Введение к работе
Актуальность исследований. Химическое загрязнение биосферы – одна из причин возможного экологического кризиса на планете. Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ. Специфическая способность почвы поглощать поступившие из антропогенных источников металлы и распределять их между свойственными почвам компонентами имеет важное значение в формировании экологической обстановки на планете. Показателями состояния химических элементов в почвах служат содержание и соотношение их соединений. Исследования состава соединений металлов в почвах и механизмов их трансформации имеют более, чем полувековую историю, но актуальность их растет в связи с необходимостью получения адекватной оценки сегодняшнего состояния загрязненных почв, прогноза их изменения, поиска путей их улучшения.
Методы определения состава соединений металлов в почвах постоянно совершенствуются. Первыми были предложены экстракционные методы, основанные на последовательном переведении в раствор соединений металлов, удерживаемых почвенными компонентами с разной прочностью. В последние 10-15 лет получили развитие новые инструментальные методы, позволяющие получать конкретную информацию о видах связи металлов с почвенными компонентами. Представляется целесообразным рациональное объединение двух направлений исследований. Эффективность такого объединения будет обеспечена надежными качественными данными о механизмах связи металлов с органическими и минеральными почвенными компонентами и накопленными количественными сведениями о содержании соединений металлов в различных почвах.
Неоднозначность подходов к способам определения подвижности и доступности металлов растениям обуславливает проведение исследований в этом направлении. Имеются данные по различным формам ТМ в почвах, в то же время отсутствует методическая основа, которая дала бы возможность сопоставить эти результаты и оценить их информативность. Теоретической основой природоохранных мероприятий по восстановлению плодородия загрязненных почв является раскрытие механизмов трансформации соединений ТМ, их подвижности и доступности для растений, а также защитных (барьерных) свойств почв.
Сложность решения данной проблемы состоит также в необходимости учета региональных особенностей состояния элементов в почвах. Нижний Дон является крупнейшим производителем сельскохозяйственной продукции и, одновременно, крупным промышленным регионом, что определяет высокий техногенный прессинг на окружающую среду, и, прежде всего, на почву.
Цель работы – выявить закономерности процессов поглощения и трансформации соединений тяжелых металлов в почвах Нижнего Дона под влиянием природных и антропогенных факторов.
В задачи исследований входило:
-
Обосновать методологию исследований группового состава ТМ и применить ее для оценки экологического состояния почв Нижнего Дона по результатам модельных лабораторных, вегетационных, полевых опытов и мониторинговых наблюдений.
-
Разработать комбинированную схему фракционирования соединений металлов в почвах путем сочетания параллельных и последовательных экстракций.
-
Изучить механизм поглощения и трансформации ТМ в почвах.
-
Выявить вклад почвенных компонентов в процессы мобилизации и иммобилизации металлов.
-
Оценить влияние основных почвенно-экологических факторов (свойств почв, уровня, вида и длительности загрязнения) на процессы трансформации соединений металлов.
-
Определить влияние металлов на свойства почв и состояние растений.
-
На основании изученных механизмов формирования соединений металлов в почвах обосновать выбор мелиорантов для ремедиации загрязненных металлами почв и доказать их эффективность.
Научная новизна. Сформулированы понятия о групповом и фракционном составе соединений металлов, обоснованы возможности их использования для оценки и прогноза подвижности металлов в экосистеме. Разработана и обоснована комбинированная схема фракционирования соединений металлов в почвах. Впервые выявлены закономерности поглощения и трансформации соединений ТМ в почвах Нижнего Дона. Определены региональные особенности формирования группового состава соединений меди, цинка и свинца в почвах. Выявлена полифункциональность почвенных компонентов в процессах мобилизации и иммобилизации металлов в почвах. Установлена направленность процессов трансформации соединений ТМ в почве в зависимости от вида металла и почвенно-экологических условий. Выявлены изменения свойств почв, состояния растений и качества продукции под влиянием загрязнения. Изучено проявление устойчивости к ТМ культурных растений. Предложены показатели барьерных функций почв и растений в отношении металлов. Обоснованы подходы к выбору мелиорантов загрязненных почв, основанные на механизмах прочного закрепления ими металлов. Применен системный подход для выявления закономерностей формирования соединений металлов в условиях модельных лабораторных и вегетационных опытов, многолетних полевых опытов и мониторинговых наблюдений.
Практическая значимость. Теоретические положения, методические подходы и разработки, предложенные в работе, могут быть широко внедрены в практику почвенно-экологического мониторинга, оценки состояния ТМ в почвах и растениях, а также служить основой для прогнозирования и регулирования качества почв и выращенной на ней сельскохозяйственной продукции. Для экспрессной оценки подвижности ТМ в почвах предлагается применять метод параллельных вытяжек, при изучении механизмов трансформации металлов - комбинированную схему фракционирования, что позволяет не только вычленить группы элементов с различной подвижностью в данных условиях, но и прогнозировать поведение поллютантов. Для оценки защитных функций системы почва - растение предлагается рассчитывать показатель коэффициент накопления (КН) по кислоторастворимым формам соединений ТМ, при более детальных исследованиях – КН по непрочно связанным их соединениям. Относительное содержание ТМ в составе силикатов рекомендуется использовать для определения источника накопления (природный или техногенный). Представленные в работе результаты будут использованы при разработке вопросов регионального нормирования содержания меди, цинка и свинца в черноземе обыкновенном. Предложены мелиоранты для снижения подвижности цинка и свинца в загрязненном черноземе обыкновенном.
Результаты исследований применяются в практике сельскохозяйственного производства Ростовской области при мониторинговых наблюдениях в системе агрохимической службы, природоохранных организаций и при составлении мероприятий по рекультивации загрязненных почв.
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Химия почв», «Химическое загрязнение почв», «Термодинамика почв», «Избранные главы химии почв», «Экологические функции почв» на кафедре почвоведения и агрохимии Южного федерального университета и «Экотоксикология», «Охрана окружающей среды», «Сельскохозяйственная экология» на кафедре агроэкологии Донского государственного аграрного университета (ДонГАУ).
Защищаемые положения
1. Система методических приемов в определении и оценке группового состава и подвижности соединений металлов на основе комбинированной схемы фракционирования обеспечивает получение надежной информации для оценки экологического состояния почв.
2. Полифункциональность почвенных компонентов в прочном и непрочном закреплении ТМ обусловливает многообразие их форм, которые представляют собой континуальный ряд соединений, объединяемых единым направлением трансформации от менее устойчивых к более устойчивым.
3. Поглощение металлов почвой представляет собой совокупность процессов последовательной аккумуляции их различных соединений. Соединения металлов в почвах, образованные в результате поглощения их из антропогенных источников, менее устойчивы, чем природные.
4. Групповой состав соединений металлов определяет барьерные функции почв. Увеличение доли непрочно связанных соединений ТМ в почве в условиях загрязнения неблагоприятно отражается на свойствах почв, состоянии растений и качестве продукции.
5. Выбор и эффективность мелиорантов при загрязнении почв определяются групповым составом соединений ТМ.
Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на I и II Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, МГУ, 2005, 2007); IV, V, VI, VII, VIII, IX Международной конференции по биогеохимии следовых элементов (Калифорния, США, 1997; Вена, Австрия, 1999; Гелф, Канада, 2001; Упсала, Швеция, 2003; Аделаида, Австралия, 2005; Китай, Пекин, 2007); XV, XVI, XVII, XVIII Международном Конгрессе почвоведов (Акапулько, Мексика, 1994; Монтпелье, Франция, 1998; Бангкок, Тайланд, 2002; США, Филадельфия, 2006); II, III, IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996; Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004); 1-й и 2-й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (Тула, 2003, 2004); II, IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, Казахстан, 2002, 2004); III Конгрессе Международного общества по охране почв «Человечество и почва в 3-м тысячелетии» (Валенсия, Испания, 2002); 1-ой Международной научной конференции «Деградации почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия» (Ставрополь, 2001); X Международной конференции Международного общества по органическому веществу почв (Тулуза, Франция, 2002); Международной научной конференции «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 1997).
Данная научная работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии Южного федерального университета в течение 1991-2008гг. в соответствии с планами НИР кафедры и была поддержана грантами РФФИ в 2004-2005 гг. (№ 04-04-96804), Министерства образования и науки Российской Федерации в 2004г., ФЦП «Интеграция» в 2000-2003 гг. (проекты № К 0752, № А 0054, Б 0103, № 30001/1497); а также грантами на участие в конференциях: ФЦП «Интеграция»; Организационного комитета XV, XVI и XVIII Конгресса почвоведов; Дж. Сороса, грантами Международного общества по биогеохимии следовых элементов для работы в качестве члена Организационного комитета V, VI и VII Международных конференций по биогеохимии следовых элементов.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 120 работ, том числе 21 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов, списка литературы, приложений, изложена на 441 страницах машинописного текста. Содержит 110 таблиц, 37 рисунков. Список литературы включает 575 наименований, в том числе 127 иностранных источников. Приложения включают 62 таблицы.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность проф. Г.В. Мотузовой, проф. В.С. Крыщенко, проф. О.Г. Назаренко, проф. Д.Л. Пинскому за совместную работу и ценные консультации.
