Мошник Л.І. Важкі метали у зрошуваних грунтах Донбасу: рівні вмісту, процеси міграції, трансформації і транслокації, прийоми детоксикації

summary

Важкі метали як фактор дії на стан водних джерел, грунтів і рослин

Надано огляд літературних джерел з питань впливу техногенного забруднення на екологічний стан грунтів, на хімічний склад зрошувальних вод і на якість продукції, оцінки ступеня їх забруднення, вивчення процесів трансформації та транслокації ВМ, прийомів детоксикації забруднених зрошувальних вод і грунтів. Висвітлено недостатньо вирішені проблеми стосовно оцінки стану зрошуваних земель Донбасу, обгрунтовано напрямки та доцільність проведення досліджень.

Об’єкти та методи досліджень

Еколого-агромеліоративне обстеження зрошуваних земель Донецької області проводилося за вдосконаленим нами методом “ключів-аналогів” (були включені еколого-токсикологічні показники); при цьому одночасно вивчалася взаємопов’язана система “вода - грунт - рослина”. Дослідженнями було охоплено 18 адміністративних районів і 7 місцевих зон області, 46 господарств,  в яких закладено 94 ключові площадки.

Питання поліелементного забруднення чорнозему звичайного важкими металами та прийомів його детоксикації вивчали у польових дослідах, закладених на стаціонарі Донецького інституту агропромислового виробництва (с. Піски Ясинуватського району). Схема дрібноділянкового досліду №1 та дози меліорантів (т/га) при його закладці: 1) контроль; 2) гній, 100.0; 3) плантажна оранка  на 75  см + гній, 100.0; 4) фосфогіпс, 7.9; 5) крейдяний шлам содового комбінату, розкладений сірчаною кислотою, 7.5; 6) крейдяний шлам фенольного заводу, 4.6; 7) кальцій- і залізовмісний шлам Харцизького сталедротяного заводу (СДЗ), 15.6; 8) залізний купорос, 2.3; 9) забруднення свинцем (Pb) і кадмієм (Cd) до рівня трьох гранично допустимих концентрацій (ГДК); 10) залізо-марганцевий шлам металургійного заводу, 15.0. Площа ділянки - 4 м², повторність варіантів шестиразова. Дози меліорантів при закладці досліду визначалися за показниками солонцюватості грунту, а в подальші роки - виходячи із запланованої зрошувальної норми і солонцюючої дії води. Зрошувальна норма в 1998 р. для кукурудзи складала 1200 м³/га, в 1999 р. для кормового буряку - 1600 м³/га. Pb і Cd вносили у формі оцтовокислої та сірчанокислої солей у дозах відповідно 90 і 9 мг/кг.

Схема мікроділянкового досліду № 2: 1) контроль (не забруднений ВМ грунт; рекомендований режим поливів мінералізованою водою) ; 2) фон (грунт, забруднений Zn, Pb, Co, Cu, Cr, Cd, Ni; рекомендований режим поливів мінералізованою водою); 3) фон + промивний режим поливів мінералізованою водою; 4) фон + промивний режим поливів мінералізованою та прісною водою; 5) вар. № 4 + торф екраном під шар 0-25 см (100 т/га); 6) вар. № 5 + плантажна оранка на 75 см; 7) вар. № 6 + шлам СДЗ (50 т/га) + залізний купорос (18 т/га). Дози ВМ (мг/кг): Zn - 100, Pb - 100, Co - 50, Cu - 100, Cr - 200, Cd - 24, Ni - 100. Метали вносили у вигляді солей: сульфатів цинку і міді, ацетату свинцю, хлориду кобальту, калію хромовокислого, нітрату кадмію, ацетату та оксиду нікелю. Площа ділянки - 0,5 м². Повторність досліду чотириразова. При закладці досліду стінки ділянок ізолювали поліетиленовою плівкою.

У модельно-вегетаційному досліді №1 вивчали ефективність промивки чорнозему звичайного від ВМ дистильованою, підкисленою до рН-3 і меліорованою водами, а також зв’язування металів у малодоступні для рослин форми адсорбентами: червоним шламом (3 г/кг грунту), керамзитом (3 г/кг), цеолітом (3 г/кг), крейдою (3 г/кг), сапропелем (15 г/кг), криптогуміном (15 г/кг), біомосом (1,5 г/кг), активованим вугіллям (1,5 г/кг). Грунт усіх варіантів забруднили Pb і Cd у формі ацетату свинцю та сульфату кадмію до рівнів 2, 7, 10 ГДК їх валового вмісту. Грунт промивали подачею води безнапірно зверху, трьома тактами. Загальна норма - 675 мм.

У модельно-вегетаційному досліді № 5 вивчали ефективність зв’язування ВМ у грунті різними дозами адсорбентів: цеолітом, вермикулітом, керамзитом - 8, 16, 32 г/кг грунту; активованим вугіллям, червоним шламом - 4, 8, 16 г/кг; торфом - 16, 32, 64 г/кг. Грунт усіх варіантів забруднили до високого рівня (мг/кг): Pb - 100, Cd - 24, Cr - 200, Co - 50, Ni - 100. Тест-культурами були кукурудза, редиска, озима пшениця.

У модельно-вегетаційному досліді № 2 визначали вплив зрошення водами різної якості на накопичення металів у грунті та їх транслокацію у рослини салату. В досліді № 3 вивчали надходження ВМ у зелену масу салату із різних генетичних горизонтів грунту: Н/к (0-25 см), Нрк (25-40 см), НРк (40-70 см), Рhк (70-110 см), Рк (110-150 см). У досліді №4 виявляли вплив різних рівнів забруднення грунту Pb  і Cd на трансформацію металів та транслокацію їх у зелену масу кропу. Грунт забруднювали Pb і Cd як окремо, так і сумісно до 3, 5, 10, 15, 20 ГДК. Свинець вносили у формі ацетату, кадмій - сульфату. Дози Pb становили 65, 125,  275, 425, 575 мг/кг, Cd - 10, 20, 45, 75, 90 мг/кг. Повторність варіантів модельно-вегетаційних дослідів триразова.

У модельно-лабораторному досліді № 1 вивчали можливість очищення зрошувальної води від ВМ за допомогою адсорбентів. Вода № 1 - мінералізована, додатково забруднена Pb, Co, Cd, Ni, Cr; доза адсорбентів - 20 г/л (співвідношення вода : адсорбент - 50:1). Вода № 2 - дистильована, забруднена Pb, Cd, Ni; при цьому концентрацію солей металів збільшили у два рази, а дози адсорбентів зменшили у два рази. Адсорбенти змішували з водою і відстоювали протягом доби, а потім фільтрували й аналізували інфільтрат.

У модельно-лабораторному досліді № 2 вивчали розподіл Zn, Pb, Co, Cu, Cr, Cd і Ni  між різними фазами та компонентами чорнозему звичайного з мікроділянкового досліду № 2. При цьому використовували метод послідовної екстракції металів: їх визначали у грунтовому розчині, у твердій фазі грунту: у водній витяжці, у складі катіонів вбирного комплексу, у фракціях гумінових (ГК) і фульвокислот (ФК), у мулистій фракції.

Валовий вміст ВМ у грунті визначали рентгено-спектральним (на приладі СРН-25) та інверсійно-спектральним (ДФС-8) методами, рухомі форми - атомно-абсорбційним методом на приладі с-115 в ацетатно-амонійній (СH₃COONH₄ з рН-4.8), солянокислій (1н Hcl) та водній витяжках, у зрошувальних водах і рослинах - атомно-абсорбційним методом.

У грунті визначали також сольовий склад, загальний гумус і його груповий та фракційний склад, карбонати, рухомі форми азоту, фосфору та калію, гранулометричний склад згідно атестованих й тимчасово допущених методик. Математичну обробку проводили за допомогою пакета програм “Statistica”, дисперсійного та кластерного аналізів.

 Природні та антропогенні умови району досліджень

У розділі описуються фізико-географічне положення, клімат, рельєф, геологічна будова, гідрографія, гідрогеологія, рослинний покрив, грунтотворні породи, грунтовий покрив району досліджень. Як антропогенні умови розглядається вплив викидів промислових підприємств, автотранспорту і стічних вод на стан навколишнього середовища. За грунтово-екологічним районуванням України (Полупан, Соловей, 1997) Донецька область відноситься до степової зони, північно-степової підзони чорноземів звичайних, зимово-холодної фації, Донецької провінції. Згідно з районуванням, розробленим Інститутом гідротехніки і меліорації УААН, Донецька область належить до зони недостатнього і нестійкого зволоження (коефіцієнт зволоження 0,45-0,55), дефіцит якого компенсується зрошенням. Зрошення впливає на вміст металів у грунтах і рослинах, на міграцію їх в системі “вода - грунт - рослина”, але в Донбасі значну роль у забрудненні компонентів біосфери відіграють й інші фактори техногенного походження.

Еколого-агромеліоративний стан зрошуваних земель Донецької області

Хімічний склад та іригаційна оцінка зрошувальних вод. Донецька область має численні водні джерела зрошення (понад 500), склад яких формується за рахунок природних вод і (значною мірою) недоочищених стічних вод промислових підприємств. Мінералізація поливних вод змінюється від 0,3-1,0 до 2,0-4,0 г/л солей. Тип солей прісних вод - гідрокарбонатно-кальцієвий або сульфатно-гідрокарбонатний магнієво-кальцієвий. З підвищенням мінералізації хімізм солей змінюється на більш токсичний хлоридно-сульфатний магнієво-натрієвий або сульфатно-натрієвий. Оцінка зрошувальних вод, згідно з ДСТУ 2730 (за небезпекою засолення, осолонцювання та підлуження грунту) показала, що водами першого класу (придатними для зрошення) поливається 15-20 % території, другого (обмежено придатними) - 60-70%, третього (непридатними) - 15-20 %.

Оцінка вод за вмістом ВМ, згідно з ВНД 33-5.5-06, свідчить, що прісні води, як правило, характеризуються низьким рівнем вмісту металів (сума ВМ 0,09-0,16 мг/л) і належать до першого класу. З підвищенням мінералізації сумарна їх кількість зростає до 0,20-0,62 мг/л, але цей зв’зок може порушуватися викидами промислових підприємств і автотранспорту, стічними водами. Пріоритетними забруднювачами вод виступають Pb, Cd і Co. За результатами досліджень складено картосхему якості води за вмістом ВМ. При цьому водами першого класу зрошується 10% площі, другого - 65% і третього - 25%.

Вміст рухомих форм важких металів у зрошуваних грунтах. Проведеними дослідженнями встановлено, що тривалість зрошення та якість води впливають на стан і хімічні властивості грунтів. Просторова та профільна неоднорідність розподілу ВМ обумовлена різними джерелами їх надходження - зрошувальними водами, викидами промислових підприємств і автотранспорту. Нами складено картосхему забруднення грунтів Донецької області рухомою формою ВМ (шари 0- 

50, 0-100 см). Встановлено, що якість води впливає на вміст металів у грунті. Площам, зрошуваним водами першого класу, як правило, відповідають площі з допустимою категорією забруднення - сумарний показник забруднення Zc <16,0 (5% від загальної площі зрошення), водами другого класу - з помірно небезпечною категорією - Zc = 16,1-32,0 (50%) і водами третього класу  - з небезпечною категорією - Zc = 32,1-128,0 (45%). Цей зв’язок апроксимується відповідними рівняннями регресії з коефіцієнтами кореляції від 0,50 до 0,67. Однак він може порушуватися атмосферним забрудненням через викиди промислових підприємств і транспорту.

Зрошення посилює міграцію ВМ, обумовлює перерозподіл їх по профілю й акумуляцію в нижніх шарах грунту. Вміст металів у незрошуваних грунтах, як правило, нижчий.

Пріоритетними забруднювачами грунтів, як і вод, виступають Pb, Cd, Co, Ni, вміст яких при зрошенні водами третього класу перевищує фон відповідно в 10-23, 4-6, 7-15, 3-6 разів. За вмістом Pb і Cd складено картосхеми, їх контури в основному пристосовані до контурів якості води.

Рівні вмісту важких металів у сільськогосподарських рослинах. Вміст ВМ у зрошувальних водах і зрошуваних грунтах впливає на якість сільськогосподарської продукції. При зрошенні водами першого класу вміст металів у рослинах, як правило, не перевищує допустимого рівня, а з погіршенням якості води (другий і третій класи) транслокація посилюється, і кількість ВМ перевищує ГДК і максимально допустимий рівень (МДР) у два-шість разів. Особливої уваги заслуговує якість овочевої продукції та картоплі. При зрошенні водами другого-третього класів накопичення токсичних елементів (Pb, Cd, Cr) перевищувало ГДК у бульбах картоплі, в томатах, моркві, кабачках та столових буряках у 1,2-3,5 рази. Розроблено статистичні моделі залежності вмісту ВМ у рослинах від якості зрошувальної води та рівня забруднення грунту з коефіцієнтами кореляції 0,77-0,93, які дозволяють оцінити та прогнозувати забруднення сільськогосподарської продукції в умовах зрошення і техногенного навантаження.

Оцінка еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель. На основі проведеного нами обстеження та узагальнення фондових матеріалів вперше дано комплексну оцінку еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області, складено картосхему з виділенням трьох груп земель (рис. 1). Землі першої групи займають площу 21 тис. га (10,5% від загальної площі зрошення) і характеризуються задовільним станом. Для зрошення використовуються, як правило, води першого класу. Шар грунту 0-50 см незасолений і неосолонцьований; забруднення ВМ на рівні допустимої категорії (Zc <16,0). Продукція не забруднена, але в локальних зонах вміст Pb i Cd може перевищувати ГДК через атмосферне забруднення.

Землі   другої групи займають  площу 123 тис. га (61,5%) і характеризуються  небезпечним станом. Для  зрошення використовуються, як правило, води другого класу. Шар 0-50 см засолений нижче слабкого ступеня, осолонцьований на рівні слабкого ступеня; забруднення ВМ на рівні допустимої та помірно небезпечної категорій (Zc =10-30). Продукція забруднена ВМ на рівні ГДК та вище.