На правах рукописи

БЕЛОЗУБОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ И ОСОБЕННОСТИ

МИГРАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В АГРОЦЕНОЗАХ

ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.08 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2011

Работа выполнена на кафедре социальной экологии и природопользования Российского государственного социального университета (г. Москва).

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Зубкова Валентина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Торшин Сергей Порфирьевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор Михеев Владимир Александрович

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Защита состоится « 07 » февраля 2012 г в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 по биологическим наукам в Российском государственном аграрном заочном университете по адресу 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного аграрного заочного университета.

Автореферат размещен на сайтах www.rgazu.ru, [email protected] и разослан « 22 » декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук О.Л. Сойнова

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Многостороннее воздействие окружающей среды на живые организмы обусловлено в первую очередь, воздействием антропогенных факторов, имеющих особенности в каждом регионе.

Волгоградская область характеризуется мощным производственным потенциалом и находится на первом месте в ЮФО по объемам выбросов. Масса выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников в атмосферу по Волгоградской области за первое полугодие 2010 года составила 97,9 тыс. тонн (Доклад, 2011).

Наряду с предприятиями металлургии, машиностроения, теплоэнергетики, нефтепереработки, химической промышленности, стройиндустрии, в том числе ЗАО «Металлургический завод «Красный Октябрь», ОАО «СУАЛ» филиал «Волгоградский алюминиевый завод Сибирско-Уральской алюминиевой компании», ООО «ЛУКойлВолгограднефтепереработка», ОАО «Каустик», ОАО «Химпром», ОАО «Волжский завод органического синтеза» и другими, в Волгоградской области функционирует многочисленная сеть магистральных газо- и нефтепроводов, что обусловливает повышенную техногенную нагрузку на компоненты биосферы, приводящую к сложной ассоциации элементов в почве и живых организмах, изменяющих их функциональные особенности, истощающих ассимиляционный потенциал и адаптационные резервы.

Нарушение экологического равновесия в природе сказывается, в первую очередь, на почве, поскольку она является главным приемником и аккумулятором токсичных элементов. Вместе с тем почва выступает первым звеном в пищевой цепи почва – растение – животное – человек.

В литературе широко представлены результаты исследований по транслокации тяжелых металлов (ТМ) в системе почва-растение (Черных, 1995;

Прохорова и др., 1998; Торшин, 1998; Зубкова, 2004).

Однако в связи с разнотипным характером техногенного воздействия, проявляющимся на территории Российской Федерации, в том числе Волгоградской области, необходимо региональное изучение элементного состава всех звеньев трофической цепи, особенно закономерностей распределения элементов в агроценозах, граничащих с промышленными центрами, в которых экономически выгодно производство продукции растениеводства и животноводства вследствие непосредственной близости от потребителей и предприятий переработки.

Цель работы заключалась в изучении закономерностей миграции и распределения Cd, Pb и As в трофических цепях агроценозов Волгоградской области, прилегающих к промышленным центрам.

Задачи исследования:

1. Изучить геохимические особенности снега и накопление токсичных элементов на подстилающей почве в районах Волгоградской области, прилегающих к источникам промышленного загрязнения.

2. Оценить эколого-геохимическое состояние почв, находящихся в зоне техногенной нагрузки.

3. Установить аккумулирующую по отношению к Cd, Pb и As способность растений агрофитоценозов Волгоградской области и возможность их применения для фиторемедиации.

4. Сопоставить уровни накопления ТМ и As в почвах и растениях с уровнями их содержания в молоке и волосяном покрове коров.

Положения, выносимые на защиту:

1. Существенным источником поступления токсичных элементов в почвы Волгоградской области являются атмосферные осадки.

2. Почвы Волгоградской области испытывают техногенное воздействие, проявляющееся в увеличении содержания в них Cd и As.

3. Зависимость между поступлением As с атмосферными осадками и содержанием его в почвах.

4. Видовая особенность растений в накоплении тяжелых металлов и As.

5. Наибольшая миграционная способность Cd по сравнению с Pb и As.

6. Соответствие содержание Pb, Cd и As в пробах волосяного покрова коров со среднесуточным поступлением этих элементов с кормом.

Научная новизна исследований. Основные результаты, представленные в диссертации, расширяют знания о химическом составе почв и растений в условиях антропогенной нагрузки. Впервые проведены комплексные исследования по изучению биогеохимической миграции Cd, Pb и As в агроценозах районов Волгоградской области, прилегающих к промышленным центрам; установлены близкие к границе допустимого уровни содержания в почве Cd и As; тесная зависимость между содержанием As в слое почвы 0– 20 см и количеством его, поступающим с осадками для тяжелосуглинистых почв и умеренная – для глинистых; отсутствие прямой зависимости между содержанием загрязнителей в почве, растениях и животных, обусловленное, в первую очередь действием кислотно-щелочных барьеров.

Практическая значимость исследований. Многолетние исследования состава атмосферных осадков позволяют прогнозировать изменение содержания токсичных элементов в почвенном покрове Волгоградской области.

Полученная информация о миграции ТМ и As в цепи почва – растение – животное на прифермерских полях Волгоградской области служат основой для обследования и организации мониторинга при планировании и производстве экологически безопасной продукции животноводства в условиях техногенной нагрузки.

В качестве растения – фитоэкстрактора на почвах, характеризующихся повышенным содержанием ТМ и As, можно использовать горчицу сарептскую.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации были доложены на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2010»; секции «Современные техногенные и экологические вызовы: инновационные пути решения» X Международного социального конгресса, РГСУ г. Москва;

годичных чтениях РГСУ 2010, 2011 гг.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы.

Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, включает 38 таблиц, 10 рисунков, 35 приложений.

1. Источники загрязнения почв и особенности миграции токсичных элементов в трофических цепях в условиях антропогенной нагрузки В первой главе рассматриваются основные источники загрязнения окружающей среды токсичными элементами; элементный состав живых организмов и факторы его обусловливающие; приводятся мероприятия, снижающие поступление токсичных элементов в пищевые цепи.

2. Условия, объекты и методы проведения исследований Для решения поставленных задач в период с 2005 г. по 2010 г. были проведены полевые и лабораторные исследования в Городищенском, Светлоярском, Среднеахтубинском и Ленинском районах Волгоградской области.

Объектами исследований явились атмосферные осадки (снеговая вода), светло-каштановые почвы различного назначения (пашня, пастбища), продуценты – полевые и пастбищные сельскохозяйственные растения (озимая пшеница, горчица сарептская, донник лекарственный, лебеда, пырей ползучий, житняк, тростник), волосяной покров и молоко крупного рогатого скота (консументы).

Предмет исследований – миграция Pb, Cd и As в системе атмосфера – почва и далее по трофической цепи агроценозов Волгоградской области.

Среди экологических факторов, действующих на организмы и экосистемы, в первую очередь были учтены такие абиотические факторы как климатические, эдафические и орографические.

Наблюдение за состоянием агроценозов проводили на постоянно действующих площадках, которые выделялись на светло-каштановых почвах вышеуказанных районов (топографическая привязка приведена в таблице 1).

Номера площадок соответствуют в дальнейшем номерам вариантов. По гранулометрическому составу почвы относились к легким, средним, тяжелым суглинкам и глине.

Отбор проб снега с площадок проводили в соответствии с ГОСТ 17.1.5. – 85 и Методическими рекомендациями по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве от 15.05.1990 № 5174-90.

В образцах снеговой воды на базе ФГУ «Центр агрохимической службы «Волгоградский» определяли рН, величину сухого остатка (общую минерализацию), содержание анионов Cl–, SO42–, катионов Na+, Ca2+ и Mg2+, ТМ (Pb, Hg, Cd, Zn, Cu) и As методами потенциометрии, фотоколориметрии, атомно-абсорбционной спектрометрии.

Таблица 1 – Топографическая привязка исследуемых площадок легкосуглинистые 4850'152" 4451'505" Среднеахтубинский среднесуглинистые 4853'085" 4437'134" Городищенский Анализ проб снеговой воды проводился в соответствии с ГОСТами: Zn, Cu, Pb, Hg, Cd – ГОСТ 18293–72; As – ГОСТ 4152–89; SO42-– ГОСТ 4389–72.

По результатам анализа рассчитана сумма концентрации в долях от ПДК каждого элемента в отдельности по формуле:

где – содержание элемента в снеге, – предельно допустимая концентрация этого элемента в снеге;

определен суммарный показатель загрязнения снеговой воды ( ) (Методические рекомендации, 1990):

Отбор проб почвы проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02 – 84. В почвенных образцах определяли pH; содержание обменных форм Ca2+, Mg2+ и Na+; содержание гумуса; валовое содержание, а также содержание потенциально-доступных и подвижных форм Pb, Cd и As.

Для ТМ и As в слое 0 – 20 см рассчитана сумма концентрации в долях от ОДК каждого элемента в отдельности по формуле:

где – валовое содержание элемента в почве, – ориентировочно допустимая концентрация этого элемента в почве;

коэффициенты концентраций тяжелых металлов (К) и суммарный показатель загрязнения почвы ( ) (Кирюшин, 1996):

Для установления защитных возможностей почв по отношению к ТМ рассчитан ряд коэффициентов:

коэффициент защитных свойств (Карпухин, Бушуев, 2007):

коэффициент валового загрязнения (Карпухин, Бушуев, 2007):

коэффициент загрязнения потенциально-доступной формой (Карпухин, Бушуев, 2007):

Для оценки вклада техногенной составляющей в общее содержание ТМ в почве использовали экстракционный критерий, представляющий собой отношение содержания ТМ в вытяжке 1 М HNO3 к их валовому содержанию, выраженному в процентах.

На выбранных площадках весной осуществляли отбор пахотной почвы по горизонтам 0-20, 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 см для определения валового содержания Pb, Cd и As.

Почвенные образцы с территории пастбища ОАО «Червленое»

Светлоярского района отбирали методом прикопок в соответствии с принятыми в геохимии и почвоведении методиками (Алексеенко, 1999).

В условиях 2005-2008 гг на почве вариантов 3, 5, 6, 8 выращивали озимую пшеницу сорта Волгоградская 84 и горчицу сарептскую сорта Камышинская 10; а на почве пастбища в 2010 г исследовали образцы кормовых трав – triplex patula (лебеды раскидистой), Meliltus officinlis (донника лекарственного), Agropron desertorum (житняка узкоколосого), Elytrgia rpens (пырея ползучего), Phrgmites communis (тростника южного).

Полевые опыты, сопутствующие им исследования, агрохимические анализы почв, растений проводились по соответствующим ГОСТам и ОСТам, разработанным ЦИНАО и принятым агрохимической службе.

Технология выращивания сельскохозяйственных культур – общепринятая для зоны. В опытах использовали сорта культур, включенные в реестр сортов и рекомендованные к выращиванию в Волгоградской области.

Повторность опыта 3-х кратная. Общая площадь делянки 100 м2.

Для оценки миграции ТМ и As в системе почва – растение рассчитаны коэффициенты биологического поглощения (КБП), коэффициенты накопления (КН), коэффициенты относительного поглощения (КОП), акропетальные коэффициенты (АК) по следующим формулам:

Параллельно с пастбищными почвенными и растительными образцами в хозяйстве ОАО «Червленое» Светлоярского района были отобраны пробы молока, а также волос лактирующих коров красной степной породы.

Отбор проб волосяного покрова проводили в летний период (июнь) с кистей хвостов. Длина отобранных волос составляла 20 см.

Содержание Pb, Cd и As в пробах волос определяли атомноабсорбционным методом (на атомно-абсорбционном спектрофотометре ААна базе научно-лабораторного комплекса «ТоксиЛаб» (г. Москва).

Пробы молока отбирали в соответствии с ГОСТ 26809–86. Молочные пробы анализировали на базе ГУ Волгоградской областной ветеринарной лаборатории атомно-абсорбционным методом (атомно-абсорбционный спектрометр КВАНТ). Содержание в пробе молока Pb и Cd определяли в соответствии с ГОСТ 30178-96, As – в соответствии с ГОСТ 26930-86.

метеорологической службы, отчеты ФГУ «ЦАС «Волгоградский», государственного комитета по экологии, опубликованные в официальных изданиях.

В отдельные годы проведения исследований имели место существенные различия в распределении осадков. Наибольшим количеством осадков характеризовался 2005 г, а наименьшим – 2010 г. Особо выделялись жаркий 2007 г и холодный 2008 г. В 2010 г. наблюдалась холодная зима и жаркое засушливое лето. Зимы в период с 2006 г по 2008 г были малоснежными.

Наибольшая высота снежного покрова наблюдалась в 2009 г.

3.1. Поступление тяжелых металлов в почву при выпадении осадков Снеговой покров является депонирующей средой, которую используют для характеристики аэрогенного воздействия на компоненты окружающей среды.

Результаты наших исследований свидетельствуют о нестабильности химического состава снеговой воды в зависимости от лет проведения исследований.

Для анионов Cl–, SO42– и катионов Na+, Ca2+, Mg2+ в снеге исследуемых вариантов превышения ПДК не наблюдалось.

Наибольшее количество анионов Cl–, SO42– содержалось в снеге вариантов, расположенных в Городищенском (варианты 3, 4) и Светлоярском (вариант 6) районах.

В снеге большинства исследуемых участков наблюдался сдвиг типичного соотношения Ca2+:Mg2+ (5:1) в сторону Ca2+. Исключением явился вариант 3 с соотношением этих элементов в осадках 3:1. Очевидно, этим объясняется отсутствие существенного сдвига показателя pH снеговой воды при высокой концентрации в ней SO42–.

Анализ снежного покрова показал, что в спектре загрязнителей снежного покрова доминируют наиболее токсичные и опасные элементы.

Для всех лет исследований концентрации тяжелых металлов и мышьяка в снеговом покрове образуют следующий убывающий ряд:

Необходимо отметить, что в отличие от таких элементов как Zn, Cu, As и Pb по Hg и Cd в отдельные годы на некоторых участках содержание элементов в снеге достигало или превышало ПДК (рис. 1).

Рисунок 1 – Содержание токсичных элементов в снеговой воде в 2008 г.

Выпадение элементов с атмосферными осадками в условиях Волгоградской области достигало по As – 35,50 г/га, по Pb – 39,05 г/га, по Cd – 3,55 г/га в год.

Наибольшим содержанием Cd в среднем за 2005 – 2008 гг отличался снеговой покров Городищенского района (варианты 2, 7). Очевидно, это обусловлено близким расположением металлургических производств, находящихся в северной части г. Волгограда.

Наибольшее количество As содержалось в снеговой воде Городищенского (варианты 2, 3, 4) и Ленинского (вариант 10) районов. Это связано с расположением ТЭЦ на расстоянии 1 – 9 км, авто- и железных дорог – 0,5 км, заводов – 1 – 5 км и преобладающими направлениями ветра.

Изучаемые варианты по величине суммарного показателя загрязнения снеговой воды располагались в следующий ряд:1 (5,17) 11 (5,99) 9 (6,61) (6,94) 6 (7,33) 7 (7,70) 10 (9,05) 4 (9,07) 5 (12,69) 8 (32,12) 3 (40,62).

3.2.Эколого-токсикологическая оценка почв Волгоградской области Одним из показателей экологического состояния территорий является характер загрязнения почв, принимающих на себя основную долю антропогенного воздействия (Михайлова, Шергина. 2010). На определенных региональных территориях эти показатели зависят как от вида хозяйственной деятельности, так и от природных геохимических факторов (Овсянникова, 2010).

Гумус играет большую роль в биосферных явлениях не только как величайший аккумулятор солнечной энергии, но и как первый буфер по отношению к различного рода загрязнениям, выполняя функции геохимического барьера. В соответствии с градацией светло-каштановых почв по содержанию гумуса почвы вариантов 1, 3, 4, 10 являются слабогумусированными; вариантов 2, 6, 7, 8, 9, 11 – среднегумусированными;

варианта 5 – сильногумусированными (приложение 17 диссертации).

Одним из основных показателей, определяющих экологические функции почвы как незаменимого звена и регулятора биохимических циклов элементов, является показатель pH, который в наших исследованиях практически не изменялся и находился в области нейтральных и слабощелочных значений. Для суглинистых почв различных вариантов в разные годы pH составлял 7,20 – 7,26; для тяжело – суглинистых– 7,02 – 7,46; для глинистых почв –7,09 – 7,24. С увеличением глубины почвенного профиля показатель pH увеличивался, и в более нижних слоях реакция среды имела слабощелочные значения. Это обусловлено наличием в данных слоях карбонатных горизонтов.

Среди обменных катионов в почвах исследуемых участков по содержанию преобладал Ca2+. Концентрация этого иона колебалась от 9,7 до 20,8 м экв/100 г почвы. На его долю приходилось 68-87 % ЕКО.

Сдвиг типичного соотношения Ca2+:Mg2+ – 5:1 в сторону Mg2+ имел место в глинистых и большинстве тяжело-суглинистых почв исследуемых вариантов (рис. 2). В щелочных почвах это явление создает предпосылки для возникновения экологической дисгармонии почвенной среды, вследствие повышения количества Mg2+ в ППК за счет снижения содержания Ca2+. В этом случае Mg2+ вызывает повышение щелочности в связи с присутствием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов Mg.

Соотношение Ca2+:Mg2+ Рисунок 2 – Соотношение Ca2+:Mg2+ в почве исследуемых вариантов Изучение почвенного покрова Волгоградской области показало, что исследуемые почвы районов относятся к категории допустимого загрязнения.

Наименее загрязнены почвы Среднеахтубинского района 1,00-3,34;

наиболее – почвы Ленинского района 6,90-7,07.

Приоритетным загрязнителем в почвах Ленинского, Среднеахтубинского и Светлоярского районов был преимущественно Cd, а Городищенского – Cd и As.

Проведенными исследованиями установлено, что в светло-каштановых почвах Волгоградской области происходило существенное накопление As.

Так, в пахотном слое на суглинистых и тяжелосуглинистых почвах, расположенных в Городищенском районе, валовое содержание As практически по своему значению приближалось к ОДК (табл. 2).

На более тяжелых почвах, расположенных в Ленинском районе, максимальное значение валового содержания As в слое 0-20 см составляло 0, и 0,81 ОДК соответственно (табл. 2).

Пространственная изменчивость содержания As в почве вариантов была значительной, – коэффициент вариации составлял 25 %, что свидетельствует о неравномерном загрязнении слоя 0-20 см почв исследуемых участков. Степень загрязнения обусловлена месторасположением промышленных предприятий, преобладающими направлениями ветров.

Очевидно, причиной относительно высокого содержания As в почвах данных вариантов является преимущественно аэротехногенное загрязнение, что подтверждает анализ снеговой воды (рис. 1).

Таблица 2 – Валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в слое 0-20 см светло-каштановых почв в условиях Волгоградской области, мг/кг почвы состав почвы В условиях Волгоградской области отмечается неравномерное распределение As по профилю светло-каштановых почв. Высокое содержание As отмечено в слое 0-20 см, что в первую очередь связано с большим содержанием гумуса в верхних горизонтах этих почв. В слое 40-60 см светлокаштановых почв практически всех вариантов наблюдается второй максимум содержания As (рис. 3).

В глинистых почвах содержание As плавно убывает по профилю. Это связано с неодинаковым содержанием гумуса и мелкодисперсных глинистых частиц в профилях указанных почв.

Светло-каштановые почвы Волгоградской области, имеющие слабощелочную реакцию, характеризуются зачастую высоким содержанием Cd.

Карбонатные почвы и породы способствуют его концентрации на щелочном геохимическом барьере (Башкин, Касимов, 2004).

Обращают на себя внимание тяжелосуглинистые и глинистые почвы, расположенные в Светлоярском и Ленинском районах Волгоградской области, в которых содержание Cd достигало величины 0,9-1,1 ОДК (табл. 2). В почве вариантов 6 и 9 наибольшее содержание Cd отмечено в слое 0-20 см. Это свидетельствует о регулярном поступлении Cd в почвы данных вариантов.

Валовое содержание As, % от max для данного варианта Рисунок 3 – Распределение валового содержания As по профилю светлокаштановых почв в условиях Волгоградской области Выявленное загрязнение почвы Cd наблюдалось при отсутствии аномалий в снеговом покрове данных вариантов, что свидетельствует о более раннем загрязнении.

Техногенной воздушной миграции кадмия способствует его преимущественное нахождение (80-85%) в парогазовой субмикронной и мелкодисперсной фракциях аэрозоля. Поэтому аномалии подвижных форм Cd обнаруживаются в верхних горизонтах почв наветренных склонов в 5-8 км от металлургических заводов (Башкин, Касимов, 2004).

Свинец по профилю исследуемых пахотных почв распределялся равномерно. В щелочных почвах Pb удерживается сорбционно, а наибольшую роль в этом процессе играют ил, органическое вещество и карбонаты (Зырин, Садовникова, 1985).

Валовое содержание Pb в светло-каштановых почвах Волгоградской области существенно ниже ОДК (табл. 2). Однако вызывает обеспокоенность содержание потенциально-доступных форм Pb (экстрагент 1 М HNO3), близкое к валовому содержанию.

Так, на пахотных почвах вариантов 1, 2, 5, 7 и 11 отношение содержания тяжелых металлов в кислотных вытяжках (1 М HNO3) к их валовому содержанию, выраженному в процентах, по Pb составило 76 %, 70 %, 60 %, 84 % и 91 % соответственно (табл. 3). Так как доля потенциально-доступных форм от валового содержания превышает 50 %, можно говорить о преобладании техногенного загрязнения Pb пахотных почв.

Таблица 3 – Оценка техногенной составляющей в загрязнении почв, % метрический состав ант При оценке почв по коэффициенту загрязнения потенциально-доступной формой необходимо отметить резкое превышение фонового содержания Pb в почве вариантов 2 (на 63 %), 5 (на 67 %), 7 (на 57 %), что связано с близким расположением крупных автомобильных дорог; Cd – 1 (на 240 %), 2 (на 160 %), 4 и 11 (на 180 %), 5 (на 220 %), 6, 7 и 10 (на 100 %), 9 (на 140 %) (табл. 3).

Наибольшее превышение фонового содержания потенциально-доступной формы Cd в почве характерно для вариантов, расположенных в непосредственной близости от промышленных предприятий. Так тяжелосуглинистые почвы варианта 5, расположенного в Светлоярском районе, находятся под техногенным воздействием южной промзоны Волгограда, включающей крупные предприятия нефтепереработки (ООО «ЛукойлВолгограднефтепереработка»), химии (ООО «Каустик», ОАО «Пласткард»), металлообработки (ОАО «Северстальметиз»). Максимальное превышение фонового содержания Cd, отмеченное в легкосуглинистой почве варианта 1, расположенного в Среднеахтубинском районе, обусловлено близким расположением крупного химического комбината (ОАО «Волжский оргсинтез»).

По коэффициенту валового загрязнения выделяются варианты 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, где валовое содержание Pb превышало фоновое на 54-89 %.

Содержание Cd, судя по этому коэффициенту, превышает фоновое в вариантах 2, 7, 8 (на 78 %), 4 (на 100 %), 5, 6, 10 (на 102 %), 9 (на 156 %).

Валовое содержание As по сравнению с фоновым превышено во всех вариантах кроме первого на 35-85 %.

Интерес представляет не только содержание тяжелых металлов в почвах пашни, но также и в других сельскохозяйственных угодьях, в первую очередь, в почве пастбища, так как вследствие выедания травостоя животными токсичные элементы могут поступать в их организмы.

Исследование почв пастбища показало, что валовое содержание As составляло 0,8 ОДК. Валовое содержание Pb и Cd в слое 0-20 см пастбищной почвы значительно ниже ОДК, однако настораживает высокое содержание потенциально-доступных форм Pb и Cd, равное 65 % и 94 % от валового соответственно. Так как доля потенциально-доступных форм от валового содержания превышает 50 %, можно говорить о преобладании техногенного загрязнения Pb и Cd в пастбищных почвах (табл. 4).

Таблица 4 – Содержание Pb, Cd и As в пахотной и пастбищной почве Светлоярского района Волгоградской области *Предельно допустимое содержание (Чулджиян, Картева, Фацек, 1988) Сравнительный анализ содержания Pb, Cd и As в пахотных и пастбищных почвах Светлоярского района показал, что если содержание элементов в почве пастбища взять за 100 %, то валовое содержание Pb и Cd в почве пашни в среднем выше на 57 % и 6 % соответственно, а As – ниже на 10 % валового содержания данных элементов в почве пастбища.

По мнению В.В. Мелихова (2002), содержание тяжелых металлов в пахотных почвах относительно меньше, чем на целине или залежи, расположенной рядом, потому что вспашка выполняется с оборотом пласта и почва перемешивается, в то время как на целине ТМ оседают в верхнем слое – 5 см.

Однако в наших исследованиях для Pb и Cd наблюдалась обратная закономерность, а содержание As в пахотной и пастбищной почвах было практически на одном уровне.

Методом корреляционно-регрессионного анализа выявлены закономерности и изучены взаимосвязи между содержанием Pb, Cd и As в снеговой воде и почве исследуемых вариантов.

Между поступлением As в почву с осадками, загрязненными мышьяком (кг/га), и общим содержанием As в слое 0-20 см почвы соответствующих вариантов (кг/га) в результате корреляционно-регрессионного анализа выявлена Корреляционной зависимости между поступлением Pb и Cd в почву с осадками, загрязненными тяжелыми металлами и общим содержанием этих элементов в почве соответствующих участков не выявлено, значения коэффициентов корреляции составляли менее 0,5.

3.3. Биогеохимическая миграция тяжелых металлов в трофической цепи Передвижение многих химических элементов через агроценозы и пищевые цепи – явление комплексное, особенно для элементов, которые присутствуют в почвах и растениях в малых количествах. Это относится, в том числе и к токсичным элементам.

Между химическим составом растений и элементным составом среды существует связь, но прямая зависимость содержания тяжелых металлов в растениях от содержания в почве часто нарушается из-за избирательной способности растений к накоплению элементов в необходимом количестве, а также свойств самой почвы. Прямой корреляционной зависимости содержания изучаемых элементов в растениях от содержания их подвижных форм в почвенном растворе в наших исследованиях не выявлено.

Так, накопление Pb, Cd и As зерном и соломой находилось на низком уровне, однако несколько различалось в зависимости от элемента. Содержание Pb в соломе превышало содержание в зерне в 1,6 раза, по Cd в 1,1 раза, а по As большей накопительной способностью характеризовалось зерно (рис. 4).

Содержание Pb в зерне озимой пшеницы (0,08-0,13 мг/кг) не превышало уровня действующих в РФ ПДК для продовольственного сырья и пищевых продуктов.

Содержание Cd и As в зерне озимой пшеницы было значительно ниже ПДК, по вариантам опыта практически не изменялось и составляло в среднем 0,03 мг/кг.

Коэффициеты накопления тяжелых металлов и мышьяка озимой Рисунок 4 – Накопление тяжелых металлов и мышьяка озимой пшеницей Низким содержанием токсичных элементов характеризовались и пастбищные растения (табл. 5).

По содержанию Cd в надземной части растений пастбищные травы образовали следующий ряд: лебеда > донник лекарственный > пырей ползучий > житняк > тростник.

Максимальное содержание Cd наблюдалось в корнях (табл. 5).

Содержание Cd в корнях житняка и пырея ползучего в 8 раз превышает содержание этого элемента в стеблях, а донника лекарственного – в 2 раза.

Следовательно, защитная функция корней по отношению к Cd у пырея ползучего и житняка проявляется сильнее.

При проникновении ионов тяжелых металлов в корни происходит их хелатирование и, как следствие, снижение подвижности. Предполагают, что определенную защитную функцию в корнях могут выполнять клетки пояска Каспари, препятствующие движению веществ по межклеточному пространству и ограничивающие их переход в проводящие ткани (Ягодин, Виноградова, Говорина, 1989).

Содержание As в пастбищных травах (0,03-0,10 мг/кг) находилось в пределах содержания As в растениях, произрастающих на незагрязненных почвах 0,009-1,5 мг/кг (Карпова, Потатуева, 1991).

Практически у всех изучаемых пастбищных растений наиболее обогащены мышьяком листья и корни (табл. 5).

Наблюдались различия по характеру распределения Pb в органах пастбищных растений. Так, у донника лекарственного, лебеды и пырея ползучего наибольшее содержание Pb наблюдалось в листьях и корнях. У житняка наиболее обогащены свинцом корни, а у тростника – листья и стебли (табл. 5).

Защитная функция корней по отношению к Pb сильнее проявлена у пырея ползучего (содержание Pb в корнях в 15,7 раз больше его содержания в стеблях), наименее проявлена – у донника лекарственного (содержание Pb в корнях превосходило его содержание в стеблях в 1,2 раза).

Таблица 5 – Содержание тяжелых металлов и мышьяка в пастбищных травах, мг/кг продукции Meliltus officinlis (Донник лекарственный) triplex patula (Лебеда раскидистая) Elytrgia rpens (Пырей ползучий) Agropron desertorum (Житняк узкоколосый) Phrgmites communis (Тростник южный) Имеется предположение о том, что существуют два ведущих фактора формирования элементного состава растений – генетический и экологический.

Их долевое участие меняется в зависимости от изменения условий среды.

В условиях наших исследований ведущим фактором оказался генетический – видовая особенность растений в накоплении токсичных элементов.

Оценка содержания тяжелых металлов еще одним растением – Brassica juncea (горчицей сарептской) в качестве культуры, продукция которой может быть использована для технических целей, показало, что она в отличие от озимой пшеницы и изучаемых пастбищных трав обладает значительно большей способностью к накоплению Pb, Cd и As (табл. 6). Так, содержание этих элементов в надземной части горчицы превышало их содержание в озимой пшенице по Pb в 96 раз, по Cd в 135 раз, по As в 294 раза.

Наибольшее содержание Cd наблюдалось в корнях горчицы сарептской;

оно превышало содержание в надземной части в 1,8 раза.

Это в 34 раза выше, чем в корнях лебеды, отличающихся повышенной накопительной способностью данного элемента.

Содержание Pb и As в надземной части и корнях горчицы сарептской находилось практически на одном уровне (табл. 6).

Таблица 6 – Содержание тяжелых металлов и мышьяка в горчице сарептской, мг/кг Способность горчицы сарептской аккумулировать в своей биомассе значительное количество тяжелых металлов и мышьяка, по-видимому, связана со значительным содержанием специфических клеток, способных надежно связывать эти элементы, ослабляя тем самым их токсическое действие и сохраняя возможность к репродукции остальных клеток растения.

Наибольший интерес, с точки зрения, миграции элементов из рассчитанных коэффициентов представляли КОП и АК.

Если рассмотреть суммы коэффициентов относительного поглощения Pb, Cd и As ( ) для вариантов с озимой пшеницей, то видно, что по мере убывания варианты опыта образуют ряд: вариант 3 > вариант практически совпадает с рядом убывания суммы концентрации в долях от ОДК Наблюдался отклик урожайности озимой пшеницы на изменение общего содержания тяжелых металлов и мышьяка в почве: вариант 3 = В отличие от выше перечисленных растений, характеризующихся очень низкими коэффициентами биологического поглощения, эти коэффициенты у надземной массы горчицы сарептской по Cd, Pb и As достигали 2,3; 1,4 и 1, соответственно. Это свидетельствует о ее способности аккумулировать данные элементы.

Горчица сарептская имеет стержневой корень, проникающий в глубину до 2-3 м, отличается холодостойкостью, засухоустойчивостью, нетребовательностью к почвам. Период ее вегетации составляет 90-110 суток.

За 2,5 месяца вегетации горчица сарептская может производить до 18 т/га биомассы (Галиулина, Галиулин, Возняк, 2003). Это позволяет использовать растения горчицы сарептской для извлечения Pb, Cd и As из загрязненных почв.

При изучении миграции ТМ и As по трофической цепи было установлено, что основным источником поступления Pb, Cd и As в организм коров в пастбищный период является пастбищная трава.

Результаты анализа молока показали отсутствие в нем Pb и As, однако содержание Cd в молочных пробах составляло величину допустимого содержания по СанПиН 2.3.2.2401–08 «Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов» (табл. 7).

Отсутствие Pb и As в молоке коров позволяет заключить, что данные элементы при среднесуточном поступлении их с компонентами рациона в количестве 17,7 мг и 2,4 мг соответственно в молоко не переходят. Однако при среднесуточном поступлении Cd в организм коров до 1 мг его количество в молоке составляет значение границы допустимого содержания. Исходя из среднесуточного удоя от коровы в хозяйстве в 10 л, рассчитали коэффициент перехода Cd из рациона питания в молоко, который составил 21 %.

Таблица 7 – Содержание тяжелых металлов и мышьяка в молоке коров красной степной породы, мг/кг *СанПиН 2.3.2.2401–08 «Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов».

Для оценки содержания Pb, Cd и As в организме коров красной степной породы использовали данные по элементному составу волос. Исследования С.П. Заманы (2006) показали, что для большинства макро- и микроэлементов содержание в пробах волос, отобранных с кисти хвоста достоверно выше по сравнению с пробами, отобранными с холки и спины животных. По этой причине отбор проб волос для химического анализа проводили с кистей хвостов животных.

Сопоставление содержания токсичных элементов в пробах волос с кистей хвостов животных с данными, предложенными Патрашковым С.А. (2003) в качестве нормы показало, что содержание Pb в исследуемых пробах волос превышало норму в 4,6 раза, а содержание Cd находилось в пределах нормы (табл. 8). Но в то же время уровень содержания Cd в молоке коров составлял границу допустимого содержания. Поэтому норма содержания Cd в волосах кистей хвостов у коров красной степной породы требует корректировки.

По содержанию в волосах коров тяжелые металлы и мышьяк образуют следующий ряд: Pb > As > Cd.

Таблица 8 – Содержание тяжелых металлов и мышьяка в волосах коров красной степной породы, мг/кг В связи с наибольшим коэффициентом перехода Cd из рациона питания в молоко и наличием элемента в молоке в количестве близком к допустимой норме, необходимо принять меры по снижению риска получения сельскохозяйственной продукции с опасным содержанием Cd.

Для уменьшения опасности загрязнения сельскохозяйственной продукции Cd целесообразно проводить мероприятия по снижению перехода его в растения.

1. Одним из основных источников, обеспечивающих транспортировку токсичных элементов в агроландшафты, являются атмосферные осадки.

Выпадение элементов с атмосферными осадками в условиях Волгоградской области достигало по As – 35,50 г/га, по Pb – 39,05 г/га, по Cd – 3,55 г/га в год.

2. Оценка основных экологических свойств почв районов, прилегающих к источникам загрязнения в Волгоградской области, позволяет охарактеризовать их состояние как удовлетворительное, однако необходимо отметить наметившуюся тенденцию техногенного воздействия, проявляющуюся в усилении загрязнения. Установлено накопление Cd (до 1,1 ОДК), As (до 0,9 ОДК) и пространственная изменчивость содержания мышьяка в почве (значение коэффициента вариации – 25%).

3. Распределение микроэлементов по профилю почв определяется содержанием органического вещества и высокодисперсных частиц. При этом существенное значение имеет наличие щелочных геохимических барьеров, что особенно способствует концентрированию Cd. Наибольшее содержание As в почве соответствовало наибольшему содержанию элемента в снеговой воде.

Загрязнение почвы Cd при отсутствии аномалий в снеговом покрове свидетельствует о более раннем поступлении элемента в почву.

4. Между поступлением As в почву с осадками, загрязненными мышьяком (кг/га), и общим содержанием As в слое 0-20 см почвы соответствующих участков (кг/га) в результате корреляционно-регрессионного анализа выявлена тесная связь – для тяжелосуглинистых почв ( 5. Мониторинг содержания тяжелых металлов в растениях показал, что оно изменялось в широких пределах и определялось, в первую очередь, видом растения, что соответствует правилу экологической индивидуальности видов.

Наибольшими коэффициентами биологического поглощения по Cd, Pb и As (КБП = 2,3; 1,4 и 1,1) из изучаемых растений характеризовалась горчица сарептская.

6. При изучении миграции элементов по трофической цепи установлено, что пастбищная трава является одним из основных источников поступления свинца, кадмия и мышьяка в организм коров в пастбищный период. В организм животного с суточным рационом поступает Pb – 18, Cd – 1, As –2 мг. Из изучаемых элементов в молоке обнаружен только кадмий. Коэффициент перехода его из корма составил 21%.

7. Содержание Pb, Cd и As в пробах волос с кисти хвоста животных соответствовало среднесуточному поступлению элементов с кормом и образовывало следующий ряд: Pb > As > Cd.

1. Установленные в работе геохимические показатели состояния почв и растений являются методологической основой экологического мониторинга почвенно-биологических ресурсов.

2. Экологическую напряженность в трофических цепях рекомендуется уменьшать перестройкой системы земледелия, прежде всего подбором растений, в наименьшей степени аккумулирующих токсичные элементы, внедрением почвоочищающих растений, проведением профилактических мероприятий.

Основные положения диссертации изложены в следующих печатных Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах, 1. Зубкова В.М. Особенности загрязнения снежного покрова в условиях Волгоградской области / В.М. Зубкова, Н.Ю. Белозубова // Социальная политика и социология. – 2010. – № 9. – С. 105-113.

2. Белозубова Н.Ю. Особенности распределения тяжелых металлов и мышьяка по профилю светло-каштановых почв в условиях Волгоградской области / Н.Ю. Белозубова // Человеческий капитал. – 2010. – № 10 (22). – С. 190.

3. Белозубова Н.Ю. Влияние загрязнения снега тяжелыми металлами и As на их содержание в почвах Волгоградской области / Н.Ю. Белозубова // Ученые записки Российского государственного социального университета. – 2011. – № 4. – С. 216-221.

4. Белозубова Н.Ю. Эколого-геохимические особенности снежного покрова Волгоградской области / Н.Ю. Белозубова, Н.В. Зубков // Охрана окружающей среды и рациональное природопользование в условиях глобального экологического кризиса: сборник научных трудов. – М.: Изд-во РГСУ, 2009. – С. 12-16.

5. Белозубова Н.Ю. Распределение тяжелых металлов и мышьяка по профилю каштановых почв в условиях Волгоградской области / Н.Ю. Белозубова, Н.В. Зубков // Инновационные подходы к решению экологических проблем: сборник научных трудов / под общ. ред.

Л.А. Розумной. – М.:Изд-во РГСУ, 2010. – С. 5-11.

6. Вытнов А.И. Распределение тяжелых металлов и мышьяка по профилю каштановых почв в условиях Волгоградской области / А.И. Вытнов, Н.Ю. Белозубова // Ломоносов 2010: XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам; секция «Почвоведение»; Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения:

тезисы докладов / сост. К.А. Румянцева. – М.: МАКС Пресс, 2010. – С. 25-26.

7. Белозубова Н.Ю. Источники поступления тяжелых металлов в экосистемы Волгоградской области / Н.Ю. Белозубова, В.М. Зубкова // Актуальные проблемы техногенной и экологической безопасности: сб. науч.

трудов / под общ. ред. Л.А. Розумной, Э.А. Новохатской. – М.: Изд-во РГСУ, 2010. – С. 168-180.