Ученые записки скагс

Вид материала

Ученые записки

Содержание Шумакова Г. Е., канд. с/х н. Кальций и магний. Марганец, медь, цинк, железо

Подобный материал:

• Ученые записки скагс, 10328kb.
• Ученые записки скагс, 2703.26kb.
• Ученые записки скагс, 2947.86kb.
• Ученые записки кафедры общей психологии мгу им. М. В. Ломоносова, 201.93kb.
• Енный экономический университет "ринх" рыночная экономика и финансово-кредитные отношения, 2399.6kb.
• Г. В. Шубин юар: создание нерасового государства ученые записки, 2609.31kb.
• Общественные науки, 2893.72kb.
• Юридический факультет амурского государственного университета, 4030.27kb.
• Бюллетень новых поступлений в нб кубгу за октябрь-ноябрь 2004 года, 1589.12kb.
• Амурского государственного университета политика и право, 3540.07kb.

^

Шумакова Г. Е., канд. с/х н.

К проблеме принятия управленческих решений
по оценке экологичности агропродукции

Рассмотрены биогеохимические особенности поведения химических элементов на примере ярового ячменя, которые позволят принимать взвешенные управленческие решения по оценке качества продукции.

Ключевые слова: биогеохиические ассоциации элементов, биопродукция, металлы-корреляты, подвижные, инертные, биофильные элементы, управление качеством сельскохозяйственной продукции.


Накопление тяжелых металлов в агропродукции обычно однозначно связывают со способностью биообъектов накапливать в своем составе тяжелые металлы, источником которых обычно считаются водорастворимые соединения, а также минеральные компоненты почв. Однако в существующих подходах миграции элементов не учитываются биогеохимические особенности степени подвижности металлов в разных средах. Эти особенности можно выявить на основе исполь­зования комплексного статистического анализа законов распределения тяжелых металлов, параметров их распределения, корреляции и т. д. Выявленные особенности миграции различных элементов в биопродукции дают возможность осторожно и взвешенно относиться к принятию управленческих решений об экологичности агропродукции в условиях урбанизированных ландшатов, особенно в условиях влияния автотранспорта на качество сельхозпродукции, выращиваемой вблизи автотранспортных магистралей. А именно относить её к продовольственной, фуражной или технической.

В основу оценки миграционной способности тяжелых металлов на при­мере ярового ячменя, отобранного в районе федеральной автомобильной трассы Москва – Ростов-на-Дону (1035 км), положен корреляционный анализ распреде­ления биогеохимических ассоциаций. Пробоотбор ярового ячменя производился на разных расстояниях от профиля дороги. Анализ зерна и соломы осуществлялся атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре Хитачи-180 в лаборатории МГУ.

До сих пор принято считать, что любое повышение концентраций химических элементов, особенно тяжелых металлов, в агропродукции является основанием отнесения её либо к вредной, либо не экологичной, либо не соответствующей экологическим требованиям (нормам) или стандартам по качеству продовольственной, фуражной или технической. Принятие управленческих решений относительно того, в какой мере можно уверенно относить ту или иную сельхозпродукцию, выращенную в условиях урбанизированных ландшафтов, влияния автодорог и т. д. (как например, Ростовская область) к экологически опасной или безопасной стоит перед дилеммой выбора, что делать с такой продукцией? Стоит ли вообще заниматься выращиванием культур в условиях влияния на её качество сильно урбанизированных ландшафтов?

Для того чтобы уверенно говорить об источниках избыточных концентраций тяжёлых металлов в агропродукции, необходимо знать форму нахождения метал­лов в почве и окружающей среде. Источником различных химических элементов и тяжёлых металлов могут служить обломочные частицы пород и минералов различного состава в почве, их водорастворимые соединения в грунтовых водах и, наконец, поступать в растения из атмосферы, где они могут входить в так называемые летучие формы аэрозолей, особенно в условиях форми­рования смога различной природы (естественной и антропогенной).

Как правило, минеральные (породные) формы в почве чаще всего инертны (малоподвижны) в системе обмена веществом между ними и растениями, и обра­зуют геохимические ассоциации неустойчивых (не значимых) корреляций между входящими в их состав тяжёлыми металлами. Водорастворимые соединения тяжёлых металлов, напротив, более подвижны и образуют значимые либо поло­жительные или отрицательные корреляции в процессе обменных, в том числе, биогеохимических реакций. Менее выражена система обменных корреляций тя­жёлых металлов в условиях аэрозолей и растений, поскольку устойчиво не связа­ны с обменными процессами в питании и дыхании растений. А избыток металлов сорбируется на поверхности растений.

При спектральном анализе зольных остатков важно учитывать возможное наличие пылеватых частиц в зерне и соломе, которые могут искажать общую кар­тину распределения тяжёлых металлов.

Результаты анализа позволили выделить следующее.

Разброс концентраций химических элементов (низкий коэффициент вариации) в зерне ячменя почти в два раза меньше, чем в соломе того же ячменя, что опре­делённо может свидетельствовать о меньшем влиянии пылеватых частиц, накапливающихся в зерне, чем в соломе. Как известно, семена различных культур (и растений вообще) сбрасывают избыток тяжёлых металлов в листву, со­лому, кору и т. д. и тем самым защищают от загрязнения генофонд. Это подтверждается более низкими средними концентрациями элементов в семенах, плодах и т.д. Так называемый, известный защитный эффект свойств любого живого – не накапливать в своём составе избытка металлов, в число которых могут входить и тяжёлые, в том числе токсичные (ртуть, свинец, кадмий и др.). При этом надо помнить, что любой дефицит и избыток химических элементов в организме одинаково вреден. Поэтому говорят обычно о сбалансированности распределения биофильных элементов в составе живого вещества.

Сравнительные относительные величины концентраций элементов для соло­мы и зерна подтверждают факт больших концентраций тяжёлых ме­таллов в соломе по отношению к зерну. Но здесь выявляется важное обсто­ятельство уменьшения концентраций цинка и меди в соломе по отношению к зерну, что можно объяснить не только дефицитом этих элементов почве и грун­товых водах, но и их биофильностью (способностью элементов формировать био­химические комплексы устойчивости растений к различного рода заболеваниям). В противном случае избыток меди и цинка был бы выведен ячменём в солому, как это характерно для всех остальных установленных в зольном остатке элементов.

Необходимо сразу отметить следующую особенность, влияющую на степень подвижности и источники тяжёлых металлов в биопродукции. Обычно грунтовые воды отличаются повышенными содержаниями гидрокарбоната кальция, сопро­вождающегося наличием в воде повышенных концентраций магния, железа, марган­ца (они чаще образуют водорастворимые карбонаты). Поэтому, если тяжёлые ме­таллы образуют положительную корреляцию с кальцием и магнием, то источник тяжелых металлов связан с водорастворимыми формами соединений в грун­товых водах и приобретают высокую подвижность и прочные ассоциативные свя­зи, на что указывают высокие значения аддитивных (суммарных алгебраических) показателей связи.

В случае корреляции тяжёлых металлов с кремнекислотой, источником их концентраций могут являться породные ассоциации (минерального вещества почвы) в форме силикатов (чаще полевых шпатов, характеризующихся повышенными содержаниями кремния, алюминия, в меньшей степени железа, марганца, кальция, магния).

^ Кальций и магний.

В зерне пара Ca-Mg – образуют положительную, значимую на 5% уровне ¹⁰ коррелятивную ассоциацию, накапливаются вместе как биофилы. Но кальций образует отрицательную значимую связь с SiO₂. Это может означать, что кальций и магний поступают в зерно из растворов гидрокарбонатных вод на матрице известняков, доломитов, характеризующихся обычно высокими кларками кальция, магния, железа, марганца, стронция (способного замещать кальций).

Кадмий. Тяжёлый и токсичный металл, коррелируя с кремнекислотой положительно на 5% уровне значимости, может иметь два источника накопления: породный и из кремнекислотных растворов в ассоциации с железом, марганцем, медью, никелем и водный из гидрокарбонатных вод почвы. Однако положитель­ная и значимая корреляция его с оксидом кремния, железом, марганцем может свидетельствовать об источнике кадмия из кремнекислотной минеральной систе­мы почвы (отрицательная корреляция с кальцием и магнием). В этом случае по­добные концентрации вряд ли можно относить к токсичным и можно считать фо­новыми. Коэффициент биологического поглощения этого элемента относится к категории слабого и очень слабого по классификации А.Перельмана ¹¹.

Никель. В ассоциации положительных и значимых коррелятов марганца, железа, меди может иметь источник попадания в зерно ячменя в основном из под­вижных ионов водных растворов, кроме кадмия, обладающего с ним устойчивой положительной связью. Его источник – породный, поскольку с кальцием и магни­ем он образует отрицательные связи. Этот металл, как и его корреляты марганца, железа, меди, имеет среднюю величину биологического накопления в живых орга­низмах. По уровню концентраций его в зерне этот металл является фоновым и сопоставим с концентрациями этого металла в растениях биосферы.

Свинец. Обладает средним значением коэффициента биологического погло­щения. Образует отрицательную корреляцию с кремнекислотой. Его избыток в зерне не связан с минеральным парагенезисом почвы, где кремнекислоты много, но имеет положительную и значимую на 5% уровне корреляцию со стронцием, источник которого может быть связан как с кальцием, так и с радиоактивными осадками. Стронций, образуя положительную и значимую корреляцию с цинком, формирует обычно устойчивую ассоциацию в породах: стронций, кальций, сви­нец, цинк и связан с гидрокарбонатами водных растворов почвы. Но свинец обра­зует незначимую отрицательную корреляцию с кальцием и магнием. Поэтому в данном случае источник свинца в ячменном зерне может не иметь никакого отношения ни к минеральному составу почвы, ни к водным гидрокарбонатным растворам, а связан с привносом его извне этих систем (загрязнение через аэрозоли атмосферы – источник загрязнения выбросами автомобильного транспорта). Однако уровень концентраций свинца в зерне находится на уровне кларка для растений и потому не может рассматриваться в конкретном случае как избыточно токсичный элемент.

Барий. Также относится к средним по уровню коэффициента биологичес­кого поглощения. Образует незначимые отрицательные связи с подавляющим на­бором химических элементов, но в ассоциации положительного коррелята с ко­бальтом. Это однозначно может указывать на источник его в золе как породный, поскольку кобальт положительно коррелирует с зольным остатком, имея отри­цательные связи с кальцием и магнием. Уровень установленных концентраций бария немного (на 20%) превышает кларк для растений, что также позволяет от­носить концентрации к фоновым, не аномальным, не влияющим на экологичность ячменя.

Алюминий. Коррелируя значимо и положительно с кремнекислотой, инертен. Коэффициент биологического поглощения очень слабый. Его источник явно породный. Уровень его концентраций не превышает кларка растений.

Медь. Коэффициент биологического накопления средний. Образует тесней­шую положительную коррелятивную связь с железом, марганцем, цинком. Может иметь источник водных растворов с незначительной долей цинка породного (ми­нерального) источника, поскольку образует отрицательную связь с кальцием и магнием. Средние содержания меди в зерне выше кларка растений почти в 5 раз. По уровню биологического поглощения относится к средним.

^ Марганец, медь, цинк, железо, образуя теснейшую ассоциацию подвиж­ных положительных коррелятов, может иметь как породный источник, так и вод­но-растворимый. Образует устойчивую ассоциацию коррелятов (аддитивные по­казатели корреляций наибольшие). Ассоциация относится к сильным и средним по уровню коэффициента поглощения растениями. Порог концентраций, превы­шающий кларк растений (в 2 – 5 раз) принадлежит всем элементам из этой ассо­циации, кроме марганца, отличающегося большим дефицитом. В целом ассоци­ация хотя и избыточна по уровню накопления в зерне, вряд ли может рассмат­риваться токсичной из-за того, что относится к высокому уровню биологического поглощения.

Кремнекислота. Коррелируя с алюминием, зольным остатком, может ука­зывать на то, что она является преимущественно источником пород – полевых шпатов, обычно обогащенных кремнием и алюминием.

Таким образом, на основе корреляционного анализа можно достаточно уве­ренно говорить, что основным источником тяжёлых металлов (кремнекислоты, алюминия, кальция, магния, стронция, бария) в зерне ячменя могут служить как минеральное вещество почвы, так и водно-растворимые соединения минерально-породных ассоциаций полевых шпатов, доломитов и известняков. Нам неизвест­но, попадала ли пыль на зерно в процессе эксперимента (зерно не отмывалось слабо разбавленным раствором соляной кислоты). В этом смысле для дальнейшего учёта баланса минерального (не имеющего экологических последствий) и неминерального источника загрязнения (способного влиять на экологические последствия) необходим эксперимент отмы­вания зерна от неизбежной пыли. Это даст возможность контролирующим органам власти принимать взвешенные управленческие решения по отнесению агропродукции к той или иной степени её загрязнения и, тем самым уменьшить риск экономических потерь, с одной стороны и с другой — быть уверенными в том, что агропродукция отвечает категории экологически безопасной. А именно, может ли быть она отнесена к продовольственной, фуражной или технической.

В целом биогеохимия зерна ячменя в проводившейся выборке влияния автодороги может характеризоваться как фоновая. То есть влияние автотранспорта по выбросам свинца и тяжёлых металлов не сказывается на их избыточном накоплении в зерне.

В соломе ячменя обнаруживается практически та же статистическая закономерность в расп­ределении концентраций элементов и их корреляции. Однако имеются и особен­ности. Они заключаются в том, что в соломе обнаруживается положительная и значимая корреляция кальция с марганцем, барием, стронцием в отличие от зерна, где она отрицательна.

Кальций, магний, марганец – ассоциаты и корреляты обычных известняков и доломитов. В их ассоциацию может входить барий, стронций (стронций изо­морфно замещает кальций), цинк, свинец, также образующих положительную кор­релятивную связь. Барий, марганец, цинк, кремнекислота – корреляты зольных остатков. Никель – как коррелят марганца, цинка и железа, также может входить в породную ассоциацию полевых шпатов – карбонатов в почве и пыли на соломе. К тому же все перечисленные ассоциаты могут входить в водные растворы гидро­карбонатов и карбонатов кальция, магния, железа, марганца. Таким образом, ис­точник этих тяжёлых металлов может быть как связан с породно-минеральной, так и с водорастворимыми формами гидрокарбонатных вод. То есть надземная часть расте­ний стремится максимум использовать строительный материал мине­ральной составляющей почвы и минеральной составляющей гидрокарбонатных магний-кальциевых грунтовых вод. И в этой связи может быть использована как для фуража, технических целей (подстилки для животных), так и в качестве источников внесения удобрения при измельчении соломы.

Свинец, коррелируя с цинком, может указы­вать как раз на породно-минеральный источник в большей степени, чем транс­портный источник (аэрозолей), поскольку цинка в топливе не обнаруживается на уровне присадок к нему. Поэтому в выхлопных газах автомобилей не может наб­людаться избыток цинка. Отсюда можно заключить, что источником избыточного цинка в соломе не могут быть выхлопные газы автомобилей, а его концентрации связаны, скорее всего, с пылью, осаждающейся на соломе. Но это требует дополнительных исследований.

Источником токсичного кадмия также могут служить водорастворимые соединения карбонатных пород, поскольку кадмий по геохимии близкий «родст­венник» к цинку и образует с ним парагенетические ассоциации в породах и рудах.

Высокие концентрации тяжёлых металлов в соломе по отношению к зерну указывают на то, что растения (в данном случае культивируемый ячмень) ста­раются всегда сбросить избыток тяжёлых металлов из семян в листья, стебли, корни, обеспечивая тем самым устойчивость (опору злаковым) существования будущего поколения злаковых…

Как показали авторские исследования, повышенные (избыточные относительно кларка или биофона) концентрации химических элементов, в том числе тяжелых металлов, в биопродукции, находящейся в зоне влияния автомагистрали, имеют разный источник как аэрозольный, минеральный, так и водорастворимый в грунтовых и почвенных водах.

Минеральные источники — носители повышенных концентраций большого спектра химических элементов, в том числе тяжелых металлов, нельзя относить к водорастворимым, поскольку чаще всего характеризуют механическую примесь, которая не может оказывать ощутимого влияния на потребительские, технологические и фуражные качества, с одной стороны, с другой — может быть легко удалена из агропродукции при помощи известных методов её очистки. Напротив, водорастворимые соединения и аэрозоли могут являться источником загрязнения биопродукции и влиять на её экологичность. В этой связи для того, чтобы принимать управленческие решения в области выращивания агрокультур вблизи автомагистралей необходим мониторинг источников попадания химических элементов в агрокультуры на основе простых статистических приемов обработки информации результатов опробования почв и биопродукции. А именно:

1. В условиях пробоотбора биологических проб из разных объектов агро­культур необходимо учитывать загрязнение химическими элементами самого широкого спектра, включая тяжелые металлы образцов (зерна, соломы) пылеватыми частицами, которые могут влиять на концентрации тяжелых металлов в биообъектах.

2. Это влияние может быть обнаружено как путём анализа законов расп­ределения тяжелых металлов в биообъектах, так и с помощью корреляционного анализа, способного выделить формы подвижности ассоциаций элементов и опре­делять их источник совместного нахождения и попадания в исследуемый биообъект.

3. Источником тяжелых металлов могут быть как минеральный состав почвы, так и воднорастворимые соединения металлов в почвенной влаге, обычно имеющий гидрокарбонатный состав с сонахождением в воде коррелята кальция с магнием, железом, марганцем. Поскольку группа железа (титан, хром, марганец, кобальт, никель) обычно является коррелятами, то их источник, как правило, принадлежит основному составу минерально-породного происхождения в почве, мигрирующие в водно-растворимых комплексах.

4. Концентрации свинца в биообъектах, почве и аэрозолях так­же могут иметь разный (смешанный) источник. И однозначно говорить о загряз­нении свинцом биопродукции можно только в случае прямых анализов аэрозолей вне загряз­нения воздуха пылеватыми частицами. То есть для принятия решения о загрязнении агроподукции или её части тяжелыми (токсичными) металлами требуется расчёт доли загрязнения минеральным или аэрозольным источником, поскольку один является безопасным, в второй — экологически опасным. На самом деле до сих пор контролирующая качество сельхозпродукции госслужба, в лице различных природоохранных органов, учитывает валовый состав тяжелых металлов, не учитывая его форму нахождения в экосистемах.

5. Статистические методы дают возможность в большинстве случаев надеж­но (с вероятностью до 95-99%) разделять источники попадания тяжелых металлов в биообъекты на основе исследования корреляций металлов в биообъектах и надёжно принимать управленческие решения о целесообразности или нецелесообразности выращивания агрокультур в зоне влияния автотрасс или относить биопродукцию к продовольственной, фуражной, технической и т. д.

Рекомендации

1. При принятии управленческих решений об отнесении агропродукции, выращенной вблизи автомобильных трасс подобных Москва – Ростов-на-Дону, к тем или иным потребительским качествам, необходимо учитывать не валовый состав элементов-примесей в биомассе, включая тяжелые металлы, а рассчитывать соотношение минеральной и неминеральной составляющей в биогеохимическом цикле растений.
   
2. В процесс контроля загрязнений необходимо включить операцию экспериментального отмыва биопродукции от механической (минеральной) примеси на основе существующих методик с тем, чтобы однозначно исключить её из влияния загрязнителей. В таком случае возможно принятие решения о соответствии или несоответствии экологическим требованиям выращенной сельскохозяйственной продукции валовым анализом и относить её к продовольственной, фуражной, технической и т.д.
   

Литература

1. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. - М.: Недра. - 1990.

2. Ивонин В.М., Шумакова Г.Е. Защита агроландшафтов от загрязнения тяжелыми металлами // Докл. ВАСХНИЛ. - 1990. - № 5. - С. 42-45.

3. Ивонин В.М., Шумакова Г.Е. Влияние техногенного загрязнения на состояние придорожных лесных полос // Лесной журнал. 1991 № 6. - С 12-17.

4. Кокин А.В., Шумакова Г.Е. Кризисные явления в глобальной и прикладной экологии и проблемы управления экологической безопасностью // Уч. Зап. СКАГС «Государственное и муниципальное управление». 2009, № 1. - С. 12-25.


УДК 331.108.2