Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы загрязнения почв и растений тяжелыми металлами 7
1.1. Содержание тяжелых металлов в почвах и источники их загрязнения 7
1.2. Тяжелые металлы в растениях
1.3. Способы рекультивации загрязненных почв 24
2. Объекты и методы исследований 37
2.1. Факторы почвообразования в лесостепной зоне Республики Башкортостан 37
2.1.1. Климат 38
2.1.2. Растительность 39
2.1.2. Рельеф 40
2.1.3. Почвообразующие породы 40
2.1.4. Почвы 41
2.2. Объекты исследований .43
2.3. Методы исследований 47
3. Содержание тяжелых металлов в серых лесных почвах 49
3.1. Картограммы содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах лесостепной зоны 49
3.2. Поступление тяжелых металлов, распределение в профиле и связь с химическими свойствами почв 62
3.3. Содержание тяжелых металлов в почвах в связи с применением удобрений 73
4. Тяжелые металлы в системе почва-растение при различной антропогенной нагрузке 89
4.1. Количество тяжелых металлов в пахотных почвах и растениях в условиях лесостепной зоны 89
4.2. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях техногенных и фоновых ландшафтов 100
4.3. Агроэкологический мониторинг тяжелых металлов в почвах и растениях по реперным участкам 114
5. Оценка экологического состояния лесостепной зоны по концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях 127
Выводы 138
Список литературы 139
Библиография 141
Приложение 156
- Способы рекультивации загрязненных почв
- Почвообразующие породы
- Поступление тяжелых металлов, распределение в профиле и связь с химическими свойствами почв
- Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях техногенных и фоновых ландшафтов
Введение к работе
Почва - как компонент биосферы, обладая рядом экологических и биоценологических функции, является уникальным природным телом, от устойчивости которого зависит благосостояние общества. Будучи загрязненной тяжелыми металлами (ТМ), она оказывает неблагоприятное воздействие на все контактирующие среды: атмосферу, воду, растительность, животный мир. Под существенным загрязнением почв понимают такой уровень, когда элементы-загрязнители оказывают отчетливо выраженное негативное влияние на почвенную биоту, агрохимические свойства почв, развитие сельскохозяйственных растений и качество урожая.
Особую группу загрязнителей представляют свинец, кадмий и ртуть, которые сохраняются в почве длительное время и поступают в разные органы растений. Республика Башкортостан относится к индустриально развитым регионам, где значительные площади пахотных почв испытывают существенные влияние техногенного загрязнения этими металлами. В лесостепной зоне республики вопросы, связанные с накоплением подвижных форм свинца, кадмия и ртути в почвах и растениях изучены недостаточно.
Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось установление закономерностей накопления и распределения подвижных; форм тяжелых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах и продуктах растениеводства лесостепной зоны Башкортостана. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
1. Изучить содержание подвижных форм свинца, кадмия и ртути в преобладающих пахотных почвах лесостепи республики и составить их картограммы.
2. Выявить пути поступления, особенности распределения тяжелых металлов в профиле почв и влияние химических свойств почв на их подвижность.
3. Изучить возможность накопления свинца, кадмия и ртути при внесении известкового материала из разрабатываемых карьеров лесостепи и длительном применении минеральных удобрений.
4. Изучить особенности накопления тяжелых металлов в различных сельскохозяйственных культурах.
5. Дать оценку агроэкологического состояния лесостепной зоны республики по содержанию подвижных форм Pb, Cd, Hg в почвах и продуктах растениеводства.
Научная новизна. Впервые в условиях лесостепной зоны РБ проведены комплексные исследования содержания ТМ (Pb, Cd, Hg) в профиле почв и составлены картограммы с выделением градаций (очень низкое, низкое, среднее и повышенное) по содержанию этих элементов в пахотных почвах.
Установлено, что даже на фоне низкого содержания подвижных форм тяжелых металлов в кислых и малогумусированных почвах, растения могут накапливать свинец и кадмий в концентрациях, превышающих ПДК для продовольственных культур. Овощные культуры (морковь и столовая свекла) аккумулируют кадмий при их выращивании в зоне действия Уфимской промышленной зоны.
Впервые показано, что в целом агроэкологическое состояние лесостепной зоны республики в отношении концентрации подвижных форм свинца, кадмия и ртути в почвах и растениях оценивается как экологически благополучное.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Содержание подвижных форм свинца, кадмия и ртути, их распределение в профиле почв Северной, Северо-восточной и Южной лесостепной зон Республики Башкортостан зависит от их содержания в почвообразующих породах, интенсивности техногенных воздействий, генетических свойств почв.
2. Накопление тяжелых металлов в растительной продукции обусловлено как их содержанием в почве, так и особенностями сельскохозяйственных растений.
Практическая значимость. Картограммы содержания подвижных форм свинца, кадмия и ртути, а также выявленные особенности накопления тяжелых металлов различными растениями в зависимости от свойств почв и степени их окультуренности являются основой получения экологически чистой продукции растениеводства.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований доложены на научно-практической конференции "Экологический императив сельского хозяйства Республики Башкортостан" (Уфа, 1998), региональных конференциях «Аграрная наука на рубеже тысячелетий (Ижевск, 2001), "Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства (Пенза, 2002) и других зональных научно-практических конференциях Республики Башкортостан. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству. Она включает 160 страниц текста, 40 таблиц, 7 рисунков, 1 приложение. Список литературы включает 158 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность своим коллегам центра агрохимической службы «Башкирский», оказавших помощь в проведении аналитической работы, особенно начальнику отдела почвенно-агрохимических изыскании А. Е. Васильевой.
Способы рекультивации загрязненных почв
В условиях техногенных загрязнении встают следующие задачи: предотвратить поступление загрязняющих веществ в почву; восстановить почвенное плодородие; уменьшить поступление загрязняющих веществ из почвы в грунтовые воды и сельскохозяйственные растения. Нулевым отсчетом по количеству ТМ в почвах является их естественное кларковое содержание. Повышение этих значений свидетельствует о возросшем количестве ТМ в почве, которое может быть обусловлено как естественными процессами, так и техногенным загрязнением. Н. Г. Зырин и др. (1980) рекомендует взять под контроль почвы при превышении ТМ в 2 раза, по сравнению с фоновыми показателями. Поведение ТМ в почве определяется ее составом и свойствами. С точки зрения влияния на подвижность и доступность для растений и микроорганизмов ТМ, почву можно представить как сложный комплекс компонентов, способных осуществлять с ионами ТМ, находящимися в почвенном растворе, обратимые и необратимые взаимодействия. Для загрязненных почв способы, снижающие транслокацию металлов в растения, основаны на переводе катионов ТМ в слабодоступные растениям формы или в подвижные соединения с последующим выщелачиванием. По токсичности, присутствию в современной окружающей среде и вероятности попадания в живые организмы выделяется приоритетная группа ТМ: Pb, Cd, Hg, которые практически невозможно изъять из почвы. Накапливаясь в ней, Pb, Cd, и Hg различными путями попадают в организм человека. Отсюда следует, что основной путь снижения содержания ТМ в растительной продукции - разработка совершенных технологий снижения их подвижности в почве.
В соответствии со степенью загрязнения на Урале (Шилова и др. 1984), вокруг предприятий цветной металлургии выделяют три зоны: 1) со значительными изменениями природных геокомплексов (ПГК) -до 1,5-2 км; 2) с умеренно измененными ПГК — от 1,5-6 км; 3) с незначительно измененными ПГК — от 4-12 км. Восстановление плодородия загрязненных почв — одна из наиболее сложных проблем охраны агробиоценозов. Значительная доля ТМ, -загрязняющих природную среду, попадает в почву, которая их аккумулирует и практически не теряет со временем. Особенно прочно фиксируют ТМ верхние гумусосодержащие горизонты. Результаты многих отечественных и зарубежных исследований показали, что изменяя уровень реакции среды, содержание органического вещества и подвижных фосфатов, можно в несколько раз снижать подвижность ТМ в почве и уменьшать их поступление в растительную продукцию. По данным С. Ю. Карповой и Г. А. Соловьева (2000) комплексное применение известкования в сочетании с минеральными и органическими удобрениями значительно уменьшает накопление элементов-загрязнителей растениями. Так, количество кадмия при совместном внесении органического удобрения и извести в культурах снизилось в 3-4 раза относительно варианта, где использовали только минеральные удобрения. Концентрация свинца в зерне овса и клубнях картофеля сократилась в 2 раза. По районам Белгородской области валовое содержание варьирует в пределах РЬ - 11,0-25,0; Cd - 0,40-0,90 мг/кг (Акулов и др. 1995).
Величина рН практически не влияет на валовое содержание РЬ. Этими авторами отмечена тенденция к уменьшению концентрации Cd в почвах, имеющих рН 5,5. Согласно экспериментальным данным Г. Е. Мерзлой (1996), при внесении рекомендуемых сочетаний и доз органических и минеральных удобрений в растительной продукции и почве не отмечено накопления тяжелых металлов в токсичных концентрациях. В ВИУА провели обобщение материалов по агроэкологической оценке традиционных и новых видов органических удобрений, которое показывает, что содержание ТМ во многих из них не превышает нормативных требований (табл. 3).
Почвообразующие породы
Почвообразующие породы представлены делювиально- эллювиальными отложениями, известняковыми породами, мергелями и сланцами. Почвообразующие породы весьма разнообразны как по литологическому составу, так и по происхождению и геологическому возрасту. В долинах рек наиболее широкое распространение имеют аллювиальные отложения, а на террасах - делювиальные, перенесенные со склонов и отложенные в нижней части. В северной и северо-восточной лесостепи почвообразующие породы состоят из конгломератов, песчаников, аргилитов, а в Юрюзано-Сил вин ской депрессии кунгурский ярус сложен прибрежно - морскими отложениями, западная часть - известняками (Кадильников, ТаЙчинов, 1973). В западной части южной лесостепи встречаются карбонатные и бескарбонатные эллювиально-делювиальные отложения, по поймам рек — аллювиально-делювиальные. В северной части Белебеевской возвышенности на левобережье среднего течения р. Белой часто почвообразующими породами являются песчаные отложения третичного возраста. Современный почвенный покров является в основном следствием двух типов почвообразовательного процесса: подзолообразовательного и степного и их сложного взаимодействия. Поэтому разнообразие условий почвообразования лесостепной зоны обусловило большую неоднородность почвенного покрова, многообразие видов и разновидностей почв. В зоне преобладают серые лесные почвы, также имеются черноземы выщелоченные и оподзоленные, незначительную площадь занимают дерново-подзолистые и пойменные почвы.
Серые лесные почвы, как самостоятельный генетический тип почв, обладают значительной аккумуляцией органического вещества и зольных элементов в верхнем горизонте, четкой элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля по илу, окислам железа и алюминия, устойчивой кислотной реакцией с некоторым увеличением кислотности в иллювиальном горизонте и снижением ее в нижней части профиля. Они характеризуются слабой насыщенностью поглощающего комплекса, резко дифференцированным по профилю фульватно - гуматным составом гумуса (Богомолов, 1954; Скляров, 1964; Тайчинов, 1964; Гарифуллин, 1979; Вологжанина, 1984; Хазиев, Мукатанов, Хабиров и др., 1995). Серые лесные почвы сформировались под широколиственными лесами, распространены в основном в лесостепной зоне республики и делятся на подтипы: светлосерые, серые и темно-серые лесные почвы. Светло-серые лесные глинистые почвы характеризуются пылевато-комковатой, а тяжелосуглинистые - глыбисто-комковатой структурой. Структурное состояние этих почв несколько улучшается в подпахотных горизонтах. Перегнойно-аккумулятивный (гумусовый) горизонт в основном составляет 16-25 см. Плотность сложения в пределах пахотного слоя колеблется от 1,14 до 1,34 г/см. Светло-серые лесные почвы характеризуются очень низкой водопроницаемостью (Гарифуллин, 1979). Влагоемкость в пределах пахотного слоя удовлетворительная: капиллярная - 35-47%, полная - 37-49%. Светло-серые почвы в среднем содержат общего азота - 0,20 %, подвижного фосфора — от низкой до средней, калия - от слабой до высокой степени обеспеченности. Содержание общего гумуса в серых лесных почвах в среднем составляет 3,8 в пахотных и 5,28% в лесных аналогах. Серые лесные почвы имеют тяжелый механический состав. Структурное состояние серых лесных почв зависит от механического состава и содержания гумуса. Плотность сложения в пределах пахотного слоя колеблется от 1,02 до 1,37 г/см. Величина водопроницаемости колеблется от 1,3-1,4 мм/мин под многолетними травами до 5,1 мм/мин на чистом пару. Величина влагоемкости пахотного слоя колеблется: капиллярная в пределах 34-52%, полная -36-62%. Содержание общего азота в серых лесных почвах в среднем составляет 0,26%, подвижного фосфора - низкой степени обеспеченности, калия от очень низкой до высокой. Темно —серые лесные почвы, развивающиеся под лесом, имеют гумусовый горизонт мощностью от 15 до 65 см (Тайчинов, Бульчук, 1973), содержание общего гумуса в пахотных 6,16%. Темно-серые лесные почвы характеризуется наибольшим содержанием и запасами общего гумуса в типе серых лесных почв. Эти почвы в основном тяжелосуглинистые и глинистые, реже среднесуглинистые. Подпахотные горизонты мало отличаются от пахотных. Максимальная гигроскопическая влага пахотного горизонта темно-серой лесной почвы несколько выше, чем у серых лесных и светлосерых лесных почв. Величина диапазона активной влаги пахотных и подпахотных слоев оценивается как удовлетворительная по влагообеспеченности растений. Содержание общего азота в темно-серых лесных почвах в среднем составляет 0,33%, степень обеспеченности подвижным фосфором от низкой до высокой, калия — высокой степенью обеспеченности.
Поступление тяжелых металлов, распределение в профиле и связь с химическими свойствами почв
Территория лесостепной зоны республики представлена всеми основными типами, подтипами почв и их разностями, сформированными в РБ. Основной фон почвенного покрова составляют серые лесные почвы, характеризующиеся небольшой мощностью перегнойно-аккумулятивного горизонта. Тяжелый механический состав почв обусловлен формированием их преимущественно на делювиальных и элювиально-делювиальных четвертичных глинах. Часть почв образовалась на породах, имеющих высокое содержание карбонатов. В связи с этим в почвенном профиле близко к поверхности расположена верхняя их граница и почвы насыщены карбонатами. Широко распространены карбонатные почвы в северовосточной лесостепи, они обладают более мощным перегнойно-аккумулятивным горизонтом.
Количество тяжелых металлов в почвообразующих породах сильно варьирует (табл. 8). Так, в изученных породах содержание свинца изменяется в диапазоне 3,1-11,8, кадмия - 0,08-0,61, ртути - 0,026-0,061 мг/кг.
Делювиальные бескарбонатные глины в среднем содержат: свинца — 8,1, кадмия - 0,26, ртути - 0,024 мг/кг, а делювиальные карбонатные глины: 6,6 — 0,36 - 0,043 мг/кг, соответственно, т. е. в бескарбонатных глинах больше свинца, а в карбонатных - кадмия и ртути.
В элювиально-делювиальных кремнистых сланцах, по сравнению с глинами, содержание ТМ значительно ниже. Почвы в основном наследуют тот уровень содержания тяжелых металлов, который свойствен почвообразующим породам. При отсутствии антропогенного привноса содержание РЬ, Cd и Hg в пахотном горизонте мало отличается от содержания этих элементов в почвообразующей породе (рис. 5а).
Содержание этих элементов в почвах изменяется в небольшом диапазоне (в пределах одного порядка) и составляет 3,6-14,6 мг/кг свинца, 0,09-0,95 мг/кг кадмия и 0,028-0,094 мг/кг ртути.
При поступлении тяжелых металлов в почвы только из почвообразугощих пород их содержание в гумусово-аккумулятивных горизонтах обычно несколько ниже, чем в породах и в изученных почвах Северной лесостепи не превышает фоновые значения. Аккумуляция тяжелых металлов в пахотных слоях, существенно превышающая их содержание в породах, указывает на антропогенное поступление этих элементов (рис. 56). В этих случаях их содержание часто выше фоновых. Так, повышенные концентрации свинца выявлены в почвах разрезов 1-98, 6-98, 7-98, 8-98, 13-98, 14-98; кадмия - 6-98, 11-98, 13-99, 14-2000; ртути- 1-98, 12-99,14-2000,
В условиях промывного водного режима, характерного для региона, происходит миграция элементов вниз по профилю и накопление в иллювиальных горизонтах, являющихся своеобразными геохимическими барьерами (рис. 5в). Иллювиальные горизонты тяжелого механического состава, обогащенные илистой фракцией, выступают в качестве механических и адсорбционных барьеров, что особенно выражено в отношении свинца и ртути (Р. 2-98, 4-98, 5-98, 6-98,7-98,10-98). При нейтральной реакции среды они служат и физико-химическими барьерами (тип — окислительный, нейтральный, по Глазовской, 1997), что наиболее ярко проявляется в накоплении в этих горизонтах кадмия (Р. 1-98, 3-98, 5-98, 7-98). Характер распределения тяжелых металлов в профиле почв зависит также от содержания органического вещества, поглощенных катионов, кислотности, питательных элементов. В почвах с выраженным антропогенным накоплением свинца в пахотном горизонте (Р. 1-98, 8-98, 14-2000) его распределение в профиле аналогично распределению гумуса и между этими показателями выявляется достоверная корреляционная зависимость (г=0,76 - 0,98).
Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях техногенных и фоновых ландшафтов
В последнее столетие к потере почвенного плодородия вследствие истощения и эрозии прибавилось техногенное загрязнение почв ТМ. Основными источниками загрязнения почв республики тяжелыми металлами являются предприятия топливно-энергетического комплекса, тяжелого машиностроения (города — Уфа, Стерлитамак, Белорецк), цветной металлургии (города — Сибай, Учалы) и др. Возрастание размеров загрязнения окружающей среды выбросами промышленных предприятий, транспорта приводит к тому, что значительные площади, занятые посевами сельскохозяйственных культур, подвергаются воздействию тяжелых металлов, входящих в состав выбросов.
Например, в Баймакском районе у поселка Семеновка расположена золотоизвлекательная фабрика, где в окружающую среду поступает вместе с другими токсичными реагентами ртуть. При обследовании населения выявлена ртуть в крови у всех обследованных, допустимый уровень превышен на 57% у взрослых и 31% у детей (Сабитов, 2000). Не менее опасным является свинец, который в большом количестве поступает от выхлопных газов тракторов и автомобилей.
Изучение содержания тяжелых металлов в незагрязненных почвах имеет большое практическое значение. Оно необходимо для контроля за состоянием окружающей среды, охраны ее от загрязнения. Так называемое фоновое количество тяжелых металлов служит точкой отсчета при исследовании загрязненных почв, позволяет определить темпы и степень загрязнения. По среднему показателю почвы Бирского, Балтачевского и Благовещенского районов по содержанию ТМ можно считать благополучными, но при изучении конкретных участков выявились некоторые отклонения от фонового содержания ТМ в почве. Значительные отклонения имеют отдельные участки хозяйств «Балтачевский», «Искра» Балтачевского района - по свинцу, им. Ленина и «Урал» Бирского района -по кадмию, «Знамя» Благовещенского района — по ртути.
Увеличение содержания ТМ в почве ведет к возрастанию их концентрации в растениях. Тяжелые металлы ухудшают рекреационные возможности местных ландшафтов, снижают продуктивность растительности, ставят под сомнение качество производимой здесь продукции растениеводства. С целью определения влияния ТМ на качество зерна было исследовано их содержание в зерне яровой пшеницы, выращенной на разных почвах. Результаты показывают (табл. 24), что содержание ТМ как в почвах, так и в зерне неодинаково. Количество ТМ в зерне яровой пшеницы, выращенной на разных полях Бирского, Балтачевского и Благовещенского районов варьирует по содержанию свинца в пределах 0,10 - 0,46, кадмия 0,02 - 0,08, ртути 0,002 - 0,015 мг/кг. Максимальное количество свинца (0,46 мг/кг) содержалось в зерне пшеницы совхоза «Балтачевский» Балтачевского района, кадмия (0,14 мг/кг) совхоза «Знамя» Благовещенского района. Накопление свинца в зерне пшеницы существенно зависит от его содержания в почве (г=0,76, Р=95%), но между содержанием кадмия и ртути в зерне и почве статически значимая связь не выявлена.
Носителем основной массы ТМ в атмосфере являются аэрозоли -твердые частицы, взвешенные в воздухе, размером от нескольких микрометров до 0,1 мкм и менее (Микмишанский и др., 1978). Время пребывания таких частиц в атмосфере около 5 суток, а наиболее мелкие частицы остаются в атмосфере свыше 3-4 недель (АбрамовскиЙ,1976). Земли городской и пригородных зон промышленных городов в результате техногенного загрязнения имеют повышенное содержание солей ТМ. Воздух, который является одним из основных переносчиков промышленных выбросов и выхлопных газов автомобилей, можно считать чистым только за пределами 50-ти километровой зоны.
С целью изучения степени загрязнения почв и накопления ТМ в растениях были заложены разрезы (табл. 25) в зоне техногенного загрязнения (Р. 13-99) и природного ландшафта (Р. 12-99). Разрез 12-99 заложен на территории совхоза «Ургушевский» Караидельского района. Рельеф — средняя часть очень пологого склона водораздела (1-2-), угодье - огород окультуренный. Почва - темно-серая лесная, глинистая на делювиальной бескарбонатной глине. Гумусовый горизонт обладает большой мощностью. Содержание агрономически ценных фракций составляет 87%, глыбистость — 6,2%, содержание пыли — 4%. Подпахотные горизонты характеризуются более высокой водопрочностью. Содержание гумуса в пахотном слое высокое 12,2%). С увеличением глубины по профилю содержание гумуса снижается до 2,3%.
Реакция среды нейтральная, в пахотном слое рН — 6,6, в горизонте ВС рН - 5,6, в горизонте С рН - 6,2. Содержание подвижного фосфора и обменного калия составляет более 250 мг/кг, что соответствует по градациям Кирсанова 6 классу обеспеченности. Подобные результаты наблюдаются в окультуренных темно-серых почвах Бирского ОПХ: содержание фосфора составило 300-370 мг/кг почвы (Габбасова, Сираева, 1986). Количество фосфора несколько снижается до горизонта ВС - 103 мг/кг, но в горизонте С оно составляет 250 мг/кг, что доказывает о высокой обеспеченности почв фосфором по всему профилю.
Высокое содержание подвижного фосфора положительно коррелирует со степенью подвижности этого элемента. По содержанию обменного калия почвы района оцениваются как среднеобеспеченные, но в данном разрезе от пахотного горизонта до материнской породы отличаются очень высоким содержанием калия и высокой степенью подвижности. Тяжелые металлы распределяются в профиле почв неравномерно. В разрезе Р. 12-99 наибольшее количество свинца, кадмия и ртути содержится в горизонте Апах, что чаще всего свойственно гумусовому горизонту. Значительная часть ТМ, освобождающихся при разложении растительных остатков, депонируется в гумусе, сохраняя при этом мобильность.
