Семенов Д.О. Рухомість кадмію в грунтах Лівобережного Лісостепу та Степу України та його транслокація до злакових культур і соняшнику

Краткое содержание

Фактори накопичення, міграції та транслокації кадмію в системі “ґрунт - рослина”

Нині до навколишнього середовища надходить близько 500 тисяч різного роду хімічних речовин (Н.А. Черных, 1991), але особливе місце серед них займають важкі метали (ВМ). Вони є однією з пріоритетних груп забрудників, джерелом яких є викиди індустріальних підприємств (В.В. Добровольский, 1997). Надходження важких металів, яке пов’язане з діяльністю людини, значно переважає за обсягами їхні природні джерела (В.А. Большаков, 1991). Цe є дуже важливим і для нашої держави, оскільки важкими металами забруднена значна частина території України. Переважно, це індустріально розвинені регіони Донбасу та Середнього Придніпров’я (В.В. Медведев, И.В. Плиско, 2006). Особливої актуальності забруднення ВМ набуває саме для ґрунтів, оскільки вони є головним депонентом техногенних мас ВМ (В.В. Добровольский, 1999, А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас, 1989).

Забруднення ґрунтів кадмієм (Cd) становить особливу загрозу, оскільки цей елемент негативно вирізняється серед інших ВМ своєю високою рухомістю у ґрунтах і значною токсичністю (Д.Н. Липатов и др., 2006, М.С. Соколов, 1995). Для цього металу також характерна значна латеральна та радіальна міграція в ґрунтах (Ю.М. Дмитрук, 2006). При потраплянні ВМ до ґрунту саме його якісні характеристики впливають на їхню подальшу поведінку. На слабо буферних ґрунтах негативний вплив цих речовин на рослини є значно сильнішим у порівнянні із високо буферними (М.М. Мірошниченко, 2002). Багатьма авторами відмічається винятковий вплив властивостей ґрунтів на їх насиченість Cd та накопичення цього металу в рослинах (А.І. Фатєєв, Я.В. Пащенко, 2003, Р.С. Трускавецький, 2003, В.Б. Ильин, 1980). Проте рослини, в свою чергу, здатні контролювати транслокацію Cd (С.Е. Головатый, 2002, Б.А. Ягодин, 1989) та його рухомість в ґрунтах (Ю.В. Алексеев, 2003, R. Volker, A. Fikry, 2000) завдяки своїм видовим та сортовим особливостям.

Встановлено, що дані стосовно вмісту Cd в ґрунтах України є здебільшого фрагментарними і нерідко були одержані за різними методиками. Відомості стосовно впливу ґрунтових властивостей на рухомість Cd в системі “ґрунт – рослина” мають суперечливий характер через багатофакторність ґрунтово-кліматичних умов та різну толерантність самих рослин, до того ж антропогенне надходження цього металу вносить значні корективи у встановлені закономірності.

         Умови, об’єкти і методика досліджень. Дослідження з вивчення вмісту та рухомості кадмію в ґрунтах Лівобережного Лісостепу та Степу України та його накопичення у рослинах проводили шляхом експедиційних грунтово-геохімічних обстежень, мікропольового і двох вегетаційних дослідів.

         Дослідження в натурних умовах. Для визначення вмісту рухомих та міцнофіксованих форм Cd в ґрунтах Лівобережного Лісостепу та Степу України та накопичення цього елементу в рослинах злакових культур і соняшнику, а також для визначення впливу основних ґрунтових властивостей на ці показники було проведено обстеження як фонових територій (мережа спостережень у північно-південному напрямі з щільністю 1 площадка на 10 км), так і ареалів із значним техногенним навантаженням (на прикладі районів впливу Зміївської ДРЕС Харківської області та міст Костянтинівка і Маріуполь Донецької області). Загальна кількість пробних площадок, де відбирали сполучені зразки ґрунтів і рослин, становить 235.

Мікропольовий дослід. Дослідження проводили у 2004-2007 роках на Коротичанському дослідному полі ННЦ “ІГА імені О.Н. Соколовського”. Ґрунт – чорнозем опідзолений важкосуглинковий (рН водний 5,7, вміст гумусу 2,9%, фізичної глини 45,1%, фоновий вміст Cd 0,8 мг/кг ґрунту). Моделювали різні рівні вмісту кадмію у ґрунті: 1; 1,5; 2; 3 та 5 регіональних кларків (0,8; 1,2; 1,6; 2,4 та 4 мг/кг ґрунту відповідно) шляхом внесення розчину сульфату цього металу Дослід проводили у поліетиленових посудинах без дна розміром 60 × 60 × 40 см, двома блоками – висівали соняшник сорту “Світоч” та озиму пшеницю сорту “Харус”. Повторність досліду чотириразова.

Схема мікропольового досліду: 1) контроль (фоновий ґрунт) – валовий вміст Cd 0,8 мг/кг; 2) контроль + Cd 0,4 мг/кг; 3) контроль + Cd 0,8 мг/кг; 4) контроль + Cd 1,6 мг/кг; 5) контроль + Cd 3,2 мг/кг.

Вегетаційний дослід № 1. Для встановлення впливу ґрунтових властивостей на вміст рухомих та міцнофіксованих форм кадмію (витяжки амонійно-ацетатним буфером з рН 4,8 та 1н HCl відповідно) у зонах Лісостепу та Степу України було відібрано 27 зразків фонових ґрунтів і порід різного генезису, контрастних за параметрами вмісту гумусу (0,2 - 7,5 %), фізичної глини (17,4 - 66,7 %) і рН (4,9 - 8,2), які представлені дерновими, лучно-чорноземними, сірими лісовими і темно-сірими опідзоленими ґрунтами, чорноземами опідзоленими, типовими, звичайними та південними, а також лесом. Схема досліду: 1) контроль (фоновий ґрунт); 2) ґрунт забруднений Cd 3 мг/кг. Дослід проводили у дренованих поліетиленових посудинах об’ємом 1,4 дм³. Культура – овес на зелену масу, сорт “Мирний”. Повторність триразова.

Вегетаційний дослід № 2 проводили для встановлення впливу реакції ґрунтового середовища на рухомість кадмію у ґрунті та накопичення його у рослинах, а також для встановлення водно-міграційної здатності цього металу. Ґрунт – чорнозем типовий важкосуглинковий на лесі (3,4 % гумусу, рН водний 7,1, вміст фізичної глини 51,2%, Нг 1,3 мекв/100г ґрунту).

Схема досліду: 1) Контроль (фоновий ґрунт); 2) ґрунт підкислений до рівня 5Нг; 3) ґрунт забруднений сполуками ВМ на рівні 5 кларків; 4) Варіант 3 + підкислення до рівня 5Нг; 5) ґрунт забруднений сполуками ВМ на рівні 3 кларків + підкислення до рівня 2Нг. Дослід проводили у дренованих поліетиленових посудинах об’ємом 1,4 дм³ із ємностями для збору елюату. тест-культурами були озима пшениця сорту “Харус” (2005 рік) та ячмінь сорту “Вакула”(2006 рік) на зелену масу. Повторність досліду триразова.

Аналітичне визначення основних параметрів досліджуваних ґрунтів проводили за такими методиками: гранулометричний склад за методом піпетки в модифікації Качинського (ДСТУ 4730:2007), загальний уміст гумусу за Тюріним (ДСТУ 4289:2004), рН водної витяжки за ГОСТ 26423-85, рН сольової витяжки з ґрунту за ГОСТ 26484-85, визначення гідролітичної кислотності за методом Каппена в модифікації ЦИНАО (ГОСТ 26212-91), ємність поглинання ґрунту за ММВ 31-497058-022-2005. Вміст рухомих форм кадмію визначали в ацетатно-амонийній буферній витяжці з рН 4,8 за ДСТУ 4770.3:2007, вміст його міцнофіксованих форм - у витяжці 1н НСl за МВВ 31-497058-015-2003. Вміст кадмію у рослинних пробах визначали за ГОСТ 26929-94 після мінералізації за ГОСТ 26929-86, у елюаті - після випаровування та розчинення у 10 % HCl. Аналітичне визначення концентрації у підготовлених пробах проводили атомно-абсорбційним методом з полуменевою атомізацією на приладах С-115М і Сатурн-4. Обробка отриманих результатів проводилась за допомогою програм Exel, STATISTICA та пакету Новікова.

ПРОСТОРОВИЙ РОЗПОДІЛ КАДМІЮ В ҐРУНТАХ і досліджуваних рослинах в межах ЛІВОБЕРЕЖНОГО ЛІСОСТЕПУ ТА СТЕПУ УКРАЇНИ

Просторовий розподіл досліджуваних форм кадмію у ґрунтах. У ґрунтах Лівобережного Лісостепу і Степу України вміст рухомого Cd в шарі 0 - 25 см в середньому дорівнює 0,12 мг/кг із коливаннями від 0,01 до 0,35, а кількість міцнофіксованих форм цього металу становить в середньому 0,32 мг/кг із варіюванням від 0,06 до 0,97. Проте, не дивлячись на досить значну варіабельність, розподіл вмісту цього екотоксиканту в ґрунтах визначається географічними та літологічними закономірностями. Найнижчий вміст Cd був визначений у сірих лісових та темно-сірих опідзолених ґрунтах та в ґрунтах із легким гранулометричним складом. Кількість рухомих форм в середньому становить 0,06±0,02 мг/кг. Чорноземи опідзолені та типові мають вже порівняно вищий вміст цього металу (0,08±0,04 мг/кг із коливаннями від 0,03 до 0,15 та 0,09±0,05 мг/кг із коливаннями 0,03 до 0,26 відповідно). Особливо вирізняються в цьому відношенні ґрунти південного сходу України, які представлені чорноземами звичайними та південними. Через геохімічні особливості цього регіону вони мають підвищений вміст як рухомого, так і міцнофіксованого кадмію. Середній вміст доступних форм Cd у цих ґрунтах становить 0,13±0,07 мг/кг із варіюванням від 0,01 мг/кг до 0,35 мг/кг, що перевищує раніше відомі фонові значення за цим показником. Особливістю ґрунтів цього регіону є в певному розумінні їхній двоякий вплив на рухомість цього пріоритетного екотоксиканту. З одного боку вони мають підвищений фоновий вміст Cd, завдяки геохімічній будові території, з другого – високий вміст фізичної глини, а також слаболужна реакція ґрунтового розчину є факторами надійного закріплення цього металу. У значній мірі варіабельність за вмістом кадмію зумовлена техногенним забрудненням ґрунтів у цій індустріально розвиненій зоні, про що свідчить значна кількість грубих викидів із встановлених меж вмісту цього елементу, що особливо стосується чорноземів звичайних і південних (рис. 1).

            1 – ґрунти легкої гранулометрії, 2 – сірі лісові, 3 – темно-сірі опідзолені, 4 - чорноземи опідзолені, 5 – чорноземи типові, 6 – чорноземи звичайні, 7 – чорноземи південні, 8 –чорноземи лучні, 9 – темно-каштанові ґрунти.

            Рис 1. Вміст рухомих та міцнофіксованих форм кадмію у ґрунтах Лівобережного Лісостепу та Степу України в шарі 0-25 см.

Підвищений вміст кадмію також характерний для ґрунтів, формування яких відбувалося під впливом гідроморфізму, наприклад у чорноземах лучних. Кількість рухомого кадмію в них сягає 0,12±0,08 мг/кг із коливанням від 0,05 мг/кг до 0,20 мг/кг. Дещо нижчим є вміст кадмію у темно-каштанових ґрунтах, які розташовані у Північному Криму. Середній вміст рухомих сполук цього металу у даних ґрунтах сягає 0,11±0,05 мг/кг із коливанням від 0,07 мг/кг до 0,19 мг/кг.

За наведеними даними можна зробити висновок, що вміст як рухомих, так і міцнофіксованих форм кадмію у лівобережній частині степової зони України вищий, ніж лісостепової. Кількість рухомого Cd у Лісостепу становить в середньому 0,08 мг/кг із інтервалом значень від 0,03 мг/кг до 0,26 мг/кг, а у Степу цей показник складає в середньому 0,13 мг/кг із коливанням від 0,01 мг/кг до 0,35 мг/кг. Ще більш істотно відрізняються значення вмісту міцнофіксованих форм: 0,18 мг/кг (min = 0,09 мг/кг, max = 0,58 мг/кг) та 0,36 мг/кг (min = 0,06 мг/кг, max = 0,97 мг/кг відповідно). Істотність різниці між вмістом Cd у ґрунтах цих зон статистично доведена за допомогою критерію Ст’юдента (t), значення якого дорівнюють для рухомих форм 6,25, для міцнофіксованих 8,18, що значно перевищує табличне значення 1,96.