; № - 11,7. Мп > Со > Си > Сд > РЬ > № > 2п.

4. Суммарный показатель загрязнения, по данным 2006 г., (Ъс = 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; Л2 = 0,896); и кобальта - (У = 0,1481 + 0,499; Я2 = 0,712) указывает на антропогенный источник этих металлов и прогрессирующее их накопление к летнему периоду.

5. В изучаемом ландшафте по содержанию ТМ сложилась эколого-геохимическая обстановка, когда валовые количества превышают кларковую 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.

6. С большей 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). Однако такой темп роста представляет значительный экологический риск и требует тщательного контроля содержания этих металлов в почве; временные модели краткосрочного и среднесрочного прогнозов накопления наиболее про-

блемных ТМ подтверждают высокую интенсивность накопления свинца, кадмия и кобальта.

7. На перераспределение тяжелых металлов в почвенном профиле, в структуре почвенного покрова и в катене существенно влияют протекающие почвообразовательные процессы, геохимические барьеры отдельных горизонтов, процессы деградации почв.

Для почв 2-го полигона содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах пашни и лесополос в горизонте Ап (АО составляло соответственно Со -2,9 и 3,3 мг/кг; Тп - 5,9 и 7,1; Си - 5,5 и 5,9; Мп - 218,3 и 255,4; N1 - 6,7 и 7,2; РЬ -3,4 и 3,8 мг/кг при ^критерии от 3,3 до 5,9. Накопление тяжелых металлов отмечалось и в глубине почвенного профиля в горизонте оглинивания.

Показано, что на элюирование тяжелых металлов из почв влияют интенсивные и экстенсивные параметры продуктов разложения растительного опада: рН и содержание Н+ в мигрирующих водах, константы устойчивости образующихся комплексов и количество комплексонов в мигрирующих водах.

8. При оценке загрязнения почв тяжелыми металлами предлагается дополнительно учитывать следующие показатели.

а) Скорость перехода тяжелых металлов из почвы в раствор:

ТМ; = ТМС • кУ

Показано, что скорость их перехода из почвы в раствор ниже для черноземов, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, и ниже для глинистых черноземов, по сравнению с легкосуглинистыми.

Соотношение концентраций катионов, вытесненных за 6 суток и 10 минут составляло для глинистых и легкосуглинистых черноземов соответственно Мп -259,0 и 6,6; 2п - 5,5 и 3,0; РЬ - 5,8 и 3,6.

б) Депонирующую способность по отношению к тяжелым металлам (Д). Показано, что она выше в черноземах, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами:

ТМ; = ТМС • кД

Депонирующая способность почв по отношению к тяжелым металлам по сумме вытесненных подвижных соединений составляла (мг/100 г) для изучаемого чернозема и чернозема дегумифицированного соответственно Бе - 129,5±13,4 и 21,4±8,8; Мп - 37,1+34,5 и 0,75±0,10; 2п - 1,20±0,8 и 0,57±0,1; РЬ - 0,52±0,15 и 0,20±0,09.

в) Долю отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов (М1.П7М1/")

ТМ; = ТМС • к(МЪп7'МЬ°71

Содержание суммы положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов в почвах, вытесняемых из твердой фазы при напряжении 12 в и времени 10 минут, составляло по Са - 1-2 мг/100 г; Mg - 2-4; Бе - 0,10,02; РЬ-0,03-0,002.

г) Содержание подвижных форм тяжелых металлов в корнеобитаемом слое, кг/га. Показано, что уменьшение содержания тяжелых металлов по профилю исследуемых почв хорошо описывается уравнениями типа:

У = А-ВХ;У = А-В^Х

Соотношение содержания элементов в слое 0-40 и 80-120 см для северного и южного плакорного участков соответственно составляло Сс1 - 1,1 и 1,1; № - 2,1 и 1,4; Со - 1,4 и 1,8; РЬ- 1,2 и 1,3; гп - 1,5 и 1,3, Мп- 1,9 и 1,6.

9. Предлагается дополнительно оценивать состояние тяжелых металлов в почвах по математическим взаимосвязям их содержания с физико-химическими свойствами почв. В исследуемых почвах содержание их подвижных форм прямо пропорционально содержанию гумуса и обратно пропорционально рН и ЕЬ, емкости поглощения почв.

Установлен следующий ряд влияния гумуса на содержание подвижных форм тяжелых металлов: Мп > № > РЬ > Со > Си > 7п > С<1

10. Предлагается оценивать степень загрязнения почв с учетом загрязнения поверхностных вод (ПВ) и воздушной среды (В), тренда изменения содержания во времени:

ТМ; = ТМс + (сГГМ/сК) • I

ТМ; = ТМс • к-ПВ; ТМ; = ТМС • к-В

Связь содержания Си, N1, Мп в поверхностных водах (У), в донных отложениях (X,) и в иле (Х2) описывалась уравнением: У = 0,003 + 0,0001X1 - 0,0004Х2, г = 0,98; Б = 66,5; для Со, гп, РЬ У = 0,0097 + 0,0005Х, - 0,0015Х.; г = 0,94; Б = 22,6.

11. Показано, что степень загрязнения почв в пределах производственных участков значительно варьирует, и средняя арифметическая величина не характеризует полностью степень загрязнения почв. Предлагается учитывать коэффициент варьирования, коэффициенты асимметрии и эксцесса.

12. Содержание тяжелых металлов закономерно изменяется по элементам рельефа (на плато, склонах разной экспозиции, в аккумулятивных ландшафтах). Для исследуемой территории установлены уравнения регрессии зависимости степени загрязнения почв тяжелыми металлами от мезорельефа. Предлагается учитывать эти закономерности при уточнении загрязнения почв производственных участков.

13. В связи с изменением степени загрязнения почв тяжелыми металлами от скорости их перехода из твердой фазы в раствор, депонирующей способности почв, сочетания свойств почв, взаимосвязей в ландшафте (Х;), предлагается корректировка ПДК по тяжелым металлам:

ПДК^ПДКс-ВД,

14. Показано, что фиторемедиация почв уменьшает содержание водорастворимых форм тяжелых металлов, не изменяя статистически достоверно их валовое содержание. Предлагается для увеличения интенсивности очищения почв применение комплексонов и гуматов, селективно обогащенных микроэлементами, для повышения устойчивости растений к загрязнению.

Работы, опубликованные по теме диссертации

По материалам диссертации опубликованы 4 монографии и 70 статей, в т.ч. 20 работ, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Статьи в реферируемых журналах: 1. Гукалов, В.Н. Содержание органического вещества по профилю почвы и его связь с содержанием тяжелых металлов (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ле-

нинградского район / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко,, O.A. Мельник // Экологические проблемы Кубани. 2006. № 32. - С. 153.

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

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

4. Гукалов, В.Н. Влияние посевов и органических удобрений на трансформацию азота в черноземе выщелоченном / В.Н. Гукалов, М.Д. Алифиров, И.С. Белюченко, Г.В. Волошина, В.В. Гукалов, O.A. Кобецкая, O.A. Мельник, А.Г. Фалин // Тр. КубГАУ. - 2007. - №5 (9). - С. 79.

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

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

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

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

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

10. Гукалов, В.Н. Динамика подвижного кадмм по почвенным слоям чернозема обыкновенного / В.Н. Гукалов // Тр. КубГАУ. - 2011. - №31. - С. 165.

11. Гукалов, В.Н. Фракционный состав поливалентных катионов в дерново-подзолистых почвах и черноземах, как фактор плодородия / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, Д.Н. Никиточкин, ШО. Карауш // Агрохимический вестник - 2014. N22 -С. 22.

12. Гукалов, В.Н. Скорость вытеснения тяжелых металлов из черноземов и депонирующая способность черноземов, как факторы корректировки степени загрязнения почв / Гукалов В.Н., В.И. Савич, Д.Н. Никиточкин // Плодородие. - 2014. -№2. - С. 44.

13. Гукалов, В.Н. Влияние мелиорации поливных вод на свойства почв / В.Н. Гукалов, В.И . Савич, H.H. Дубенок, Г.Б. Подволоцкая // Международный с/х журнал-2014. - №5-С. 33.

14. Гукалов, В.Н. Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в черноземах/ В.Н. Гукалов, В.А. Черников, В.И Савич, C.JI. Белопу-хов,И.Г. Шайхиев // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2014. - т. 17 -№21.-С. 178.

15. Гукалов, В.Н. Оценка загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом их состояния в компонентах ландшафта / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, H.A. Трифонова // ArpoXXI. —2015.

16. Гукалов, В.Н. Поэтапное изменение свойств почв при загрязнении их тяжелыми металлами / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, H.A. Трифонова // Плодородие. - 2015. - №2.

17. Гукалов, В.Н. Очистка почв от тяжелых металлов с использованием фиторе-медиации / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, C.JI. Белопухов, A.B. Филиппова, Д.Н. Ни-киточкин // Изв. ОГАУ. - 2013. - №4.

18. Гукалов, В.Н. Информационная оценка состояния тяжелых металлов в почвах / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, C.JI. Белопухов, O.A. Шапкина // Известия ОГАУ. -2015.

19. Гукалов, В.Н. Математические структурные взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов и свойствами почв, как фактор корректировки моделей плодородия почв / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, A.B. Филиппов, С.А. Измайлова // Известия ОГАУ.-2015.

20. Гукалов, В.Н. Морфогенетические поля, как фактор почвообразования и плодородия почв / В.Н. Гукалов, C.JI. Белопухов, В.И. Савич, К.С. Елисеев // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2014. - т.17 - №22. - С. 194.

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, Л.Н. 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, Л.Н. Ткаченко. Способ производства органоминерального удобрения.

Монографии

1. Гукалов, В.Н. Тяжелые металлы в системе агрофитоценозов / В.Н. Гукалов. -Краснодар, 2010. - 345 с.

2. Гукалов, В.Н. Трансформация валовых и подвижных форм тяжелых металлов в агроландшафтных системах: Монография. - Краснодар: КубГАУ, 2014. -219 с.

3. 3. Гукалов, В.Н. Оптимизация свойств почв в период интенсивного ведения с/х производства и загрязнения среды / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, Д.Н. Никиточ-кин, М.М. Гераськин, В.А. Седых. - М.: ВНИИА, 2014. - 470 с.

4. Гукалов, В.Н. Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в почвах / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, И.С. Белюченко. - М.: ВНИИА -2015-235 с.

Статьи и доклады на конференциях

1. Гукалов, В.Н. Состав и особенности функционирования вспомогательных подсистем агроландшафта / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, H.H. Мамась, Н.В. Швыдкая // Экологические проблемы Кубани. - 2001. - №10. - с. 21.

2. Гукалов, В.Н. Динамика тяжелых металлов в системе агроландшафта / И.С. Белюченко, В.Н. Гукалов, А.И. Мельченко и др. // Экологические проблемы Кубани.-2001.-№ 10.-С. 64.

3. Гукалов, В.Н. Содержание тяжелых металлов в почвах агроландшафта / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, И.Ф. Высоцкая, А.И. Мельченко // Экологические проблемы Кубани. - 2001. - № 12. -С. 105.

4. Гукалов, В.Н. Экологическая оценка ландшафтных систем Ленинградского района / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. Ленинградский район. - 2002.-№16,-С. 3.

5. Гукалов, В.Н. Экологическое состояние малых рек Ленинградского района / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. Ленинградский район. - 2002. -№16.-С. 44.

6. Гукалов, В.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами, Ленинградский район /

B.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. - 2002. - №16. - С. 83.

7. Гукалов, В.Н. Сезонная и годовая динамика кадмия в обыкновенном черноземе (на примере Ленинградского района) / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. - 2003. - №20. - С. 31.

8. Гукалов, В.Н. Динамика различных форм свинца в верхнем слое почвы аграрного ландшафта / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. - 2003. -№20. - С. 50.

9. Гукалов, В.Н. Валовые и подвижные формы свинца в аграрных ландшафтах Кубани / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, И.Ф. Высоцкая // Экологические проблемы Кубани. - 2003. - №20. - С. 100.

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

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

C.7.

12. Гукалов, В.Н. Содержание свинца в ландшафтах степных рек Кубани / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. - 2005. - №30. - С. 19.

13. Гукалов, В.Н. Содержание кобальта в агроландшафтах колхоза «Заветы Ильича» Ленинградского района / В.Н. Гукалов, М.В. Яценко // Экологические проблемы Кубани. - 2005. - №30. - С. 82.

14. Гукалов, В.Н. Динамика валового и подвижного марганца в системе агроландшафта (на примере изучения агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленин-

градского района Краснодарского края) / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, М.М. Демченко // Экол. вестник Сев. Кавказа. - 2006. - т. 2. - №2. - С. 55.

15. Гукалов, В.Н. Оценка влияния отходов животноводства на содержание кобальта в компонентах агроландшафта / В.Н. Гукалов, М.В. Яценко // Экологические проблемы Кубани. - 2006. - №32. - С. 36.

16. Гукалов, В.Н. Содержание металлов в отходах животноводства / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, М.М. Демченко // Экологические проблемы Кубани. - 2006. -№32. - С. 47.

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

18. Гукалов, В.Н. Динамика подвижных и валовых форм меди в системе агроландшафта / В.Н. Гукалов, И.С. Белюченко, Н.П. Бережная // Экологические проблемы Кубани. - 2006. - №32. - С. 71.

19. Гукалов, В.Н. Динамика органического вещества и проблемы его трансформации в почвах агроландшафта степной зоны края / В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. -2007. - Т. 3.-№1.-С. 5.

20. Гукалов, В.Н. Комплексный подход к совершенствованию функционирования агроландшафтных систем / В.Н, Гукалов // Экологический Вестник Северного Кавказа. - 2007. - Т.З. - №1. - С.91.

21. Гукалов, В.Н. Особенности гидрохимии реки Челбаска / В.Н. Гукалов // Экологический Вестник Северного Кавказа. - 2007. - Т.З. - №1. - С.102.

22. Гукалов, В.Н. Содержание подвижного и валового никеля в черноземе обыкновенном / В.Н. Гукалов, И.Н. Анипкин, И.С. Белюченко // Экологический Вестник Северного Кавказа. -2007. -№33. -С. 10.

23. Гукалов, В.Н. Влияние никеля на продуктивность озимой пшеницы и его накопление в зерне / В.Н. Гукалов, И.Н. Анипкин // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -

2008. —Т. 4.—№3. —С. 5.

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

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

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

27. Гукалов, В.Н. Концентрация тяжелых металлов в почвах агроландшафта по результатам площадных съемок / В.Н. Гукалов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. -

2009.-Т. 5. — №4. — С. 17.

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

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

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

31. Гукалов, В.Н. Экологическое состояние водных ресурсов агроландшафта / В.Н. Гукалов // Вестник Сев. Кавказа. - 2010. - Т. 6. - № 1. - С. 17.

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

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

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

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

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

37. Гукалов, В.Н. Технология использования отходов промышленного и сельскохозяйственного производства для мелиорации сельскохозяйственных земель /

B.Н. Гукалов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2012. - Т. 8. - № 3. - С. 67.

38. Гукалов, В.Н. Тяжелые металлы в почвах агроландшафта (по результатам исследований ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) / В.Н. Гукалов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. - 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 15.

39. Гукалов, В.Н. Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами разных компонентов ландшафта черноземов Краснодарского края : сб. «Экология России на пути к инновациям» / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, А.Д. Степанова // Астрахань : АГУ, 2014.-вып. 10.-С. 12.

40. Гукалов, В.Н. Биологическая активность гуматов из отходов сельскохозяйственного производства : Междунар. научно-практ. конф. «Перспективы и проблемы размещения отходов производства и потребления в агроэкосистемах» / В.Н. Гукалов, В.И. Савич, Д.Н. Никиточкин, С.А. Измайлова // Н.Новгород. - 2014. -

C. 12.

41. Гукалов, В.Н. Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в почвах / В.Н. Гукалов, В.И. Савич // конф. : РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2014.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Подписано в печать 26.06.2015 г. Формат 60x84 Vi6. Усл.печ.л.2,86. Тираж 100 экз. Заказ 396.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул.,44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-40-64