Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техногенез - фактор загрязнения природной системы (обзор литературы) 8
1.1. Источники поступления тяжелых металлов в природную систему 8
1.2. Поведение тяэ/селых металлов в агроэкосистеме 14
1.3. Фитотоксичность тяжелых металлов и устойчивость к ним растений 21
1.4. Толерантность растений как один из факторов
реабилитации загрязненных почв 27
Глава 2. Характеристика объектов, методов и условий проведения исследований 34
2.1. Современная и прогнозируемая характеристика экологического состояния агроландшафта Рязанской области 34
2.2. Методы проведения исследований 43
2.3. Метеорологические условия 50
2.4. Почвенные условия 52
Глава 3. Влияние техногенного загрязнения на продуктивные функции растений 60
3.1. Опытное поле ОНО ОПХ «Полково» - крупномасштабный объект природного моделирования при загрязнении природной системы 60
3.2. Результаты экологического исследования искусственно загрязненной дерново-подзолистой почвы на продуктивность сельскохозяйственных культур 68
3.3. Агроэкологическая оценка влияния разных уровней загрязнения тяэ/селыми металлами дерново-подзолистой супесчаной почвы 78
Глава 4. Экспериментальная оценка фитомелиорации как способа реабилитации загрязненных тяжелыми металлами дерново-подзолистых почв 88
4.1. Распределение и концентрирование тяэюелых металлов в различных культурах 89
4.2. Влияние многолетнего выращивания люпина узколистного в условиях искусственного загрязнения тяэ/селыми металлами дерново-подзолистой почвы 92
4.3. Оценка влияния загрязненной дерново-подзолистой супесчаной почвы на ее токсические свойства и экологические показатели 98
Глава 5. Эколого-экономическая эффективность реабилитации дерново-подзолистых почв, загрязненных тяжелыми металлами 111
5.1. Баланс тяэюелых металлов в агроценозе при реабилитации дерново-подзолистых почв, загрязненных тяэюелыми 111 металлами
5.2. Расчет эколого-экономической оценки предотвращенного экологического ущерба 116
5.3. Экономическая эффективность фитомелиоративных мероприятий 118
Выводы 121
Предложения производству 122
Список литературы 123
Приложения 141
- Источники поступления тяжелых металлов в природную систему
- Современная и прогнозируемая характеристика экологического состояния агроландшафта Рязанской области
- Опытное поле ОНО ОПХ «Полково» - крупномасштабный объект природного моделирования при загрязнении природной системы
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях напряженной экологической ситуации, складывающейся во многих регионах, геохимические циклы тяжелых металлов (ТМ) определяются не столько естественным перераспределением, сколько антропогенной деятельностью. При этом изменяются природные процессы миграции и трансформации вещества, естественный химический состав почв и растений.
Рязанская область типичный регион Нечерноземной зоны России, в выбросах промышленных предприятий которого фиксируются такие загрязняющие элементы, как свинец, кадмий, цинк, медь и другие, становящиеся при высоких концентрациях опасными. По данным Управления Росприрод-надзора по Рязанской области в почвах районов, подвергающихся воздействию выбросов промышленных предприятий, транспорта, тепловых электростанций, количество ТМ значительно превышает фоновый уровень. При этом основными ингредиентами загрязнения здесь являются соединения меди, свинца, цинка. Поступая в почвы и водные источники, загрязняющие вещества накапливаются и переходят от звена к звену в трофической цепи: «вода - почва - растения - животные - человек», появляются территории экологического риска.
В связи с вышесказанным, разработка способов реабилитации распространенных в Рязанской области дерново-подзолистых почв сельскохозяйственного назначения, загрязненных ТМ, и получение на них экологически безопасной продукции, является актуальной.
Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы заключается в исследовании и обосновании воздействия тяжелых металлов на агро-ландшафт и разработке экологически обоснованных биологических способов реабилитации загрязненных тяжелыми металлами дерново-подзолистых почв сельскохозяйственного назначения.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
охарактеризовать источники и пути поступления тяжелых металлов в почву в условиях техногенного загрязнения агроландшафтов;
проанализировать эффективность использования фитомелиорантов и других биологических способов снижения фитотоксичности тяжелых металлов в почве;
дать агроэкологическую оценку дерново-подзолистых почв в условиях искусственного загрязнения их поллютантами;
выявить закономерности и особенности поглощения тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами;
провести анализ баланса тяжелых металлов и условия снижения выноса их из биологического круговорота элементов в природе;
выполнить эколого-экономическую оценку выращивания люпина узколистного как фитомелиоранта на почвах, загрязненных тяжелыми металлами.
Методика проведения исследований. В качестве основного методологического принципа при разработке способов реабилитации техногенно загрязненных почв принималась комплексность, предполагающая рассмотрение агроэкологических факторов, влияющих на функционирование агроландшафтов. Исследования базировались на анализе литературных и фондовых материалов, включали теоретические разработки, вегетационные, лизиметрические и полевые опыты.
Натурные исследования по разработке комплекса мероприятий по снижению поступления тяжелых металлов из почвы в сельскохозяйственные растения выполнялись по апробированным методикам на опытном поле с лизиметрической площадкой. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием методов математической статистики.
Научная новизна выполненных автором исследований заключается в теоретическом и агроэкологическом обосновании способов биологической реабилитации дерново-подзолистых почв, загрязненных ТМ. Проведенные лизиметрические, вегетационные и деляночные опыты позволили предложить как
способ реабилитации дерново-подзолистой почвы, загрязненной ТМ, выращивание люпина узколистного в качестве фитомелиоранта. На защиту выносятся:
зависимость продуктивности сельскохозяйственных культур от уровня загрязнения ТМ дерново-подзолистых почв;
экспериментальное обоснование использования методов биоиндикации для оценки токсичности и микробиологической активности дерново-подзолистых почв, загрязненных ТМ;
биологические способы реабилитации дерново-подзолистых почв, загрязненных ТМ.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в разработке агроэкологически обоснованных биологических способов реабили-тации загрязненных дерново-подзолистых почв за счет подбора в качестве фи-томелиорантов, сельскохозяйственных культур, активно накапливающих ТМ в надземной части.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции (Санкт-Петербург, 2004 г.), Международной научной конференции (Рязань, 2004 г.). Материалы и результаты обсуждались на заседаниях Ученого Совета МФ ГНУ ВНИИГиМ (2003-2005 гг.), на заседаниях кафедры «ГиМПСХП» Технологического факультета (2003 г.) и кафедры «Экономики сельского хозяйства» Экономического факультета РГСХА (2004, 2005 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 159 страницах и состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству, списка литературы и приложений. Библиография включает 188 литературных источника, в том числе 11 иностранных. Работа содержит 7 рисунков, 39 таблиц и 18 приложений.
7 Автор настоящей работы выражает благодарность за помощь в проведении исследований, научные консультации и ценные советы: первому научному руководителю члену корреспонденту РАСХН и НАНКР, академику МАЭП и
РАВН, д.т.н., профессору [Я.В. Бочкаревуі; научному консультанту - заведующему лабораторией экологии природообустройства МФ ГНУ ВНИИГиМ, к.с.х.н., доценту В.Ф. Евтюхину; сотрудникам МФ ГНУ ВНИИГиМ: к.с.х.н., доценту Т.К. Никушиной, к.с.х.н., доценту Ю.А.Томину, н.с. В.А. Игнатенок, к.б.н. Р.И. Матюхину.
Источники поступления тяжелых металлов в природную систему
На земле не остается территории, которые в той или иной степени не подвергались бы загрязнению химическими элементами. Около 15% территории России относится к зонам экологического неблагополучия. Наиболее объективным критерием, по которому можно отличить благополучную местность от территории кризиса, является здоровье человека. Там, где растет заболеваемость - зоны экологического неблагополучия, а если растет смертность - это уже зоны бедствия [Ягодин, 1995]. Загрязнение среды, в особенности химическими веществами, - один из наиболее сильных факторов разрушения компонентов биосферы. Среди всех химических загрязнителей микроэлементы рассматриваются как имеющие особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение [Кабата-Пендиас и др., 1989].
До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ рассматривались главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды и т.д. Тяжелые металлы рассматривались в меньшей степени. Сейчас же интерес повысился в связи с фактами острых токсичных эффектов, вызванных промышленным загрязнением Hg, Cd, Se, Pb в системе "воздух - почва - вода, растение - человек" [Геохимия..., 1990].
1.1. Источники поступления тяжелых металлов в природную систему Источники поступления ТМ в окружающую среду имеют как природное (естественное), так и антропогенное происхождение. С природными процессами связана основная масса ТМ, заключенная в водах Мирового океана и суши, донных осадках современных водотоков и водоемов, почвенно-растительном покрове и атмосфере. Природные источники - пыль, лесные пожары, вулканическая деятельность, морские соли и др. Так эродированные ветром частицы почвы содержат до 5% цинка [Оценка..., 1996].
Антропогенные источники ТМ многочисленны и разнообразны. Для них характерно формирование локальных участков загрязнения, но с высокими концентрациями токсикантов. Поступление ТМ в окружающую среду происходит неравномерно, нередко в виде залповых выбросов и прекращается с завершением функционирования соответствующего антропогенного объекта. Главным антропогенным источником поступления ТМ в атмосферу являются предприятия по производству цветных металлов, нефтепереработки, автомобильный транспорт, химическая промышленность, ТЭЦ, котельные и другие энергетические объекты, работающие на сжигании топлива. Уголь, мазут, дизельное топливо, бензин содержат повышенные количества ТМ (V, Ni, Be, Pb, Hg, As и т.д.), которые при высокотемпературных процессах сжигания топлива образуют газообразные соединения, в меньшей степени твердые аэрозоли, и формируют в приземной атмосфере, затем на поверхности Земли обширные поля загрязнения. Вокруг металлургических заводов также образуются обширные аномальные зоны ТМ. Их выбросы представляют опасность для соседних регионов в связи с трансграничными переносами [Гармаш, 1985].
От металлургических предприятий на поверхность земли ежегодно попадает (т): РЬ - 89000; Hg - 30,5; Ni - 1200; Си - 154650; Zn - 121500; Со -765. В следствии сжигания нефти и угля выпадает (т): РЬ - 3600; Hg - 1600; Ni - 2100; Zn - 7000 [Овчаренко, 1995]; Cd - 87 [Большаков и др., 1978].
Многие исследователи [Важенина, 1983; Гармаш, 1985; Геохимия..., 1990] считают, что основное количество ТМ (более 95%) от предприятий черной и цветной металлургии поступает в почву в виде техногенной пыли. По данным Р.П. Первуниной с соавторами [1989], в пыли завода по выплавке свинца и цинка содержалось 1,5% Cd, 12% Zn и 51% РЬ. Исследования ВИУА [Черных и др., 1994] убедительно показывают, что 60% Си, 57% РЬ в основном поступает с ЖИДКИМИ осадками, а 60% Ni- с сухими потоками.
Основными источниками загрязнения ТМ являются предприятия теплоэнергетики. На территории Рязанской области действуют 4 крупных предприятия и множество мелких котелен. Топливно-энергетический комплекс в области представлен: Рязанской ГРЭС, ГРЭС-24, Ново-Рязанской ТЭЦ и Дя-гилевской ТЭЦ [Государственный..., 1996, 1998, 2004].
Техногенная геохимическая нагрузка на ландшафт обусловлена поступлением металлосодержащих аэрозолей [Фокин, 1986], которые располагаются над индустриальными центрами в тропосфере высотой до 3-4 км. Поэтому сохранить почву в нативном состоянии в современных условиях практически невозможно, так как потоки веществ в почве связаны с приземной атмосферой, растительностью, поверхностными и почвенно-грунтовыми водами [Аммосова и др., 1989]. Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности, черной и цветной металлургии, производства искусственного волокна, цемента, сжигания топлива и др. загрязняют почву в большинстве своем аэральным путем Pb, Cd, Zn, Ni, Си [Большаков и др., 1991; Попов и др., 1991].
Атмосферные осадки - мощный, постоянно действующий фактор миграции и круговорота веществ в природе. Каждый литр атмосферной воды при падении капель средней величины на протяжении 1 км омывает около 300 м воздуха, при очень мелких каплях - значительно больший объем [Добровольский, 1997]. При этом в осадках растворяется значительная часть газообразных веществ и аэрозольных элементов. Средняя годовая минерализация атмосферных осадков составляет от 5 - 10 до 30 - 60 мг/л [Цыганенко, 1968; Степанова, 1976]. В загрязненных районах общее количество выпадающих солей может составлять 30-80 т/км2, в отдельных районах Англии 480-969 т/км , в Подмосковье 350 кг/га и более [Степанова, 1976].
В 1994 году выпадения из аэрозолей составили в Московской и Ленинградской областях до 7,8 кг/км2 РЬ, в Ленинградской, Тверской, Волгоград-ской - от 39 до 500 г/км Cd, в Предкавказье и на Урале - более 2 кг/км Zn [Махонько и др., 1985]. Центральная часть Московской области получает с антропогенной пылью от 40 до 200 г/га РЬ в год [Белицина и др., 1983].
Большое количество РЬ попадает в окружающую среду от автотранспорта. Каждая автомашина выделяет за год 1 кг РЬ [Аммосова и др., 1989].
Выхлопные газы привносят его на поверхность земли 250-260 тыс. т ежегодно [Добровольский и др., 1985; Овчаренко, 1995]. А по данным С.С. Patterson [1971], с атмосферными осадками в Мировой океан возвращается примерно 250 тыс. т. РЬ в год, а 100 тыс. т. рассеивается над континентами. При поступлении РЬ от автотранспорта загрязняется полоса почвы шириной 50-100, редко 300 м. Основное же его количество концентрируется в 0-10 см слое почвы. По некоторым данным [Добровольский, 1983], в почве вблизи дорог содержание РЬ достигает 600-700 мг/кг, по другим - 190 мг-кг около шоссе Москва-Ленинград [Никифорова, 1975], 70 мг/кг в районе г. Курска [Добровольский, 1983]. В связи с износом шин и автодорожного покрытия, в непосредственной близости от автодорог, обнаружено в почве Cd в 2-3 раза и Zn в 4-Ю раз больше по сравнению с местным фоном [Добровольский, 1997; Кав-тарадзе и др., 1999].
Современный транспорт - особый источник воздействия на природу и человека. Он относится к так называемым передвижным источникам загрязнения окружающей среды. Из всех видов транспорта в наибольшей степени загрязняет окружающую среду автомобильный транспорт. Это связано, прежде всего, с ростом количества единиц автотранспорта и концентрацией его в городах. По данным Городского комитета по охране окружающей среды, в Рязани количество автомашин только с 1995 по 1998 год возросло более чем в 2 раза [Государственный..., 2004].
В составе бензинов и дизельного топлива находятся такие элементы, как Си, Zn, Br, Pb, Cd, Mg, V, Ni и др. Период полувыведения тяжелых металлов из почв в среднем составляет для РЬ- от 740 до 5900 лет, для Cd- 13-100 лет, Zn- 70-510, Си- 310-1500 лет [Кавтарадзе и др., 1999].
Ряд исследователей [Рамад, 1981; Шильников и др., 1995; Ганжара и др., 1993; Геохимия..., 1990; Говорина и др., 1991; Ефремова и др., 1988; Минеев, 1990, Минеев и др., 1994; Овчаренко, 1996] отмечает, что используемые в сельском хозяйстве минеральные, органические, известковые удобрения наряду с биофильными элементами содержат в своем составе Cd, Со, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn, Sr, Hg, F, CL и др. Внесение их в почвы в количествах, обеспечивающих примерно 50% прибавки урожая, не могут не оказывать существенного влияния на микроэлементный состав почв и режим питания, а также на изменение подвижности элемента и повышения его доступности растениям. При внесении средней дозы минеральных удобрений (N50P45K45) поступает в почву: Си - 2,07 г/га; Zn - 2,21; Мп -5,56; Ni - 0,7; Со - 1,71; Cd - 0,13; Pb - 0,22 г/га, а с 60 т компоста вноситься 56,4 г Си; 3,85 KrZn; 1,63 KrNi; 2,24 кг Мп [Соловьев, 1992]. Научно обоснованные системы удобрений и вносимые с ними ТМ не изменяют заметным образом природных уровней их содержания в почвах и не представляют опасности с точки зрения загрязнения почв [Обухов и др., 1992; Алиева, 1995; Кабата-Пендиас и др., 1989]. Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, содержащихся в агрорудах.
Исследования А.А. Поповой [1991] отмечают, что в аммиачной селитре в незначительных количествах содержится Cd, Си, в несколько больших -Zn и Pb. Более высокое содержание Cd в фосфорных удобрениях и хлористом калии, Zn - в навозе. Потенциальными загрязнителями окружающей среды считаются удобрения, содержащие более 8 мг/кг Cd. Кадмий в фосфорных удобрениях, которые производятся в странах СНГ, содержится в незначительных количествах и не представляет опасности для окружающей среды. Высокая концентрация кадмия отмечена в суперфосфате, произведенном в США (50-100 мг/кг) [Алексеев, 1987; Карпова и др., 1990].
Современная и прогнозируемая характеристика экологического состояния агроландшафта Рязанской области
Основное загрязнение Рязанского региона происходит от 132 промышленных предприятий. Наиболее активное загрязнение атмосферы происходит: от топливно-энергетических предприятий (Рязанская ГРЭС, Ново-Рязанская ТЭЦ, Дягилевская ТЭЦ и ГРЭС-24), нефтехимических, металлургических, станкоинструментальных и автомобильных комплексов [Экологические..., 2003; Мажайский, 2002]. Выбросы этих и других источников загрязнения, воздействуя на локальном уровне, через атмосферу участвуют в трансграничном переносе химических загрязнителей. Промышленное загрязнение территории происходит путем осаждения на поверхность почвы паров, аэрозолей, пыли, сажи или растворимых веществ с дождем, снегом, сухими выпадениями. Значительная часть их осаждается вблизи (1-2-5 км) источников загрязнения, но другая часть поллютан-тов, попадая в верхние слои атмосферы, подвергается фракционированию полидисперсных техногенных примесей, особенно при сильном ветре и при инверсии. Вследствие данного процесса наиболее крупные фракции выпадают на небольшом удалении от источника, а на большем расстоянии возможно возникновение одного или нескольких максимумов выпадений мелкодисперсных частиц и парогазовой фазы [Мажайский и др., 2003].
Фракционирование загрязненных аэрозолей в атмосфере зависит от интенсивности инверсионных потоков, их плотности, рельефа местности и структуры ландшафта. Сложный рельеф, как утверждает Ю.А. Мажайский с соавторами [2003], Среднерусской возвышенности заметно влияет на осаждение металлосодержащих аэрозолей из атмосферы (в меньшей степени это относится к Cd как к наиболее активному мигранту). При этом возрастают валовые выпадения РЬ, нерастворимых форм Zn и растворимых Си. По П.Е. Елпатьевскому [1993] поступление нерастворимых соединений свинца в балках и речных долинах, a Zn - на водоразделах, вследствие различной степени дисперсности аэрозолей - носителей ТМ. Характер географии распределения техногенных загрязнителей позволил авторам [Евтюхин, 1998; Мажайский и др., 2001; 2002] составить схему распределения антропогенной нагрузки на территорию по видам воздействия (рис. 2.1.). При этом проведена суммарная оценка в различных регионах в границах административных образований (рис. 2.2). Каждое предприятие на территории административного района получало 1 балл, все баллы суммировались.
Опытное поле ОНО ОПХ «Полково» - крупномасштабный объект природного моделирования при загрязнении природной системы
Многогранная деятельность человека, в большинстве случаев, сопровождается негативными экологическими последствиями; это - загрязнение атмосферы, почвы, водных ресурсов, снижение объема экологически безопасной пищевой продукции. В условиях усложняющейся экологической обстановки человечеству угрожает опасность со стороны токсичных веществ, широко распространенных в среде обитания. Наиболее опасными загрязнителями биосферы являются тяжелые металлы. К ним относится группа химических элементов, масса атомов которых свыше 50 а.е.м. и плотность более 5 г/см3. Тяжелые металлы представляют серьезную опасность, так как, включаясь в систему «человек - окружающая среда» способны изменять форму нахождения при переходе из одной среды в другую, не подвергаясь биохимическому разложению.
Главная опасность металлов заключается не в явном отравлении, а в том, что они способны постепенно концентрироваться и вызывать отклонения в эндогенных биохимических процессах человека [Химия..., 1982]. Металлы, поступая в клетки в концентрациях, превышающих биотические, оседают на поверхности хромосом и вызывают изменения в структуре нуклеиновых кислот [Бабенко, 1983; Чухловин и др., 1995]. Тем самым доказывается их мутагенность, тератогенность и канцерогенность.
Тяжелые металлы влияют на функциональные свойства растений. Они могут носить биогенный характер, а также оказывать фитотоксическое действие. Оптимальный, или безвредный интервал их концентраций в растениях узок [Алексеев, 1987; Волошин, 1997]. В.В. Ковальским [1973] определены пороговые концентрации микроэлементов по содержанию их в почвах и возможные реакции организмов на недостаток, и избыток Со, Си, Mn, Zn, Mo, В, Sr,I.
Рязанская область по степени риска населения входит в пятую группу из семи, а по рейтинг-оценке уровня здоровья населения, характеризуется низким показателем, как в городе, так и в сельской местности [Ревич и др., 1995].
Каждая природная система в общей форме характеризуется структурой и динамикой балансов вещества и энергии. Большая часть переноса вещества и энергии происходит, как правило, с геологическим водообменном и наиболее активно протекает внутри малых речных экосистем. В.Н. Жердев, В.Д. Постолов [1994] отмечают, что исследования на полигонах любой природной зоны или региона надо замыкать на площади водосбора (бассейна), при этом следует стремиться к тому, чтобы конкретный полигон был целиком размещен в одном небольшом репрезентативном бассейне с типичным землепользованием.
Почти вся территория Рязанской области (95%) находится в пределах Окского бассейна, испытывающего значительные антропогенные нагрузки. Наряду с известными загрязнителями, существенное влияние на экологическую ситуацию в регионе оказывают водные объекты, находящиеся в пределах крупных ландшафтов и принимающие стоки с сельскохозяйственных
ф территорий. Любое внешнее воздействие, в условиях бассейна реки Оки, вы зывает цепь изменений в локальном гидрогеохимическом потоке, в котором изменяется миграция химических элементов. Выход части вещества из биологического в большой глобальный круговорот - один из источников глобальных поступательных и циклических перемещений.
Поэтому, для комплексного изучения влияния антропогенных нагрузок на динамику состояния экосистемы и получения информации для решения проблем рационального природопользования и реабилитации агроландшаф . тов создан экополигон «Мещера» (рис. 3.1).
Формирование ландшафтов обусловлено их положением в природно географической зоне определенного бассейна. Поэтому выбрана территория экополигона, где присутствуют разнообразные элементы ландшафта - лес, пастбища и пахотные земли, орошаемые и осушаемые участки, объекты постоянного и временного проживания, открытые водоемы. Поверхностный и подземный стоки с экополигона перехватываются открытым коллектором, впадающим непосредственно в р. Оку, что дает возможность изучать вынос.
