Буферность почв по отношению к меди и статистическая оценка вкладов составляющих ее компонентов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Буферная способность почв по отношению к тяжелым металлам (ТМ) является ключевым фактором их иммобилизации в почвах. Она включает сумму основных компонентов и свойств почв, выраженных в баллах: Сорг, физическую глину (ФГ), подвижные (Fe + Al), CO2 карбонатов, а также pHH2O. Используя выборку из 40 экспериментальных точек, методами множественного регрессионного анализа получены уравнения, позволяющие выразить буферную способность почв по отношению к ТМ через состав и свойства почв со значимостью P < 10–6. С учетом валового содержания Cu и морфометрических характеристик ярового ячменя оценены значения предельно допустимых концентраций Cu (ПДКСu) для этой культуры при различных значениях буферности почв. Установлено, что вклады состава и свойств почв в общую буферную способность по отношению к Cu после статистической обработки результатов эксперимента, включая биологический фактор, уменьшаются в ряду: ФГ > (Fe + Al)подв > Сорг > СО2карб > pHH2O и отличаются от соответствующего распределения, полученного на основе эмпирических данных Ильина и Сысо [8] без статистической обработки. Разработанная методика оценки буферной способности почв по отношению к ТМ и расчета ПДКCu не требует дискретизации объектов по составу и свойствам на диапазоны, гарантирует положительные значения буферной способности в целом и позволяет в дальнейшем осознанно изменять набор показателей, формирующих буферность почв по отношению к ТМ. Методика позволяет улучшать качество расчетов ПДК без дополнительных усложнений системы и выполнения сложных экспериментальных исследований.

Об авторах

Д. Л. Пинский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pinsky43@mail.ru
Россия, ул. Институтская 2, Пущино, Московская область, 1422901

П. А. Шарый

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: pinsky43@mail.ru
Россия, ул. Институтская 2, Пущино, Московская область, 1422901

Список литературы

  1. Бойцова Л.В., Моисеев К.Г., Пищик В.Н., Зинчук Е.Г., Хомяков Ю.В. Использование тест растений для оценки степени загрязненности грунтов тяжелыми металлами // Агрохимический вестник. 2021. № 2. С. 54–57. https://doi.org/10.24412/1029-2551-2021-2-011
  2. Васин Д.В. Современные подходы к нормированию содержания тяжелых металлов в почве // Архивариус. 2021. Т. 7. № 3(57). С. 8–10.
  3. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012. 304 с.
  4. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91. М., 2009. 12 с.
  5. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам // Агрохимия. 1995. № 10. С. 109–113.
  6. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение // Почвоведение. 2007. № 9. С. 1112–1119.
  7. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва–растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 218 с.
  8. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
  9. Импактное загрязнение почв тяжелыми металлами и фторидами / Под ред. Зырина Н.Г. др. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 164 с.
  10. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы) // Почвоведение. 2014. № 7. С. 851–868. https://doi.org/10.7868/S0032180X14070077
  11. Ладонин Д.В. Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах. М.: Изд-во МГУ, 2019. 312 с.
  12. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Бурачевская М.В. Поглощение меди черноземными почвами и почвообразующими породами юга России // Геохимия. 2018. № 3. С. 280–289. https://doi.org/10.7868/S0016752518030081
  13. Пинский Д.Л. Современные представления о механизмах поглощения тяжелых металлов почвами // Эволюция, функционирование и экологическая роль почв как компонента биосферы. Пущино: Товарищество научных изданий КМК, 2020. С. 55–65.
  14. Пинский Д.Л., Шарый П.А., Манджиева С.С., Минкина Т.М., Переломов Л.В., Мальцева А.Н., Дудникова Т.С. Влияние состава и свойств почв и почвенно-песчаных субстратов, загрязненных медью, на морфометрические показатели растений ячменя // Почвоведение. 2023. № 3. С. 393–404. https://doi.org/10.31857/S0032180X2260113X
  15. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Манджиева С.С., Цицуашвили В.С., Бурачевская М.В., Чаплыгин В.А., Барахов А.В., Велигжанин А.А., Светогоров Р.Д., Храмов Е.В., Иовчева А.Д. Идентификация соединений тяжелых металлов в техногенно преобразованных почвах методами последовательного фракционирования, XAFS-спектроскопии и XRD порошковой дифракции // Почвоведение. 2022. № 5. С. 600–614. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050070
  16. Попова Л.Ф., Наквасина Е.Н. Нормирование качества городских почв и организация почвенно-химического мониторинга. Архангельск: САФУ им. М.В. Ломоносова, 2014. 108 с.
  17. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. 2021. URL: www.pravo.gov.ru (дата обращения 26.04.2022).
  18. Селюкова С.В. Тяжелые металлы в агроценозах // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 8. С. 85–93. https://doi.org/10.24411/0235-2451-2020-10815.
  19. Семенков И.Н., Королева Т.В. Нормативы содержания химических элементов в почвах функциональных зон городов (обзор) // Почвоведение. 2022. № 1. С. 96–105. https://doi.org/10.31857/S0032180X22010105
  20. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  21. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
  22. Холодов B.А., Кирюшин А.В., Ярославцева Н.В., Фрид А.С. Связывание меди(II) необратимо сорбированными на каолините и свободными гуминовыми веществами // Почвоведение. 2014. № 7. С. 803–811. https://doi.org/10.7868/S0032180X14070065
  23. Шафран С.А. Динамика плодородия почв Нечерноземной зоны и ее резервы // Агрохимия. 2016. № 8. С. 3–10.
  24. Alcacio T.E., Hesterberg D., Chou J.W., Martin J.D., Beauchemin S., Sayers D.E. Molecular scale characteristics of Cu(II) bonding in goethite–humate complexes // Geochim. Cosmochim Acta. 2001. V. 65. P. 1355–1366.
  25. Bauer T., Pinskii D., Minkina T., Nevidomskaya D., Mandzhieva S., Burachevskaya M., Chaplygin V., Popileshko Y. Time effect on the stabilization of technogenic copper compounds in solid phases of Haplic Chernozem // Sci. Total Environ. 2018. T. 626. P. 1100–1107.
  26. Communication from the Commission to the council, the European parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the regions: Thematic Strategy for Soil Protection. Commission of the European Communities (CEC). Brussels, 2006. 12 р.
  27. Degryse F., Smolders E., Parker D.R. Partitioning of metals (Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn) in soils: concepts, methodologies, prediction and applications – a review // Eur. J. Soil Sci. 2009. V. 60. P. 590–612. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2009.01142.x
  28. Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization / Ed. Carlon C. European Commission, Joint Research Centre, Ispra, 2007. 306 p.
  29. Hoylman Z.H., Jencso K.G., Hu J., Holden Z.A., Allred B., Dobrowski S., Robinson N., Martin J.T., Affleck D., Seielstad C. The topographic signature of ecosystem climate sensitivity in the western United States // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 14508–14520.
  30. Intawongse M., Dean J.R. Uptake of heavy metals by vegetable plants grown on contaminated soil and their bioavailability in the human gastrointestinal tract // Food Additives and Contaminants. 2006. V. 23. P. 36–48. https://doi.org/10.1080/02652030500387554
  31. Järup L. Hazards of heavy metal contamination // British Medical Bulletin. 2003. V. 68. P. 167–182. https://doi.org/10.1093/bmb/1dg032
  32. Komárek M., Cadková E., Chrastny V., Bordas F., Bollinger J.C. Contamination of vineyard soils with fungicides: a review of environmental and toxicological aspects // Environ. Int. 2010. V. 36. P. 138–151. https://doi.org/10.1016/j.envint.2009.10.005
  33. Liu H., Xie J., Cheng Zh., Wu X. Characteristics, chemical speciation and health risk assessment of heavy metals in paddy soil and rice around an abandoned high-arsenic coal mine area, Southwest China // Minerals. 2023. V. 13. P. 629. https://doi.org/10.3390/min13050629
  34. Luo L., Ma Y., Zhang S., Wei D., Zhu Y.G. An inventory of trace elements inputs to agricultural soils in China // J. Environ. Management. 2009. V. 90. P. 2524–2530. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2009.01.011
  35. Meng J., Wang L., Zhong L.B., Liu X.M., Brookes P.C., Xu J.M., Chen H.J. Contrasting effects of composting and pyrolysis on bioavailability and speciation of Cu and Zn in pig manure // Chemosphere. 2017. V. 180. P. 93–99. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.04.009
  36. Priority pollutant list. Website: https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-09/documents/priority-pollutant-list-epa.pdf
  37. Recatalá L., Sacristán D., Arbelo C., Sánchez J. Can a single and unique Cu soil quality standard be valid for different Mediterranean agricultural soils under an accumulator crop? // Water, Air and Soil Pollution. 2012. V. 223. P. 1503–1517. https://doi.org/10.1007/s11270-011-0960-0
  38. Romic M., Romic D. Heavy metals distribution in agricultural topsoils in urban area // Environ. Geology. 2003. V. 43. P. 795–805. https://doi.org/10.1007/s00254-002-0694-9
  39. Rooney C.P., Zhao F.J., McGrath S.P. Soil factors controlling the expression of copper toxicity to plants in a wide range of European soils // Environ. Toxicology Chem. 2006. V. 25. P. 726–732. https://doi.org/10.1897/04-602R.1
  40. Sacristán D., Carbó E. Copper contamination in Mediterranean agricultural soils: soil quality standards and adequate soil management practices for horticultural crops // Soil Contamination – Current Consequences and Further Solutions. Ch. 4. INTECH, 2016. P. 64–83. https://doi.org/10.5772/64771
  41. Seraj F., Rahman T. Heavy metals, metalloids, their toxic effect and living systems // Am. J. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 2626–2643. https://doi.org/10.4236/ajps.2018.913191
  42. Sereni L., Guenet B., Lamy I. Mapping risks associated with soil copper contamination using availability and bio-availability proxies at the European scale // Environ. Sci. Poll. Res. 2023. V. 30. P. 19828–19844. https://doi.org/ 10.1007/s11356-022-23046-0
  43. Sharma R.K., Agrawal M. Biological effects of heavy metals: An overview // J. Environ. Biol. 2005. V. 26. P. 301–313.
  44. Slack A.W., Kane J.M., Knapp E.E., Sherriff R.L. Contrasting impacts of climate and competition on large sugar pine growth and defense in a fire-excluded forest of the central Sierra Nevada // Forests. 2017. V. 8. P. 244. https://doi.org/10.3390/f8070244
  45. Tóth G., Hermann T., Da Silva M.R., Montanarella L. Heavy metals in agricultural soils of the European Union with implications for food safety // Environ. Int. 2016. V. 88. P. 299–309. https://doi.org/10.1016/j.envint.2015.12.017
  46. Uddin M.K. A review on the adsorption of heavy metals by clay minerals with special focus on the past decades // Chem. Engineering J. 2017. V. 308. P. 418–462. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.09.029
  47. Violante A., Cozzolino V., Perelomov L., Caporale A.G., Pigna M. Mobility and bioavailability of heavy metals and metalloids in soil environments // J. Soil Sci. Plant Nutrition. 2010. V. 10. P. 268–292. https://doi.org/10.4067/S0718-95162010000100005
  48. Wei B., Yang L. A review of heavy metal contaminations in urban soils, urban road dusts and agricultural soils from China // Microchem. J. 2010. V. 94. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.microc.2009.09.014
  49. Zwolak A., Sarzyńska M., Szpyrka E., Stawarczyk K. Sources of soil pollution by heavy metals and their accumulation in vegetables: a review // Water Air Soil Poll. 2019. V. 230. P. 164. https://doi.org/10.1007/s11270-019-4221-y

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (16KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Рассчитанная по формуле (2) кривая ПДК, отвечающая критическому значению МХ0 (длине надземной части при Labg0 = 44.29 см). Серая полоса показывает зону ошибок.

Скачать (184KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Связь содержания (Fe + Al)подв в баллах с результатами анализа, выраженными в процентах: 1 – экспериментальные точки, 2 – расчетная прямая (по данным [8]).

Скачать (74KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Кривые ПДК, рассчитанные по уравнению (11) для Buf(new) (1) и по уравнению (5) для Buf(old) (2) при уменьшении длины надземной части ячменя на 15%. Вертикальные отрезки показывают ошибки в Buf(new) (±3.32 балла) и в Buf(old) (±4.24 балла).

Скачать (192KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Сравнение Buf(new), рассчитанной после полной статистической обработки результатов эксперимента (уравнение (11)) с Buf(old), рассчитанной по методике Ильина (уравнение (5)).

Скачать (116KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024