Введение к работе
Актуальность. Из тяжелых металлов (ТМ) загрязнителями почв чаще всего являются кадмий, ртуть, свинец, медь, цинк, хром и никель. Перемещаясь по трофической цепи, они с растительной пищей поступают в организм человека и животных, накапливаясь, главным образом, в почках и печени. К аккумулирующему эффекту может привести постоянное потребление растительной продукции, получаемой даже со слабозагрязненных почв. В животных организмах тяжелые металлы взаимодействуют с ферментами, блокируя их каталитическое действие. Поэтому выявление особенностей распределения соединений тяжелых металлов в почвах и особенностей их поведения является актуальной проблемой.
В работах Н.А. Протасовой (2003), СВ. Мухиной (2006) показано, что при длительном применении минеральных удобрений не происходит существенного накопления в черноземах соединений тяжелых металлов.
Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от форм их связанности с различными компонентами почв (Ю.Н. Водяницкий, 2006). Известные литературные данные по этому вопросу в почвах ЦЧР недостаточны, и поэтому выявление особенностей накопления тяжелых металлов, интенсивности и механизмов взаимодействия их с органическими и минеральными почвенными компонентами позволяет получить новую информацию и расширить представления о роли тяжелых металлов в почвах.
Обычно анализ содержания тяжелых металлов проводят в пахотном слое и по полученным данным судят об их поведении в системе «почва-растение». Однако корневая система растений может проникать на большую глубину и поглощать тяжелые металлы даже из материнской породы. Поэтому необходимым является выявление особенностей распределения тяжелых металлов по всему почвенному профилю.
Известные химические и физико-химические методы определения тяжелых металлов в почвах длительны и характеризуются высокими погрешностями. Поэтому необходима разработка и совершенствование приемов извлечения тяжелых металлов из почв и методов их анализа, обладающих экспрессностью и включающих достаточно точные операции на стандартном оборудовании (Ю.Н. Водяницкий, 2006).
Цель работы - выявить особенности аккумуляции различных форм тяжелых металлов и характер их распределения по профилю чернозема выщелоченного в условиях полевого опыта с удобрениями и мелиорантом.
Задачи работы:
-
изучить изменения физических, химических и физико-химических свойств чернозема выщелоченного под влиянием удобрений и мелиоранта;
-
на основе модификации схемы Тессиера разработать адаптированный к черноземам метод химического фракционирования тяжелых металлов;
-
проанализировать различные формы соединений тяжелых металлов по степени связанности с компонентами почвы;
-
выявить особенности аккумуляции и характера профильного распределения различных форм тяжелых металлов под влиянием удобрений и мелиоранта;
-
изучить связь между содержанием тяжелых металлов в почвах и качеством выращенной на них растительной продукции.
Научная новизна. Модифицирована методика последовательного химического фракционирования тяжелых металлов в почвах по схеме Тессиера. Методика адаптирована для проведения спектрофотометрического определения железа. За счет изменения состава экстрагентов сокращено общее время этапов пробоподготовки.
С использованием модифицированной схемы Тессиера впервые определено содержание железа, свинца, кадмия, меди и цинка в черноземе выщелоченном и выявлено их распределение по степени связности с минеральными и органическими компонентами почв. Показано, что железо в основном связано с железо-марганцовыми конкрециями и в несколько меньшей степени с органическим веществом, а остальные тяжелые металлы содержатся, главным образом, в негидролизуемом остатке.
Впервые выявлен характер распределения форм соединений тяжелых металлов, различающихся по степени связности с компонентами почвы по профилю чернозема выщелоченного. Показано, что характер их распределения по профилю соответствует элювиально-иллювиальному типу. Внесение удобрений повышает их аккумуляцию, а дефеката - снижает, за счет иммобилизации вследствие увеличения рН почвенного раствора.
Впервые определены константы устойчивости комплексов тяжелых металлов с гумусовыми кислотами чернозема выщелоченного.
Практическая значимость полученных результатов. На основании полученных результатов становится возможным высокоэкспрессное извлечение и определение содержания ряда форм нахождения ТМ в почве спектрофотомет-рическим методом. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования содержания и поведения тяжелых металлов в черноземе выщелоченном при длительном применении удобрений и мелиоранта.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Модифицирование метода анализа тяжелых металлов в почвах по схеме Тессиера путем замены экстрагента хлорида магния на хлорид калия и исключения ацетата аммония на окислительном этапе позволяет использовать метод спектрофотометрии и сократить общее время пробоподготовки на первых трех этапах в 4-6 раз по сравнению со схемой Тессиера (Ю.Н. Водяницкий, 2006).
-
Характер распределения по профилю различных форм тяжелых металлов соответствует элювиально-иллювиальному типу, что обусловлено дифференциацией профиля изучаемой почвы. Внесение удобрений повышает их аккумуляцию, а дефеката - снижает. Выявленный ряд констант устойчивости комплексов тяжелых металлов с гумусовыми кислотами чернозема выщелочен-
ного Pb > Си > Zn > Cd соответствует рядам сорбции тяжелых металлов, связан с оптимальными значениями рН комплексообразования.
3. По величинам коэффициентов биологического поглощения, полученным при анализе чернозема выщелоченного на разных вариантах опыта и выращиваемого на нем ячменя, кадмий относится к классу опасности сильно накапливаемых тяжелых металлов, особенно в его обменных, физически сорбированных и связанных с органическим веществом формах.
Личный вклад соискателя состоит в выполнении эксперимента, проведении расчетов, обсуждении и анализе полученных результатов, подготовке научных докладов и публикаций.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: "Актуальные проблемы реализации аграрной политики в ЦЧР" Елец, 2008; международная ежегодная конференция "XII Докучаевские молодежные чтения" Санкт-Петербург, 2009; "Инновационные технологии и технические средства для АПК" ВГАУ, 2009; "Инновационные технологии преподавания химии в аграрных высших и средних профессиональных образовательных учреждениях" Орел, 2009; "Климат, экология и сельское хозяйство Евразии" Иркутск, 2009; II Вторая международная интернет-конференция "Фундаментальные и прикладные исследования в АПК на современном этапе развития химии" Орел, 2009; "Научное обеспечение инновационного развития АПК" Иркутск, 2010; "Экстракция органических соединений" Воронеж, 2010; "Иониты 2010" ВГУ, 2010.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Диссертация изложена на 141 странице, содержит 12 рисунков, 36 таблиц, при написании обзора литературы использовано 182 источника, в том числе 14 зарубежных.
