ECOLOGICAL CHARACTERISTICS OF SOIL QUALITY OF ROADSIDE AREAS USED FOR GROWING CROPS

Full Text

Введение Общая площадь территории Оренбургской области составляет 123,7 тыс. км2, из которых земли сельскохозяйственных угодий составляют 10 576,6 тыс. га. Это приблизительно 88% территории, в структуру которой входит пашня (≈ 56,5%), многолетние насаждения (≈ 0,2%), сенокосы (≈ 6,5%), пастбища (≈ 36,8%) [6]. Высокоплодородные почвы, распространенные в регионе, определяют основное направление сельского хозяйства - земледелие. Причем 70% посевных площадей занято под зерновые культуры, главная из которых - пшеница, как озимая, так и яровая, в том числе твердых сортов, которая дает высококачественное зерно для выработки муки высшего сорта. Кроме этого выращивают рожь (ози-мую), ячмень (озимый, яровой), овес, гречиху, просо, кукурузу (зерно, корм), нут, подсолнечник (зерно, силос), сахарную свеклу, рапс (яровой), картофель, тыквы, арбузы, дыни, ягоды, однолетние и многолетние травы. Земли сельскохозяйственного назначения имеют особый правовой режим и подлежат особой охране. Они неоднородны по своему составу, и в соответствии со статьей 77 ЗК РФ подразделяются на сельскохозяйственные угодья (к ним относятся сельскохозяйственные угодья и особо ценные про-дуктивные сельскохозяйственные угодья) и несельскохозяйственные угодья - это земли, занятые внутрихозяйственными дорогами, коммуникациями, древесно-кустарниковой растительностью, предназначенной для обеспечения защиты земель от воздействия негативных (вредных) природных, антропогенных и техногенных явлений, замкнутыми водоёмами, а также зданиями, строениями, со-оружениями, используемыми для производства, хранения и первичной переработки сельскохозяй-ственной продукции [16]. Проблеме загрязнения окружающей среды выбросами от автомобильного транспорта и транс-портно-дорожного комплекса в целом посвящено достаточно большое количество публикаций. Осо-бое внимание уделяется урбанизированным территориям, где данный источник загрязнения является, как правило, приоритетным и может оказывать значительное влияние на здоровье населения [9; 14; 24]. Тенденция к увеличению удельного веса всех типов автомобильного транспорта на улично-дорожной сети приводит к нарастанию экологической нагрузки на придорожную территорию. Во-прос загрязнения почв прилегающих к дороге территорий тяжелыми металлами, нефтепродуктами, компонентами отработанных газов двигателей является предметом активного изучения [8; 15; 19; 23; 26]. Рассеивание выбросов от автотранспорта в зависимости от дисперсности частиц может происхо-дить на расстоянии от десяти, до сотен метров в случае отсутствия защитных лесополос [10; 11]. Увеличение концентраций тяжелых металлов в придорожных почвах может приводить к дол-госрочным экологическим последствиям. Анализ результатов биомоноторинга на различных придо-рожных территориях показывает накопление тяжелых металлов как во внутренних органах живых организмов [24], так и в тканях растений [1; 18], имеются данные о повреждении их ДНК [22]. В Оренбургской области в качестве земель для выращивания той или иной сельскохозяйствен-ной продукции нередко используются придорожные территории вдоль крупных магистралей, нахо-дящиеся в зоне их техногенного воздействия, т. е. происходит использование земель транспорта не по их целевому назначению. Зачастую это полоски земли, расположенные между автодорогой и ле-сополосой, где аккумулируется основная масса автотранспортных выбросов. Актуальным является мониторинг придорожного загрязнения, выявление приоритетных поллютантов, которые могут быть опасными для здоровья человека в результате миграции по пищевым путям [2; 21]. Такие исследования позволят предотвратить возможность засева загрязненных почв сельскохо-зяйственными культурами [3; 20]. Целью работы являлось определение содержания валовых и особо опасных подвижных форм тяжелых металлов в почвах придорожных территорий, используемых для выращивания различных сельскохозяйственных культур. Общая характеристика объектов исследования Наибольшую опасность представляют тяжелые металлы автотранспортного происхождения, ко-торые попадают на поверхность почвы придорожной территории в результате сухого осаждения и вымывания осадками. Большая часть из них включается в процессы почвообразования и поглощается растениями, в результате чего вдоль автомобильных дорог формируются геохимические аномалии тяжелых металлов [7; 12]. Первым объектом было выбрано ячменное поле, располагающееся вдоль трассы, соединяющей Саракташ и Кувандык, в непосредственной близости от села Зиянчурино. Пробы почв отбирались на расстоянии 3 метров от дорожного полотна - это кромка засеянного поля, и далее на расстоянии 20 и 40 метров от края дороги вдоль трассы. Вторым объектом исследования было пшеничное поле, расположенное вдоль трассы Оренбург-Орск, в трех километрах от села Лылово. Почвенные образцы отбирались с шагом в 10 метров на рас-стоянии 6, 16, 26 и 36 метров от дорожного полотна. Поля с одной стороны ограничены дорожным полотном, а с другой лесополосой. Методы исследования Пробы отбирали согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы (ССОП). Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа». Исследования по определению тяжелых металлов в почве проводили в испытательном центре ФГБНУ ФНЦ «Биологических систем и агротехнологий РАН». Содержание тяжелых металлов опре-деляли по ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.78-2013 «Методика измерений массовой доли подвижных форм ме-таллов: меди, цинка, свинца, кадмия, марганца, никеля, кобальта, хрома в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод методом пламенной атомно-адсорбционной спектромет-рии»; ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.36-2002 «Методика измерений валового содержания меди, цинка, свин-ца, кадмия, марганца, никеля в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод мето-дом пламенной атомно-адсорбционной спектрометрии». Для оценки экологического состояния почв использовали суммарный показатель химического загрязнения (Zc) [4]: , где - коэффициент концентрации -го загрязняющего компонента, представляющий собой частное от деления массовой доли -го вещества в загрязненной и «фоновой» почве для тяжелых металлов. Расчет коэффициента концентрации проводили относительно фоновых значений содержания тяжелых металлов в почвах, представленных в таблице 3. Более значимым является экотоксикологический показатель качества почв, представляющий собой отношение концентрации полютанта к его предельно допустимому значению: Эс = Сi/ПДК, где Сi - концентрация i-примеси в почве, мг/кг, ПДК - предельно допустимая концентрация i-примеси в почве, мг/кг. Так как почвы загрязняются веществами, различными по своей токсичности, то для их экоток-сикологической характеристики использовали кратность превышения ПДК конкретного загрязняю-щего вещества, дифференцированно для веществ различных классов опасности (Чекмарева и др. 2015). При этом оценка экологического состояния почв осуществлялась по величинам критериев, представленных в таблице 1 [13]. Таблица 1 Критерии оценки степени химического загрязнения почвенного покрова Показатели Экологическое бедствие Чрезвычайная эколо-гическая ситуация Относительно удовлетво-рительная ситуация Суммарный показатель химического загрязнения почв, Zс >128 32-128 <16 Превышение ПДК хим. веществ в поч-ве: I класса опасности, Э1 II класса опасности, Э2 III класса опасности, Э3 >3 >10 >20 2-3 5-10 10-20 <1 <1 <1 Результаты исследований В отобранных образцах почв определяли содержание следующих тяжелых металлов: кадмий, цинк, свинец, марганец, железо, медь, хром, кобальт, никель. Результаты, полученные в ходе хими-ческого анализа, представлены в таблицах 2 и 3. Исходя из представленных данных, можно сделать вывод, что в основной массе проб концен-трации металлов уменьшаются при увеличении расстояния от дорожного полотна в среднем в 1,1-2 раза, что свидетельствует о влиянии автодорожного комплекса на их содержание в почве. Максимальное процентное содержание подвижных форм от валового количества в почвах, отобранных вдоль трассы Саракташ-Кувандык, наблюдается по кадмию и составляет 9-17%. По мар-ганцу данный показатель изменяется в пределах 8,9-10 %, а по свинцу 2,9-5%. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в почве придорожной территории трассы Саракташ-Кувандык Расстояние, м Концентрация, мг/кг Cd Zn Pb Mn Fe Cu Cr Co Ni Подвижная форма 3 0,21 1,20 1,50 58,7 1,20 0,60 0.23 0,27 1.10 20 0,27 0,60 0,70 69,7 3,70 0,67 0,24 0,37 0,80 40 0,31 0,80 0,71 46,2 0,85 0,31 0,16 0,29 1.10 Валовая форма 3 2,30 72,0 30,0 660 35500 33,0 69,0 20,0 90,0 20 2,0 59,0 24,0 690 30000 34,0 67,0 19,0 92,0 40 1,80 54,0 23,0 519 26500 29,0 54,0 15,0 70,0 Таблица 3 Содержание тяжелых металлов в почве придорожной территории трассы Оренбург-Орск Расстояние, м Концентрация, мг/кг Cd Zn Pb Mn Fe Cu Cr Co Ni Подвижная форма 6 0,36 3,20 1,90 54,4 2,10 0,65 0.54 0,15 0,87 16 0,12 2,70 2,20 49,2 2,30 0,61 0,32 0,28 0,74 26 0,13 1,70 2,40 47,3 2,00 0,49 0,27 0,23 0.62 36 0,14 1,70 1,20 50,7 2,60 0,32 0,21 0,42 0,75 Валовая форма 6 3,30 108 33,0 690 36500 113 60,0 19,0 58,0 16 2,90 85,0 25,0 625 33700 110 56,0 20,0 42,0 26 2,10 73,0 25,0 573 32600 66,0 59,0 20,0 47,0 36 2,50 74,0 29,0 555 27100 76,0 52,0 16,0 44,0 фон 0,25 39,9 10,4 551,2 22607 18,5 44,4 10,3 50,6 В почвенных образцах, отобранных в придорожной зоне трассы Оренбург-Орск, наблюдается обратная зависимость. Наибольший процентный вклад в загрязнение почв подвижной формой отно-сительно валового содержания вносит свинец (5,7-11,5%), далее идут марганец (7,9-9%) и кадмий (4-10%). Проведенный нами расчет коэффициентов концентраций валового содержания тяжелых метал-лов в почвах показал, что наибольшие значения Кс, равные 8,4-13,2, наблюдаются по кадмию во всех точках отбора проб. В почвах, отобранных в придорожной территории трассы Саракташ-Кувандык, среди металлов I класса опасности наибольшее превышение фона также наблюдается по свинцу (2,9-2,2 раза). В почвенных пробах, отобранных вдоль трассы Оренбург-Орск, существенное превышение фона по меди и свинцу составляет 3,57-6,1 и 2,4-3,18 соответственно (табл. 4). Таблица 4 Коэффициенты концентраций тяжелых металлов в почве Расстояние, м Коэффициент концентрации КCd КZn КPb КMn КFe КCu КCr КCo КNi Zc Саракташ-Кувандык 3 9,20 1,80 2,90 1,20 1,57 1,78 1,55 1,93 1,77 23,7 20 8,00 1,48 2,36 1,25 1,33 1,84 1,51 1,83 1,82 21,4 40 7,20 1,35 2,21 0,94 1,17 1,57 1,22 1,45 1.38 18,5 Оренбург-Орск 6 13,2 2,71 3,18 1,25 1,61 6,10 1,35 1,83 1,14 32,4 16 11,6 2,13 2,41 1,13 1,49 5,90 1,26 1,93 0,83 28,7 26 8,40 1,83 2,41 1,04 1,44 3,57 1,32 1,93 0,93 22,9 36 10,0 1,85 2,79 1,01 1,20 4,11 1,17 1,54 0,87 24,5 Согласно показателю химического загрязнения (ПХЗ) почв и критериям, приведенным в таб-лице 1, всю исследуемую придорожную территорию можно отнести к зоне с критической экологиче-ской ситуацией, а территорию на расстоянии 6 метров от дорожного полотна трассы Оренбург-Орск - к зоне с чрезвычайной экологической ситуацией. При значениях ПХЗ от 16 до 32 почва относится к умеренно опасной категории загрязнения и может использоваться для выращивания сельскохозяйственных культур только при строгом контроле качества продукции растениеводства. А если этот показатель превышает 32, то почва относится к вы-соко опасной категории загрязнения и не может использоваться для выращивания культур, применя-емых для получения продуктов питания или идущих на корм скоту. В нашем случае это пшеничное поле, и по всей видимости конечным продуктом будет являться мука и производимые из нее продук-ты питания. Анализ полученных данных экотоксикологического показателя, дифференцированно для ве-ществ различного класса опасности, показал, что если по валовому содержанию металлов II и III классов опасности наблюдается критическая экологическая ситуация, то по металлам I класса опасно-сти - чрезвычайная, за исключением территории на расстоянии 6 и 16 метров от дорожного полотна трассы Оренбург-Орск, где складывается зона экологического бедствия (табл. 5, 6). Таблица 5 Значение экотоксикологического показателя качества почв трассы Саракташ-Кувандык Расстояние, м Значения Эс для тяжелых металлов различных классов опасности I класса опасности II класса опасности III класса опасности Cd Zn Pb ЭI Cu Сr Co Ni ЭII Mn Fe ЭIII Подвижная форма 3 1,05 0,05 0,25 1,35 0,2 0,04 0,05 0,27 0,56 0,42 1.57 1,99 20 1,35 0,03 0,12 1,50 0,22 0,04 0,07 0,20 0,53 0,50 1,33 1,83 40 1,55 0,03 0,12 1,70 0,10 0,03 0,06 0,27 0,46 0,33 1,17 1,50 Валовая форма 3 1,15 0,72 1,00 2,87 0,60 0,69 1,25 1,06 3,60 0,44 1,42 1,86 20 1,00 0,59 0,80 2,39 0,62 0,67 1,19 1,08 3,56 0,46 1,20 1,66 40 0,90 0,54 0,77 2,21 0,53 0,54 0,94 0,82 2,83 0,35 1,06 1,41 Таблица 6 Значение экотоксикологического показателя качества почв трассы Оренбург-Орск Расстояние, м Значения Эс для тяжелых металлов различных классов опасности I класса опасности II класса опасности III класса опасности Cd Zn Pb ЭI Cu Сr Co Ni ЭII Mn Fe ЭIII Подвижная форма 6 1,80 0,14 0,32 2,26 0,22 0,09 0,03 0,22 0,56 0,39 1,99 16 0,60 0,12 0,37 1,09 0,20 0,05 0,06 0,18 0,49 0,35 1,83 26 0,65 0,07 0,40 1,12 0,16 0,04 0,05 0,15 0,40 0,34 1,50 36 0,70 0,07 0,2 0,97 0,11 0,03 0,04 0,19 0,37 0,36 Валовая форма 6 1,65 1,08 1,1 3,83 2,05 0,6 1,19 0,68 4,52 0,46 1,46 1,92 16 1,45 0,85 0,83 3,13 2,0 0,56 1,25 0,49 4,3 0,42 1,35 1,77 26 1,05 0,73 0,83 2,61 1,2 0,59 1,25 0,55 3,59 0,38 1,3 1,68 36 1,25 0,74 0,97 2,96 1,38 0,52 1,00 0,52 3,42 0,37 1.1 1,47 Выводы Исходя из полученных данных, наихудшая экологическая ситуация наблюдается по металлам I класса опасности. Лишь в одной из отобранных нами проб почв не наблюдается превышения ПДК по валовому содержанию кадмия. На сегодняшний день загрязнение почв кадмием является одной из опасных экологических проблем, так как растения способны накапливать его выше нормы даже при незначительном загрязнении почв. Исследования показали, что кадмий является приоритетным ме-таллом, как по коэффициенту концентрации, так и по экотоксикологическому показателю качества почв. В непосредственной близости от дорожного полотна (3, 6 м) наблюдается также превышение ПДК валовой формы свинца. Из металлов II и III классов опасности значения ПДК валовых форм превышены по кобальту и железу во всех точках отбора проб. Анализ экологического состояния исследуемых придорожных зон показал, что по валовой форме содержания наиболее токсичных металлов, относящихся к I классу опасности, их можно отне-сти к зонам с чрезвычайной экологической ситуацией и зонам экологического бедствия. Согласно данным, приведенным в госдокладе «О состоянии и об охране окружающей среды Оренбургской области в 2017 году», придорожная территория трассы Оренбург-Орск относится к землям транспорта, и в результате мониторинговых исследований снеговой воды там было выявлено, что содержание почти всех тяжелых металлов и микроэлементов значительно превышает ПДК. В смешанных образцах почв превышение ПДК практически отсутствует, что свидетельствует о высокой миграционной способности загрязняющих элементов по профилю почв и аккумуляции растениями. Установлено, что придорожные лесополосы являются частью естественного биогеохимического барь-ера и значительно снижают концентрацию загрязняющих элементов, препятствуя их распростране-нию [5]. Исходя из этих выводов, в придорожных зонах, ограниченных лесополосами, идет интенсив-ное загрязнение воздушной среды и почв тяжелыми металлами, но в результате их поглощения рас-тениями почвы самоочищаются. Следовательно, исследуемые нами придорожные территории не должны использоваться для выращивания сельскохозяйственных культур, идущих на изготовление продуктов питания и корм скоту.

About the authors

M. Y. Gаritskaya

Orenburg State University

PhD

T. N. Kholodilina

Orenburg State University

Ph.D.

M. S. Baranova

Orenburg State University

References

Supplementary files