Содержание к диссертации
Введение
1. Эколого-географическое положение, природные факторы, контролирующие миграцию элементов, почвенный покров и ландшафтно-геохимическая структура территории ростовской области 10
1.1. Эколого-географическое положение территории области 11
1.2. Природные факторы, контролирующие миграцию элементов 14
1.2.1. Геологическое строение территории Ростовской области 15
1.2.2. Почвообразующие породы области 19
1.2.3. Рельеф территории области 25
1.2.4. Климатические условия территории области 28
1.2.5. Гидрографическая сеть области 30
1.2.6. Естественная растительность области 32
1.3. Почвенный покров территории области 33
1.4. Ландшафтно-геохимическая структура территории 37
2. Особенности распределения марганца и хрома в биосфере и их биологическое значение 42
2.1. Марганец и хром в почвообразующих породах и почвах 42
2.2. Марганец и хром в гидросфере 47
2.3. Марганец и хром в растительности 49
2.4. Биологическое значение марганца и хрома 50
2.5. Факторы миграции микроэлементов в ландшафтах 52
3. Распределение марганца и хрома в почвенном покрове ростовской области 57
3.1. Определение естественного педогеохимического фона 58
3.2. Распределение марганца и хрома в различных генетических типах почв полевых неорошаемых ландшафтов 62
3.3. Распределение марганца и хрома в почвенном покрове орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений 74
3.4. Радиальная дифференциация марганца и хрома в почвах Ростовской области 81
3.5. Латеральная дифференциация марганца и хрома 91
4. Распределение марганца и хрома в сельскохозяйственных культурах области 98
4.1. Видовая дифференциация сельскохозяйственных растений по содержанию марганца и хрома 99
4.1.1. Распределение марганца и хрома в зерновых культурах 101
4.1.2. Распределение марганца и хрома в кормовых травах 108
4.1.3. Распределение марганца и хрома в овощах и фруктах 112
4.2. Особенности биоаккумуляции микроэлементов в сельскохозяйственных культурах 114
4.3. Проявление дефицита МпиСгв сельскохозяйственных культурах 118
5. Оценка степени загрязненрія агроландшафтов ростовской области марганцем и хромом 123
5.1. Загрязнение почвенного покрова области 123
5.2. Загрязнение сельскохозяйственных культур 125
5.3. Нормирование марганца и хрома в агроландшафтах Ростовской области 127
6. Баланс миграционных потоков элементов в агроландшафтах ростовской области 134
Заключение 144
- Природные факторы, контролирующие миграцию элементов
- Марганец и хром в гидросфере
- Распределение марганца и хрома в почвенном покрове орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений
- Особенности биоаккумуляции микроэлементов в сельскохозяйственных культурах
Введение к работе
В настоящее время, в связи с интенсивным развитием промышленности, транспорта, широким использованием минеральных удобрений в сельском хозяйстве, одним из актуальных вопросов геохимии стало определение безопасных содержаний химических элементов в почвах, почвоподстилающих породах и растительности, выполненное не на глобальном и региональном уровнях, а для локальных участков с определенными закономерностями, сложившимися в экономическом развитии. В связи с этим, Ростовская область - равнинная территория с длительной и сложной геохимической историей - представляет собой очень интересный объект для изучения, являясь, с одной стороны, одним из крупнейших аграрных регионов страны, характеризующимся высокопроизводительным сельским хозяйством, а с другой - зоной развитой индустрии с интенсивным техногенным воздействие на среду. Сельскохозяйственные площади области представлены, в основном, пахотными угодьями, окружающими промышленные центры. Добыча каменного угля в зоне открытого Донбасса, предприятия металлургической, химической, машиностроительной промышленностей, Новочеркасская ГРЭС, наряду с интенсивной химизацией сельского хозяйства являются основными поставщиками микроэлементов, зачастую не характерных, с точки зрения геохимии, для почв и почвоматеринских пород области. В данных условиях выяснение характера распределения и явлений дефицита или избытка микроэлементов в почвенном и растительном покровах Ростовской области является актуальной научной задачей.
В настоящее время особенно возрос интерес к тяжелым металлам, обладающим, с одной стороны, токсическим действием, а с другой -являющихся необходимым условием для обеспечения нормальной жизнедеятельности живых организмов. Поэтому представляется интересным
оценить содержание в почвах и растительности Ростовской области таких тяжелых металлов, как марганец и хром, важность которых для жизнедеятельности организмов несомненна, а миграция в щелочных условиях степи затруднена. Изменение условий среды (орошение, внесение удобрений) способствует переходу элементов в легкодоступное для растений состояние, что может привести к накоплению марганца и хрома в сельскохозяйственных культурах и, в конечном итоге, представлять опасность для человека. Поэтому одной из актуальнейших задач является изучение распределения марганца и хрома в различных типах агроландшафтов Ростовской области, а также количественная оценка геохимических потоков металлов с целью последующего использования полученных данных в природоохранных и сельскохозяйственных мероприятиях.
Цель работы.
Изучение геохимических закономерностей распределения Мп и Сг в почвах и сельскохозяйственных культурах Ростовской области.
Основные задачи исследований:
изучить поведение Мп и Сг в различных генетических типах почв и группах сельскохозяйственных растений, установить закономерности радиального и латерального распределения элементов;
дать эколого-геохимическую характеристику почвенного покрова территории Ростовской области, а также оценку выращиваемой на нем сельскохозяйственной продукции с точки зрения безопасности употребления впишу;
определить региональные предельно допустимые концентрации Мп и Сг в почвах агроландшафтов на основе санитарно-гигиенического нормирования содержаний элементов в сельскохозяйственных культурах;
дать количественную оценку привноса - выноса металлов в агроландшафтах области.
Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, собранные при проведении комплексных полевых эколого-геохимических работ, выполненных коллективом кафедры геоэкологии и прикладной геохимии геолого-географического факультета РГУ под руководством профессора Закруткина В. Е. в 1994 - 2002 годах. Автор принимала непосредственное участие в полевых исследованиях на территории Ростовской области, подготовке проб к анализам, а также в статистической обработке результатов анализов. Автором изучена, проанализирована и использована в работе обширная ретроспективная информация по изучаемой проблеме, а также фондовые материалы Южного государственного унитарного геологического предприятия «Южгеология».
В результате полевых работ было отобрано 2366 педогеохимических проб, в том числе 48 по почвенным разрезам, и 1960 - биогеохимических проб. Химические анализы проб почв и растительности на содержание Мп и Сг были выполнены в Бронницкой геолого-геохимической экспедиции Института минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов (ИМГРЭ) методом атомно-абсобционной спектрофотометрии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Научной конференции аспирантов и соискателей РГУ (Ростов-на-Дону, 1997), II Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (ТомПИ, Томск, 6-11 апреля 1998 г.), открытом Конкурсе на лучшую научную работу студентов и аспирантов по проблемам экологии «Экология - Безопасность - Жизнь» в Вузах г. Ростова-на-Дону и Ростовской области (Ростов-на-Дону, май 1999 г.), I Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (ст. Мелиховская Ростовской обл., 25 - 29 сентября 1999 г.), III Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр»
(ТомПИ, Томск, 9-14 апреля 1999 г.), II Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 21-23 октября 1999 г.), II Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (г. Аксай Ростовской обл., 24 -28 сентября 2000 г.), III Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (г. Аксай Ростовской обл., 26 - 30 сентября 2001 г.), III Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 7-9 февраля 2002 г.), IV Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 4-6 февраля 2004 г.).
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Научная новизна работы.
на основе результатов атомно-абсорбционной спектрофотометрии произведена оценка содержания Мп и Сг в почвах и растительности Ростовской области и установлены закономерности распределения этих элементов в различных генетических типах почв и группах сельскохозяйственных растений;
определены региональные предельно допустимые концентрации Мп и Сг для конкретных типов почв и сельскохозяйственных культур;
путем балансовых расчетов дана количественная оценка привноса - выноса этих элементов в различных типах агроландшафтов.
Практическая ценность работы.
Материалы исследований могут быть использованы при мониторинге и экологической оценке состояния агроландшафтов природоохранными и научными организациями;
Полученные результаты позволят сельскохозяйственным предприятиям
внести корректировки в схемы внесения удобрений и оптимизации севооборотов; - Данные исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов геоэкологического профиля, а также при преподавании дисциплин по экологии, географии почв и охране окружающей среды. Основные защищаемые положения:
анализ геохимических параметров распределения марганца и хрома в почвах позволяет ранжировать ландшафты по уровню агрогенного преобразования следующим образом: сады и виноградники > орошаемые > полевые богарные;
физико-химические свойства почв Ростовской области обусловили низкую подвижность Мп и, следовательно, повлекли за собой частое проявление дефицита этого элемента в сельскохозяйственных культурах. Сг в незначительных количествах накапливается во всех культурах;
биогеохимический подход к определению региональных предельно допустимых концентраций Мп и Сг требует уменьшения значений нормативных содержаний этих элементов по сравнению с общепринятыми значениями, в связи с возможным ухудшением качества сельскохозяйственной продукции;
в почвах полевых богарных ландшафтов сложился отрицательный баланс Мп и Сг за счет выноса этих элементов с поверхностным стоком.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем работы составляет 163 страницы. Текст сопровождается 20 таблицами, 24 рисунками. Список использованной литературы содержит 178 наименований.
Диссертационная работа выполнена в Ростовском государственном университете под руководством доктора геолого-минералогических наук профессора Закруткина В.Е., которому автор приносит глубокую благодарность за помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор выражает свою признательность за оказанную помощь и консультации при работе над диссертацией кандидату географических наук Шишкиной Д.Ю., доктору географических наук профессору Хаванскому А.Д. Автор считает свои долгом поблагодарить доктора географических наук ИГ РАН Кочурова Б.И. за проявленное внимание и научные консультации. Автор также глубоко признательна Райко Е.А. и Заболотной Т.М. за поддержку и практические советы при оформлении диссертации.
Природные факторы, контролирующие миграцию элементов
Распределение и поведение микроэлементов в ландшафте определяется, с одной стороны, их химическими свойствами, с другой -условиями конкретной природной обстановки, способствующей или, наоборот, препятствующей проявлению этих свойств. Микроэлементный режим ландшафта тесно связан с геологическими образованиями, в основном с теми из них, на которых сформировался современный почвенный покров. Это обусловлено тем, что почвы наследуют уровень содержания микроэлементов, существующий в почвоматеринских отложениях. Существенное влияние на химический состав компонентов ландшафта оказывает также строение земной поверхности. Геоморфологические структуры могут нарушить природную зональность, предложив биоте более северные или более южные варианты условий обитания, и, через посредство климата и почв, определить иной, отличный от зонального, режим элементов питания растений. При наличии разновысотных структур происходит перераспределение атмосферной и почвенно-грунтовой влаги, что, в свою очередь, приводит к формированию участков с разной степенью обводненности, различающихся по составу растительности и интенсивности биологического круговорота. Вместе с мигрирующей влагой происходит транспортировка и переотложение частиц почвы разного размера, главным образом тонких, а также вынос легкорастворимых солей с возвышенных участков и аккумуляция их в депрессиях. Все это вместе взятое отражается на микроэлементном составе ландшафта, форме существования микроэлементов в почве и полноценности микроэлементного питания растений [Ильин, 1973]. 1.2.1. Геологическое строение территории Ростовской области.
В геологическом строении территории Ростовской области принимают участие отложения докембрийской, палеозойской, мезозойской и кайнозойской групп. В тектоническом плане область располагается в зоне сочленения Русской и эпигерцинской Скифской платформ. Фундаментом Русской плиты являются дислоцированные кристаллические породы архея и протерозоя, фундаментом Скифской - дислоцированная толща палеозойских пород (рисунок 1). Отложения докембрия, палеозоя (кроме карбоновых отложений Донбасса) и большей части мезозоя в пределах области на дневной поверхности не обнажаются. Их строение, мощность и состав слагающих пород изучены с помощью буровых скважин. Отложения карбона на территории области распространены относительно широко. Их общая мощность составляет более 13000 м. Полоса выходов отложений карбона на дневную поверхность связана с открытым Донбассом и представлена толщей в различной степени дислоцированных и метаморфизированных, ритмично чередующихся алевритовых сланцев, глинистых сланцев и песчаников с прослоями известняков и углей. Из отложений мезозойской группы только верхнемеловые отложения распространены повсеместно на территории области. Выходы их на дневную поверхность широко развиты по долинам рек бассейна Дона и Северского Донца к северу и в верховьях рек Тузлова и Несветая к югу от открытого Донбасса. Верхнемеловые отложения представлены, главным образом, карбонатными породами - известняками, мергелями и алевролитами с прослоями песчаников и опок. Мощность отложений колеблется от 350 до 1070 м.
Отложения кайнозойской группы распространены по всей территории области, отсутствуя лишь в пределах открытой части Донбасса, и представлены почти полными разрезами палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Выходы их на дневную поверхность отмечены по долинам рек и балок. На остальной территории породы палеогенового и неогенового возрастов вскрываются буровыми скважинами на различных глубинах. На севере области палеоцен-эоценовые отложения представлены песчано-глауконитовой толщей с прослоями опок и песчаников, а на погружении Донбасса в подошве появляются известняки. В южных районах Ростовской области эти отложения сложены песчано-глинистой толщей с преобладанием в верхней части разреза глин, а в нижней - песчаников, алевролитов, песков, алевритов с прослоями мергелей и известняков. В зависимости от условий залегания мощность толщи меняется от десятков метров до 1000 м. На Доно-Донецком водоразделе в верхней части разреза палеогена присутствуют отложения олигоцена - харьковская свита и нижняя часть полтавской свиты. Они сложены песками с подчиненными прослоями глин общей мощностью 60 - 70 м. Аналогами отложений полтавской свиты являются породы майкопской серии, получившие распространение в Азово-Кубанской впадине и на юге Ергенинской возвышенности. В литологическом отношении это глины с редкими прослоями мергелей и алевролитов в нижней и песков в средней и верхней частях толщи. В Северном Приазовье в разрезе майкопских отложений преобладают песчаные фации. Осадки неогеновой системы слагают самые высокие участки водораздельных пространств Доно-Донецкого и Доно-Хоперского междуречий и представлены верхней частью полтавской свиты и скифскими глинами, а в пределах Азово-Кубанской впадины и Ергеней они имеют повсеместное развитие и представлены почти полными разрезами миоцена и плиоцена. Отложения тортонского яруса среднего миоцена распространены в Азово-Кубанской и Зимовниковской впадинах. На дневную поверхность породы выходят в районе г. Новочеркасска в бассейне р. Тузлов и представлены опесчанеными глинами с прослоями песков, песчаников, алевролитов, мергелей. Общая мощность отложений составляет 130 м. Отложения сарматского яруса верхнего миоцена распространены на юге области. Цитологически эта толща неоднородна: на левобережье Дона и Западного Маныча преобладают глины с прослоями песков и известняков; на правобережье - преимущественно пески и известняки, реже глины; на Сало-Манычском водоразделе - песчано-глинистые породы; в Зимовниковской впадине - глины с прослоями известняков, мергелей и песков. Мощность отложений превышает 100 м. Выходы на поверхность пород мэотического яруса верхнего миоцена приурочены к правобережью Дона и Северному Приазовью, где они представлены известково-мергеле-глинисто-песчаными толщами, переходящими в пески. Мощность отложений колеблется от 1 - 2 до 20 м. Отложения понтического яруса нижнего плиоцена на дневную поверхность выходят в Северном Приазовье, на правобережье Дона и в приманычской полосе и представлены известняками-ракушечниками, реже песками общей мощностью 2 - 15 м. Выходы образований азовокубанской свиты плиоцена представлены толщей глинистых песков с редкими прослоями глин у южного побережья Таганрогского залива и в устьевой части Дона, южнее в разрезе преобладают пестроцветные глины с прослоями песков.
К северу от Таганрогского залива и на правобережье Дона к западу от г. Ростова-на-Дону отложения азовокубанской свиты сопоставляются с глинами, залегающими в виде линз в местах размыва понтических известняков, и с тощей косослоистых хапровских песков. Выходы отложений ергенинской свиты плиоцена на дневную поверхность встречаются в балках южного склона Ергеней и по долинам рек Сел и Джурак-Сал. Толща в основании представлена гравием и галькой, которые вверх по разрезу сменяются песками с прослоями глин и песчаников. Мощность отложений свиты достигает 66 м. Скифский горизонт плиоцена широко распространен в пределах Ергенинской возвышенности и Азово-Кубанской низменности и представлен зеленовато-бурыми и красновато-бурыми глинами загипсованными с известковистыми включениями. Мощность скифских глин достигает 70 м. Отложения четвертичной системы на территории Ростовской области почти повсеместно перекрывают более древние осадки и представлены разнообразными фациями континентальных и морских отложений.
Марганец и хром в гидросфере
Большое значение для биогенной миграции марганца имеет его способность давать растворимые соединения. Из почв, пород и отмирающей растительности вместе с атмосферными осадками марганец поступает в почвенно-грунтовые и речные воды и выносится ими в моря и океаны. Большое влияние на уровень содержания Мп в водах оказывает состав пород и почв на водосборных площадях, донных отложений, атмосферных осадков и сточных вод промышленных предприятий. Как правило, повышенным содержанием марганца характеризуются воды рек и районов распространения болотных и подзолистых почв. По современным оценкам, среднее содержание марганца в водах рек составляет 8,0 мкг/л. Главной формой его миграции считается тонкая механическая взвесь. Во взвешенном состоянии переносятся основные количества марганца, значительно превышающие количества других микроэлементов. Так, взвеси рек Европейской части России содержат до 0,20 % элемента, среднее содержание Мп в реках мира принимается равным 0,11 % . Ежегодно реками бывшего СССР выносится в моря и океаны 1,2 -492,0 тысяч тонн Мп в виде взвеси и 0,9 - 13,5 тысяч тонн в растворенном состоянии. При этом до 40 % его суммарного выноса (210 тысяч тонн) падает на бассейн Черного моря.
В конечных водных бассейнах Мп отлагается с терригенным материалом и осаждается из растворов вместе с железом и другими тяжелыми металлами. В процессе осаждения соединений марганца активное участие принимают различные виды бактерий [Кононова, 1991]. Сг в природных водах находится в различных формах. При общем содержании элемента в морской воде от 0,89 до 7,40 мкг/л, доля трехвалентного хрома составляет 0,11 - 0,24 мкг/л, шестивалентного 0,2 -0,39 мкг/л и связанного с органическим веществом 0,43 - 0,59 мкг/л. В водных системах Сг3+ способен мигрировать в виде комплексных соединений, в коллоидном состоянии и с механическими взвесями. Для Сгб+ характерна миграция в форме анионов и в виде истинных растворов. Миграция хрома в водных системах идет преимущественно в растворенном виде, о чем свидетельствует коэффициент водной миграции, равный 0,24. Основным источником поступления растворимых форм Сг в океан является водный сток. Ежегодно с речным стоком в океан попадает 37 тыс. т. хрома в год. В незагрязненных озерах и реках концентрация растворенного элемента обычно колеблется в пределах 1-2 мкг/л, а в океане - 0,05 - 0,5 мкг/л. Более высокие значения концентрации Сг (5 - 50 мкг/л) обнаружены в некоторых крупных реках, протекающих через индустриальные районы, и в прибрежных водах морей. Обычно это связано со сбросом в них стоков крупных промышленных предприятий. Повышение уровня содержания хрома за счет антропогенных источников установлено и в донных осадках [Краснокутская, 1990]. Марганец и хром в растительности Марганец отличается активным поглощением и быстрым переносом в растительных организмах. Среднее содержание Мп в наземных растениях составляет 97 мг/кг воздушно-сухой массы. Однако, пределы накопления элемента в растениях значительно колеблются и обусловлены, главным образом, видовой принадлежностью растительных организмов и общей экологической обстановкой. Содержание Мп существенно зависит и от стадии развития растения - в надземных частях оно обычно возрастает от весны к осени. Для древесных и кустарниковых форм характерно уменьшение содержания Мп в следующем порядке: листья (хвоя) кора древесина; для трав: листья стебли [Ильин, 1985].
По классификации Перельмана Мп относится к группе слабого накопления и среднего биологического захвата с коэффициентом биологического поглощения (КБП) равным 6,86. Анализ литературных источников показывает, что средние содержания Мп в злаковых и бобовых растениях лугов и пастбищ могут изменяться от 14 до 119 мг/кг сухой массы, а в разнотравье - от 17 до 334 мг/кг сухой массы. Для СНГ данные показатели оцениваются в 51 и 61 мг/кг соответственно [Кабата-Пендиас, 1989]. Количество Сг в растениях контролируется содержанием его растворимых соединений в почвах. Несмотря на то, что большинство почв содержат значительные количества этого элемента, его доступность растениям весьма ограничена. Низкие темпы усвоения растениями растворимых форм хрома обусловлены особенностями механизма их поглощения корневой системой. Как правило, наиболее высокие концентрации элемента наблюдались в корнях, а не в листьях и ростках; наиболее низкие содержания Сг характерны для зерен [Кабата-Пендиас, 1989]. Литературных данных о распределении хрома в растительности сравнительно немного. Из них следует, что содержание Сг в растительном материале обычно составляют 0,02 - 0,20 мг/кг сухой массы, однако в пищевых растениях концентрации хрома весьма изменчивы, что определяется характером растительной ткани и стадией роста растения. Содержание Сг в образцах высших растений изменяется в широких пределах от irlO % до п 10 % в пересчете на сухое вещество и в заметной степени зависит от вида растения. В литературе имеются данные о более высоком содержании хрома в бобовых по сравнению с зерновыми культурами (среднее содержание Сг в пшенице составляет 0,043 мг/кг, ржи - 0,054 мг/кг, в то время как в горохе и фасоли средние содержания хрома равны 0,266 мг/кг) [Кабата-Пендиас, 1989; Краснокутская, 1990]. Для большинства групп высших растений, согласно классификации А. И. Перельмана, хром отнесен к группе слабого накопления и среднего захвата и имеет коэффициент биологического поглощения около 1, а для разнотравья - к группе энергично накапливаемых элементов с коэффициентом биологического поглощения равным 29. Существуют, однако, растения, устойчивые к высокому содержанию хрома в почвах. Они способны накапливать в своих органах значительные количества элемента и являются индикаторами месторождений хромовых руд [Краснокутская, 1990]. 2.4. Биологическое значение марганца и хрома Широко распространенный в природе элемент Мп является постоянной составной частью растительных и животных организмов, чему во многом способствует переменная валентность металла и его возможные переходы от двухвалентного состояния к шестивалентному и обратно.
Mn необходим для синтеза РНК и ДНК. Из-за нехватки этого элемента возможны нарушения в строении нуклеиновых кислот и в биосинтезе белков. Марганец активизирует процессы синтеза аскорбиновой кислоты, оказывает положительное влияние на засухо-, морозо- и солеустойчивость растений, повышает урожайность и продуктивность сельскохозяйственных культур. При недостатке Мп в организме растений возникают специфические заболевания, свойственные целому ряду культур: серая крапчатость злаковых, крапчатая желтуха сахарной свеклы, различные формы хлорозов и некрозов. Аналогичные заболевания у растений - некротические темные пятна на листьях, сморщивание листовых пластинок, неравномерное распределение хлорофилла и т.д. - возникают и при избытке марганца, который тормозит поступление в организм железа. Уровень содержания марганца, при котором осуществляется нормальное функционирование растительного организма, определяют пороговые концентрации Мп, установленные для многих видов дикорастущих и культурных растений. Значения пороговых концентраций Мп могут сильно варьировать в зависимости от индивидуальных особенностей отдельных видов растений и условий их произрастания. Относительно толерантными к марганцу культурами являются овес, рожь, сахарная свекла, сельдерей и бобы [Кабата-Пендиас, 1989]. Еще одним элементом, необходимым для обеспечения нормальной жизнедеятельности растения, является Сг. Хром в микроколичествах необходим для роста и развития растений. Он активизирует окислительно-восстановительные ферменты, стимулирует действие ренина, входит в состав аскорбиновой кислоты, участвует в процессах дыхания.
Хром в растениях накапливается преимущественно в корнях. Внешне повышенные содержания Сг проявляются в виде пятен на листьях (серпентинитовая флора), скручивании листовых пластинок и т. д. Для живых организмов наиболее токсичны шестивалентный хром и его соединения. Установлено также, что Сг является канцерогеном и проявляет мутагенную активность. Важным аспектом в канцерогенности Сг6+ является его метаболическая активность и возможность взаимодействия с ДІЖ. По сравнению с соединениями шестивалентного хрома Сг3+ менее токсичен, если речь идет об остром отравлении. Однако, если отравление носит хронический характер, то соединения Сг3+ ведут себя подобно соединениям Сг6+.
Распределение марганца и хрома в почвенном покрове орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений
Анализ поведения химических элементов в почвах Ростовской области будет неполным, если не рассмотреть специфику распределения марганца и хрома в почвах ландшафтом многолетних насаждений (садов, виноградников) и орошаемых ландшафтов (огородных участков и рисовых чеков). Целесообразно провести сравнение почв с полевых севооборотами и почв с садово-огородными севооборотами, т.к. с геохимической точки зрения наиболее опасны частные хозяйства, где применение средств химизации не регламентировано, а, следовательно, дает небольшие, но устойчивые прибавки элементов-примесей. Для этого были опробованы почвы садоводческих и виноградарских хозяйств, огородных участков, а также рисов чеков, расположенных по всей территории области, результаты эколого-геохимических исследований которых приведены в таблицах 7 и 8. Анализ данных таблиц 7 и 8 свидетельствует о том, что характер распределения валовых и подвижных форм Мп и Сг в орошаемых ландшафтах и ландшафтах многолетних насаждений согласуется с логнормальным законом и отличается, как правило, положительными эксцессом и асимметрией.
Сравнительный анализ содержаний Мп в почвах орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений показал, что распределение марганца в различных типах сельхозугодий характеризуется значительным разбросом значений (таблица 7). Содержание Мп колеблется от 300 мг/кг в почвах орошаемых ландшафтов до 940 мг/кг в почвах садовых участков. Максимальные содержания Мп в почвах орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений превышают природный фон области в 1,3 раза, вариабельность валового марганца выше, чем в почвах богарных ландшафтов. Содержания Сг колеблются от 3 мг/кг в почвах садов и виноградников до 200 мг/кг в почвах орошаемых ландшафтов. Максимальные содержания валового Сг в почвах орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений превышают природный фон в 3,3 раза (таблица 8). В почвах орошаемых ландшафтов содержание валового Мп колеблется от 300 до 830 мг/кг, причем наибольшие значения приурочены к почвам, занятым овощными культурами. Интересно, что при сравнительно низком содержании валового марганца (0,8 фонового содержания для овощных и 0,57 фонового содержания для рисовых чеков), содержание подвижных форм элемента для этого типа ландшафта характеризуется повышенными, по сравнению с фоновыми, значениями. Так, в почвах рисовых чеков содержание подвижной формы Мп достигает 174,2 мг/кг, что в 15,5 раз превышает природный фон. Вариабельность содержаний как подвижных форм Мп, так и валовых, в почвах орошаемых ландшафтов выше, чем в полевых неорошаемых ландшафтах.
Установлено, что доля подвижных форм Мп по отношению к валу возрастает, достигая в почвах рисовых чеков 7,64 %, что свидетельствует об увеличении миграционной способности марганца. Усиление миграции элементов при поливе является распространенным явлением в практике орошаемого земледелия [Балюк и др., 1994]. Сг в почвах орошаемых ландшафтов, также как и Мп, имеет контрастное распределение (таблица 8). Анализ результатов статистической обработки содержаний Сг, помещенных в таблицу 8, показал, что валовые содержания этого элемента в почвах орошаемых ландшафтов превышают фоновое содержание в 1,4 раза. В почвах рисовых чеков вариабельность Сг слабая (V = 11,5 %). Возрастает и содержание подвижных форм Сг, причем, как и в случае марганца, наибольшими содержаниями подвижных форм отличаются почвы рисовых чеков (2,36 фоновых содержаний). Установлено, что в почвах орошаемых ландшафтов доля подвижного Сг по отношению к валу составляет 0,19 %, что указывает на увеличение миграционной способности элемента при орошении. Объяснить повышенную растворимость Мп и Сг и, как следствие, увеличение миграционной способности элементов можно с помощью реакций гидролиза и комплексообразования: Ме2+ + nH20 = Me (ОН)п2 " + пН (1 п 4); Ме2+ + пА = МеА„2-" (1 п 4), где: Ме2+ - катион двухвалентного тяжелого металла; А - анион (лиганд).
В результате гидролиза происходит образование комплексных форм тяжелых металлов с различными суммарными зарядами. Гидролиз сопровождается выделением в почвенный раствор протонов, что приводит к подкислению почв [Пинский, 1997]. Если же катионы образуют сложные комплексные ионы, при этом обычно переходя в анионы, то их химические свойства резко изменяются. В большинстве случаев увеличивается растворимость, резко изменяются окислительно-восстановительные потенциалы, элементы приобретают большую миграционную способность. Образуя комплексный анион, многие катионы перестают осаждаться теми ионами, которые образуют с ними труднорастворимые соединения [Щербина, 1956]. Способность Мп образовывать анионы и комплексы с органическими лигандами может приводить к увеличению его растворимости в щелочных интервалах рН [Щербина, 1956]. Трехвалентный Сг, добавленный в почву или существующий в ней, может окислятся. Окисление способствует переходу малоподвижного в почвенных условиях Сг3+ в мобильный, более токсичный Сг6+ : 2Сг3++ 7Н20 - Сг2072 + 141Г+6е; Eh = 1,33 В. Окислителем, акцептором электронов может выступать окисленный марганец (Mn3+ , Мп4+) [Кабата-Пендиас, 1989; Краснокутская, 1990]. Установлено, что ландшафты многолетних насаждений отличаются от орошаемых ландшафтов повышенными содержаниями валового Мп (таблица 7). В почвах виноградников концентрация Мп колеблется от 400 мг/кг до 600 мг/кг, а в почвах садовых участков достигает максимальных значений (940 мг/кг). Среднее валовое содержание Мп для агроландшафтов многолетних насаждений в 1,4 раза ниже фонового, максимальные содержания превышают фон в 1,77 раз. Вариабельность Мп в почвах садовых участков выше, чем в почвах виноградников. Анализ содержаний Сг в почвах многолетних насаждений позволил установить, что содержание валового Сг в них колеблется от 3 до ПО мг/кг, причем для почв садовых участков характерен наибольший разброс значений, о чем свидетельствует достаточно высокий коэффициент вариации (V = 23,68 %). Установлено, что средние содержания Сг в почвах ландшафтов этого типа превышают фон в 1,3 раза, а максимальные значения -в 1,8 раз. Нами установлено, что содержания подвижных форм Сг в почвах садов и виноградников варьируют достаточно сильно (V = 45,1 %), что, по-видимому, обусловлено неоднородностью выборки, состоящей из проб различных типов почв (черноземы южные, приазовские и предкавказские, а также каштановые почвы). Средняя концентрация подвижных форм хрома в почвах многолетних насаждений равна 0,115 мг/кг, что соответствует природному фону, а максимальная - превышает фон в 1,36 раз (таблица 8). Установлено, что миграционная активность Сг в этих почвах уменьшается как по сравнению с орошаемыми ландшафтами (0,19 %), так и с богарными (0,17 %) и составляет 0,14 %. Анализ содержаний подвижных форм Мп в почвах ландшафтов многолетних насаждений показал, что концентрация подвижного Мп в почвах этого типа ландшафта колеблется в интервале 4,7 - 30,4 мг/кг (таблица 7). Почвы виноградников отличаются от садовых меньшим разбросом содержаний подвижных форм Мп и, следовательно, меньшим коэффициентом вариации (V = 39,16 %).
Установлено, что доля подвижных форм Мп по отношению к валу в почвах садовых участков увеличивается до 2,23 %, что указывает на увеличение миграционной способности элемента. Среднее содержание подвижного Мп превышает фон в 1,18 раза; минимальное содержание меньше фона в 2,38 раза, максимальное - превышает фон в 2,7 раза, о чем свидетельствует достаточно высокий коэффициент вариации (V = 43,42 %). Анализ данных, помещенных в таблице 8, показал, что содержание валового Сг в почвах многолетних насаждений, в отличие от степных (фоновых) и богарных ландшафтов, повышено в 1,31 раза, но средние содержания подвижных форм либо равны фону, либо превышают его незначительно. По сравнению с богарными ландшафтами понижается миграционная способность элемента (отношение «подвижная форма - вал» составляет всего 0,13-0,16 %).
Особенности биоаккумуляции микроэлементов в сельскохозяйственных культурах
Так как живые организмы способны избирательно поглощать из среды и накапливать некоторые микроэлементы, необходимо определить интенсивность поглощения растениями этих химических элементов. Интенсивность поглощения растениями химических элементов оценивается величиной коэффициента биологического поглощения (КБП) [Перельман, 1989], а также с помощью индекса биоаккумуляции (1а) [Кабата-Пендиас, 1989]. КБП показывает во сколько раз содержание элемента X в золе растения (С р) больше, чем в литосфере в целом (или в конкретной горной породе, почве) (С„): КБП= Ср/Сп, Индекс биоаккумуляции (1а), рассчитывается как отношение содержаний элемента в сухой массе растения (Ср) к его валовому фоновому содержанию в почве (С фон) каждого агроландшафта: 1а -ф фон Рассчитанные величины показателей КБП и 1„ для различных сельскохозяйственных культур, выращиваемых на территории области, приведены в таблице 16. Анализ полученных показателей позволяет утверждать, что интенсивнее всего как Мп, так и Сг накапливаются в кормовых травах и рисе. Из зерновых культур наименьшим накоплением Мп характеризуется рожь. Пшеница и ячмень в равной степени накапливают оба элемента. Суммирование индексов биоаккумуляции дает основание для дифференциации культур по интенсивности вовлечения элементов в биогенную миграцию. Нами установлено, что наименее активно биогенная миграция осуществляется во ржи (сумма индексов биоаккумуляции - 0,0546). Наиболее интенсивно изучаемые элементы включаются в миграцию в таких культурах как рис (0,1142), люцерна (0,1204), суданка (0,1311), эспарцет (0,1456).
По классификации А. И. Перельмана Мп относится к элементам слабого накопления и среднего биологического захвата с КБП = 0,1 - 1, а Сг - к элементам слабого и очень слабого захвата с КБП = 0,001 - 0,1. Во всех сельскохозяйственных культурах области, за исключением пшеницы, не отмечено усиления биологического поглощения Сг (КБП = 0,025 - 0,067), т.е. хром и по нашим данным остается в группе слабого и очень слабого захвата. Для пшеницы же КБП Сг равен 0,115 и, следовательно, элемент в данном случае переходит в группу слабого накопления и среднего захвата (таблица 16; рисунок 19). Для Мп отмечено усиление биологического поглощения у пшеницы (КБП = 2,7), риса (КБП = 1,84), суданки (КБП = 1,12) и эспарцета (КБП = 1,39), рассчитанные коэффициенты которых позволяют говорить о переходе элемента из группы слабого накопления и среднего захвата в группу элементов сильного накопления. Для ячменя, ржи и люцерны усиления поглощения Мп не выявлено. Из овощей и фруктов интенсивнее всего как Мп, так и Сг накапливает свекла и яблоки. КБП Мп для свеклы составляет 2,19, что позволяет говорить, в данном случае, о переходе Мп в группу элементов сильного захвата. Суммирование индексов аккумуляции позволяет судить об интенсивном вовлечении марганца в биогенную миграцию в свекле. Виноград, вишня и помидоры слабо накапливают Мп и Сг. Проявление дефицита Мп и Сг в сельскохозяйственных культурах Как марганец, так и хром в большей или меньшей степени являются необходимыми микроэлементами для полноценного существования растений. В щелочных условиях степной зоны оба металла надежно фиксируются в почвах, что отражается на их способности проникновения в растения и, в конечном итоге, определяет низкий уровень содержания элементов в биомассе. В связи с этим, представляется необходимым дать оценку содержаниям Мп и Сг в растениях с целью выяснения возможного дефицита этих элементов в сельхозкультурах области. При этом необходимо определить величины дефицита их содержаний.
Критический уровень марганцевой недостаточности для большинства растений находится в пределах 15-25 мг/кг [Кабата-Пендиас, 1989]. Значения пороговых концентраций Мп могут сильно варьировать в зависимости от индивидуальных особенностей отдельных видов растений и условий их произрастания. Для злаков нижний порог марганцевой недостаточности составляет 4-25 мг/кг, для бобовых (клевер, люцерна, эспарцет) - 32 - 68 мг/кг, для пастбищных растений - менее 45 мг/кг [Кононова, 1991]. Нижняя пороговая концентрация Мп в сухом веществе корма для сельскохозяйственных животных составляет 20 мг/кг. Установить критическую величину хромовой недостаточности по литературным данным не удалось, т.к. в основном все литературные данные сообщают о фитотоксичности О и предлагают только верхний критический уровень концентрации хрома в растениях - 10 мг/кг. Считается, что достаточной для нормального развития растения является концентрация в 0,1 - 0,5 мг/кг, а избыток начинается с 5 мг/кг [Кабата-Пендиас,1989; Краснокутская, 1990; Ильин, 1982, Степанова, 1982]. Опираясь на приведенные величины, в качестве пороговых концентраций, разграничивающих области нормальных и дефицитных значений, нами были приняты следующие содержания элементов: Мп - 45 мг/кг для кормовых трав; 25 мг/кг - для остальных культур. Сг - 0,1 мг/кг для всех видов сельскохозяйственной растительности. При сравнении содержаний Мп и Сг в растительности Ростовской области с пороговыми концентрациями нами установлено, что кормовые травы области практически не ощущают дефицита микроэлементов. Недостаток Мп и Сг проявляется соответственно в 10 % и 8 % проб люцерны, в 11 % и 6 % проб суданки, 9 % и 5 % проб эспарцета. Установлено, что для всех зерновых культур Ростовской области характерен дефицит Мп. Меньше всего нехватку марганца ощущает рис - 7 % проб, что связано, по-видимому, с технологией его выращивания. Недостаток Мп проявляется в 41 % проб пшеницы, 39 % проб ячменя, 20 % проб ржи, 44 % проб подсолнечника, 54 % проб кукурузы. Если сравнивать распространение марганцевого дефицита по почвенным подтипам становится очевидно, что наибольший дефицит испытывают пшеница и ячмень, выращенные на черноземах приазовских и каштановых почвах (41 -46 % проб). На остальных подтипах черноземов дефицит Мп проявляется в 29 - 38 % проб. Сопоставляя полученные данные с фактом низкой подвижности Мп в этих почвах, можно сделать вывод о том, что негативное влияние на поступление элемента в растения оказывает как щелочная реакция среды (рН 7,8 - 8,4), так и наличие карбонатов и большого количества органического вещества.
Установлено также, что зерновые культуры области практически не испытывают недостатка Сг. Хромовым дефицитом охвачено 4 % пшеницы, 7 % ячменя, 9 % подсолнечника и 6 % риса. Наибольший дефицит Сг испытывает кукуруза - 14 % проб. Следует отметить, что единственной культурой, абсолютно не испытывающей недостатка хрома является рожь. Анализ пространственного распространения дефицита Сг дает следующую картину: абсолютно не испытывают недостатка в хроме пшеница на каштановых почвах и ячмень на черноземах приазовских. На остальных подтипах почв нехватка Сг обнаруживается в 2 - 6 % проб пшеницы и ячменя. Согласно литературным данным, наиболее высокие концентрации Мп наблюдаются в зрелых листьях. В тех случаях, когда запасы марганца в растении невелики, его подвижность в тканях весьма ограничена. Соответственно, распределение Мп по частям растения идет следующим образом: листья старые - стебли - листья молодые - семена (зерно). Следовательно, можно сделать вывод о том, что наряду с физико-химическими условиями среды дефицит Мп обусловлен особенностями поглощения и переноса элемента в растении.
