Влияние осушительной мелиорации на содержание тяжелых металлов в пойменных почвах Среднеамурской низменности | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 4 (28).

Влияние осушительной мелиорации на содержание тяжелых металлов в пойменных почвах Среднеамурской низменности

Исследовано влияние осушительной мелиорации на содержание подвижных форм тяжелых металлов в пойменных почвах на примере Ленинского района Еврейской автономной области. Проведен сравнительный анализ изменения концентрации тяжелых металлов в осушенных и неосушенных почвах. Показано, что в мелиорированных почвах к окончанию сельскохозяйственного сезона наблюдаются снижение содержания тяжелых металлов и уменьшение суммарного коэффициента загрязнения, в то время как в неосушенных почвах -противоположный процесс -увеличение загрязнения. Исследовано влияние степени затопления пойм на содержание гумуса и кислотность почв, которые определяют миграцию и формирование концентрационных рядов тяжелых металлов.

Influence of drainage amelioration on the heavy metal content of floodplain soils in the middle Amur lowland.pdf Введение Почвенный покров речных долин представляет интерес как объект сельскохозяйственного назначения [1], поэтому изучение его химического состава и процессов аккумуляции различных веществ позволяет решать экологические проблемы, связанные с антропогенным загрязнением речных бассейнов, выявлением причин изменения плодородия, определением их качества [2]. Особенностью пойменных почв малых рек является зависимость от часто меняющихся экологических условий, связанных с неустойчивым характером увлажнения и составом растительности, рельефом, динамикой отложения аллювиальных наносов. Влияние мелиорационных работ на гидрологический режим [3], физические свойства [4], химический состав (содержание гумуса, тяжелых металлов, анионов) и закономерности пойменного почвообразования в долинах малых рек изучалось в отдельных регионах Российской Федерации (Смоленская, Брянская, Орловская, Тверская, Калужская, Тульская, Московская, Рязанская, Ярославская, Владимирская, Костромская, Ивановская, Амурская области, Хабаровский, Пермский, Приморский края) [5]. Такие исследования актуальны для всех территорий, расположенных в пониженных формах рельефа на переувлажненных почвах, например на юге Дальнего Востока России, где в районах проведения мелиоративных работ поймы периодически попадают в зоны затопления вследствие малых и средних наводнений 1 раз в 3 года и крупных - каждые 7 лет. Целью данной работы является исследование влияния осушительной мелиорации на содержание тяжелых металлов в пойменных почвах Среднеамурской низменности при различной степени затопления на примере Ленинского района Еврейской автономной области (ЕАО). Материалы и методики исследования Площадь сельскохозяйственных угодий Ленинского района составляет 68 тыс. га. Они представлены в основном лугово-глинистыми почвами, сформированными на тяжелых по гранулометрическому составу почвоо-бразующих породах; гумусовый горизонт характеризуется небольшой мощностью [6]. Крайне незначительный уклон поверхности и наличие аллювиальных глин затрудняет сток поверхностных и подземных вод, поэтому почвы имеют избыточное увлажнение, использование их невозможно без мелиоративных работ. Анализ архивных данных, предоставленных ФГБУ «Управление Биробиджанмелиоводхоз», показал, что этот район является основным для проведения мелиоративных работ в ЕАО (рис. 1). Площадь мелиорированных земель составляет около 34 тыс. га (30% сельхозугодий), она до 1991 г. использовалась в сельском хозяйстве, но к 2012 г. в качестве сельхозугодий сохранились лишь 10 тыс. га. Район удален от основных источников техногенного загрязнения тяжелыми металлами (горнодобывающая и лесная промышленность, города Биробиджан и Облучье), поэтому он послужил полигоном для исследования изменения концентраций элементов-токсикантов в пойменных почвах под влиянием осушительной сельскохозяйственной мелиорации и степени затопления территории. Для сравнительного анализа выбраны немелиорированные и мелиорированные используемые в сельскохозяйственном обороте лугово-глинистые почвы поймы реки Солонечная. На каждом полигоне производился одновременный отбор проб из поверхностного почвенного горизонта методом квадрата по ГОСТ 28168-89 [7] в весенний и осенний периоды 2009-2011 гг. Из группы тяжелых металлов (ТМ) определялись железо (Fe), марганец (Mn) - типичные природные поллютанты Буреинской ландшафтно-геохимиче-ской провинции; никель (Ni), медь (Cu), свинец (Pb), цинк (Zn) и кобальт (Co) -характерные природно-антропогенные загрязнители данной территории. Подвижные формы ТМ экстрагировали 1 н азотной кислотой, поскольку с помощью этого экстрагента выявляется фонд ТМ, способный стать подвижным в системе почва - сельскохозяйственная культура [8]. Содержание подвижных форм ТМ анализировали методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) на приборе «SOLAAR M6» (Thermo Electron Corporation, США). Рис. 1. Районы проведения мелиоративных работ на территории Еврейской автономной области: 1 - карта-схема Еврейской автономной области, квадратом выделены районы исследования; 2 - полигоны отбора проб: а - немелиорированные; б - мелиорированные; 3 - площадь мелиорируемых сельхозугодий / Fig. 1. Areas of land reclamation works on the territory of Jewish Autonomous Oblast. Note: 1 - schematic map of Jewish Autonomous Oblast, a square marks research areas. 2 - Sampling polygons: a - unenhanced; b - enhanced. 3 - Area of reclaimed farmland Гумус определяли методом И.В. Тюрина [9], актуальную кислотность -потенциометрией [10]. Все анализы проводили в 3-кратной повторности, статистическую обработку - в программе Microsoft Office Excel 2007. В работе приведены средние значения. Для комплексного анализа содержания ТМ в пойменных почвах были рассчитаны суммарные коэффициенты загрязнения (Zct) с учетом индексов опасности поллютантов: ^cm =£ (Kc ■ Km )-(П - 1), i=1 где Kc- коэффициент загрязнения почв (Кс = С/Сф, где С. - фактическая концентрация элемента, Сф - фоновое значение элемента); Кт - индекс класса опасности поллютантов, равный 1,5 для элементов первого (Zn, Pb, Cd), 1 - для второго (Co, Ni, Cu, Fe) и 0,5 - для третьего (Mn) класса опасности, n - количество ТМ [11]. В качестве Сф применялись значения предельно допустимых концентраций (ПДК) подвижных форм ТМ в почвах [12]. Результаты исследования и их обсуждение Сравнение химического состава проб показало, что в мелиорированной почве содержание ТМ всегда ниже, чем в немелиорированной, оно зависит от степени затопления поймы атмосферными осадками в течение сельскохозяйственного сезона (табл. 1). Т а б л и ц а 1 / T a b l e 1 Содержание и концентрационные ряды тяжелых металлов в лугово-глинистых почвах Ленинского района Еврейской автономной области в весенний и осенний периоды 2009-2011 гг. / Content and concentrations of heavy metals in meadow clay soils of Leninsky district, Jewish Autonomous Oblast in spring and autumn periods 2009-2011 Параметры рН Гумус / Fe Zn Mn Pb Cu Co Ni ед. Humus, % Концентрация, мг/кг / Concentration, mg/kg Весна / 5,9 2,1 3489,2 182,1 231,1 6,3 5,5 4,8 2,9 a\ о Spring Fe>Mn>Zn>Pb>Cu>Co>Ni о Mn>Zn>Pb>Cu>Co>Ni Весна / 5,3 3,1 8997,7 612,46 333,61 8,9 10,3 10,55 6,71 a О Spring Fe>Zn>Mn>Co>Cu>Pb>Ni О Zn>Mn>Co>Cu>Pb>Ni Весна / 5,7 3,2 14396 680,51 334,61 10,13 10,78 11,58 6,73 - Spring Fe>Zn>Mn>Co>Cu>Pb>Ni О Zn>Mn>Co>Cu>Pb>Ni Весна / 5,1 4,1 4562,1 277,7 356,36 9,3 6,8 5,3 4,7 a\ Spring Fe>Zn>Mn>Pb>Co>Cu>Ni о Mn>Zn>Co>Pb>Cu>Ni Весна / 5,3 4,1 10429 1155,3 501,1 14 10,64 11,83 7,38 b О Spring Fe>Zn>Mn>Pb>Co>Cu>Ni Mn>Zn>Co>Pb>Cu>Ni Весна / Spring 5,4 4,2 16686 1283,7 502,61 18,48 10,75 11,86 7,4 JZ! Fe>Zn>Mn>Pb>Co>Cu>Ni О Mn>Zn>Pb>Co>Cu>Ni Примечание. a - мелиорированные, b - немелиорированные почвы. / Note. a - tilled soils, b - untilled soils. При частичном затоплении (2009 г.) в мелиорированной почве весной наблюдалось уменьшение концентраций всех ТМ по отношению к немелиори-рованным примерно в 1,5 раза. К осени эти соотношения меняются: кобальта становится в 10 раз, железа в 6 раз, марганца и меди в 1,5 раза меньше, содержание цинка, свинца и никеля практически не меняется. В отсутствие затопления пойм (2010 и 2011 гг.) значительно снижается концентрация цинка (в 2-7 раз весной и осенью соответственно), содержание остальных ТМ, кроме меди, уменьшается в 2-4 раза. Подтопление почв оказывало влияние на внутрисезонное изменение их химического состава. Так, в немелиорируемых почвах к осени за счет поверхностного механического стока с полей в период обильного выпадения атмосферных осадков происходило уменьшение содержания меди в 4, цинка, свинца и никеля в 2 раза. В засушливые периоды 2010 и 2011 гг. содержание всех ТМ в почвах к осени каждого года увеличивалось примерно в 1,5-2 раза. В мелиорируемых почвах одновременное действие поверхностного и дренажного стоков по осушительным каналам изменяло процессы транзита-аккумуляции ТМ: к осени многоводного 2009 г. концентрации Mn, Pb, Ni уменьшились в 1,5 раза, Fe - 3 раза, Cu, Co - в 4,5 раза, содержание Zn увеличилось в 1,2 раза. При уменьшении количества атмосферных осадков (2010 и 2011 гг.) к осени прослеживалось увеличение содержания Fe, Cu, Co в 1,5 раза, снижение концентраций Zn, Mn, Pb, Ni в 1,5-2 раза. Это привело к изменению концентрационных рядов ТМ (см. табл. 1). В мелиорированных почвах расположение ТМ в концентрационных рядах в течение сезона не изменялось, но зависело от степени затопления пойм. В засушливые периоды, по сравнению с сезонами с повышенной влажностью, происходила инверсия положения марганца и свинца, вероятно, вследствие изменения их геохимической подвижности. В противоположность этому в неосушенных почвах, независимо от атмосферного увлажнения, ряд ТМ претерпевал значительную инверсию, кроме первого (железо) и последнего (никель) элементов. Суммарные коэффициенты загрязнения почв также зависели от объема атмосферных осадков (табл. 2). По величине суммарного показателя Zct мелиорированные почвы в период их затопления относились к первой категории загрязнения «допустимое», а немелиорированные - ко второй «умеренно опасное». В период с более низким объемом атмосферных осадков (2010 и 2011 гг.) происходило увеличение загрязнения почв до «высоко опасного». Таким образом, осушительная мелиорация в зависимости от степени затопления почв приводит к изменению концентрации подвижных форм ТМ, вероятно, не только под влиянием механического транзита с водными потоками, но и вследствие изменения состава и количества соединений, выступающих в качестве лигандов при комплексообразовании с ТМ, таких как гумусовые вещества и гидратионы [13-15]. Т а б л и ц а 2 / T a b l e 2 Суммарные коэффициенты загрязнения пойменных почв / Cumulative contamination rates of floodplain soils Суммарные коэффициенты S3 £ Период / Period Объем атмосферных осадков, мм / загрязнения почв / Cumulative contamination rates of floodplain soils д а Precipitations, mm Мелиорирован Немелиорированные почвы / Tilled soils ные почвы / Untilled soils а\ о Зима-весна / Winter-spring 61,9 11,83 20,24 о

Ключевые слова

middle Amur lowland, heavy metals, drainage reclamation, floodplain soils, Среднеамурская низменность, тяжелые металлы, пойменные почвы, осушительная мелиорация

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Зубарев Виталий АлександровичИнститут комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН (г. Биробиджан)Zubarev_1986@mail.ru
Всего: 1

Ссылки

Cao X.D. Effects of redox potential and pH value on the release or rare elements from soil // Chemosphere. 2001. Vol. 44. P. 655-661.
Гайдукова Н.Г., Терпелец В.И., Баракин Н.С., Шабанова И.В. О распределении соединений Mn, С^ Zn, Co, Pb в почвенном профиле чернозема выщелоченного Азово-Кубанской низменности // Научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 95 (01). С. 1-20.
Федоров А.С. Влияние техногенных факторов на содержание тяжелых металлов в гумусовом горизонте почв и растениях // Почвоведение. 1988. № 3. С. 137-147.
Зонн С.В. Железо в почвах (генетические и географические аспекты). М. : Наука, 1982. 209 с.
Бондарев А.Г. К оценке степени деградации пахотного слоя почв по физическим свойствам // Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения. M. : РАСХН, 1998. Т. 1. С. 28-30.
Абашев В.Д. Вынос элементов питания дренажным стоком с осушенных земель // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 1997. № 5. С. 26-28.
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М. : ACADEMIA, 2003. 396 с.
Mаnceau A., Marcus M., Tamura N. Quantative speciation of heavy metals in soils and sediments by synchrotron X-ray techniques // Applications of Synchrotron Radiation in Low-Temperature Geochemistry and Enviromental Science. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. Washington, DC. 2002a. Vol. 49. P. 341-428.
Brown G.E., Foster A.L., Ostergren J.D. Mineral surface and bioavailability of heavy metals: A molecular-scale perspective // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1999. Vol. 96. P. 3388-3395.
Статюха Г.О., Бойко Т.В., Ищинина А.О. Алгоритм количественного анализа почвы при проведении ОВОС // Вестник Черкасского государственного технологического университета. 2009. № 2. С. 107-110.
Выборов С.Г., Павелко А.И., Щукин В.Н., Янковская Э.В. Оценка степени опасности загрязнения почв по комплексному показателю нарушенного геохимического поля // Современные проблемы загрязнения почв: междунар. науч. конф. М., 2004. С. 195197.
ОрловД.С. Химия почв. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1985. 376 с.
ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки. М. : Изд-во стандартов, 1985. 7 с.
ГОСТ 28168-89. Почвы. Отбор проб. М. : Стандартинформ. 2008. 7 с.
Матюшкина Л.А. Проблемы и принципы эколого-агрохимической оценки состояния почв равнинного Приамурья // Материалы IV Междунар. конф. «Современные проблемы регионального развития» (Биробиджан, 09-12 октября 2012 г.). Биробиджан : ИКАРП ДВО РАН, ДВГСГА, 2012. С. 29-30.
Росликова В.И. Почвы Средне-Амурской низменности и их особенности агрогенных трансформаций // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2009. № 2(13). С. 95-102.
Муромцев Н.А., Шуравилин А.В. Изменение агрохимических свойств пойменных почв долины среднего течения реки Москвы при интенсивном их использовании //Агро XXI. 2006. № 4-6. С. 43-44.
Слагада Р.Г. Изменение физических свойств и состава торфяных почв в процессе их сельскохозяйственного использования // Мелиорация переувлажненных земель. 2006. №1(53). С. 119-157.
Маслов Б.С., Нестеренко И.М. Изменение свойств торфяных почв под влиянием осушения и использования в центре и на севере России // Мелиорация и водное хозяйство. 2002. № 2. С. 23-26.
Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. М. : Академкнига, 2002. 255 с.
Яблонских Л.А. Генезис и классификация почв пойм речных долин Среднерусского Черноземья // Вестник Воронежского государственного университета. География, геоэкология. 2001. № 1. С. 43-51.
 Влияние осушительной мелиорации на содержание тяжелых металлов в пойменных почвах Среднеамурской низменности | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 4 (28).

Влияние осушительной мелиорации на содержание тяжелых металлов в пойменных почвах Среднеамурской низменности | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 4 (28).