Ecological and Toxicological Assessment of the Soil and Vegetation Cover at the Site “Streletskaya Steppe” of the Central Chernozem Reserve Named after V.V. Alekhin

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The ecological and toxicological assessment of the of the soil and vegetation cover at the Streletskaya Steppe site of the V.V. Alekhin Central Chernozem Reserve is presented. The contents of a number of heavy metals (HM) and radionuclides in the typical chernozem are determined. The values of concentration clarks of HM (Cc), geoaccumulation indices (Igeo) for As, Cd, Co, Cs, Cu, K, Pb, Sr, Zn, 232Th, 238U and pollution indices (PI) for individual HM in chernozem were calculated. It is shown that increased values of the pedogeochemical background in comparison with clark values in the lithosphere are observed only with respect to Cd and As. At the same time, for the studied HM (As, Cd, Cu, Pb, Zn), it can be argued that they do not pollute the soil. The content of radionuclides (40K, 137Cs, 232Th, 238U), HM and potassium in various types of natural steppe vegetation was determined. Based on the plant accumulation coefficients of HM and radionuclides, the degree of biophilicity of radionuclides and HM was estimated. The values of the aggregated transfer factors (Cag) 137Cs and 40K from soil to plants were also determined and a comparative analysis of the bioavailability of cesium and potassium during root uptake was carried out. The vertical distribution of 137Cs and 40K radionuclides in the root-inhabited soil layer of 0–20 cm was studied. It was established that 40K is evenly distributed in the root layer of the soil The features of the vertical distribution of 137Cs in the soil profile are noted, consisting in the displacement of the maximum from a depth of 0–5 to 5–10 cm. Based on the data obtained, the value of the migration coefficient 137Cs is calculated, taking into account the convective and diffusion components of the radionuclide translocation process in a typical chernozem.

About the authors

V. S. Anisimov

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Author for correspondence.
Email: vsanisimov@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-8493-3104
Russian Federation, Obninsk

S. V. Fesenko

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

G. P. Glazunov

Central Chernozem State Natural Biosphere Reserve named after Professor V.V. Alyokhin

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Zapovedny

L. N. Anisimova

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

A. I. Sanzharov

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

S. V. Korovin

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

D. V. Krylenkin

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

Yu. N. Korneev

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

N. V. Novikova

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

M. V. Mezina

Russian Institute of Radiology and Agroecology of the Kurchatov Institute

Email: vsanisimov@list.ru
Russian Federation, Obninsk

D. A. Zheltov

Institure of Nuclear Physics of the Kazakhstan Atomic Energy Committee

Email: vsanisimov@list.ru
Kazakhstan, Almaty

References

  1. Алексахин Р.М. Итоги преодоления последствий Чернобыльской катастрофы в агросфере // Агрохимический вестник. 2006. № 2. С. 2–5.
  2. Алексахин Р.М., Васильев А.В., Дикарев В.Г. и др. Сельскохозяйственная радиоэкология. М.: Экология, 1992. 400 с.
  3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПБ.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.
  4. Анисимов В.С., Кузнецов В.К., Санжаров А.И. Вертикальная миграция 137 Cs Чернобыльских выпадений в различных ландшафтах // Радиационная биология. Радиоэкология. 2021. Т. 61. № 3. С. 286–300. https://doi.org/10.31857/S0869803121030036
  5. Атлас современных и прогнозных аспектов последствий аварии на Чернобыльской АЭС на пострадавших территориях России и Беларуси (АСПА Россия–Беларусь) / Под ред. Израэля Ю.А., Богдевича И.М. М.–Минск: Фонд “Инфосфера” НИА-Природа? 2009. 140 с.
  6. Афанасьева Е.А. Черноземы Средне-Русской возвышенности. М.: Наука, 1966. 224 с.
  7. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  8. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980. 520 с.
  9. Васильева И.Е., Шабанова Е.В., Ступакова Г.А., Канева Е.В., Шакирова А.А., Игнатьева Е.Э. Стандартные образцы почв для исследований в агрохимии и геохимии: назначение, сходство и отличие // Плодородие. 2023. № 2. С. 47–55. https://doi.org/10.25680/S19948603.2023.131.11
  10. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
  11. Головатый С.Е. Тяжелые металлы в агроэкосистемах. Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 2002. 239 с.
  12. Дайнеко Е.К., Оликова Е.С. Почвы // Центрально-Черноземный государственный заповедник. Курск, 1995. Вып. 14. С. 11–20.
  13. Дайнеко Е.К. Структура почвенного покрова Центрально-Черноземного заповедника имени В. В. Алехина и его окрестностей // Химия, генезис и картография почв. М., 1968. С. 165–174.
  14. Добровольский В.В. Геохимическое землеведение. М.: Владос, 2008. 206 с.
  15. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
  16. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва – растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2012. 220 с.
  17. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 221 с.
  18. Константинов И.Е., Федоров Г.А., Скотникова О.Г. Накопление цезия-137 в почвах Советского Союза в 1960–1966 гг. // Радиобиология. 1971. № 13. С. 13–16.
  19. Кузнецов В.К., Калашников К.Г., Грунская В.П., Санжарова Н.И. Горизонтальная и вертикальная миграция 137 Cs в склоновых ландшафтах // Радиобиология. Радиоэкология. 2009. № 3. C. 282–290.
  20. Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения. М.: Росинформагротех, 2003. 240 с.
  21. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. 100 с.
  22. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 762 с.
  23. Практикум по агрохимии / Под ред. Минеева В.Г. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. 689 с.
  24. Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М.: Изд-во МГУ, 1991.184 с.
  25. Протасова Н.А., Горбунова Н.С., Беляев А.Б. Биогеохимия микроэлементов в обыкновенных черноземах Воронежской области // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2015. № 4. С. 100–106.
  26. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Особенности формирования микроэлементного состава зональных почв центрального Черноземья // Почвоведение. 2004. № 1. С. 50–59
  27. Санжарова Н.И., Котик В.А., Архипов А.Н., Соколик Г.А., Иванов Ю.А., Фесенко С.В., Левчук С.Е. Количественные параметры вертикальной миграции радионуклидов в почвах на лугах различных типов // Радиационная биология. Радиоэкология. 1996. Т. 36. № 4. С. 488–497.
  28. Силантьев А.Н., Шкуратова И.Г. Обнаружение промышленных загрязнений почвы и атмосферных выпадений на фоне глобального загрязнения. Л.: Гидрометеоиздат.1983. 136 с.
  29. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах. Тула: Гриф и К. 2005. 336 с.
  30. Стрелецкий участок Центрально-Черноземного заповедника: Полевой путеводитель / Под ред. Власова А.А. и др. Курск, 2014. 105 с.
  31. Ступакова Г.А., Панкратова К.Г., Игнатьева Е.Э., Щелоков В.И., Щиплецова Т.И., Митрофанов Д.К. Проблемы разработки стандартных образцов почвы, загрязненных тяжелыми металлами // Плодородие. 2017. № 6. С. 41-43.
  32. Центрально-Черноземный государственный природный биосферный заповедник имени профессора В.В. Алехина / Под ред. Власова А.А. др. Курск: Мечта, 2016. 320 с.
  33. Bunzl K., Schimmack W., Krouglov S.V., Alexakhin R.M. Changes with time in the migration of radiocesium in the soil, as observed near Chernobyl and in Germany, 1986–1994 // Sci. Tot. Environ. 1995. V. 175. P. 49–56.
  34. Council of the European Union. Directive 98/83/EC of 3 November 1998 on the Quality of Water Intended for Human Consumption. Official Journal of the European Communities L 330. Office for Official Publications of the European Communities. Luxembourg, 1998.
  35. Dercon G., Lee Zhi Yi. A., Fesenko S., Heng L. Sampling of agricultural soils and plants for radioactivity analysis // Joint FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture. Vienna., 2022. https://doi.org/10.4060/cb9304en
  36. ENDF Radioactive Decay Data /MF8.MT457/ IAEA-NDS. 2020-2022.ver.2022-08-29. https://www-nds.iaea.org/exfor/servlet/E4sShowDecayData?db=e4&op=showDecayData&req=6284&Sect=8933000.914608 4.14656612&plus=3 (accessed on 18 June 2023).
  37. Environmental Protection Agency. Method 3052. SW-846. 1996
  38. Guidelines for Drinking-water Quality. Third Edition Incorporating the First and Second Addenda. V. 1 Recommendations. World Health Organization. Geneva, 2008. 515 p.
  39. IUSS Working Group WRB. 2022. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, Austria.
  40. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. London: CRC Press, 2011. 505 p.
  41. Liu H., Zhang Y., Zhou X. et al. Source identification and spatial distribution of heavy metals in tobacco-growing soils in Shandong province of China with multivariate and geostatistical analysis // Environ. Sci. Pollut. Res. 2017. 24. Р. 5964–5975. https://doi.org/10.1007/s11356-016-8229-1
  42. Pandey R. Mineral Nutrition of Plants // Plant Biology and Biotechnology. V. I. Plant Diversity. Organization. Function and Improvement. Springer, 2015. P. 499–538.
  43. Prichard E., Barwick V. Quality assurance in analytical chemistry. England: John Wiley Sons Ltd., 2007. 293 p. https://doi.org/10.1002/9780470517772
  44. Sanzharova N.I., Fesenko S.V., Alexakhin R.M., Anisimov V.S., Kuznetsov V.K., Chernyayeva L.G. Changes in the forms of 137 Cs and its availability for plants as dependent on properties of fallout after the Chernobyl nuclear power plant accident // Sci. Total Environ. 1994. V. 154. P. 9–22. https://doi.org/10.1016/0048-9697(94)90609-2.
  45. Sokolik G.A., Ovsiannikova S.V., Voinikava K.V., Ivanova T.G., Papenia M.V. Biological availability of 238 U. 234 U and 226 Ra for wild berries and meadow grasses in natural ecosystems of Belarus // J. Environ. Radioact. 2014. V. 127. P. 155–162.
  46. Štrbac S., Stojić N., Lončar B. et al. Heavy metal concentrations in the soil near illegal landfills in the vicinity of agricultural areas—artificial neural network approach // J. Soils Sediments. 2023. https://doi.org/10.1007/s11368-023-03637-1
  47. Technical reports series #488 / Eds. Carvalho F.P. et al. The environmental behavior of uranium. IAEA. Vienna, 2023.
  48. World Health Organization. Uranium in Drinking-water: Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality. WHO. Geneva, 2012.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. X-ray diffractograms of samples of silt fraction extracted from typical chernozem, prepared for mineralogical analysis by the Kornblum method (samples: initial - Mg-saturated, treated with glycerol, calcined at 350 and 500°C)

Download (418KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Verification of the model of 137Cs vertical migration in soils of the site ‘Streletskaya Steppe’ of the V.V. Alekhin Central Chernozem Reserve

Download (574KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Forecast of the vertical distribution of 137Cs in soils of the Streletskaya Steppe polygon of the V.V. Alekhin Central Chernozem Reserve

Download (198KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences