Содержание и подвижность кадмия, кобальта и цинка в гумусовых горизонтах почв Республики Татарстан

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2017; : 6-24

Содержание и подвижность кадмия, кобальта и цинка в гумусовых горизонтах почв Республики Татарстан

Рязанов С. С., Иванов Д. В., Кулагина В. И., Сахабиев И. А.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/40/1

Аннотация

Проведено геохимическое обследование загрязнения почв Республики Татарстан кадмием, кобальтом и цинком. На обследуемой территории отобрано 1 170 образцов гумусовых горизонтов различных типов почв. С помощью метода регрессионных деревьев изучена структура зависимости содержания и подвижности тяжелых металлов от почвенных компонентов и свойств (органическое вещество, физическая глина, Fe, Mn, pH). Установлен региональный фоновый уровень металлов в гумусовых горизонтах почв: Cd (0,44±0,24 мг/ кг), Co (10,4±3,6 мг/кг) и Zn (43,3±12,8 мг/кг). Показано, что геохимические зоны повышенного содержания Cd, Co и Zn в почвах приурочены к восточной части Предкамья и северо-западу Предволжья. Для Cd и Zn отсутствуют значимые свидетельства антропогенного привноса, связанного непосредственно с сельскохозяйственной деятельностью. Обнаружено статистически значимое (p < 0,05) различие коэффициентов подвижности Co и Zn между естественым и сельскохозяйственным типом землепользования большинства типов почв. Наибольший уровень загрязнения кадмием и цинком наблюдается в урбаноземах на территории городов Альметьевск, Набережные Челны и Казань. В отношении содержания кобальта городские почвы характеризуются как незагрязненные. В результате проведенного исследования установлено, что цинк в гумусовых горизонтах проявляет сидерофильные свойства с вариациями между типами землепользования. Поведение и общее содержание кадмия в почвах сильно варьирует между типами почв: в естественных почвах проявляются сидерофильные и органофильные свойства кадмия, в сельскохозяйственных почвах также наблюдается его сродство с марганцем. Показано, что кобальт имеет общую для всех типов почв структуру геохимических связей и проявляет преимущественно сидерофильные и манганофильные свойства.

Список литературы

1. Li W., Zhang X., Wu B., Sun S., Chen Y., Pan W., Zhao D., Cheng S. A Comparative Analysis of Environmental Quality Assessment Methods for Heavy Metal-Contaminated Soils // Pedosphere. 2008. № 18 (3). PP. 344-352.

2. Romic M., Hengl T., Romic D., Husnjak S. Representing soil pollution by heavy metals using continuous limitation scores // Computers & Geosciences. 2007. № 3. PP. 1316-1326.

3. Esmaeili A., Moore F., Keshavarzi B., Jaafarzadeh N., Kermani M. A geochemical survey of heavy metals in agricultural and background soils of the Isfahan industrial zone, Iran // Catena. 2014. № 12. PP. 88-98.

4. Albanese S., De Vivo B., Lima A., Cicchella D., Civitillo D., Cosenza A. Geochemical baseline and risk assessment of the Bagnoli brownfield site coastral sea sediments (Naples, Italy) // J. Geochem. Explor. 2010. № 105. PP. 19-33.

5. WHO Regional Office for Europe 2007. Health risks of heavy metals from long-range transboundary air pollution. Scherfigsvej 8, DK-2100 Copenhagen 0, Denmark, Germany. 2007. 144 p. URL: http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0007/78649/E91044. pdf (accessed: 01.07.2017).

6. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М. : Мир, 1989. 440 с.

7. Violante A., Cozzolino V., Peremolov L., Caporale A.G., Pigna M. Mobility and bioavailability of heavy metals and metalloids in soil environments // J. Soil. Sci. Plant Nutr. 2010. № 10 (3). PP. 268-292.

8. Vega F.A., Andrade M.L., Covelo E.F. Influence of soil properties on the sorption and retention of cadmium, copper and lead, separately and together, by 20 soil horizons: Comparison of linear regression and tree regression analyses // Journal of Hazardous Materials. 2010. № 174. PP. 522-533.

9. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПб. : Изд-во ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.

10. Атлас Республики Татарстан / под ред. Г.В. Поздняка. СПб. : Иван Федоров, 2005. 216 с.

11. Александрова А.Б., Бережная Н.А., Григорьян Б.Р., Иванов Д.В., Кулагина В.И. Красная книга почв Республики Татарстан / под ред. Д.В. Иванова. Казань : Фолиант, 2012. 192 с.

12. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2015 году / Министерство экологии и природных ресурсов Республики Татарстан ; под ред. Ф.С. Абдулганиева. Казань, 2015. 505 с.

13. РД 52.18.191-89: Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. Утв. Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии. М., 1990.

14. РД 52.18.289-90: Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. Утв. Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии. М., 1991.

15. Hawkes H., Webb J. Geochemistry in mineral exploration. New York : Harper & Row, 1962. 415 p.

16. Kheir R., Shomar B., Greve M., Greve M. On the quantitative relationships between environmental parameters and heavy metals pollution in Mediterranean soils using GIS regression-trees: the case study of Lebanon // J. Geochem. Explor. 2014. № 147. PP. 250-259.

17. James G., Witten D., Hastie T., Tibshirani R. An introduction to Statistical Learning with Applications in R. New York : Springer-Verlag, 2013. 440 p.

18. R Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2016. URL: http://www.R-project.org/ (accessed: 05.07.2017).

19. Pebesma E.J. Multivariable geostatistics in S: the gstat package // Computers & Geosciences. 2004. № 30. PP. 683-691.

20. Ripley B. tree: Classification and Regression Trees. R package version 1.0-37. 2016. URL: https://CRAN.R-project.org/package=tree (дата обращения: 05.07.2017).

21. QGIS Development Team. QGIS Geographic Information System. Open Source Geospatial Foundation, 2016. URL: http://qgis.osgeo.org (accessed: 05.07.2017).

22. Isaaks E., Srivastava R. Applied Geostatistics. New York : Oxford University Press, 1989. 561 p.

23. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М. : ACADEMIA, 2003. 397 с.

24. Reimann C., De Caritat P. Chemical elements in the environment. Berlin : Springer-Verlag, 1998. 398 p.

25. Rezaee H., Asghari O., Yamamoto J.K. On the reduction of the ordinary kriging smoothing effect // Journal of Mining & Environment. 2011. № 2 (2). PP. 102-117.

26. Cambardella C., Moorman T., Novak J., Parkin T., Karlen D., Turco R., Konopka A. Field-Scale Variability of Soil Properties in Central Iowa Soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. № 58. PP. 1501-1511.

27. Кауричев И.С., Панов Н.П., Розов Н.Н., Стратонович М.В., Фокин А.Д. Почвоведение. М. : Агропромиздат, 1989. 719 c.

28. Иванов Д.В. Разработка региональных нормативов качества почв по содержанию тяжелых металлов // Геохимия ландшафтов : материалы всерос. науч. конф (Москва, 18-20 октября 2016 г.) / под ред. Н.С. Касимова. М. : Географический факультет МГУ, 2016. С. 232-235.

29. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева РАСХН, 2008. 86 с.

30. Орешкин В.Н., Ульяночкина Т.И., Кузьменкова В.С., Балабко П.Н. Кадмий, свинец и другие металлы в железо-марганцевых конкрециях некоторых пойменных почв // «Fe-конкреции в почвах: состав, генезис, строение : материалы конф. / под ред. Л.О. Карпачевского. Тбилиси : АН ГССР, 1990. С. 33.

Tomsk State University Journal of Biology. 2017; : 6-24

Total content and mobility of cadmium, cobalt and zinc in humus horizons of soils in the Republic of Tatarstan

Ryazanov S. S., Ivanov D. V., Kulagina V. I., Sahabiev I. A.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/40/1

Abstract

Despite the fact that in recent decades there has been a decrease in anthropogenic emissions of heavy metals into the environment, the danger of technogenic pollution of soils is still acute in industrially developed countries. The combination of soil properties and components, such as pH, content of organic matter and clay minerals, carbonates and minerals with variable charge, determines the ability of soils to accumulate and retain heavy metals. The aim of this research was to assess the territory of the Republic of Tatarstan in relation to soil contamination with cadmium, cobalt and zinc, taking into account soil-geochemical interactions under different land use types. In the territory of the Republic of Tatarstan, located in the western part of the Russian Federation (55°20'36,1"N; 50°47'31,7"E), we collected 1170 topsoil samples. Sampling was conducted at a distance of at least 200 m from the nearest road from a depth of 0-20 cm. Samples are represented by zonal and nonzonal soil types of natural and agricultural types of land use (See Tables). Urban soils are united in the type of urbanozems. We determined the following parameters in soil samples: humus content, particle size distribution, and pH. Determination of the total content of Cd, Co, Zn, Mn and Fe was carried out after extraction using 5M HNO₃. The mobile forms of Cd, Co and Zn were extracted using acetate-ammonium buffer solution with ph 4.8. The final detection of heavy metals content was carried out by the atomic absorption method. Statistical data analysis was carried out using R Core Team package. Variogram analysis and spatial interpolation were performed using "gstat" package, and the method of regression trees using "tree" package. Maps were developed in QGIS geoinformation system. We estimated the regional background level from samples of the zonal soils of natural land use and amounted to 0.44±0.24 mg/kg for Cd, 10.4±3.6 mg/kg for Co and 43.3±12.0 mg/kg for Zn. Two geochemical zones of high heavy metal content are observed in the Republic of Tatarstan: the eastern part of Predkam'e and the northwest of Predvolzh'e (See Figures). The distribution of the pollution index (actual content / background level) according to land use types makes it possible to conclude that there is no significant anthropogenic contribution of the Cd, Co and Zn related to agricultural activity. Nevertheless, significant pollution with cadmium and zinc is observed for samples collected in the cities of Kazan, Naberezhnye Chelny and Almetyevsk. With respect to cobalt pollution, urban soils are characterized as uncontaminated. We assessed the structure of soil-geochemical interactions of metals in topsoil using the method of regression trees (See Figures). Cadmium shows a complex structure of geochemical interactions with a strong impact of soil type and land use type. In saturated alluvial meadow, soddy-carbonate and podzol soils siderophilic properties of Cd are pronounced. In the gray forest soil and urban soils Cd content increases with the humus content and pH increasing. The interaction structure of Co is the same for all soil types. In topsoil siderophilic and manganophilic properties of Co are manifested. The affinity of zinc to different carrier phases is strongly determined by the land use type: in natural and agricultural soil with low clay content the relation to Fe and Mn content is manifested; in the samples of urban soils the relation to content of physical clay and organic matter is observed. This article contains 4 Figures, 5 Tables and 31 References.

References

2. Romic M., Hengl T., Romic D., Husnjak S. Representing soil pollution by heavy metals using continuous limitation scores // Computers & Geosciences. 2007. № 3. PP. 1316-1326.

6. Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Mikroelementy v pochvakh i rasteniyakh. M. : Mir, 1989. 440 s.

9. Alekseev Yu.V. Tyazhelye metally v agrolandshafte. SPb. : Izd-vo PIYaF RAN, 2008. 216 s.

10. Atlas Respubliki Tatarstan / pod red. G.V. Pozdnyaka. SPb. : Ivan Fedorov, 2005. 216 s.

11. Aleksandrova A.B., Berezhnaya N.A., Grigor'yan B.R., Ivanov D.V., Kulagina V.I. Krasnaya kniga pochv Respubliki Tatarstan / pod red. D.V. Ivanova. Kazan' : Foliant, 2012. 192 s.

12. Gosudarstvennyi doklad o sostoyanii prirodnykh resursov i ob okhrane okruzhayushchei sredy Respubliki Tatarstan v 2015 godu / Ministerstvo ekologii i prirodnykh resursov Respubliki Tatarstan ; pod red. F.S. Abdulganieva. Kazan', 2015. 505 s.

13. RD 52.18.191-89: Metodika vypolneniya izmerenii massovoi doli kislotorastvorimykh form metallov (medi, svintsa, tsinka, nikelya, kadmiya) v probakh pochvy atomno-absorbtsionnym analizom. Utv. Gosudarstvennym komitetom SSSR po gidrometeorologii. M., 1990.

14. RD 52.18.289-90: Metodika vypolneniya izmerenii massovoi doli podvizhnykh form metallov (medi, svintsa, tsinka, nikelya, kadmiya, kobal'ta, khroma, margantsa) v probakh pochvy atomno-absorbtsionnym analizom. Utv. Gosudarstvennym komitetom SSSR po gidrometeorologii. M., 1991.

15. Hawkes H., Webb J. Geochemistry in mineral exploration. New York : Harper & Row, 1962. 415 p.

17. James G., Witten D., Hastie T., Tibshirani R. An introduction to Statistical Learning with Applications in R. New York : Springer-Verlag, 2013. 440 p.

18. R Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2016. URL: http://www.R-project.org/ (accessed: 05.07.2017).

19. Pebesma E.J. Multivariable geostatistics in S: the gstat package // Computers & Geosciences. 2004. № 30. PP. 683-691.

20. Ripley B. tree: Classification and Regression Trees. R package version 1.0-37. 2016. URL: https://CRAN.R-project.org/package=tree (data obrashcheniya: 05.07.2017).

21. QGIS Development Team. QGIS Geographic Information System. Open Source Geospatial Foundation, 2016. URL: http://qgis.osgeo.org (accessed: 05.07.2017).

22. Isaaks E., Srivastava R. Applied Geostatistics. New York : Oxford University Press, 1989. 561 p.

23. Dobrovol'skii V.V. Osnovy biogeokhimii. M. : ACADEMIA, 2003. 397 s.

24. Reimann C., De Caritat P. Chemical elements in the environment. Berlin : Springer-Verlag, 1998. 398 p.

25. Rezaee H., Asghari O., Yamamoto J.K. On the reduction of the ordinary kriging smoothing effect // Journal of Mining & Environment. 2011. № 2 (2). PP. 102-117.

27. Kaurichev I.S., Panov N.P., Rozov N.N., Stratonovich M.V., Fokin A.D. Pochvovedenie. M. : Agropromizdat, 1989. 719 c.

28. Ivanov D.V. Razrabotka regional'nykh normativov kachestva pochv po soderzhaniyu tyazhelykh metallov // Geokhimiya landshaftov : materialy vseros. nauch. konf (Moskva, 18-20 oktyabrya 2016 g.) / pod red. N.S. Kasimova. M. : Geograficheskii fakul'tet MGU, 2016. S. 232-235.

29. Vodyanitskii Yu.N. Tyazhelye metally i metalloidy v pochvakh. M. : Pochvennyi in-t im. V.V. Dokuchaeva RASKhN, 2008. 86 s.

30. Oreshkin V.N., Ul'yanochkina T.I., Kuz'menkova V.S., Balabko P.N. Kadmii, svinets i drugie metally v zhelezo-margantsevykh konkretsiyakh nekotorykh poimennykh pochv // «Fe-konkretsii v pochvakh: sostav, genezis, stroenie : materialy konf. / pod red. L.O. Karpachevskogo. Tbilisi : AN GSSR, 1990. S. 33.

Содержание и подвижность кадмия, кобальта и цинка в гумусовых горизонтах почв Республики Татарстан

Аннотация

Total content and mobility of cadmium, cobalt and zinc in humus horizons of soils in the Republic of Tatarstan

Abstract

События