Ляшенко Г.М. Загрязнение почв и растений свинцом в придорожных агроценозах чернозема обыкновенного приазовской зоны ростовской области
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет»
На правах рукописи
Ляшенко Галина Михайловна
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ СВИНЦОМ
В ПРИДОРОЖНЫХ АГРОЦЕНОЗАХ
ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО
ПРИАЗОВСКОЙ ЗОНЫ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
06.01.03 – агропочвоведение и агрофизика,
06.01.09 - растениеводство
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Научный руководитель:
доктор биологических наук,
профессор Калиниченко В. П.
пос. Персиановский-2007
1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….4
1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТАМИ
АГРОЭКОСИСТЕМ (Обзор литературы)……………………………………….8
1.1. Источники поступления свинца в почву………………...….………………8
1.2. Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях…..13
1.3. Сорбция и миграция свинца по почвенному профилю……………...…..21
1.4. Механизмы воздействия свинца на растения……………….…………….25
1.5. Химический состав растений в связи с содержанием поллютантов в
агроэкосистеме......................................................................................................31
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ…………….37
2.1. Методика исследования и схемы опытов…………………...…………….37
2.2. Почвы………………………………………………………………..……....41
2.3. Климат и погодные условия………………………………………………..45
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ИССЛЕДУЕМЫЕ
ПОЧВЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОЩНОСТИ ГРУЗОПОТОКА И
УДАЛЕННОСТИ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ…………………………………...51
3.1. Динамика накопления свинца в почве в зависимости от мощности
грузопотока и удаленности автомагистралей………………………………….51
3.2. Накопления свинца в агроценозах в зависимости от удаленности
автомагистралей…………………………………………………………………59
3.3. Рост, развитие и продуктивность культур в зависимости от удаленности
автомагистрали…………………………………………………………………..65
4. ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ НА РАСТЕНИЯ
ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ…………………………………………………………….70
4.1. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве после ярового
ячменя…………………………………………………………………………….71
4.2. Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при почвенном
2
загрязнении………………………………………………………………………78
4.3. Биометрические параметры растений в зависимости от уровня
загрязненности свинцом при почвенном загрязнении………………………...91
5. ВЛИЯНИЕ ФОЛИАРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ НА РАСТЕНИЯ
ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ…………………………………………………………….99
5.1. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве после
фолиарного загрязнения…..…………………………………………………….99
5.2. Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при
фолиарном загрязнении………………………………………………………..104
5.3. Биометрические параметры растений в зависимости от уровня
загрязненности свинцом при фолиарном загрязнении………………………111
6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ
ВЫРАЩИВАНИЯ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ ВБЛИЗИ
АВТОМАГИСТРАЛЕЙ………………………………………………………. 115
ВЫВОДЫ……………………………………………………………………….120
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ………………………………………....122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...123
ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………...141
3
ВВЕДЕНИЕ
Проблема загрязнения окружающей среды свинцом иSего
соединениями одна из наиболее актуальных экологических проблем в мире, в
том числе и в России. В последнем столетии в результате возросшего
использования свинца в промышленности, транспорте, быту существенно
увеличилась доля населения, подверженного его опасному воздействию.
Риск для здоровья людей, в первую очередь детей, усугубляется высокой
токсичностью свинца и его способностью накапливаться в организме
человека. В России принята Государственная целевая программа от 26. 09. 97г.
№ 1237 «Предупреждение свинцового загрязнения». Реализация программы
рассчитана на 1999 - 2010 годы. Во всем мире остро стоит проблема
автотранспорта, как главного источника выбросов свинца.
Загрязнение свинцом атмосферы, почвы и воды в культурных
ландшафтах вызывает тревогу не только потому, что оно может заметно
снизить продуктивность растений (в первую очередь сельскохозяйственных,
необходимых для питания человека и кормления сельскохозяйственных
животных), нарушить естественно сложившиеся фитоценозы, вызвать при
определенных условиях угрозу серьезной деструкции ассимиляционного
потенциала фитомассы, привести к нарушению нормальных процессов
органогенеза – к появлению специфических тератологических изменений,
возникающих у растений, но и потому, что оно неизбежно ухудшает
гигиеническое качество среды обитания человека, включая и гигиеническое
качество продуктов сельского хозяйства.
Транспортно-дорожный комплекс (ТДК) представляет собой одну из
основных народнохозяйственных структур экономики Российской
Федерации, обеспечивающую удовлетворение потребностей республики в
автомобильных, железнодорожных, речных, морских и авиационных
перевозках. При этом ТДК оказывает существенное влияние на состояние
4
окружающей, среды – атмосферный воздух, водоемы, почву, растительность
и животный мир. Работа транспорта при использовании бензина с
тетраэтилсвинцовыми присадками (ТЭС) приводит к выбросам в
атмосферный воздух соединения свинца, представляющих значительную
опасность для здоровья населения. Соединения свинца накапливаются в
придорожных почвах, в результате чего имеет место превышение
концентраций свинца в продукции сельского хозяйства.
Таким образом, актуальность работы состоит в определении реальной и
потенциальной опасностей загрязнения свинцом, что и определило
направленность наших исследований.
Цель и задачи исследований. Изучить влияние техногенного
загрязнения почв и растений ярового ячменя и озимой пшеницы свинцом в
приазовской зоне Ростовской области.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- установить влияние техногенной нагрузки на исследуемые почвы в
зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей;
- применить систему уравнений регрессии описывающих зависимость
содержания свинца в почве от мощности грузопотока и удаленности
автомагистралей;
- изучить загрязнение почв и растений свинцом;
- определить урожайность в условиях загрязнения;
- создать искусственное загрязнение и проследить его влияние на
почву и растения;
- оценить экологическую реакцию сортов ячменя на изменяющиеся
условия внешней среды (отношение к почвенным и воздушным условиям);
- дать экономическую оценку выращивания озимой пшеницы и ярового
ячменя вблизи автомагистралей;
- найти экономический ущерб при выращивании культур вблизи
автодорог.
5
Научная новизна. В работе впервые изучено влияние фолиарного
загрязнения на придорожные агроценозы в приазовской зоне Ростовской
области. Определено накопление свинца в агроценозах, а также
продуктивность озимой пшеницы и ярового ячменя в зависимости от уровня
загрязнения свинцом (мощности грузопотока и удаленности
автомагистралей).
Установлена интенсивность поглощения свинца сортами ярового
ячменя при различных дозах и видах загрязнения. Выявлено действие
возрастающей техногенной нагрузки на содержание в почве валовых и
подвижных форм свинца. Применена система уравнений регрессии
показывающих зависимость содержания свинца в почве от мощности
грузопотока и удаленности автомагистралей.
Практическая значимость. Для условий приазовской зоны
Ростовской области установлена целесообразность выращивания зерновых
колосовых культур вдоль автомагистралей, обеспечивающих накопление
техногенно привнесенного свинца на уровне не выше ПДК (0,5 мг/кг для
зерна). Определен сорт ярового ячменя наименее подверженный
техногенному загрязнению. Даны рекомендации по удаленности от
автомагистрали и мощности грузопотока при возделывании
сельскохозяйственных культур.
Производственная проверка и реализация результатов
исследований. Производственная проверка научных разработок, была
проведена в 2003 – 2006 годах на полях ГУСХП « Кадамовское»,
Октябрьского района и СПК «Колос» Неклиновского района Ростовской
области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и обсуждены: на молодежной научной конференции
«Экологические аспекты агропромышленного комплекса», Республиканской
научно-практической конференции посвященной памяти известных ученых
6
Дон ГАУ «Проблемы развития аграрного сектора экономики и пути их
решения» (Персиановский, 2003), на молодежной научной конференции
«Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства»,
второй Всероссийской дистанционной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы
устойчивого развития агропромышленного комплекса России»
(Персиановский, 2004), международной конференции «Актуальные
проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса»
(Персиановский, 2005), научной конференции, посвященной 75-летию акад.
В.Г. Минеева, 95-летию проф. Г.Л. Мокриевича, 100-летию проф. М.Н.
Хорошкина «ДОНГАУ (АЧСХИ, ДСХИ) – агрохимической науке»
(Персиановский, 2006).
Публикация результатов исследований. По материалам диссертации
опубликовано семь печатных работ (1,2 п.л.) отражающих основное
содержание диссертации, в том числе одна статья в издании,
рекомендованном ВАК РФ. Степень личного участия автора составляет 75%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
шести разделов, выводов и предложений производству. Работа изложена на
160 страницах компьютерного текста. Содержит 24 таблицы, 29 рисунков, 18
приложений. Список литературы включает 181 источник, в том числе 37
иностранных авторов.
7
1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕХНОГЕННОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТАМИ АГРОЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Источники поступления свинца в почву
Свинец относят к тяжелым металлам. К этой группе относятся
химические элементы, обладающие свойствами металлов и металлоидов, с
плотностью более 5 г/см
3
(Алексеев Ю.В., 1987). Для биологической
классификации целесообразнее руководствоваться не плотностью, а атомной
массой (Ильин В.Б., 1991). С этих позиций к тяжелым металлам относят
химические элементы с атомной массой более 40 (Алексеев Ю.В., 1987) или —
более 50 (Абуталыбов М., 1961; Власюк П.А., 1956; Ильин В.Б., 1991 и др.).
В исследованиях биологов, экологов и биохимиков свинец рассматривается
довольно часто, как очень токсичный тяжелый металл, негативно
влияющий на окружающую среду (Алексеев Ю.В., 1987; Алексеенко
В.А., 1990; Ильин В.Б., 1991; Христофорова Н.К., 1993).
Источники поступления тяжелых металлов в различные сферы
обитания человека и животных подразделяются на природные (извержения
вулканов, пожары, морская и ветровая пыль) и антропогенные (деятельность
производящих и перерабатывающих предприятий, сжигание топлива и
отходов его переработки, автомобильный транспорт, полиграфия,
производство аккумуляторов, кабеля, цветная металлургия).
Трансформация тяжелых металлов в почвах, их взаимодействие с
почвенными компонентами во многом зависят от химического состава и
форм соединений металлов, поступающих в почву при их загрязнении.
Кроме цветных ТМ в пыли всегда присутствуют соединения Fe, Ca, Si и
оксиды серы. Водные суспензии пыли и смеси оксидов имеют довольно
8
высокие значения рН 9,9 – 7,6. Более низкое значение рН суспензии пыли
объясняется, по-видимому, присутствием в составе пыли некоторого
количества сульфатов ТМ (Зырин Н.Г., 1974). Таким образом, попадающая в
почву техногенная пыль изменяет не только содержание ТМ в почвах, но и
существенно влияет на реакцию почвенного раствора, тем самым, изменяя
подвижность металлов в почвах.
Многие исследователи отмечают большую роль оксидов и
гидрооксидов железа в связывании ТМ. По способности адсорбироваться
гидроксидами железа и алюминия ТМ образуют ряд селективности
Pb>Zn>Cd (Forbes Е.А., 1976). Основным фактором, определяющим место
металла в ряду, предполагают способность металлов образовывать
координационную связь с кислородом или гидроксильной группой.
Большое значение для специфической адсорбции ТМ имеют
органическое вещество почв. Причем чем ниже содержание металла, тем
выше энергия их связывания в металлоорганические соединения (Zunino Н.,
1979). Комплексы с гуминовой кислотой ТМ образуют во много раз лучше,
чем с фульвокислотами.
Установлено, что константы устойчивости металлорганических
комплексов, хотя и меняются довольно сильно в зависимости от рН среды и
др. ее свойств, могут быть представлены в виде следующего ряда:
Hg>Sn>Pb>Cu>Ni>Co>Fe>Cd>Zn>Mn>Cr (Кабата-Пендиас А., 1989).
Естественные источники. Первичное вместилище тяжелых металлов на
планете - верхняя мантия, базальты и граниты (Ковда В.А., 1985), поэтому
естественным источником свинца для почв являются горные породы, на
продуктах выветривания которых сформировался почвенный покров (Ильин
В.Б., 1991; Богдановский Г.А., 1994). Осадочные породы, воды океана,
живое вещество - уже вторичные резервуары, содержащие свинец (Ковда
В.А., 1985). В процессе выветривания коренных горных пород тяжелые
металлы в значительной мере сохраняются в рыхлых образованиях, изменив
9
форму и место присутствия. При этом главные носители тяжелые металлы
переходят в состав почвообразующих пород (Герасимовский В.И., 1969; Ильин
В.Б., 1991).
Почвообразующие горные породы разного гранулометрического состава
по концентрации тяжелых металлов могут сильно различаться. Песчаные и
супесчаные породы содержат небольшое их количество, суглинистые и
глинистые — значительное (Ковда В.А., 1985; Ильин В.Б., 1991, 2002;
Лупинович И.С., 1970; Протасова Н.А., 1992). Из почвообразующих пород
тяжелые металлы переходят в почвы в соответствии с
закономерностями миграции и аккумуляции их в различных геохимических
ландшафтах (Ландшафтно-геохимические основы …, 1989).
Кроме горных пород, естественными источниками свинца для основных
компонентов биосферы являются термальные воды и рассолы, космическая и
метеоритная пыль, вулканические газы (Ковда В.А., 1985).
Техногенные источники. Техногенное поступление свинца в биосферу
связано с разнообразными источниками (Израэль Ю.А., 1984; Ильин В.Б.,
1991). К важнейшим из них относятся следующие:
1. Карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд (Ильин
В.Б., 1991). Свинец легко выплавляется из руд (при температуре 328°С) и,
наверное, потому давно известен человечеству. Подсчитано, что за 4 тыс. лет
до 1850 г. было выплавлено примерно 70 млн т свинца и еще 130 млн т - с
1850 по 1950 г. В настоящее время мировое производство свинца составляет
примерно 6 млн т (Герлах С., 1985).
2. Предприятия цветной и черной металлургии (Ахундова А.Б.,
1989; Бондарев Л.Г., 1984; Ильин В.Б., 1991; Кривоносова Г.М., 1989;
Обухов А.И., 1988; Урушадзе Т.Ф., 1989; Цемко В.П., 1980).
Легкоплавкость, высокая коррозионная стойкость, низкая тепло - и
электропроводность обусловливают его потребление в чистом виде:
изготовление свинцовых аккумуляторов, покрытие кабелей (свинцовые
10