IODINE DEFICIENCY IN AGRICULTURAL LANDSCAPES OF THE BRYANSK REGION

Full Text

Брянская область относится к Нечерноземному региону, характеризующему- ся дефицитом ряда элементов в почвах и биогеохимической пищевой цепи, в том числе йода, роль которого в функционировании щитовидной железы человека и животных хорошо известна и доказана [5]. Загрязнение техногенными радиону- клидами йода западных районов области в 1986 г. вследствие аварии на Черно- быльской АЭС увеличило риск возникновения заболеваний ЩЖ среди местного населения [6]. Основными источниками йода в организме являются продукты питания и питьевая вода, что предопределяет высокую зависимость здоровья на- селения, живущего простым сельскохозяйственным трудом и питающегося про- дуктами местного производства, от уровня содержания йода в почвах и природных водах сельскохозяйственных ландшафтов. Повышенная активность поглощения йода ЩЖ при его дефиците в окружающей среде повышает и риск поступления его радионуклидов в организм при их техногенных выбросах в биосферу. Влияние трофической цепочки на заболеваемость ЩЖ [12; 13], а также ее роль в транс- порте I-131 в районах, загрязненных радионуклидами подтверждена многочис- ленными исследованиями [4; 11; 14; 15].Исследование содержания йода в почвах личных подсобных хозяйств (ЛПХ) Брянской области и сельскохозяйственных культурах (картофеле) как в зоне ра- диоактивного загрязнения, так и за ее пределами в районах с разной структурой почвенного покрова проводилось с 2007 по 2013 г. в рамках грантов РФФИ. Цель* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-05-00912, 10-05-01148 и 13-05- 00823.57Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3исследования - выявить объективные риски жизни и здоровью населения в йо- додефицитных районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению.Почвенный покров области характеризуется большим разнообразием, что об- условлено ее геолого-геоморфологическими особенностями. Основной его фон составляют дерново-подзолистые почвы, на долю серых лесных почв приходит- ся около 20%, остальные типы почв занимают 31% территории (рис. 1) [2; 3].Распространение типов и геохимические особенности вышеперечисленных почв области подчиняются их приуроченностью к конкретному типу почвообра- зующих пород. Так, дерново-подзолистые песчаные почвы распространены в основном в западных и северо-западных районах области на водно-ледниковых и древнеаллювиальных отложениях. Дерново-подзолистые супесчаные почвы встречаются во всех районах и занимают плоские, слабоволнистые зандровые равнины и террасы рек. Дерново-подзолистые легкосуглинистые почвы наиболее распространены на территории области и приурочены ко всем положительным элементам рельефа и почти всем типам пород, встречающимся в Брянской об- ласти. Все эти почвы слабогумусированы (0,9-1,7%), верхние их горизонты обе- днены основаниями (2,1-6,9 мг-экв/100) и имеют среднекислую реакцию среды (рНKCl = 4,9) [2].Рис. 1. Карта фактического материала (на карте почвенного покрова)Серые лесные почвы приурочены к двум регионам - восточной части области и правобережью р. Десны и р. Судости в центре области, где распространены лессовидные карбонатные суглинки. Ввиду более высоких агрохимических показателей (в сравнении с дерново-подзолистыми почвами) большая часть из них вовлечена в сельскохозяйственный оборот. Близкая к нейтральной кислот-58Коробова Е.М., Берёзкин В.Ю., Колмыкова Л.И. и др. Дефицит йода в агроландшафтах...ность (рНKCl = 5,6-5,7), содержание гумуса (1,9-4,3%), и наименьшая сумма поглощенных оснований наблюдаются в верхнем пахотном горизонте (11,6- 19,9 мг-экв/100) [3].Среди других почв, занимающих значимые площади в области, заслуживают упоминания дерново-карбонатные (встречаются во всех районах в местах выхо- да меловых и мергелистых пород), дерново-глеевые (повсеместно приуроченные к понижениям, ложбинам и другим депрессиям рельефа), пойменные дерновые и иловато-торфяные (приурочены к долинам рек) и болотные почвы.Как известно, для большинства типов почв внутриконтинентальных районов отмечается тесная положительная корреляционная зависимость между содержа- нием йода и гумуса в почве [4]. Разнообразный почвенный покров Брянской об- ласти позволяет предполагать наличие контрастных районов по содержанию йода в почвах и в соответствующих им продуктах питания (см. рис. 1).Принципиальная возможность пространственной оценки йодного статуса тер- риторий, загрязненных радиоактивными изотопами, на основе сочетания экс- периментальных данных по содержанию йода в почвах, почвенных карт и карто- метрических расчетов была доказана ранее [5].Исследования, проводившиеся нами ранее (грант РФФИ 07-05-912 и 10-05- 01148) выявили высокую дифференциацию йода в почвенном покрове Брянской области в связи со сменой типов почв и их гранулометрического состава. Подоб- ная неоднородность изначально обусловлена ландшафтной структурой исследу- емой территории: сочетанием литологических, геохимических и климатических факторов [8; 11].Анализ первых результатов изучения распределения йода в почвах и природных водах Брянской области показал существование различной обеспеченности этим элементом геохимически контрастных ландшафтов [2; 6; 7]. Новым этапом ис- следований 2013-2014 гг. стала попытка выявить различие в распространении и миграции йода в системе почва-вода-картофель в агроландшафтах, сформиро- вавшихся на геохимически контрастных породах.До 1991 года картофель, произведенный в Брянской области, занимал значи- тельное место в продовольственном балансе страны, посевные площади карто- феля в общественном секторе составляли 98 тыс. га, а объемы производства - 1,3 млн т. По ряду объективных и субъективных причин, в том числе вследствие аварии на ЧАЭС, производство картофеля в регионе снизилось. К 2005 году пло- щадь возделывания составляла в общественном секторе 5,6 тыс. га, а валовое производство - 91,1 тыс. т [9]. Однако с 2006 г. в сельском хозяйстве области наметилась положительная динамика, сохранившаяся и по сей день (табл. 1).Таблица 1Анализ состояния отрасли картофелеводства в Брянской области [8]ПоказательГод20062007201320142015Сельскохозяйственные товаропроизводителиПосевные площади, тыс. га6,17,2244045Валовой сбор, тыс. тонн108,8163,49001 2001 315,1Урожайность, ц/га178,4227,629030030559Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3Целесообразность и положительные тенденции в развитии картофелеводства в области, при сохранившейся приуроченности сельхозугодий к почвам и почво- образующим породам, бедным йодом (рис. 2) делают проблему оценки миграции йода в системе почва - картофель наиболее актуальной в наши дни.Методы исследованияДля выполнения поставленной задачи полевой отбор проводился в одном или нескольких хозяйствах населенных пунктов Брянской области, по которым име- лись сведения о заболеваемости ЩЖ среди местного населения. В каждом ЛПХ на картофельном поле закладывалась тестовая площадка размером 5 × 10 м, на которой производился отбор проб в 3-5 точках методом конверта или по диа- гонали (точка в центре и две в верхнем и нижнем углу площадки). При этом фик- сировался уклон площадки, применение удобрений в период посевной и другие факторы, влияющие на содержание и распределение йода в почвах.Рис. 2 Картографическая оценка обеспеченности почвенного покрова йодом [6]Отбор почв проводился ручным буром до средней глубины пахотного слоя (20 см). В некоторых случаях керн разбивался на верхние 0-10 см и нижние 10-20 см для оценки значимости глубины отбора. В полевой сезон 2009 г. про- водился отбор средней пробы почв до глубины 20 см. В ряде случаев почва от- биралась самими хозяевами ЛПХ по их желанию с помощью лопаты из верхнего (пахотного) слоя. Предварительно на месте отбора, производилось измерение поверхностной радиоактивности (мощности экспозиционной дозы - прибор MIRA, mcGy/h) и активности радиоцезия (Violinist III, имп/с).Параллельно в ЛПХ проводилось опробование местных водных источников, отбор проб осуществлялся в пластиковые емкости объемом 400 мл по стандарт- ным методикам [1].60Коробова Е.М., Берёзкин В.Ю., Колмыкова Л.И. и др. Дефицит йода в агроландшафтах...Картофель отбирался непосредственно в месте отбора почвенной пробы. Та- ким образом, исследованию подвергались нижние звенья пищевой цепочки: по- чва-вода-картофель-человек.Содержание йода во всех природных объектах определялось кинетическим роданидно-нитритным методом [10]. Статистическая обработка первичных дан- ных проводилась в программе MS Excel. В работе использована база данных по образцам почв, картофеля, также природных вод, отобранных в ЛПХ синхронно в летние периоды 2007-2013 гг.Результаты исследованийПервые исследования 2007 г. показали меньшие содержание и вариабельность йода в свекле (5-100 мкг/кг) и моркови (9-40 мкг/кг), по сравнению с сопря- женно отобранным картофелем (13-249 мкг/кг). Это обстоятельство и домини- рование картофеля в рационе питания предопределило его как основного объ- екта, исследуемого в дальнейшем (2008-2013 гг.).Было определено содержание йода в 156 индивидуальных образцах картофеля, 113 населенных пунктов (см. рис. 1). В пахотных почвах содержание йода опре- делено в 78 кернах на всю глубину отбора (20 см) и в 59 кернах в двух слоях (верх- нем 0-10 см - и нижнем - 10-20 см). Еще 12 образцов были отобраны без точной фиксации глубины. Содержание йода в грунтовых водах измерено в 51 пробе.В результате обработки данных получены статистические характеристики по трем группам агроландшафтов сформировавшихся на серых лесных почвах; дер- ново-подзолистых почвах; дерново-подзолисто глеевых, дерново-глеевых почвах (табл. 2).Таблица 2Основные статистические показатели содержания йода в почвах и картофеле агроландшафтов Брянской области (ЛПХ)Класс водной миграции тип почвСтатистические характеристикиВодыКартофельПочва пахотная ЛПХnмкг/лnмкг/лмощностьмощностьмощность0-20 см0-10 см10-20 смnмкг/лnмкг/лnмкг/лH+-Ca2+серые лесныеСреднее1012,13648,15191,57171,33171,48Максимум34,3197,037,552,383,1Минимум1,86,020,240,30,4Медиана12,1381,531,451,42H+дерново- подзолистыеСреднее226,17541,81370,98381,03381,06Максимум15,6203,263,53,563,8Минимум1,72,230,130,320,33Медиана5,235,880,890,951,08H+-Fe2+дерново- подзолистоглеевые и дерново-глеевыеСреднее19103935,75200,97190,89160,98Максимум30,1265,111,932,822,21Минимум3,22,990,320,250,29Медиана7,926,810,870,680,861Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3Наиболее высокие медианные значения йода, как и ожидалось, были обнару- жены в агроландшафтах на серых лесных почвах (в почве - 1,01 мг/кг в слое 20 см; в картофеле 35,35 мкг/кг, в грунтовой питьевой воде - 12,1 мкг/л. В то же время максимальное содержание йода в картофеле зафиксировано на дерново-подзо- листо глеевых почвах в подчиненных ландшафтах.Таким образом, даже в серых лесных почвах содержание йода колеблется от острого дефицита (0,2-04, мг/кг) до нормы (свыше 5 мг/кг). В остальных же по- чвах Брянской области даже максимальные значения йода (таблица 2) находятся в области слабого дефицита, а значительная часть в зоне острого дефицита.При сравнении содержания йода в ландшафтах кислого и глеевого типа водной миграции, обнаружилось более низкое содержание йода в верхних десяти санти- метрах почвы (рис. 3), что отвечает некоторым литературным данным и рекомен- дациям по опробованию почв на йод из слоя 10-20 см.Рис. 3. Йод (медиана) в картофеле и почвах ЛПХ Брянской областиПо-видимому, это может быть объяснено потерей йода в молекулярной форме верхними горизонтами. Однако на серых лесных почвах таких потерь не наблю- дается и содержание йода наибольшее в верхнем слое почвы. Это может быть связано с тем, что йод здесь находится в малоподвижных формах, будучи связан органическим веществом и йоном Ca, который присутствует в серых лесных по- чвах в большем количестве.Именно в ландшафтах кальциевого класса водной миграции наблюдается сла- бая, но статистически значимая связь между общим содержанием йода в почвах и в картофеле. При этом коэффициент корреляции не превышает 0,3.Связи между содержанием йода в грунтовых водах и его уровнями в почвах и картофеле не установлено.Однако это не означает, что ее нет, поскольку в данном исследовании не учтен ряд других факторов, которые могли повлиять на вариабельность содержания йода в картофеле, а именно: сорт картофеля, количество вносимых органических удобрений, особенности обработки земли и др.62Коробова Е.М., Берёзкин В.Ю., Колмыкова Л.И. и др. Дефицит йода в агроландшафтах...ВыводыУстановлено различное содержание йода в картофеле и почвах ландшафтов трех классов водной миграции, обусловленных разным типом почвообразующих пород и классом водной миграции химических элементов в почвах. Подтвержде- но, что наибольшее содержание йода в почве, воде и картофеле характерно для ландшафтов Н+-Ca2+ класса. Локальные максимумы содержания йода в других ландшафтах, по-видимому, связаны не только с местными условиями миграции, но обусловлены внесением удобрений или другими факторами антропогенного воздействия. Подтверждена обедненность йодом почв, картофеля и питьевых вод территорий, относящихся к западной части Брянской области (ландшафты кис- лого класса водной миграции), поступление на территорию которых радиоактив- ных изотопов этого элемента при аварии на ЧАЭС могло способствовать росту заболеваний ЩЖ среди местного населения.

About the authors

E M Korobova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

Kosygin str., 19, GSP-1, Moscow, Russia, 119991

V U Beryozkin

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

Kosygin str., 19, GSP-1, Moscow, Russia, 119991

L I Kolmykova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

Kosygin str., 19, GSP-1, Moscow, Russia, 119991

N V Korsakova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

Kosygin str., 19, GSP-1, Moscow, Russia, 119991

L V Krigman

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences

Kosygin str., 19, GSP-1, Moscow, Russia, 119991

References

Supplementary files