Закономерности распределения тяжелых металлов (Ni, Cr, Pb) в основных типах почв предгорного Дагестана

Закономерности распределения тяжелых металлов (Ni, Cr, Pb) в основных типах почв предгорного Дагестана

Почва является связующим звеном между живой и неживой природой, основной функций которого является возникновение и поддержание жизни на нашей планете. Она является местом обитания микроорганизмов, почвенных животных, корней растений. В ней концентрируются химические элементы, и поскольку почва является началом трофической цепи, от уровня их содержания в ней зависят многочисленные процессы, происходящие в организме растений, животных и человека.

Необходимость изучения содержания тяжелых металлов в почвах, в частности хрома, никеля, свинца, обусловлено их влиянием на развитие растений, физиологическое состояние организма животных и здоровье человека [1, 2, 5, 6, 10, 14, 17, 18, 21]. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов — ДНК, РНК и белка. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом. Избыточное содержание никеля приводит к подавлению процессов фотосинтеза и транспирации у растений, у животных проявляется в снижении активности металлоферментов, нарушением синтеза белка, развитием повреждений в тканях и органах. Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза [19]. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. При избытке свинца в организме животных поражаются в первую очередь нервная система, органы кроветворения и почки. Основные функции хрома — участие в структуре и функции нуклеиновых кислот, взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена. Избыток хрома вызывает ослабление иммунитета организма, приводящий к снижению восстановительных процессов в клетках, ингибированию активности ферментов, поражению печени, нарушению процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот [20].

Работ посвященных влиянию различных факторов на накопление и миграцию тяжелых металлов и их фонового содержания в почвах республики Дагестан мало [4, 12, 13].

Целью нашего исследования было выявление связи содержания никеля, хрома и свинца с количеством физической глины, гумуса, рН, а также определение фонового содержания их в основных типах почв (коричневые, бурые лесные) предгорной зоны Дагестана.

Объекты и методы

Были проанализированы три подтипа коричневых (коричневая карбонатная, коричневая типичная, коричневая выщелоченная) и два подтипа бурых лесных (бурая лесная типичная, бурая лесная олуговелая) почв, которые являются широко распространенными типами в предгорной зоне Дагестана. Для каждого подтипа исследованных почв были заложены 8−10 почвенных разрезов, с которых отбирались образцы по генетическим горизонтам. Для общей характеристики почв и в целях выявления корреляционных зависимостей между почвенными показателями проводилось определение гумуса по методу Тюрина [15], рН — потенциометрическим методом [8] и гранулометрический состав по Качинскому [16].

Определение общего содержания тяжелых металлов (Ni, Pb, Cr) проводилось методом атомно-абсорбционной спектроскопии на ААС ЭТА Hitachi 170−70 [11] в лаборатории биогеохимии ПИБР ДНЦ РАН и в Аналитическом центре коллективного пользования ДНЦ РАН.

Полученные данные были статистически обработаны в программе Microsoft Office Excel 2010.

Обсуждение результатов

Показатели содержания физической глины, гумуса, рН, а также никеля, свинца, хрома в почвах предгорной зоны Дагестана варьируют в зависимости от подтипа почв (табл.).

Таблица. Среднее содержание гумуса, рН, Cr, Ni, Pb по генетическим горизонтам коричневых и бурых лесных почв предгорной зоны Дагестана.

Примечание: в числителе — M±m; в знаменателе — Lim.

Территория предгорной зоны Дагестана составляет 0,84 млн. га или 15,8% всей площади республики. Основными типами почв данного региона являются коричневые и бурые лесные почвы, которые занимают более половины площади почвенного покрова предгорий [9].

Коричневые почвы исследуемого региона формируются при непромывном водном режиме под ксерофитными кустарниками на карбонатных и бескарбонатных породах, в пределах высотных отметок 200−500 м. Географическое распространение рассматриваемых почв позволяет отметить приуроченность их к сравнительно увлажненной части предгорий, где они граничат с лесными бурыми почвами, а на севере — с каштановыми карбонатными. В коричневых почвах имеет место большая продолжительность микробиологических, химических, физических процессов связанных с положительными температурами и сравнительно повышенной степенью увлажнения. почва тяжелый металл гумус Подтип коричневые карбонатные почвы распространены в нижней части ареала почв коричневого типа. Они приурочены к центральным и юго-восточным предгорьям, характеризующимся сравнительно высокой аридностью. Мощность горизонта А+В варьирует от 30 до 50 см. Вниз по профилю почв в целом происходит увеличение содержания глинистых частиц (от 50,3% в гор. А до 62,4% в гор. С). Среднее содержание гумуса в гор. А — 4,7%. Реакция почвенного раствора слабощелочная по всему почвенному профилю.

Подтип коричневые типичные почвы занимают промежуточное положение, верхняя граница их соприкасается с выщелоченными, нижняя — с карбонатными. Мощность горизонта А+В коричневых типичных почв составляет 30−60 см. В гранулометрическом составе наблюдается закономерность — увеличение физической глины от гор. А (51,4%) до гор. С (67,8%). Отличаются относительно укороченным гумусовым профилем. Среднее содержание гумуса — 4,2%, с глубиной постепенно уменьшается. рН почвы слабощелочная, с небольшим увеличением показателя вниз по профилю.

Подтип коричневые выщелоченные почвы приурочены к южной и юго-западной возвышенной части полосы распространения рассматриваемых почв. Мощность горизонта А+В варьирует от 25 до 45 см. Содержание физической глины не имеет выраженной закономерности и колеблется от 45,4% в гор. С до 53,4% в гор. В. Среднее содержание гумуса в горизонте, А — 2,9%. Реакция почвенного раствора нейтральная с тенденцией к слабощелочной вниз по профилю.

В предгорной зоне и в переходной полосе от предгорий к горной зоне значительную площадь занимают бурые лесные почвы. Общая площадь бурых лесных почв в Дагестане с учетом олуговелых, остепненных разностей составляет 506,8 тыс. га [9]. Высотные отметки приурочены к 350−400, 600−1200, до 1600−2200 м, в зависимости от экспозиции склона. Остальные массивы сосредоточены в северных, северозападных склонах, крутизною 10- 40 пределах верхнепредгорного Дагестана. В них происходит интенсивный биологический круговорот веществ, способствующий развитию внутрипочвенного глинообразования склонам северо-восточных экспозиций, залегают сосновоберезовым криволесьем, переходя в горную зону.

Бурые лесные типичные почвы формируются на высотах 500−1200−1700 м [7] над уровнем океана под дубово-грабовыми, с примесью других пород и буковыми сомкнутыми мезофильными лесами в условиях периодически промывного режима на элювиально-делювиальных и делювиальных бескарбонатных тяжелых суглинках и глинах, подстилаемых породами различного литологического состава. Мощность горизонтов А+В варьирует от 40 до 70 см. Гранулометрический анализ бурых лесных типичных почв иллюстрирует незначительное увеличение сверху вниз по профилю содержания глинистых фракций (от 59,4% в гор. А до 63,2% в гор. С).Среднее содержание гумуса в горизонте, А — 4,4%, с резким падением в горизонте В до 0,75%. Реакция почвенного раствора меняется от слабокислой до почти нейтральной.

Бурые лесные олуговелые почвы сформировались на высотах от 800−1200 м на элювиальных и элювиально-делювиальных карбонатных и бескарбонатных породах тяжелои среднесуглинистого состава под мезофильными разнотравными растительными группировками, образующие послелесные луга. Мощность горизонта А+В до 40 см. Гранулометрический состав характеризуется уменьшением содержания глинистых частиц от 62,2% в гор. А до 48,7% в гор. С. Среднее содержание гумуса в гор. А — 6,26%. Реакция почвенного раствора — слабокислая, с глубиной переходящая в нейтральную.

Содержание никеля, хрома, свинца в коричневых и бурых лесных почвах варьирует в зависимости от подтипа, генетического горизонта, гранулометрического состава, содержания гумуса, рН (табл.).

В исследованных почвах была выявлена положительная корреляция содержания никеля, хрома и свинца в почвах с количеством их в почвообразующей породе: в коричневых (r = 0,93; 0,65; 0,27) и бурых лесных почвах (r = 0,87; 0,18; 0,50), соответственно. Накопление элементов в почвах в основном было обусловлено гранулометрическим составом, реакцией среды, количеством гумуса. Прямо пропорциональная зависимость между их содержанием и изученными параметрами почв не всегда прослеживалась, что вероятно обусловлено другими факторами: содержание в почвах карбонатов, влияние других макрои микроэлементов, физико-химические свойства тяжелого металла и т. д.

ПДК изучаемых тяжелых металлов составляет, в мг/кг: для никеля — 85, для хрома — 90 и для свинца — 32 [3].

В коричневых карбонатных и коричневых типичных почвах по никелю показатели были ниже ПДК (0,66−0,82 ПДК), а в выщелоченном подтипе почв содержание его по горизонтам было почти одинаковое и превышало ПДК в 1,3 раза. Распределение валовых форм хрома указывало на большее содержание его в нижележащих слоях подтипов почв, за исключением подтипа коричневых выщелоченных почв, где содержание его в гор. А было выше (1,5 ПДК), что свидетельствует о вероятном влиянии антропогенного фактора. Содержание свинца во всех подтипах исследуемой почвы не превышало ПДК (0,5−0,7 ПДК), причем содержание его также было большим в коричневом выщелоченном подтипе.

В бурых лесных почвах содержание хрома незначительно превышало ПДК — 1,3−1,4 раза. В распределение никеля, в целом, в изученных подтипах (бурая лесная типичная, бурая лесная олуговелая) почв наблюдалось повышение концентрации от гор. А (84,3 и 54,7 мг/кг) до горизонта С (123,7 и 58,7 мг/кг). Таким образом, содержание никеля обусловлено влиянием почвообразующей породы. ПДК его была ниже (0,64 ПДК) в случае олуговелого подтипа бурой лесной почвы или было на уровне (0,99 ПДК) в бурой лесной типичной почве. По свинцу наблюдалось биогенное накопление в изученных подтипах бурой лесной почвы в горизонте, А в обоих подтипах (27,3 и 21,4 мг/кг), с понижением в 1,5−2 раза в горизонтах В и С (В — 16,8 и 10,5 мг/кг; С — 19,4 и 12,6 мг/кг) в бурой лесной типичной и бурой лесной олуговелой, соответственно. Несмотря на накопление свинца в верхних горизонтах данных почв, содержание его не превышало допустимых концентраций (0,9−0,7 ПДК), что вероятно обусловлено слабо развитой инфраструктурой и отсутствием источников техногенного загрязнения на исследованной территории. В общем, сравнивая оба подтипа бурой лесной почвы, можно отметить, что концентрация валовых форм всех исследуемых элементов, была заметно выше в бурых лесных типичных почвах. Эта разница была наиболее заметна в гор. С, что связано с общим уровнем содержания тяжелых металлов в естественных ценозах, который, в основном, определяется их количеством в почвообразующей породе.

Заключение

Анализ данных исследования в целом указывает на связь содержания никеля, хрома и свинца в исследованных почвах с их гранулометрическим составом, с содержанием гумуса и рН. Большое влияние на накопление элементов (Ni, Pb, Cr) в почвах имело содержание их в почвообразующих породах.

Фоновые показатели содержания тяжелых металлов (60−80% от всего количества определений) естественных почв предгорий в коричневых карбонатных и коричневых типичных колебались в пределах, в мг/кг: никель — 40−80; хром — 100−150; свинец — 15−20. В коричневых выщелоченных: никель — 90−115; хром — 140−180; свинец — 20−25. В бурых лесных типичных почвах фоновые показатели: никель — 70−90; хром — 100−130; свинец — 20−30. В бурых лесных олуговелых: никель — 50−70; хром — 110−130; свинец — 20−25.

В целях недопущения загрязнения тяжелыми металлами необходим мониторинг состояния химического состава исследованных почв, так как при сельскохозяйственном освоении этих территорий, возможно, их поступление при нерациональном применении удобрений, пестицидов и других ядохимикатов.

• 1. Алексеенко В. А. Геоботанические исследования для решения ряда экологических задач и поисков месторождений полезных ископаемых. М.: Логос, 2011. 244 с.
• 2. Агаджанян Н. А. Химические элементы в среде обитания и экологический портрет человека / Н. А. Агаджанян, А. В. Скальный. М.: Изд-во КМК, 2001. 83 с.
• 3. Башкин В. Н. Биогеохимия. М.: Научный мир, 2004. 584 с.
• 4. Баширов Р. Р., Салихов Ш. К., Магомедалиев А. З. Хром, никель, свинец в коричневых почвах предгорной зоны Дагестана // Матер. межд. научно-практ. конф. «Наука и образование 2010». Мурманск, 2010. С. 541−544
• 5. Бокова Т. И. Эколого-технологические аспекты поведения тяжелых металлов в системе почва растение — животное — продукт питания человека / Т. И. Бокова // РАСХН. сиб. отд-ние ГНУ СибНИПТИП. Новосибирск, 2004. 206 с.
• 6. Ермохин Ю. И. Агроэкологическая оценка действия кадмии, никеля и цинка в системе почва-растение-животное / Ю. И. Ермохин, А. В. Синдирева, Н. К. Трубина: монография. Омск: Ом. гос. аг-рар. ун-т, 2002. 117 с.
• 7. Залибеков З. Г. Почвы Дагестана. М. 2010. 243 с.
• 8. Зырин Н. Г, Орлов Д. С. Физико-химические методы исследования почв. Издательство: МГУ, 1980. 383 с.
• 9. Классификация и диагностика почв Дагестана// под ред. С. В. Зонна. Махачкала: Даг. филиал АН СССР, 1982. 84 с.
• 10. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов-н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.
• 11. Крысанова Т. А., Котова Д. Л., Бабенко Н. К., и др. Атомно-абсорбционная спектроскопия. Воронеж, 2005. 31 с.
• 12. Магомедалиев З. Г., Баширов Р. Р. Экологическая оценка загрязненности почв Северо-Западного Прикаспия некоторыми тяжелыми металлами//Матер. межд. научно-практ. конф. «Современная экология наука ХХI века». Рязань, 2008. С. 86−89.
• 13. Магомедалиев А. З., Салихов Ш. К., Баширов Р. Р. Содержание отдельных тяжелых металлов в бурых лесных почвах Дагестана//Матер. IV всеросс. науч. конф. «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове». Томск, 2010. Т. 2. С. 120−123
• 14. Орлов Д. С. Микроэлементы в почвах и живых организмах //СОЖ. 1998. № 1. С. 61−68.
• 15. Практикум по агрохимии: Учеб. пособие / Под ред. акад. РАСХН В. Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.
• 16. Практикум по почвоведению /Под ред. И. С. Кауричева. М.: Колос, 1980. 272 с.
• 17. Сидоров Н. Ф. Проблема тяжелых металлов в сельском хозяйстве / Н. Ф. Сидоров. Иваново, 1995. 59 с.
• 18. Черных Н. А., Овчаренко М. М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. М.: Агроконсалт, 2002. 200 с.
• 19. Шепелев В. В. Эколого-агрохимическая оценка почв и растений при длительном применении удобрений: Автореф. …канд. с./х. наук. Омск, 1999. 16 с.
• 20. Angelone M. Bini C. 1992. Trace elements concentrations in soil and plants of western Europe. In Adriano DC, ed. Biogeochevistry of trace metals. Boca Raton, Lewis Publishers, P. 19−60.
• 21. Dietz K.-J., Baier M., Krдmer U. Free Radicals and Reactive Oxygen Species as Mediators of Heavy Metal Toxicity in Plants. Heavy metal stress in plants: from molecules to ecosystems. // Eds. Prasad M.N.V., Hagemeyer J. Berlin: Springer, 1999. Р. 73−97.