ВАЛОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ СЕВЕРНОГО АДМИНИСТРАТИВНОГО ОКРУГА г. МОСКВЫ

Категория: Агрономия, лесное и водное хозяйство.

Реферат. Изучено валовое содержание микроэлементов в почвах Северного административного округа г. Москвы. Установлено, что в городских условиях антропогенный фактор оказывает большое влияние на состояние микроэлементов в почвах природоохранных и заповедных территорий. В результате аэральных выпадений валовое содержание Mn, Zn, Cu и Pb в гумусовом горизонте зональной дерново-подзолистой почвы превышает их фоновые значения для г. Москвы в 1,1, 1,2, 1,6 и 3,1 раза соответственно. Решающее влияние оказывает антропогенный фактор на состояние микроэлементов в урбаноземах. Их содержание и распределение по профилю урбаноземов зависит не только от характера миграционных процессов под влиянием почвообразования, но и от исходного содержания в насыпных почвогрунтах, которые использовались для формирования газонов. По сравнению с зональной дерново-подзолистой почвой в верхнем полуметровом слое все урбаноземы содержат больше Pb (в 1,1–5,6 раза) и особенно Cu и Zn, в 1,7–8,7 и 2,4–11,1 раза соответственно. Также в большинстве урбаноземов в 1,1–1,6 раза больше Mn и в 1,4 раза Ni. При этом в отличие от зональной дерново-подзолистой почвы, в урбаноземах не всегда самое высокое содержание микроэлементов отмечается в гумусовых горизонтах Uh, а приурочено к нижележащим горизонтам профиля. Преимущественно в урбаноземах накапливаются Cu (Кс 1,7–8,7), Zn (Кс 1,8–8,4), Pb (Кс 1,5–7,8) и Ni (Кс 1,2). При этом только в урбаноземе газона Тимирязевской улицы валовое содержание Pb и Zn в гумусовом горизонте превышает ОДК. В некоторых урбаноземах в верхнем 50 см слое валовое содержание Zn превышает ОДК, а количество Cu и Pb в этом слое близко к ОДК.

Ключевые слова: городские почвы, урбаноземы, микроэлементы, валовое содержание, фоновое содержание, загрязнение, тяжелые металлы

Почвенный покров является важной составной частью урбанизированных территорий. Он не только служит основой и вместилищем для городской инфраструктуры, но и выполняет различные экологические функции, обеспечивая, в частности, произрастание травянистой и древесно-кустарниковой растительности, являясь для них опорой, источником влаги и питательных веществ [9, 10, 11, 14]. Зеленые насаждения, в свою очередь, осуществляют в городских условиях важную средообразующую функцию и в значительной степени определяют экологическую обстановку в мегаполисе в целом.

В процессе роста и развития зеленые растения усваивают большое количество химических элементов. В растениях обнаружено более 70 химических элементов 20 из которых относятся к числу необходимых элементов питания, и являются важнейшими биофильными элементами, еще 12 элементов относят к условно необходимым [1]. Среди химических элементов, потребляемых зелеными растениями, особое значение имеют микроэлементы. С одной стороны они являются важнейшими элементами питания, выполняющими в растениях ряд физиологических функций. Причем для растений, произрастающих в городских условиях, существенное значение имеет тот факт, что под влиянием микроэлементов повышается их устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды [5]. С другой стороны микроэлементы принадлежат к числу наиболее опасных загрязнителей биосферы [7, 12, 13].

Загрязнение городских почв тяжелыми металлами может происходить в силу целого комплекса причин. Так в г. Москве основными источниками загрязнения являются промышленные предприятия, ТЭЦ и автотранспорт [9]. В результате их работы на поверхность почв, расположенных в городской черте, постоянно поступают из атмосферы самые разнообразные вещества техногенного происхождения, в том числе и микроэлементы. В частности в снежном покрове может содержаться: Fe – 13,8, Mn – 0,28, Pb – 0,26 мг/л [2], а в  твердой фазе снега до 132 мг/кг Pb, ­
142 мг/кг Cu, 250 мг/кг Ni, 364 мг/кг Zn [5]. При этом форма поступления металлов в почву влияет на их трансформацию только на начальных этапах, а в дальнейшем состояние металлов определяется свойствами почвы и особенностями элемента [7].

Состояние микроэлементов в городских почвах зависит от многих факторов: свойств твердых фаз почв, рН, окислительно-восстановительных условий, химического состава почвенного раствора, характера техногенного загрязнения [10, 16]. Важно, что содержание, состав и соотношения микроэлементов в городских почвах не остаются постоянными. Это обусловлено не только трансформацией и миграцией их соединений под влиянием процессов почвообразования и потребления растениями, но и непрерывным поступлением со стороны.

При превышении определенного уровня содержания в почве, микроэлементы переходят в категорию тяжелых металлов и начинают оказывать токсичное влияние на зеленые растения вплоть до их полной гибели. Поэтому в системе мер по оптимизации условий произрастания зеленых насаждений и оздоровления городской среды большое значение имеет оценка валового содержания микроэлементов в почвах.

Методика. Объектами наших исследований служили почвы природных и искусственных ценозов в пределах Северного административного округа г. Москвы: дерново-подзолистая почва Лесной опытной дачи (4 квартал) и урбаноземы парка Дубки, сквера на Большой Академической улице, междомовой территории и газона по Тимирязевской улице, газона Коптевского бульвара. Свойства зональной дерново-подзолистой почвы и урбаноземов существенно различаются. В отличие от кислой, ненасыщенной основаниями дерново-подзолистой почвы урбаноземы характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией среды, более высоким содержанием гумуса, обменных кальция и магния и более широким отношением Са : Mg в гумусовом слое, наличием свободных карбонатов, их профиль может быть не дифференцирован по гранулометрическому и валовому составу. Урбаноземы содержат меньше валовых SiO2, TiO2 и часто Na2O, больше Al2O3 и Fe2O3 [6]. Валовое содержание микроэлементов определяли в смешанных образцах рентгенфлюоресцентным методом. Использовали также стандартные методики оценки качества объектов агросферы, изложенные в работах [1,6].

Результаты и обсуждение

Валовое содержание некоторых микроэлементов в исследуемых почвах приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Валовое содержание микроэлементов в почвах Северного административного округа г. Москвы, мг/кг

Таблица 2 – Средневзвешенное содержание микроэлементов 
в слое 0–50 см почв Северного административного округа г. Москвы, мг/кг

Из них Cu, Zn и Mn являются необходимыми элементами питания растений, Pb, Cr и Ni – условно необходимыми [1].

Из микроэлементов, относимых к необходимым элементам питания растений, в дерново-подзолистой почве преобладает Mn, содержание ­ко­торого варьирует в пределах ­201–735 мг/кг
почвы, содержание Zn составило ­26–56 мг/кг, а Cu ­11–24 мг/ кг. В верхней 50 см толще дерново-подзолис­той  почвы средневзвешенное содержа­ние этих элементов составило: Mn – 372, Zn – 34 и Cu – 15 мг/кг почвы (табл. 2).

Среди условно необходимых растениям микроэлементов в дерново-подзолистой почве преобладает Cr, содержание которого снижается с 44 мг/кг в горизонте А1 до 34 и 37 мг/кг в нижележащих горизонтах. Содержание Pb изменяется от 46 мг/кг в горизонте А1 до 13 и 
11 мг/кг в нижележащей части профиля. Содержание Ni составило 
14–20 мг/кг почвы. Средневзвешенное содержание условно необходимых микроэлементов в верхней полуметровой толще дерново-подзолистой почвы равно: Pb – 21, Cr – 38, Ni – 17 мг/кг почвы.

Необходимо отметить, что в дерново-подзолистой почве микроэлементы преимущественно локализованы в органогенном гумусовом горизонте А1, что обусловлено их активным связыванием в комплексные соединения органическими веществами, в том числе и гумусовыми кислотами [3, 15].

В урбаноземах, как и в дерново-подзолистой почве, среди микроэлементов, относимых к числу необходимых элементов питания растений, преобладает Mn, содержание которого варьирует в широких пределах, а распределение по профилю почв неоднозначно. В урбаноземе парка Дубки больше всего Mn – 921 мг/кг сосредоточено в горизонте Uh и уменьшается вниз по профилю до 472 и 356 мг/кг почвы. В урбаноземе газона междомовой территории количество Mn снижается с 464 мг/кг почвы в горизонте Uh до 410 мг/кг в нижележащих слоях почвы. В урбаноземах газона Тимирязевской улицы и сквера содержится близкое количество Mn варьирующее в пределах 526–596 мг/кг почвы, при этом меньше всего Mn содержится в гумусовых горизонтах Uh, а в нижележащих слоях его количество возрастает на ­39–62 мг/кг почвы. В урбаноземе газона Коптевского бульвара количество Mn увеличивается сверху вниз с 279 мг/кг в горизонте Uh до 310 и 333 мг/кг в нижележащих слоях UII и UIII.

Вторым по значимости среди необходимых микроэлементов в урбаноземах, как и в дерново-подзолистой почве, является Zn, валовое содержание которого изменяется в более широких пределах чем Mn. В урбаноземах парка Дубки, газона Тимирязевской улицы и сквера больше всего Zn – 124–696 мг/кг почвы приурочено к гумусовым горизонтам Uh и снижается в нижележащей части профиля. При этом если в урбаноземах газона и сквера происходит резкое уменьшение количества Zn в слоях UII и UIII – до ­68–83 мг/кг, 
то в урбаноземе парка Дубки содержание Zn в слое UII составило ­
134 мг/кг, а уже только в слое UIII лишь 70 мг/кг. В урбаноземе междомовой территории количество Zn варьирует от 133 мг/кг в горизонте Uh до 751 и 252 мг/кг в слоях UII и UIII. В урбаноземе газона Коптевского бульвара содержание Zn возрастает с глубиной с 58 мг/кг в горизонте Uh до 78 и 130 мг/кг в нижележащих слоях почвы.

Валовое содержание Cu в урбаноземах меньше чем Zn и Mn. По содержанию и распределению по профилю этого элемента изученные почвы образуют три группы. В урбаноземе парка Дубки содержание Cu последовательно уменьшается вниз по профилю с 75 мг/кг в горизонте Uh до 41 и 19 мг/кг в нижележащих слоях UII и UIII. В урбаноземах газона Тимирязевской улицы и сквера содержание Cu в гумусовых горизонтах Uh составило 81 и 46 мг/кг, в слоях UII ее количество уменьшается до 23 и 20 мг/кг, а в слоях UIII возрастает до 28 и 31 мг/кг почвы. В урбаноземе газона междомовой территории содержание Cu с глубиной увеличивается с 42 мг/кг в горизонте Uh до 93 и 193 мг/кг в нижележащих слоях UII и UIII. Аналогично изменяется валовое содержание Cu и в урбаноземе газона Коптевского бульвара, возрастая с глубиной с 20 до 46 мг/кг почвы.

В верхней полуметровой толще урбаноземов средневзвешенное валовое содержание Mn варьирует в пределах 319–584 мг/кг, количество валового Zn составило 80–376 мг/кг, а валовой Cu 26–130 мг/кг почвы.

Валовое содержание условно необходимых растениям микроэлементов также неоднозначно изменяется по профилю урбаноземов. Так в урбаноземах парка Дубки и междомовой территории содержание Pb увеличивается с 40 и 58 мг/кг в горизонте Uh до 56 и 206 мг/кг в слое UII и уменьшается до 27 и 81 мг/кг почвы в слое UIII соответственно. В урбаноземе газона Тимирязевской улицы содержание Pb в горизонте Uh составило 229 мг/кг, в слое UII его количество резко снижается до 
62 мг/кг, а в слое UIII возрастает до 86 мг/кг почвы. В урбаноземе сквера содержание валового Pb составило всего лишь 21-27 мг/кг почвы, а в урбаноземе газона Коптевского бульвара возрастает вниз по профилю с 13 до 30 и 44 мг/кг почвы. В меньшей мере варьирует валовое содержание Cr. В урбаноземах парка Дубки и газона Тимирязевской улицы его количество снижается с 54 и 37 мг/кг в горизонтах Uh до 40 и 17 мг/кг в нижележащей части профиля. В урбаноземах газонов междомовой территории и сквера содержание Cr в горизонтах Uh равно 
34 ­мг/кг почвы, в слое UII оно снижается до 24 и 30 мг/кг, а в слое UIII возрастает до 34 и 40 мг/кг соответственно. В урбаноземе газона Коптевского бульвара содержание Cr постепенно снижается вниз по профилю с 30 мг/кг в горизонте Uh до 20 и 17 мг/кг в слоях UII и UIII.

Меньше всего среди условно необходимых микроэлементов в урбаноземах Ni. В большинстве почв его содержание находится в интервале 21–30 мг/кг почвы с более или менее выраженной тенденцией к преимущественному накоплению в горизонте Uh. В урбаноземе междомовой территории содержание валового Ni составило 16–21 мг/кг почвы.

Средневзвешенное содержание условно необходимых микроэлементов в верхней 50-сантиметровой толще урбаноземов составило: Pb – 22–117, Cr – 20–43, Ni – 17–24 мг/кг почвы.

В большинстве случаев урбаноземы заметно отличаются от дерново-подзолистой почвы не только валовым содержанием микроэлементов, но и характером их распределения по профилю почв. При этом варьирование валового содержания микроэлементов по профилю урбаноземов обусловлено не только их миграцией под влиянием почвообразования, влияет на это и исходное содержание микроэлементов в насыпных почвогрунтах, которые использовались при создании и реконструкции газонов. Чаще в урбаноземах отмечается более высокое содержание микроэлементов, нежели в дерново-подзолистой почве. Так в гумусовых горизонтах урбаноземов содержится больше Ni (в ­1,1–1,5 раза), за исключением урбанозема газона Коптевского бульвара, в 1,8–3,4 раза больше Cu и в 2,2–12,4 раза больше Zn. Кроме того, в урбаноземе парка Дубки содержится больше Mn (в 1,3 раза) и Cr (в 1,2 раза), в урбаноземах газонов Тимирязевской улицы и междомовой территории больше Pb – в 5,0 и 1,3 раза соответственно.

По сравнению с дерново-подзолистой почвой в верхнем 50 см слое все урбаноземы содержат больше Pb (в 1,1–5,6 раза) и особенно Cu и Zn, в 1,7–8,7 и 2,4–11,1 раза соответственно. Также в большинстве урбаноземов в 1,1–1,6 раза больше Mn и в 1,4 раза Ni. При этом в отличие от дерново-подзолистой почвы, в урбаноземах не всегда самое высокое содержание микроэлементов приурочено к гумусовому горизонту Uh. Так, например, в урбаноземах парка Дубки и междомовой территории больше всего Pb содержится в горизонте UII, а в урбаноземе сквера Mn. В горизонте UIII урбанозема газона Коптевского бульвара содержится больше всего Cu, Zn, Mn и Pb.

О накоплении химических элементов в почвах сверх естественного уровня можно судить по величине коэффициента концентрации (Кс) равным отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновому значению [12].

Фоновое содержание валовой формы некоторых тяжелых металлов для суглинистых и глинистых почв (почвогрунтов) г. Москвы составляет: Zn – 45, Pb – 15, Cu – 15, Ni – 20, Mn – 670, Cr – 46 мг/кг почвы [4]. Если исходить из этих значений, то судя по коэффициенту Кс в гумусовом горизонте А1 дерново-подзолистой почвы валовое содержание Ni соответствует фону, а содержание Cr меньше фонового. Количества Mn, Zn, Cu и Pb превышают фоновые значения в 1,1, 1,2, 1,6 и 3,1 раза соответственно (табл. 3).

Таблица 3 – Коэффициенты концентрации (Кс) микроэлементов в гумусовом горизонте почв Северного административного округа г. Москвы

Это свидетельствует о том, что заповедные и природоохранные территории г. Москвы также подвергаются антропогенному загрязнению в результате аэральных выпадений.

Более высокий уровень загрязнения некоторыми микроэлементами отмечается в гумусовых горизонтах урбаноземах. Так коэффициент Кс Zn варьирует в пределах 1,3–15,5, а Ni 
1,1–1,5. Коэффициент Кс Cu в урбаноземе газона Коптевского бульвара составил 1,3 и меньше, чем у дерново-подзолистой почвы, тогда как в остальных урбаноземах он изменяется от 2,8 до 5,4. Коэффициент Кс Pb в урбаноземе газона Коптевского бульвара равен 0,9, а в урбаноземах сквера и парка Дубки составил 1,8 и 2,7 соответственно, что меньше, чем у дерново-подзолистой почвы. Коэффициенты Кс Pb в урбаноземах газонов междомовой территории и Ти­мирязевской улицы заметно выше и равны 3,9 и 15,3. Что же касается Mn и Cr, то судя по коэффициентам Кс равным 1,4 и 1,2, только в урбаноземе парка Дубки их концентрации повышены. В остальных урбаноземах валовое содержание Mn и Cr в гумусовом слое ниже фоновых значений. Если рассматривать верхний 50-ти сантиметровый слой дерново-подзолистой почвы, то в нем, судя по коэффициенту Кс равному 1,0, средневзвешенное валовое содержание Cu соответствует фоновому значению, а количества Mn, Zn, Cr и Ni меньше фоновых значений, тогда как коэффициент Кс Pb равный 1,4 свидетельствует о превышении этим элементом фонового уровня (табл. 4).

Таблица 4 – Коэффициенты концентрации микроэлементов в слое 
0–50 см почв Северного административного округа г. Москвы

В верхней полуметровой толще урбаноземов уровень накопления некоторых микроэлементов существенно выше. Так коэффициент Кс Cu варьирует в пределах 1,7-8,7, коэффициент Кс Zn изменяется от 1,8 до 8,4, а Pb – от 1,5 до 7,8. Коэффициент Кс Ni у всех урбаноземов, за исключением урбанозема газона междомовой территории составил 1,2. При этом валовое содержание Mn и Cr в урбаноземах, как и в дерново-подзолистой почве, ниже фоновых значений.

Для оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами используют показатели ОДК, причем при попадании в разряд тяжелых металлов Pb и Zn относят к первому, Cu, Cr и Ni ко второму, Mn к третьему классу опасности [8].

В дерново-подзолистой почве, как в гумусовом горизонте, так и особенно в верхнем слое мощностью 50 см валовое содержание Cu Zn Pb и Ni заметно меньше ОДК. В горизонтах Uh и верхней 50 см толще урбаноземов содержание тяжелых металлов во многих случаях выше, чем в дерново-подзолистой почве, что свидетельствует об их более сильном загрязнении. В гумусовых горизонтах урбаноземов в первую очередь накапливаются Cu, Zn и Ni, а в слое 0–50 см – Cu, Zn, Pb, Ni и в меньшей мере Mn. Если рассматривать гумусовые горизонты, то наиболее загрязненным является урбанозем газона Тимирязевской улицы. Здесь в горизонте Uh валовое содержание Pb и Zn выше ОДК в 1,8 и 3,2 раза соответственно. В верхней 50-ти сантиметровой толще урбанозема газона Тимирязевской улицы валовое содержание Zn в 1,2 раза выше ОДК, а количество Pb близко к ОДК. В урбаноземе междомовой территории валовое содержание Zn в слое 0–50 см в 1,7 раза превышает ОДК, а валовое содержание Cu и Pb почти достигает ОДК. В остальных урбаноземах валовое содержание Cu, Zn, Pb и Ni меньше ОДК и в горизонтах Uh и в слое 0–50 см.

Выводы

1. В гумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы Лесной опытной дачи валовое содержание марганца, цинка, меди и свинца превышает их фоновые значения для условий г. Москвы в 1,1, 1,2, 1,6 и 3,1 раза соответственно, что свидетельствует о загрязнении почв заповедных и природоохранных территорий города за счет аэральных выпадений.
2. По сравнению с дерново-подзолистой почвой все урбаноземы характеризуются более высо­ким валовым содержанием микроэлементов. В верхней полуметровой толще они содержат больше: свинца – 
   в ­1,1–5,6 раза, меди – в 1,7–8,7 раза, цинка – в 2,4–11,1 раза. Также в большинстве урбаноземов в 1,1–1,6 раза выше валовое содержание марганца и в 1,4 раза никеля. Причем коэффициент Кс Cu составил 1,7–8,7, Zn ­1,8–8,4, Pb 1,5–7,8. Коэффициент Кс Ni у всех урбаноземов, за исключением урбанозема газона междомовой территории равен 1,2. При этом валовое содержание Mn и Cr в урбаноземах, как и в дерново-подзолистой почве, ниже фоновых значений.
3. В гумусовом горизонте ­урбанозема газона Тимирязевской ули­­цы валовое содержание свинца и цин­ка в 1,8 и 3,2 раза выше ОДК, а в слое 0–50 см урбаноземов газона Тимирязеской улицы и междомовой территории валовое содержание цинка в 1,2 и 1,7 раза выше ОДК, содержание меди и свинца близко к ОДК.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белопухов С. Л., Сюняев Н. К., Тютюнькова М. В. Химия окружающей среды. ‒ М. : Проспект, 2016. ‒ 240 с.
2. Грачева Н. М. Влияние антропогенного загрязнения на лесорастительные свойства дерново-подзолистых почв: автореферат кандидатской диссертации. ‒ М. : ТСХА, 1992. ‒ 16 с.
3. Карпухин А. И., Илахун А., Торшин С. П. Координационные соединения органических веществ почв с ионами металлов и влияние комплексонатов на их доступность. ‒ М. : Изд-во ВНИИА, 2010. ‒ 272 с.
4. Белопухов С. Л., Джанчаров Т. М. Оценка воздействия предприятий малой энергетики и промышленности на почвы: учебное пособие. ‒ М. : ООО «Сам Полиграфист», 2015. ‒ 120 с.
5. Ладонин Н. Н. Химический состав почв и растительности антропогенно нарушенных экосистем Юго-Восточного административного округа г. Москвы: автореферат кандидатской диссертации. ‒ М.: 1999. ‒ 23 с.
6. Белопухов С. Л., Буряков Н. П., Шнее Т. В. Химическая сертификация сельскохозяйственной продукции. ‒ М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева, 2012. ‒ 160 с.
7. Мотузова Г. В. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг ‒ Изд. 3-е. ‒ М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. ‒ 168 с.
8. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве // Гигиенические нормативы ГН 2.1.7. 2511-09. ‒ М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. ‒ 10 с.
9. Шнее Т. В., Старых С. Э., Фё­до­рова Т. А., Маслова М. Д., и др. Изменение физико-химических свойств почвенных коллоидов в зависимости от ионного состава почвенного поглощающего комплекса // Плодородие. ‒ 2014. ‒ № 3. ‒ С. 33–35
10. Почвы мегаполисов, их экологическая оценка, использование и создание (на примере г. Москвы) / В. И. Савич, Ю. В. Федорин, Е. Г. Химина, Г. П. Тощева [и др.] ‒ М. : Агробизнесцентр, 2007. ‒ 660 с.
11. Смагин А. В. Экологическая оценка и менеджмент городских почв // Почвы в биосфере и жизни человека. ‒ М. : МГУ, 2012. ‒ С. 393–446.
12. Са­­вич В. И., Белопухов С. Л., Се­дых В. А., Никиточкин Д. Н. Агро-экологическая оценка комп­лексных соединений почв // Из­вестия ТСХА. ‒ 2013. ‒ № 6. ‒ С. 5–11.
13. Alloway B. J. Heavy metals in soil. ‒ London: Blackie, 1990. ‒ 339 p.
14. Bridges E. M. Soils in the urban jungle // Geografical magazine. ‒ 1989. ‒ Vol. 61. ‒ P. 1–4.
15. Stevenson F. J. Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions. ‒ John Wiley& Sons, 1994. ‒ 496 p.
16. Gray C. W., Mclaren R. G. Soil factors affecting heavy metal solubili-ty in some New Zealand soils //Water, Air and Soil Pollution. ‒ 2006. ‒ Vоl.175. ‒ P. 3–14.

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство

• Назад
• Вперед