Russian Federation
Studies to study the contamination of agricultural landscapes with heavy metals were carried out in Ulyanovsk region. The materials for the research were soils, plants and snow cover, sampling of which was carried out near highways in different directions and distances (5 km, 10 km and 15 km) from the city of Ulyanovsk. In the east direction from the city, a pattern of increasing the content of Zn, Cu, Pb, Cd, Ni in the soil (gross and mobile form), plants and snow cover was traced. In soil samples, Zn was the most mobile, the amount of which (mobile form) varied from 7.0 to 10.7 mg/kg, the content of mobile compounds Cu, Pb, Cd, Ni did not change significantly. In 5 km (east of Ulyanovsk), the maximum values for the content of heavy metals in plants were found for Zn – 27.8 mg/kg; Cu – 18.9 mg/kg; Pb – 0.62 mg/kg; Cd – 0.30 mg/kg, Ni – 0.87mg/kg of dry matter, there was no excess of MDU it was established in none of the observation sites. A direct dependence of the cadmium content in plants on its content in soils was noted, with an increase in the content in the soil (5.9 mg/kg), its content in plants increased to 0.30 mg/kg. The content of Zn, Cu, Ni at all snow collection points is significantly lower than the MPC. The excess of the MPC was recorded at almost all sampling points in terms of Pb and Cd content by 2.0...7.0 times.
Ulyanovsk, heavy metals, monitoring, soil, plants, snow cover.
Введение. Одной из важнейших проблем экологии, является загрязнение агроценозов тяжелыми металлами (ТМ). Основной причиной этого является то, что с каждым годом количество автотранспорта увеличивается на дорогах общего пользования [1, 2, 3]. В связи с этим происходит усиление процессов загрязнения окружающей среды опасными веществами и поэтому приобретает все большее значение определения его уровня в почвах сельскохозяйственного назначения и растениях, для разработки природоохранных мероприятий. [1, 4]. Данная проблема вызывает интерес у многих экологов [5, 6, 7].
Увеличение содержания тяжелых металлов в растениях, произрастающих на загрязненных почвах, в большей степени обуславливается уровнем загрязнения. Нужно отметить, что не всегда наблюдается прямая корреляционная связь между величинами этих показателей, так как поток тяжелых металлов из почвы в растения показывает не только валовое содержание, но и концентрацию в почве их подвижных форм, что естественным образом связано с химическим составом техногенных выбросов и буферными возможностями почвы [7, 8, 9].
Поступление тяжелых металлов в почву может быть вследствие процесса эрозии, выветривания минералов, а также в результате переработки полезных ископаемых, воздействия транспортных средств и сельского хозяйства. [10, 11].
Мониторинг – это важнейшая часть системы контроля, которая представляет собой комплекс наблюдений за изменением состояния окружающей среды, вызванным антропогенными воздействиями [12, 13, 14]. Констатация фактов, прогнозирование процессов в природе, выдача данных руководящим органам для своевременного вмешательства и исключения негативных воздействий на городскую среду и природу выступает основной целью мониторинга, который служит начальным этапом системы обеспечения экологической безопасности.
Цель исследований – в рамках агроэкологического мониторинга получить информацию о загрязнении агроландшафтов тяжелыми металлами (Zn,Cu, Pb, Cd, Ni) вблизи автомобильных трасс в разных направлениях и расстоянии от города Ульяновска.
Условия, материалы и методы. Исследуемая в опыте территория находится в пределах Ульяновской области. Город расположен на Приволжской возвышенности, на берегах рек Волги и Свияги в лесостепной зоне на холмистой равнине на высоте 80…160 м над уровнем моря.
Климат области преимущественно умеренно континентальный. Зимы длительные и умеренно холодные. Снежный покров (средняя высота 25,0…50,0 см) держится с конца ноября до начала апреля. Средняя температура в зимний период составляет от -8 до - 11°С. Летом часты засухи, средняя температура составляет от +19 до + 22°С. Среднегодовое количество осадков, которое уменьшается с севера на юг и с запада на восток, составляет 400…450 мм [11].
В целом в пределах Ульяновской области преобладают черноземы(выщелоченные, типичные, оподзоленные), а также серые лесные, солонцеватые, пойменные и болотистые почвы. Леса занимают ¼ территории. Ульяновская область крупный транспортный узел. Через регион проходят важные авиационные, железнодорожные и автомобильные коммуникации. Промышленность (электроэнергетика, производство стройматериалов, пищевая и легкая промышленность) являются основной отраслью экономики Ульяновской области. Данные предприятия являются главными загрязнителями окружающей среды, воздействуя на все ее сферы. Такая ситуация вызвана тем, что промышленность региона охватывает все стадии ресурсного цикла от извлечения природного сырья, до его переработки производства конечного продукта и возвращения в окружающую среду отходов, которые при современных технологиях как правило во много раз превосходят по объему извлекаемые полезные компоненты сырья.
Мониторинг по оценке уровня загрязнения тяжелыми металлами растительных, почвенных образцов и снежного покрова проводили вблизи существующих источников эмиссии ТМ (город, автомагистраль). Материалом для исследований на наличие тяжелых металлов, таких как Cu, Cd, Zn, Pb, Ni служили почвенные и растительные образцы, а так же талая вода после отбора снега.
Отбор проб проводили на реперных участках с разной удаленности (5, 10, 15 км), по 4 направлениям от г. Ульяновск (север, юг, восток, запад). Каждому реперному участку был присвоен порядковый номер, который в дальнейшем оставался постоянным на все время исследований, всего было заложено 12 реперных точек. Из трех взятых проб на удалении 5, 10, 20 метров от полотна дороги формировали один объединенный образец. Схематический план отбора проб представлен на рисунке 1.
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 1 – Карта-схема расположения точек отбора проб.
Почвенные образцы отбирали в слое 0…30 см с использованием почвенного бура (ГОСТ 23707-95); растительные образцы (наземная часть) срезали ножом или ножницами; пробы снега отбирали с использованием снегомера весового ВС-43. Почвенные и растительные образцы отбирали в период уборки урожая сельскохозяйственных культур, снега – в начале весны, в период массового снеготаяния. Перевод снега в жидкое состояние осуществляли путем оттаивания при комнатной температуре 20…22 °С.
Агрохимический анализ на содержание тяжелых металлов проводили в аккредитованной агрохимической лаборатории ФГБУ САС «Ульяновская» (№
РОСС. RU. 0001. 510. 251) методом атомно-абсорбционной спекторофометрии (МУ РД 25.13191-89) (рис 2).
|
Рис. 2– Спектрофотометратомно-абсорбционный AAS. |
Отбор почвенных образцов проводили согласно ГОСТ 26168–89, растительных – ГОСТ 30178–96, снеговой воды – ГОСТ 31861[12, 13].
Результаты и обсуждение. Повышенное содержание ТМ в почвах (валовая форма) (Zn – 48,1 мг/кг, Cu – 27,1 мг/кг, Pb – 25,0 мг/кг, Cd – 2,5 мг/кг, Ni– 29,5 мг/кг почвы) выявлено в восточном направлении в 5 км от города (табл. 1). Тем не менее, оно не превышало предельно-допустимых концентраций (ПДК).
Содержание тяжелых металлов (подвижная форма) так же не выходило за границы ПДК. По Cu превышение предельно-допустимой концентрации выявлено во всех точках отбора образцов в 1,5…2,0 раза, где значения варьируют от 3,4 до 5,9 мг/кг почвы, причем максимальное содержание этого элемента восточнее Ульяновска, где его содержание варьировало от 5,3 до 5,9 мг/кг почвы. В этом же направлении на расстоянии 5 км от города Ульяновск, выявлено максимальное количество подвижных форм Zn – 10,7мг/кг, Cu – 5,9мг/кг, Pb– 4,6 мг/кг, Cd –1,3мг/кг, Ni – 3,5 мг/кг.
Таблица 1 – Содержание тяжелых металлов в почвах (валовая форма) реперных участках, мг/кг
|
Реперный участок |
Содержание, мг/кг |
|||||
|
направление |
удаление, км |
Zn |
Cu |
Pb |
Cd |
Ni |
|
Северное |
5 |
39,6 |
21,7 |
19,1 |
1,8 |
24,6 |
|
10 |
30,4 |
16,4 |
14,2 |
0,9 |
18,5 |
|
|
15 |
48,0 |
25,8 |
23,6 |
2,4 |
28,0 |
|
|
Среднее |
39,4 |
21,3 |
19,0 |
1,7 |
23,7 |
|
|
Южное |
5 |
34,6 |
18,3 |
16,1 |
1,2 |
20,9 |
|
10 |
37,3 |
19,6 |
17,4 |
1,6 |
21,6 |
|
|
15 |
30,9 |
14,0 |
12,8 |
1,0 |
16,0 |
|
|
Среднее |
34,3 |
17,3 |
15,4 |
1,3 |
19,5 |
|
|
Западное |
5 |
30,1 |
14,0 |
11,6 |
0,9 |
16,0 |
|
10 |
31,7 |
15,3 |
13,0 |
1,2 |
17,4 |
|
|
15 |
35,4 |
17,8 |
15,4 |
1,5 |
19,5 |
|
|
Среднее |
32,4 |
15,7 |
13,3 |
1,2 |
17,6 |
|
|
Восточное |
5 |
48,1 |
27,1 |
25,0 |
2,5 |
29,5 |
|
10 |
43,2 |
22,1 |
19,8 |
2,0 |
24,6 |
|
|
15 |
40,0 |
20,6 |
18,4 |
1,7 |
22,7 |
|
|
Среднее |
43,7 |
23,3 |
21,1 |
2,1 |
25,6 |
|
|
ПДК, мг/кг |
100 |
55 |
32 |
3 |
85 |
|
|
Превышение ПДК, раз |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
НСР05 |
0,2 |
0,2 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
|
Наибольшей подвижностью отличался Zn, содержание подвижных форм которого изменялось от 0,7 до 10,7 мг/кг. При этом концентрация подвижных соединений Cu, Pb, Cd, Ni изменялась не существенно (табл. 2).
Таблица 2 – Содержание тяжелых металлов в почвах (подвижная форма), мг/кг
|
Реперный участок |
Содержание, мг/кг |
|||||
|
направление |
удаление, км |
Zn |
Cu |
Pb |
Cd |
Ni |
|
Северное |
5 |
9,1 |
5,3 |
4,0 |
0,9 |
2,5 |
|
10 |
8,1 |
4,7 |
3,5 |
0,4 |
1,9 |
|
|
15 |
9,7 |
5,8 |
4,4 |
1,2 |
2,9 |
|
|
Среднее |
9,0 |
5,3 |
4,0 |
0,8 |
2,4 |
|
|
Южное |
5 |
7,6 |
5,0 |
3,7 |
0,7 |
2,2 |
|
10 |
7,9 |
5,2 |
3,8 |
0,8 |
2,3 |
|
|
15 |
7,7 |
4,0 |
2,7 |
0,4 |
1,7 |
|
|
Среднее |
7,7 |
4,7 |
3,4 |
0,6 |
2,1 |
|
|
Западное |
5 |
7,0 |
4,5 |
2,8 |
0,4 |
1,7 |
|
10 |
7,2 |
4,6 |
3,0 |
0,7 |
1,9 |
|
|
15 |
7,6 |
4,9 |
3,2 |
0,8 |
2,1 |
|
|
Среднее |
7,3 |
4,7 |
3,0 |
0,6 |
1,9 |
|
|
Восточное |
5 |
10,7 |
5,9 |
4,6 |
1,3 |
3,5 |
|
10 |
10,0 |
5,4 |
4,1 |
1,0 |
3,0 |
|
|
15 |
9,5 |
5,3 |
3,9 |
0,8 |
3,3 |
|
|
Среднее |
10,1 |
5,5 |
4,2 |
1,0 |
3,3 |
|
|
ПДК, мг/кг |
23 |
3 |
6 |
2 |
4 |
|
|
Превышение ПДК, раз |
- |
1–2 |
- |
- |
- |
|
|
НСР05 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,1 |
1,0 |
|
Источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животного является растительная пища. Здоровье населения зависит от количества их накопления в растениях, используемых в пищу. Состав (химический) растений отражает элементный состав почв. Повышенное содержание в почве ТМ приводит к избыточному накоплению их растениями [12].
Максимальное содержание в растениях выявлено по Zn (27,8мг/кг сухого вещества); Cu (18,9мг/кг); Cd (0,30мг/кг); Pb (0,62мг/кг); Ni (0,87мг/кг сухого вещества) отмечено в восточном направлении в 5,0 км от города (табл. 3). При этом концентрация Cd в растительных образцах соответствовала границе максимально-допустимого уровня (МДУ) – 0,30 мг/кг, что указывает на прямую связь между в растениях от содержания его в почвах. Полученные данные показывают, что превышение МДУ не было установлено ни в одном из мест наблюдений.
Таблица 3 – Содержание тяжелых металлов в растительных образцах реперных участков, мг/кг
|
Реперный участок |
Содержание, мг/кг |
|||||
|
направление |
удаление, км |
Zn |
Cu |
Pb |
Cd |
Ni |
|
Северное |
5 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
10 |
20,1 |
15,2 |
0,48 |
0,16 |
0,35 |
|
|
15 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Среднее |
20,1 |
15,2 |
0,48 |
0,16 |
0,87 |
|
|
Южное |
5 |
19,7 |
10,6 |
0,36 |
0,08 |
0,70 |
|
10 |
22,5 |
13,7 |
0,54 |
0,22 |
0,61 |
|
|
15 |
25,0 |
17,8 |
0,59 |
0,20 |
0,52 |
|
|
Среднее |
21,7 |
14,0 |
0,50 |
0,16 |
0,61 |
|
|
Западное |
5 |
17,8 |
8,9 |
0,38 |
0,075 |
0,45 |
|
10 |
22,3 |
13,5 |
0,48 |
0,16 |
0,61 |
|
|
15 |
24,1 |
16,2 |
0,56 |
0,24 |
0,74 |
|
|
Среднее |
21,4 |
12,9 |
0,47 |
0,16 |
0,6 |
|
|
Восточное |
5 |
27,8 |
18,9 |
0,62 |
0,30 |
0,87 |
|
10 |
21,3 |
12,4 |
0,45 |
0,13 |
0,40 |
|
|
15 |
20,0 |
11,0 |
0,43 |
0,11 |
0,39 |
|
|
Среднее |
23,0 |
14,1 |
0,50 |
0,17 |
0,55 |
|
|
МДУ, мг/кг |
50 |
30 |
5 |
0,3 |
3 |
|
|
Превышение МДУ, раз |
|
|
|
|
|
|
|
НСР05 |
0,1 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
|
Загрязнения снежного наста вдоль автомобильных трасс прослеживаются на всем исследованном расстоянии от города Ульяновск (табл. 4). Содержание цинка, меди никеля на всех пунктах отбора снега значительно ниже ПДК. Одновременно практически во всех точках отбор проб наблюдалось превышение ПДК по концентрации свинца и кадмия в 2,0…7,0 раз. Наибольшее содержание ТМ зафиксировано в восточном направлении – соответственно 0,77, 0,37, 0,17, 0,005 и 0,070 мг/л.
Таблица 4 – Среднее содержание тяжелых металлов в снеговой воде реперных участков, мг/л
|
Реперный участок |
Содержание, мг/л |
|||||
|
направление |
удаление, км |
Zn |
Cu |
Pb |
Cd |
Ni |
|
Северное |
5 |
0,46 |
0,14 |
0,10 |
0,003 |
0,047 |
|
10 |
0,50 |
0,21 |
0,11 |
0,004 |
0,050 |
|
|
15 |
0,68 |
0,33 |
0,13 |
0,005 |
0,065 |
|
|
Среднее |
0,55 |
0,23 |
0,11 |
0,004 |
0,050 |
|
|
Южное |
5 |
0,84 |
0,42 |
0,15 |
0,005 |
0,064 |
|
10 |
0,63 |
0,30 |
0,10 |
0,004 |
0,051 |
|
|
15 |
0,57 |
0,26 |
0,16 |
0,003 |
0,040 |
|
|
Среднее |
0,68 |
0,32 |
0,13 |
0,004 |
0,060 |
|
|
Восточное |
5 |
0,81 |
0,40 |
0,19 |
0,006 |
0,094 |
|
10 |
0,79 |
0,38 |
0,18 |
0,005 |
0,051 |
|
|
15 |
0,72 |
0,33 |
0,16 |
0,003 |
0,064 |
|
|
Среднее |
0,77 |
0,37 |
0,17 |
0,005 |
0,070 |
|
|
Западное |
5 |
0,86 |
0,37 |
0,12 |
0,004 |
0,052 |
|
10 |
0,45 |
0,20 |
0,07 |
0,002 |
0,030 |
|
|
15 |
0,77 |
0,39 |
0,16 |
0,007 |
0,066 |
|
|
Среднее |
0,69 |
0,32 |
0,12 |
0,004 |
0,050 |
|
|
ПДК, мкг/л |
1 |
1 |
0,03 |
0,001 |
0,1 |
|
|
Превышение ПДК, раз |
1,03 |
- |
1,9–7,3 |
18–91 |
|
|
|
НСР05 |
0,05 |
0,02 |
0,02 |
0,001 |
0,003 |
|
Выводы. В восточном направлении от города Ульяновск отмечено повышение содержания Zn, Ni,Cu, Cd, Pb в почвенных (валовые и подвижные формы) и растительных образцах, так и в снежном покрове. В данном направлении в 5 км от г. Ульяновск отмечено максимальное содержание ТМ (подвижная форма) таких, как Zn (10,7 мг/кг), Cu (5,9 мг/кг), Pb (4,6 мг/кг), Cd (1,3 мг/кг), Ni (3,5 мг/кг). Концентрация меди (3,4…5,9 мг/кг) превышала ПДК в 1,5…2,0 раза. В этой же точке отмечено максимальное на обследованной территории содержание ТМ в растениях: Zn – 27,8мг/кг, Cu – 18,9мг/кг, Pb – 0,62мг/кг, Cd – 0,30 мг/кг, Ni – 0,87мг/кг сухого вещества. Превышение МДУ не наблюдали ни в одной из точек.
Содержание свинца и кадмия в снежном покрове превышало ПДК в 2,0…7,0 раз во всех точках отбора проб. Концентрация цинка, меди и никеля оставалась в границах предельно-допустимой.
1. Environmental protection / A.M. Vladimirov, Yu.I. Lyakhin, L.T. Matveevy dr.M.: Gidrometeoizdat, 1991. 423 p.
2. Stipanovskikh A.S. Applied Ecology. M.: UNITI, 2005. 752 p.
3. Balina K.V. Influence of motor transport on the content of heavy metals in soils and plants of cities and towns of the Amur Region // Bulletin of the Bryansk State University. 2011. No. 4. P. 95-97.
4. Kashin V.K. Features of the accumulation of trace elements in the steppe vegetation of Western Transbaikalia // Agrochemistry. 2014. No. 6. S. 69-76.
5. G. M. Kashulina, “Acidity of soils in the vicinity of the Severonickel copper-nickel plant, Kola Peninsula,” Eurasian Soil Sci. 2015. No. 4. S. 486-500.
6. Lyanguzova I.V. Dynamic trends in the content of heavy metals in plants and soils under different conditions of aerotechnogenic load // Ecology. 2017. No. 4. P. 250-260.
7. Nesterova O.V., Tregubova V.G., Semal V.A. The use of regulatory documents to assess the degree of soil pollution with heavy metals // Eurasian Soil Sci. 2014. No. 11. S. 1375-1380.
8. Laboratory Melting of Late-Winter Urban Snow Samples: The Magnitude and Dynamics of Releases of Heavy Metals and PAHs / A Vijayan, H. Osterlund, J. Marsalek, et al. //WaterAirSoilPollut. 2019 Vol. 230. R. 182-202. https://doi.org/10.1007/s11270-019-4201-2.
9. Heavy metal contamination and distribution in the urban environment of Jelgava / J.Pilecka, I.Grinfelde, K.Valujeva, et al. // Rural and environmental engineering, landscape architecture. 2017 Vol. 1. R. 173-179.
10. Prosyannikov V.I. Ecological and geochemical characteristics of soils of arable land in the South-East of Western Siberia according to the content of heavy metals // Fertility. 2014. No. 5 (80). pp. 38-41.
11. Cherkasov E.A. Dynamics of changes in soil fertility in the Ulyanovsk region for 1965-20155 // Achievements of science and technology of the agro-industrial complex. 2017. V.31. No. 4, pp. 10-17.
12. Asylbaev I.G. Heavy metals of the second hazard class in soils and rocks of the Southern Urals: reserves and pollution assessment // Fertility. 2015. No. 5 (86). pp. 58-66.
13. Vodyanitsky Yu.N. Natural and technogenic compounds of heavy metals in soils // Eurasian Soil Science. 2014. No. 4. With. 420-432.
14. Nemtsev S.N. Influence of diatomite on the content of heavy metals in the soil and their entry into winter wheat grain when applying fertilizers // Zemledelie. 2011. No. 5. P. 11-12.
15. Implementation of government support measures for reclamation as an incentive for the development of the agricultural industry: Experience of the Republic of Tatarstan / M. M. Khismatullin, M. M. Khismatullin, F. N. Mukhametgaliev [et al.] // International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2021) : Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources, Kazan, May 28-29, 2021. - Kazan: EDP Sciences, 2021. - P. 00080. - DOI DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/20213700080. - EDN OJLZCH.
