Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами в условиях техногенеза и основные направления по их реабилитации 9
1.1. Источники загрязнения почв тяжелыми металлами 9
1.2. Экологическая роль почвы в условиях возрастающей техногенной нагрузки 16
1.3. Санация сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами 25 Выводы по главе 1 42
Глава 2. Экологическое состояние черноземов Рязанской области в условиях техногенеза 44
2.1. Обоснование выбора и характеристика объекта исследований 44
2.2. Основные источники загрязнения почвенного покрова Рязанской области 53
2.3. Экологические критерии оценки загрязнения почв тяжелыми металлами 51
2.4. Системный подход в исследовании почв 63
Выводы по главе 2 69
Глава 3. Биологическая очистка почв с использованием культур-фитомелиорантов 70
3.1. Цель и задачи исследований 70
3.2. Методика постановки и проведения экспериментальных исследований 71
3.3. Влияние тяжелых металлов на фитомассу растений и их вынос из почвы гречихой, бобами, овсом 77
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Детоксикация почв, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием сорбционных материалов 102
4.1. Цель и задачи исследований 103
4.2. Обоснование применения сорбент-мелиорантов и методика проведения экспериментальных исследований 103
4.3. Эффективность детоксикации загрязненных почв с использованием сорбционных материалов: сапропель, СОРБЭКС, органо-минеральных смесей 108
4.4. Общественная эффективность комплекса мероприятий по санации черноземов, загрязненных тяжелыми металлами 123
Выводы по главе 4 129
Выводы и рекомендации 131
Список литературы 133
Приложения 149
- Экологическая роль почвы в условиях возрастающей техногенной нагрузки
- Основные источники загрязнения почвенного покрова Рязанской области
- Влияние тяжелых металлов на фитомассу растений и их вынос из почвы гречихой, бобами, овсом
- Обоснование применения сорбент-мелиорантов и методика проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется по мере роста производительных сил, что усиливает антропогенное воздействие на природные объекты. Почва как важнейший биогеохимический барьер и основная жизнеобеспечивающая сфера в наибольшей степени испытывает негативные воздействия, обусловленные многообразной производственной деятельностью человека. Она активно аккумулирует продукты техяогенеза, в том числе тяжелые металлы (ТМ). По данным агрохимического обследования земель Российской Федерации в 1999 году выявлено 1,1 млн. га земель сельскохозяйственного назначения, загрязненных ТМ, на которых уже сегодня необходимо проводить специальные мероприятия, предотвращающие загрязнение растительной продукции токсическими элементами. Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями являются Hg, Pb, As, Cd, Zn, Си, Cr, Ni, которые поступают по трофической цепи в организм человека и сельскохозяйственных животных в основном с растительной пищей, воздухом и водой.
Особенно остро эти явления обнаруживаются в зоне распространения
( оподзоленных и выщелоченных черноземов Рязанской области, характеризую щейся развитым сельским хозяйством и интенсивным техногенным воздействием на окружающую среду. По данным Главного управления природных ресурсов по Рязанской области в почвах районов, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, количество ТМ (Си, Pb, Cd, Zn и др.) значительно превышает фоновый уровень, и насыщение этими элементами на отдельных площадях достигло критического значения.
Разработка методов снижения техногенного загрязнения таких земель и их рационального использования позволит улучшить эколого-мелиоративную (ч ситуацию в регионе, обеспечит экологически благоприятные условия для вы ращивания сельскохозяйственной продукции и является актуальной задачей. А-, Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы заключается в разработке экологически безопасных способов очистки и детоксикации черноземов, загрязненных тяжелыми металлами, при их сельскохозяйственном использовании.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
• охарактеризовать источники и пути поступления ТМ в почву в условиях техногенного загрязнения агроландшафтов;
• дать агроэкологическую оценку пахотных почв при создавшихся условиях загрязнения ТМ;
• проанализировать современные физические, химические и биологические методы очистки и детоксикации почв, загрязненных ТМ;
• выявить закономерности и особенности поглощения ТМ сельскохозяйственными культурами;
• изучить влияние степени загрязнения черноземов ТМ на урожайность и качество выращиваемой сельскохозяйственной продукции;
• осуществить подбор культур - мелиорантов для биологической очистки оподзоленных и выщелоченных черноземов;
• исследовать процессы детоксикации почв с использованием сорбент мелиорантов.
Методика проведения исследований. В качестве основного методологического принципа при проведении мероприятий по снижению техногенного загрязнения земель принималась комплексность, предполагающая рассмотрение основных факторов, влияющих на функционирование агроландшафтов. Исследования базировались на анализе литературы и фондовых материалов, включали теоретические разработки, лабораторные и полевые опыты с использованием апробированных методик. Натурные исследования выполнялись на 1 стационаре МФ ГНУ ВНИИГиМ и на землях мелиоративной системы «Мески но» АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием методов математической статистики.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
• особенности и закономерности поглощения тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в зависимости от степени загрязнения почвы и сочетания ТМ;
• эмпирические зависимости влияния суммарного загрязнения почв ТМ на урожайность и качество гречихи, черных бобов;
• рекомендации по подбору культурфитомелиорантов для биологической очистки оподзоленных и выщелоченных черноземов, загрязненных ТМ;
• рекомендации по выбору мелиорантов для снижения перехода ТМ в растительную продукцию;
• экологически безопасный комплекс мелиоративных и агротехнических мероприятий по улучшению агроценоза, включающий биологическую очистку культурами-фитомелиорантами, химическую детоксикацию черноземов с использованием новых сорбент-мелиорантов и нормированное использование минеральных удобрений.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в f/ разработке рекомендаций по снижению поступления ТМ из почвы в сельскохозяйственные растения за счет детоксикации и очистки почв, которые могут быть использованы конкретными хозяйствами по производству сельскохозяйственной продукции, а также экологическими организациями при проведении экологической экспертизы. Результаты исследований использовались при составлении рекомендаций «Методических указаний по очистке и детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами, и рекомендаций по ликвидации техногенного загрязнения агроландшафтов» (2003), разработанных в ГНУ ВНИИ-ГиМ; «Рекомендаций по проведению эколого-мелиоративных мероприятий ре-• культивации техногенно загрязненных и деградированных культурных ландшафтов» (2002), разработанных в МФ ГНУ ВНИИГиМ, а также при составлении ежегодных научных отчетов МФ ГНУ ВНИИГиМ по программе РАСХН заданию 12.03.01. «Разработать совокупность принципов, методов, средств и форм управления режимами комплексных мелиорации земель для различных природных комплексов».
Рекомендации по рекультивации техногенно загрязненных земель используются управлением «Рязаньмелиоводхоз» при планировании и проведении проектных и эксплуатационных работ. На основании результатов исследований для АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области были подготовлены и переданы рекомендации по ликвидации техногенного загрязнения деградированных почв, что позволило обеспечить благоприятные экологические условия для выращивания сельскохозяйственной продукции и повысить урожайность однолетних трав на 34%.
Апробация работы. Материалы исследований обсуждались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ (2001-2003). Основные результаты работы доложены на Международных, Всероссийских, Межрегиональных научных конференциях. Основные из них: Международная научная конференция «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002 г.); Международная научная конференция «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2001-2002 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы использования почв и повышения эффективности удобрений» (Горки, 2001, 2003 г.); Международная научно-практическая конференция «Человек и окружающая природная среда» (Пенза, 2000 г.); Всероссийская конференция «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Управление рисками чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2001 г.); Республиканская научная конференция «Человек и окружающая среда» (Рязань, 1998-2000 г.); Межрегиональная научно-практическая конференция «Социально-гигиенический мониторинг здоровья населения» (Рязань, 2001).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 печатных работах. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов и предложений производству, изложена на 173 страницах машинописного текста, иллюстрирована 15 рисунками, содержит 71 таблицу и 19 приложений. Библиографический список включает 186 наименований.
Автор настоящей работы выражает благодарность за помощь в проведении исследований, научные консультации и ценные советы: Л.В. «Кирейчевой; Ю.А. Мажайскому; сотрудникам ГНУ ВНИИГиМ: В.М. Яшину, И.Ф. Юрченко; сотрудникам МФ ГНУ ВНИИГиМ: Т.К. Никушиной, В.Ф. Евтюхину, В.А. Иг-натенок; сотруднику кафедры биологической и биоорганической химии ЯГМА О.Б. Хохловой; сотрудникам кафедры общей гигиены с курсом экологии РГМУ: А.А. Ляпкало, Т.М. Гусевой, СВ. Гальченко, А.А. Дементьеву.
Экологическая роль почвы в условиях возрастающей техногенной нагрузки
Экологическая значимость почв в условиях усиления техногенных воздействий определяется, прежде всего, той сложной и многогранной ролью, которую играет почва в развитии и функционировании отдельных экосистем суши и биосферы в целом (Перельман, 1975, Добровольский, Никитин, 1986, Экология, охрана природы и экологическая безопасность, 1997, Бурлакова и др., 2001). Именно почвенный покров в круговороте веществ в биосфере принимает на себя воздействие промышленных выбросов и отходов, остаточных количеств пестицидов и других токсикантов, выполняя важную роль буфера и детоксиканта (Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение, 1997, Бурлакова и др., 2001). Под влиянием техногенного загрязнения исчерпывается способность почв к поглощению веществ, претерпевает изменение органическое вещество, постепенно утрачивая свои санитарно-гигиенические функции (Бурлакова и др., 2001). Увеличение загрязнения окружающей среды техногенными выбросами привело к тому, что значительные площади посева сельскохозяйственных культур подвергаются воздействию токсичных веществ, что сопровождается ухудшением качества продукции, снижением продуктивности растений. Рост концентрации ТМ в окружающей среде способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистемы, передвижению по трофической цепи. Ряд тяжелых металлов обладает кумулятивным эффектом, канцерогенным действием. К их числу относятся кадмий, свинец и некоторые другие (Ягодин, 1995, Бабкин, Завалин, 1995, Васильев и др., 1995, Коваленко 1997). Почва постоянно испытывает негативные воздействия, обусловленные многообразной производственной деятельностью человека.
По оценкам Б.Г. Розанова суммарная площадь почв, подверженных разрушению и деградации на протяжении истории человечества достигла 20 млн. км , что превышает общую пахотную площадь современного мира. Интенсивное антропогенное воздействие, по мнению академика Н.Н. Моисеева, каждые 8 лет возрастает примерно в 2 раза, что приводит к потери почвенных ресурсов, не только в результате уменьшения земледельческих площадей, но и за счет резкого снижения качества пахотных почв. По данным агрохимической службы России в 1996 г. из 31,1 млн. га обследованных земель тяжелыми металлами загрязнено 1,4 млн. га, в 1997 г. из 29,5 млн. га - 1 млн. га. Сохранение современной тенденции накопления ТМ приведет к массовому загрязнению черноземов Центрального Черноземья РЬ - через 20-40 лет, Си и Zn - через 100-150 лет, Со, Mo, Cd - через 200-400 лет (Антропогенная эволюция черноземов, 2000). Площади загрязнения почв РФ по различным химическим элементам располагаются в следующем порядке (% от обследованных): Cu(3,79) Ni(2,84) Zn(l,92) = Со(1,92) Vh{\,66) Cd(0,62) (Кузнецов, 1997). По регионам России этот ряд существенно изменяется в зависимости от видов техногенного загрязнения (Аристархов, 2001). Следствием снижения почвенного плодородия в результате загрязнения ТМ является снижение продуктивности как естественных, так и агрокультурных ландшафтов, что существенным образом влияет на объем и качество продовольственных ресурсов.
Сельскохозяйственная продукция, выращенная на загрязненных почвах, часто оказывается токсичной из-за повышенного содержания ТМ. (Колесников, Казеев, Вальков, 2000, Краснощекое, 2001). Ведение земледелия на загрязненных тяжелыми металлами почвах становится одной из актуальных практических задач современного развития общества. Способность к самоочищению почв можно повышать, регулируя факто ры, характеризующие способность к детоксикации продуктов техногенеза в природной среде и почвах, которые могут быть объединены в три основные группы: 1. Факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния продук тов техногенеза: осадки (по сезонам), скорость ветра (по сезонам), сток (по сезонам), соотношение осадков и испаряемости, геоморфологиче ское положение в ландшафтной системе, естественное дренирование, гранулометрический состав почв и грунтов; 2. Факторы, определяющие интенсивность метаболизма продуктов тех ногенеза: сумма солнечной радиации, сумма температур выше О С, количество ультрафиолетовой радиации, скорость разложения органического вещества, интенсивность фотохимических реакций; 3. Факторы, определяющие возможность и интенсивность закрепления в ландшафтах продуктов техногенеза или их метаболитов: щелочно кислотные условия, окислительно-восстановительные условия, сорб ционная емкость, количество гумуса, типы геохимических ареалов, геохимические барьеры, исходный баланс элементов, минералогиче ский состав почв и грунтов, число и продолжительность туманов в го ду, число и продолжительность штилей в году. Рассмотренные показатели носят, в основном, климатический или поч-венно-геохимический характер.
В природе существуют геохимические барьеры, задерживающие и изменяющие форму химических загрязняющих веществ. Которые можно регулировать различными методами, такими как: щелочно-кислотный, окислительно-восстановительный, сорбционный, биогенный (Орлов, Малинина, Мотузова и др., 1991). Биогеохимические барьеры представляют собой компоненты или части компонентов геосистем, в которых на относительно коротком расстоянии в результате специфического сочетания механических, физико-химических, биологических процессов происходит избирательное накопление одних химических элементов и удаление других. В этих барьерах резко изменяются условия миграции веществ, что часто приводит к накоплению химических элементов. Наиболее значимые природные биогеохимические барьеры - это растительный покров, почва, толща водо-ненасыщенных горных пород, области застойного скопления подземных вод. Человек может управлять биогеохимическими барьерами, усиливая или ослабляя их действие, создавать искусственные барьеры. Техногенные вещества, поступающие на поверхность почвы и проникающие в глубь ее, дифференцируются в пределах генетического профиля, в котором различные горизонты выступают в качестве геохимических барьеров, задерживающих часть техногенного потока (Перельман, 1975, Орлов, Малинина, Моту-зова и др., 1991, Голованов, Зимин, 2000). Природные биогеохимические барьеры обеспечивают, наряду с другими процессами, естественную самоочищаемость природного объекта, так как в них происходит не только накопление, но и связывание до недоступных для биоты форм токсичных веществ, разрушение токсичных веществ, преобразование их в безвредные вещества. При оптимальном сбчетании тепла и влаги биогеохимические барьеры работают эффективней. Почва является мощным биогеохимическим барьером, в ней идут разнообразнейшие физико-химические и биологические процессы, в том числе присутствует широкая гамма микроорганизмов (Голованов, Зимин, 2000).
Основные источники загрязнения почвенного покрова Рязанской области
Основными источниками загрязнения экосистемы Рязанской области являются 132 предприятия. Из них главными источниками загрязнения тяжелыми металлами являются предприятия теплоэнергетики. На территории области действуют 4 крупных предприятия теплоэнергетики. Топливно-энергетический комплекс в области представлен Рязанской ГРЭС, ГРЭС-24, Ново-Рязанской ТЭЦ и Дягилевской ТЭЦ.
В 1996 году в атмосферу было выброшено 211,6 тыс. тонн загрязняющих веществ. Наряду с такими традиционно регистрируемыми загрязнителями, как сернистый ангидрид, окись углерода, окись азота зафиксированы выбросы 59,2 тыс. тонн специфических веществ, среди которых оксид кадмия - 0,008, ртуть -0,005, свинец - 1,041, мышьяк - 0,453, медь - 0,462, хром - 0,949, никель -0,005, марганец - 2,76 тонны и другие. В наибольшей степени загрязняют воздушный бассейн области тепловые электростанции (70,7%), предприятия нефтеперерабатывающей промышленности (18,5%) (Государственный доклад о состоянии окружающей среды Рязанской области в 1995 г., 1996, Охрана окружающей среды в Рязанской области в 1996 г., 1997, Евтюхин, 1998).
Металлургический комплекс Рязанской области включает три крупных предприятия: АО «Рязцветмет» (г. Рязань), АО «Электроцветмет» (г. Рязань) и АО «Металлург» (г. Скопин), из них два расположены в лесной зоне. И хотя валовой выброс загрязняющих веществ от предприятий металлургического комплекса по объемам отдельных промышленных пунктов невелик (Государственный доклад о состоянии окружающей среды Рязанской области в 1995 г., 1996), однако, в них содержатся высоко опасные вещества - свинец, его соединения и неорганические соединения мышьяка. Так, АО «Рязцветмет» специализируется на производстве продуктов, основанном на переработке свинцово-оловянных материалов. Годовой объем отходов этого предприятия, складируемый на полигонах, представляет не меньшую опасность, чем выбросы в атмосферу. Химический и нефтехимический комплексы, представленные в области тремя крупными источниками химического загрязнения: Рязанский нефтеперерабатывающий завод, АО «Виско-Р» (г. Рязань) и Нижне-Мальцевский химзавод (Сасовский район), которые оказывают наиболее сильное химическое воздействие на водную и почвенную экосистемы области. Рязанская ГРЭС негативно воздействует на экосистемы как Пронского района, где она находится, так и на прилегающие к нему районы и, в частности, особенно сильно на экосистемы Кораблинского административного района (Мажайский, Евтюхин, Резникова, 2001).
Тяжелые металлы в почвах присутствуют в различных формах: в почвенном растворе, твердой фазе, в собственных минералах (Цинк и кадмий в окружающей среде, 1992). Содержание ТМ в черноземах хозяйств Рязанской области представлено в таблице 2.4.
Один из наиболее токсичных элементов - свинец, в почвах обследованных хозяйств содержится в значительных количествах. В степных районах области, в зоне наибольшего распространения выщелоченных черноземов, обнаружен наибольший уровень содержания свинца в корнеобитаемом слое (20-60 мг/кг). В среднем по хозяйствам отмечено 29-42 мг/кг (1,2-3,5 геохимического фона). В распределении РЬ в почвах области отмечается следующая закономерность: чем выше содержание гумуса в почвах, тем больше свинца аккумулировалось в органогенном горизонте.
Содержание меди в среднем колебалось от 54 до 93 мг/кг (2,0-3,4 геохимического фона). На загрязнение почв АОЗТ «Горняк» оказали влияние пылевое воздействие пустых шахтных пород (терриконов) и выбросы Скопинского завода цветных металлов. Поля АОЗТ «Федоровское», расположенные в 35-40 км от Рязанского промышленного комплекса, постоянно подвергаются его воздействиям, а почвы колхоза им. Чапаева, находящиеся на том же расстоянии от Новомосковского химического комплекса, испытывают постоянный прессинг промышленности соседей.
Содержание цинка в среднем колебалось от 30 до 200 мг/кг (0,9-5,7 геохимического фона). Накопление цинка в почвах Рязанской области носит локальный характер и зависит от расстояния до источников загрязнения. Концентрация Zn в черноземах значительно выше регионального кларка, но ниже ОДК. Наблюдается воздействие промышленных предприятий Рязанской и Тульской областей.
Большинство местных котельных не имеют средств улавливания выбросов, поэтому почти во всех изучаемых почвах содержание ванадия превысило в 1,5-3,5 раза региональный фон (83 мг/кг). Особенно возросла концентрация V в почвах тех хозяйств, территория которых наряду с локальной техногенной нагрузкой испытывают еще и региональную. Так, территория АОЗТ «Федоровское» находится в 30-40 км от Рязанского промышленного комплекса, ТОО «Коммунар», «Покровское» и АОЗТ «Горняк» расположены в 20 км от Скопин-ских предприятий. Содержание в почве таких биофильных микроэлементов, как В, Мо, Со, Мп, имеет сравнительно равномерный характер, хотя есть и исключения. Ско-пинский завод цветных металлов долгое время выпускал микроудобрение -технический молибдат аммония натрий, поэтому в черноземе АОЗТ «Горняк» накопилось по 20 мг/кг Мо (в среднем 5,0 мг/кг) и Со (в среднем 16 мг/кг). Концентрация олова в почвах «Горняка» в 2,5 раза больше геохимических значений региона (Мажайский, 2002). По данным Главного управления природных ресурсов по Рязанской области и Мещерского филиала ГНУ ВНИИГиМ в процессе почвообразования, а также в результате техногенной нагрузки в корнеобитаемом слое агроландшаф-та Рязанской области произошла аккумуляция ТМ. К приоритетным загрязнителям черноземов относятся Си, Pb, Zn, а также Cd (Евтюхин, 1998, Государственный доклад об использовании природных ресурсов и состоянии окружающей среды Рязанской области в 2000 г., 2001, Мажайский, 2002). Экологическое районирование земель Рязанской области по степени загрязнения Си, Pb, Zn было выполнено МФ ГНУ ВНИИГиМ (приложения 5-7). Таким образом, экологическая обстановка Рязанской области и оценка степени загрязнения почвенного покрова является обоснованием для разработки мероприятий по очистке и детоксикации черноземов, загрязненных ТМ, в условиях техногенеза Рязанской области, кроме того вопрос санации черноземов в настоящее время практически не исследован.
Влияние тяжелых металлов на фитомассу растений и их вынос из почвы гречихой, бобами, овсом
Оценка токсичности элементов важна уже на ранних стадиях онтогенеза растений. Высокая сопротивляемость растений на стадии проростков позволяет в дальнейшем на загрязненной почве развиваться растениям и выполнять функцию фитомелиорантов (Бурлакова и др., 2001). В лабораторном опыте было изучено влияние разных концентраций тяжелых металлов на энергию прорастания семян, фитотоксичность - ингибирование (-) и стимуляцию (+) роста, массы проростков и корней овса. Результаты исследований показали, что ТМ в исследуемых концентрациях, в целом, не оказывают существенного влияния на энергию прорастания семян овса. Только по цинку ингибирование составило: -6,3% от контроля на варианте 5 (80 ОДК), а по кадмию на варианте 5 (30 ОДК): -12,5%. Более значительное влияние ТМ отмечено на массу проростков и корней овса (табл. 3.6-3.9). Увеличение концентрации ТМ существенно снижает массу проростков и корней овса. Статистическая обработка результатов опытов позволила получить коэффициенты корреляции, значения которых составили для меди: Rn -+0,98, RK = -0,62; цинка: Rn = -0,92, RK = -0,96; свинца: R„ = -0,57, RK = -0,99; кадмия: Rn = -0,96, RK = -0,91.
Масса проростков и корней овса устойчиво ингибируется кадмием с ва рианта З (50ДК) -10,7% и - 10,4% соответственно. Ингибирующий эффект свинца наблюдается для проростков - на варианте 5 (30 ОДК) -2,9%, для кор ней - на вариантах 3 (5 ОДК) -2,1%, 4 (10 ОДК) -4,8% и 5 (30 ОДК) -12,8%. Ингибирующий эффект цинка для проростков наблюдается - на варианте 5 (80 - к ОДК) -60,9%, для корней - на вариантах 4 (20 ОДК) -22,3% и 5 (80 ОДК) - 72,3%. Стимулирующий эффект меди на рост проростков овса отмечен на всех вариантах, ингибирование роста корней наблюдается с варианта 2 (1 ОДК) -24,4%. Анализ литературных данных и результатов опыта показал, что медь, являясь микроэлементом, играет большую роль в жизни растений, однако, при ее избытке уменьшается число корневых волосков и сокращается длина корней, растения приостанавливают развитие и увядают (П.Ф. Тиво, И.Г. Быцко 1996). Цинк обладает слабой фитотоксичностью, которая обнаруживается толь-ко при существенном увеличении его содержания в почве (Алексеев, 1987, Ильин, 1991, Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Предел токсичности цинка зависит как от видовой принадлежности и генотипа растения, так и от стадии развития. Особенно необходим цинк для формирования и развития зародыша. Вследствие этого растения очень требовательны к данному элементу на ранних стадиях своего развития (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Невысокая фитотоксичность свинца, видимо, объясняется наличием хорошо действующей в растении системы инактивации элемента, проникающего в корневую систему. Основная часть свинца задерживается в корнях растений. Однако очень высокие концентрации свинца в почвах могут существенно подавлять рост растений и вызывать хлороз, обусловленный нарушением поступления железа (Алексеев, 1987). Хотя нет данных, свидетельствующих о том, что РЬ жизненно необходим для роста каких-либо видов растений, имеется много сообщений о стимулирующем действии на рост последних некоторых солей свинца при низких концентрациях (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Кадмий считается токсичным элементом для растений, основная причина его токсичности связана с нарушением энзиматической активности. Он не входит в число необходимых для растения элементов, однако, эффективно поглощается корневой системой (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Высокая фитоток-сичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу таких ферментов, как карбоангидраза, различные де-гидрогеназы, фосфатазы, связанные с дыханием и другими физиологическими процессами, а также протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене ферментов нуклеинового обмена и др. (Алексеев, 1987). По данным ряда авторов (Туников, Захарова и др., 2001) ответная реакция овса на действие тяжелых металлов проявляется в стимулировании роста ростков и ижибировании роста корешков, что подтверждено нашими исследованиями. Таким образом, на стадии проростков овес проявляет достаточно высокую толерантность к возрастающим дозам Си, Zn, Pb, Cd. Па наш взгляд причина высокой толерантности проростков связана с тем, что на этом этапе развития их рост связан с наличием большого количества питательных соединений в семенах, прежде всего Сахаров, т.е. проростки не испытывают недостатка в питании в отличие от взрослого растения. Нами был установлен эмпирический ряд токсичности металлов на проростки овса: Cd Zn Pb Cu. Одним из методов санации почв, как отмечалось в первой главе, является биологическая очистка с помощью растений-аккумуляторов ТМ. Фитотоксич-ные свойства ТМ проявляются, прежде всего, в уменьшении фитомассы, поэтому были поставлены опыты по изучению влияния загрязнителей (Си, Zn, Pb, Cd) на фитомассу сельскохозяйственных культур. Результаты определения Проведенный нами анализ экспериментальных данных показал, что между степенью загрязнения чернозема и урожайностью гречихи существует обратная сильная связь, о чем наглядно свидетельствует значение коэффициента корреляции (г = - 0,96). В результате пересчета, для более наглядного представления информации, были получены следующие значения урожайности: 1 контроль - 41,33 ц/га, 2 вариант - 37,01 ц/га, 3 вариант - 36,41 ц/га, 4 вариант -35,84 ц/га, 5 вариант - 20,32 ц/га. Во 2, 3, 4, 5 вариантах значение фитомассы гречихи ниже, чем на контроле. Однако, до варианта 4 ОДК, отклонение от контроля не превышало 13,3%, что связано с высокой толерантностью гречихи к загрязнению почвы ТМ (Бурлакова, 2001). Зависимость фитомассы гречихи от уровня загрязнения почвы представлена графически рис. 3.1. Между степенью загрязнения оподзоленных черноземов и урожайностью бобов существует обратная связь, о чем наглядно свидетельствует значение ко- эффициента корреляции (г = - 0,69). В результате пересчета, для более наглядного представления информации, были получены следующие значения урожайности: 1 контроль - 47,11 ц/га, 2 вариант - 61,47 ц/га, 3 вариант - 63,87 ц/га, 4 вариант — 54,62 ц/га, 5 вариант — 36,99 ц/га. Урожайность контрольного и испытуемых вариантов бобов существенно различается. В 5 варианте значение фитомассы бобов ниже, а во 2-4 вариантах выше, чем на контроле. Зависимость фитомассы бобов от уровня загрязнения почвы представлена графически на рис. 3.1. Нами было установлено, что бобовые культуры более толерантны к действию ТМ, чем гречиха, так как они могут получать питательные элементы за счет клубеньковых бактерий, которые усваивают азот из воздуха. По результатам исследований получены эмпирические зависимости изменения фитомассы гречихи и бобов (Y) от суммарного показателя загрязнения (х) в интервале 1,64- 146,04, уравнения которых имеют следующий вид
Обоснование применения сорбент-мелиорантов и методика проведения экспериментальных исследований
В процессе проведения вегетационного опыта для охвата диапазона загрязнения почвы от допустимого до чрезвычайно опасного нами было выбрано 4 категории загрязнения почвы (табл. 4.1), которые обосновывались по суммарному показателю загрязнения Zc, численному значению которого соответствует определенная категория загрязнения (Методические указания по определению тяжелых металлов, 1992, Оценка и регулирование, 1996, Гусева 2001). Расчеты суммарного индекса загрязнения и концентрации ТМ в почве представлены в приложении 16. В опыте использовались вегетационные сосуды площадью 346 см , вы- полненные из химически инертного материала (стабилизированный полиэтилен). Масса почвы в каждом сосуде - 7 кг. Почва искусственно загрязнялась тяжелыми металлами путем добавления химически чистых водорастворимых солей. Процентное содержание металлов в реактивах было рассчитано на основе их атомных масс. Для опыта были использованы следующие химически чистые соли: Zn(CH3COO)2 2Н20; CuS04 5Н20; Pb(CH3COO)2; CdS04. Расчет доз внесения солей ТМ с учетом их фоновых концентраций представлен в приложении Зная, что сорбционная емкость СОРБЭКСа составляет 0,2г. на 1 г. сорбента, нами была рассчитана доза внесения СОРБЭКСа, которая составила 100 г/сосуд (3,3 кг/м ), позволяющая сорбировать тяжелые металлы на всех вариантах опыта. Гранулированный сорбент вносили в воздушно-сухую почву и тщательно перемешивали. Подготовленной смесью набивали вегетационные сосуды и создавали оптимальное увлажнение почвы - 65% 111Ш. На основе литературных данных для проведения вегетационных исследований по изучению влияния сорбент-мелиоранта СОРБЭКС на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции при химической детоксикации почв, загрязненной ТМ, в качестве тестор.ой культуры нами был выбран овес, по- .. скольку он способен накапливать высокие концентрации Си, Zn, Pb, Cd и полу- чил широкое распространение в хозяйствах Рязанской области. Вегетационные сосуды были установлены в лаборатории. Длительность эксперимента - 2 месяца, повторность 4-х кратная. В течение опыта за растениями велись наблюдения, после уборки овса проводился учет биомассы, определение в растительности ТМ выполнено методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Для обеспечения оптимальной влажности почвы (0,65 ППВ) в течение всего вегетационного периода осуществляли поливы растений по массе сосудов. Для детоксикации загрязненных почв и повышения их плодородия можно использовать карбонатные сапропели и смеси на их основе. Для оценки эффек- тивности их применения была проведена производственная проверка, цель которой заключалась в изучении влияния карбонатного сапропеля и смесей на его основе на агрохимические свойства чернозема, урожайность и экологическое состояние растениеводческой продукции (содержание ТМ).
Внедрение разработанных положений проводилось на мелиоративном объекте «Мескино» АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области в 2002-2003 г.г. на двух вариантах (сапропель, УМС), повторность 5-ти кратная, площадь каждой делянки 20 м2 (приложение 18). Полевой опыт был заложен совместно с В.М. Яшиным и О.Б. Хохловой. В качестве контроля принимался существующий агрофон в хозяйстве. Сапро-пель вносили поверхностно на делянки из расчета 10 т/га (т.е. 1 кг/м ) при влажности вещества не выше 7% после выполнения необходимых агротехнических работ с последующим заделыванием в почву. Доза внесения сапропеля составляла 1 кг/м2, что было обосновано расчетами и подтверждено ранее проведенными исследованиями (Нгуен Суан Хай, 2003). Особенность заключалась в том, что сапропелевые смеси использовались в сухом состоянии вместо тради- ционно вносимого сапропеля при 60% влажности. Учитывая, что в сапропеле преобладают малоподвижные формы питательных элементов (Хохлов, 1988, Хохлов, 1991, Кирейчева, Хохлова, 1998), . нами была предпринята попытка его активизировать путем добавления ЭМ- препарата. Подкормку ЭМ-культурой проводили путем мульчирования почвы ЭМ-компостом, который вносили в бороздки из расчета 10 кг компоста на делянку (0,5 кг/м2) и засыпали почвой. В качестве сырья для приготовления ЭМ-компоста использовали торф и опилки (соотношение 2:1). В специальном ящике органика перемешивалась и равномерно увлажнялась ЭМ-раствором (1 л раствора на 1000 кг органики при влажности не более 60%) и плотно накрывалась полиэтиленовой пленкой. ЭМ-раствор готовили путем разведения в пропорции 1:100 ЭМ-препарата (1 л препарата на 100 л воды), который получен из концентрата «Байкал ЭМ-1». ЭМ-1 - это созданный по специальной технологии концентрат в виде жидкости, в которой выращено большое количество анабиотических (полезных) микроорганизмов в реальности обитающих в почве. По способу жизнедеятельности и оказываемого воздействия микроорганизмы классифицируются на группы (ЭМ-технология - надежда планеты, 2001): фотосинтезирующие, мо-лочно-кислые, дрожжевые. Названные Микроорганизмы взаимодействуют в почве, при этом вырабатываются всевозможные ферменты и физиологически активные вещества, аминокислоты и т.д., оказывающие как прямое так и кос- венное положительное влияние на рост и развитие растений. Для лучшей аэрации компост перемешивали (раз в неделю), чтобы не допустить перегрева, когда температура поднимается выше 40 С0 (ЭМ-технология - надежда планеты, 2001). Через 3 недели ЭМ-компост был готов к применению. Для проведения полевого опыта по изучению влияния сапропеля на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции, выращиваемой на деградированных землях, в качестве тестовой культуры нами были выбраны однолетние травы (вико-овсяная смесь), поскольку сапропель приводит к значи- тельному увеличению их фитомассы, кроме того, вико-овсяная смесь получила широкое распространение в хозяйствах Рязанской области. Агротехника выращивания однолетних трав общепринятая для региона (Система ведения агро- промышленного производства Рязанской области, 1999). Уборка однолетних трав проведена в фазу полного цветения бобового компонента. Отбор почвенных образцов проводили по методикам ЦИНАО (Методические указания по агрохимическому обследованию почв, 1982, Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства, 1992) и в соответствии с ГОСТами 17.4.3.01-83, 17.4.4.02-84,28168-89.
