Распределение тяжелых металлов и радионуклидов в почвах природных и агроэкосистем северо-востока Лужской возвышенности
Введение …………………………………………………………………………………………………. 3
Глава 1. Тяжелые металлы (Ni, Cu, Cd) и естественные радионуклиды
(226Ra, 232Th) в почвах ……………………………………………………………………………….
1.1. Естественная радиоактивность почвы ……………………………………………. 10
1.2. Искусственное радиоактивное загрязнение почвы …………………………. 16
1.3. Источники содержания тяжелых металлов (Cd, Ni, Cu) в почве ……… 22
1.4. Факторы, влияющие на подвижность тяжелых металлов и
радионуклидов в почве …………………………………………………………………………
1.5. Нормирование содержания тяжелых металлов и радионуклидов в
почве и мероприятия, направленные на рекультивацию почв ………………..
Глава 2. Объекты и методы исследования ………………………………………………… 45
2.1.1. Объекты исследования ……………………………………………………………….. 45
2.1.2. Факторы почвообразования ………………………………………………………… 47
2.2. Методика почвенно-экологического мониторинга (принципы
закладки почвенных разрезов, отбор почвенных и растительных проб) …
2.3. Химические методы исследования почв и растений ……………………….. 54
2.4. Радиометрические методы исследования почв ……………………………….. 55
Глава 3. Результаты исследований …………………………………………………………… 57
3.1. Почвы обследуемой территории ……………………………………………………. 57
3.2. Агрохимические свойства почв Лужской возвышенности ………………. 59
3.3. Содержание тяжелых металлов в почвах Лужской возвышенности … 76
3.4. Содержание тяжелых металлов в фитоценозах Лужской
возвышенности …………………………………………………………………………………….
3.5. Содержание радионуклидов в почвах Лужской возвышенности ……… 95
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 106
Перспективы дальнейшей разработки темы ……………………………………………… 109
Список сокращений …………………………………………………………………………………. 110
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 111
Приложения ……………………………………………………………………………………………. 136
Приложение А – Описание почвенных разрезов ………………………………………. 137
В первой главе «Тяжелые металлы (Ni, Cu, Cd) и естественные
радионуклиды (226Ra и 232Th) в почвах» представлен литературный обзор,
посвященный современным научным представлениям о свойствах и поведении
Cd, Cu, Ni, 226Ra, 232Th и 137Cs в почве. Проанализированы данные,
характеризующие источники загрязнения агроэкосистем тяжелыми металлами
и радионуклидами, дан теоретический анализ результатов научных
исследований по выявлению факторов, воздействующих на поведение тяжелых
металлов в почве, рассмотрены вопросы нормирования содержания
загрязняющих веществ в почве.
Во второй главе «Объекты и методы исследований» описаны объекты
исследования: почвы, находящиеся на территории северо-восточной части
Лужской возвышенности и факторы их образования. В ходе почвенно-
экологического мониторинга было заложено 23 почвенных разреза в пойме
реки Оредеж и на холмисто-грядовой надпойменной части рельефа,
занимающей 83% рассматриваемой территории. Всего обследовано 115 га
территории. При закладке почвенных разрезов учитывалась принадлежность
территории к сельскохозяйственным угодьям или естественным экосистемам.
Сельскохозяйственные угодья представлены многолетними залежами и
занимают 34% обследованной территории.
Образцы почв были отобраны из каждого почвенного горизонта и
проанализированы в лаборатории в соответствии с общепринятыми и
аттестованными методами, а также методами ГОСТ с целью определения
показателей агрохимической характеристики почв: содержания углерода
органических соединений, обменной и гидролитической кислотности, суммы
поглощенных оснований, содержания подвижного фосфора и калия в почве.
Валовое содержание Ni, Cu, Cd, Fe в почве и содержание Ni, Cu, Cd в
растительных пробах было определено атомно-абсорбционным методом, а
содержание 226Ra, 232Th и 137Cs оценивалось по удельной активности гамма-
спектрометрическим методом. С пяти почвенных разрезов были отобраны
растительные пробы. Растения были разобраны по ботаническому составу для
определения содержания тяжелых металлов.
В главе изложена методология почвенно-экологических исследований,
химического и радиометрического анализа почв и растений. Математическая
обработка результатов исследования была проведена методами вариационного,
корреляционного анализов с использованием компьютерной программы
Microsoft Excel.
В третьей главе «Результаты исследований» описаны результаты
проделанной диссертационной работы. Выводы, сделанные на основании
полученных данных, приведены в заключении диссертационной работы.
Почвы обследуемой территории. Для систематизации результатов
исследования все почвы были разделены на 4 категории (выборки):
1) почвыестественныхэкосистем,сформированныена
флювиогляциальных песках и двучленных породах: дерново-
среднеподзолистая песчаная контактно-глеевая на флювиогляциальных
песках, подстилаемая красно-бурым моренным суглинком (I разрез);
дерново-слабоподзолистаяпесчанаяконтактно-глееваяна
флювиогляциальных песках, подстилаемая красно-бурым моренным
суглинком (II и V разрез); дерново-слабоподзолистая песчаная
иллювиально-железистая на флювиогляциальных песках (III, VIII, IX
разрезы); неглубокоподзолистая песчаная иллювиально-железистая на
флювиогляциальныхпесках(IVиXразрезы);дерново-
сильноподзолистая песчаная контактно-глеевая на флювиогляциальных
песках, подстилаемая красно-бурым моренным суглинком (VI разрез);
дерново-среднеподзолистая песчаная иллювиально-железистая на
флювиогляциальных песках (VII разрез);
2) постагрогенные почвы, сформированные на флювиогляциальных песках
идвучленныхпородах:дерново-слабоподзолистаяпесчаная
иллювиально-железистая на флювиогляциальных песках (XI, XII, XVI
разрезы); дерново-слабоподзолистая песчаная иллювиально-железистая
на флювиогляциальных песках, подстилаемая красно-бурым моренным
суглинком (XIII разрез);дерново-слабоподзолистая супесчаная
иллювиально-железистая на флювиогляциальных песках (XIV разрез);
дерново-среднеподзолистаясупесчанаяконтактно-глееваяна
флювиогляциальных песках, подстилаемая красно-бурым моренным
суглинком (XV разрез);
3) постагрогенные почвы, сформированные на красно-буром моренном
суглинке: дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая глееватая
обычнаянаморенномсуглинке(XVIIразрез); дерново-
слабоподзолистая среднесуглинистая глееватая обычная на моренном
суглинке (XVIII разрез); дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая
обычная на моренном суглинке (XIX разрез);
4) аллювиальные почвы: аллювиальная дерновая песчаная на аллювии
(XX разрез); аллювиальная лугово-болотная среднесуглинистая на
аллювии (XXI разрез); аллювиально-луговая среднесуглинистая на
аллювии (XXII разрез); аллювиально-болотная иловато-перегнойная на
аллювии (XXIII разрез).
Почвенно-экологический мониторинг показал, что на территории северо-
востока Лужской возвышенности преобладают дерново-подзолистые и
подзолистые почвы легкого гранулометрического состава, сформированные на
флювиогляциальных песках, а также на флювиогляциальных песках,
подстилаемых красно-бурым моренным суглинком (рисунок 1).
Дерново-подзолистые и подзолистые на
флювиогляциальных песках
39Дерново-подзолистые на двучлене
Аллювиальные
Дерново-подзолистые на морене
Рисунок 1 – Состав почв обследуемой территории (%)
Агрохимические свойства почв Лужской возвышенности. Почвы
естественных экосистем, характеризуются типичными для территории Северо-
Запада РФ агрохимическими показателями (повышенная кислотность, низкое
содержание углерода органических соединений и поглощенных оснований), что
обусловлено промывным водным режимом и деятельностью подзолистого
процесса (таблица 1).
Таблица 1 – Агрохимические показатели почв естественных экосистем, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах
ГоризонтA1A2BBCCD
Cорг, %0,88±0,260,45±0,270,83±0,740,25±0,180,47±0,230,57±0,11
Агрохимические показатели*
pHKCI4,03±0,593,65±0,504,61±0,864,90±0,644,61±0,604,01±0,44
Hг,
3,15±1,371,08±0,341,37±0,991,16±0,670,80±0,221,55±0,73
ммоль/100г
S,
0,96±0,450,67±0,351,28±1,091,42±0,941,73±1,221,63±1,13
ммоль/100г
V, %25,3±13,042,6±11,543,1±21,452,0±23,857,40±27,949,5±23,8
Подвижный
10,20±5,58 4,56± 2,31 38,80±22,4 36,90±17,30 44,85±29,40 38,96±50,91
P2O5, мг/кг
Подвижный
16,90±9,4 8,52±5,81 14,90±7,90 13,41±14,20 19,10±18,03 54,72±3,30
K2O, мг/кг
Fe, мг/кг699±3603594±3396 6416±61591613±3454260±5242 14509±4534
* данные получены по результатам статистической обработки десяти почвенных разрезов
В гумусовом горизонте естественных экосистем коэффициенты вариации
содержания углерода органических соединений и обменной кислотности
существенно ниже коэффициентов вариации остальных агрохимических
показателей, которые приближаются к 50% (таблица 2).
Таблица 2 – Коэффициенты вариации агрохимических показателей почв естественных
экосистем, сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах, %
Агрохимические показатели
ГоризонтПодвижные формы
CоргpHKCIHгSVFe
P 2 O5 K2O
A129,314,743,546,851,554,955,551,6
A259,613,831,353,027,150,767,794,5
B88,718,672,185,649,657,952,896,0
BC74,313,158,066,245,946,910521,4
C48,613,127,970,448,765,694,4123
D19,810,847,169,648,11306,031,2
В постагрогенных почвах слабее выражены кислотные свойства по
сравнению с почвами естественных экосистем (отсутствует ярко выраженный
подзолистый горизонт, степень насыщенности основаниями выше в 2,4 раза)
(таблица 3). Содержание подвижных форм фосфора и калия в этих почвах выше
в 13,3 и 1,6 раза соответственно, чем в почвах естественных экосистем.
Таблица 3 – Агрохимические показатели постагрогенных почв, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах
ГоризонтA1A2BBCCD
Cорг, %1,35 ±0,851,560,64±0,300,50±0,360,93±1,150,24±0,17
Агрохимические показатели*
pHKCI4,51±0,524,704,82±0,495,11 ±0,514,89±0,144,46±0,82
Hг,
2,20±0,481,371,21±0,410,74±0,301,03±0 211,92±1,81
ммоль/100г
S,
3,64±1,171,402,84±1,682,61 ±2,282,36±0,515,66±5,18
ммоль/100г
V, %61,7±7,350,565,3±19,271,0±14,469,2±9,075,1 ±0,9
Подвижный
136±11562,5053,70±40,20 43,20±33,90 35,70±4,50 26,10±33,80
P2O5, мг/кг
Подвижный
27,45±28,0023,0013,64±12,14 12,20±7,30 67,10 ±58,20 42,90±0,30
K2O, мг/кг
Fe, мг/кг4785±387329108388±81216636±45649012±25479206±9088
* данные получены по результатам статистической обработки шести почвенных разрезов
Сельскохозяйственное использование почв в прошлом способствовало
увеличениюпространственнойизменчивостисодержанияуглерода
органических соединений, подвижных форм фосфора и калия, валового
содержания железа и, наоборот, стабилизировало кислотно-основные свойства
почв в гумусовом горизонте (таблица 4).
Таблица 4 – Коэффициенты вариации агрохимических показателей постагрогенных почв,
сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах, %
Агрохимические показатели
Горизонт
Подвижные формы
CоргpHKCIHгSVFe
P 2 O5 K2O
A163,111,521,632,011,884,610281,0
A2––––––––
B46,310,234,258,929,474,889,096,8
BC71,910,040,387,420,378,559,968,8
C1232,820,621,612,912,686,928,2
D70,718,494,391,41,21290,798,7
Распределение тяжелых металлов в почвах Лужской возвышенности.
Фоновое валовое содержание тяжелых металлов в гумусовом горизонте почв
естественных экосистем (рисунок 2) составило: 1,23±0,69 мг/кг (Ni), 2,53±0,74
мг/кг (Cu), 0,12±0,06 мг/кг (Cd).
Сельскохозяйственное использование дерново-подзолистых почв на
флювиогляциальных песках и двучленных породах не привело к
существенному изменению в содержании никеля и кадмия в гумусовом
горизонте. Валовое содержание меди было в 3 раза выше в постагрогенных
почвах, по сравнению с почвами естественных экосистем (рисунок 3).
Коэффициенты концентрации изучаемых химических элементов в
гумусовом горизонте почв естественных экосистем составили: 0,11 (Ni); 0,17
(Cu); 0,22 (Cd); в постагрогенных почвах легкого гранулометрического состава:
0,20 (Ni); 0,51 (Cu); 0,16 (Cd). Таким образом, валовое содержание тяжелых
металлов не превышает фоновые уровни, характерные для почв Северо-Запада
РФ.
Коэффициенты вариации валового содержания Ni, Cu и Cd, в гумусовом
горизонте дерново-подзолистых и подзолистых почв естественных экосистем
составили 57, 29 и 47% соответственно. В постагрогенных почвах
коэффициенты вариации содержания меди и кадмия были выше в 2,2 и 1,6 раза.
В большинстве обследованных почв легкого гранулометрического состава
среднее содержание Ni и Cu возрастало вниз по профилю, распределение Cd по
почвенному профилю было более равномерным.
Рисунок 2 – Содержание тяжелых металлов в почвах естественных экосистем,
сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах
Рисунок 3 – Содержание тяжелых металлов в постагрогенных почвах, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах
Средние показатели содержания тяжелых металлов в гумусовом горизонте
дерново-подзолистых почв, сформированных на красно-буром моренном
суглинке выше, чем в почвах легкого гранулометрического состава
естественных экосистем и агроэкосистем, соответственно: Ni в 15 и 8 раз, Cu –
в 3,7 и 1,2 раза, Cd – в 2 и 3 раза (рисунок 4).
Содержание тяжелых металлов в гумусовом горизонте аллювиальных почв
выше, чем в почвах автоморфных ландшафтов: Ni – в 2–28 раз, Cu – в 2–8 раз,
Cd – в 10–14 раз (рисунок 5). На обследуемой территории Лужской
возвышенности встречаются аллювиальные почвы трех групп: дерновые,
луговые и болотные, различающиеся местоположением в рельефе местности.
Между собой эти почвы значительно отличаются по содержанию тяжелых
металлов. При усреднении валового содержания тяжелых металлов по типу
почвы проявляется высокая вариабельность содержания никеля (41%), меди
(65%) и кадмия (92%).
Рисунок 4 – Содержание тяжелых металлов в постагрогенных почвах, сформированных
на моренном суглинке
Рисунок 5 – Содержание тяжелых металлов в аллювиальных почвах
Корреляционный анализ показал, что валовое содержание Ni, Cu, Cd в
почвах северо-востока Лужской возвышенности имеет достоверную
положительную связь с суммой поглощенных оснований, гидролитической
кислотностью, содержанием углерода органических соединений, подвижным
калием, валовым содержанием железа в почве, и не зависит от обменной
кислотности почвы и содержания в ней подвижного фосфора (таблица 5).
Таблица 5 – Корреляционная зависимость валового содержания Ni, Cu, Cd
от агрохимических показателей почвы1
NiCuCd
Агрохимический
t факт.t факт.t факт.
показательnrnrnr
t теор .t теор .t теор .
Cорг590,461,8590,361,5610,734,1
рНKCl61-0,280,660-0,19-0,863-0,200,8
Нг570,684,7570,482,0590,784,7
S610,8410,0600,744,2630,542,5
V,%560,320,8560,421,7580,060,3
Подвижный P2O558-0,120,1560,070,359-0,010,1
Подвижный K2O590,664,4590,713,8610,592,8
Fe630,563,0610,532,4630,401,7
СодержаниетяжелыхметалловвфитоценозахЛужской
возвышенности. Содержание тяжелых металлов было определено в растениях
29 видов. Различия по содержанию никеля, меди, кадмия в растениях составили
115, 19, 192 раза, соответственно, и зависели от генетических особенностей
растений. Максимальное накопление никеля отмечено в кладонии
бесформенной (Cladonia deformis L.), произрастающей на дерново-
слабоподзолистойпесчанойиллювиально-железистойпочвена
флювиогляциальных песках, его содержание составило 52,98±5,75 мг/кг.
Наибольшее содержание меди (46,35±13,80 мг/кг) и кадмия (1,92±0,53 мг/кг)
зафиксировано в иве белой (Salix alba L.) на аллювиальной лугово-болотной
среднесуглинистой почве. Минимальное содержание тяжелых металлов
Расчеты выполнены на 5%-м уровне значимости. Если отношениеtфакт. t теор . 1 , то корреляционная связь
существенна
отмечено в бруснике обыкновенной (Vaccinium vitis-idaea, L.) – 0,46±0,14 мг/кг
(Ni); овсяннице луговой (Festuca pratensis, L.) – 2,42±0,60 мг/кг (Cu); вереске
обыкновенном (Calluna vulgaris L.) – менее 0,01 мг/кг (Cd).
Распределение радионуклидов в почвах Лужской возвышенности.
Содержание 232Th в гумусовом горизонте почв зависит от условий
почвообразования, в частности от почвообразующей породы и режима
увлажнения почв. Так, удельная активность 232Th в гумусовом горизонте
аллювиальных почв (4-я категория) в среднем 53,6±13,8 Бк/кг, что в 1,4 раза
больше, чем в дерново-подзолистых почвах, сформированных на красно-буром
моренном суглинке (3-я категория), и в 3 раза больше, чем в дерново-
подзолистых и подзолистых почвах, сформированных на флювиогляциальных
песках и двучленных породах (рисунок 6). Показатели средней удельной
активности 232Th в гумусовом горизонте почв 1 и 2 категории существенно не
различаются, при одинаковой вариабельности – 32%.
В гумусовом горизонте исследованных почв удельная активность 226Ra в
среднем составляла 41,6 Бк/кг. В профиле дерново-подзолистых и подзолистых
почв, сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах,
содержание радионуклида возрастало вниз по профилю (рисунок 7).
Рисунок 6 – Содержание 232Th в почвах, сформированных на разных почвообразующих
породах
Среднее значение удельной активности радия-226 в гумусовом горизонте
почв естественных экосистем на флювиогляциальных песках и двучленной
породе (1 категория) в 1,6 раза больше, чем в постагрогенных почвах,
сформированных на тех же породах (2 категория). Однако в связи с высокой
вариабельностью этого показателя в почвах 1-й категории (38%) и
недостаточным количеством представленных данных для почв 2-й категории,
достоверность этого явления не подтверждена.
В аллювиальных почвах содержание Ra-226 снижалось вниз по профилю.
Высокая удельная активность радия и тория в верхнем горизонте этих почв, по-
видимому, связана с привносом обогащенных радионуклидами илистых частиц
водами реки Оредеж в период половодья.
Рисунок 7 – Содержание 226Ra в почвах, сформированных на разных почвообразующих
породах
В результате аварии на Чернобыльской АЭС 137Cs, в составе атмосферных
аэрозольных выпадений, попал на территорию Ленинградской области, в
результате чего почвенный покров оказался загрязнен крайне неравномерно.
Цезий-137 зафиксирован в 11 почвенных разрезах (из 23), что соответствует
47,8% обследуемой территории.
В минеральных почвах 137Cs идентифицирован только в верхних
горизонтах, до глубины 54 см, с активностью в диапазоне от 7,81 до 63,93
Бк/кг. В аллювиально-болотной иловато-перегнойной почве его удельная
активность в верхнем гумусовом горизонте составила – 952±92 Бк/кг. В этом
объекте исследования Cs-137 обнаружен и в последующем глеевом горизонте.
Здесь его удельная активность в 16 раз меньше.
Корреляционный анализ, в процессе которого все почвы были объединены
в общую выборку, показал, что удельная активность 226Ra в почвах достоверно
зависит от гидролитической кислотности почвы (таблица 6). При этом связь
между показателями прямо пропорциональная слабая.
Таблица 6 – Корреляционная зависимость содержания 226Ra, 232Th и 137Cs в почве
от её агрохимических показателей2
226232137
RaThCs
Агрохимический
t факт.t факт.t факт.
показательnrnrNr
t теор .t теор .t теор .
Cорг420,220,7520,401,580,240,3
рНKCl42-0,250,853-0,271,090,741,2
Нг380,411,3490,632,780,070,1
S420,290,9530,693,49-0,22-0,2
V37-0,24-0,7480,291,08-0,24-0,2
Подвижный P2O540-0,16-0,549-0,190,680,160,2
Подвижный K2O400,250,8510,612,68-0,040,0
Fe390,160,5480,421,58-0,59-0,7
Удельная активность тория-232 в почвах достоверно зависела от
содержания органического вещества, кислотности почвы, суммы поглощенных
оснований, содержания подвижного калия и валового содержания железа.
Наиболее сильная корреляционная зависимость выявлена между содержанием
Th с одной стороны и суммой поглощенных оснований и содержанием
подвижного калия с другой стороны.
Распределение искусственного радионуклида 137Cs в почвах достоверно
зависело от обменной кислотности почвы (рНKCl). Между показателями
обнаружена тесная прямая положительная корреляционная связь.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На северо-востоке Лужской возвышенности преобладают дерново-
подзолистые и подзолистые почвы легкого гранулометрического состава,
сформированныенафлювиогляциальныхпесках,атакжена
флювиогляциальных песках, подстилаемых красно-бурым моренным
суглинком.
2. На территории естественных экосистем в гумусовом горизонте дерново-
подзолистых и подзолистых почв, сформированных на флювиогляциальных
песках и двучленных породах, наибольшая пространственная изменчивость с
коэффициентами вариации около 50% характерна для показателей
Расчеты выполнены на 5%-м уровне значимости. Если отношениеtфакт. t теор . 1 , то корреляционная связь
существенна
гидролитической кислотности, суммы поглощенных оснований, степени
насыщенности почвы основаниями, содержания подвижных соединений
фосфора и калия, валового содержания железа. Коэффициенты вариации
содержания углерода органических соединений и обменной кислотности
существенно ниже. Сельскохозяйственное использование почв способствовало
увеличениюпространственнойизменчивостисодержанияуглерода
органических соединений, подвижных форм фосфора и калия, валового
содержания железа и понизило изменчивость кислотно-основных свойств почв.
3. На территории естественных экосистем северо-востока Лужской
возвышенности валовое содержание Ni, Cu и Cd в гумусовом горизонте почв
подзолистого типа почвообразования, сформированных на флювиогляциальных
песках и двучленных породах, составило соответственно: 1,23±0,69 мг/кг,
2,53±0,74 мг/кг и 0,12±0,06 мг/кг почвы. В гумусовом горизонте
постагрогенных почв валовое содержание тяжелых металлов не имело
существенных различий с почвами естественных экосистем. Однако под
влиянием сельскохозяйственной деятельности в постагрогенных почвах
отмечено 3-х кратное превышение валового содержания меди, а также
коэффициента концентрации этого элемента, по сравнению с почвами
естественных экосистем.
4. На территории агроэкосистем валовое содержание тяжелых металлов в
дерново-подзолистых почвах на моренном суглинке и в аллювиальных почвах
былозначительновыше,чемвпочвах, сформированныхна
флювиогляциальных песках и двучленных породах. Так, содержание Ni в
почвах на моренном суглинке в среднем было выше в 12 раз, Cu – в 2 раза, Cd –
в 3 раза; в аллювиальных почвах содержание Ni было выше в 22 раза, Cu – в 2
раза, Cd – в 10 раз. По-видимому, эти различия, объясняются особенностями
генезиса почв.
5. Выявлена достоверная прямая корреляционная связь между валовым
содержанием Ni, Cu, Cd в почвах Лужской возвышенности, с одной стороны, и
показателями гидролитической кислотности, суммы поглощенных оснований,
содержания углерода органических соединений, подвижного калия, валового
содержания железа в почве, с другой стороны.
6. Содержание естественного радионуклида 232Th в почвах Лужской
возвышенности зависело от типа почвы и типа почвообразующей породы.
В гумусовом горизонте почв удельная активность радионуклида возрастала в
ряду: дерново-подзолистые и подзолистые почвы, сформированные на
флювиогляциальных песках и двучленных породах (17,8 Бк/кг), дерново-
подзолистые почвы на моренном суглинке (38,4 Бк/кг), аллювиальные почвы
(53,6 Бк/кг). Выявлена достоверная прямая корреляционная связь удельной
активности 232Th с содержанием углерода органических соединений, суммой
поглощенных оснований, гидролитической кислотностью, содержанием
подвижного калия и валовым содержанием железа в почве.
7. В гумусовом горизонте почв подзолистого типа почвообразования,
сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах, а
также в аллювиальных почвах, удельная активность 226Ra существенно не
различалась и в среднем составила 41,6 Бк/кг. Тип распределения 226Ra в
профиле аллювиальных почв гумусово-аккумулятивный, в почвах подзолистого
типа почвообразования содержание радионуклида постепенно увеличивалось
вниз по профилю. Содержание 226Ra в почвах достоверно зависело от величины
гидролитической кислотности почвы.
8. Доля почв, загрязненных искусственным радионуклидом 137Cs с
удельной активностью 7,8–952 Бк/кг почвы, составила 48% обследуемой
территории. Максимальное содержание радиоцезия определено в профиле
аллювиальных почв. Удельная активность 137Cs в почвах достоверно связана
тесной прямой зависимостью с обменной кислотностью почвы (рНKCl).
9. Содержание тяжелых металлов в естественных фитоценозах Лужской
возвышенности зависело от физиологических особенностей растений и
изменялось в широком диапазоне. Наибольшие различия по содержанию Ni,
Cu, Cd в растениях составили 115, 19, 192 раза соответственно. Максимальное
накопление Ni отмечено в кладонии бесформенной (Cladonia deformis, L.),
произрастающей на дерново-слабоподзолистой песчаной иллювиально-
железистой почве на флювиогляциальных песках, а наибольшее содержание Cu
и Cd – в иве белой (Salix alba, L.) на аллювиальной лугово-болотной
среднесуглинистой почве. Минимальное содержание Ni отмечено в бруснике
обыкновенной (Vaccinium vitis-idaea, L.); Cu – в овсянице луговой (Festuca
pratensis, L.); Cd – в вереске обыкновенном (Calluna vulgaris L.).
Актуальность темы исследования. Хозяйственная деятельность человека
изменяет биосферу и постепенно превращает её в новую земную оболочку –
техносферу. Свойства техносферы могут значительно отличаться от фоновых
показателей биосферы, характерных для нормальной жизнедеятельности
организмов. Почва является ключевым компонентом биосферы, перекрестком
биогеохимических потоков вещества. Загрязнение почв приводит к
неблагоприятным изменениям качества природных вод, воздуха, пищевых
ресурсов человечества. Свойства почв определяют поступление химических
элементов, как эссенциальных, так и токсичных, в пищевые цепи [33, 116, 117].
К токсичным химическим элементам относится ряд тяжелых металлов и
металлоидов, а также радионуклидов, повышенное содержание которых в
продуктах растительного и животного происхождения может иметь
неблагоприятные последствия для здоровья людей. При этом некоторые из этих
элементов, такие как медь и никель, находясь в объектах природной среды в
фоновых концентрациях, играют важную биохимическую роль в
функционировании организмов. Положительная роль других микроэлементов,
таких как кадмий, а также ультрамикроэлементов, представленных в почве
радионуклидами, в жизнедеятельности организмов не выявлена [73].
При санитарно-гигиенической оценке почв сельскохозяйственного
назначения, а также почв населенных пунктов важным критерием определения
степени их загрязнения является показатель фонового содержания химического
элемента [94, 165]. Значение этого показателя в почвах сильно варьирует в
зависимости от минералогического состава почвообразующей породы и генезиса
почвы в целом. Для определения фонового содержания химических элементов в
почве требуется проведение экологического мониторинга почв природных и
сопредельных агроэкосистем, позволяющего оценить степень влияния почвенных
свойств на пространственную вариабельность этого показателя. В связи с этим,
исследования по установлению содержания тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) и
радионуклидов (232Th, 226
Ra) в почвах природных и агроэкосистем северо-востока
Лужской возвышенности являются актуальными.
Степень разработанности темы. В установление естественного содержания
меди, никеля и кадмия в дерново-подзолистых и подзолистых почвах значительный
вклад внесли исследования Н.Г. Зырина, Л.К. Садовниковой (1985),
В.А. Алексеенко, В.В. Добровольского (1992), М.М. Овчаренко, М.А. Шильникова
(1997), Ю.В. Алексеева (2008), Н.Г. Федорец, О.Н. Бахмет (2015) и др. [10, 11, 67,
112, 158]. Изучению естественной радиоактивности почв северо-запада и севера
России большое внимание уделено в работах Д.М. Рубцова (1972), Т.В. Гиль (1983),
В.Ф. Дричко, Э.П. Лисаченко (1984), Р.М. Алексахина, Н.П. Архипова и др. (1990),
Н.Г. Рачковой и И.И. Шухтомовой (2010) [8, 42, 59, 60, 131, 132, 135, 136].
По данным А.В. Литвиновича почвенный покров этого региона в связи со сложным
генезисом обладает наиболее высокой пестротой агрохимических свойств по
сравнению с почвами более южных областей [96], что вызывает необходимость
более детального изучения распределения тяжелых металлов и радионуклидов в
почвах, сформированных на разных почвообразующих породах и разных
элементах рельефа.
Цель работы: определение содержания тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) и
радионуклидов (226Ra, 232
Th, 137
Cs) в почвах естественных экосистем и
агроэкосистем северо-востока Лужской возвышенности, установление факторов,
влияющих на пространственное и внутрипочвенное распределение этих
химических элементов.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить основные разновидности почв территории северо-востока Лужской
возвышенности.
2. Оценить пространственную изменчивость агрохимических свойств почв
Лужской возвышенности.
3. Определить влияние сельскохозяйственного использования почв на
величину пространственной изменчивости агрохимических показателей почвы.
4. Определить валовое содержание тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) и
радионуклидов (232Th, 226Ra) в почвах.
5. Сравнить валовое содержание тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) в почвах,
сформированных на разных почвообразующих породах, на территории
естественных экосистем и агроэкосистем северо-востока Лужской возвышенности.
6. Сравнить валовое содержание естественных радионуклидов Th и
232 226
Ra в
почвах разных типов на территории естественных экосистем и агроэкосистем
северо-востока Лужской возвышенности.
7. Изучить взаимосвязь агрохимических свойств почв северо-востока Лужской
возвышенности с содержанием в них тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) и
радионуклидов (232Th, 226Ra, 137Cs).
8. Оценить степень загрязнения почв северо-востока Лужской возвышенности
искусственным радионуклидом 137Cs.
9. Исследовать накопление Ni, Cu, Cd в естественных фитоценозах северо-
востока Лужской возвышенности.
Научная новизна исследования. Впервые проведен сравнительный анализ
содержания тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd), а также радионуклидов (226Ra, 232
Th,
Cs), в подзолистых и дерново-подзолистых почвах естественных экосистем
137
В ходе выполнения диссертационного исследования были решены все
поставленные задачи. По его результатам можно сделать следующие выводы:
1. На северо-востоке Лужской возвышенности преобладают дерново-
подзолистые и подзолистые почвы легкого гранулометрического состава,
сформированные на флювиогляциальных песках, а также на
флювиогляциальных песках, подстилаемых красно-бурым моренным
суглинком.
2. На территории естественных экосистем в гумусовом горизонте
дерново-подзолистых и подзолистых почв, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах, наибольшая
пространственная изменчивость с коэффициентами вариации около 50%
характерна для показателей гидролитической кислотности, суммы
поглощенных оснований, степени насыщенности почвы основаниями,
содержания подвижных соединений фосфора и калия, валового содержания
железа. Коэффициенты вариации содержания углерода органических
соединений и обменной кислотности существенно ниже.
Сельскохозяйственное использование почв способствовало увеличению
пространственной изменчивости содержания углерода органических
соединений, подвижных форм фосфора и калия, валового содержания железа
и понизило изменчивость кислотно-основных свойств почв.
3. На территории естественных экосистем северо-востока Лужской
возвышенности валовое содержание Ni, Cu и Cd в гумусовом горизонте почв
подзолистого типа почвообразования, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах, составило
соответственно: 1,23±0,69 мг/кг, 2,53±0,74 мг/кг и 0,12±0,06 мг/кг почвы. В
гумусовом горизонте постагрогенных почв валовое содержание тяжелых
металлов не имело существенных различий с почвами естественных
экосистем. Однако под влиянием сельскохозяйственной деятельности в
постагрогенных почвах отмечено 3-х кратное превышение валового
содержания меди, а также коэффициента концентрации этого элемента, по
сравнению с почвами естественных экосистем.
4. На территории агроэкосистем валовое содержание тяжелых металлов в
дерново-подзолистых почвах на моренном суглинке и в аллювиальных почвах
было значительно выше, чем в почвах, сформированных на
флювиогляциальных песках и двучленных породах. Так, содержание Ni в
почвах на моренном суглинке в среднем было выше в 12 раз, Cu – в 2 раза, Cd
– в 3 раза; в аллювиальных почвах содержание Ni было выше в 22 раза, Cu – в
2 раза, Cd – в 10 раз. По-видимому, эти различия, объясняются особенностями
генезиса почв.
5. Выявлена достоверная прямая корреляционная связь между валовым
содержанием Ni, Cu, Cd в почвах Лужской возвышенности, с одной стороны,
и показателями гидролитической кислотности, суммы поглощенных
оснований, содержания углерода органических соединений, подвижного
калия, валового содержания железа в почве, с другой стороны.
6. Содержание естественного радионуклида 232
Th в почвах Лужской
возвышенности зависело от типа почвы и типа почвообразующей породы. В
гумусовом горизонте почв удельная активность радионуклида возрастала в
ряду: дерново-подзолистые и подзолистые почвы, сформированные на
флювиогляциальных песках и двучленных породах (17,8 Бк/кг), дерново-
подзолистые почвы на моренном суглинке (38,4 Бк/кг), аллювиальные почвы
(53,6 Бк/кг). Выявлена достоверная прямая корреляционная связь удельной
активности Th с содержанием углерода органических соединений, суммой
поглощенных оснований, гидролитической кислотностью, содержанием
подвижного калия и валовым содержанием железа в почве.
7. В гумусовом горизонте почв подзолистого типа почвообразования,
сформированных на флювиогляциальных песках и двучленных породах, а
также в аллювиальных почвах, удельная активность 226
Ra существенно не
различалась и в среднем составила 41,6 Бк/кг. Тип распределения 226
Ra в
профиле аллювиальных почв гумусово-аккумулятивный, в почвах
подзолистого типа почвообразования содержание радионуклида постепенно
увеличивалось вниз по профилю. Содержание 226
Ra в почвах достоверно
зависело от величины гидролитической кислотности почвы.
8. Доля почв, загрязненных искусственным радионуклидом 137
Cs с
удельной активностью 7,8–952 Бк/кг почвы, составила 48% обследуемой
территории. Максимальное содержание радиоцезия определено в профиле
аллювиальных почв. Удельная активность 137
Cs в почвах достоверно связана
тесной прямой зависимостью с обменной кислотностью почвы (рНKCl).
9. Содержание тяжелых металлов в естественных фитоценозах Лужской
возвышенности зависело от физиологических особенностей растений и
изменялось в широком диапазоне. Наибольшие различия по содержанию Ni,
Cu, Cd в растениях составили 115, 19, 192 раза соответственно. Максимальное
накопление Ni отмечено в кладонии бесформенной (Cladonia deformis, L.),
произрастающей на дерново-слабоподзолистой песчаной иллювиально-
железистой почве на флювиогляциальных песках, а наибольшее содержание
Cu и Cd – в иве белой (Salix alba, L.) на аллювиальной лугово-болотной
среднесуглинистой почве. Минимальное содержание Ni отмечено в бруснике
обыкновенной (Vaccinium vitis-idaea, L.); Cu – в овсянице луговой (Festuca
pratensis, L.); Cd – в вереске обыкновенном (Calluna vulgaris L.).
Перспективы дальнейшей разработки темы
Перспективы дальнейшей разработки темы видятся в продолжении
изучения поведения тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd) и радионуклидов (Ra-226,
Th-232, Cs-137) в системе почва-растение, в установлении коэффициентов
накопления растениями этих химических элементов на территориях
естественных и агроэкосистем, находящихся на разном удалении от
источников промышленного химического воздействия на окружающую среду.
На основе полученных в диссертационной работе данных возможно
создание информационной системы экологического мониторинга по
содержанию Ni, Cu, Cd, Ra-226, Th-232, Cs-137 в почвах Лужской
возвышенности, что соответствует тематике федерального проекта
«Комплексная система мониторинга качества окружающей среды»,
выполняемого в рамках национального проекта «Экология» на 2019-2024 гг.
Cписок сокращений
ЕРФ – естественный радиационный фон;
ПО – производственное объединение;
ЧАЭС – Чернобыльская атомная электростанция;
ЛАЭС – Ленинградская атомная электростанция;
ТЭС – теплоэлектростанция;
ОСВ – осадки сточных вод;
ПДК – предельно-допустимая концентрация;
ОДК – ориентировочно-допустимая концентрация;
ППК – почвенно-поглощающий комплекс;
н.п.о. – ниже предела обнаружения.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (330 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
5 (154 отзыва)
0 (13 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.3 (248 отзывов)
