1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 8, 2019

Почвоведение, 2019, № 8, стр. 1015-1026

Опыт использования данных фоновых концентраций тяжелых металлов при региональном мониторинге загрязнения почв

О. В. Чернова 1, О. С. Безуглова 2, *

1 Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН
119071 Москва, Ленинский пр-т, 33, Россия

2 Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, Южный федеральный университет
344006 Ростов-на-Дону, пр-т Стачки, 194/1, Россия

* E-mail: lola314@mail.ru

Поступила в редакцию 26.08.2018
После доработки 17.10.2018
Принята к публикации 28.11.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

При мониторинге загрязнения почв тяжелыми металлами сложной задачей является выбор целевых показателей: фоновых или пороговых значений. Определение фоновых концентраций имеет важное практическое значение, так как загрязнение чистых почв до уровней ниже нормативов ПДК и ОДК не фиксируется и не наказывается. Данные фоновых концентраций при оценке загрязнения применяются редко, поскольку в большинстве случаев эти значения не определены. Исследование почв особо охраняемых природных территорий Ростовской области позволило выявить региональную особенность почвенного покрова – повышенные концентрации ряда тяжелых металлов и других микроэлементов в почвах, обусловленные богатством материнских пород этими элементами. Полученные данные свидетельствуют о невозможности использования при мониторинге загрязнения почв Ростовской области существующих санитарно-гигиенических нормативов валовых концентраций микроэлементов, как ПДК, так и ОДК. Более перспективным представляется использование фоновых показателей, характеризующих почвы охраняемых территорий области. Для корректного ведения экологического мониторинга необходимо иметь набор характеристик минимально антропогенно-измененных почв области (фоновых и условно-фоновых), отражающих почвенное разнообразие региона: типологическое, по гранулометрическому составу и составу почвообразующих пород.

Ключевые слова: Ростовская область, особо охраняемые территории, черноземы, каштановые почвы, тяжелые металлы

ВВЕДЕНИЕ

Невозобновляемый характер природных ресурсов и ограниченность ассимиляционной емкости биосферы обусловливают необходимость контроля происходящих в окружающей среде негативных процессов. Существенным фактором нарушения биологического круговорота элементов является загрязнение, слежение за которым в настоящее время стало одним из приоритетных направлений мониторинга, в частности почвенного. В почвенном мониторинге – глобальном, региональном и локальном – наиболее сложной задачей является выбор целевых показателей: фоновых или пороговых значений [34].

Методически наиболее сложно нормировать содержание в природных объектах соединений, имеющих как естественное, так и техногенное происхождение, к ним относятся многие микроэлементы, в том числе и тяжелые металлы. При мониторинге загрязнения в большинстве стран мира, в том числе в России, законодательно нормируются максимальные валовые концентрации тяжелых металлов, то есть применяются санитарно-гигиенические подходы [1, 24, 31, 32]. Однако при этом не учитывается форма нахождения элементов, хотя большая их часть не представляет непосредственной опасности для человека и их переход в продукты, используемые человеком, невозможен. При оценке загрязнения обычно определяются площади почв, в которых в результате того или иного техногенного воздействия аккумулированы наиболее распространенные поллютанты в концентрациях, превышающих установленные критические показатели [35]. Загрязнение чистых и условно чистых почв выпадает из сферы мониторинга, несмотря на важность выявления негативных изменений, еще не достигших критического уровня.

Нормативы валовых концентраций микроэлементов в региональном мониторинге. В природоохранной практике России, как и во всем мире, нормативы качества почв устанавливаются в форме нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, те же показатели используются и при расчете платежей за загрязнение окружающей среды и являются основными реперными точками при ведении мониторинга. Согласно методике, при установлении ПДК загрязняющих веществ учитывается связь почвы с сопредельными средами и накопление токсических веществ в пищевых цепях [21]. Определяют ПДК на основе модельных экспериментов при соблюдении принципа экстремальности: испытывают почвы с максимальной фильтрующей и минимальной сорбционной способностью, поэтому во многих регионах концентрации микроэлементов в незагрязненных почвах оказываются выше установленных нормативов. Чтобы преодолеть существующие несоответствия в нормативном законодательстве, в 1995 г. были установлены ориентировочно допустимые количества (ОДК) валового содержания шести тяжелых металлов и мышьяка для почв различного гранулометрического состава с учетом реакции среды, превышение которых свидетельствует о возможности негативных последствий для экосистемы. Полученные расчетно-экспертным методом нормативы ОДК отчасти разрешили проблему, поскольку уменьшилось количество регионов, в почвах которых фоновые концентрации превышают нормативные оценочные показатели. С другой стороны, в большинстве случаев концентрация контролируемых элементов в почвах значительно ниже нормативных показателей ОДК, а действующая в России система платежей за загрязнение природной среды основана на расчетах с использованием нормативов ПДК и ОДК, поэтому загрязнение чистых почв до уровней ниже этих показателей не фиксируется и не наказывается. Кроме того, при техногенном загрязнении в окружающую среду в большом количестве поступают элементы, для которых не установлены санитарно-гигиенические нормативы (Ba, Be, Bi, Nb, Cr, Mo, Se, Sn, Sr, Tl и др.). В такой ситуации в качестве эколого-геохимического норматива рекомендовано использовать удвоенное фоновое содержание элементов в почвах регионов [20, 24].

Региональные фоновые концентрации элементов при оценке загрязнения применяются редко, поскольку в большинстве случаев эти значения не определены. Лишь для немногих областей, например, для Томской, законодательно установлены фоновые концентрации элементов-загрязнителей в типичных почвах, которые могут использоваться для вычисления вреда, причиненного окружающей среде [19]. Поэтому вопрос установления фоновых концентраций тяжелых металлов и некоторых других микроэлементов-загрязнителей в почвах стоит весьма остро, особенно в регионах высокой антропогенной преобразованности. Сведения о фоновых значениях концентраций микроэлементов необходимы также при ведении регионального и локального почвенного мониторинга. В их отсутствии в качестве точек отсчета используют кларковые значения, рассчитанные для обширных регионов или земной коры в целом, либо усредненные данные о содержании контролируемых элементов в почвенном покрове рассматриваемого региона или в почвах сходного генезиса. Иногда в качестве фоновых показателей используют характеристики почв незагрязненных территорий или условно-фоновые показатели, например, содержание поллютантов в почвах парков и лесопарковых зон при исследовании городских почв [3, 4, 7, 8, 10, 16, 22].

На уровни концентраций элементов в незагрязненных почвах влияет множество факторов: минералого-петрографический состав почвообразующих пород, геохимические особенности территории, гидрологический режим, набор почвообразовательных процессов и специфические почвенные характеристики, в том числе количество и состав органического вещества, реакция среды, гранулометрический состав и др. Кроме того, содержание микроэлементов характеризуется высоким варьированием в пределах одного региона и классификационного выдела. Еще в середине прошлого века Зыриным [11] было отмечено, что степень варьирования концентраций микроэлементов различна и снижается в ряду: Mn > B > [Cu, Zn, Ni, Co, V, Cr] > Mo > I (элементы в скобках в различных почвах могут меняться местами). Все перечисленное осложняет выбор фоновых показателей и приводит к неоднозначности интерпретации результатов мониторинга.

Таким образом, для корректного ведения почвенного мониторинга необходимо установить региональные фоновые концентрации приоритетных поллютантов, в том числе тяжелых металлов. При многообразии почв, почвообразующих пород и географических условий в нашей стране трудно надеяться на создание единых нормативов, пригодных для использования на всей территории России. Однако выделение крупных, однородных по своим природно-климатическим характеристикам регионов и создание для них системы фоновых показателей на основе систематизации и анализа большого объема накопленных к настоящему времени фактических данных поможет оптимизировать работы в области экологического мониторинга.

Цель исследования – рассмотрение возможности установления региональных фоновых концентраций тяжелых металлов и оценка варьирования валовых концентраций ряда тяжелых металлов в почвах фоновых и условно-фоновых территорий на локальном уровне для Ростовской области – территории с крайне высокой антропогенной преобразованностью.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследовали валовое содержание и локальную вариабельность ряда микроэлементов в целинных и минимально антропогенно-измененных почвах Ростовской области. Большая часть разрезов заложена в пределах особо охраняемых природных территорий (ООПТ) областного подчинения, поскольку в пределах охраняемых территорий федерального уровня (государственный природный биосферный заповедник “Ростовский” и природный заказник “Цимлянский”) не представлено все разнообразие почв области. Для изучения выбраны почвенные разности, сформированные в автоморфных условиях под различными целинными или минимально нарушенными растительными ассоциациями на различных по генезису и гранулометрическому составу почвообразующих породах. Вблизи ряда опорных разрезов с площадок 10 × 10 м2 по регулярной сетке отобрано по 15 образцов из слоя 0–20 см для исследования естественного варьирования (ГОСТ 17.4.4.02-84) содержания органического углерода и валовых концентраций ряда микроэлементов (Cr, Ni, As, Sr, Co, Zn, Pb, Cu, Ti). В образцах из опорных разрезов определены основные химические и физико-химические характеристики [2] и гранулометрический состав (ГОСТ 12536-2014).

Объектами исследования послужили следующие почвы:

– в пределах ООПТ областного подчинения “Разнотравно-типчаково-ковыльная степь” в Чертковском районе – черноземы южные малогумусные среднесуглинистые (среднемощный на красно-бурой структурной глине, подстилаемой элювием песчаника (Haplic Kastanozem (Loamic)) под богатой разнотравно-типчаково-ковыльной целинной степью (разр. 1601) и неполноразвитый на элювии песчаника (Eutric Cambisol (Loamic, Humic)) под разреженной разнотравно-типчаково-ковыльной степью (разр. 1602));

– под лесной растительностью на ООПТ “Фоминская дача” – черноземы южные мощные среднегумусные легкоглинистые (Haplic Chernozems (Clayic, Pachic)) на желто-бурых суглинках (под пологом леса из столетних посадок дуба с подростом клена (разр. 1603) и на поляне в широколиственном лесу с разнотравно-злаковым травяным покровом (разр. 1604));

– на ООПТ “Кундрюченские пески” – примитивная супесчаная слабогумусированная почва (серопески) (Eutric Arenosol (Humic)), сформированная под псаммофитной луговой растительностью (разр. 1605);

– в пределах одного из участков ООПТ “Раздорские склоны” – чернозем обыкновенный карбонатный маломощный малогумусный тяжелосуглинистый (Haplic Chernozem (Loamic)) на лёссовидном суглинке, заложенный под незначительно нарушенной разнотравно-типчаковой степной растительностью (разр. 1606);

– на ООПТ “Персиановская степь” – чернозем обыкновенный мощный среднегумусный тяжелосуглинистый (Haplic Chernozem (Loamic, Pachic)) на желто-бурых суглинках под густой целинной разнотравно-типчаковой растительностью (разр. 1607);

– на двух участках ООПТ “Хороли” – черноземы обыкновенные карбонатные малогумусные легкоглинистые на желто-бурой глине (среднесмытый маломощный (Haplic Chernozem (Clayic)) под разнотравно-типчаково-злаковой степью (разр. 1501) и слабосмытый среднемощный (Haplic Chernozem (Clayic, Pachic)) под восстановленной в течение более 20-летнего залежного режима разнотравно-злаковой растительностью (разр. 1502));

– вблизи ООПТ “Разнотравно-типчаково-ковыльная степь” в Зерноградском районе – чернозем обыкновенный карбонатный слабосмытый среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый (Haplic Chernozem (Loamic, Pachic)) на легкой глине под богатой разнотравно-типчаково-ковыльной степью (разр. 1503);

– в пределах Краснопартизанского участка Ростовского государственного заповедника описан комплекс, состоящий из лугово-каштановой почвы (Haplic Kastanozem (Loamic)) под целинной разнотравно-типчаковой степью (разр. 1701); солонца каштанового среднего столбчатого (Haplic Solonetz (Albic, Loamic, Columnic, Cutanic, Differentic)) под разреженной типчаково-полынной растительностью (разр. 1702) и каштановой слабосолонцеватой почвы (Luvic Kastanozem (Loamic, Protosodic)) под разнотравно-злаковой растительностью (разр. 1703). Все почвы тяжелосуглинистого гранулометрического состава, развитые на желто-бурых тяжелых суглинках;

– на территории Стариковского участка Ростовского заповедника – каштановая среднесолонцеватая среднесуглинистая почва (Luvic Kastanozem (Loamic, Protosodic)) на желто-буром лёссовидном тяжелом суглинке под целинной типчаковой степью (разр. 1704);

– на небольшом участке (15 га), оставшемся от ООПТ “Приманычская степь”, до 2017 г. занимавшей площадь 150 га, – чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный среднесуглинистый (Calcic Chernozem (Loamic, Pachic)) на желто-буром суглинке под умеренно-сухой типчаково-разнотравно-ковыльной растительностью террасной степи (разр. 1705);

– на территории Ботанического сада ЮФУ описаны черноземы обыкновенные карбонатные мощные тяжелосуглинистые (Haplic Chernozem (Loamic, Pachic)) на желто-буром лёссовидном суглинке: под целинной разнотравно-типчаково-злаковой степью (1701Б) и восстанавливающейся на протяжении 70 лет залежного режима степной растительностью в типчаковой стадии зарастания (1704Б).

Названия почв даны в соответствии с Классификацией и диагностикой почв СССР [20]. Схема расположения точек исследования приводится на рис. 1.

Рис. 1.

Расположение исследованных разрезов на особо охраняемых природных территориях: 1 – 1601, 2 – 1602, 3 – 1603, 4 – 1604, 5 – 1605, 6 – 1606, 7 – 1607, 8 – 1501, 9 – 1502, 10 – 1503, 11 – 1701, 12 – 1702, 13 – 1703, 14 – 1704, 15 – 1705, 16 – 1701Б, 17 – 1702Б (названия почв приводятся в тексте).

В отобранных по профилю образцах и пробах почв для исследования естественного варьирования определяли содержание гигроскопической влаги (ГОСТ 28268-89), гранулометрический состав почв пипеточным методом (ГОСТ 12536-2014), валовой состав макро- и микроэлементов (Cr, Ni, As, Sr, Co, Zn, Pb, Cu, Ti) методом рентгенфлуоресцентной спектроскопии на приборе Спектроскан-МАКС [18].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Фоновые концентрации микроэлементов в почвах ООПТ. Концентрации тяжелых металлов и других микроэлементов в целинных и старозалежных почвах обследованных охраняемых территорий Ростовской области в большинстве случаев высоки и часто превышают кларки элементов в почвах [5, 17], а также условные фоновые значения, которые до настоящего времени использовались при обследовании почв области [30] (табл. 1).

Таблица 1.  

Некоторые нормативные уровни концентраций микроэлементов в почвах, ppm

Норматив V Сr Ni Zn Pb Cu Mn Co Sr As
Кларки в почвах [4] 100 200 40 50 10 20 850 8 300 5
Каштановые почвы/черноземы* [13] 37/125 72/121 20/30 43/57 25 20/30 460/745 3/12   8
Фон* (каштановые почвы/черноземы) [30] 63/90 161/109 20/46 50/62   16/30 690/930 12/6 110/130  
ПДК 150 90 32 1500     2
ОДК              
  пески, супеси     20 55 32 33       2
суглинки и глины (рН > 5.5)     80 220 130 132       10

 * Первое значение относится к каштановым почвам, второе – к черноземам; единственное значение характеризует черноземы.

Сравнение с государственными нормативами загрязнения (ПДК и ОДК для соответствующих групп почв) также выявило обогащенность фоновых почв области микроэлементами. Так, концентрация As почти во всех почвах превышает показатели ПДК и ОДК, а содержание Ni лишь немного ниже установленного уровня ОДК.

Из почв обследованных памятников природы заметно сниженным содержанием ряда микроэлементов (Ni, Zn, Cu, Co) характеризуются только примитивная супесчаная почва, сформированная на аллювиальных песчаных отложениях (разр. 1605), и черноземы южные среднесуглинистые на элювии песчаников (разр. 1601, 1602) (табл. 1, 2).

Таблица 2.  

Валовые концентрации микроэлементов в некоторых фоновых почвах Ростовской области, ppm

Горизонт Глубина, см V Сr Ni Zn Pb Cu Mn Co Sr As
Чернозем обыкновенный карбонатный легкоглинистый на желто-бурой глине (разр. 1501)
A1d 0–12 106 99 68 94 32 62 1042 23 138 11
A1 12–21 106 108 66 87 9 64 854 24 169 7
AB 21–32 110 103 68 92 11 68 912 27 182 7
B2 32–43 113 112 68 91 17 70 914 28 185 9
BC 43–62 109 104 70 89 24 70 934 27 138 10
Cca 62–103 109 95 65 89 36 69 886 29 229 13
C 103–дно 112 99 71 109 39 70 998 29 234 13
Чернозем южный легкосуглинистый на красно-бурой глине, подстилаемой элювием песчаника (разр. 1601)
Ad 0–5 120 86 29 54 37 15 610 11 91 12
A 5–20 141 97 28 47 15 23 559 3 96 8
В1 20–30 133 92 27 40 25 22 432 9 78 10
В2 30–45 136 104 26 40 31 31 267 8 68 10
ВС 45–55 130 99 23 33 3 20 21 8 53 6
С1 55–80 176 134 25 39 32 10 272 – 76 11
С2 80–140 107 75   20 27 12 62 1 50 9
Чернозем южный легкоглинистый на желто-бурых суглинках (разр. 1603)
Ad 0–12 135 109 65 104 51 55 1148 22 167 –
A 12–40 135 107 68 96 34 56 1035 20 159 13
В1 40–65 139 117 71 90 39 57 992 20 164 –
В2 65–120 128 98 54 87 18 57 785 21 251 –
ВС 120–дно 132 98 55 86 34 58 890 24 270 –
Примитивная супесчаная слабогумусированная почва (разр. 1605)
Ad 0–10 – 44 – 10 – 1 107 10 28 5
А1 10–35 – 33 – – – – 70 – 21 1
В 35–55 – 34 – 6 – – 59 6 24 1
Каштановая слабосолонцеватая тяжелосуглинистая почва на желто-буром тяжелом суглинке (разр. 1703)
Ad 0–10 98 109 58 100 34 48 1173 16 157 –
A 10–20 108 118 70 95 29 62 1079 14 142 11
B1 20–45 110 148 76 104 29 68 975 20 145 –
B2 45–63 107 124 65 92 34 68 817 26 218 –
BC 63–80 98 112 59 83 29 66 745 22 258 –
Cca 80–95 103 121 58 90 39 65 825 22 266 –
C 95–120 101 118 60 88 32 69 827 24 286 –

Примечание. Прочерк – значение в пределах ошибки метода.

При этом концентрации элементов по профилям различных почв значительно изменяются. В поверхностных дерновых горизонтах отмечается концентрирование некоторых тяжелых металлов (Zn, Pb), что согласуется с известными фактами о накоплении этих элементов в обогащенных органическим веществом горизонтах, а также о превышении атмосферного поступления этих металлов над выщелачиванием и вовлечением в биомассу растений [13].

Однако в тяжелых по гранулометрическому составу материнских породах (красно-бурых и желто-бурых суглинках и глинах) концентрации микроэлементов также повышенные, и только в аллювиальных песках и элювии песчаника они заметно меньше. Таким образом, региональной особенностью почвенного покрова является повышенное содержание ряда микроэлементов, обусловленное богатством материнских пород.

Локальное природное варьирование валовых концентраций микроэлементов. Многие исследователи отмечают высокую изменчивость концентраций микроэлементов в почвах [12, 17, 25, 36], причем даже сформированных на породах сходного состава и генезиса [28], поэтому была исследована природная изменчивость концентраций микроэлементов в фоновых почвах Ростовской области. Изучая вариабельность концентраций микроэлементов в поверхностном слое почв охраняемых территорий, стремились охватить почвы, различающиеся типологически, по гранулометрическому составу, сформированные на разных почвообразующих породах и под разными растительными ассоциациями.

Использованные объемы выборок (по 15 образцов вблизи каждого опорного разреза) не позволяют корректно оценить тип распределения. Однако симметричность распределений значений в выборках и сопоставимость медианы и среднего арифметического во всех рассмотренных случаях позволяет предположить, что распределение значений валовых концентраций микроэлементов близко к нормальному.

В табл. 3 приводятся результаты вариационно-статистического анализа данных по содержанию некоторых микроэлементов в ряде целинных и минимально антропогенно-измененных почв охраняемых территорий Ростовской области. Исследование изменчивости концентраций микроэлементов вблизи опорных разрезов показало, что в пределах небольшой площади 10 × 10 м2 для разных элементов минимальные и максимальные значения могут различаться в 1.5–3 раза, иногда до 4–5 раз.

Таблица 3.  

Локальное пространственное варьирование валовых концентраций микроэлементов в ненарушенных почвах Ростовской области, ppm

Показатель Co Ni Cu Zn As Sr Pb
Чернозем южный среднемощный малогумусный легкосуглинистый (разр. 1601)
Cреднее арифметическое ± ошибка среднего 5 ± 0.7 40 ± 1.3 30 ± 1.1 70 ± 3.7 10 ± 0.4 107 ± 1.8 24 ± 1.9
Медиана 5 42 31 65 11 108 25
Cтандартное отклонение 2.7 5.0 4.3 14.3 1.4 7.0 7.5
Границы типичных значений 3–7 37–44 27–33 61–80 10–11 103–112 19–29
Чернозем южный неполноразвитый малогумусный легкосуглинистый (разр. 1602)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 9 ± 0.8 26 ± 2.1 23 ± 1.2 51 ± 3.0 9 ± 0.2 116 ± 1.8 18 ± 1.2
Медиана 8 30 23 50 9 115 17
Cтандартное отклонение 3.1 7.9 4.5 11.4 0.8 6.9 4.8
Границы типичных значений 7–11 21–32 20–26 44–59 9–10 112–121 15–21
Чернозем южный мощный среднегумусный легкоглинистый (разр. 1603)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 18 ± 0.7 67 ± 0.6 53 ± 0.7 98 ± 1.9 13 ± 0.1 146 ± 1.9 36 ± 1.2
Медиана 17 67 53 96 13 144 36
Cтандартное отклонение 2.5 2.1 2.4 7.2 0.3 7.2 4.5
Границы типичных значений 16–20 66–69 52–55 93–103 12–13 141–151 33–39
Чернозем обыкновенный карбонатный маломощный малогумусный тяжелосуглинистый (разр. 1606)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 19 ± 0.9 65 ± 0.8 53 ± 1.3 106 ± 3.0 14 ± 0.1 152 ± 3.8 42 ± 1.6
Медиана 20 66 54 102 14 149 41
Среднее квадратичное отклонение 3.2 2.6 4.7 10.5 0.1 13.1 5.4
Границы типичных значений 17–21 63–67 50–57 98–113 14–15 143–161 39–46
Чернозем обыкновенный карбонатный маломощный малогумусный легкоглинистый (разр. 1501)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 26 ± 0.4 72 ± 0.4 66 ± 0.5 92 ± 0.4 12 ± 0.2 140 ± 1.9 33 ± 1.2
Медиана 26 71 65 93 12 137 34
Cтандартное отклонение 1.6 1.5 1.8 1.6 0.9 7.2 4.6
Границы типичных значений 25–27 71–73 64–67 91–93 11–12 135–146 30–36
Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный среднесуглинистый (разр. 1705)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 15 ± 0.5 51 ± 0.6 50 ± 0.9 83 ± 0.5 11 ± 0.3 135 ± 0.7 29 ± 1.2
Медиана 15 51 51 83 11 135 30
Cтандартное отклонение 1.9 2.3 3.7 1.7 1.2 2.9 4.6
Границы типичных значений 14–16 50–53 48–52 82–85 10–11 133–137 26–33
Лугово-каштановая почва тяжелосуглинистая (разр. 1701)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 16 ± 0.5 55 ± 0.9 52 ± 0.8 94 ± 1.7 11 ± 0.3 154 ± 0.8 30 ± 1.2
Медиана 16 54 51 93 11 155 30
Cтандартное отклонение 1.9 3.3 3.2 6.5 1.2 3.3 4.7
Границы типичных значений 15–18 52–57 50–54 90–98 10–12 152–156 27–33
Каштановая среднесолонцеватая среднесуглинистая почва (разр. 1704)
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 15 ± 0.6 53 ± 1.0 53 ± 0.8 79 ± 1.2 10 ± 0.3 153 ± 2.7 28 ± 1.2
Медиана 16 54 52 80 10 151 27
Cтандартное отклонение 2.4 3.9 3.2 4.6 1.3 10.3 4.7
Границы типичных значений 14–17 50–56 51–55 77–82 9–11 146–159 25–31

Результаты единичных определений могут значительно отличаться от среднего, однако границы типичных значений (2, 3 квартили) оказываются значительно уже. Несколько более высокими коэффициентами вариации по сравнению с остальными рассмотренными элементами характеризуются валовые концентрации Co (Vmin = 6, Vmax = 50, Vср = 19%) и Pb (Vmin = 8, Vmax = 31, Vср = = 16%). В большинстве случаев коэффициент вариации не превышает 33%, что свидетельствует об однородности рассмотренных совокупностей.

При проведении почвенного мониторинга поверхностные образцы практически никогда не анализируют с повторностями, обычно исследуют смешанные образцы, полученные при смешении пяти точечных проб из пахотного слоя почвы, или образцы из генетических горизонтов, отобранные по профилю почв в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 17.4.4.02-84). Оценены различия между среднеарифметическими значениями концентраций элементов в поверхностном слое 0–20 см почв (n = 15) и показателями средневзвешенного (с учетом мощности генетических горизонтов) содержания элементов в том же слое. Относительные ошибки средневзвешенных значений по сравнению со средними арифметическими изменяются для разных элементов и почв от 0 до 32% (в среднем составляя около 10%).

Таким образом, расчеты показали, что средневзвешенные валовые концентрации микроэлементов, рассчитанные с учетом мощностей генетических горизонтов, хорошо совпадают со среднеарифметическими значениями концентраций элементов в поверхностном слое почв и могут использоваться в качестве ориентировочных уровней содержания тяжелых металлов и других микроэлементов при ведении почвенного мониторинга.

Изменчивость оценок валовых концентраций микроэлементов, полученных с использованием разных методов. Необходимо иметь в виду, что рассмотренные выше данные получены с использованием одного метода определения валовых концентраций микроэлементов в почвах и на одном приборе. За историю развития исследований содержания микроэлементов в почвах методы анализов и приборы постоянно совершенствовались, в настоящее время разными исследователями применяются различные методики подготовки проб и методы определения элементов. Поэтому далее предпринята попытка сравнить имеющиеся в литературе сведения о содержании микроэлементов в почвах фоновых территорий области с полученными нами результатами.

Максимальное количество информации удалось найти для степного кластера ООПТ областного значения “Персиановская заповедная степь”. Этот охраняемый ландшафт комплексного профиля площадью 84.05 га состоит из двух кластеров: участка целинный степи и лесного массива – дубравы им. В.В. Докучаева. Персиановская заповедная степь площадью 66 га является уникальным массивом ненарушенных почв под целинной растительностью ксерофитных приазовских степей. Большая часть площади участка гарантированно не распахивалась с начала XX в., хотя отдельные участки неоднократно горели и периодически подвергались сенокошению и выпасу. Почвы участка представлены черноземами обыкновенными карбонатными среднемощными среднегумусными тяжелосуглинистыми на желто-бурых лёссовидных суглинках. Характеристики почв этого участка наиболее часто используют в работах по оценке локального загрязнения в регионе. Несмотря на то, что все данные относятся к работам текущего столетия и все исследования проведены спектральными методами в профессиональных исследовательских лабораториях, полученные результаты различаются. Наиболее различны данные по валовым концентрациям мышьяка, для определения которого использовали спектральный и атомно-адсорбционный методы (табл. 4).

Таблица 4.  

Содержание и характеристики варьирования микроэлементов в поверхностном горизонте почв ООПТ “Персиановская степь”, ppm

Источник данных Ni Cu Zn Pb As
Горбов с соавт., 2015 [6] 67 57 88 28 11
Капралова, Колесников, 2012 [14] 23 35 80 30 8
Гончарова с соавт., 2015 [5]   57 85 30  
Шишкина, 2017 [29] 57 43 96 22 2
Закруткин с соавт., 2017 [9] 52 20 72 18 5
Собственные данные, разр. 1607 62 50 96 27  
  Статистические характеристики
Среднее арифметическое ± ошибка среднего 52 ± 8 44 ± 6 86 ± 4 26 ± 2 6 ± 2
Медиана 57 46 86 28 6
Стандартное отклонение 17.5 14.3 9.4 4.9 3.8
Размах значений (min–max) 23–67 20–57 72–96 18–30 2–11
Границы типичных значений 52–62 37–55 81–94 23–30 4–9

Таким образом, единичные определения концентраций микроэлементов не могут однозначно характеризовать почву, даже в пределах небольшого по площади участка с однородным почвенным покровом. Необходимо учитывать варьирование концентраций элементов в пределах большой территории, включающее в себя природную изменчивость и последствия фонового техногенного воздействия, имея в виду случайное точечное загрязнение от неконтролируемых источников. Также следует учитывать возможное расхождение результатов определений, полученных с использованием разных методик отбора образцов и методов анализов или на приборах одного класса в различных условиях эксперимента, которое может достигать 15–35%, что обычно оговаривается в методиках исследований [18, 26, 27].

Использование фоновых показателей валовых концентраций микроэлементов в почвенном мониторинге. Ранжирование исследованных почв вне зависимости от их генезиса по гранулометрическому составу позволило выявить тенденцию к повышению концентраций ряда микроэлементов с утяжелением почв, наиболее выраженную для Ni, Zn, Pb и Co (рис. 2).

Рис. 2.

Валовые концентрации микроэлементов в слое 0–20 см фоновых почв различного гранулометрического состава: 1 – средние арифметические (15 поверхностных образцов); 2 – средневзвешенные показатели из разрезов.

Содержание микроэлементов в супесчаной почве на аллювиальных песках в несколько раз ниже, чем в тяжелосуглинистых и глинистых почвах, причем концентрации некоторых элементов не приводятся, поскольку находятся на границе чувствительности прибора. По содержанию микроэлементов среднесуглинистые разновидности почв занимают промежуточное положение. Валовые концентрации элементов в тяжелосуглинистых и глинистых почвах, как указано ранее, высоки, разброс значений составляет около 15% для Cr, 20–30% для Ni, Cu и Zn и достигает 40% и более для Pb и Co. Проверку возможности использовать полученные показатели для оценки загрязнения почв в результате техногенного воздействия провели, сравнив обобщенные опубликованные результаты мониторинговых исследований [23, 33] с полученными нами данными (рис. 3). Валовые концентрации тяжелых металлов в тяжелосуглинистых почвах вблизи Новочеркасской ГРЭС превышают концентрации соответствующих элементов в удаленных почвах, используемых цитируемыми авторами в качестве фоновых.

Рис. 3.

Валовые концентрации тяжелых металлов в слое 0–20 см почв различного гранулометрического состава, фоновых и в зоне воздействия Новочеркасской ГРЭС: 1 – среднее арифметическое; 2 – средневзвешенные показатели из разрезов; 3 – объекты мониторинга Новочеркасской ГЭС.

Сравнение результатов мониторинга загрязнения с полученными данными показало, что в тяжелых по гранулометрическому составу почвах, которые находятся в зоне влияния Новочеркасской ГРЭС, отмечается некоторое превышение валовых концентраций Cr, Zn и Pb над показателями, характеризующими фоновые почвы охраняемых территорий. Содержание Cu и Ni находится на уровне фоновых показателей, которые превышают кларковые значения, а концентрация Ni приближается к ОДК. В загрязненной песчаной почве содержание всех рассмотренных микроэлементов значительно превышает уровень их концентраций в фоновой супесчаной почве, а иногда и в опесчаненных среднесуглинистых почвах. При этом содержание Ni, Zn и Cu находится выше уровней ОДК, установленных для почв легкого гранулометрического состава.

Таким образом, сравнительный анализ собственных и литературных данных [23, 33] позволил обнаружить, что незначительное (относительно фоновых показателей) повышение валовых концентраций тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах может сопровождаться заметным увеличением концентраций подвижных и непрочносвязанных форм. В свою очередь это может способствовать накоплению элементов-загрязнителей в растительной продукции и переходу их в водотоки. Наиболее уязвимыми объектами в данном случае оказываются легкие по гранулометрическому составу почвы. В Ростовской области песчаные и супесчаные массивы отложений аллювиального генезиса обычно приурочены к речным долинам, что увеличивает экологическую опасность загрязнения таких почв. Поэтому в экологическом почвенном мониторинге в качестве фоновых значений не могут использоваться просто усредненные показатели, характеризующие почвы региона, следует принимать во внимание также типологическую принадлежность и, особенно, гранулометрический состав почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование почв особо охраняемых природных территорий Ростовской области позволило выявить региональную особенность почвенного покрова – повышенные концентрации ряда тяжелых металлов и других микроэлементов в почвах, обусловленные богатством материнских пород этими элементами. Полученные данные свидетельствуют о невозможности использования при мониторинге загрязнения почв области существующих санитарно-гигиенических нормативов валовых концентраций микроэлементов, как ПДК, так и ОДК. Более перспективным представляется использование фоновых показателей, характеризующих почвы ООПТ области.

Показано, что единичные определения концентраций микроэлементов или усредненные данные нескольких точечных обследований не могут однозначно характеризовать почву, даже в пределах небольшого по площади участка с однородным почвенным покровом. При установлении фоновых значений концентраций элементов необходимо учитывать природное варьирование, а также возможное расхождение данных за счет разнообразия аналитических методов определения элементов и методик пробоотбора.

Для корректного ведения экологического мониторинга необходимо иметь набор характеристик минимально антропогенно-измененных почв области (фоновых и условно-фоновых), отражающих почвенное разнообразие региона: типологическое, по гранулометрическому составу и составу почвообразующих пород. Использование единой методики пробоотбора и единого аналитического метода при установлении фоновых значений валовых концентраций микроэлементов и ведении мониторинга позволяет повысить достоверность данных мониторинга.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-04-00592.

Список литературы

  1. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий. Методическое руководство / Под ред. В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова. М., 2005. 784 с.

  2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. 488 с.

  3. Большаков В.А., Ладонина H.H., Фрид A.C. Картографическое отображение точечного и контурного загрязнения городских территорий // Почвоведение. 2002. № 5. С. 629–635.

  4. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 238 с.

  5. Гончарова Л.Ю., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Шерстнев А.К., Бирюкова О.А., Кравцова Н.Е., Замулина И.В. Современное состояние черноземов обыкновенных особо охраняемых природных территорий Нижнего Дона // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2015. № 4. С. 200–227.

  6. Горбов С.Н., Безуглова О.С., Алексикова А.С., Тагивердиев С.С., Дубинина М.Н., Шерстнев А.К. Содержание и распределение тяжелых металлов и мышьяка в почвах Ростова-на-Дону // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 4. http:// www.science-education.ru/ru/article/view?id=21428

  7. Дьяченко В.В., Матасова И.Ю. Загрязнение и динамика микроэлементов в почвах юга России // Геология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2015. № 4. С. 324–332.

  8. Дьяченко В.В., Матасова И.Ю. Региональные кларки химических элементов в почвах Европейской части юга России // Почвоведение. 2016. № 10. С. 1159–1166. https://doi.org/10.7868/S0032180X16100063

  9. Закруткин В.Е., Коронкевич Н.И., Шишкина Д.Ю., Долгов С.В. Закономерности антропогенного преобразования малых водосборов степной зоны Юга России (в пределах Ростовской области). Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2004. 252 с.

  10. Зборищук Ю.Н. Кларки концентраций физиологически важных микроэлементов в почвах // Вестник МГУ. Сер. 17, почвоведение. 1977. № 4. С. 18–21.

  11. Зырин Н.Г. Распределение и варьирование содержания микроэлементов в почвах Русской равнины // Почвоведение. 1968. № 7. С. 77–88.

  12. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск, 1991. 134 с.

  13. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

  14. Капралова О.А., Колесников С.И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства почв г. Ростова-на-Дону // Научная мысль Кавказа. 2012. № 1 (69).

  15. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 224 с.

  16. Кузнецов М.Ф. Микроэлементы в почвах Удмуртии. Ижевск, 1994. 285 с.

  17. Матвеев Ю.М., Попова И.В., Чернова О.В. Проблемы нормирования содержания химических соединений в почвах // Агрохимия. 2001. № 12. С. 54–60.

  18. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом. М-049-П/10. СПб., 2010. 17 с.

  19. Методика исчисления размера вреда окружающей среде (земля). Утверждена приказом начальника охраны окружающей среды Администрации Томской области. № 17 от 29.11.2002 г. Томск, 2002 http://green.tsu.ru/htmls/doc/zakon

  20. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. М.: Роскомзем, 1995. 28 с.

  21. Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве. М., 1982. 57 с.

  22. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М.: Минздрав СССР, 1987. 25 с.

  23. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Бурачевская М.В., Антоненко Е.М. Фракционно-групповой состав Mn, Cr, Ni и Cd в почвах техногенных ландшафтов (район Новочеркасской ГРЭС) // Почвоведение. 2013. № 4. С. 414–425.

  24. Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами. Утв. Роскомземом 10 ноября 1993 г. и Минприроды РФ 18 ноября 1993 г. // База нормативной документации. 34 с. www.complexdoc.ru

  25. Протасова Н.А., Щербаков А.П., Копаева М.Т. Редкие и рассеянные элементы в почвах центрального Черноземья. Воронеж, 1992. 165 с.

  26. Савичев А.Т. Причины ошибок при определении содержания макроэлементов в почвах и горных породах рентгенофлуоресцентным методом // Почвоведение. 2007. № 1. С. 38–43.

  27. Савичев А.Т., Сорокин С.Е. Рентгенофлуоресцентный анализ содержания микроэлементов и тяжелых металлов в почвах // Агрохимия. 2000. № 12. С. 71–74.

  28. Самонова О.А., Асеева Е.Н. Геохимическая трансформация покровных и моренных суглинков бассейна средней Протвы в процессе почвообразования // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, география. 2006. № 6. С. 67–74.

  29. Шишкина Д.Ю. Тяжелые металлы в почвах Ростова-на-Дону. Ростов-на-Дону–Таганрог, 2017. 97 с.

  30. Bezuglova O.S., Gorbov S.N., Tischenko S.A., Aleksikova A.S., Tagiverdiev S.S., Sherstnev A.K., Dubinina M.N. Accumulation and migration of heavy metals in soils of the Rostov region, south of Russia // J. Soils Sediments. 2016. V. 16. № 4. P. 1203–1213. doi 1007/s11368-015-1165-8

  31. Carlon C. (Ed.). Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization // European Commission Joint Research Centre, Ispra, EUR 22805-EN, 2007. 306 p.

  32. Heemsbergen D., Warne M., McLaughlin M., Kookana R. The Australian Methodology to Derive Ecological Investigation Levels in Contaminated Soils. CSIRO // Land and Water Science Report. 2009. V. 43/09.

  33. Minkina T.M., Nevidomskaya D.G., Pol’shina T.N., Fedorov Yu.A., Mandzhieva S.S., Chaplygin V.A., Bauer T.V., Burachevskaya M.V. Heavy metals in the soil–plant system of the Don River estuarine region and the Taganrog Bay coast // J. Soils Sediments. 2017. V. 17. № 5. P. 1474–1491. https://doi.org/10.1007/s11368-016-1381-x

  34. Proposal for a European soil monitoring and assessment framework. Project manager Gentile A.R. European Environmental Agency. Copenhagen, 2001. 58 p.

  35. The State of Soil in Europe. A contribution of the JRC to the EEA Environment State and Outlook Report – SOER 2010. European Environment Agency. Luxembourg, 2012. 76 p.

  36. Walopereis V.S., Gascuel-Odoux C., Baernie G., Soignet G. Spatial variability of heave metals in soil on a one-hectare scale // Soil Sci. 1988. V. 146. № 2. P. 113–118.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал