Экологическая оценка содержания меди в почвенном покрове на юге тюменской области

Полный текст

Введение. Почвенно-растительные сообщества, вовлеченные в процесс сельскохозяйственного производства, испытывают на себе определенное негативное воздействие. Оно может выражаться как в избыточном накоплении микроэлементов ввиду применения различных химических препаратов. Также, это выражается в недостатке определенных микроэлементов, что может быть связано с выносом потоками вещества из экосистемы, а также спецификой местных геохимических условий. Содержание микроэлементов в почвах зависит от условий почвообразования, от минералогического и гранулометрического состава почвообразующих пород, наличия в почвах органического вещества, реакции среды и других факторов. Мелкие и слабогумусированые почвенные разности обычно обеднены микроэлементами по сравнению с разностями, богатыми илом и органическим веществом [9; 21]. Недостаток ряда микроэлементов в агроэкосистемах характерен для многих территорий, в том числе для районов юга Тюменской области. Это объясняется целым набором факторов, в том числе, эдафических. Данная особенность геохимических условий отмечена в работах многих авторов. В исследованиях [2; 3] по изучению микроэлементного состава почв районов Тюменской области отмечается недостаточная обеспеченность многими важными для произрастания сельскохозяйственных растений элементами. Однако, в работе [14] автор отмечает тенденцию к накоплению тех или иных тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах, выращенных на различных типах почв юга Тюменской области. Таким образом, подчеркивается важность определения концентраций микроэлементов в различных типах почв, характеризующихся разнообразными физико-химическими параметрами. Важность изучения поведения тяжелых металлов в почвах подчеркивается и за рубежом. Например, в работах [24-28] отмечена важность изучения распределения и аккумуляции тяжелых металлов в почвенных агрегатах для выяснения поведения микроэлементов в окружающей среде. Например, изучена взаимосвязь концентраций тяжелых металлов (в том числе меди) с органическим веществом и pH почвы.

Среди микроэлементов, играющих неоднозначную роль в объектах окружающей среды, относят медь. С одной стороны, избыточное ее накопление в пищевых цепях в связи с техногенным поступлением, вызывает негативные последствия для живых организмов. С другой стороны, отмечается недостаток меди в системе почва-растение для ряда агроценозов. Медь представляет собой один из наиболее подвижных тяжелых металлов в гипергенных процессах. Тем не менее, её катионы обладают разнообразными свойствами и в почвах и осадках характеризуются склонностью к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. Ионы меди способны также без усилий осаждаться такими анионами, как сульфид, карбонат и гидроксид. Таким образом, медь является относительно малоподвижным элементом в почвах, и ее суммарные содержания обнаруживают довольно слабые вариации в профилях почв [23]. Малая подвижность меди обуславливает проявления ее недостатка для сельскохозяйственных растений. Следует отметить, что медь имеет большое значение для растений, что объясняется тем, что она входит в состав многих ферментов, при недостатке которых нарушаются такие физиологические процессы как фотосинтез, дыхание, перераспределение углеводов и белков [23].

Медь оказывает влияние на проницаемость сосудов ксилемы для воды, контролирует образование ДНК и РНК, и её дефицит значительно снижает репродуцирование растений. Также медь влияет на механизмы, контролирующие устойчивость к заболеваниям. Для различных видов растений уровни концентраций, при которых наблюдается дефицит меди, сильно варьируют [23]. В связи с этим представляет особый теоретический и практический интерес изучение содержания меди в конкретных агроэкологических условиях и выявление факторов, влияющих на ее подвижность и распределение в почвах. Цель данной работы — установить взаимосвязь содержания меди с определенными агрохимическими показателями почв, способными потенциально повлиять на ее аккумуляцию в почве, в условиях юга Тюменской области.

Экспериментальная часть. При обобщении и анализе материала использовались собственные исследования и материалы отчетов ФГБУ ГСАС «Тюменская» по обследованию пахотных почв Тюменской области. Карта-схема участков отбора проб почвенных образцов в районах юга Тюменской области представлена на рисунке 1. Объектом исследования являлся пахотный горизонт почв, характерных для юга Тюменской области (табл. 1). Основные исследуемые типы и подтипы почв: глинистые аллювиально луговые (Исетский район), среднесуглинистые черноземы выщелоченные (Заводоуковский район), среднесуглинистые серые лесные – темно серые лесные (Омутинский, Упоровский, Тюменский районы), среднесуглинистые лугово – глееватые (Тобольский район), среднесуглинистые серые лесные (Нижнетавдинский район), среднесуглинистые серые лесные – светло серые лесные (Ярковский район), среднесуглинистые поименно аллювиальные – типичные (Тюменский район), среднесуглинистые пойменно-дерновые (Тобольский район) почвы. Выбор места для отбора почвенных образцов производился с учетом рельефа местности, экспозиции, растительного покрова. Всего обследовано 10 реперных участков, n=75.

Образцы почв отбирали методом конверта в пределах микро- и мезорельефа. В зависимости от величины элементарного участка из отобранных равномерно почвенных проб со всей площади, составлялась усредненная проба. Отбор почвенных образцов и пробоподготовка их для химического анализа осуществлялся в соответствии с требованиями агрохимических методов. Для анализа геохимических особенностей распределения меди и выявления факторов, влияющих на аккумуляцию элемента, использовали материалы отчетов ФГБУ ГСАС «Тюменская». При этом оценивали данные о содержании гумуса, кислотности, содержание макроэлементов в пахотном горизонте (0-20 см) в почвах реперных участков. Содержание меди определяли методом атомно-абсорбционой спектрометрии, органическое вещество, рН солевой, подвижные соединения фосфора и калия – в соответствии с ГОСТ 26213-91. Почвы. В рамках исследования проведена оценка взаимосвязи содержания в почве меди (подвижных форм и валового количества) с физико-химическими параметрами почвы (гумусом и pH), а также подвижными формами ряда макроэлементов.

В работе использовали методы дисперсионного, регрессионного и корреляционного анализов [7; 15]. Математическая обработка результатов осуществлялась стандартными статистическими методами с использованием компьютерного пакета программ Excel.

 

Рис. 1. Карта-схема точек отбора проб почвенных образцов в районах юга Тюменской области

 

Северное Зауралье, на территории которого расположена основная часть Тюменской области, представляет собой составную часть обширной Западно-Сибирской равнины. Исследования проводились на территории юга Тюменской области.

Обсуждение результатов. Рассмотрены основные типы почв юга Тюменской области, расположенных в южнотаежной лесной и лесостепной зонах. В пределах рассматриваемой территории выделяется несколько основных типов почв: аллювиальные луговые, чернозем выщелоченный, серая лесная, серая лесная – темно серая, серая лесная – светло серая, луговая глееватая, пойменная аллювиальная типичная, пойменная дерновая.

По гранулометрическому составу преобладают среднесуглинистые почвы. Содержание гумуса в пределах изученных реперных участков варьирует от 3,61% (Ярковский район) до 9,57% (Тюменский район). По значению pH почвы районов юга Тюменской области характеризуется кислой и слабокислой реакцией (4,2-5,6). Почвы отличаются значительной вариабельностью по содержанию макроэлементов.

На содержание меди, в т. ч. и в условиях юга Тюменской области, влияют те же факторы, что и на другие химические элементы. Почвы в основном наследуют уровень содержания меди от почвообразующих пород. В то же время на аккумуляцию микроэлементов и на их подвижность влияет сочетание агрохимических показателей для определенного типа почв [3].

Объектом исследования был пахотный горизонт (0-20 см) по следующим причинам: при антропогенном поступлении микроэлементы концентрируются в приповерхностном слое (в отличие от почв геохимически аномальных), большинство из них фиксируется в гумусовом горизонте; в основном микроэлементы, сконцентрированные в пахотном горизонте, включаются в трофическую цепь. В таблице представлены данные о среднем содержании меди в пахотном горизонте изученных типов и подтипов почв юга Тюменской области.

Согласно данным таблицы 1, содержание подвижных форм меди в различных типах почв варьирует незначительно – от 0,16 до 0,25 мг/кг и не превышает установленных ПДК. Наибольшее содержание подвижной меди отмечается в пойменной дерновой почве и составляет 0,25 мг/кг. В целом по обеспеченности почв подвижной медью исследуемые почвы можно классифицировать как среднеобеспеченные [10].

 

Таблица

Среднее содержание меди в пахотном горизонте почв юга Тюменской области

Тип, подтип почвы	Содержание меди, мг/кг $\overline{\mathbf{X}}$ ± Sd		Соотношение подвижного и валового содержания меди, %
	Подвижная форма	Валовое содержание*
Аллювиальная луговая	0,16±0,03	–
Чернозем выщелоченный	0,15±0,02	–
Луговая глееватая	0,19±0,05	18,1±1,05	1,05
Серая лесная – темно серая	0,22±0,05	11,2±0,6	1,96
Серая лесная – светло серая	0,21±0,05	10,7±1,1	1,96
Пойменная аллювиальная типичная	0,20±0,02
Пойменная дерновая	0,25±0,05	10,9±0,7	2,29
ПДК**	3,0	55
ОДК***		66

* для почв аллювиальная луговая, чернозем выщелоченный и серая лесная данные по валовому содержанию меди отсутствуют

** согласно Госкомприрода СССР, № 02-2333 от 10.12.90

*** ГН 2.1.7.020-94 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). (Дополнение N 1 к перечню ПДК и ОДК N 6229-91)

 

Исследованиями не установлена достоверная зависимость между подвижной медью и ее валовым содержанием, которое составляет в среднем 10-18 мг/кг. При этом наибольшее среднее содержание (18,1 мг/кг) отмечено в луговой глееватой почве. Необходимо отметить, что во всех изученных почвах не отмечается превышение установленных ПДК по валовому содержанию. Доля подвижной меди от валового содержания составляет от 1,05% до 2,29%. При этом наибольшая доля мобильной меди от общего содержания отмечается в пойменной дерновой почве.

Для выявления факторов, влияющих на концентрацию меди в верхнем слое 0-20 см почв был проведен корреляционный анализ их взаимосвязей с содержанием гумуса, рН, макроэлементами.

Для подвижных форм меди отмечается средняя корреляционная связь как с гумусом (r =0,50). В связи с этим можно предположить, что на подвижность ионов меди в определенной степени влияет наличие органического вещества в почве. Несмотря на то, что ряд авторов отмечает увеличение мобильности тяжелых металлов при повышении кислотности, нашими исследованиями в среднем по изученным типам почв такой зависимости не установлено (r =0,16). Однако данная зависимость может проявиться при изучении пары Cu-рН в пределах определенного типа почвы.

Для валового содержания меди прослеживается более тесная прямая взаимосвязь с количеством гумуса (r =0,61) и обратная с реакцией среды (r= -0,84) (рис. 2, 3).

На основе полученных данных можно сделать вывод, что на валовое содержание меди в почвах может влиять содержание органического вещества.

 

Рис. 2. Зависимость валового содержания меди от количества гумуса

 

Рис. 3. Зависимость валового содержания меди от значения pH

 

Изучение взаимосвязи микро- и макроэлементов в почве имеет практическое значение, поскольку дополнительное антропогенное поступление химических элементов в почву агроценозов, в частности, в результате применения минеральных удобрений, может изменить сложившийся баланс микроэлементов в почве и способствовать как увеличению, так и снижению их доступности для растений [23].

Наибольший интерес представляет изучение зависимости между содержанием меди и подвижными формами азота, фосфора и калия, содержание которых значительно варьирует в зависимости от типа почв (рис. 4, 5).

Для подвижных форм меди и подвижных форм фосфора корреляционная связь практически отсутствует (r=0,036). Подвижные формы меди и калия также имеют низкое значение корреляции между собой (r=0,48).

 

Рис. 4. Зависимость содержания подвижных форм меди и фосфора

 

Рис. 5. Зависимость содержания подвижных форм меди и калия

 

Как показывают данные рисунка 5, взаимосвязь валового содержания меди и подвижных форм фосфора низкая (r=0,3). Однако, с подвижными формами калия прослеживается прямая зависимость (r=0,65), указывающая на возможное взаимовлияние данных микроэлементов (рис. 7).

 

Рис. 6. Зависимость валового содержания меди и подвижного фосфора

 

Рис. 7. Зависимость валового содержания меди и подвижного калия

 

Выводы. Таким образом, наиболее тесная корреляционная взаимосвязь меди характерна в большей степени для ее валового содержания с макроэлементами (подвижные формы калия) и параметрами среды (содержание гумуса и pH среды). Однако, в связи с многофункциональностью почвенных процессов, данные выводы следует дополнить анализом множеством других факторов и параметров почвенной среды, в комплексе влияющих на содержание тех или иных микроэлементов, а также их подвижность и, как следствие, доступность для растений.

 

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Тюменской области в рамках научного проекта № 20-45-720011

The study was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research and the Tyumen Region within the framework of the scientific project No. 20-45-720011

Об авторах

Анна Владимировна Синдирева

Тюменский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sindireva72@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8596-7584

д-р биол. наук

Россия, Тюмень

Сергей Григорьевич Котченко

Государственная станция агрохимической службы «Тюменская»

Email: agrohim_72_1@mail.ru
Россия, Тюмень

Олег Игоревич Елизаров

Тюменский государственный университет

Email: elizarovloleg@yandex.ru
Россия, Тюмень

Список литературы

Дополнительные файлы