Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN SOILS AND PLANTS OF OSA RIVER BASIN (TOP ANGARA REGION)

Lopatina D.N. 1
1 Federal Publicly Funded Institution of Science V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS
1522 KB
In this work some properties of soils of the interesting area of a research – Osa river basin are considered. Studying of this territory was carried in detail out in dissertation work of the author. Throughout this research the new indicator – coefficient of biological absorption for the studied territory is counted. Physiographic conditions of the studied territory are quite specific (features of a relief, climate, existence of carbonate breeds, etc.), it created favorable conditions for formation of types of soils which are not characteristic of a taiga zone (chernozems and dark-humic soils under meadow and steppe and steppe vegetation). In work results on a contents research are given in soils of heavy metals, cartographic display of their spatial distribution on territories of a research, dependence of an important indicator of fertility of soils – biochemical activity of soils – from the content of heavy metals. Treat heavy metals: lead, copper, nickel, cobalt, chrome, mercury and others. In small amounts some of them are necessary for growth of plants and functioning of live organisms. However excess of their admissible contents in soils is dangerous and results in toxicity of the soil and accumulation of heavy elements in plants. Such important indicator of fertility as biochemical activity of soils was considered by us. The biochemical activity of soils depends on many factors – the maintenance of humus in the soil, the maintenance of basic elements of food of plants – nitrogen, phosphorus and potassium, a share agronomical of valuable soil units. Good properties of the soil increase biochemical activity. Content of heavy metals also has an impact on biochemical activity of soils – the content of heavy metals in the soil, the lower it biochemical activity is higher. Such important indicator as coefficient of biological absorption is investigated. In general soils of Osa river basin are poorly polluted and, mostly, deposit, and therefore have the good agronomical potential as in a deposit condition of property of soils, broken in the course of intensive use in agriculture, are restored.
soils
ashes of plants
accumulation of heavy metals
biochemical activity of soils
coefficient of biological absorption
Osa river basin
Top Angara region

Район исследования – бассейн реки Оса, природа которого является интересным объектом для изучения. Рельеф изучаемой территории в основном пологий, имеющий небольшие уклоны. Такие формы рельефа удобны для сельскохозяйственного использования, потому в этом районе расположен большой процент пашни (в основном под степной растительностью) [1]. На южных пологих склонах, хорошо обогреваемых, преобладают черноземы и темногумусовые почвы под степной и лугово-степной растительностью [1]. Растительный покров исследуемой территории представлен сочетанием лесов, зарослей кустарников, степей, лугов и заболоченных участков. Согласно геоботаническому районированию территорию относят к Ольхонско-Приангарскому сосново-лесостепному геоботаническому округу, Унгинско-Осинскому подокругу.

Изучено содержание тяжелых элементов в почвах на территории бассейна реки Оса, которые в небольших концентрациях присутствуют в почве и необходимы для роста растений и существования живых организмов. Однако превышение их допустимого содержания в почвах опасно и может привести к токсичности – растения начинают поглощать тяжелые металлы в избыточном количестве, что в дальнейшем негативно отражается и на живых организмах. Медь иногда содержится в удобрениях. В малых количествах она необходима для нормального функционирования растений [1]. Однако повышение концентрации меди в почве приведет к замедлению роста растений и снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Высокая концентрация меди в почве может появиться из-за антропогенного загрязнения. Свинец является наиболее токсичным элементом. Большое количество свинца в прошлом попадало в воздух с выхлопными газами автомобилей. Загрязнение свинцом почв, расположенных вдоль автомобильных дорог, распространяется на расстояние до двухсот метров. Свинец очень токсичен для человека, его попадание в организм через сельскохозяйственные продукты может привести к поражению центральной нервной системы и внутренних органов. Марганец также является очень важным микроэлементом для питания растений. В условиях недостатка марганца в почве растения могут заболевать, а также снижается урожайность различных культур [1]. Однако, при возникновении в почве большой концентрации марганца, быстро возникает его переизбыток, что вызывает токсичность почвы. Кобальт не имеет слишком широкого распространения в природе, но он также необходим для функционирования растений. Этот элемент входит в состав некоторых минеральных удобрений. Однако, большое количество кобальта в составе удобрений может оказать токсичное воздействие на многие сельскохозяйственные культуры. Стронций может присутствовать в составе фосфорных удобрений. В малом количестве он не является опасным, но его переизбыток может сделать почву токсичной и создать препятствия ее плодородию. Хром иногда входит в состав фосфорных удобрений. Из этого следует, что, безусловно, тяжелые элементы присутствуют в природе и в малых количествах полезны для растений, но как их недостаток, так и переизбыток в почве имеют не очень хорошие последствия.

Цель исследования: выявить агрогенные и постагрогенные изменения свойств почв на территории бассейна реки Оса. В данной работе был рассчитан коэффициент биологического поглощения, чтобы определить, какие элементы наиболее сильно накапливаются в растениях на изучаемой территории, а какие – наименее.

Материалы и методы исследования

Валовое содержание макро- и микроэлементов в почвах установлено количественным спектральным методом на спектрографе ДФС-8 и атомно-эмиссионным методом на приборе Optima 2000 DV (фирмы Perkin Elmer) в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН. Для определения биохимической активности почв был использован экспресс-метод Т.В. Аристовской, М.В. Чугуновой [2]. Суть метода в том, чтобы определить скорость (в часах) изменения рН от выделяемого аммиака при разложении карбамида, как суммарный результат биохимической деятельности почвенной микрофлоры и отчасти растительности. Таким образом, чем меньше количество часов, регистрирующих скорость реакции, тем выше биохимическая активность почвы.

Результаты исследования и их обсуждение

Нами определено, что почвы сельскохозяйственных угодий вблизи свалок и населенных пунктов бассейна реки Оса загрязнены следующими элементами: V, Pb, Cr, Cu, Co, Ni, Sr – валовое содержание которых в некоторых образцах имеет превышение регионального фона этих элементов для Прибайкалья от 1,5 до 8 раз. Концентрации свинца и никеля в некоторых образцах превышают ПДК и ОДК в 1,1–1,5 раз [1, 3, 4]. Высокое содержание Sr, Cr и Ni установлено и в почвообразующих породах исследуемой территории, что связано с их естественным состоянием, но в некоторых случаях имеет место антропогенное воздействие [1].

На рис. 1 и 3 отображено пространственное распределение валового содержания свинца и кобальта в поверхностном слое почвы на изучаемой территории. Выявлена одна ключевая площадка с превышением ПДК концентрацией свинца, что в данном случае может быть связано с близким расположением дороги и населенного пункта.

lopat1.tif

Рис. 1. Валовое содержание свинца в поверхностном слое почв бассейна реки Оса (0–10 см): ПДК (по валовому содержанию) – 32 мг/кг; Фон региональный для Прибайкалья – 10 мг/кг; Фон для бассейна реки Оса – 9 мг/кг [1, 4, 5]

lopat2.tif

Рис. 2. Биохимическая активность почв (скорость деструкции мочевины до рН = 8,5, ч) в зависимости от валового содержания свинца

lopat3.tif

Рис. 3. Валовое содержание кобальта в поверхностном слое почв бассейна реки Оса (0–10 см): Кларк литосферы по Виноградову – 18 мг/кг; Фон региональный для Прибайкалья – 17 мг/кг; Фон для бассейна реки Оса – 14 мг/кг [1, 5]

Нами рассматривался такой важный показатель плодородия, как биохимическая активность почв [2]. Биохимическая активность почв зависит от многих факторов – содержания гумуса в почве, содержания основных элементов питания растений – азота, фосфора и калия, доли агрономически ценных почвенных агрегатов и других показателей. Почва с хорошими показателями, перечисленными выше, имеет, как правило, высокую биохимическую активность. Повышенные содержания тяжелых металлов оказывают токсичное влияние на почву, а значит, отражаются на биохимической активности почв – чем выше содержание тяжелых металлов в почве, тем ниже ее биохимическая активность. Это подтверждается графиками зависимости для свинца и кобальта (рис. 2, 4).

lopat4.tif

Рис. 4. Биохимическая активность почв (скорость деструкции мочевины до рН = 8,5, ч) в зависимости от валового содержания свинца

Для полученных нами результатов содержания тяжелых металлов в почвах и золе растений на исследуемой территории нами был посчитан важный показатель – коэффициент биологического поглощения. Химические элементы выборочно и с различной интенсивностью поглощаются и накапливаются растениями. Именно поэтому содержания многих элементов в золе растений отличаются от их среднего содержания в земной коре или почве – так как элементы избирательно поглощаются растениями. Б.Б. Полыновым был предложен показатель, который характеризует интенсивность поглощения элементов, он рассчитывается как отношение количества элемента в золе растений к его количеству в почве. А.И. Перельман [6] дал этому коэффициенту название – коэффициент биологического поглощения (Ax). В зависимости от величины этого коэффициента химические элементы делятся на элементы биологического накопления (Ax > 1) и биологического захвата (Ax < 1).

Согласно проведенным исследованиям и расчетам, не все элементы накапливаются в растениях. Согласно коэффициенту биологического поглощения (таблица), лучше всего накапливаются в растениях марганец и медь. Стронций и барий в отдельных образцах также накапливаются. Коэффициент, превышающий 1, выделен жирным шрифтом.

Коэффициент биологического поглощения

№ обр.

Использование

Cr

Ni

Ba

V

Sr

Co

Cu

Mn

Ti

29

2,5 км от п. Унгин (Улей), пашня

0,05

0,59

0,19

0,05

0,01

0,11

4,69

1,54

0,05

42

600 м от п. Кутанка, пашня

0,06

0,44

0,72

0,04

5,70

0,15

2,79

0,96

0,05

74

2 км до п. Шотой, залежь 15–20 лет, пастбище

0,07

0,25

0,99

0,10

0,04

0,20

1,56

1,43

0,08

81

1 км до п. Шотой, условный фон

0,18

0,13

0,88

0,15

0,86

0,10

1,95

0,75

0,13

83

1,5 км от п. Шотой, залежь 15 лет, сенокос

0,60

0,66

2,76

0,68

0,03

0,58

1,73

1,11

0,42

84

1,5 км от п. Шотой, пашня

0,06

1,03

0,38

0,05

0,03

0,20

3,01

1,72

0,05

85

Около п. Онгосор, терраса р. Оса, сенокос

0,07

0,24

0,77

0,05

0,03

0,22

2,12

0,96

0,11

90

Около п. Бурятские Янгуты, пастбище

0,48

0,43

0,80

0,41

0,91

0,56

2,42

1,31

0,37

95

0,5 км от п. Марковка, пастбище, залежь 15–20 лет

0,60

0,44

1,43

0,58

2,06

0,31

0,74

1,41

0,42

96

около д. Грязнушка, пастбище, залежь 10–15 лет

0,70

0,57

1,62

0,58

4,55

0,51

3,01

1,32

0,65

97

2 км от п. Оса, пашня

0,52

0,35

0,79

0,41

0,01

0,39

5,68

0,97

0,32

103

Русские Янгуты, пашня

0,79

0,63

1,30

0,97

0,98

0,55

2,39

1,44

0,55

112

Вблизи п. Хокта, зарастающая лесом залежь 20 лет

0,27

0,24

0,37

0,16

0,51

0,24

4,12

1,81

0,16

126

Обуса, залежь 15–20 лет, пастбище

0,34

0,27

1,86

0,36

1,99

0,47

2,20

1,42

0,32

128

д. Хайга, пашня

0,45

0,66

1,59

0,76

0,01

0,42

2,95

1,23

0,30

130

за д. Усть-Алтан, залежь 15 лет

0,71

0,67

2,44

0,88

2,00

0,92

3,76

1,28

0,90

133

Вблизи д. Усть-Алтан, залежь 15–20 лет

0,66

0,53

1,87

0,82

0,74

0,83

3,49

1,74

0,40

136

Между Усть-Алтан и Майск, пастбище, залежь 17–20 лет

0,90

0,55

1,01

0,99

0,02

0,64

2,99

1,09

0,50

Заключение

Благодаря проведенным исследованиям, можно сделать вывод, что содержание тяжелых элементов на территории бассейна р. Оса лишь в отдельных образцах превышает ПДК и ОДК, а благодаря расчету коэффициента биологического поглощения было прослежено, как накапливаются в растениях тяжелые элементы.

В целом почвы бассейна реки Оса являются слабозагрязненными [2], а также, благодаря тому, что в данное время большинство земель являются залежными, район исследования имеет хороший агрономический потенциал для будущего использования в сельском хозяйстве, поскольку в залежном состоянии почва восстанавливает свойства, связанные с плодородием, которые были нарушены в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования.