Введение
В последнее время тяжелые металлы как поллютанты окружающей среды стали представлять объект научного интереса многих естествоиспытателей, экологов и геологов. Появилось огромное количество исследований, подтверждающих увеличение содержания тяжелых металлов в почвах в связи с ростом объемов промышленного производства [1,3,4,6]. Мониторинг почв Ульяновской области приобретает все большую актуальность в связи с загрязнением среды обитания человека, ухудшением качества продовольственной продукции, снижением уровня общественного здоровья. Именно почвы служат базовым фундаментом всей биосферы и показателем экологического благополучия региона. Многие тяжелые металлы, содержащиеся в почвах, обнаруживаются в сельскохозяйственных культурах, во внутренних средах организма человека и животных (волосах, крови, эпителии, ногтях) [5]. Механизмами миграции тяжелых металлов являются генетически и экологически обусловленная аккумуляция химических элементов растениями, а также способность грунтовых, сточных вод и атмосферных масс вовлекать почвенные частицы в круговорот веществ.
Содержание тяжелых металлов в почвах обусловлено главным образом факторами почвообразования: материнской породой, климатом, рельефом, растительностью. В последние десятилетия антропогенный фактор занимает все большую позицию в загрязнении компонентов биосферы тяжелыми металлами [2]. Значительная часть рассеянных в атмосфере веществ накапливается в поверхностных слоях почвы и нарушает естественный баланс химических веществ. Последствиями этого становятся измененные физиологические процессы в живых организмах [4,5]. В связи с этим контроль за состоянием почв приобретает все большую значимость в рамках мероприятий по охране окружающей среды и здоровья человека.
Целью настоящего исследования явилась оценка содержания в пахотных почвах Ульяновской области тяжелых металлов: свинца (Pb), кадмия (Cd), меди (Cu), цинка (Zn), никеля (Ni).
Материал и методы исследования
Объектами исследования явились пахотные почвы Ульяновской области, отобранные в 21 административном районе за период с 1995 по 2011 г. Ульяновская область находится на юго-востоке Европейской части России, в Среднем Поволжье. Область расположена в зонах лесостепи и широколиственных лесов. Почвенный покров в основном представлен выщелоченными черноземами и серыми лесными почвами, реже встречаются тучные черноземы.
Отбор почвенных образцов осуществлялся с помощью саперной лопатки методом прикопок. Подготовка пробы проводилась традиционными методами. В почвенных образцах было определено содержание тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu, Zn, Ni) методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной и беспламенной атомизацией на атомно-абсорбционном спектрофотометре (ААС). В исследуемых образцах также было определено содержание гумуса по методу Тюрина и значения кислотности почв потенциометрически.
Статистическая обработка данных выполнена с помощью программы MicrosoftExcel 2007 для Windows 7.
Результаты и их обсуждение
Степень аккумуляции тяжелых металлов почвами определяется основными агрохимическими свойствами почв и объемом загрязняющих веществ, образующихся в результате производственно-хозяйственной деятельности района, а также прилегающих городов и областей. Обладая высокой катионной поглотительной способностью, почвы прочно удерживают положительно заряженные ионы металлов. В связи с этим постоянное их поступление даже в низких концентрациях приводит к значительному накоплению металлов в слоях почвы.
В результате исследования выявлено, что на территории трех районов зафиксировано превышение ПДК по двум тяжелым металлам: в Сенгилеевском (Cd, Pb), в Мелекесском (Cd, Ni), в Сурском (Cd, Ni) (рис. 1).
Рис. 1. Административные районы Ульяновской области, в которых зафиксировано превышение ПДК по ряду тяжелых металлов
Загрязнение почв этих территорий может иметь следующие причины. В Сенгилеевском районе имеются залежи полезных ископаемых: кварцевых и строительных песков, мергеля, мела, которые стали основой для строительства на его территории предприятий по производству строительных материалов. Отходы и выбросы данного производства существенным образом повлияли на состояние окружающей среды, в том числе и почвенного покрова. Сопутствующим фактором любой индустрии явилось развитие автотранспортного узла, который в свою очередь обогащает элементы ландшафта свинцом, содержащегося в выхлопных газах двигателей. Экономика Сурского района базируется на сельском хозяйстве, инструментом которого служат фосфатные удобрения. Входящий в их состав кадмий в виде примесей стал представлять угрозу для экологической безопасности почв и культурных растений. Основную техногенную нагрузку на природную среду Мелекесского района создали производства нетканого полотна и синтетических волокон, шелковых и шерстяных тканей, дорожно-транспортная сеть, сельское хозяйство, а также находящиеся вблизи научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) и Димитровградский автоагрегатный завод (ДААЗ). Их функционирование усилило накопление тяжелых металлов в пахотных почвах. На территории Мелекесского района концентрация кадмия, никеля превосходит предельно-допустимые значения, повышено средневзвешенное содержание цинка и меди (табл.1).
Таблица 1
Средневзвешенное валовое содержание тяжелых металлов (мг/кг почвы) в административных районах Ульяновской области
Название района |
Pb |
Cd |
Zn |
Cu |
Ni |
Б.Сызганский |
32,30 |
0,51 |
55,15 |
33,02 |
20,08 |
Барышский |
32,09 |
0,51 |
55,47 |
33,30 |
20,41 |
Вешкаймский |
32,53 |
0,52 |
55,44 |
33,00 |
21,10 |
Инзенский |
33,67 |
0,52 |
55,82 |
33,20 |
21,45 |
Карсунский |
33,06 |
0,51 |
56,14 |
33,06 |
20,04 |
Кузоватовский |
32,26 |
0,51 |
55,45 |
33,17 |
22,33 |
Майнский |
32,62 |
0,53 |
55,17 |
33,63 |
20,35 |
Мелекесский |
32,28 |
0,54 |
56,01 |
34,34 |
20,48 |
Николаевский |
32,35 |
0,50 |
55,00 |
33,00 |
20,04 |
Новомалыклынский |
32,30 |
0,53 |
55,13 |
33,13 |
20,21 |
Новоспасский |
33,00 |
0,50 |
56,35 |
34,06 |
20,85 |
Павловский |
32,44 |
0,58 |
55,41 |
33,05 |
20,02 |
Радищевский |
34,01 |
0,54 |
55,51 |
33,05 |
20,00 |
Сенгилеевский |
32,98 |
0,58 |
55,16 |
33,08 |
20,02 |
Старокулаткинский |
34,27 |
0,57 |
55,23 |
34,00 |
20,07 |
Старомайнский |
34,08 |
0,52 |
55,50 |
33,47 |
20,42 |
Сурский |
32,38 |
0,53 |
55,40 |
33,27 |
21,95 |
Тереньгульский |
32,12 |
0,53 |
55,05 |
37,17 |
20,17 |
Ульяновский |
34,24 |
0,51 |
55,07 |
33,12 |
20,12 |
Цильнинский |
32,04 |
0,51 |
56,61 |
36,64 |
20,56 |
Чердаклинский |
32,02 |
0,51 |
56,28 |
33,10 |
20,87 |
В ряде районов превышения ПДК составило только по одному металлу, что подтверждает наличие антропогенной нагрузки на природную среду, но не исключает ее. Избыточное содержание кадмия обнаружилось в Карсунском, Майнском, Николаевском и Старокулаткинском районах, а никеля – в Инзенском, Кузоватовском, Новоспасском, Чердаклинском. Загрязнение данных административных единиц происходит главным образом по причине близкого расположения их к источникам образования выбросов и отходов. Карсунский район подвергается воздействию производств Сурского района, а Майнский находится в радиусе загрязнения, исходящего от г. Ульяновска. В Николаевском районе существует множество факторов техногенного загрязнения почв соединениями кадмия. К ним относятся переработка строительного сырья, выбросы от транспорта, проходящего по дорогам федерального значения, а также предприятия обслуживания нужд сельского хозяйства и транспорта. Большинство земель Старокулаткинского района подвергается воздействию сельскохозяйственного комплекса, в результате которого происходит повышенное накопление кадмия в пахотных почвах. Крупный железнодорожный Инзенский узел и диатомовый комбинат оказывают сильное влияние на окружающую среду в виде отходов, содержащих никель. В Новоспасском районе развито производство стройматериалов и лежит крупная железная дорога Москва – Самара – Дальний Восток и автодороги: Москва – Челябинск, Ульяновск – Саратов. Кузоватовский район специализируется на сельском хозяйстве, в связи с чем и формируются особые условия для накопления тяжелых металлов. Повышенное содержание никеля в почвах Чердаклинского района объясняется быстрыми темпами роста производства мебели, транспортных средств, оборудования.
Относительно чистыми в плане содержания металлов в почвах можно назвать Базарносызганский, Барышский, Новомалыклинский районы. В них не отмечено превышение ПДК по тяжелым металлам, а также их средневзвешенные концентрации самые низкие по области.
Превышения ПДК по меди, цинку не было зафиксировано ни в одном из районов области.
Оценивая экологическую ситуацию области, необходимо прибегать к комплексному подходу. С такой целью рассматривалось средневзвешенное содержание кадмия, цинка, меди, никеля по каждому району. По результатам обследований максимальное по области средневзвешенное содержание одновременно трех-четырех тяжелых металлов было зафиксировано в Новоспасском, Старокулаткинском, Инзенском, Цильнинском районах. Этот факт является показателем напряженности эколого-хозяйственного состояния территорий и требует разработки профилактических мероприятий.
Помимо техногенных факторов, на элементный состав почв оказывают влияние рельеф, гуминовые и фульвокислоты. Соединения тяжелых металлов довольно активно связываются с органическим веществом почвы. Это подтверждается их положительной корреляцией с содержанием гумуса в пахотных почвах. Подземные и речные воды, благодаря рельефу области, играют важную роль в перераспределении тяжелых металлов и загрязнением ими почв. Характерное общее понижение рельефа с востока на запад обуславливает направление их течения. Этим объясняется уменьшение содержания тяжелых металлов в восточной части области.
Заключение
На территории Ульяновской области превышение пределов допустимых концентраций наблюдалось в Сенгилеевском, Мелекесском, Сурском, Карсунском, Майнском, Николаевском, Старокулаткинском, Инзенском, Кузоватовском, Новоспасском, Чердаклинском районах. Эти превышения носят локальный характер, но тем не менее могут негативно отразиться на состоянии здоровья длительно проживающего в данной местности населения и вызвать заболевания эндокринной, нервной и костно-мышечной систем. Основными источниками тяжелых металлов в Ульяновской области являются транспорт, машиностроение, производство строительных материалов, базирующееся на природных ресурсах области, минеральные удобрения, поэтому загрязненные участки часто расположены вблизи городов и районных центров.
В связи с этим необходимо более частое агрохимическое обследование пахотных почв загрязненных территорий, а также выполнение мероприятий по очищению почв или закреплению тяжелых металлов в почвенных горизонтах.
Рецензенты:
Бабинцева Роза Михайловна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесного хозяйства ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск.
Благовещенский Иван Викторович, доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и биоэкологи ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск.