ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ ЮЖНОГО УРАЛА (В ПРЕДЕЛАХ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ) 

ECOLOGICAL-GEOCHEMICAL ASSESSMENT OF SOIL AND BIOLOGICAL RESOURCES STEPPE LANDSCAPES OF THE SOUTHERN URALS (WITHIN THE ORENBURG REGION)

И.В. Грошев

I.V. Groshev 

Министерство природных ресурсов, экологии и имущественных отношений Оренбургской области

(Россия, 460015, г. Оренбург, Дом Советов) 

Ministry of natural resources, environment and property relations of Orenburg region

(Russia, 460015, Orenburg, House of Soviets)

На основе аналитического материала произведен расчет фоновых показателей валовых и подвижных форм тяжелых металлов в автоморфных почвах и растительном покрове Уральской горной страны в пределах Оренбургской области. 

On the basis of analytical material is produced the calculation of the background indices of the gross and mobile forms of heavy metals in the automorphic soils and the plant cover of the Ural mountain country in the limits of Orenburg region.

Основу экологической устойчивости почвенной экосистемы составляют природные биогеохимические процессы массообмена вещества, энергии и информации. В настоящее время одним из наиболее значимых проблем в экологии является техногенное загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами (ТМ). Результатом техногенного воздействия является образование аномалий техногенного характера. Избыточное количество тяжелых металлов отрицательно влияет на биоразнообразие и продуктивность естественных экосистем и агроценозов [5, 10], заметно снижает интенсивность микробиологических процессов [8], изменяются физико-химические свойства почв, что в конечном итоге ведет к потере почвенного плодородия [7].

В связи с этим важнейшей задачей является совершенствование методологических основ и критериев оценки геохимического состояния почв и растительности. Основными показателями этой оценки являются экспериментальные данные общего (валового) содержания в почвах и растительности и содержание подвижных (экстрагируемых) форм тяжелых металлов в почвах. Наряду с предельно-допустимыми концентрациями, важное значение имеет сравнение аналитических результатов с фоновыми показателями. Необходимость установления фоновых значений обусловлена сложностью ландшафтообразующих факторов, проявляющаяся в сложном сочетании геологического, почвенного и биологического круговоротов, а также интенсивной техногенной нагрузкой на природные экосистемы степей.

В качестве фона нами используется величина среднеарифметического значения концентрации химического элемента [1, 4]. Превышение концентраций элемента над фоном, а также повышение коэффициента варьирования содержания элемента явно свидетельствует о техногенном загрязнении. Основой для определения геохимического фона послужили аналитические данные государственной сети мониторинга земель и почвенных эталонов. Фоновые показатели представляют собой сводку величин среднего содержания тяжелых металлов по ландшафтным структурам и могут быть приняты как предварительные шкалы. Предварительность этих шкал определяется сравнительно небольшим банком данных на современном этапе исследований, и при увеличении объема информации они, несомненно, будут подвергаться корректировке. Обработка аналитических данных усложняется тем, что приходится оперировать низкими величинами значений тяжелых металлов, часто варьирующими в пределах аналитических ошибок [11].

В качестве объекта исследования выбраны почвы и растительный покров Южно-Уральской области Уральской горной страны (в пределах Оренбургской области). Почвенный покров района исследований отличается сложностью и неоднородностью, обусловленной своеобразием форм рельефа, довольно энергичными процессами денудации и эрозии, резкой засушливостью и континентальностью климата, а главное многообразием и резкой сменой в пространстве почвообразующих пород [6]. Основу почвенного покрова составляют черноземы обыкновенные и южные, а также неполноразвитые (скелетные) щебенчато-каменистые почвы. Содержание гумуса в верхних корнеобитаемых горизонтах колеблется в достаточно широких пределах 2,1-6,2%. Проникновению корневых систем растений препятствует близкое залегание плотных почвообразующих пород, вследствие этого почвы имеют укороченный гумусовый горизонт (15-25 см). Гранулометрический состав черноземов – глинистый и тяжелосуглинистый. Реакция почвенной среды близка к нейтральной. Все эти факторы предопределили низкую миграционную активность тяжелых металлов в вертикальной и горизонтальной структуре ландшафта.

Основная часть территории района исследований представлена агроландшафтами (85,1%). Растительный покров естественных растительных сообществ представлен сочетаниями петрофитных разнотравно-типчаково-ковыльных степей с остепненными горно-балочными, нагорными дубово-ильмовыми и березовыми лесами.

Автоморфные почвы степи наследуют валовое содержание тяжелых металлов от почвообразующих пород, на которых они сформировались. В процессе почвообразования происходит лишь незначительное их перемещение, связанное с биогенной аккумуляцией в гумусовых горизонтах черноземов. Расчетные данные фоновых показателей валовых форм тяжелых металлов в почвах представлены в таблице 1.

Таблица 1

Фоновые показатели содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах (мг/кг)

Примечание: n – объем выборки, M – среднее значение вариационного ряда (мг/кг), max и min – максимальные и минимальные значения вариационного ряда (мг/кг), V – коэффициент варьирования (%), P – средняя арифметическая ошибка единичного определения, t – критерий достоверности. 

Максимальные концентрации валовых форм исследуемой группы химических элементов не превышает величин ПДК. Средние показатели фоновых концентраций цинка, меди, свинца, никеля и кобальта находятся на уровне значений кларка [2], при высоких значениях коэффициента варьирования признака для хрома, никеля и меди (V – 26,47-43,30%). Для кобальта, марганца, свинца, кадмия и цинка коэффициент варьирования равен 15,83-9,98%. Основной причиной высокой вариабельности концентраций тяжелых металлов, в первую очередь меди, никеля и хрома, является ярко выраженная литохимическая неоднородность почвообразующих пород этой территории.

Наиболее информативным показателем эколого-геохимической оценки почвенного покрова является содержание подвижных форм тяжелых металлов. Под подвижностью химических элементов в почвах понимается способность переходить из твердых фаз почв в почвенные растворы [3]. Становясь мобильными, химические элементы способны мигрировать по профилю почвы вплоть до грунтовых вод, а также переходить в форму доступную растениям.

Концентрации подвижных форм тяжелых металлов имеют низкие величины и не превышают показателей предельно-допустимых концентраций. По-видимому это вызвано климатическими особенностями района исследований, что предопределяет дальнейшее детальное изучение сезонной динамики круговорота тяжелых металлов в почвах и растениях. Данные расчета фоновых показателей подвижных форм тяжелых металлов и основные статистические параметры представлены в таблице 2.

Таблица 2

Фоновые показатели содержания подвижных форм

тяжелых металлов в почвах (мг/кг)

Необходимо отметить, высокую вариабельность концентраций почти всей изучаемой группы тяжелых металлов, за исключением кобальта и марганца, имеющие довольно высокие значения коэффициента варьирования (46,03-56,10% против 22,19-25,28%).

Для определения значений подвижности химических элементов был рассчитано отношение подвижных форм к валовым. В почвенном покрове района исследований величины этого отношения для кадмия составляют 9,52-27,27%, свинца – 3,85-17,43%, хрома – 1,52-7,36%, никеля – 1,19-4,39%, марганца – 1,57-4,20%, цинка – 0,86-5,79%, кобальта – 0,31-1,21%, меди – 0,09-0,96%, что свидетельствует о слабой миграционной способности тяжелых металлов в почвенном покрове района исследований. Миграционная способность тяжелых металлов зависит от физико-химических свойств почв. Накоплению тяжелых металлов способствует: обогащенность профиля гумусовыми веществами, щелочная реакция среды, содержание карбонатов, наличие солонцового горизонта и тяжелый гранулометрический состав.

Необходимость определения фоновых значений растительного покрова диктуется необходимостью тем, что 75-80% тяжелых металлов поступает в организм человека с растительной пищей. Не менее актуальна эта проблема в животноводстве. Данные расчета фоновых показателей тяжелых металлов в растительном покрове района исследований представлены в таблице 3. Необходимо отметить, что данные расчетные показатели не превышают предельно-допустимых концентраций.

Таблица 3

Фоновые показатели содержания тяжелых металлов

в растительности (мг/кг сух. в-ва)

Нами был также рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП) [9] для растительного покрова района исследований, который отражает степень активности перехода химических элементов из почв в растения. Коэффициент биологического поглощения цинка – 0,27-0,72, меди – 0,25-0,64, марганца – 0,08-0,14, кадмия – 0,04-0,16, свинца – 0,02-0,11, никеля – 0,02-0,05, хрома – 0,01-0,05, кобальта – 0,01-0,03. Основой поглощения и аккумуляции тяжелых металлов в растениях является систематическое положение, к которому относится данное растение (семейство, род и вид). Поэтому при проведении детальных эколого-геохимических исследований необходимо изучать видовую специализацию растений в поглощении различных доз металлов в различных ландшафтно-геохимических условиях.

Проблема современного эколого-геохимического состояния почвенного и растительного покровов естественных и техногенных ландшафтов выдвигает на первый план необходимость активизации работ по расширению и детализации эколого-геохимических исследований. Исследования насовременном этапе должны быть направлены на уточнение фоновых показателей валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почвах, изучение особенностей миграции и аккумуляции тяжелых металлов в цепочке почва-растения естественных биоценозов и почвах агроценозов, выявление аномальных участков природного и техногенного характера, с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов веществ и энергии.

Список литературы:

1. Блохин Е.В. Экология почв Оренбургской области: Почвенные ресурсы, мониторинг, агроэкологическое районирование. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1997. 228 с.
2. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 238 с.
3. Глазовская М.А. Почвенно-геохимическое районирование Нечерноземной зоны для целей охраны почв от загрязнения // Вопросы географии. № М.: Мысль, 1978. С. 127-129.
4. Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимические критерии оценки загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами // Почвоведение. 1999. № 5. С. 639-645.
5. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991. 151с.
6. Климентьев А.И. Почвы степного Зауралья: ландшафтно-генетическая и экологическая оценка. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 436 с.
7. Ковда В.А. Основы учения о почве. Кн. М.: Наука, 1973. 468 с.
8. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. 1999. № 4. С. 505-511.
9. Полынов Б.Б. Учение о ландшафтах // Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 751 с.
10. Рябинина З.Н. Флора и растительность степей Южного Урала и проблемы ботанического мониторинга: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 1996. 32 с.
11. Самонова О.А., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е. Пространственно-временное варьирование содержаний тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах // Вестн. Моск. ун-та. Сер.17. Почвоведение. 2000. № 2. С. 20-26.