АГРОХИМИЯ, 2012, № 8, с. 57-65
УДК 631.453:632.122.1: 631.445.25
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АГРОСЕРОЙ ПОЧВЕ В МАСШТАБЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО УГОДЬЯ*
© 2012 г. Н.Ю. Карпухина, М.М. Карпухин, В.П. Самсонова, Д.Г. Кротов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12, Россия E-mail: nataw-Ka@yandex.ru
Поступила в редакцию 21.12.2011 г.
Подробное обследование (объем выборки n = 104) позволило обнаружить высокое варьирование содержания кислоторастворимых форм тяжелых металлов в пределах пахотного горизонта единичного угодья площадью 12 га. Коэффициенты вариации менялись в диапазоне от 28 до 238%. Высокая степень изменчивости содержания отдельных элементов была связана с небольшим числом выбросов (не более 5% от общего объема выборки). Содержание кислоторастворимых форм соединений Cu, Ni, Pb, Zn на некоторых участках превышало ОДК для валовых содержаний в 1.5-8.0 раз, хотя их средние величины были меньше ОДК, за исключением меди. Показано, что аналитическая дисперсия (дисперсия химических анализов) таких элементов, как Cr, Pb, Zn, Mn, Cu составила не более 5% от общей дисперсии, обнаруженной на угодье. Наиболее существенная аналитическая дисперсия отмечена для Co и Ni. Показано, что радиус пространственной корреляции был близок для всех элементов (30 м), однако пространственные структуры различались направлениями преимущественной изменчивости (анизотропией).
Ключевые слова: пространственная изменчивость, тяжелые металлы, агросерая почва, сельскохозяйственное угодье.
ВВЕДЕНИЕ
Тяжелые металлы (ТМ) являются приоритетными загрязнителями почв промышленных районов, урбанизированных территорий, окрестностей автомагистралей. Более 90% ТМ, загрязняющих окружающую природную среду, аккумулируется почвами. Поступая в почву, ТМ, прежде всего, влияют на биологические и биохимические почвенные процессы, снижают численность микроорганизмов. Кроме того, ТМ могут влиять на гумусное состояние почв, рН, обменную способность ППК [1].
Пахотные почвы подвержены высокому риску загрязнения ТМ. На территориях сельскохозяйственного использования их содержание в почве определяется особенностями почвообразующих пород, поступлением ТМ с удобрениями, химикатами, в результате работы техники [2]. Сокращение в последние 2 десятилетия внесения удобрений и использования химикатов также может
* Работа поддержана РФФИ, грант № 09-04-00336а.
привести к увеличению подвижности ТМ за счет сокращения известкования и увеличения кислотности почвы [3]. Хотя существуют данные, что минеральные и органические удобрения существенно не влияют на количество ТМ в почве, но большинство исследователей все же едины в том, что многолетнее внесение удобрений способствует накоплению и увеличению подвижности ТМ [4]. Наиболее высокое содержание ТМ в пахотных почвах отмечено вокруг городов [2].
Проведенный мониторинг 25 млн. га пахотных земель показал, что около 1 млн. га загрязнены ТМ. Из них 1% земель загрязнены металлами, относящимися к первому классу опасности, 2.3% - ко второму классу опасности [2, 5]. По ГОСТу 17.4.1.02-83 все ТМ относятся к трем классам опасности: I класс - Сё, РЬ, Zn; II класс -N1, Мо, Си, Сг; III класс - Мп [6]. Мониторинг состояния почвенных угодий позволяет выявить источники и оценить опасность возможного загрязнения почв этими поллютантами.
Известно, что содержание как валовых, так и подвижных форм ТМ обладает значительной
пространственной изменчивостью. Коэффициенты вариации этих показателей могут превышать 50% [2, 7, 8]. Если источник загрязнения точечный (его размеры много меньше площади угодья), отбор смешанных проб, как рекомендовано в [9], приводит к нивелированию абсолютных величин содержания ТМ. Именно поэтому необходима оценка степени пространственной изменчивости отдельных показателей в индивидуальных пробах.
Цель работы - на примере единичного угодья оценить степень и закономерности пространственной изменчивости содержания ТМ в агросе-рой почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проведено в районе Брянского ополья, где на автоморфных позициях рельефа наиболее распространены агросерые почвы (по классификации 2004 г.), в пониженных элементах рельефа часто встречаются агросерые почвы со вторым гумусовым горизонтом, на склонах представлены агросерые почвы разной степени смытости.
Экспериментальный участок располагался на производственном поле Брянской сельскохозяйственной академии. Площадь участка 12 га. Культура - овес сорта Скакун. Почвенный покров изученного угодья был мелиорирован в 19791980 гг., в процессе чего был сильно нарушен. Связь с рельефом сохранилась лишь на отдельных его частях.
Индивидуальные пробы почвы отбирали из пахотного горизонта (слой 0-20 см) при помощи бура диаметром 5 см по стратифицированной случайной схеме. Для общей характеристики почвенного покрова угодья в наиболее контрастных по рельефу местах было заложено 4 разреза, в которых из слоев толщиной 10 см были отобраны почвенные пробы до горизонта С. Дополнительно был проведен отбор по трансекте (рис. 1).
Для определения содержания ТМ в почве была использована 1 н. азотнокислая вытяжка в соотношении почва : раствор = 1:10. Данная вытяжка по современным представлениям позволяет извлечь из почвы ТМ, поступившие в нее в результате техногенного воздействия, хотя по результатам последних исследований, показано, что не все ТМ одинаково переходят в эту вытяжку (это касается меди и никеля, находящихся в почве в форме оксидов) [10].
1 н. НК03-вытяжка была первоначально рекомендована Я.В. Пейве и Г.Я. Ринькисом для извлечения из некарбонатных и малокарбонатных почв Нечерноземной зоны России "подвижных" форм соединений кобальта, 1 н. HCl - меди [11]. Дальнейшие исследования показали, что обе вытяжки не только практически равноценны по степени извлечения из почвы кобальта и меди, но и подходят для экстракции большого набора элементов. При высоком уровне загрязнения в 1 н. азотнокислую вытяжку может переходить до 90-95% от валового содержания ТМ в почве.
Помимо содержания ТМ в образцах определяли содержание гумуса и величину рН^О.
Данные эксперимента были обработаны статистическими методами с использованием пакетов Excel и Statistica 6. Структуру пространственной вариабельности содержания ТМ исследовали при помощи семивариограмм (в дальнейшем варио-грамм), вычисление которых провели в пакете Surfer 8. Общее варьирование в2общ представлялось в виде суммы двух компонент:
2 2 2 о — Ф — С*
^общ ^нг лдоб>
где s^r - наггет-дисперсия, состоящая из аналитической дисперсии (дисперсии химического анализа) ¿2аа и дисперсии свойства на расстояниях, меньших минимального шага опробования ¿микр; ¿доб - частичный порог или разность между
□ -1.10
□ -1.09—0.70 О - 0.69—0.30
□ -0.29-0.10
■ 0.10-0.50
■ 0.50-0.90
■ 0.90-1.30
т—I—I—I—I—I—I—I
62.5 125 250
Рис. 1. Относительные отметки рельефа и размещение точек опробования на угодье, м.
Таблица 1. Статистические характеристики содержания тяжелых металлов (мг/кг) и почвенных свойств в пределах угодья
Со Сг Си Мп N1 РЬ гп Гумус,
Показатель РНН2О
мг/кг %
Без удаления выбросов (п = 104)
ОДК или ПДК — — 66 1500 40 65 110
Среднее 1.35 1.07 4.63 149 3.35 6.7 5.14 3.30 5.41
Стандартное отклонение 0.50 0.30 2.7 53 0.94 16 4.45 0.84 0.53
Коэффициент вариации,% 37 28 57 35 28 238 87 25 10
Минимум 0.52 0.41 1.48 69 1.26 1.46 1.60 0.47 4.84
Нижний квартиль 0.95 0.86 3.38 109 2.73 2.89 3.55 2.71 5.04
Медиана 1.34 1.06 4.13 138 3.22 3.60 4.18 3.27 5.24
Верхний квартиль 1.74 1.24 4.93 183 3.88 4.90 4.96 3.89 5.59
Максимум 2.61 1.91 24.4 294 6.85 138 34.7 5.06 7.18
После удаления выбросов ( п = 99)
ОДК или ПДК — — 66 1500 40 65 110
Среднее 1.35 1.07 4.30 149 3.35 4.04 4.29 3.30 5.41
Стандартное отклонение 0.50 0.30 1.53 53 0.94 1.76 1.20 0.84 0.53
Коэффициент вариации. % 37 28 35 35 28 44 28 25 10
Минимум 0.52 0.41 1.48 69 1.26 1.46 1.60 0.47 4.84
Нижний квартиль 0.95 0.86 3.35 109 2.73 2.88 3.54 2.71 5.04
Медиана 1.34 1.06 4.10 138 3.22 3.53 4.12 3.27 5.24
Верхний квартиль 1.74 1.24 4.85 183 3.88 4.65 4.91 3.89 5.59
Максимум 2.61 1.91 9.74 294 6.85 9.62 9.50 5.06 7.18
общей дисперсией и наггет-дисперсией. Расстояние а, на котором дисперсия достигает величины общей дисперсии, рассматривали как расстояние скоррелированности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Статистические характеристики. Для всех ТМ содержание кислоторастворимых форм соединений не превышало ОДК (табл. 1) [12, 13].
Поскольку ОДК ТМ в почве определяют с использованием более сильных реактивов ("царской водки", плавиковой кислоты), чем 1 н. азотнокислая вытяжка, то можно сделать вывод об отсутствии загрязнения полей ТМ. Максимальные величины содержания РЬ превышали ОДК в 2 раза, что определило высокие коэффициенты вариации. Для меди, свинца и цинка коэффициенты вариации превышали 50%.
Сопоставление аналитических и общих дисперсий показало, что метод определения играл весьма малую роль в изменчивости результатов измерений (табл. 2) [14].
Лишь для кобальта аналитическая дисперсия составляла >60%, для остальных ТМ, за исключением никеля, <5%. Таким образом, по крайней
мере для исследованной почвы определения ее параметров можно проводить без повторностей.
Графическое представление распределений на нормальных вероятностных графиках позволило проанализировать их особенности (рис. 2).
Если для кобальта и в некоторой степени для хрома распределения можно считать нормальными (что подтверждено количественной проверкой при помощи критерия %2), то для остальных ТМ распределения в той или иной степени отклонялись от нормального и обнаруживали положительную асимметрию, что проявлялось в наличии
Таблица 2. Сопоставление аналитической и общей дисперсии
Элемент л ан Доля аналитической дисперсии от общей дисперсии на угодье, %
Сг 0.005 0.90 0.6
Со 0.161 0.25 64.4
РЬ 1.31 256 0.5
гп 0.293 19.7 1.5
Мп 105 2790 3.8
Си 0.062 7.08 0.9
N1 0.095 0.89 10.7
Сг
№
Рис. 2. Нормальные вероятностные графики концентраци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.