Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Трансформация и миграция соединений свинца, кадмия и цинка в дерново-подзолистой почве

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация и миграция соединений свинца, кадмия и цинка в дерново-подзолистой почве"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УЖ 631.416.9

ЦАПЛИНА Марина Александровна

ТРАНСФОРМАЦИЯ И МИГРАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ СВИНЦА, КАДМИЯ И ЦИНКА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель: доцент,кандидат

биологических наук А.И.Обухов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных

наук, профессор В. И.Савич

кандидат биологических наук А.А.Алексеев

Ведущее учреждение - Почвенный институт им. В.В.Докучаева

в вуд. М-2. на заседании специализированного совета К 053.05.16 МГУ им. М.В.Ломоносова.

Адрес специализированного совета: 119699, Москва, ГСП, Ленинские горы, МУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " " __ 1991 г.

Заитита состоится

«е-ЗГ»

1991 г. в 15 ч. 30 мин.

Ученый секретарь специализированного совета /¿^у у ¿гК Г.В.Мотузова

Актуальность проблемы Одними из наиболее опасных соединений, поступающих в природные объекты в результате хозяйственной деятельности человека, являются тяжелые металлы /ТЫ/. Техногенное загрязнение почв ТМ приводит к1 накоплению в них элементов в десятки и сотни раз превышающему фоновый уровень. Значительная доля соединений ТМ, поступающих в почву, остается при этом мобильной и может потребляться растениями, а затем по пищевым цепям поступать в организмы животных и человека, мигрировать в почвенно-грунтовые воды. Теоретической основой природоохранных мероприятий и восстановления плодородия почв, подверженных воздействию техногенных выбросов ТМ, а также при разработке ГЩК металлов в почвах является раскрытие механизмов трансформации соединений металлов техногенной природы, изучение их подвижности в биогеоценозах я доступности для растений. В настоящее время эти вопросы разработаны еще недостаточно.

Цель и задачи исследования Основной целью работы явилось комплексное изучение^ поведения свинца, кадмия и цинка,., поступивших..в-дьркоьо-подзолистую почву из состава различных соединений, в ходе многолетнего полевого опыта, исследование процессов трансформации и миграции металлов в почве и сопредельных средах /почвенно-грунтовых водах, растениях/. При выполнении работы были поставлены следующие задачи: I/ изучить процессы трансформации соединений свинца, кадоия и цинка в дерново-подзолистой почве, оценить устойчивость твердофазных техногенных соединений ТМ в естественных условиях; Z/ полупись количественные параметры миграции РЬ, Сс1 и 2п В почве, выявить возможные механизмы Миграции ТМ} 3/ изучить роль корневых систем луговых растений в перемещении ТМ; 4/ изучить влияние различите соединений РЬ, Сс1 и ъ п на естественную растительность, оценить урбьень накопления ТМ растениями в зависимости от фактора времени й содержания металлов в почве; 5/ оценить возможность загпяанония почвенмо-грунтовых вод ТМ при поступлении металлов на поверхность почвы в *о-

де наблюдения за концентрацией металлов в лизиметрических водах; 6/ выявить наиболее чувствительные показатели для ведения мониторинга и разработки ЦЯД ТМ в почвах.

Научная новизна С помощью фазового рентгеновского анализа.выявлено Наличие оксидов ТМ в почве опытов, оценена кинетика растворения оксидов ТМ в почве. Определены количественные показатели миграции свинца, кадмия и цинка от зоны внесения. Установлено, что горизонтальная миграция элементов превышает вертикальную, расстояние на" которое перемещаются металлы,зависит от химической формы соединений металлов. Выявлено, что основными факторами, определяющими характер миграции ТМ в дерново-подзолистой почве, являются захват и перемещение металлов корневыми системами растений, а также процесс диффузии. Получены данные об интенсивности накопления ТМ многолетними травами в зависимости от содержания металлов в почве в природной обстановке. Установлено, что наиболее чувствительными показателями для ведения мониторинга и нормирования ТМ б почве являются динамика содержания металлов в почвенных растворах и растениях, при многоэлеыентном загрязнении поче ТМ в первую очередь необходимо контролировать в почве содержание кадмия, как наиболее миграционно-активного и токсичного элемента.

Практическая ценность' Полученные данные могут быть использозами при оценке возможности и прогноза загрязнения ТМ природных объектов, прилегающих к предприятиям цветной металлургии /ДМ/, ТЭЦ»ГРЭС, сельскохозяйственным полям, загрязненным осадками сточных вод /грунтовых вод, водоемов, растительности/, а также при разработке ВДК ■ ТМ в почвах.

Апробация Работу Основные результаты исследований были доложены на X конференции молодых ученых факультета почвоведения МГУ /Маскза, 1988/, на I Всесоюзной конференции "Растения и промышленная среда"

/Днепропетровск, 1990/, на 9 Всесоюзной конференции "Биологическая роль микроэлементов /Самарканд, 1990/, на заседании кафедры химии

почв факультета почвоведения МГУ в 1991 г. Публикации .По теме диссертации опубликовано работ. Объем работа Диссертация изложена на /^¡"страницах машинописного текста, содержите?/? таблиц , ^рисунка Список использованной литературы включает наименования, из которыхработ на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ С целью исследования закономерностей миграции и трансформации соединений свинца, кадмия, цинка и для моделирования реально происходят^ процессов загрязнения почв ТЫ вблизи предприятий ЦМ были ьаложены две серии полевых модельных опытов на дерново-подзолистой почве на территории Агробиостанции ИГУ "Чашшково" /Солнечногорский район Московской области/.

I серия опытов Почва слабодерновая глубокоподзолистая на флювиот;-циальных супесях под ельником-кисличником. 11а поверхность зкспери-

о

ментальных площадок /1м / в 1981 г. были внесены различные формы соединений свинца,"кадмия и цинка: пыль с фильтров тонкой очистки предприятия ДМ, оксиды, нитраты. Опыт был заложен по схеме:

* экспериментальной . Расчетная концентрация металлов

площадки. Форма вне- при внесении, мг/кг /слой почвы

сепия. 0 - 10 см/

1, контроль —

2, пыль 500 РЬ, 340 30 С<*

3, оксиды 500 РЬ, 500 2 л, 50 Сд

4, нитраты - доза. I 250 РЬ, 250 '¿п, 50 Сс1

5, нитраты - доза'2 500 РЬ, 500 &п,100 0(1

6, нитраты - доза 3 1000 РЬ.КОО Со(

В 1964 г./через 3 года после внесения ТМ/ на кавдой экспериментальной площадке были заложены разрезы-траншеи, в которых были отобраны образцы почвы послойно по профилю почвы, а также через каждые 5 см от краев экспериментальных площадок до расстояния 50 см. Повторный отбор образцов был произведен в 1989 г. 2 серия опытов Почва дерново-неглубокоподзолистая старопахотная лод луговой растительностью /цуншце-з лаковый разнотравный луг/. ТМ были внесены в форме пыли, оксидов, нитратов в дозе 500' мг/кг РЬ и £п, 50 мг/кг Сс1- Предварительно в пределах каждой экспериментальной' площадки были заложены лизиметры на глубинах ? и 15 см. Дважды в год, весной и осень», откачивали лизиметрические вода, измеряли их объем и значения рН, определяли содержание ТМ. Также два ' раза в год, в июне и августе, производили скашивание растений, количественный учет фитомассы и после озоления растений определяли содержание металлов. В 1989 г., через 4 года после внесения ТМ, на экспериментальных площадках были заложены разрезы-траншеи, в которых были отобраны образцы почвы также,как и б первой серии опытов. Из образцов почвы отмыванием на ситах были выделены корни. Для фракционирования ТМ в почве использовали вытяжки со следующими ок-страгентами: вода, ацетатно-аммонийный буфер /МБ/ рН=4.8, 1н.НЫ0д /Методические указания' ..., 1981/. Водную вытяжку и лизиметрические воды фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0.23 и концентрировали упариванием. При анализе растительного материала использовали метод кислотного озоления. Конечное определение ТМ проведено методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборах фирм Беркин-Эльмер и Хитачи, при низких, концентрациях ТМ использованы деЯтериевый корректор фона или эффект Зеемана для учета нерелективных помех. Были определены некоторые физико-химические характеристики почв опыта: содержание гуыуса, величины ЕК0 по Боб-

- рф. 4 ко-гАскинази, содержание обменных Са и , величины рН водной

солевой суспензий /Агрохимические метода исследования почв, 1975/.

Для исследования растворимости оксидов свинца, кадмия и цинка в 1нЛГМ0^ и ААБ рН=4.8 в 4 навески почвы в двух повторностях били внесены оксиды ТУ по 30 иг в расчете на металл: I/ РЬО, 2/ С<10, 3/ &п0, 4/ РЬО, СсЮ, <£п0. Почва с оксидами тщательно перемешивалась, затем готовились вытяжки.

Для проведения фазового рентгеновского анализа образцы почвы предварительно обрабатывались бромофорыом /трибромметеяом/ с целью осаждения и концентрирования оксидов ТМ /Логвииенко, 1974/. Рентгеновский анализ проводили на дифрактометре ДРОН - Z.0 /Применение метода рентгенографии ..., 1978/.

УСТОЙЧИВОСТЬ ОКСВДОВ СВИЩА, КАДМИЯ И ЦИНКА В. ПОЧВЕ

Такие экстрагенты как 1н.НЫ0г, и ААБ рН=4.8 широко применяются в анализе почв при загрязнении их ТМ /Методические указания ..., 1961/. Однако, в литература отсутствуют сведения о растворимости в этих реагентах оксидов ТМ, которые могли бы служить отправной точкой для выводов о направленности процессов трансформации отих твердофазных соединения.

Проведение такого исследования позволило сделать вывод о высокой растворимости СсЮ, РЬО и 2пО в 1н. азотнокислой вытяжке, в которой оксиды металлов растворяются нацело. ААБ рН=4.8 извлекает около 75% свинца, 68% кадмия и 38% цинка из состава оксидов при их совместном нахождении в почве.

В исследованиях по трансформации оксидов ТЫ и пыли с фильтров предприятий ЦМ, основную долт> которой составляют оксида металлов, вывод о растворении этих соединений в почве делается на основании косвенных данных - в результате изучения количества подвижных и водорастворимых форм соединений металлов, поступивших в почву в

составе труднорастворимых соединений, и сравнения с поведением металлов из состава качественно иных соединений /в частности, нитратов/ Бансал, 1982, Каплунова, 1963, Сердюкова, 1903, Нервунина, 1983, Горбатов, 1989/.

Возможные реакции гидратации: /I/ РЬ0 + Н20 РЬ/0Н/2 46.167 ккал/моль;

/2/ СсЮ+ Н20 ^ Св/0Н/2 +1.717 ккал/ыоль;

/3/ Н20 ^Г ^л/0Н/2 -0.803 ккал/ыоль

характеризуются невысокими положительными изменениями энергии Гиб-бса в реакциях /I/ и /2/, отрицательным - в реакции /3/, что говорит о теоретической устойчивости реагентов - РЬО и СсЮ, а такке о принципиальной возможности растворения 2п0, Как указывает М.Х.Ка-рапетьянц /1981/, химические реакции, в которых участвуют тверже эещесуэа, характеризуются низкими скоростями, т.к. для их полного протекания геобходии интенсивный процесс масеоцереаоса для удалеаия продуктов реакции с поверхности тверда» частиц.

На основании теоретической устойчивости оксидов ХМ была предпринята попытка диагностировать твердые фазы оксидов свинца, кадмия и •цинка в почве опытов. Поскольку оксиды ТМ являются кристаллическими веществами, их наличие в почве ыовдо выявить с помощью фазового рентгеновского анализа. Для проведения рентгеновского анализа образцы почвы предварительно обрабатывались брсмоформом с целью отделения оксидов Т11 от общей почвенной массы, •гак как без этой операции уловить диагностические пик» РЬО, С<Ю и £п0 не удавалось из-за нзс низкой концентрации и большого количества мешащщс компонентов. Съемка ориентированных препаратов смеси чистых реактивов РоО, Сей и ^пО ыиаила основные диагностические пики, состветсвущие меа-¡иаскосгкым расстояниям /А/: ЙпО 3.12, 2.94, 1.53, .1.72, .1.47; Сс*0 - 2.34, 1.65, 1.41,; ¿лО - 2.79, 2.59, 1.90 /Ккхеев, 1957/,

2.59

?ис Л Рентген-д;йраиюгра}й:ы: я) ДНЯ под лесной растительность.«); б) ДШ под луговой расза-

тольностъй; е) "---" с глу^чш 2-8 су; г-) "---" с расстояния 5 см; д> "—" с расстояния

15 см. Цифры на кривых - аягст^эмы.

Наличие на рентген-дифрактограммах образцов почвы, отобранных с поверхности в центре площадок внесения, вышеприведенных пиков позволило сделать вывод о наличии кристаллических фаз оксидов свинца, кадмия и цинка как в дерново-подзолистой почве /ДПЦ/ под ельником-кисличником через 8 лет после внесения оксидов ТМ, так и в дерново-подзолистой почве вод луговой растительностью через 4 года посяе внесения /рис. I а,б/.

Для получения количественных характеристик содержания металлов в твердой фазе оксидов мы применили следующий прием. Поскольку оксиды свинца, кадмия и цинка полностью растворяются в 1н. НЫОд вытяжке, сравнив содержание металлов в 1н.НГ10д вытяжке из почвы до и после обработки брокоформоы, можно получить количества РЬ, Сд и которые находятся в форме оксидов /табл. I/.

Таблица I

Содержание ТМ в Хн.НЫОд вытяжке из почвы, мг/кг

Вариант РЬ Сс1 £п

I 2 I 2 I 2

ДПП - луг 1000 475 100 60 600 378

ДПП - лес 2800 2010 6.85 5.06 1245 1015

I - до обработки бромоформом; 2 - после обработки бромоформом

Через 4 года после внесения оксидов ТМ на поверхность дерново-подзолистой почвы под луговой растительностью 53$ свинца, 4С$ кадмия и 4:7% цинка находятся именно в той форме, в которой были внесены в почву - в форме оксидов. В почве под лесом через 8 лег «осле внесения металлов только 28$ свинца, 2&$> кадмия и 18% цинка находится а форме оксидов.

ТРАНСФОРМАЦИИ СОВДИШНШ I'M В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛШТОЙ ПОЧВЕ ЮД ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

При поступлении соединений ТИ на поверхность дерново-подзолистой ючев в первую очередь металлы вступают в контакт со слоем лесной ¡одстилки, которая, с одной сторона, может Сыть идентифицирована ;ак важная ловушка для ТМ /Криволуцкий, Тихомиров, 198?, siccama, 960/. С другой стороны» насыщенность подстилки водорастворимыми ¡ргоническими соединениями /Фокин и др., IS82, johnaon ot ai» 1582/ щособствует трансформации металлов в более миграционио активную юрму. В пределах акспэримекгалыапс площадок около 7555 Pb, Cd и Zn, ю^туливших в составе оксидов и пыли, находится в составе лесной к-дстилки /табл. 2/. Аккумулятивное распределение ТМ в аагрязненной iowne определяется также и высокой устойчивостью техногенных сойди-юний ТМ.

Характер распределения в почвенном профиле ТМ, поступивших в яоч->у в составе оксидов, пыли и нитратов существенно различается /табл. , !/. Pb, Cd и Zn, поступившие из состава нитратов ТМ, значительно юяее интенсивно мигрируют по почвенному профилю, кадмий является [аиболее подвижным элементом его повышенные концентрации наблмда-Iтек до максимальной глубины отбора образцов, свинца и цинка - до ¡-15 см, что является следствием более низкой сорбируомссти кадмия Щ.

' Динамика содержания подвижных форм свинца, кадмия и цинка, посту-твших в почву в составе оксидов и пыли, характеризуется уменьшен!!-м относительного количества этих форм соединений металлов во ере-:ени /рис. 2/. Учитывая данные о наличии в почве в этот момент тьер-их фаз оксидов ТМ, можно сказать, что за 8 лет проведения опыта авновесие в почве в системе оксиды ТМ - раствор не было-достигнуто. арактер же изменения содержания подвижных форм металлов может обус-

Таблица 2

Формы соединений Fb, Cd и £п в почве, мг/кг.

Глубина, . РЬ Cd и

см

I 2 I 2 I 2

Контроль *

0-£ Г6 - 0.44 - 55.2 -

' 2-4 16. 3 0.14 0.09 16.4 7.8

4-е 14 • 2 0.09 0.02 14.9 5.9

6-8 14 2 0.06. 0.01 9.1 3.7

8-15 9 I 0.02 0.01 5.8 2.7

15-55 10 I" 0.02' 0.01 á.r 1.0

Пыль

0-2 2139 - I-I.20 - 980 -

2-4 2006 Í 670 7.06 5.32 1760 1300

4-6 16 7 0.56 0.34 190 140

6-8 10 5 0.20 0.14' 65 29.2.

8-15 3 2 O.II 0.08 18.1 7.2

15-25 3 I 0.08 0.04 8.7 3.3

Оксиды

0-3 2481 - 143.6 - 2788 -

2-4 2115 1240 107.5 • 90 1035 957

. 4-6 - 77 18 ' 4.28 2.08 35.5 27.0

6-8 25 6 1.58 0.60 19.5 8.3

8-15 15 I 0.62 0.09 7.0 ■5.4

15-25 2 I 0.32 . 0.13 3.5 2.4

Нлтраты-доза 2

0-3 534 - 82.6 - 400 -

3-8 123 86 76.2 61.2 I(B 76.6

8-15 17 10 33.8 25.1 85.2 79.6

15-25 7 ' I 14.3 10.2 18.9 14.4

25-40 6 I 13.1 8.0 12.5 5.2

40-50 4 I 1.8 1.0 3.1 1.2

60-80 3 I 0.5 0.2 1.0 0.3

I - 1н. 1Ш03; 2 - МБ рН = 4.8

\

%

100 ао 60 40 20

а/

рь сб 2п контроль

I 2 з

свинец НСР=7.5

12 3

кади.ий НСР=6.1

12 3 цинк НСР=5.2

%

100

во • 60

40

20

б/

Вз С<* контроль

12 3

свинец НСР=4Л

12 3

кадмий НСР^б.б

Г ■ 2 ::

нинк ,не суш.

Рис. 2 Относительное содержание "Ш, растворима* в- ААБ рН=4.8. Варианты с внесением: а/ - пыли; б/ - оксидов ТУ»!. I - 1984 г.; 2 - 1989 г.; 3 - Нитраты /приведено для сравнения/, .

ловливаться такими факторами, как обволакивание частиц оксидов 1'А продуктами взаимодействия с почвенным раствором, дисперсным лоч-венным материалом, а также старением осадка оксидов. Этими кг процессами мояет определяться и несоответствие коьцентраций могаллов в водной вытяжке из почвы /табл. 3/ тем величинам, которые додаш

Таблица 3.

Содержание водорастворимых соединений ТМ в почве

Вариант рН РЬ са Ь

I 2 2

I 2 I

1984 г.

Контроль 5.33 <0.025 - <0.003 - 0,00 -5,91

Шль 6.23 0Л39 -6.17 0.046 -6.33 0.760 -4.22

Оксида 6.2? 0,072 -6.45 0.02? -6.62 0.610-5,03

Нитр~1+ 5.77 0.050 -6,62 0.049 -6.36 0.242 -5.84

Штр-ч>+ 5.70 0.180 -б. 06 0.072 -6.19 , 0.322 -5.31

Ни1р-3+ 5.34 0.222 -5.97 - 0.121 -5.97 0.371 -5.25

1289 V.

Пыль ' 5.21 0.184 -6.05 0.Т24 -5.96 2.01 -4.51

Оксиды 5.30 0.152 -6.13 0,026 -6.84 2.18 «4.47

I - С, ыг/л; 2 ~ С, моль/л; + - дозы внесения

быть при наличии в почва оксидов ТМ и ограничиваться полем заша кривых раствор:ииос»и груднорастзоримых оксидов мзтеллов /Горбатов, 1983, Рудакова, Воробьева, Новых, 1986/. Что же касается свободных иоиоз РЬ2]" Сс^и йп^Г поведениа которых можно рас-сьшреть на примере гочаы с внесением нитратов 1М, го процессом, определяющим распределение мзталлов между твердыми и жидкими фа-оаия иоияи, могло назвать процесс адсорбции. Подтверждением етого полааения слукит возрастание-концентраций ьсдорасхЕоршлых ТМ при /величьник дозы внесения.

Если концентрация влэмекта ограничивается раотьорикоегью ого •грудяорастворйшх ооэданекий, то пачвенные рамгора и и5НФчруюш,ие их ьытякки делкаы быть насыщена относительно а'руднорас'1;зар;шУзг соединений, и дозы инсси^шх металлов не должкк злик'гь на уровень кон-ц^т-рдшй ыьталлса в водной вытяжка.

Таблица 4

Изменение величин рН почвы экспериментальных площадок

Глубина, оы

Контроль

Пиль

Оксида

Нитраты

0 - 2 5.19 5.60 5.65 4.57

2 - 4 5.09 5.31 5.49 4.49

4 - 6 5.04 4.79 4.82 4.45

6 ~ 8 4,88 4.80 4.64 4.47

8 - 15 4.94 4.72 4.51 4.44

15 - 25 4.96 4.73 4.60 4.41

25 - 40 5.01 4.89 " 4.83 . • 4.48

Ксзвешш подтверждением положения ой определягацэм влиянии адсорбции на поеедение ТМ в дерново-подзолистой почве служит и изменение величин рН почвы ка загрязненных плмцадках по сравнению с контрольной /?абд. 4/. Как показало в работе В.С.Горбатова и Н.Г. Зирика /1568/, процесс, специфической адсорйри ЯМ почвой сопровождается выделением протонов а почвенный раствор. Шенно этим процессом меже? определятьси и поддаслеиэд реакции почвы на площадке с внесением нигратов. При не-шш ионов Н"1" в почвенном растворе дерного-подзолистой почвы.возрастание величии рН верхнего 0-4 см слоя почвы на площадаяя о внесенными оксидами ТМ и пылью возмошо определяется взаимодействием ХШ-^-оЧ4:?: ТМ<+4- Н^О или же частичным растворением-диссоциацией Т'К/О}^, образующегося з результата реакций гидротещин /I/ - /3/.

РАСПРЕДЕЛЕНА РвЕ С6 И В ОСНОВНЫХ КОМПОДОНГАХ

ЮТОВОГО БИОГЕСЦЕНОЗА В целей распределение ТМ в луговом биогеоценозе ты^а несколько гремзииш: стапов. Первый отап» два года непосредственно слйдуь-вдае оа поступлением металлов на поверхность почвы, характер» муете.а

Pb I 70 |-

30

25

20 15

10

5

G<j 10 8

6

4 '

2 0.2

2 N

\ »

3 V 4

\ V

% V

4, \

/

Ч V ^ \

\v x ^ ------ \

4v "v 4

4 2

\

.A-""" \

\

—*—к-X-*-

ICO

80 '

50 40

3 I

•Рис 1 -

ишь авг. июнь авг. июнь авг. 1966р. 1987г. IS88r.

3 Динамика содержания Til /ыг/кг/ в растениях, контроль, 2 - пыль, 3 - оксиды, 4 - нитраты.

ишь авг. Ш9г.

высоким содержанием ТМ в почве, интенсивным потреблением металлов растениями, значительна внносоы в природные воды. На втором этапе, через 4 года, содержание свинца в растениях снизилось. до фонового уровня /2-3 мг/кг сухой массы/, содержанке кадмия осталось высоким /5-8 мг/кг/, цинка- на протяжении всего периода наблюдений отличалось относительной стабильностью /38-77 мг/кг/ и незначительно превышало концентрацию в растениях незагрязненных площадок /22-34 мг/кг/ /рис. 3/. При этом содержание металлов в почве в форме "доступной для растений" /ААБ рН=4.8/ очень высокое /табл. 5/, что слабо коррелирует с

содержанием, в частности свинца, в растениях.

Динамика содержания ТМ в растениях я определенной мере объясняется характером изменения в ходе опыта концентраций металлов в-лизиметрических водах. К четвертому году исследований уровень концентраций свинца и цинка в лизиметрических водах сравнялся с контролем, кадмия - в 4-5 раз превышает контрольное величины / табл. 5/. Уменьшение содержания ТМ в лизиметрических водах с течением времени может, в первую очередь, объясняться переходом оксидов ТМ и шли в более инертную форму за счет обволакивания их почвенной массой"и сорбцией ЛПК перешедших в раствор ионов. Однако, отнести происходящие процессы только за счет проявления почвой своих буферных, инактивирующих свойств нельзя из-за очен высокого содержания ТМ в вегетврущей корневой системе растений /табл. 5/.

а ряде работ /21пс1аМ , 1975, Т1«1д ,1977, Ильин, 1985, Нестерова, 1989/ приоритетными факторами, снижающими содержание ТМ в растениях, назвали физиологические защитные механизмы растений. Защитные механизмы растений, приводящие к нечуБствите«.-ности к нарушению химического баланса в окружающей среде, ¡зарабатываются не только в ходе онтогенеза, но и филогенеза /в те-

- , Таблица 5

Распределение свинца, кадмия и цинка в основных компонентах лугового биогеоценоза, мг/кг

Объект. Контроль Оксиды ТЫ Нитраты ТЫ

Глубина отбора образцов, см

РЬ Сб а. М РЬ ад

Растения /назем-

ная часть/ 1.38 0.19 27.2 2.12 1.78 37.7 2.65 7.99 76.9

Корни 0-3 7.38 0.32 36.8 962.7 204.6 697.9 137.5 84.4 205.1

3-6 6.94 ' 0.12 25.0 126.5 34.9 695.5 87.9 57.3 ' 107.0

8-15 ОД 0.05 24.7 23.6 8.3 ■ 54.4 26.6 22.6 64.2

Почва /1н.ИЫ03/

• 0-3 5 0.2 10.0 900 ПО 575 400 21.4 180

3-8 4 0.1 8.3 50 12.7. 85 250 13.0 123

8-15 5' 0.1 7.2 49 4.2 59 60 8.6 76 .

Почва /ААБ рН=4.8/

0-3, I 0.1 .2.6 500 90 310 105 14.9 40

3-8 I 0.1 2.1 35 7.6 25.5 55 9.9 33

8-15' I 0.1 1.3 20 3.0 Х6.0 24 5.3 18.3

Почва /водная вы-

тяжка/* 0-3 2.5 0.25 ' 50 8 3 80 15 12.5 88

3-8. 2.5 0.25 50 5 1.5 23 5 1 • О 50

8-15 2.0 0.25 80 3 0.25 43 2.5 0.25 33

Лизиметрические

воды^ 0-7 5 0.50 23 Г о 1.6 67 5.3 х1е 25

7-15 6 0.25 38 4 0.5 12 3.7 0.5 23

-*- - мкг/л

чение жизни индивида/ /Лархер, 1978/. Эта явления способны полноценно проявиться только в процессе последовательных вегета-ций, т.е. у многолетних растений. Поэтому многолетние травы в естественных условиях могут произрастать на почвах с высоким уровнем загрязнения ТМ и быть вполне пригодными для использования в кормовых целях. Так, через 4 года после поступления в почву оксидов ТМ при содержании в 0-3 см слое почвы 900 мг/кг свинца /250 мг/кг при расчете на слой почвы 0-25 см/ и 575 мг/кг цинка /180 мг/кг/ содержание этих элементов в растениях не выходит за пределы нормы.

. МИГРАЦИЯ Pb, Cd, 'in В ДЕРНОВО-ЮДЭОЛИСТОЙ . ПОЧВЕ

Миграцию химических элементов можно описывать через такие экстенсивные показатели как количество мигрирующих веществ и расстояние, на которое перемещаются элементы /Перельман, 1989/. Для наглядного представления характера распределения ТМ в почве после поступления на ее поверхность мы строили изолинии содержания металлов в почве /рис. 4 и 5/. В целом, для перемещения металлов з дерново-подзолистой почве характерны следующие особенности. значительное количество металлов, поступивших на поверхность почвы, аккумулируется в верхних 0-3 см слое почвы. Через 4 года после внесения ТМ для свинца, поступившего в составс оксидов как в почву под лесной, так и под луговой растительностью, горизонтальная миграция составила 25-35 см, вертикальная 8-15 см, для кадмия горизонтальная миграция 40-50 см, вертикальная •до максимальной глубины отбора образцов, для цинка горизонтальная миграция 35-45 см, вертикальная 15-20 см. Изолинии. расnj-э -деления ТМ в почве, в целом, достаточно симметричны с центром симметрии в зоне внесения.

■ Как видно из рис. 5, изолинии ссдерлания ТМ в корнях и в поч-

Риз.А' Изолинии содержания ТМ в почве, мг/кг. 1 серая опытов. Оксиды ТМ.

Свинец

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

СМ 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

рь.адп

{ V- 4

5 10 15 20 ¿¡о ¿У Л 40 45 50 си со

-15 см

Шдияк

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ¿и

... _ ■■ ч >1 I1 ""Г" г I — ■ ' " 1—1 I '-"I 1 - ^

Рис.5 'Лзо линии содержания ТМ в почве ¿1 корнях растений, мг/кг. 2 серил опытов. Оксиды'ТМ.

,2л

см 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 ' ЯП ЭР

ве под луговой растительностью находятся очень близко друг к другу, зачастую сливаются. Трудно однозначно выделить приоритетный фактор распространения ТМ от зоны внесения, однако можно предположить, что биологический фактор, а именно захват металлов корнями, перенос их во время роста вегетируюшей корневой системой луговых трав, выделение в окружающую почвенную массу во время отмирания и разложения растений, - играет важную роль в переносе металлов как в латеральном направлении, так и вглубь почвенного профиля.

Наряду с биологическим фактором сложившийся равномерный характер распределения ТМ в почве может определять процесс диффузии. В работе А.А.Алексвева /1979/ показано, что эффективные коэффициенты диффузии и 06 в дерново-подзолистой почве находятся в пределах п • 10"п-МГ^ см^/сек. Если процесс миграции ТМ в почве описывается уравнениями диффузии и имеет диффузионную /квазшшффузионную/ природу, расчитываемые по распределению элементов в почвах кажущиеся коэффициенты диффузии /5) а/ должны находится именно в этих пределах. Расчитанные кажущиеся коэффициенты диффузии и Сс1 изменялись в пределах предполагаемого диапазона значений п-10"®- п-КГ^см^/сек, при этом сохранялась стабильность величин % а во времени и значения а Со1 и £п при перемещении элементов по поверхности почвы оказались примерно на порядок больше /п-10"7/, чем при миграции по профилю почвы /п-10~8/.

. Учитывая значительную устойчивость твердофазных соединений ТМ в дерново-подзолистой почве, мы провели исследование возможности миграции металлов непосредственно в форме оксидов. Проведенный рентгеновский анализ показал, что в образцах дерново-подзолистой почва под луговой растительностью, отобранных с глубины 3-8 см в пределах площадки внесения, а также с расстоя-

ний 5 и 15 см ог площадки внесения, имеются пики, характерные для РЬО, СсЮ и £пО /рис. 1 в,г,д/. Анатаэ 1н.НН03 вытяжек ля образцов почны до и после их обработки бромоформом показал /табл. 6/, что в центре площадки на глубине 3-8 см в форме оксидов находится 145? свинца, 1555 кадмия, Ь% цинка, на расстоянии 5 см от экспериментальной площадки - 41% свинца, 13$ кадмия, 2% цинка, на расстоянии 15 см - 13$ РЬ, Ъ% Сс1, 13$? £п.

•Таблица 6

Содержание ТМ в почве,мг/кг

Образец, см и» Сд

1 2 ' 1 2 1 2

3-8

5

15

50 1600 200

43 950 175

13.0 110

13.1

11.1 96

12.5

05 530 120

81 520 105

до обработки бромоформом; 2 - после обработки бромоформом

Таким образом, можно сказать, что процесс перемещения соединений ТМ в дерново-подзолистой почве осуществляется путем захвата и переотложения корневыми системами растений, а н почвенной массе - за счет диффузии. При наличии в почве твердофаэ-нкх соединений ТМ, таких как оксиды и чаль, в первые моменты их пребывания на поверхности почвы основную роль в. перемещения этих соединений играет конвективная диффузия. Именно таким образом может осуществляться перенос частиц оксидов ТМ и ¡шли по поверхности почвы, а также в толще почвы по трещинам. По "ере растворения твердофазных соединений ТМ и при поступлении металлов в форме легкорастворимых солей преобладающими становятся ионные процессы диффузионного перемещения веществ.

- 22 -вывода

1. Трансформация в дерново-подзолистой почве твердофазных техногенных соединений ТМ, основной химической формой которых являются оксиды свинца, кадмия и цинка, осуществляется в направлении их растворения. Процесс растворения оксидов ТМ в почве реализуется медленно. В дерново-подзолистой почве под дуговой растительностью через 4 года после внесения в нее оксидов свинца, кадшш и цинка в первоначальной форма сохранилось около 50& всех внесенных оксидов, в дерново-подзолистой почве под ' лесом через 8 лет после внесения в форме оксидов находится 2030% металлов.

2. Наиболее вероятным процессом, контролирующим распределение ионов металлов между твердой и жидкой фазами почвы, является процесс адсорбции-десорбции.

3. Горизонтальная миграция РЬ, Сё и £п в почве превышает вертикальную в 2-2.5 раза. Наибольшей миграционной активностью обладает кадмий. Расстояние, на которое мигрируют металлы, зависит от химической формы, в которой они поступают на поверхность почвы. Наибольшей подвижностью обладают металлы, поступившие в составе нитратов.

4. Основными факторами, определяющими характер миграции ТМ в дерново-подзолистой почве, являются биологический /захват и перемещение металлов вегегирующими корневыми системами растений/, а также процесс диффузии.

5. Перенос металлов по поверхности почвы, в толще почвы по трещинам может осуществляться непосредственно в форме оксидов ТМ.

6. Загрязнение почвы тяжелыми металлами, находящимися в форме техногенной пшзи, а также ововдов, приводит к возрастанию величин рН верхнего (3-4 см слоя дерново-подзолистой почвы, что оп-

ределяется наличием оксидов ТМ и взаимодействием их с почшш'нм раствором. Частичное растворение оксидов ХМ, миграция конов металлов вниз по почвенному профилю, адсорбция пх 1ШК определяю! уменьшение величин рН няжадвжащях сдоев почвы.

Соотношение форм соединений 'ГМ з загрязненных дерново-' подзолистых почвах характеризуется преобладанием "подвижных" /доступных для растений/ форм соединений металлов.

8. Высокое содержание свинца,-кадмия и цинка в почве, интон- ' с'ивное накопление металлов растениями приводит к снижению биомассы луговых трав. В результате трансформации соединена» 'Ш

в почва, действия физиологических защитных механизмов травянистого биогеоценоза содержание свинца л цинка в растениях через 4 года после поступления ТМ з почву снижается'до фонового уровня.

9. При локальном много элементном загрязнении окружающей среды атмосферными выбросами предприятий цветной метачлургии в порвут очередь необходимо контролировать в почвах содержание кадмия как наиболее миграционно-актявного в объектах оурукаш^й среды и токсичного элемента.

10. Наиболее чувствительными показателями для ведэния мониторинга и нормирования ТМ являются динамика содержания метэллон в почвенных растворах /лизиметрических водах, водной вытяжке/ я растениях.

СПИСОК РАБОТ, ОПУЕЖКОВАГОШ ПО ТИВ ЦИССЕРГАЦИИ .

1. Миграция и трансформация соединений свинца, кадмия к цинка в профиле дерново-подзолистой почвы // Труди X научной конференции молодых ученых факультета почвоведения МХУ. М., 1968. Деп. в ВИНИТИ " " '_ 1989 г.

2. Миграция и трансформация соединений свинца в дерново-подзолистой почве // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. - Л, Гидроыетеоиздат, 1989. С. 194 -199 / в соавт./

3. Трансформация техногенных соединений тяжелых металлов

в дерново-подзолистой почва // Вестник Моск. унив-та. Сер. 17. Почвоведение. 199Э. № 3. С. 39-44 /в соавт./

4. Влияние различных форм соединений свинца, кадмия и цинка на поступление металлов в растения // Труды 1 Всесоюзной конференции "Растения и промышленная среда". - Днепропетровск, 1990. С. 144-145. /в соавт./

5. О критериях приоритетного выбора показателей для обосно-»

вания ПДК тякелых металлов в почвах // Труды 9 Всесоюзной конференция "Биологическая роль микроэлементов", Самарканд, 1991. С.

Подписано к печати 10.04.91 Объем I п.л. Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Зак.ЗЛ

Отпечатано на ротапринте Союзводоканалпроекта