Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Тяжелые металлы в почвах Приуралья

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Тяжелые металлы в почвах Приуралья"

На правах рукописи

ЯКУПОВ ИРЕК ЖИГАНУРОВИЧ

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ПРИУРАЛЬЯ

03.02.13 - « Почвоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

Уфа-2013

005542716

Диссертационная работа выполнена на кафедре земледелия и почвоведения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

ХАБИРОВ Ильгиз Кавиевич, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой земледелия и почвоведения ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

БАГАУТДИНОВ Фатих Ягудович, доктор биологических наук, профессор кафедры агрохимии, защиты растений и агроэкологии ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, г.Уфа;

ВАСИЛЬЕВ Андрей Алексеевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь.

Учреждения Российской академии наук Институт биологии Уфимского научного центра РАН, г.Уфа

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.

Тел./факс + 7(347) 228-08-98

E-mail gayfullm@bk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ

Автореферат разослан 19 ноября 2013 г. и размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук

'Z- P.P. Гайфуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение загрязнения почв агроэкосферы тяжелыми металлами является важной экологической проблемой. Тяжелые элементы из почвы вымываются в грунтовые воды, попадают в водоемы, потребляются растениями и, в дальнейшем, используются как продукты питания животными и человеком. Тяжелые металлы могут попасть в организм человека через органы дыхания при транспиращш воды из почвы и водоемов. Тяжелые металлы также подавляют жизнедеятельность живого вещества планеты Земля. Также представляют опасность для экосферы человека и физические поля, измененные и отраженные солями тяжелых металлов. Академики РАСХН В.И. Кирю-шин, А.Л. Иванов (2005) при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия рекомендуют провести агроэкологическую оценку земель, в том числе и по содержанию тяжелых металлов и разметать сельскохозяйственные культуры с учетом их содержания в почве, поскольку реакция различных культур на концентрацию тяжелых металлов неодинакова.

Цель и задачи исследовании. Целью работы явилось определение концентрации тяжелых металлов первой, второй и третьей группы опасности и аг-роэкологическая оценка их содержания в почвах различного генезиса с неодинаковым уровнем техногенного воздействия.

Для решения были поставлены следующие задачи:

1. Определить содержание в почвах тяжелых металлов первой (РЬ, I [ц, Сс1, Бе, Ав, 2п), второй (БЬ, Мо, Си, Со, N1, Сг) и третьей (XV, Ва, Яг, Мп, V, 8с) группы опасности.

2. Установить пути рассеивания и концентрации тяжелых металлов в зависимости от источников поступления их в педосферу, с учетом состава почво-образующих пород и растительности.

3. Оценить уровень загрязнения почв различных экосистем тяжелыми металлами.

Научная новизна. Определена концентрация тяжелых металлов в почвах луговых, лесных и пахотных угодий в Приуралье, подверженных различного уровня техногенным воздействиям. Выявлены пути движения тяжелых металлов по почвенному профилю, взаимосвязи их содержания со свойствами почв и с техногенезом.

Для Приуралья дана агроэкологическая оценка почв по содержанию тяжелых металлов по трем группам опасности, определен вклад отдельных элементов в суммарный показатель загрязнения.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Закономерности изменения концентрации тяжелых металлов и распределение их по профилю почв в условиях региона обусловлено составом почвообразующих пород, элементарными процессами почвообразования, свойствами почв и уровнем антропогенных воздействий. 2. Обстановка по содержанию тяжелых металлов изменяется с почв Предуралья к Зауралью в худшую сторону. 3.Главными загрязнителями являются Мо, Мп Ъ\\, Ва, Си, 8е, Аб, Сг, и .

Теоретическая и практическая значимость. Материалы по содержанию тяжелых металлов в почвах являются основой для экологического монито-

ринга, экспертизы и зонирования территорий. Выявленные высокие концентрации ряда тяжелых металлов, особенно первой и второй группы опасности, а так же источники их поступления, способствуют разработке мероприятий по улучшению состояния загрязненных почв. С другой стороны, обнаруженный дефицит ряда микроэлементов (например, меди в пахотных темно-серых лесных и черноземах оподзоленных в Юрюзано-айской депрессии) позволяет обоснованно рекомендовать использование микроудобрений для повышения продуктивности пахотных почв.

Методология и методы исследования. Методология проводимого исследования основана на анализе научных публикаций, формулировке цели, задач и программы исследований, закладке полевых опытов и проведение экспедиционных исследований, наблюдений, лабораторных исследований, статистической обработке экспериментальных данных и анализе полученных результатов. В основу диссертации были заложены общепринятые методы и ГОСТы, используемые в почвоведении.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на следующих научно-практических конференциях: проблемы и перспективы агропромышленного комплекса регионов России, Уфа, 2002; современные проблемы загрязнения почв, Москва, 2004; 110 научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГАУ, Уфа, 2004; повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса Уфа, 2005; почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие, Уфа, 2006; Агроэкологическая роль плодородия почв и современные агротех-нологии, Уфа, 2008; природное наследие России в 21 веке, 25-27 сентября Уфа, 2008. Результаты исследований опубликованы в 15 печатных работах, из них 3 работы включенных в список ВАК.

Структура и объем работы. В составе диссертации пять глав. Написана в 148 страницах машинописного текста, в том числе 19 таблиц и 50 рисунков. Библиографический список включает 235 наименований отечественных и зарубежных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА (обзор литературы)

В первой главе анализированы литературные данные по тяжелым металлам т.е. по содержанию их в породах, почвах и растениях различных экосистем функционирующих в условиях техногенеза и агроэкологической оценки почв по их содержанию.

2 ОБЪЕКТ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа включена в НИКОР кафедры Земледелия и почвоведении БГАУ по теме «Изучение химического состава почв и агроэкологическая оценка их по содержанию тяжелых металлов (научный руководитель доцент Асылбаев И.Г.),

что полностью соответствует профилю подготовки специалистов по дисциплинам, которые преподаются на кафедре (№ госрегистрацпи 01201352809).

В связи с этим, почвенные разрезы закладывали на определенных зафиксированных участках Приуралья. В Зауралье исследования велись на участках: Сафарово, Комсомольск, Кирябинка, Ахуново, Учалинский ГОК. В Уфимском плато исследования велись на участках Караяр, Магинск, Байки, Абызово, Бирск. В Юрюзано-айской депрессии исследования велись на участках: Карлы-ханово-Ногуши, Вознесенка, Аркаулово, Большеустикппское, Ургала, Еланли-но,

3 СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В ПОЧВАХ

Свинец

Зауралье. На участке Сафарово содержание РЬ в породах доходит до 1685 мг/кг. В этих породах в больших количествах содержаться и другие опасные для здоровья человека элементы, такие как Мп - 6000, Zn - 1430, V - 800, Аз -340, Си — 150, Яс—110, Со — 30 мг/кг. В гранитных породах на участке Ахуново и эклогитах на участке Кирябинка содержание РЬ не превышает ПДК и составляет около 23 мг/кг.

Уфимское тато. В регионе много известняков, в них содержание РЬ колеблется от 1 до 10 мг/кг, в нижних горизонтах почв в карбонатных глинах от 5 до 27 мг/кг. В гумусово-аккумулятивпом слое содержание РЬ составляет 19-38 мг/кг. РЬ совсем немного в почвах участка Караяр. Наибольшая аккумуляция РЬ отмечается в горизонте Ад в торфянисто-перегнойных почвах сформированных па карбонатных глинистых породах под еловым лесом и лесом представленным темно-хвойными породами (лиственница сибирская), а также для А0 серой лесной почвы сформированной в аллювиальных условиях.

Северо-восточная лесостепь. В породах содержится 3 -20, в почвах от 4 до 30 мг/кг РЬ, что говорит о накоплении РЬ в верхних горизонтах серых лесных почв и в оподзолешгом черноземе.

Ртуть

Зауралье. Коренные породы Зауралья в основном вулканического происхождения, поэтому они содержат много (0,05 - 0,35 мг/кг). Большое содержание отмечено на золоторудном месторождении в темно-серой лесной почве (участок Сафарово). В туфопесчаниках и гранитах наблюдается наибольшее содержание ртути.

Уфимское плато. На участке Караяр в коренных породах максимально-содержание Н§ составляет 0,2 - 1,2, в почвах 0,1 - 5,0 мг/кг, а в почвообразую-щем материале 0,2 - 4,5 мг/кг.

Северо-восточная лесостепная зона. В каменисто-щебнистом плитняке в слое 60 - 70 ем содержание достигает 9,5 мг/кг, в глинистых сланцах других почв концентрация Н§ снижается до 0,5 мг/кг. В экосистемах северо-востока ^ обнаружена только на участке Вознесенка в небольшом количестве, около

0,10 мг/кг. Загрязнение по Hg наблюдается на почве под гречихой недалеко от Большеусткинска, на луговой почве около д.Ургала и Рухтино и Вознесенка на поле пшеницы.

Кадмий

Зауралье. В Учашшском районе отмечается биологическая аккумуляция Cd пределах добывающих золото карьеров и на территории обогатительного предприятия, где запасы Cd на темно-серых лесных неполноразвитых почвах составляет 1,4-1,9 мг/кг. Это связано с тем что, кадмиевые минералы являются спутниками Cd в цинксодержащих полиметалических рудах, а в УГОК добывают цинк и медь. Необходимо отметить, что в золотосодержащей горной руде содержание Cd также очень высокое и максимальная концентрация составляет 2,4 мг/кг. В наших исследованиях таких концентраций Cd в других регионах не отмечалось. Таким образом, хвосты золотодобывающей промышленности продолжают загрязнять окружающую среду Cd в процессе дальнейшего выветривания.

Уфимское плато. В этом районе в известняках содержание Cd небольшое п изменяется от 0,15 до 0,55 мг/кг. В породах и почвах его содержание доходит 0,7 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. Биологическое накопление Cd характерна почти для всех почв этого района. В гумусово-аккумулятивных слоях серых лесных и дерново-карбонатных почв отмечается наибольшее содержание Cd. Неблагополучным в отношении Cd являются оподзоленные черноземы, в них содержание Cd в горизонте Ап достигает 1,2, в материнской породе 1,8 мг/кг, что ниже ПДК, но в 4 раза превышает фон. По-видимому, в северо-восточной лесостепной зоне на естественный фон накладывается промышленное загрязнение.

Селен

Зауралье. В почвах Зауралья самое низкое содержание Se 2,9 мг/кг отмечается вблизи Учалинского ГОК, самое высокое около марганцового рудника Комсомольское (8,15 мг/кг).

Уфимское плато. В районе повышенное количество Se в гумусовом горизонте обнаружено только в двух почвах от 21 до 23 мг/кг (рис.1). В других почвах Se содержится в небольших количествах около 0,75 мг/кг. В среднем по профилю почв содержание Se изменяется от 0,27 на участке Караяр и 15,2 на участке Магинск. Максимальное содержание Se в коренной породе в количестве 2,3-7,0 мг/кг установлено на участке Караяр. Возможно накопление селена в почвах связано с высоким его содержанием в коренных породах.

Северо-восточная лесостепь. В этой зоне по содержанию Se отличается гора Малиновое -180 мг/кг, для сравнения в других участках его концентрация составляет лишь 0,6 - 5.0 мг/кг. На этой горе находится карьер по добыче известняка. Из этого карьера добывали известковый материал для нейтрализации излишней кислотности близлежащих почв. В 1998 году был внесен известь из этого карьера в поле №8, где в темно-серой лесной почве под пшеницей концентрация Se составляла около 40 мг/кг (рис.1). Известь также был внесен в других хозяйствах района. В связи с распространением Se в окружающую среду

и загрязнением почв карьер по предложению ученых закрыли. Нами таже были внесены предложения по рекультивации карьера, поскольку пыль от вскрышной породы, содержащий опасные для здоровья человека и животных тяжелые металлы распространяется ветром и водой в экосферу. Следует отметить, что обстановка по загрязнению с 8е в Дуванском районе неблагополучная.

2 о

о с; о

—Р 11. Светло-сер. лесная, Ногуши)

—з— Р 15. Серая лесн Вознесенка

—А—Р 13. Темно-сера лесная, Ургала

Р 16. Темно-сера лесная, Вознесеь

Рисунок 1 - Содержание селена в почвах Северо-востока (мг/кг)

Мышьяк

Зауралье. Почвы Зауралья содержат очень много Аэ (табл. 1), максимальная концентрация 250 мг/кг обнаружена в гумусовом горизонте почв расположенных около Учалинского горно-обогатительного комбината на сосновом лесу. В таких же почвах сформированных на гранитах с содержанием мышьяка 160 мг/кг, также под сосновым лесом, на участке недалеко от деревни Ахупово в 25 км от обогатительного предприятия находящегося недалеко от с.Учалы содержание мышьяка всего 22 мг/кг.

Уфимское плато. Содержание Ав в этом регионе не опасное для обитающих живых существ, небольшое накопление мышьяка отмечается в гумусово-аккумулятивных слоях серой лесной почвы, в меньшей степени на участке около деревни Караяр в темно-серой лесной почве, и на таких же почвах на участке недалеко от деревни Байки.

Северо-восточная лесостепная зона. Почвообразующими породами в этом регионе в основном являются красноцветные пермские глины, где довольно много содержится Аб, его содержание доходит (Хабиров И.К., Асылбаев И.Г., Шакиров Ф.Н., Якупов И.Ж., Абдуллин Т.Н., 2004) до 247 мг/кг почвы, что ниже предельно допустимой концентрации (ПДК) в несколько раз. На участке Ногуши в темно-серой лесной почве, его аккумуляция до 40 мг/кг в основном связана также с высоким его содержанием в материнской породе. Средние значения содержания мышьяка в экосфере Северо-восточной лесостепи больше, чем в почвах Уфимского плато (табл.2).

Цинк

Зауралье. В почвах Зауралья расположенных рядом с Учалинским горнообогатительным комбинатом содержание /п превышает ПДК в 4 раза, конечно же, это связано с добычей цинка, его содержание в горных породах также высокое.

Уфимское плато. В этой зоне в среднем по профилю в почвах содержится около 40 мг/кг Zn с колебаниями от 0 до 125 мг/кг в поверхностных слоях и 23 - 130 мг/кг в материнской породе (Хабиров И.К., Асылбаев И.Г., Якупов И.Ж., Абдуллин Т.Н., 2004).

Северо-восточная лесостепь. В почвах северо-восточной лесостепи содержание Zn выше, чем в почвах северной лесостепной зоны в два с лишним раза. В биосфере данного региона отмечаются и высокие значения содержания этого элемента в количестве до 320 мг/кг (гора Малиновое), что превышает предельно-допустимые концентрации в три раза.

Медь

Зауралье. Си в почвах Зауралья довольно много поскольку его там добывают. Так в экосистемах Зауралья меди 13 раз больше по сравнению с экосистемой уфимского плато и почти в 5 раз выше, чем в биосфере северо-востока.

Под сосняками около деревни Ахуново в дерновой почве на гранитных породах также наблюдается накопление Си до 120 мг/кг (рис.2). Однако в самих породах его содержание составляет всего лишь 20 мг/кг.

Уфимское плато. В экосфере уфимского плато Си содержится в небольших количествах с флуктуацией от 0,15 до 57 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. Концентрация Си в экосистемах Северовосточной лесостепной зоны в два раза выше, чем в биосфере Уфимского плато (фон).

150

—♦—Р 17. Темно-серая лесная

неполноразвитая, Кирябинка

—э-Р 18. Дерновая неполноразвитая, Ахуново

Рисунок 2 - Изменение содержания меди по профилю темно-серой лесной и дерновой почвы Зауралья (мг/кг)

Хром

Зауралье. Незначительное содержание Сг отмечено в почвах находящихся вблизи Учалинского горно-обогатителыгого комбината, где вскрышной породе концентрация Сг составляет 38-62 мг/кг, в подстилке Ад около 35 мг/кг. В дер-

новой почве на участке Ахуново в сосновом лесу наблюдается аномалия по Сг. В этих условиях содержание его доходит до 740 мг/кг, а в горной породе (гранит) содержание Сг небольшое и его количество составляет всего лишь 20 мг/кг.

Уфимское плато. Профильное распределение Сг в темно-серой лесной почве по глубине подчиняется общей закономерности, Наибольшее содержание этого элемента в педосфере Уфимского плато отмечается в пахотном слое и переходном горизонте (Ап - 240 и АВ - 265 мг/кг, соответственно), далее вниз по профилю концентрация Сг несколько снижается.

Северо-восточная лесостепь. В почвах этого региона содержание Сг составляет 45 - 235 мг/кг. В материнских породах его концентрации не высокие (рис.3).

Р 11. Светло-серая лесная, Ногуши

Р 13. Серая лесная, Ургала

Р 15. Серая лесная, Вознесенка

Р 16. Темно-серая лесная, Вознесенка

Рисунок 3 - Содержание Сг в почвах Северо-востока (мг/кг)

Кобальт

Зауралье. В Зауралье накопление Со в гумусово-аккумулятивных горизонтах обусловлено поступлением этого элемента из коренных пород (рнс.4) и в какой то мере с атмосферными явлениями. Так в дерновой почве недалеко от деревни Ахуново содержание Со в гумусовом слое А[ 38 мг/кг. Однако гранитные породы насыщены Со , и его концентрация в два с лишним раза выше, чем в гранитах.

Уфимское плато. В экосистемах Уфимского возвышения содержание Со изменяется в очень широких пределах - от 1,8 до 39 мг/кг (табл. 2). В педосфере концентрация Со составляет 12-21 мг/кг. Содержание Со в почве тесно коррелируют с кислотностью (коэффициент корреляции равен -0.80 при Р=0,95).

Северо-восточная лесостепь. Содержание Со в педосфере этой зоны почти в 2,2 раза выше чем, в педосфере Уфимского плато, что четко следует за изменением его содержания в мелкоземе глинистого гранулометрического состава.

О 10 20 30 40

0 -

10 -

20 -

30 -

° 40 -

О

50 -60 -

Рисунок 4 - Содержание кобальта в почвах Зауралья (мг/кг)

Никель

Зауралье. В почвах Зауралья содержание № от 2 до 15 раз выше, чем в породах, что связано с поступлением никеля (рис.5) из территории горнообогатительного комбината и отвалов воздушным путем (Хабиров И.К., Асылбаев И.Г., Якупов И.Ж., 2006).

Уфимское плато. Концентрация N1 в почвах этой зоны небольшое и не представляет опасности для окружающей среды.

Северо-восточная лесостепь. N1 в почвах этого региона несколько выше, чем в предыдущего. В почвах всех участков под лесом и под лугом изменение содержания N1 по горизонтам умеренно равномерное с некоторым увеличением в верхних слоях и в нижних горизонтах с изменениями от 35 до 104 мг/кг. Пахотные агроэкосистемы Вознесенского и Большеустикинского участков характеризуются низким содержанием №.

-Р 17. Темно-серая лесная

неполноразвитая, Кирябинка

-Р 18. Дерновая неполноразвитая, Ахуново

Рисунок 5 - Содержание никеля в почвах Зауралья (мг/кг) Молибден

Зауралье. Экосистемы Зауралья, хотя и являются наиболее загрязненными, не отличаются высоким содержанием молибдена. В отличие от многих других элементов, в этой зоне не выявлено существенного накопления Мо. Града-

10

ции динамики концентрации Мо такие же, какие характерны для Северной лесостепной зоны.

Уфимское плато. Яочвы этой зоны характеризуются низким содержанием молибдена (Шакиров, 2012). Во многих участках Мо вообще не обнаруживается в почвах. Торфянисто-перегнойная почва под еловым лесом, отличатся повышенным содержанием Мо. В этих условиях концентрация Мо достигает 1,7 мг/ кг. В почвообразующей породе Мо отсутствует. Почвы экосистемы Ка-раяр содержат около 1,0 мг/кг, однако здесь и породы содержат до 1 мг/кг Мо. В этом регионе есть необходимость внесения молибдена в качестве микроудобрения (Шакиров, 20012).

Северо-восточная лесостепная зона. В экосфере этой зоны динамика содержания Мо подвержена значительным колебаниям. На участках близ села Вознесенка отмечается наиболее высокое количество молибдена в почвообразующей породе - 3,8 мг/кг.

Таблица 1 Уровень загрязнения почв Приуралья тяжелыми металлами (мг/кг)

Элемент ПДК Зауралье n=6 Северо-восток п=12 Уфимское плато n=5

РЬ 30 26 12 20

На 2,1 0,09 1,13 0,80

Cd 0,9 0,40 0,91 0,45

Se - 5,8 6,9 4,3

As 2(5-6) 99 35 22

Zn 100 89 76 40

Sb 4.5 (2-10) 2.93 1.24 0.15

Mo . 0.89 0.73 0.49

Cu 55 187 42 17

Co 5 21 20 12

Ni 85 73 82 47

Cr 6 98 87 51

W 2.8 1.7 2.3

Ba 2139 671 169

Sr 190 97 66

Mn 1500 1244 1187 567

V 150 433 292 127

Sc (10-50) 38 33 27

Сурьма

Зауралье. Высокие концентрации 8Ь обнаружены только в Зауралье. По-видимому, это обусловлено техногенными причинами, т.е. с добычей и обогащением полиметаллических руд. На территории Учалинского горнообогатительного комбината и за пределами предприятия в гумусовом слое почв зарегистрирована повышенная концентрация 8Ь в количестве 7,3 мг/кг. Такие же уровни (11 мг/кг) содержания 8Ь имеют место быть и в почвообразующих породах участков около поселка Комсомольское и села Кнрябинка, что в 2-3 раза больше предельно-допустимых концентраций. Это связано с тем, что во

вскрышных породах отвалов уже находится огромное количество сурьмы в соединениях медно-серного колчедана, выветривание этих пород приводит к загрязнению окружающей среды Sb.

Уфимского mamo. В почвах уфимского плато Sb практически отсутствует.

Северо-восточная лесостепь. В почвах Северо-восточной лесостепи Sb выявлено незначительное количество: 0,15-0,90 мг/кг.

Барий

Заурапье. Ва в почвах этого региона содержится в больших количествах и его пути миграции зависят от содержания его в породе, а также от техногенного фактора. В дерновой почве на выходах магматической породы серого гранита под дерниной зрелого соснового леса в слое 5-12 см содержание Ва минимальное.

В темно-серой лесной почве около рудника по добыче марганца (рабочий поселок Комсомольское) обнаружено 4140 мг/кг Ва, далее в элювиальном горизонте концентрация Ва снижается до 480 мг/кг и в материнской породе вновь возрастает до 2000 мг/кг.

Недалеко от деревни Сафарово в Учалинском районе добывается золото открытым способом. Наши исследования показали высокую концентрацию Ва вокруг этой территории: от 500 до 5000 мг/кг. Аналогичная картина характерна и для отвалов Учалинского горно-обогатительного комбината (560-9025 мг/кг).

Уфимское плато. В почвах Уфимского плато содержание Ва в гидро-морфных переувлажненных торфянистых экосистемах составляет 76, а в серых лесных почвах образованных в более сухих условиях до 236 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. В серой лесной почве на вершине горы Малиновое в Дуванском районе содержание Ва самое высокое и составляет в Ад -2855, в горизонте А! -3260. В такой же почве, находящейся на нижней террасе восточного склона в горизонте А содержалось 770, в горизонте АВ — 746 и в горизонте С в пермской красноцветной глине - 666 мг/кг Ва. По содержанию Ва в регионе выделяется стационар Вознесенка.

Стронций

Зауралье. По усредненным данным содержание Sr в почвах Зауралья (182 мг/кг) выше, чем в почвах Северо-востока. Высокое содержание Sr в почвах Зауралья связано с высоким содержанием Sr в материнских породах.

Уфимское плато. В пахотной темно-серой лесной почве в Ап содержится около 120-130 мг/кг Sr, ниже к горизонтам А2В и В содержание Sr плавно снижается.

Северо-восточная лесостепь. По валовым запасам Sr почвы Северовосточной лесостепи сильно не разнятся от почв Уфимского плато. Среднее содержание Sr в почвах Северо-восточной лесостепи - 90 мг/кг.

Марганец

Зауралье. В этой зоне очень много Мп как в породах, так и в почвах и питьевой воде. Например, в почвах около деревни Кирябинка степень загрязнения

марганцем довольно высокая, поскольку концентрация Мп на этих участках составляет 2600 мг/кг.

Уфимское плато. В почвах Уфимского возвышения в поверхностных горизонтах и в материнской породе содержание Мп примерно находится на одном уровне и составляет 510-605 мг/кг, то в погребенной почве его содержание достигает 952 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. Наибольшее содержание Мп в количестве 13480 мг/кг характерно для серых-лесных почв сформированных в полу-гидроморфных условиях в сосновом смешанном лесу, в данном случае в переувлажненной местности очевидно положительную роль сыграло наличие желе-зомарганцевых конкреций, что привело к еще большему увеличению содержания Мп в восстановительной среде. Высокие концентрации Мп в почвах, сопряжены с его повышенным содержанием в материнских породах.

Ванадий

Зауралье. В педосфере Зауральского региона V содержится довольно много (185-710 мг/кг).

Уфимское mamo. Количество V в почвах Уфимской возвышенности находится на уровне 23 - 155 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. В экосистемах юрюзано:айской низменности в пределах северо-востока V содержится также довольно много 95 - 735 мг/кг.

Вольфрам

Зауралье. В почвах Зауралья W содержится 0,20 до 1,7 мг/кг и только в нижних почвообразующих горизонтах стационара Кирябинка доходит 2,1 мг/кг.

Уфимское mamo. Запасы W в почвах этой зоны невелики и диапазон их содержания изменяется в небольших пределах 0,50-1,50 мг/кг.

Северо-восточная лесостепь. Аккумуляция вольфрама в количестве 21 мг/кг наблюдается в гумусовом горизонте некоторых почв (Приложение).

4 ОЦЕНКА ПОЧВ ПРИУРАЛЬЯ ПО УРОВНЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Анализ данных по загрязнению почв элементами первой группы опасности показывает, что основными загрязнителями во всех почвах являются Zn, Се и As (табл. 2).

1 группа элементов . В Зауралье в коренных породах в составе минералов очень много Cr, Ni, Со, As, Cu, Zn, Pb и др. Многие элементы в том числе и тяжелые металлы в результате переноса их ветром попадают в Зауралье со стороны Магнитогорска. Величина трансрегионального переноса колеблется от 191 до 2456 мкг/л. Высокие значения Zc характерны Учалинского горно-обогатнтелыюго комбината (40-63), самые низкие под лесом на почвах участ-

ков Кирябинка и Ахуново. Главными загрязняющими элементами являются А я и 8е.

Загрязнение Н§ и РЬ в основном связана с производственной деятельностью обогатительного предприятия и в незначительной мере зависит от поч-венно-климатических условий. Доля в почвах этого региона в общей сумме загрязнения не выше 1-10%, но доля свинца достигает 30 % в экосфере вблизи горно-обогатительного комбината.

Северо-восточная лесостепная зона. Уровень загрязнения тяжелыми металлами^) в агроэкосистемах Северо-восточной изменяется от 10 до 110 ед. Главным элементом загрязнения является 2п.

Не естетственно высокие концентрации 8е (табл.) в почвах северо-востока связаны его высоким содержанием в карбонатных породах органического происхождения в зоне пермских рифовых массивов.

В общем загрязнении большая доля приходится Нд (до 60%). Накопление Щ связано, по всей видимости, с применением пестицидов.

По величине суммарного показателя загрязнения пахотные темно-серые лесные почвы участков Вознесенка и Большеустикинское относятся к категории опасных.

Таблица 2 Оценка почв по загрязнению тяжелыми металлами 1 группы опасности

№ Участки Ав РЬ Сс1 н8 Яе

Зауралье

1. Сафарово 6 2 5 3 4 13 28

2. Комсомольское 8 2 1 2 1 14 22

3. Кирябинка 7 2 3 1 1 7 15

4. Учалинский горнообогатительный комбинат 28 б 20 1 1 11 63

Уфимское плато

1 Байки, 3 2 2 1 21 12 35

2 Магинск 2 1 2 3 8 26 37

3 Абызово 1 1 2 2 1 18 20

4 Караяр 3 4 2 4 1 1 9

Северо-восточная лесостепь

1 Вознесенка 11 83 2 6 1 2 100

2 Рухтино 1 98 2 2 1 3 102

3 Большеустикинское 5 58 2 4 1 2 67

4 Ногуши 6 88 2 3 1 3 102

2 группа элементов По содержанию элементов 2 группы опасности и по показателю 2с регионы значительно различаются.

Зауралье. В почвах Зауралья минимальные значения /с характерны для земель распространенных около рабочего поселка Комсомольское, максимальные - около деревни Ахуново. Вблизи Учалинского горно-обогатительный комбината в почвах почти половину нагрузки среди элементов 2 группы опасности, как и следовало, ожидать, составляет Си (табл. 3). Здесь также отмечается высокий процент Мо н Сг.

В почвах около населенных пунктов Сафарово, Кирябинка и Ахуново преимущество по вкладу на общее загрязнение приходится Сг, относительно высоко содержание в них также N1 и Со.

Уфимского плато. Это наиболее чистый район, показатель /с ниже 10 . Главный металл загрязнитель здесь Мо, его доля колеблется от 14 до 70 %. На втором месте находится Сг (16-30 %), на третьем Со, на четвертом N1 и наконец на пятом Си.

Северо-восточной лесостепь. Низкие показатели 7с имеют почвы агро-экосистем (1-4), высокие - луга (6-40), среднее положение занимают леса (1626). В этой зоне Мо является главным, загрязняющим окружающую, среду тяжелым металлом. На втором месте находится Со (20-33 %) под лесом и под лугом большую долю на общее загрязнение вносит Си (17-49 %).

Таблица 3 Оценка почв по загрязнению тяжелыми металлами 2 группы опасности

№ Участки Сг Со № Си Мо гс

Зауралье

1 Сафарово 7 1 5 1 3 12

2 Комсомольское 1 1 1 1 1 1

3 Кирябинка 10 2 3 1 1 2

4 Учалинский горнообогатительный комбинат 3 2 1 9 3 15

Ус] шмское плато

1 Байки 2 2 1 - 4 5

2 Магинск 1 1 2 1 3 4

3 Абызово 2 2 2 1 1 3

4 Караяр 2 - 1 2 6 9

Северо-восточная лесостепь

1 Вознесенка 2 3 2 10 27 40

2 Рухтино 3 4 5 9 8 26

3 Болыпеустикинское 1 3 2 6 8 15

4 Ногуши 2 5 3 9 7 22

3 группа элементов Значительное содержание Ва и соответственно максимальные значения Ъс элементами 3 группы опасности наблюдаются в почвах

Северо-востока (табл. 4), где Ва является сопутствующим элементом в хемо-тенных и органогенных известняках. Основная нагрузка среди элементов третьей группы опасности во всех почвах приуралья приходится на Ва, и Мп. Это явление в значительной мере связан исключительно высоким содержанием их в минералах и горных породах. Повышенное содержание XV выявляется локально в почвах Северо-востока, а максимальное на территории Учалинского горнообогатительного комбината. Содержание Мп в почвах регионов возрастает с Предуралья к Зауралью. Вклад Бг и V, в общее загрязнение небольшой.

Таблица 4 Оценка почв по загрязнению тяжелыми металлами 3 группы опасности

№ Участки Ж Ва 8г Мп V гс

Зауралье

1 Сафарово 3 2 1 3 1 7

2 Комсомольское 2 3 3 4 2 10

3 Кирябинка 2 1 2 5 2 8

4 Учалинский горнообогатительный комбинат 27 7 1 4 2 36

Уфимское плато

7 Байки 1 2 2 2 1 3

10 Магинск 2 1 1 1 1 2

11 Абызово 5 1 1 2 1 6

12 Караяр 2 2 2 1 1 4

Северо-восточная лесостепь

14 Вознесенка 1 72 3 2 2 76

19 Рухтино 1 8 2 2 2 12

21 Большеустикинское 1 20 4 3 2 25

24 Ногуши 1 24 4 4 2 31

Уровень загрязнения почвенного покрова Приуралья тяжелыми металлами ухудшается с Предуралья к Зауралью: Уфимское плато - Северо-восток -Зауралье. Основными загрязняющими элементами среди элементов первой группы являются: 7п, Бе и Ля; второй группы - Мо, Сг и Си; третьей группы -Ва, Ш и Мп.

ВЫВОДЫ

1. Концентрация тяжелых металлов в почвах Приуралья в связи со сложными геоморфологическими условиями, с воздействием антропогенных факторов и воздушным переносом мелкодисперсных частиц изменяется от нуля до 1000 мг/кг.

2. Педосфера Зауралья характеризуется высоким содержанием Си, /л\, V, Мп, 8Ь, Ва, W, РЬ, особенно расположенная в зоне Учалинской горно-добывающей промышленности. Земли находящиеся рядом с карьером по добыче золота открытым способом содержат повышенные количества Аб, Сг и N1, а около марганцевого рудника - Мп.

3. Поскольку экосфера Уфимского плато отдалена от промышленных предприятий здесь не отмечено накопления тяжелых металлов, рекомендуется использовать эти данные как фоновые (контрольные) значения при агроэколо-гической оценке ночв по содержанию тяжелых металлов.

4. В почвах Северо-восточной лесостепи выявлено повышенное содержание некоторых тяжелых металлов, которое, по-видимому, связано природными аномалиями и техногенными факторами. Естественное загрязнение обусловлено в основном поступлением тяжелых металлов из почвообразующих и коренных пород (Ь^, РЬ, Са, Аэ, Бе, Ъп, N1, Си, XV, V, Ва, 8г и др.), биогенным накоплением (Аэ), наличием природных аномалий (Се). С антропогенными факторами связана аккумуляция РЬ, 8е, Хп, V, 8г и др.

5. Миграция тяжелых металлов по профилю почв связано с элементарными процессами почвообрвзования и в первую очередь определяется процессом оподзоливания, который приводит к обеднению ими гумусовых горизонтов, передвижению их и накоплению в иллювиальных слоях почвенного профиля. Наряду с щелочными и щелочноземельными элементами, это проявляется для Со, Си, Мп, N1, V.

6. Аккумуляция тяжелых металлов в почвах в большой мере определяется пространственной изменчивостью растительного покрова. Лесная растительность активизирует вынос из коренных пород таких элементов, как Б г, Ав, 8 с и др. Луг, наоборот, способствует аккумуляции Са, Бе, V. В пахотных почвах большое накопление некоторых тяжелых металлов связаны с использованием удобрений, мелиорантов, пестицидов, поскольку в их составе имеются Щ, Бе, 8г, и др.

7. Уровень загрязнения тяжелыми металлами в Приуралье изменяется с Предуралья к Зауралью т.е. с запада на восток экологические условия ухудшаются: Уфимское плато - Северо-восток - Зауралье. Среди элементов 1 группы опасности главными загрязнителями являются Ъъ, 8е и Ав; 2 группы - Мо, Сг и Си; 3 группы - Ва, и Мп.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

В Зауралье нужно провести рекультивацию карьеров и отвалов, образованных при добыче полезных ископаемых (золото, марганец, медь, цинк, и др.), на Северо-востоке привести в порядок известковый карьер на горе Малиновое с целью уменьшения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Результаты по содержанию тяжелых металлов в почвах Карапдельского района необходимо использовать как контрольные значения (фон).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Хабиров, И.К. Влияние горнорудного комплекса Зауралья на химический состав почв / И.К. Хабиров, Б.Н. Батанов, И.М. Габбасова, И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов // Вестник Оренбургского государственного университета. -2007. - № 1.-С.111 - 114.

2. Хабиров, И.К. Экологическая оценка почв северной лесостепной зоны Республики Башкортостан / И.К. Хабиров, И.Г. Асылбаев, P.A. Якупова, И.Ж. Якупов, Б.В.Рафиков // «Достижения науки и техники АПК». - 2008. - №8. -С. 17-20.

3. Хабиров, И.К. Оценка степени химического загрязнения почвенного покрова экосистем Южного Урала / И.К. Хабиров, И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов, P.A. Якупова, Б.В.Рафиков, Ю.С. Шакиров // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2009. - №6. - С.402-408.

Статьи в журналах, тематических сборниках и материалах конференций

4. Хабиров, И.К. Влияние содержания токсичных химических элементов в почве на их концентрацию в продукции растениеводства / И.Ж. Якупов, И.Г. Асылбаев, Т.Н. Абдуллин // Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России: материалы Всероссийской научно-практической конференции, - Уфа, БГАУ, 2002. - С.461- 464.

5. Хабиров, И.К. Зависимость содержания токсичных химических элементов в продукции растениеводства от их концентрации в почве / И.Г. Асылбаев, Т.Н. Абдуллин, И.Ж. Якупов // Современные проблемы загрязнения почв: материалы Международной научной конференции, посвященной 250-летию Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, - Москва, 2004. - С. 159-1 б 1.

6. Хабиров, И.К. Распределение мышьяка в почвах Южного Урала / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов, Т.Н. Абдуллин // Достижения аграрной науки - производству, материалы 110 научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов университета, - Уфа, БГАУ, 2004. — С.54-57.

7. Хабиров, И.К. Распределение цинка в почвах Южного Урала / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов, Т.Н. Абдуллин // Достижения аграрной науки - производству, материалы 110 научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов университета, - Уфа, БГАУ, 2004. — С.57-60.

8. Хабиров, И.К. Распределение мышьяка в горных породах и почвах Южного Урала / И.Г. Асылбаев, Ф.Н. Шакиров, И.Ж. Якупов, Т.Н. Абдуллин // Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса: материалы Всероссийской научно-практической конференции, - Уфа, БГАУ, 2005.-С. 101-103.

9. Хабиров, И.К. Содержание и распределение молибдена (Мо95) в породах и почвах Южного Урала / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов // Почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие. — Уфа, БГАУ, - 2006. -С.63-65.

10. Хабиров, И.К. Содержание и распределение никеля (№бо) в почвах горЕЮ-рудного региона Зауралья / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов // Почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие, - Уфа, БГАУ. - 2006. - С.65-67.

11. Хабиров, И.К. Концентрационные, кинетические и термодинамические функции почв / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов // Агроэкологическая роль плодородия почв и современные агротехнологии: материалы Всероссийской научно-практической конференции, - Уфа, БГАУ, - 2008. - С. 56-59.

12. Хабиров, И.К Содержание и особенности распределения химических элементов в почвах Приуралья / И.Г. Асылбаев, И.Ж. Якупов // Природное наследие России в 21 веке: материалы Международной научно-практической конференции 25-27 сентября 2008 г. - Уфа, 2008. - С.411-417.

13. Хабиров, И.К. Геохимическая экология почв на Южном Урале / И.М. Габбасова, И.Ж. Якупов, И.Г. Асылбаев, P.A. Якупова // -Уфа, Мир печати, 2010.-156 с.

14. Хабиров, И.К. Агроэкологическая оценка плодородия черноземов выщелоченных Предуральской степной зоны Республики Башкортостан и оптимизация азотного питания гречихи и ячменя / P.A. Якупова, И.Ж. Якупов // -Уфа, Мир печати, 2010. -84 с.

15. Хабиров, И.К. Диагностика и оптимизация азотного питания зерновых культур в почвах Южной лесостепи Республики Башкортостан / P.A. Якупова, И.Ж. Якупов // Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития АПК: материалы научно-практической конференции в рамках ХХШ Международной специализированной выставки «АГРОКОМПЛЕКС-2013» 1215 марта 2013 г. - Уфа, 2013. - С.105-109.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Усл.-печ. л. 1,16. Заказ SSO Тираж 100 экз. Формат бумаги 60x84'/i6. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная

РИО ФГБОУ ВПО БГАУ, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Якупов, Ирек Жиганурович, Уфа

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

04201453564

Якупов Ирек Жиганурович

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ПРИУРАЛЬЯ 03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор И.К. Хабиров

Уфа - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1 Агроэкологическая оценка земель, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы)...........................................................................8

Глава 2 Агроклиматические условия почвообразования..................................42

2.1 Эколого-генетическая характеристика почв.........................................42

2.2 Условия почвообразования.....................................................................43

2.3 Объекты и методы исследований...........................................................49

Глава 3 Особенности накопления тяжелых металлов в зависимости от

свойств почв и путей их поступления.........................................................60

3.1 Зауралье.....................................................................................................60

3.2 Уфимское плато.......................................................................................63

3.3 Северо-восток...........................................................................................66

Глава 4 Содержание и распределение тяжелых металлов в почвах.................72

4.1 Свинец.......................................................................................................72

4.2 Ртуть..........................................................................................................73

4.3 Кадмий......................................................................................................75

4.4 Селен.........................................................................................................76

4.5 Мышьяк.....................................................................................................78

4.6 Цинк...........................................................................................................80

4.7 Медь...........................................................................................................81

4.8 Хром..........................................................................................................83

4.9 Кобальт......................................................................................................84

4.10 Никель.....................................................................................................86

4.11 Молибден................................................................................................87

4.12 Сурьма.....................................................................................................89

4.13 Барий.......................................................................................................89

4.14 Стронций.................................................................................................92

4.15 Марганец.................................................................................................93

4.16 Ванадий...................................................................................................95

4.17 Вольфрам................................................................................................96

Глава 5 Оценка почв приуралья по уровню загрязнения тяжелыми металлами............................................................................................................98

Выводы..................................................................................................................103

Рекомендации производству..............................................................................104

Библиография.......................................................................................................105

Приложение..........................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изучение загрязнения почв агроэкосферы тяжелыми металлами является важной экологической проблемой. Тяжелые элементы из почвы вымываются в грунтовые воды, попадают в водоемы, потребляются растениями и в дальнейшем используются как продукты питания животными и человеком. Тяжелые металлы могут попасть в организм человека через органы дыхания при транспирации воды из почвы и водоемов. Под действием тяжелых металлов происходит угнетение растительного и почвенного мира планеты. Также представляют опасность для экосферы человека и физические поля, измененные и отраженные солями тяжелых металлов. При этом часть изменений накапливается и действует на биосферу на генетическом уровне. Академики РАСХН В.И. Кирюшин, А.Л. Иванов (2005) при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия рекомендуют провести агроэкологическую оценку земель, в том числе и по содержанию тяжелых металлов, и размещать сельскохозяйственные культуры с учетом их содержания в почве, поскольку реакция различных культур на концентрацию тяжелых металлов неодинакова.

Цель и задачи исследований. Целью работы явилось определение концентрации тяжелых металлов первой, второй и третьей групп опасности и агроэкологическая оценка их содержания в почвах различного генезиса с неодинаковым уровнем техногенного воздействия.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие основные задачи:

1. Определить содержание в почвах тяжелых металлов первой (РЬ, Сс1, Бе, Ав, Ъп), второй (БЬ, Мо, Си, Со, N1, Сг) и третьей (\У, Ва, 8г, Мп, V, Бс) групп опасности.

2. Установить пути рассеивания и концентрации тяжелых металлов в зависимости от источников поступления их в педосферу с учетом состава почвообразующих пород и растительности.

3. Оценить уровень загрязнения почв различных экосистем тяжелыми металлами.

Научная новизна. Определена концентрация тяжелых металлов в почвах луговых, лесных и пахотных угодий в Приуралье в пределах Республики Башкортостан, подверженных различного уровня антропогенным нагрузкам. Установлены пути движения тяжелых металлов по почвенному профилю, взаимосвязи их содержания со свойствами почв и с техногенезом.

Для Приуралья дана агроэкологическая оценка почв по содержанию тяжелых металлов по трем группам опасности, определен вклад отдельных элементов в суммарный показатель загрязнения.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Закономерности изменения концентрации тяжелых металлов и распределение их по профилю почв в условиях региона обусловленоы составом почвообразующих пород, элементарными процессами почвообразования, свойствами почв и уровнем антропогенных воздействий. 2. Обстановка по содержанию тяжелых металлов изменяется с почв Предуралья к Зауралью в худшую сторону. 3. Главными загрязнителями являются Мо, Мп Тп, Ва, Си, 8е, Аб, Сг, и

Теоретическая и практическая значимость. Материалы по содержанию тяжелых металлов в почвах являются основой для экологического мониторинга, экспертизы и зонирования территорий. Выявление высоких концентраций ряда тяжелых металлов, особенно первой и второй групп опасности, а также источников их поступления способствует разработке мероприятий по улучшению состояния загрязненных почв. С другой стороны, обнаружение дефицита ряда микроэлементов (например, меди в темно-серых лесных почвах и черноземах оподзоленных на Северо-востоке) позволяет обоснованно рекомендовать использование микроудобрений для повышения продуктивности пахотных почв.

Методология и методы исследования. Методология проводимого исследования основана на анализе научных публикаций, формулировке цели, задач и программы исследований, закладке полевых опытов и проведение

экспедиционных исследований, наблюдений, лабораторных исследований, статистической обработке экспериментальных данных и анализе полученных результатов. В основу диссертации были заложены общепринятые методы и ГОСТы, используемые в почвоведении.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации доложены на следующих научно-практических конференциях: проблемы и перспективы агропромышленного комплекса регионов России, Уфа, 2002; современные проблемы загрязнения почв, Москва, 2004; 110 научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов БГАУ, Уфа, 2004; повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса Уфа, 2005; почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие, Уфа, 2006; Агроэколо-гическая роль плодородия почв и современные агротехнологии, Уфа, 2008; природное наследие России в XXI веке, 25-27 сентября Уфа, 2008. Результаты исследований опубликованы в 15 печатных работах, 3 из них включены в список ВАК.

Структура и объем работы. В составе диссертации пять глав. Изложена на 135 страницах машинописного текста, в том числе 20 таблиц и 50 рисунков. Библиография включает 235 наименований отечественных и зарубежных источников.

Глава 1 Современное состояние вопроса (обзор литературы). В первой главе проанализированы литературные данные по тяжелым металлам: по содержанию их в породах, почвах и растениях различных экосистем, функционирующих в условиях техногенеза и агроэкологической оценки почв.

Глава 2 Объект, методика и условия проведения исследований.

Работа включена в НИКОР кафедры земледелия и почвоведения БГАУ по теме «Изучение химического состава почв и агроэкологическая оценка их по содержанию тяжелых металлов (научный руководитель доцент Асылбаев И.Г.), что полностью соответствует профилю подготовки специалистов по

дисциплинам, которые преподаются на кафедре (№ госрегистрации 01201352809).

В связи с этим почвенные разрезы закладывали на определенных зафиксированных участках Приуралья. В Зауралье исследования велись на участках Сафарово, Комсомольск, Кирябинка, Ахуново, Учалинский ГОК. В Уфимском плато исследования велись на участках Караяр, Магинск, Байки, Абызово, Бирск. В Юрюзано-айской депрессии исследования велись на участках Карлыханово-Ногуши, Вознесенка, Аркаулово, Болыпеустикинское, Ургала, Еланлино.

ГЛАВА 1 АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Особенности тяжелых металлов как загрязнителей. Особую группу загрязняющих веществ составляют тяжелые металлы. По определению В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова (2005), их особенность определяется следующими специфическими свойствами, отличающими их от других загрязнителей:

1. Говоря о тяжелых металлах как о загрязнителях, следует предполагать их концентрацию в пределах техногенных аномалий, вызванных природными или техногенными процессами, в десятки и сотни раз превышающую нормальное среднестатистическое (фоновое) их содержание в незагрязненных ландшафтах.

Тяжелые металлы сложно соотносятся с микроэлементами, под которыми подразумеваются элементы, облигатные для растительных и животных организмов (по А.П. Виноградову), содержание которых изменяется величинами п х Ю"2 - п х 10 5%.

Они необходимы для нормального протекания метаболических процессов в растениях, содержатся в клеточном веществе всех живых организмов. Их недостаток приводит к резкому ухудшению процессов обмена веществ, гибели растений и животных.

2. Тяжелые металлы способны накапливаться в растительности и животных организмах (в том числе в организме человека) до высокотоксичных уровней, вызывая снижение их жизненных функций, а также приводя их к гибели.

3. Тяжелые металлы активно включаются в биологический круговорот, что приводит к быстрому (активному) загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред (питьевой воды, воздуха и пищевых продуктов), то есть обладают высокой технофильностью - показателем интенсивности участия в загрязнении среды обитания человека. К примеру, рассеивание в

среде обитания ртути и свинца составляет 80-90% от их годового производства (Родионова А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С., 1998).

4. В отличие от органических загрязняющих веществ, тяжелые металлы не подвержены деструкции. В ходе миграции они лишь меняют уровень содержания или формы нахождения.

Накапливаясь в почвах, крайне медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) для почв в условиях лизиметра сильно варьирует: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия -от 13 до 1100 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989).

Сельскохозяйственные источники загрязнения почв тяжелыми металлами. Среди основных сельскохозяйственых источников поступления тяжелых металлов в почву выделяются: орошение сточными водами, применение различных видов органических и минеральных удобрений (табл. 1).

Таблица 1 Сельскохозяйственные источники загрязнения почв тяжелыми металлами, мг/кг сухой массы (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989)

Элемент Орошение сточными водами Фосфатные удобрения Известняки Азотные удобрения Органические удобрения Пестициды, %

Сс1 2-1500 0,1-170 0,04-0,1 0,05-8,5 0,3-0,8 -

Со 2-260 1-12 0,4-3,0 5,4-12 0,3-24

Сг 20-40600 66-245 10-15 3,2-19 5,2-55

Си 50-3300 1-300 2-125 1-15 2-60 12 50

нё 0,1-55 0,01-1,2 0,05 0,3-2,9 0,09-0,2 0,8-42

Мп 60-3900 40-2000 40-1200 - 30-550 -

N1 16-5300 7-38 10-20 7-34 7,8-30 -

РЬ 50-3000 7-225 20-1250 2-27 6,6-15 60

Бг 40-360 25-500 610 - 80 -

Ъп 90-49000 50-1450 10—450 1-42 15-250 1,3-25

i

Нормирование содержания загрязнителей в почве. Важнейшим условием организации земледелия на загрязненных территориях является детальная, научно обоснованная информация об уровнях загрязнения почв сельскохозяйственных угодий. Необходимым условием установления уровня загрязнения почвенного покрова является система нормирования содержания загрязнителя в почве.

Основы нормирования химических веществ, в том числе тяжелых металлов в почве базируются на принципе опережения токсических исследований по сравнению с внедрением в народное хозяйство токсичных веществ, принципе приоритетности медицинских и биологических показателей в установлении нормативов по сравнению с другими требованиями (например, экономическими) и концепции пороговости воздействия.

Порогом воздействия следует называть величину концентрации химического вещества, которая вызывает переход биологического объекта из одного качественного состояния в другое. Концепция пороговости вызывает ряд возражений и продолжает обсуждаться. Она связана с другой не менее дискуссионной проблемой - нормы и патологии. Однако бесспорным остается тот факт, что повреждения в природной среде развиваются тогда, когда негативные процессы преобладают над позитивными, адаптационные возможности живого организма исчерпаны, а скорость восстановления измененных в результате воздействия яда функций и структур ниже, чем скорость деструктивных процессов.

Ключевым моментом нормирования (токсикометрии химических веществ) является нахождение максимальных недействующих доз - количества загрязнителя, не вызывающего негативных последствий. В качестве такого показателя для почвенной среды выступает предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в почве. Согласно ГОСТу 17.4.1.03-84, ПДК вредного вещества в почве есть максимальная массовая доля загрязняющего почву вещества, не вызывающая прямого или косвенного влияния, включая отдаленные последствия влияния на окружающую среду и здоровье человека.

Важно отметить, что влияние загрязняющего вещества в природной среде может проявляться в результате прямого воздействия (в случае его наличия в воде или воздухе) или опосредованно (при наличии его в почве). Следовательно, если ПДК вредного вещества в воде и воздухе определяется его пороговым содержанием в той же среде, то для почвы - через сопредельные сферы. Это определяет специфику установления ПДК загрязнителя в почве. Методика установления предельных допустимых концентраций химических веществ в почве, базирующаяся на основных принципах и приемах токсикометрии, заключается в установлении таких концентраций в контактирующих с почвой средах (растениях, воде, воздухе), которые не представляют опасности для здоровья людей и отрицательно не влияют на общесанитарное состояние почвы. С этой целью используются следующие показатели, которые также можно рассматривать как разновидности ПДК:

- общесанитарный, характеризующий влияние загрязнителя на самоочищающую способность почвы и почвенный микробиоценоз в количествах, не изменяющих указанные процессы;

- транслокационный, характеризующий способность вещества переходить из пахотного слоя почвы через корневую систему растений и накапливаться в зеленой массе и плодах в количествах, не превышающих ПДК для данного вещества в пищевых продуктах;

- миграционно-воздушный, характеризующий способность вещества переходить из пахотного слоя почвы в атмосферный воздух в количествах, при которых во время миграции не происходит превышение ПДК для атмосферного воздуха;

- миграционно-водный, характеризующий способность вещества переходить из пахотного слоя почвы в поверхностные водоисточники в количествах, при которых во время миграции не происходит превышения величины ПДК для поверхностных водоисточников.

Далее, проводя анализ по каждому показателю вредности, из всех значений выбирают наименьшее, которое берется за базовое, определяющее

единое ПДК анализируемого вещества-загрязнителя в почве (таблица 2). Принцип выбора наименьшей концентрации по показателю вредности влияния для разных сопредельных сред, определяющий норму ПДК в почве, является ключевым для установления ПДК загрязнителя в почве.

Таблица 2 ПДК тяжелых металлов и мышьяка в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности (Санитарные нормы и правила допустимых концентраций химических веществ в почве, 1988. - 27 с.)

Элеме