УДК 631.416.8: 581.192.6

DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1052-1057

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ СТЕПЕЙ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

HEAVY METALS IN SOILS AND PLANTS OF THE STEPPE OF THE SAMARA REGION

Прохорова Н.В., Рязанова Я.А.

Prokhorova N.V., Ryazanova Ya.A.

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия

Samara National Research University, Samara, Russian Federation

E-mail: natali.prokhorova.55@mail.ru

Аннотация. Статья посвящена анализу экспериментальных количественных данных о содержании тяжелых металлов и металлоидов в почвах и растениях степных ландшафтов Самарской области, полученных в разные годы, но ранее не опубликованных в полном объеме. Исследования позволили выявить геохимические и биогеохимические особенности степных ландшафтов Самарской области. Было показано, что почвы степей аккумулируют тяжелые металлы в более низких концентрациях, чем почвы лесостепи. Эти различия связаны с относительно ослабленным влиянием техногенного загрязнения в степной зоне Самарской области по сравнению с лесостепью. Определенную роль играет способность степных ландшафтов к самоочищению, определяемую комплексом природных и техногенных факторов, сформировавшихся на территории Самарской области. Индикаторные виды травянистых степных растений (Artemisia austriaca, Festuca valesiaca, Salvia tesquicola, Stipa pennata, Verbascum lychnitis) накапливают все анализируемые элементы, но превышения региональных фоновых концентраций в большей степени характерны для Festuca valesiaca. Для степных видов травянистых растений, как и в целом для растений Самарской области, характерно относительно высокое содержание Cu, а для Festuca valesiaca еще и Pb.

Ключевые слова: Самарская область, степь, степные ландшафты, тяжелые металлы, индикаторные виды растений.

Abstract. The article is devoted to the analysis of experimental quantitative data on the content of heavy metals and metalloids in soils and plants of steppe landscapes of the Samara region, obtained in different years, but not previously published in full. The research revealed the geochemical and biogeochemical features of the steppe landscapes of the Samara region. It has been shown that steppe soils accumulate heavy metals in lower concentrations than forest-steppe soils. These differences are related to the relatively weakened influence of technogenic pollution in the steppe zone of the Samara region compared with the forest-steppe. A certain role is played by the ability of steppe landscapes to self-purification, determined by a complex of natural and technogenic factors that have formed on the territory of the Samara region. Indicator species of herbaceous steppe plants (Artemisia austriaca, Festuca valesiaca, Salvia tesquicola, Stipa pennata, Verbascum lychnitis) accumulate all the analyzed elements, but exceedances of regional background concentrations are more typical for Festuca valesiaca. The steppe species of herbaceous plants, as well as the plants of the Samara region in general, are characterized by a relatively high content of Cu, and for Festuca valesiaca also Pb.

Key words: Samara region, steppe, steppe landscapes, heavy metals, indicator plant species.

Введение. Загрязнение компонентов природной среды тяжелыми металлами в значительной степени связано с промышленным производством и транспортом. В степных ландшафтах Самарской области техногенез проявляется гораздо слабее, чем в лесостепи. Здесь нет крупных городов, а промышленность представлена нефтедобывающей отраслью, производством и переработкой сельскохозяйственной продукции. Автодорожная сеть менее густая, а железные дороги в основном проложены в северной и северо-западной части степной зоны региона, а также на крайнем юге Самарской области. Северная и центральная части региональной степи попадают под влияние трубопроводного транспорта: здесь широко представлены газопроводы, нефтепроводы и продуктопроводы, а также комплексные трубопроводные участки [1-3]. Степные ландшафты региона к настоящему времени распаханы или используются в качестве естественных и искусственно созданных пастбищ. Целинные степные участки малочисленны, часть из них охраняется в рамках особо охраняемых природных территорий (далее ООПТ) регионального значения [4]. Ранее было установлено, что почвенный покров лесостепной части Самарской области заметно обогащен тяжелыми металлами, а в степи их концентрации существенно ниже [5].

Материалы и методы. В данной работе анализируются более полные результаты эколого-биогеохимического обследования естественных и антропогенно преобразованных фитоценозов степной зоны, расположенной в границах Самарской области. Исследования осуществлялись в период с 1991 по 2005 год по общепринятым в биогеохимии и почвоведении методикам. Количественное определение содержания тяжелых металлов и металлоидов осуществляли методом характеристического рентгеновского излучения (метод ХРИ, зарубежный аналог PIXE). По результатам количественного анализа была сформирована электронная база данных, материалы которой впервые в полном объеме использовали для подготовки этой работы. Ее результаты могут стать основой для современных эколого- биогеохимических исследований в степи Самарской области.

Результаты исследования и их обсуждение. В таблице 1 представлены результаты статистической обработки количественных данных о содержании тяжелых металлов и металлоидов в почвенном покрове степных ландшафтов Самарской области. Ранее в таком полном виде эти данные не публиковались. Средние арифметические показатели можно считать фоновыми для степных почв региона.

Таблица 1 Среднее содержание металлов и металлоидов в почвах степи в Самарской области, мг/кг воздушно-сухой почвы

В соответствии с этими фоновыми показателями эколого-геохимические особенности почвенного покрова степного ландшафта Самарской области отражает следующий элементный ряд: Fe>Ti>Mn>Sr>Zr>Cr>Rb>V>Zn>Cu>Y>Ni> Se>Co>Nb>As>Pb>Br>Mo.

При сравнении лесостепного и степного типов ландшафтов была выявлена очень резкая геохимическая дифференциация почвенного покрова, проявляющаяся в характере накопления и рассеивания тяжелых металлов. Для почв степи в Самарской области характерен следующий геохимический индекс, отражающий специфику распределения большей части изучаемых элементов, относительно фоновых показателей для Самарской области в целом.

Rb (1,19)

Fe (1,05) Ti (1,02) Sr (1,02) Cu (0,99)  

Mn (0,83) Cr (0,81) V (0,80) Co (0,79) Pb (0,68) Zn (0,60) Ni (0,52)

Качественный характер геохимического рассеивания в почвенном покрове степного ландшафта указывает, с одной стороны, на ослабленное влияние техногенного загрязнения, а с другой стороны, на способность этого ландшафта к самоочищению, определяемую комплексом природных и техногенных факторов, сложившимся на территории Самарской области к настоящему времени [5].

Степной тип ландшафта сам по себе неоднороден, но геохимическая дифференциация здесь выражена гораздо слабее, чем в лесостепи. Ниже приведены геохимические индексы трех основных подтипов степных ландшафтов, выделяемых в границах Самарской области по классификации Е.М. Лавренко [6], это – подзоны степной зоны.

Почвы непосредственно примыкающей к лесостепному ландшафту богаторазнотравно- типчаково-ковыльной степи, вопреки ожиданиям, демонстрируют совсем иную картину накопления и рассеивания тяжелых металлов. Геохимические черты лесостепного ландшафта просматриваются только по группе фоновых элементов – это Fe, Sr, Ti. Определенные черты своеобразия в геохимическую структуру почв рассматриваемой подзоны привносят Cu и Rb. Слабо накапливаются в них только V и Cr с относительными концентрациями 1,13 и 1,12 соответственно, рассеиваются – Co, Mn, Ni, Pb, Zn, среди которых в наибольшей степени – Pb и Zn. Нет очевидного сходства и с лугово-степными ландшафтами лесостепи.

Богаторазнотравно-типчаково-ковыльные степи

V (1,13) Cr (1,12)

Cu (1,07) Ti (1,02) Rb (1,02) Sr (1,01) Fe (0,95)                                                                                                                              

Co (0,86) Mn (0,83) Ni (0,80) Pb (0,74) Zn (0,60)

Разнотравно-типчаково-ковыльные степи

Rb (1,23)

Fe (1.06) Sr (1,01) Ti (0,99) Cu (0,96)                                                                                                                                                                  

Mn (0,87) Pb (0,78) Co (0,74) Cr (0,69) V (0,63) Zn (0,61) Ni (0,44)

Типчаково-ковыльные степи

Rb (1,33) Fe (1,13)

Ti (1,05) Sr (1,03) Cu (0,93)                                                                                                                                                                   

Cr (0,89) Mn (0,78) Co (0,78) Zn (0,63)V (0,62) Pb (0,50) Ni (0,32)

В почвах разнотравно-типчаково-ковыльной степи слабо накапливается только один элемент – Rb; заметно рассеиваются по сравнению с региональным фоном – Mn, Pb, Co, Cr, V, Zn, Ni. Концентрации Fe, Sr, Ti, Cu близки к фоновым показателям. На крайнем юге области в почвах сухих типчаково-ковыльных степей к накапливающимся элементам, кроме Rb, добавляется Fe, хотя его концентрация весьма незначительно превышает фон. В группе близких к фону элементов остаются только три – Ti, Sr, Cu; остальные – рассеиваются, причем наиболее значительно Pb и Ni.

Установлено, что в трех изученных подтипах степного ландшафта чрезвычайно равномерно распределяются Ti, Sr, Zn, Co, Mn и Cu, концентрация которых здесь не превышает региональный фон или существенно уступает ему, причем для Sr и Ti эта равномерность и близость к фону характерна для всего левобережья Самарской области. В лесостепных ландшафтах региона Cu, Zn, Ni и Co заметно накапливаются.

В структуре степного ландшафта, кроме подзон, мы можем выделить собственно степные ненарушенные ландшафты, ландшафты байрачных лесов и лесов речных долин, а также преобладающие по площади агроландшафты. Как следует из анализа их геохимических индексов, латеральная геохимическая дифференциация ненарушенных степных участков довольно близка к агроландшафтам, в том числе и значениями относительных концентраций большинства элементов. Ландшафты байрачных и долинных лесов заметно аккумулируют Cr, V и Co. Группа элементов, близких к фону, достаточно сходна у всех трех сравниваемых степных ландшафтов.

Степные открытые ландшафты в составе степи

Ti1,13

Fe1,06 Sr1,05 Rb0,96                                                                                                                                                              

Mn0,84 V0,78 Co0,77 Cr0,75 Ni0,68 Zn0,60 Pb0,54 Cu0,48

Лесные ландшафты в составе степи

Cr2,75 V1,57 Co1,52

Sr0,98 Ti0,95 Mn0,9                                                                                                                         

Fe0,7 Rb0,67 Ni0,63 Pb0,55 Cu0,39 Zn0,32

Агроландшафты в составе степи

Rb1,03 Fe1,02 Ti0,99 Sr0,96                                                                                                                                                     

Cr0,86 Mn0,84 V0,75 Co0,68 Pb0,6 Zn0,59 Ni0,53 Cu0,48

Для сравнительного анализа обычно используются конкретные концентрации элементов в изучаемых объектах, в данном случае в почвах. В таблице 2 представлены средние концентрации тяжелых металлов и металлоидов в почвах степных агроландшафтов (Агроландшафты), ненарушенных степных ландшафтов (Целинная степь), а также пойменных и байрачных лесов в степи (Лес в степи).

В природоохранном аспекте наиболее важными являются данные для почв целинных степных участков и почв лесов в степи. В целинных почвах более активно, чем в почвах агроландшафтов и леса аккумулируются Ti, Fe, Ni, Sr, примерно равные концентрации Cu и Zn выявлены в целинных почвах и почвах агроландшафтов.

Таблица 2 Среднее содержание тяжелых металлов и металлоидов в почвах разных ландшафтов в степи в Самарской области, мг/кг воздушно-сухой почвы

В почвах степных лесов более высокие концентрации были установлены для V, Cr, Mn, Co, Se. Здесь обращает на себя внимание очень высокая концентрация Cr, более чем в три раза превышающая его концентрации в целинных и аграрных почвах. Активное накопление Cr характерно для лесных фитоценозов Самарской области в целом. Почвы агроландшафтов характеризуются более высокими концентрациями As, Rb, Pb.

Как следует из рисунка 1, в качестве элементов биологического накопления для индикаторных видов выделяются Cu, Zn, Co, V, Mn, Ni, Pb, хотя по отношению к Mn, V, Pb типичные степные виды имеют существенные различия: Festuca valesiaca их накапливает (Ax>1), а Stipa pennata – захватывает (Ax<1). С типичными лесостепными видами они сходятся по активной фитоаккумуляции Cu, Zn, Co, V, Mn, Ni, но Ax у них заметно ниже. Для степных растений характерен более широкий набор элементов биологического захвата, особенно для Stipa. Обращает на себя внимание активное накопление Cu, что особенно характерно для Festuca.

Рисунок 1. Биогеохимические спектры коэффициентов биологического поглощения тяжелых металлов (Ax) для индикаторных видов растений целинных степей Самарской области.

От общих закономерностей накопления тяжелых металлов и металлоидов растениями в степи перейдем к анализу количественных показателей металлоаккумуляции конкретных степных видов (таблица 3).

Наиболее активным аккумулятором тяжелых металлов проявила себя Festuca valesiaca. В ее фитомассе были выявлены максимальные концентрации Ti, Mn, Fe, Zn, As, Se, Cd, Pb. Salvia tesquicola активнее других степных видов аккумулировал Cr, Co, Cu, Sr; Artemisia austriaca – V, Rb; Verbascum lychnitis – только Ni. Stipa pennata отличался минимальными и средними концентрациями изучаемых элементов. Для него можно отметить достаточно высокую концентрацию Ti, но существенно уступающую Festuca valesiaca (таблица 3).