8138

111

4.1.2. Баланс ТМ в системе «почва-растение»

Баланс ТМ определяется по разности между суммарным количеством поступивших в систему и вынесенных из нее элементов. Источниками поступления элементов в почву являются: атмосферные выпадения, минеральные и органические удобрения, мелиоранты. Отчуждение металлов из почвы учитывается по показателям выноса с основной и побочной продукцией сельскохозяйственных культур, вымыванием тяжелых металлов с внутрипочвенным стоком.

На рисунке 12 показана мощность миграционных потоков ТМ на примере свинца и цинка.

Ватмосферном воздухе ТМ присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть).

Впочвах ТМ содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями. Кроме того, ионы ТМ могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.

Источники поступления ТМ в почву

Атмосферные выпадения являются ведущим путем поступления ТМ в почву городов. Однако уже на небольшом удалении, в частности в зоне пригородного сельского хозяйства, относительная роль данного источника загрязнения значительно снижается и наиболее существенным источником загрязнения почвы ТМ становится применение удобрений, в первую очередь полученных из осадков промышленных и канализационных очистных сооружений.

112

Рисунок 12. – Мощность миграционных потоков (стрелки) свинца и цинка в растворенной (над чертой) и нерастворимой (под чертой) формах (мг/м2 в год) и фонды иммобилизированных элементов в расчете на призму сечением 1 м2 (мг)

При расчете поступления ТМ в почву с минеральными удобрениями учитывается весь ассортимент и объем применяемых удобрений за определенный период и на определенной площади.

Из всех видов удобрений (азотные, фосфорные, калийные, сложные) наибольшее количество примесей ТМ поступает с фосфорными

113

удобрениями, наименьшее – с азотными; калийные и сложные удобрения занимают промежуточное положение (таблица 13).

Таблица 13

Среднее содержание тяжелых металлов в удобрениях

Техника расчетов поступления ТМ в почву с органическими удобрениями, известью, ОГСВ достаточно проста: среднегодовое внесение их за определенный период умножается на содержание каждого элемента в этих средствах химизации. Приход ТМ с ОГСВ целесообразно выделять в

114

особую статью, т.к. этот вид удобрения применяется не в каждой хозяйственной единице, не каждый год и характеризуется по сравнению с обычными органическими удобрениями резко повышенным содержанием ТМ.

На основании получаемых сведений о величине ежегодного поступления ТМ в почву можно судить о скорости достижения предельно допустимых концентраций ТМ в почвах.

Сопоставление данных запаса ТМ в пахотном слое почв с их ежегодным поступлением показывает, что увеличение уровня содержания ТМ в почвах коррелирует с интенсивностью потоков ТМ на поверхность почв.

С уменьшением применения средств химизации в сельском хозяйстве, как это происходит в последние годы, снижается и поступление ТМ на поверхность почвы. Но применение нетрадиционных удобрений, таких, как ОГСВ, отходов промышленности, требует повышенного контроля за их составом и нормированием.

Вынос металлов из почвы

Удаление ТМ из почвы может происходить путем выноса с основной и побочной продукцией сельскохозяйственных культур, вымыванием ТМ с поверхностным и внутрипочвенным стоком, а также вследствие ветровой эрозии.

Хозяйственный вынос ТМ с основной и побочной сельскохозяйственной продукцией определяется традиционным способом, т.е. на основе структуры посевных площадей, величины урожая, содержания ТМ в растениях.

Для расчета используется среднее содержание ТМ в различных сельскохозяйственных культурах (таблица 14).

115

Таблица 14

Среднее содержание тяжелых металлов в сельскохозяйственных

растениях, мг/кг

Часть ТМ может выноситься за пределы рассматриваемой системы в результаты сноса частиц почвы ветром (ветровая эрозия). Однако необходимо отметить, что в условиях Нечерноземья интенсивность ветровой эрозии незначительна, поэтому данную статью баланса ТМ можно считать несущественной.

Потери ТМ от вымывания с инфильтрующими водами оцениваются на основе состава почвенно-грунтовых вод и количества атмосферных осадков, просачивающихся через профиль почв. Величины потерь элементов зависят от типа почвы, гранулометрического состава, плотности сложения, интенсивности и продолжительности увлажнения почвы и других факторов. Принято считать, что 1/5 часть общего количества осадков, выпавших в бесснежный период, просачивается с внутрипочвенным стоком.

Как показывают экспериментальные данные, с внутрипочвенным стоком из корнеобитаемого слоя выщелачивается от 0,3 до 14,0 г/га в год

116

различных ТМ. Особенно интенсивно вымываются такие элементы как Zn, Mn, Cu, Fe из кислых почв (с рН менее 6,5).

Вынос ТМ может также происходить под действием поверхностных вод в результате водной эрозии. При этом для различных участков интенсивность данного процесса различается: она максимальна на крутых склонах, минимальна на пологих, практически отсутствует на субгоризонтальных поверхностях. При этом вынос ТМ идет как за пределы системы, так и в более глубокие почвенные горизонты.

Внастоящее время, в сельскохозяйственных почвах природное равновесие частично нарушается, а химический состав почв не полностью отвечает требованиям выращиваемых культур, часть химических элементов отчуждается с урожаем, органическое вещество частично минерализуется. Поэтому пахотные почвы приходится пополнять химическими элементами и/или их соединениями путем внесения минеральных и органических удобрений.

Вцелом, анализируя баланс ТМ, можно отметить, что основной поток ТМ циркулирует в направлении почва-растение. Именно вынос тяжелых металлов с сельскохозяйственной продукцией является основным путем удаления ТМ из почвы.

Таким образом, наиболее тщательному изучению должны подвергнуться механизмы закрепления ТМ в почве, их поступления и распределения в растениях и последующей детоксикации. Только после тщательного изучения данных механизмов можно разработать эффективную технологию, позволяющую обеспечить растения необходимыми микроэлементами и предотвратить загрязнение почв.

Механизмы закрепления ТМ в почве

Почва – весьма специфический компонент биосферы, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

117

Гранулометрический состав почв оказывает прямое влияние на закрепление тяжелых металлов и их освобождение, поэтому почвы тяжелого механического состава характеризуются меньшей потенциальной опасностью поступления ТМ в растения.

Поглощение ТМ почвами существенно зависит от кислотности почв, а также состава анионов почвенного раствора (таблица 15).

Таблица 15

Подвижность химических микроэлементов в различных почвах в зависимости от их реакции

Содержание гумуса в почвах напрямую связано с их способностью адсорбировать ТМ, поскольку последние хорошо поглощаются органическим веществом почвы.

ТМ способны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями. По сравнению с минеральными коллоидами, органическое вещество является лучшим сорбентом ТМ. Фульвокислоты образуют с металлами хелатные соединения, растворимые в широком диапазоне pH (в кислой, щелочной среде, но не в нейтральной), мигрирующие вниз по профилю. Комплексы металлов с

118

гуминовыми кислотами малоподвижны, нерастворимы в кислой среде, что способствует накоплению ТМ в органогенном горизонте. Появляется иммобилизующий эффект органического вещества по отношению к ТМ.

Катионообменная способность обусловлена содержанием и минералогическим составом илистой фракции, а также содержанием органического вещества. Чем выше емкость катионного обмена, тем больше удерживающая способность почв по отношению к ТМ, что снижает их доступность растениям и живым организмам.

Избыток влаги в почве способствует появлению ТМ в низкой степени окисления и в более растворимых формах. Анаэробные условия повышают доступность ТМ растениям.

При оценке экологической опасности почвенного загрязнения необходимо принимать во внимание не только его интенсивность, но и состав загрязнителей.

Опыты свидетельствуют, что техногенные формы соединений металлов, поступая в почву, в процессе их трансформации в прочнофиксированные соединения проходят растянутый во времени этап подвижных компонентов.

Сорбционному закреплению ТМ препятствует присутствие в растворе соединений, переводящих металлы в состав комплексных анионов. Полифосфатные, отрицательно заряженные комплексы Сu, Zn значительно слабее адсорбируются почвой, чем металлосодержащие, положительно заряженные. Органический комплексообразователь – ЭДТА – в еще большей степени снижает сорбцию металлов. Сорбция Cd на гидроксидах Al и Fе, каолините и монтмориллоните подавлялась ЭДТА. Все металлы рассматриваемой группы адсорбируются предпочтительнее двухвалентных щелочно-земельных и, как показали эксперименты с разнообразными сорбентами (почвами, глинами, гидрооксидами Fе), выдерживается постоянным ряд адсорбции: Рb > Cu > Zn >> Cd. Наименее активно сорбируется кадмий, присутствие в растворе других металлов уменьшает

119

сорбцию Cd в 2÷14 раз; основной конкурент Cd – цинк, особенно при количественном преобладании последнего. В адсорбционном закреплении ТМ почвой играют роль все компоненты, формирующие почвенный поглощающий комплекс.

Адсорбция металлов гумусовыми веществами происходит за счет обмена Н+-ионов кислых функциональных групп гумусовых кислот с закреплением металлов в составе внутрикомплексных соединений. Главным фиксатором металлов являются гуминовые кислоты, фульвокислоты обладают меньшей осаждающей способностью. Сорбционное закрепление не характерно для Мn, который не образует внутрисферные комплексы с органическими веществами. Процесс сорбции следует рассматривать причинным механизмом связывания металлов органическими соединениями почвы, после чего металлы в основной своей части теряют способность к обмену.

Важным фактором фиксации металлов в почвах является комплекс глинистых минералов с характерной для него адсорбционной способностью.

Таким образом, адсорбция, будучи первичным механизмом извлечения ТМ из растворов, в последующем приводит к их прочной связи с различными почвенными компонентами. Дальнейшая судьба ТМ определяется поведением этих соединений в процессах педогенеза.

В богатых гумусом тяжелосуглинистых и глинистых почвах ТМ прочно связываются, что предохраняет от загрязнения грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более загрязненной и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом ТМ в почвенный раствор. В итоге, такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования.

Почвы песчаные, малогумусные, устойчивы против загрязнения; это значит, что они слабо связывают ТМ, легко отдают их растениям или пропускают их через себя с фильтрующимися водами. На таких почвах возрастает опасность загрязнения растений и подземных вод. В этом заклю-

120

чается одно из трудноразрешимых противоречий: легко загрязняющиеся почвы предохраняют окружающую среду, но почвы, устойчивые к загрязнению, не обладают защитными свойствами в отношении живых организмов и природных вод .

Если почвы загрязнены ТМ, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую зеленую массу; такие культуры извлекают из почвы токсичные элементы, а затем собранный урожай подлежит уничтожению. Но это довольно длительная и дорогостоящая процедура.

4.1.3. Механизмы поступления и детоксикации ТМ у растений

Важное место при разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения ТМ занимает изучение их поглощения растениями.

Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды ТМ возможны два основных пути их поступления в растения: из атмосферы через листовую поверхность и из почвы через корневую систему.

Поступление ТМ в растения через корневую систему зависит, прежде всего, от количества этих металлов в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки – в некоторых случаях превышают величину 0,80. Отмечают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

По мнению некоторых авторов, сравнение содержания ТМ в почвах и растениях, выраженное в обычных единицах измерения (мг/кг сухого вещества), не позволяет установить статистически достоверные связи между ними.