Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

В результате интенсивного воздействия антропогенного фактора во многих регионах мира, где сильно развиты промышленность и сельское хозяйство, происходят эволюция, изменение морфогенетических особенностей, экологии почвенного покрова, в частности изменение его химических и физических свойств и минерального состава. Содержание тяжелых металлов (железа, марганца, молибдена, меди, цинка, кобальта) в почвах свидетельствует о недостаточной их концентрации для растений. Однако было установлено, что увеличение концентрации ртути, свинца, мышьяка, никеля, хрома в почве оказывает токсичное воздействие на микроорганизмы и растения [1, 2]. В частности, накопление тяжелых металлов в плодородном пахотном слое и нижних горизонтах орошаемых земель, на которых интенсивно выращиваются сельскохозяйственные культуры, приводит к снижению количества и качества продукции, а также уровня плодородия почв.

Во многих исследованиях обосновано, что загрязнение почв тяжелыми металлами оказывает разное влияние на качество и количество урожая сельскохозяйственных культур. Исследованиями установлено, что тяжелые металлы поступают из материнской породы, с оросительной водой, техногенными выбросами и минеральными удобрениями. Согласно исследованию, постоянное повреждение посевов растений, выращиваемых для питания, снижает уровень плодородия почвы и приводит к эрозионным процессам [3, 4].

Применение микроудобрений на агрохимическом минеральном фоне может оказать существенное влияние на плодородие почвы и рост, развитие растений. С. Саттаров и иные доказали, что основное внимание уделяется управлению подвижными величинами [5]. В работах Е.К. Кругловой, М.М. Алиевой и других было доказано, что микроэлементы, такие как Co, Zn, Mn, не могут быть заменены другими элементами и занимают особое агрохимическое место в росте и развитии хлопчатника, пшеницы и других культур в условиях Узбекистана [6]. По этой причине одним из основных показателей антропогенного давления в почве считается уровень содержания тяжелых металлов, что ставит задачу оценки их количества. При этом необходимо исследование на примере сравнения орошаемых и залежных сероземов.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования были выбраны типичные староорошаемые сероземы конуса выноса Шахимардансая, сероземно-луговые и типичные сероземы на землях фермерских хозяйств «Иноятхон Шахноза», «Рахмонали Кенжаев», а также залежь типичных сероземов на территории ОАО «Мастона».

Полученные результаты были обработаны по методике системного подхода А.И. Перельмана и М.А. Глазовской. Элементный анализ почв был проведен в лаборатории активационного анализа института Ядерной физики АН РУз.

Результаты исследования и их обсуждение

Почвообразующие породы исследованной территории представляют собой умеренно окультуренные и средне окультуренные на пролювиальных и аллювиально-пролювиальных отложениях и лессовидных суглинках со средним и тяжелым механическим составом. Почвы по плотному остатку и по ионному составу – незасоленные типичные сероземы и сероземно-луговые, период их орошаемого земледелия составляет более 50–70 лет, в них в результате многолетнего полива образовались агроирригационные горизонты толщиной 0,7–0,8 м.

Гранулометрический состав залежи сероземов визуально соответствует легким и средним суглинкам. В профиле встречаются плотные гипсовые пятна, а начиная с поверхности – скелетно-каменистые. Эти почвы до переведения в залежь поливались пресной водой из вертикальной скважины.

Исследования показали, что в залежных почвах района конуса выноса Шахимардансая и орошаемых типичных сероземах Ферганского района имеются значительные запасы тяжелых металлов (As, Co, Cr, Ni, Zn и др.). Их аккумуляция приходится на пахотные слои. Отмечается, что миграция тяжелых металлов в грунтах и в почвах зависит от свойств почвы и грунта, которые определяют разнообразие геохимических условий. Установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) по тяжелым металлам в почве, но в условиях Узбекистана с учетом типов и подтипов почв требуются уточнение и разработка ПДК.

Кларк концентрации хрома на почвах мира по А.П. Виноградову составляет 200 мг/кг. В природных соединениях хром имеет валентность +3 и +6. В почвах значительная часть хрома находится в виде Cr+3. Большая часть Cr+3 содержится в хромитном минерале FeCr2O4, где со временем заменяет хрома Fe и Al, которые очень близки по геохимическим свойствам и ионным радиусам. По данным Кабата-Пендиас, Пендиас [7], миграция природных соединений хрома в материнских почвообразующих породах по почвенному профилю зависит от особенностей формирования почвы, в частности от гранулометрического состава и геохимического барьера в генетических горизонтах.

Цинк содержится в почве в основном в виде ионных соединений (Zn2+). Миграция цинка в почве зависит от содержания фосфора, образуя малорастворимые фосфатные минералы. Накопление цинка в почве можно объяснить значительным влиянием антропогенного фактора. В качестве биофильного компонента живых клеток цинк необходим всем живым организмам, так как он участвует в биохимических процессах, однако его содержание в организме выше нормы приводит к отравлению. Как известно, не все элементы равномерно распределяются по профилю почвогрунта [8]. Это относится и к тяжелым металлам, которые нами изучены, результаты анализа можно увидеть на приведенных ниже рисунках.

Миграция и аккумуляция мышьяка и тяжелых металлов в почвенно-геохимических профилях могут быть охарактеризованы геохимическими моделями, составленными из коэффициентов, отражающих фоновое геохимическое положение профиля в наиболее простых каскадных системах открытого и закрытого типа. Миграция и концентрация тяжелых металлов зависят от конкретной геохимической обстановки и классов водной миграции ландшафта, системы зон выщелачивания и геохимических барьеров, биогеохимической специализации растений.

В сероземном поясе юга Ферганы большое влияние на геохимические особенности ландшафта оказывает литогеохимическая специализация горных, пролювиальных и аллювиально-пролювиальных почвообразующих пород.

В целом сходные особенности распределения элементов, в том числе мышьяка и тяжелых металлов, присущи разным изученным нами почвам сероземного пояса. Ниже приведен ряд кларков концентрации (КК) элементов в этих почвах.

Можно предполагать, что значительное содержание мышьяка и тяжелых металлов в почвах разных ландшафтов обусловлено не только природным процессом, но и техногенным потоком растворенных и твердых веществ, приносимых с поливными водами и вносимых земледельцами. Эти и другие геохимические аномальные состояния требует тщательного изучения не только для целей сельского хозяйства, но для прогноза состояния экосистем в условиях техногенеза. Миграция веществ, макро- и микроэлементов в почвенно-геохимических профилях с сопряженными элементарными ландшафтами может быть охарактеризована кларками концентрации. Содержание микроэлементов в кларках концентрации приведено в таблице.

Из приведенных материалов видно, что КК сурьмы в генетических горизонтах изученных почв варьирует в пределах 2,5–39,0, причем более высокая концентрация соответствует староорошаемым типичным сероземам, что связано с влиянием антропогенного фактора. В залежах ее кларк концентрации составляет 2,9–6,6, но от кларка почв выше 2–6 раза.

Мышьяк представляет собой крайне опасный металлоид с переменной валентностью. В гидроморфных почвах повышается его подвижность, что негативно влияет на качество подземных вод [9].

КК мышьяка в изученных почвах варьирует в пределах 1,5–3,8, более высокая концентрация соответствует староорошаемым типичным сероземам и орошаемым сероземно-луговым почвам, что связано с генетическими особенностями типичных сероземов и гидроморфным режимом сероземно-луговых почв. В залежах кларк концентрации составляет 2,2–2,6, что в 2 раза выше, чем кларк почв.

Как ожидалось, после мышьяка на третьем место стоит КК цинка в генетических горизонтах староорошаемых типичных сероземов с показателями КК 0,7–2,2. В целом в пахотных слоях типичных сероземов по КК изученные элементы занимают следующий ряд: Sb > As > Zn > Co > Mn > Cr. В подпахотных горизонтах закономерность сохраняется, но относительно высокое.

В пахотных горизонтах сероземно-луговых почв тяжелые элементы по содержанию КК имеют следующий ряд: Sb > As > Zn > Co > Mn > Cr, тогда как в типичных залежных сероземах – Sb > As > > Zn = Co > Mn > Cr.

Глеевые барьеры орошаемых сероземно-луговых почв имеют следующие ряды КК: Sb > As > Co > Zn > Mn > Cr.

Такое расположение этих элементов по содержанию КК в изученных почвах связано с геохимическими свойствами элементов и почв.

Из приведенных данных видно, что в верхних генетических горизонтах почв и в геохимических барьерах наблюдается аккумуляция тяжелых металлов, что связано со способностью металлов образовывать сложные соединения с органическими веществами, содержащимися в почве, поэтому они аккумулируются в слоях, богатых гумусом. В подпахотных горизонтах наблюдается некоторое снижение содержания этих элементов относительно гумусного слоя, а в последующих горизонтах – дальнейшее увеличение в зависимости от геохимических свойств элемента и характера их проявления, типа биогеохимических барьеров.

Результаты исследования показали, что в староорошаемых типичных сероземах конус выноса мышьяк в среднем составляет 19,0 мг/кг, на сероземно-луговых почвах – 16,0 мг/кг, а на залежах – 13,0 мг/кг. Выяснилось, что тяжелых металлов, таких как Co, Cr, Mn, Zn, содержится в относительно большем количестве в залежных почвах. Это связано с биологической активностью и гумидокатными и аридонитными свойствами эфемерных и эфемероидных растений, распространенных в регионе.

Увеличение количества тяжелых металлов в почвенных разрезах наблюдается в верхних гумусных горизонтах и в геохимических барьерах, где мышьяка содержится 13,0–19,0 мг/кг, кобальта – 5,7–11,0 мг/кг, хрома – 34,0–68,0 мг/кг, марганца – 320,0–500,0 мг/кг, цинка – 69,0–77,0 мг/кг. Содержание сурьмы колеблется в пределах 6,0–17,0 мг/кг. Было отмечено резкое снижение содержания тяжелых металлов в нижних горизонтах почв и увеличение в глеевых барьерах, а также в карбонатно-гипсовых в сероземно-луговых почвах.

Также согласно результатам исследования отмечается, что при уменьшении высоты над уровнем моря количество биомикроэлементов в кларковых концентрациях в направлении от темного серозема > типичного серозема > светлых сероземов уменьшилось в виде Zn > Mn [8, 10]. Гидроморфизм в почвах и состояние залежей привели к сохранению порядка увеличения количества Zn → Mn на изученных почвах.

В изученных тяжелых металлах наибольшее количество приходится на долю Mn, Zn, Cr, что связано с их кларковыми содержаниями. В типичных сероземных почвах под воздействием орошения наблюдалось увеличение количества мышьяка в 3–3,8 раза по сравнению с почвенным кларком. Это связано с его содержанием в поливных водах и с применяемыми агротехническими мероприятиями, в частности внесением удобрений (рис. 1, 2).

Валовое содержание кобальта близко к почвенному кларку. В орошаемых типичных сероземах и сероземно-луговых почвах уровень Со колеблется в пределах 5,7–6,8 мг/кг в пахотном слое. По сравнению с литосферным кларком обнаружен, что кобальт в 2,6–3,2 раза меньше. В типичных и сероземно-луговых почвах содержание кобальта близко к норме, то есть к ПДК, а в залежах больше в 2 раза (рис. 1).

Содержание валового Cr и Mn в пахотных слоях было меньше, чем в почвенном кларке: в типичных орошаемых и сероземно-луговых почвах Cr 34,0–40,0 мг/кг, в залежах 68,0 мг/кг, а Mn в типичных орошаемых сероземах и сероземно-луговых почвах содержится 320–350 мг/кг, в залежах – 500 мг/кг. Что касается ПДК, его обнаружено в 3 раза меньше (рис. 1, 2).

Содержание цинка колеблется в пределах 69,0–72,0 мг/кг в типичных орошаемых сероземах и сероземно-луговых почвах, что в 2 раза больше, чем почвенного кларка. На залежных сероземах наблюдается почти в 3,4 раза больше, чем ПДК, в 1 раз меньше чем литосферного кларка (таблица, рис. 1).

Литосферный кларк сурьмы равен 0,5 мг/кг, а почвенный кларк – 1,0. Содержание Sb больше, чем в типичных староорошаемых сероземах, сероземно-луговых и залежных почв по сравнению с почвенным кларком (таблица, рис. 1), но эти показатели показывают, что они близки к допустимой норме в сероземно-луговых и залежах, а в староорошаемых типичных сероземов они выше в 3,8 раза.

Выводы

В районах, где проводились исследования, наблюдается значительное загрязнение почв отдельными тяжелыми металлами, что связано их с техногенно-транслокационной миграцией и аккумуляцией из оросительных вод конуса выноса Шахимардансая, а также влиянием водно-миграционно-аккумулятивных и антропогенных факторов в ведении сельского хозяйства.

Тяжелые металлы накапливаются больше в верхних горизонтах почве и дифференцируются вниз по профилю в определенной закономерности. Это состояние зависит от ряда свойств почв и грунта, то есть его обеспеченности гумусам и механического состава, а также от состава наносов оросительной воды и т.д.

Рекомендуется проводить на этих землях агрогеохимические мероприятия, снижающие уровень загрязнения тяжелыми металлами в староорошаемых типичных сероземах и сероземно-луговых почв, а также селективное размещение видов растений.