WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Закономерности аккумуляции валовых и подвижных форм тяжелых металлов в черноземе типичном юго-западной лесостепи


На правах рукописи

Бриндукова Екатерина Евгеньевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ АККУМУЛЯЦИИ
ВАЛОВЫХ И ПОДВИЖНЫХ ФОРМ
ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЧЕРНОЗЕМЕ
ТИПИЧНОМ ЮГО-ЗАПАДНОЙ ЛЕСОСТЕПИ

03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Курск – 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная
сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Жукова Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Проценко Елена Петровна

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Азаров Владимир Борисович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

Защита состоится «24» декабря 2010 г. в «12.00» часов на
заседании диссертационного совета Д 220.040.01 при
ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова» по адресу: 305021, г. Курск,
ул. К.Маркса, 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова».

Автореферат разослан и размещен на сайте www.kgsha.ru «___» ___ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Э.В. Засорина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время возрастающая антропогенная нагрузка на земли сельскохозяйственного назначения обострила проблему, связанную с истощением черноземов России и снижением их природного плодородия. Кроме того, с каждым годом возрастает загрязнение верхнего, наиболее плодородного пахотного горизонта почвы тяжелыми металлами (медью, свинцом, марганцем, кобальтом, кадмием, никелем, цинком, железом и др.), что обусловлено развитием автотранспорта и промышленных предприятий.

В связи с этим осуществление мониторинга, направленного на определение содержания в почве тяжелых металлов (далее ТМ) и организация мер по его снижению является необходимым условием для обеспечения населения качественной и безопасной сельскохозяйственной продукцией.

Цель и задачи исследований. Выявить закономерности аккумуляции валовых и подвижных форм тяжелых металлов в черноземе типичном юго-западной лесостепи РФ.

В программу исследований входили следующие задачи:

- определить содержание валовых и подвижных форм ТМ (Cu, Pb, Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Fe) в черноземе типичном;

- установить корреляционные зависимости между содержанием валовых и подвижных форм ТМ в исследуемом агропедоценозе и биопедоценозе;

- вычислить корреляционные зависимости между валовыми и подвижными формами ТМ и агрохимическими показателями чернозема типичного (содержанием гумуса, обменно-поглощенных катионов, щелочногидролизуемого азота, подвижных форм фосфора и калия; степенью кислотности);

- определить коэффициенты биологического поглощения ТМ в системе почва – растение;

- определить содержание радионуклидов (90Sr, 40K, 232Th, 226Ra, 137Cs) в исследуемой почве и озимой пшенице и коэффициенты их накопления в системе почва – растение;

- вычислить корреляционные зависимости между содержанием в почве радионуклидов и валовых и подвижных форм тяжелых металлов.

Объект исследований. Чернозем типичный мощный на лессовидном суглинке.

Научная новизна. Впервые на территории юго-западной Лесостепи были определены количественные взаимозависимости валовых и подвижных форм тяжелых металлов, их взаимосвязь с важнейшими агрохимическими показателями чернозема типичного. Осуществлена сравнительная оценка распределения валовых и подвижных форм ТМ в агропедоценозе и биопедоценозе.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют составить представление о состоянии исследуемого чернозема типичного и могут служить основой для разработки и применения комплексных мер по снижению антропогенной нагрузки на почву, направленных на минимализацию загрязнения и снижение подвижности элементов при данных сложившихся условиях.

На защиту выносятся следующие положения:

- содержание в исследуемой почве валовых форм кадмия и кобальта превышает ПДК и при значительной антропогенной нагрузке существенно сказывается на безопасности сельскохозяйственной продукции.

- содержание подвижных форм ксенобиотиков (кадмий, свинец, никель), как и эссенциальных элементов (цинк, медь, марганец) не превышают ПДК, но выше фоновых значений, характеризующихся относительно невысокими величинами.

- положительное влияние применения полного минерального удобрения на урожайность сельскохозяйственных культур, несмотря на увеличение степени подвижности ТМ.

Апробация работы. Материалы диссертации легли в основу научной работы, занявшей второе место на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России в номинации «Сельскохозяйственные науки», (г. Орел, 2010 г.).

Основные материалы работы представлены на всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству (Курск, 2009 г.), на международной научно-практической конференции КГСХА «Молодежь и аграрная наука ХХI века» (г. Курск, 13 – 14 мая, 2009 г.) и на международной научно-практической конференции «Научное обеспечение агропромышленного производства» (г.Курск, 2010г.).

Публикации. По полученным результатам исследований опубликовано 4 статьи, одна из которых в журнале, рецензируемом
ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 142 листах печатного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов и предложений производству, списка литературы. Содержит 52 таблицы и 8  рисунков.

Место и время выполнения работы. Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская ГСХА» на кафедре неорганической и аналитической химии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Условия и методы исследования

Полевые исследования по содержанию валовых и подвижных форм тяжелых металлов в черноземе типичном проводились в 2008-2010 гг. в стационарном полевом опыте ООО «Агросил».

Исследуемая территория расположена в зоне умеренно-континентального климата: показатель среднегодового количества осадков – 639 мм, максимум – в июне и июле составляет 82 мм; среднегодовая температура воздуха +5,90. Погодные условия в годы исследований (2008 – 2010 гг.) и почвы агропедоценозов были характерны в целом для юго-запада Центрального Черноземья, следовательно, полученные результаты можно интерпретировать на всю территорию юго-западной Лесостепи в условиях Центрального Черноземья.

Наши исследования осуществлялись в полевых и лабораторных условиях. Полевой опыт общая площадь делянки 500 м2. Учетная площадь каждой делянки составляет 250 м2 (25 х 10). Повторность опыта – трехкратная. Опытные делянки имеют форму вытянутого прямоугольника с защитными полосам 1,5 м и размещаются последовательно. Отдаленность от трассы полей: № 1 – 200 м, № 2 – 500 м, № 3 – 500 м, № 4 – 300м. Почвенные образцы отбирались из агропедоценозов (три из которых – идентичны) после уборки зерновых по следующей схеме:

Агропедоценоз №1 (поле № 1, 2, 3) 1. Озимая пшеница (О) 2. Озимая пшеница – N10P26K26 3. Кукуруза (О) 4. Кукуруза – N10P26K26 5. Ячмень (О) 6. Ячмень – N10P26K26 __________________ О*) без применения удобрений Агропедоценоз №2 (Поле № 4) 1. Чистый пар 2. Чистый пар 3. Озимая пшеница (О) 4. Озимая пшеница – N10P26K26 5. Кукуруза (О) 6. Кукуруза – N10P26K26

Отбор почвы был осуществлен в соответствии с ГОСТ 28168 89 «Почвы. Отбор проб», ГОСТ 17.4.4.02 – 84 «Почвы. Методы отбора и пробоподготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа», ГОСТ 17.4.3.01 – 83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб».

В качестве эталона на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов, были исследованы образцы почвы из Центрально-черноземного государственного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина: образец № 1 – некосимая степь, глубина 0 – 10 см; образец № 2 – косимая степь, глубина 0 – 10 см; образец № 3 – некосимая степь, глубина 10 – 20 см; образец № 4 – косимая степь, глубина 10 – 20 см; а также пахотный слой чернозема типичного, возделываемый с 1964 года сотрудниками отдела земледелия Курского НИИ агропромышленного производства:1.монокультура озимой пшеницы, глубина 20 см (контроль – без удобрений, N45Р60К45); 2 зернопропашной севооборот, глубина 20 см (чистый пар – без удобрений; озимая пшеница – без удобрений, озимая пшеница – N30Р60К60, сахарная свекла – без удобрений, сахарная свекла – N90Р120К120, кукуруза – без удобрений, кукуруза – N80Р70К70, ячмень – без удобрений (по неудобренному фону), ячмень - послеследования (по удобренному ранее фону); 3 залежь, глубина 20 см.

Для исследования воздействия применения минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях и влияние тяжелых металлов на химический состав, были отобраны образцы озимой пшеницы, выращенной на исследуемой почве в период с 2008 по 2010 гг.

Анализы проводились в межфакультетской аналитической лаборатории «Курской ГСХА», а также в испытательной лаборатории по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГУ ГСАС «Курская».

Для определения исследуемых показателей применялись следующие средства измерения и методики: для определения тяжелых металлов в почвенных образцах использовался атомно-абсорбционный спектрофотометр С-115 М.1, пламенный фотометр «Phlapho-4». Для контроля использовались стандартные образцы:-ОСО ТМ-30701,ОСО ТМ-39904, СОП-САЧВП-204393, МУ по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства ЦИНАО М., 1985. Для определения химического состава и тяжелых металлов в образцах пшеницы использовали атомно-абсорбционный спектрофотометр С-115 М.1, фотоколориметр КФК-2, установка Кьельдаля стандартный образец ЦИНАО ОСО №10-149-2008 (зерно пшеницы). Определение 90Sr, 137Cs, 40K, 232Th, 226Ra проводилось на устройстве «Гамма-спектрометр NaI», «Бета-спектрометр» спектрометрического комплекса «Прогресс». Измерения проводились в геометрии «Маринелли», Кювета D70. Для выполнения дальнейших исследований были проведены анализы почвенных образцов: гранулометрический состав почвы проводили полевым методом по Н.А. Качинскому [И.С. Кауричев, 1973; В.Д. Муха, А.Ф. Сулима, 2001], определение рН солевой вытяжки потенциометрическим методом в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26483); определение гидролитической кислотности почвы – по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212); определение обменных катионов Ca2+ и Mg2+ комплексометрическим методом [Л.Н. Александрова, О.А. Найденова, 1976; В.Г. Минеев, 1990, 2001]; определение обменных катионов Na+ и К+ проводили по методу Масловой [В. Г. Минеев, 2001]; определение содержание гумуса – по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213) [Б.А. Ягодин, 1987; В.Г. Минеев, 2001]; определение содержания щелочногидролизуемого азота (Nщел.) – по Корнфилду (в модификации ЦИНАО) [Л.Н. Александрова, О.А. Найденова, 1986, В.Г. Минеев, 2001]; определение содержание подвижного фосфора и калия – по методу Чирикова в модификации ЦИНАО [В.Г. Минеев, 2001].

Результаты исследований

1. Содержание валовых форм тяжелых металлов в исследуемой почве

Общий показатель загрязнения исследуемой почвы валовыми формами элементов меди, свинца, кадмия и цинка (Zс1*) составил 7,25 относительно показателей фоновых значения по району. Данное значение < 16, то есть превышает фоновый показатель, но не выше ПДК, следовательно, почва пригодна для выращивания любых с.-х. культур с условием разработки и применения мер по снижению токсикантов в ней и уменьшении миграции в растения [дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229 – 91].

В то же время при применении аналогичной методики расчета по показателям фоновых значений для черноземов средней полосы России [СП-11-102-97], суммарная нагрузка составляет(Zс2*) 16,37 – превышает ПДК при лимитирующем общесанитарном и миграционном водном показателе вредности, но ниже ПДК по транслакационному показателю. Земли подходят под любые культуры при условии контроля качества продукции растениеводства. В обоих случаях необходимой мерой является снижение уровня воздействия источников загрязнения почв и доступности токсикантов для растений, а также контроль за содержанием веществ в поверхностных и грунтовых водах [дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229 – 91].

Подобные высокие значения были получены за счет высоких коэффициентов накопления кадмия (Кс*1= 7,58; Кс*2=14,5) и кобальта (Кс*2=4,6), характеризуемые, как средний, 4<Кс<8 и сильный,
8<Кс<16.

Интенсивность загрязнения этими элементами достаточно высока, поскольку содержание кобальта и кадмия в исследуемом черноземе в 1,33 и 1,16 раз превышает ПДК (таблица 1).

В то же время превышение ПДК содержания подвижных форм этих элементов не наблюдается, однако при подкислении почвы может произойти переход валовых форм этих элементов в подвижные.

При сравнении содержания кадмия с ОДК, в почвах с рН<5,5 превышение составляет 3,91 раз, а в почвах с рН>5,5 – в 1,83 раз (таблица 1).

Таблица 1 – Изменение содержания валовых форм тяжелых
металлов в черноземе типичном под действием минеральных
удобрений, мг/кг

Металл Минимум Среднее Максимум ПДК [ЦИНАО – 1991 год] ОДК [ГН 2.1.7.2511 - 09], при рН<5,5 ОДК [ГН 2.1.7.2511 - 09], при рН>5,5 Фоновое значение по району Фоновое содержа- ние [СП 11- 102-97]
2008 год
Cu 10,50 11,07 11,80 55,00 66,00 132,00 20,00 25,00
Pb 10,90 11,45 12,40 32,00 65,00 130,00 10,00 20,00
Mn 201,00 207,25 213,00 1500,00 - - - -
Co 15,31 16,50 18,70 12,00 - - - 25,00
Cd 3,48 3,71 3,95 3,00-5,00 1,00 2,00 0,50 0,24
Ni 33,00 34,00 36,00 40,00 40,00 80,00 - 45,00
Zn 35,50 35,85 36,68 100,00 110,00 220,00 50,00 68,00
2009 год
Cu 10,70 11,08 11,70 55,00 66,00 132,00 20,00 25,00
Pb 9,80 11,00 12,20 32,00 65,00 130,00 10,00 20,00
Mn 181,50 200,38 226,00 1500,00 - - - -
Co 14,32 15,55 17,30 12,00 - - - 25,00
Cd 3,62 3,90 4,09 3,00-5,00 1,00 2,00 0,50 0,24
Ni 21,00 29,75 37,00 40,00 40,00 80,00 - 45,00
Zn 25,69 33,09 36,20 100,00 110,00 220,00 50,00 68,00
2010 год
Cu 10,05 11,35 12,30 55,00 66,00 132,00 20,00 25,00
Pb 9,80 11,52 12,60 32,00 65,00 130,00 10,00 20,00
Mn 187,00 199,80 225,00 1500,00 - - - -
Co 13,00 15,77 19,00 12,00 - - - 25,00
Cd 3,63 3,76 3,81 3,00-5,00 1,00 2,00 0,50 0,24
Ni 26,00 37,6 35,71 40,00 40,00 80,00 - 45,00
Zn 32,79 33,48 36,58 100,00 110,00 220,00 50,00 68,00
Металл Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
НСР0,5 0,770 0,830 19,971 1,870 0,173 8,955 5,912


Согласно классификации А.В. Кудрина (2001) кадмий токсичен. Данный элемент относится к I классу опасности и входит в 5 группу эколого-токсикологической оценки по содержанию валовых форм ТМ и мышьяка. По действию на человеческий организм кадмий – высокотоксичный элемент, вызывающий острые и хронические отравления. Почти 70 % попадающего в почву кадмия становится доступным для растений посредством связывания с почвенными комплексами [В.А.Филов, 1988].

Кс1* свинца (1,13) соответствует минимальному уровню загрязнения 1<Кс*<2 почвы, а Кс2*(0,57) свидетельствует о накоплении элемента в почве. Этот ТМ, как и кобальт, умеренно токсичный для организма человека, принадлежит к I классу опасности. Его концентрация в исследуемой почве соответствует первой группе.

Что же касается кобальта, то превышение его концентрации в исследуемых образцах относительно ПДК составило 1,5 раза (Кс=1,33).

Согласно полученным данным в почве происходит также приблизительно одинаковое накопление эссенциальных по иммунологическому действию на человеческий организм валовых форм элементов цинка (Кс = 0,34; Кс1* = 0,68; Кс2* = 0,50); меди (Кс = 0,2; Кс1* = 0,56), (Кс2* = 0,45); марганца (Кс = 0,14), а также иммунотоксичного никеля (Кс = 0,85; Кс2*= 0,75; КсОДК = 0,91). Эти элементы не превышают ПДК, ОДК и фоновых значений. При осуществлении эколого- токсикологической оценки все вещества причислены к I классу опасности и соответствуют по содержанию в почве валовых форм первой группе. Никель – элемент II класса опасности, соответствующий третьей группе по содержанию (таблица 2).

Таблица 2 – Коэффициенты концентрации тяжелых металлов в исследуемой почве

Элемент КсПДК КсОДК Кс1* Кс2*
рН<5,5 рН>5,5
Cu 0,20 0,18 0,08 0,56 0,45
Pb 0,35 0,18 0,09 1,13 0,57
Mn 0,14 - - - -
Co 1,33 - - - 4,60
Cd 1,16 3,91 1,83 7,58 14,50
Ni 0,85 0,91 0,42 - 0,75
Zn 0,34 0,33 0,15 0,98 0,50

___________ КсПДК – коэффициент концентрации относительно ПДК [ЦИНАО-91], КсОДК – коэффициент концентрации относительно ОДК [ГН 2.1.7.2511 - 09], Кс*1 – коэффициент концентрации относительно фонового значения района, Кс*2 – коэффициент концентрации относительно фонового значения для черноземов средней полосы России [СП-11-102-97].

Аккумуляция количества валовых форм меди, никеля и железа за период 2008-2010 гг. по полям в порядке убывания соответствует ряду: поле № 2 –поле № 4 – поле № 3 – поле № 1. Содержание кадмия, марганца и свинца распределено: поле № 4 – поле № 3 – поле № 1 – поле № 2, а кобальта и цинка: поле № 3 – поле № 4 – поле № 1.

Оценить антропогенное воздействие на содержание валовых форм тяжелых металлов можно, сопоставив данные, полученные при исследовании пахотного горизонта почв косимой и некосимой степи Центрально-черноземного государственного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина, образцов пахотного слоя чернозема типичного, возделываемого сотрудниками отдела земледелия Курского НИИ агропромышленного производства и производственных посевов.

В результате сравнения, превышение кобальта в исследуемой почве по сравнению с эталонными образцами составило: косимая степь – 109,74%, некосимая степь – 127,72 %, монокультура озимой пшеницы – 104,36 %, севооборот – 330,81 %, залежь – 87,09 %; превышение кадмия: 1367,7 %, 1303,7 %, 1122,58 %, 1048,5 %, 1253,57 %; превышение никеля: 76,86 %, 82,89 %, 66,40 %, 73,23 %, 68,90 % (таблица 3).

Особенно заметно превышение валовой формы кадмия по сравнению со всеми образцами, что лишний раз доказывает неблагополучие исследуемой территории по этому элементу.

Таблица 3 – Изменение аккумуляции валовых форм тяжелых
металлов в результате антропогенного воздействия, мг/кг

Глубина, см Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
Косимая степь
0 - 10 9,83 11,30 312 7,20 0,24 18,98 29,1
10 – 20 9,20 10,30 276 8,00 0,28 19,05 26,07
Некосимая степь
0 - 10 10,56 11,47 300 6,40 0,31 18,54 28,73
10 - 20 11,71 13,10 348 7,60 0,24 18,39 30,29
Монокультура озимой пшеницы
0-20 12,20 11,80 356,00 7,80 0,31 20,30 28,53
Зернопропашной севооборот
0-20 11,70 10,00 306,00 3,70 0,33 19,50 36,40
Залежь
0-20 10,40 10,45 335,00 8,52 0,28 20,00 41,70
Производственные посевы
0 – 20 11,17 11,32 202,48 15,94 3,79 33,78 34,14
Фоновое содержание [СП 11-102-97] 25,00 20,00 - 25,00 0,24 45,00 68,00
ПДК [ЦИНАО - 91] 55,00 32,00 1500,00 12,00 3,0-5,0 40,00 100,00

2 Аккумуляция подвижных форм ТМ в
исследуемой почве

Для оценки содержания подвижных форм ТМ в исследуемом черноземе относительно ПДК и фонового значения использовались значения (ААБ).

По результатам исследований суммарный показатель загрязнения почвы подвижными формами ТМ (Zс* = 2,93) является допустимым.

Содержание эссенциальных элементов не указывает на загрязнение почвы, а, напротив, исходя из данных таблиц по обеспеченности цинком, медью, марганцем свидетельствуют о низкообеспеченности. Высокие коэффициенты накопления связаны с низкими, характерными для юго-западной Лесостепи Центрального Черноземья фоновыми значениями (таблица 4).

По показателям содержания кобальта – исследуемая почва среднеобеспеченна.

Таблица 4 – Изменение содержания подвижных форм ТМ (ААБ)

в пахотном слое чернозема типичного, мг/кг

Металл Минимум Среднее Макси-мум ПДК Фоновое содержание Кс Кс*
2008 год
Cu 0,09 0,16 0,24 3,00 0,75 0,05 1,12
Pb 1,10 1,13 1,40 6,00 0,20 1,12
Mn 4,30 4,90 5,50 140,00 5,30 0,04 0,93
Co 0,19 0,24 0,26 5,00 0,22 0,04 1,09
Cd 0,05 0,06 0,07 0,50 0,03 0,12 2,00
Ni 0,44 0,62 0,71 4,00 0,80 0,16 0,78
Zn 0,32 0,41 0,48 23,00 0,35 0,02 1,17
2009 год
Cu 0,10 0,16 0,23 3,00 0,14 0,05 1,14
Pb 1,02 1,12 1,30 6,00 1,00 0,20 1,12
Mn 4,20 6,86 15,80 140,00 5,30 0,05 1,30
Co 0,07 0,16 0,27 5,00 0,22 0,03 0,71
Cd 0,06 0,07 0,08 0,50 0,03 0,14 2,33
Ni 0,24 0,47 0,66 4,00 0,80 0,12 0,59
Zn 0,47 0,52 0,61 23,00 0,35 0,02 1,48
2010 год
Cu 0,12 0,17 0,31 3,00 0,14 0,06 1,24
Pb 0,90 1,04 1,30 6,00 1,00 0,17 1,04
Mn 4,00 11,25 27,60 140,00 5,30 0,08 2,12
Co 0,23 0,33 0,44 5,00 0,22 0,06 1,50
Cd 0,06 0,07 0,09 0,50 0,03 0,15 2,33
Ni 0,30 0,47 0,71 4,00 0,80 0,11 0,59
Zn 0,48 0,60 0,69 23,00 0,35 0,03 1,71
Металл Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
НСР0,5 0,128 0,200 14,109 0,201 0,008 0,122 0,048
Х (2007-2010)± t 0,5sх
Металл Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
О 0,179± 0,021 1,157± 0,041 8,057± 1,147 0,241± 0,018 0,510± 0,036 0,061± 0,004 0,521± 0,020
NPK 0,187± 0,018 1,300± 0,024 8,314± 2,042 0,241± 0,032 0,556± 0,044 0,067± 0,044 0,527± 0,033
НСР0,5 0,007 0,046 0,021 0,09 0,041 0,04 0,016

______________*)О – контроль (без удобрений); NPK – внесение минеральных удобрений в дозе N10P26K26, Кс – коэффициент концентрации относительно ПДК; Кс* – коэффициент концентрации относительно фона.

Что же касается ксенобиотиков (кадмий, свинец, никель), то их содержание, как и эссенциальных элементов не превышает ПДК, но выше фоновых значений.

Повышенное содержание кадмия напрямую связано с использованием фосфатных удобрений, содержащих в своем составе данный элемент.

Согласно имеющимся характеристикам распределение подвижных форм исследуемых ТМ соответствует 1 группе эколого-токсикологической оценки почв.

При внесении минеральных удобрений в почву, изменилось и содержание подвижных форм, что связано с изменением кислотности почвы, а, следовательно, и подвижности элементов.

Под действием минеральных удобрений произошло увеличение степени подвижности практически всех элементов, за исключением никеля (таблица 5). Наиболее высокая степень подвижности, по сравнению с другими элементами, в исследуемом черноземе отмечена у свинца.

Таблица 5 – Степень подвижности элементов в исследуемом
черноземе

Степень подвижности, %
Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
О NPK О NPK О NPK О NPK О NPK О NPK О NPK
1,2 1,7 9,3 9,7 3,2 4,0 1,1 1,3 1,1 1,8 1,0 1,0 1,5 1,7

___________*)О – контроль (без удобрений); NPK – внесение минеральных удобрений в дозе N10P26K26

Распределение подвижных форм ТМ по полям: медь и кобальт: № 4 – № 2 – № 1 – № 3, свинец и никель: № 2 – № 4 – № 1 – № 3, марганец: № 4 – № 2 – № 3 – № 1, кадмий: № 2 – № 4 – № 1 – № 3, никель: № 2 – № 4 – № 1 – № 3, цинк: №4 – №3 –– №2 – №1.

Подобную дифференциацию можно объяснить не существенной разницей в среднем между агрохимическими показателями почвы полей, а также относительно схожей равноудаленностью от трассы.

При оценке антропогенного воздействия на содержания подвижных форм тяжелых металлов, были сопоставлены данные, полученные при исследовании пахотного горизонта почв косимой и некосимой степи Центрально-черноземного государственного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина, образцов пахотного слоя чернозема типичного, возделываемого сотрудниками отдела земледелия Курского НИИ агропромышленного производства и производственных посевов (таблица 6).

При сравнении содержания подвижных форм элементов с образцами сравнения наиболее существенна разница по содержанию марганца в сторону уменьшения и повышение элементов кобальта и кадмия.

Однако во всех образцах ТМ не превышают ПДК, а следовательно находятся в пределах нормы.

При сложившихся условиях очень важно следить за агрохимическими характеристиками почвы, способствующими переходу валовых форм в подвижные, а также принимать меры по снижению содержания в почвах кобальта и кадмия.

Таблица 6 – Изменение аккумуляции подвижных форм тяжелых

металлов в пахотном слое черноземе типичного (ААБ) в результате антропогенного воздействия, мг/кг

Глубина, см Cu Pb Mn Co Cd Ni Zn
Косимая степь
0 - 10 0,120 0,550 45,500 0,110 0,037 0,510 0,590
10 – 20 0,100 0,750 32,700 0,098 0,041 0,570 0,350
Некосимая степь
0 - 10 0,160 1,230 39,300 0,110 0,040 0,610 0,920
10 - 20 0,140 0,580 39,100 0,130 0,045 0,740 0,390
Монокультура озимой пшеницы
0-20 0,110 0,580 21,40 0,110 0,039 0,410 0,670
Зернопропашной севооборот
0-20 0,120 0,640 25,70 0,110 0,036 0,440 0,570
Залежь
0-20 0,140 0,830 31,20 0,170 0,029 0,380 0,650
Производственные посевы
0 – 20 0,164 1,100 7,67 0,240 0,067 0,520 0,510
ПДК 3,00 6,00 140,00 5,00 0,500 4,00 23,00

3. Взаимодействие элементов в черноземах типичных заповедника и пашни

При комплексном исследовании почв на содержание валовых и подвижных форм ТМ следует учитывать синергизм и антагонизм элементов. Так, присутствие серы при нитратном загрязнении снижает риск онкологических патологий, а присутствие кадмия и пестицидов – наоборот, способны серьезно увеличит. [В.А. Черников, А.И. Чекерес, 2000].

В агропедоценозах положительные высокие коэффициенты корреляции установлены между концентрациями валовых форм свинца и кобальта (0,74), свинца и никеля (0,75), меди и никеля (0,77).

Средние коэффициенты были получены между свинцом и медью (0,66), медью и кобальтом (0,52), кобальтом и никелем (0,51). Эти коэффициенты указываю на синергетическое действие этих элементов друг на друга.

Антагонистическое действие отмечено между валовыми формами: свинцом и цинком, марганцем и кадмием, свинцом и марганцем, цинком и медью.

В биопедоценозах прослеживаются более тесные взаимосвязи элементов: медь и свинец (0,97), медь и марганец (0,90), медь и цинк (0,86), свинец и марганец (0,97), свинец и цинк (0,91), марганец и цинк (0,93), никель и цинк (0,73) (таблица 16).

Антагонистами выступают валовые медь и никель (-0,95), свинец и никель (0,86), марганец и никель (-0,73).

Существенно на подвижность друг друга в исследуемых агропедоценозах влияют свинец и марганец (0,32), свинец и кобальт (0,62), марганец и кадмий (0,35), марганец и цинк (0,48), марганец и железо
(-0,67), кобальт и никель (0,41), кобальт и железо (0,53), никель и цинк (-0,37), никель и железо (0,26).

В биопедоценозах – медь и марганец (0,94), никель и цинк (-0,85), кобальт и кадмий (-0,96). Средние зависимости получены между медью и свинцом (0,37), медью и кобальтом (0,63), медью и кадмием
(-0,61), свинцом и никелем (-0,38), цинком и свинцом (0,69), марганцем и кобальтом (0,46), марганцем и кадмием (-0,39), марганцем и никелем (-0,34), кобальтом и никелем (0,63), кобальтом и цинком (-0,68), кадмием и никелем (-0,60), кадмием и цинком (0,52).

В агпропедоценозах средние пропорциональные зависимости образуют концентрации наиболее мобильных частей подвижных форм: свинец и кобальт (-0,30), свинец и кадмий (0,51), Свинец и никель (-0,52), марганец и кобальт (0,39), марганец и кадмий (0,35), марганец и цинк (0,65), кобальт и кадмий (0,34), кобальт и никель (0,43), кобальт и цинк (0,46).

В биопедоценозах установлены следующие корреляционные зависимости: высокие – медь и марганец (0,94), медь и цинк (0,74), свинец и цинк (0,79), марганец и кобальт (0,75), марганец и никель (0,71), кобальт никель (0,79), кадмий и никель (0,93); средние – медь и свинец (0,60), медь и кобальт (0,54), кобальт и никель (0,46), свинец и марганец (0,41), марганец и кадмий (0,47), марганец и цинк (0,50), кобальт и кадмий (0,62), кадмий и цинк (0,44).

4. Влияние изменения агрохимических показателей на аккумуляцию валовых и подвижных форм
тяжелых металлов под действием минеральных удобрений в исследуемом агропедоценозе

Положительную среднюю корреляционную зависимость гумус образует с подвижным Сd (r =0,37), с другими элементами установлены невысокие коэффициенты корреляции. Высокие зависимости все формы ТМ образуют с илистой фракцией почвы, частью корой является гумус 0,7<r<1. Подкисление почвы существенно влияет на концентрации подвижных форм практических всех ТМ. Валовые формы всех тяжелых металлов, в той или иной степени, зависят от содержания кальция. Высокие корреляционные связи обнаружены между аккумуляцией валовых и подвижных форм ТМ и содержанием азота, фосфора и калия, что связано с применением минеральных удобрений.

Исследования показали, содержание радионуклидов в образцах озимой пшеницы не превышают допустимый уровень и соответствуют требованиям Основных санитарных правил по обеспечению радиационной безопасности (ОСПОРБ – 99) и Нормам радиационной безопасности (НРБ – 99). Допустимы уровень цезия 137 – 80 Бк/кг, стронция 90 – 100 Бк/кг.

Плотность загрязнения почвы 137Сs составляет 0,16 Ки/км2, при критерии экологической оценки состояния почв, удовлетворительная ситуация характерна при радиоактивном загрязнении до 1 Ки/км2.

Высокие прямые корреляционные связи цезий образует с валовой формой цинка (0,79), подвижным кадмием (0,76) и мобильной частью подвижного никеля (0,73) (0,7<r<1).

5 Содержание изучаемых ТМ в озимой пшенице,
выращенной на исследуемой почве

Необходимость изучения содержания в почвах ЦЧР микроэлементов связана с тем фактом, что их содержание и доступность для растений – важная характеристика плодородия [Ю.М. Селезнев, А.Н. Тюрюканов, 1971].

Различные растения способны неодинаково накапливать тяжелые металлы. Так, например, вблизи завода содержание меди возрастает в
25 – 40 раз, а в растениях подобное увеличение варьируется от четырехкратного (хвоя сосны) до девятикратного (в хвоще). Кора накапливает больше меди, чем сосна и ель.

При применении минеральных удобрений, содержание меди в зерне колеблется в пределах 2,174…2,740 мг/кг и не превышает ПДК (10), а верхний предел всего на 0,260 мг/кг, среднее содержание при применении минеральных удобрений на 7 % превысило содержание в зерне, выращенном без применения удобрений; свинца – 0,321…0,449 мг/кг, верхняя граница которого на 0,001 меньше ПДК (0,5), а среднее значение превышает ДОК на 28 % и содержание в контрольных образцах на 14%.

Значения цинка 22,190…26,310 мг/кг не превышают ПДК (50,0), однако, как нижний, так и верхний предел выше значения ДОК (10,00), превышение в среднем составляет почти в 2,5 раза (на 143 %). При применении минеральных удобрений содержание цинка в зерне увеличилось на 10 %.

Верхний предел содержания железа 45,340…52,667 в зерне превышает ПДК (50,0) на 2,667 мг/кг, (5,3 %). Применение удобрений повысило содержание железа в зерне на 11 %. (таблица 7).

Наиболее существенным показателем при исследовании зерна является – содержание в продукции кадмия, превышение ПДК которого составляет почти 8,5 раз, ДОК – в 1 раз и МДУ – 2,73 раз. Очевидно, что потребление данной продукции – рискованно для организма человека, поскольку кадмий – элемент 1 группы опасности.

Таблица 7– Среднее содержание ТМ в озимой пшенице, мг/кг

2008 - 2010 Сu Pb Mn Со Сd Ni Zn Fe
О*
Х±t0,5sх 2,29± 0,19 0,34± 0,09 39,04± 2,52 0,08± 0,01 0,82± 0,06 0,27± 0,07 22,0± 1,98 44,00± 3,44
NPK
Х±t0,5sх 2,45± 0,28 0,39± 0,06 41,19± 3,65 0,09± 0,01 0,84± 0,09 0,32± 0,05 24,25± 2,06 49,00± 3,67
изменение,% 7 14 5 12 8 18 10 11
ПДК (Кольцов,1995) ДОК МДУ 10,00 3,00 0,50 0,30 5,00 - - - - - - 0,10 0,03 0,30 0,50 - 1,00 50,00 10,00 50,00 50,000 - - -
НСР0,5 0,050 0,014 0,110 0,070 0,066 0,025 0,043 0,078

Для наглядной оценки интенсивности накопления растением ТМ из экспериментальной почвы, использовался КБП, введенный Б.Б. Полыновым (1945) – отношение содержания ТМ в золе растения на его содержание в почве (таблица 8) [Н.А. Протасова, А.Б. Беляев, 2001].

Таблица 8– Коэффициенты биологического поглощения растением ТМ из исследуемого чернозема типичного

Коэффициенты биологического поглощения
Кислотная экстракция ТМ в 5 М HNO3
Х±t0,5sх Сu Pb Mn Со Сd Ni Zn Fe
NPK 0,21± 0,02 0,03± 0,01 0,19± 0,01 0,01± 0,001 0,22± 0,02 0,05± 0,01 0,73± 0,05 0,01± 0,001
О* 0,20± 0,01 0,03± 0,01 0,17± 0,01 0,008± 0,01 0,20± 0,03 0,04± 0,01 0,67± 0,08 0,01± 0,004
Аммонийно- ацетатный буфер рН 4,8
NPK 15,02± 1,72 0,36± 0,07 5,49± 0,49 0,47± 0,08 15,27± 1,38 0,90± 0,13 47,05± 3,31 -
О* 13,24± 1,43 0,29± 0,08 4,42± 0,58 0,44± 0,06 11,85± 2,34 0,78± 0,19 39,29± 2,48 -

По величине КПБ между содержанием ТМ в растении и валовыми формами ТМ, можно составить следующий ряд в порядке убывания: Ni > Zn > Сd > Сu > Mn > Pb > Со> Fe.

Очевидно, что интенсивность биологического поглощения зависит не только от валовых форм [Н.А. Протасова, А.Б. Беляев, 2001].

По отношении к подвижным формам, извлекаемым ААБ: Zn > Сd > Сu > Mn > Ni > Со > Pb.

Основной причиной варьирования ряда ТМ в зависимости от знаменателя является различная степень участия ТМ в биологических процессах и разное содержание труднодоступных для растений форм
[Н.А. Протасова, А.Б. Беляев, 2001].

Наиболее интенсивно в биологической миграции участвуют элементы кадмий, цинк, медь, марганец.

Особенно существенным является интенсивность накопления растением кадмия, приводящая к превышению всех существующих нормативов.

Влияние содержания ТМ на химический состав озимой пшеницы представлены в таблице 9.

Содержание азота, как и сырого протеина, обратно пропорционально концентрации кобальта, никеля и железа

Содержание калия уменьшается при увеличении концентрации поступления в растение меди, марганца, кобальта, никеля, цинка, железа.

На содержание в растении фосфора негативно влияет повышение концентрации в меди, марганца, кобальта, никеля цинка и железа.

Таблица 9– Коэффициенты корреляционных зависимостей между

содержанием в озимой пшенице тяжелых металлов и химическим
составом

ТМ Химический состав, % в озимой пшенице
азот сырой протеин калий фосфор
Cu -0,55 -0,55 -0,72 -0,97
Pb 0,37 0,37 -0,18 -0,34
Mn -0,49 -0,49 -0,77 -0,95
Co -0,89 -0,89 -0,85 -0,96
Cd 0,41 0,40 0,16 -0,26
Ni -0,75 -0,74 -0,99 -0,76
Zn -0,56 -0,56 -0,82 -0,97
Fe -0,99 -0,99 -0,77 -0,81

Таким образом, полученные коэффициенты корреляционных зависимостей позволяют сделать вывод: на химический состав зерна существенное влияние оказывает биологическая миграция ТМ по цепочке почва – растение, что в дальнейшем не может не сказаться на качестве и безопасности пищевой продукции, а, следовательно – на здоровье человека.

Именно поэтому, наблюдение за распределением ТМ в почве, выявление прямых и косвенных влияний на его увеличение, является актуальной задачей правильного ведения сельского хозяйства.

6. Экономическая эффективность применения
полного минерального удобрения на исследуемом черноземе и проведения исследований на
содержание в почве валовых и подвижных форм
тяжелых металлов

В результате проведенных исследований было выявлено положительное влияние применения диаммофоски, отразившееся на увеличении урожайности культур (таблица 10).

Таблица 10 – Экономическая эффективность диаммофоски при внесении под озимую пшеницу 2008 – 2010 гг.

Показатели Количество
1. Фактическая урожайность (ц/га) 45,2
2. Прибавка урожайности за счет удобрений (ц,га) 6,1
3. Цена 1 ц. продукции (руб.) 452
4. Стоимость прибавки урожая (руб/га) 2757,2
5. Внесено диаммофоски (ц/га) 2
6.Затраты на приобретение, транспортирование и внесение удобрений (руб/га) 11328
7.Затраты на уборку дополнительной продукции (руб/га) 274,5
8.Общая сумма затрат, связанных с применением диаммофоски (руб/га) 11 512,5
9. Чистый доход (руб/га) 8 827,5
10.Чистый доход на 1 руб. дополнительных затрат, руб. 0,76

При исследовании, на содержание в почве валовых и подвижных форм ТМ были выявлены превышения ПДК некоторых из них, в связи с этим возникает необходимость в проведении регулярного мониторинга на содержание этих элементов не менее 1 раза в 3 года.

В ходе проведения исследований на содержание в почве и продукции валовых и подвижных форм ТМ были получены результаты, свидетельствующие о превышении нормативных показателей в черноземе и зерне кадмия.

Полученные результаты подтверждают исследования, проведенные ранее, в ходе которых на территории Суджанского района превышение содержания валового кадмия в пахотных почвах охватывает 3595 га.

Расчет платы за ущерб от загрязнения пашни кадмием был проведен в соответствии с Порядком определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами и утвержден Минприроды РФ 18 ноября 1993 г. и Роскомземом 10 ноября 1993 г (таблица 11).

Таблица 11 – Расчет ущерба от загрязнения пашни
Суджанского района Курской области валовой формой кадмия

Размер платы за ущерб от загрязнения пашни кадмием, тыс. руб. Норматив стоимости сельскохозяйственных земель, тыс. руб./га. Коэффициент пересчета в зависимости от периода времени по восстановлению загрязненных земель Площадь земель, загрязненных кадмием, тыс. га Коэффициент пересчета в зависимости от степени загрязнения земель кадмием Коэффициент экологической ситуации и экологической значимости территории Курской области Коэффициент пересчета в зависимости от глубины загрязнения земель.
101825,068 2 538 9,3 3,595 0,6 2,0 1,0

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что содержание в исследуемой почве валовой формы кадмия превышает ПДК в среднем в 1,16 раза, а ОДК – в 1,85 раз, при рН>5,5 и в 3,91, при рН < 5,5, что существенно сказывается на растениеводческой продукции, что приводит к превышению ПДК кадмия в зерне озимой пшеницы почти в 8 раз.

2. Определено, что содержание валовой формы кобальта в почве превышает ПДК в 1,33 раза, в то же время концентрация кобальта в зерне отвечает установленным нормативам, однако при изменении агрохимических показателей почвы вероятен переход валовых форм в подвижные, что негативно скажется на качестве и безопасности сельскохозяйственной продукции.

3. Установлено, что суммарная нагрузка валовых форм тяжелых металлов в почве (Zс*=16,37) характеризует земли, как подходящие под любые культуры при условии контроля качества продукции растениеводства. Необходимой мерой является снижение уровня воздействия источников загрязнения почв и доступности токсикантов для растений, а также контроль за содержанием веществ в поверхностных и грунтовых водах [дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229–91].

4. Результаты исследований свидетельствуют, что суммарный показатель загрязнения почвы подвижными формами ТМ (Zс* = 2,93) является допустимым. Содержание подвижных форм ксенобиотиков (кадмий, свинец, никель), как и эссенциальных элементов (цинк, медь, марганец) не превышают ПДК, но выше фоновых значений, характерных относительно невысокими величинами для юго-западной Лесостепи.

5. Установлено, что в биопедоценозе аккумуляция подвижных форм элементов выше, чем в агропедоценозе за счет ежегодного выноса их сельскохозяйственными культурами.

6. Выявленные высокие положительные коэффициенты корреляции между илистой фракцией почвы аккумуляцией валовых и подвижных форм ТМ.

Слабые положительные корреляционные связи с гумусом характеры для подвижных форм свинца, цинка, марганца, железа, никеля, валовых форм меди, марганца, кадмия, кобальта, никеля и цинка.

7. Установлены высокие коэффициенты корреляции между содержанием в почве 137Cs и валовыми и подвижными формами ТМ. Коэффициенты накопления радионуклидов соответствуют слабому уровню накопления в продукции.

предложения производству

1. Для проведения регулярного мониторинга тяжелых металлов в агропедоценозах юго-западной лесостепи РФ предлагаем использовать корреляционные модели содержания тяжелых металлов в черноземе типичном от содержания в нем агрохимических показателей и радионуклидов.

2. Для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур в сложившихся условиях продолжить применение используемой системы удобрений.

Список опубликованных работ

по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях,

рекомендованных ВАК РФ

  1. Бриндукова, Е.Е. Процессы сорбции ионов кадмия в почвах Центрального Черноземья / Л.А. Жукова, И.В. Глебова, А.В. Курдюков,
    Е.Е. Бриндукова // Известия ТСХА. – 2010. – №2. – С.82 – 90

Статьи, опубликованные в других научных изданиях

  1. Бриндукова, Е.Е. Агрохимические параметры почв Суджанского района Курской области / Е.Е. Бриндукова // Аграрная наука – сельскому хозяйству: мат. Всероссийской научно-практической конференции. – Курск: КГСХА, 2009. – С.298 – 302.
  2. Бриндукова, Е.Е. Миграция радиоактивных элементов 90Sr, 40 K, 232Th, 226Ra и 137Cs для сельскохозяйственной продукции на территории Суджанского района Курской области / Е.Е. Бриндукова // Молодежь и аграрная наука XXI века: проблемы и перспективы: мат. Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов. – Курск: ООО АПИИТ «ГИРОМ», 2009. – С.160 – 162.
  3. Бриндукова, Е.Е. Изучение кислотности почв Суджанского района Курской области / Е.Е. Бриндукова //Научное обеспечение агропромышленного производства: мат. Международной научно-практической конференции. – Курск: КГСХА, 2010. – С.244 – 246.
  4. Бриндукова, Е.Е. Корреляционный анализ распределения кальция и магния от агрохимических параметров почв Суджанского района Курской области / Е.Е. Бриндукова //Научное обеспечение агропромышленного производства: мат. Международной научно-практической конференции. – Курск: КГСХА, 2010. – С. 270 – 273.

____________________

Формат 60х84 1/16. Бумага для множительных аппаратов.

Печать на копировальном аппарате КГСХА.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.