Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование выбранного направления 13
1.1.Процесс загрязнения почвы и растений тяжелыми металлами 13
1.2. Потери почвы, гумуса и питательных веществ с эрозионными стоками воды 27
1.3. Взаимосвязь выноса тяжелых металлов растениями с природными и антропогенными факторами их распространения 32
Глава 2. Экологическая характеристика места проведения исследований 40
2.1 .Понятие ландшафт и ландшафтная структура черноземной зоны Саратовской области 40
2.2.Климат 42
2.3 . Растительность 45
2.4.Почвенный покров 47
Глава 3.Объекты и методика исследований 49
3.1 .Методы исследований 49
3.2.0бъекты проведения исследований 52
3.3.Схема проведения опытов с удобрениями 57
Глава 4. Эколого-географическое распределение тяжелых металлов по ландшафтам черноземной степи 59
4.1 .Ландшафтное распределение тяжелых металлов в черноземной степи 59
4.2. Влияние рельефа местности на распределение тяжелых металлов в агроландшафте 71
4.3 .Распределение тяжелых металлов по элементам агроландшафта и связь их содержания в почве с гумусом 74
Глава 5. Влияние процессов водной эрозии на перераспределение тяжелых металлов в черноземе обыкновенном Приволжской возвышенности 80
5.1.Связь содержания тяжелых металлов гумусного горизонта с материнской породой 80
5.2. Влияние водной эрозии на содержание малорастворимых форм тяжелых металлов в почвенном профиле 85
5.3.Влияние процессов водной эрозии на содержание и распределение подвижных форм тяжелых металлов и фтора в почвенном профиле 91
Глава 6. Содержание и вынос тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами 100
6.1. Влияние экологических условий ландшафта на содержание и вынос тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами 100
6.2.Влияние удобрений на накопление и вынос тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами 112
Глава 7. Эколого-экономическая оценка объектов исследований 117
Выводы 128
Результаты производственной проверки
Предложения производству 131
Список литературы 132
Приложения 150
- Потери почвы, гумуса и питательных веществ с эрозионными стоками воды
- Растительность
- Влияние рельефа местности на распределение тяжелых металлов в агроландшафте
- Влияние водной эрозии на содержание малорастворимых форм тяжелых металлов в почвенном профиле
Введение к работе
На современном этапе развития аграрной науки трудно представить изучение и решение экологических проблем путем рассмотрения ее проявлений только в одном из компонентов окружающей среды. Почва — своеобразный мощный фильтр, поглощающий и до некоторой степени обезвреживающий токсичные выбросы. Растения обладают уникальной сорбционной способностью. Они поглощают из окружающей среды и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов промышленных эмиссий, способствуя сохранению оптимального газового баланса в атмосфере. Водоемы являются, геохимическими барьерами на пути миграции многих токсикантов. Поэтому оценка.экологического состояния, основанная на. изучении параметров, системы почва-вода-растение, является наиболее адекватной [49, 64, 65, 69, 130].
«Почва - это слой, в котором идет разложение первичной фотосинтетической продукции, поэтому ее роль в поддержании стабильности условий для жизни чрезвычайно велика» [42]. В:Р. Вильяме определял почву как «... рыхлый поверхностный горизонт земного шара, способный производить урожай растений» [18]. Почвы — важнейший земельный ресурс, обеспечивающий население планеты основной массой (более 95%) продовольствия. Она является пространственным базисом экосистем (в том числе и агроэкосистем). Уникальная особенность почвы, показатель ее ресурсной ценности — плодородие, зависит от совокупности свойств почвы. Плодородие меняется в процессе развития почвы и неодинаковое по отношению к сельскохозяйственным культурам. Пестрота структуры почвенного покрова может изменять урожайность в пределах одного угодья в несколько раз. Свойства почв и их плодородие является ведущим показателем при бонитировке почв, их кадастровой оценке, разработке агропроизводственных группировок почв или классификаций почв по их отношению к сельскохозяйственным культурам [50]. Ресурсная оценка почв требует учета всех их основных свойств, хотя те или иные свойства могут
иметь приоритетное значение в отдельных регионах при выращивании определенных культур. Поэтому возникает необходимость изучения структуры и особенностей функционирования природных и сельскохозяйственных геосистем, прежде всего, с учетом местоположения в рельефе, тепло- и влагообеспеченности, почвенного покрова.
На современном этапе развития ландшафтной сферы около 50% поверхности суши преобразовано в процессе антропогенной деятельности, в том числе сельскохозяйственной. Следует признать, что значительная часть этих преобразований и их последствий не может относиться к категории позитивных. В связи с этим, ведущей тенденцией развития земледелия является его перевод на экологическую основу, которая предусматривает оптимизацию природопользования путем адаптации к природным условиям [74].
Довольно редки исследования, рассматривающие функционирование и преобразование важнейших компонентов экосистемы - растений и почв — во взаимосвязи и взаимообусловленности [64, 81, 130, 164]. В этом плане требуется глубокое изучение целого ряда вопросов, в том числе: значимость растений в биогеохимическом перераспределении техногенных потоков вещества, направленность трансформации элементов питания растений.
Приведенная ниже модель позволяет наглядно представить свойства, определяющие почвенное плодородие и факторы, на него влияющие (рис. 1.):
Одна из важных проблем современной агроэкологии - изучение загрязнения биосферы тяжелыми металлами (ТМ). Условно к ним относят химические элементы с атомной массой более 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов и считающиеся наиболее токсичными. К очень токсичным относятся Be, Со, Ni, Си, Zn, Sn, As, Se, Те, Pb, Ag, Cd, Au, Hg, Rb, Pt. Некоторые из этих элементов известны как микроэлементы, значимость которых в процессе метаболизма научно доказана и используется в практике сельского хозяйства и медицины. При дефиците элемента для
растений и животных он рассматривается как микроэлемент, а при избытке — как токсичный тяжелый металл [69, 131, 167, 136, 162].
Характеристика пахотного горизонта
Со,
доступного азота
Состояние ППК и кислотность
Водно-воздушный режим
Свойства,
определяю шие
плодородие
почвы
Содержание подвижного
фосфора
Содержание микроэлементов
Содержание гумуса
Адаптивно-ландшафтный севооборот
Факторы, поддержи вающ ие плодородие
Содержание обменного калия
Сохранение оптимального баланса NPK
Известкование, гипсование
Восполнение органического вещества
Эрозия
Отрицательный баланс гумуса
Факторы,
снижающие
плодородие
почвы
Перерытость
Загрязнение пестицидами
Отрицательный баланс NPK
Загрязнение
радионуклеидами
Ухудшение водно-воздушнорго режима
Загрязнение углеводородам и
Загрязнение тяжелыми
Рис. 1. Модель плодородия почвы
Согласно результатам многочисленных исследований, из всего количества токсичных веществ, регулярно поступающих в организм человека, около 70% поступает с пищей, 20% из воздуха и 10% с водой. Поэтому производство экологически безопасной сельхозпродукции, которая соответствует органолептическим, общегигиеническим, технологическим и токсикологическим нормативам и не оказывает негативного влияния на здоровье людей и животных, и на состояние окружающей среды, сегодня является одной из важнейших задач предприятий АПК. Чтобы получать такую продукцию, необходимо достоверно знать эколого-токсикологическую обстановку в агроэкосистемах. Наиболее значимыми загрязнителями агроландшафтов являются тяжелые металлы первого класса опасности: свинец и кадмий [94, 121, 122, 123, 160, 196]. Широко используются в промышленности и являются наиболее вероятными загрязнителями окружающей среды Cd, Pb, Zn, Си.
В 2005 году агрохимическая служба Саратовской области
осуществляла токсикологическое обследование земель
сельскохозяйственного назначения. Превышений ПДК пестицидов, тяжелых
металлов и радионуклидов в почвах и урожае не выявлено. Результаты
обследования почв на содержание тяжелых металлов, проведенного в рамках
агрохимического обследования, приведены ниже (табл. 1):
Таблица 1. Распределение площади пашни (Саратовская область) по содержанию легкорастворимых тяжелых металлов по состоянию на 01.01.2006 года [122]
Тяжелые металлы в почву попадают различными путями. Основная масса их формируется в почве за счет содержание их в материнской породе. Это один из генетических показателей который характеризует почвенный индивидуум. Однако, наряду с естественным путем формирования депо тяжелых металлов в почве, пополнение этих элементов происходит за счет деятельности человека. Загрязнение почв вокруг промышленных центров области происходит в основном под действием выбросов вредных соединений от промышленных предприятий и транспорта [121, 122].
По данным экологов, осевыми загрязнителями являются энергетическая и металлургическая отрасль, и связанные с ними добыча углеводородного сырья и переработка рудосодержащих пород. Масштабы использования угля, горючих сланцев и нефти при сжигании вызывают преимущественное и более интенсивное загрязнение, чем металлургическое
производство. Если принять во внимание, что к настоящему времени'добыто более 130 млрд. т угля и 40 млрд. т нефти, то вместе с золой поступили на поверхность земли миллионы тонн металлов, значительная часть, которых аккумулирована в верхних горизонтах почв; При бурении скважин на нефть и газ, с пластовыми водами и шламами на поверхность почвы поступает значительное количество тяжелых металлов. Є выхлопными газами на почву попадает более 250 тыс. т свинца в год; это главный источник загрязнения почв свинцом [1, 122, 162]. Исследования Л.Н. Єкипина и др: (2007) показали, что загрязнение свинцом и кадмием активно распространяется на придорожные полосы автомагистралей в пределах 100 м [ 149];
Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также с биоцидами;[60].
Тяжелые металлы из; внешних — естественных и- антропогенных -источников загрязнения поступают непосредственно в агроландшафт следующими путями: с атмосферными осадками, осаждаются в виде пыли и; аэрозолей, при непосредственном поглощении почвой газообразных соединений, с растительным опадом. [37, 163].
Загрязнение почв ТМ является необратимым видом, деградации. Практически невозможно уменьшить валовое содержание ТМ в загрязненных почвах, но можно значительно снизить их подвижность и сделать.менее доступными для растеий [35].
В среднем по европейской территории России концентрация свинца в воздухе достигает 12 мкг/л, кадмия - 0,15 мкг/л, ртути — более 0,08 мкг/л. Годовой поток этих элементов на квадратный метр земной поверхности составляет, соответственно: 8 мг, 0,1мг и 0,06мг [112].
Исследование техногенного загрязнения окружающей среды является одним из основных направлений экологических работ. Любой вид техногенеза связан с поступлением в окружающую среду разнообразных отходов, меняющих ее химические характеристики. Известное высказывание В. И. Вернадского (1954) о том, что человечество становится реальной
геологической силой, во многом подтверждается фактом поступления в окружающую среду большого количества химических веществ. Техногенное загрязнение проявляется на различных уровнях — от локального до глобального — и представляет опасность для живых организмов [16].
Анализ химического состава почв имеет большое значение в разработке программ оптимизации природопользования. Общеизвестна биологическая значимость микроэлементов, которые играют важную роль в процессах роста и развития растений; необходим контроль над содержанием микроэлементов в почвах и обеспечение их оптимального содержания [135, 182]. Анализ микроэлементного состава почв на фоновых и техногенно трансформированных участках позволяет оценить интенсивность ее загрязнения. Характеристика территориальных и профильных закономерностей распределения. ТМ в* почвах, определение особенностей их миграции и аккумуляции являются основой для оценки фоновой геохимической структуры и устойчивости ландшафтов к загрязнению. Кроме того, химический состав почв отражает характер литологического строения территории и особенности техногенного и биологического круговорота веществ. Все эти аспекты определяют большое научное и практическое значение исследования химического состава почв [162].
Геохимическая оценка состояния природной среды базируется на данных специализированных эколого-геохимических исследований, направленных на выявление источников загрязнения, путей миграции загрязняющих веществ и территорий, на которых концентрации становятся опасными для живых организмов [69]. При этом важнейшую роль играет эколого-геохимическое картографирование. Серии тематических карт, отображающих геохимические параметры окружающей среды, в настоящее время созданы для многих территорий [96, 176].
Охрана почв от загрязнений является важной задачей человека, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека. Во-первых, происходит постоянное вымывание
загрязнений в открытые водоемы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд. Во-вторых, эти загрязнения из почвенной влаги, грунтовых вод и открытых водоемов попадают в организмы животных и растений, употребляющих эту воду, а затем по пищевым цепочкам опять-таки попадают в организм человека. В-третьих, многие вредные для человеческого организма соединения имеют способность аккумулироваться в тканях, и, прежде всего, в костях [83, 147].
Цель исследований — изучить современное состояние депо тяжелых металлов в основных ландшафтных единицах черноземной зоны и их перераспределение в системе почва-вода-растение, выявить и обосновать площади пашни для получения экологически безопасной зерновой продукции.
Задачи исследований:
-определить содержание тяжелых металлов в почве по основным ландшафтным единицам и элементам агроландшафта черноземной степи Саратовской области;
-оценить роль почвы, водных источников и растений в перераспределении тяжелых металлов на пахотных землях в агроландшафте;
-выявить влияние эрозионных процессов на состояние депо тяжелых металлов в почве и растениях;
-определить влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях;
-провести сравнительную эколого-экономическую оценку
возделывания зерновых культур на пашне с различным содержанием тяжелых металлов в почве;
-определить район распространения площадей пашни, пригодной для получения экологически безопасной продукции.
Достоверность научных результатов определяется построением схемы исследований, использованием апробированных методик для отбора образцов и проведения аналитических работ, применением математических
методов статистического анализа, широкой апробацией результатов исследований на научных конференциях и в печати.
Научная новизна. Впервые для черноземной степи Саратовской области получены опытные данные содержания и перераспределения тяжелых металлов в системе почва-вода-растение. Определена роль процессов водной эрозии в формировании выноса растениями тяжелых металлов из почвы. Выявлена и обоснована территория для получения сельскохозяйственной продукции с более низким содержанием тяжелых металлов. Исследования проводились в рамках государственной тематики РАСХН 04.06.01.01 и 04.06.03.01.
Практическая значимость. Результаты исследований служат основанием для определения площадей пашни с низким содержанием тяжелых металлов с целью организации производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Использование предложений в ООО Фирма «Иловля» Красноармейского района (на черноземах южных) в 2007-2008 годах позволило на эродированных почвах получить зерно озимой и яровой пшеницы с содержанием тяжелых металлов в среднем на 43% ниже, чем на неэродированных.
Личный вклад автора. При подготовке и выполнении диссертационной работы автором была разработана научная гипотеза и рабочая программа исследований, сделан научный анализ данных, дана эколого-экономическая оценка получения сельскохозяйственной продукции с различным, содержанием в ней тяжелых металлов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-уровень содержания тяжелых металлов в почве определяется генезисом почвы, ландшафтными и агроландшафтными особенностями территории;
-гумус усиливает аккумуляцию тяжелых металлов в почве;
-эрозионные процессы снижают содержание тяжелых металлов в почве и перераспределяют их по элементам агроландшафта;
-лесные полосы, целинные и залежные участки пашни способствуют повышенной аккумуляции тяжелых металлов в почве;
-удобрения, за счет более высокого уровня выноса растениями тяжелых металлов, приводят к снижению содержания последних в почве;
-смытые в различной степени почвы позволяют получить сельскохозяйственную продукцию с пониженным содержанием в ней тяжелых металлов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Интенсификация, ресурсосбережение и охрана почв в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Курск, 2008 г.), всероссийской научной конференции «Агрохимия и экология: история и современность» (Нижний Новгород 2008 г.), на научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов ФГО ВПО "Саратовский государственный аграрный университет" им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.), научно-практической конференции ГНУ НИИСХ Юго-Востока РАСХН «Зональные особенности научного обеспечения сельскохозяйственного производства Юго-Востока России» (Саратов, 2009 г.).
Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований апробированы в «Экспериментальном хозяйстве», Аркадакской ГСХОС, ГУОПП «Елизаветинское» ГНУ НИИСХ Юго-Востока РАСХН, ООО Фирма «Иловля».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных статей, в том числе 2 - в реферируемых журналах по списку ВАК.
Потери почвы, гумуса и питательных веществ с эрозионными стоками воды
Основная масса тяжелых металлов аккумулируется в верхнем гумусовом горизонте почвенного покрова, где связывается органическими и минеральными компонентами почвы. Поэтому сохранность этого почвенного слоя — залог чистоты водных источников и биотической компоненты экосистемы в целом [3,10,17,27,37,69,70,162].
Величина потерь гумуса и химических элементов, в том числе и тяжелых металлов, из почвы определяется природным и антропогенным влиянием. В распаханных ландшафтах одним из основных факторов снижения содержания гумуса в почве является водная эрозия. Диапазон факторов контролирующих интенсивность и величину смыва почвы достаточно широк. Основными из них являются: гидрологический режим местности, тип почвы, степень покрытия растительностью, уровень противоэрозионной защиты и технологии внесения удобрений [25,37,55,87,102,157,181,189].
В количественном отношении величина потерь мелкозема и питательных элементов в результате эрозии определяется объемом стока. В лесостепной зоне Европейской части России основной смыв происходит в весенний период с талыми водами. В широтном направлении по мере продвижения с севера на юг и юго-восток Европейской части России объем стока в период таяния снега падает с зяби от ПО до 32 мм, с уплотненной пашни - с 140 до 75 мм [25,157]. Ливневые осадки в лесостепных районах в летнее время года также могут вызывать большой смыв почвы (рис. 2). Экологическая проблема использования почв усугубляется кардинальными изменениями в структуре посевных площадей сельскохозяйственных культур. Непокрытые растительностью поля стали основными причинами потерь почвы и питательных элементов при выпадении осадков ливневого характера [51,61,100]. Величина смыва почвы ливнями и талыми водами определяется почвенно-климатическими условиями и прежде всего типами почв. В лесостепной зоне на различных почвах, по обобщенным данным, среднегодовые размеры смыва почвы с зяби колеблются от 0,6 до 44,2 т/га, на черноземных почвах Поволжья от 0,1 до 34,7 т/га [51,61,100,172,173].
По данным В.Н. Кудеярова и др. (1984) с 1 мм смытой почвы с гектара выносится 10-20 кг азота, 10 кг фосфора и 100-200 кг связанного углерода. Водная эрозия приводит к потерям необходимых для растений, как макро-, так и микроэлементов [88].
Все потери элементов питания следует разделить на две группы: с твердым стоком смываются в основном валовые формы, а с жидким -растворимые (подвижные) формы. Подвижные формы биогенных элементов являются основными источниками питания растений, валовые - резервом этих элементов.
По обобщенным многолетним данным в ЦЧЗ среднегодовой смыв почвы без применения противоэрозионных мероприятий достигает на зяби 6,0 т/га, на посевах озимых культур — 3 т/га и на многолетних травах — 0,4 т/га [61].
Систематическое отторжение эрозионными процессами наиболее ценного слоя почвы делает оставшуюся почву менее активной в поддержании и воспроизводстве элементов плодородия, формировании уровня и устойчивости урожая зерновых культур. Площадь пашни, пораженной в различной степени эрозией, в Саратовской области достигла 65% [122].
В настоящее время с почвенного покрова Саратовской области, в результате только водной эрозии, ежегодно в гидрографическую сеть сбрасывается 3-5 млрд. км талых вод и около 30-40 млн. т мелкозема, содержащих 1,5-2,0 млн. т гумуса, 120-150 тыс. т азота, 110-140 тыс. т фосфора, 840-1050 тыс. т калия, 1500-1800 тыс. т кальция и 800-1000 тыс. т магния [100,121]. Вместе с макроэлементами в гидрографическую сеть мигрируют микроэлементы. С 1 га пашни черноземных почв ежегодно в водные источники попадает 5-6 кг меди, 8-9 кг цинка,7-8 кг свинца, 0,3-0,5 кг кадмия, 9-10 кг никеля, 10-15 кг стронция, 1,5-2,0 кг хрома и 1,5-2,0 кг железа [102].
Внедрение противоэрозионного комплекса способствует снижению интенсивности эрозионных процессов. Важнейшим компонентом стабилизации агроландшафта являются полезащитные лесные полосы. Особенно большую роль они выполняют в предотвращении эрозии черноземных почв, которая является основной причиной снижения их плодородия, заиления и загрязнения водных источников. При правильном устройстве лесные полосы могут аккумулировать в зоне своего влияния до 50-70% транспортируемого с межпольного пространства мелкозема [150,151,155]. Для повышения гидрологической и противоэрозионной эффективности их устраивают с гидротехническими сооружениями. Противоэрозионные гидротехнические сооружения (водоотводящие валы с канавами, валы-террасы на поле) применяют, если агротехнические и лесомелиоративные приемы не в состоянии защитить почву от эрозии. Применение валов-канав в лесной полосе позволяет снизить на 10,2% потери почвы, гумуса и биогенных элементов с твердым стоком [145,189].
Наблюдения, проведенные в США, показали, что на участках с параллельными валами-террасами смыв почвы, в среднем составил 2,9-7,4 т/га, а на нетеррасированных 56,6-68,9 т/га. Основная масса мелкозема и содержащихся в нем биогенных элементов аккумулируется перед валами со стороны мокрого откоса, что может привести к увеличению пестроты плодородия склоновых почв. Наряду с необходимыми для развития растений питательными элементами здесь может сформироваться экологически небезопасная зона, насыщенная негативными для жизнедеятельности элементами: пестицидами, тяжелыми металлами [189,194].
На снижение смыва почвы большой эффект оказывают противоэрозионные обработки почвы. Плоскорезная обработка, в сравнении с отвальной вспашкой, снижает смыв почвы в маловодные годы в среднем в 3-8 раз, средние - в 2,5 раза, многоводные — в 2 раза, в очень маловодные — полностью исключает потери мелкозема [62,87,93,145,181].
Соотношения абсолютных величин биогенных веществ, мигрирующих с твердым и жидким стоком, имеют достаточно широкий диапазон, и в основном определяются составом атмосферных осадков, обеспеченностью почв питательными элементами, агрофоном и мероприятиями по защите и оптимизации почвенного плодородия.
В отдельных случаях, особенно при неправильном внесении удобрений или загрязнении окружающей среды, эти соотношения сужаются, и величина потерь азота с жидким стоком достигает значительных размеров [75,99,100,102,179,181].
Растительность
В тесной связи с климатом находится растительный покров, играющий ведущую роль в почвообразовательном процессе и поведении химических элементов (в том числе тяжелых металлов) [1,6,19,33,69,108,162,168,173]. Состав естественного растительного покрова отражает состояние земной поверхности. Основные земельные угодья области заняты культурной полевой растительностью и естественными пастбищами [103,121]. Естественная степная растительность занимает склоны, участки каменистых почв и другие земли, не используемые в аграрном производстве. Она представлена мезофитами и злаками. В луговых степях встречаются изредка: лох узколистный, а также невысокие степные кустарники — терн, спирея, степная вишня, ракитник, дереза. В разнотравно-типчаково-ковыльной степи естественная растительность также приурочена к склонам- балок, приовражным территориям, участкам с мелкими, эродированными, каменистыми почвами. Злаковую основу травостоя составляют: типчак, ковыли, тонконог, мятлики, костер безостый. Растительность типчаково-ковыльных сухих степей довольно изрежена. В биоценозах много эфемероидов. На солонцах типичными представителями флоры являются: полынь черная, камфоросма.
Развивающиеся на территории процессы опустынивания существенно влияют на состояние растительного покрова. Снижается продуктивность сельскохозяйственных культур, естественная растительность изреживается, теряются ее защитные свойства, обнажается и развеивается поверхность почвы. Леса естественного происхождения в виде некрупных массивов на сухих субгумидных территориях и в поймах, а также в виде байрачных зарослей занимают небольшую площадь. Более значительные площади лесов имеются в лесостепной микрозоне (Базарно-Карабулакский, Петровский районы). Ведущая роль в структуре лесообразующих пород на территории области принадлежит дубу [103,122]. Широкое распространение, особенно на Донской равнине и Приволжской возвышенности, получило искусственное лесоразведение (рис. 3.). Лесистость области остается низкой и составляет всего лишь около 5%, в Правобережье занято лесом до 11,8% территории [103,121,122,123].
Таким образом, растительность является одним из главных факторов, определяющих почвообразовательный процесс. Особенности естественных и антропогенно измененных фитоценозов влияют на процессы гумусообразования, интенсивность эрозионных процессов, микроклимат и т.д. Синергетическое действие вышеозначенных факторов оказывает влияние на процессы закрепления и перераспределения химических элементов (в том числе соединений ТМ) в агроландшафтах.
Специфика почвенного пространства черноземной зоны Саратовской области в полной мере отражает ландшафтное разнообразие ее территории. По мере возрастания засушливости климата и ксерофитности растительного покрова, с севера-запада на юго-восток меняется структура и генетические признаки почвенного покрова [102,121,122,123,159]. Особенности почвенного покрова, его физико-химические и биохимические свойства в значительной мере определяют направленность процессов, протекающих в экосистемах [6,17,11,12,13,42,114]. К таковым относятся и процессы денудации почвенного профиля и миграция элементов питания растений. Черноземы обыкновенные наиболее распространены и занимают 47,9% от общей площади черноземной степи области. У них хорошо развитый гумуссированный профиль с зернистой и комковатой структурой. Мощность гумусового горизонта у несмытых разновидностей от 40 до 56 см, у смытых от 20 до 38 см. Большинство этих почв имеют глинистый и тяжелосуглинистый гранулометрический состав. У черноземов обыкновенных среднемощных средняя мощность гумусового горизонта — 45-55 см, у маломощных - 37-40 см. Содержание гумуса в пахотном слое — от 5,0 до 7,0%. Реакция почвенной среды в этом слое - 6,5-6,7, в материнской породе - 7,2-7,4. По составу гумуса обыкновенные черноземы близки к типичным черноземам в них лишь несколько выше содержания фульвокислот.
Около 50% площадей пашни на обыкновенных черноземах подвержено эрозионным процессам [98,102,123]. Высокая степень деградации способствует сближению по основным генетическим признакам обыкновенных и южных черноземов. Поэтому большие площади обыкновенных черноземов перешли в подтип южных черноземов.
Черноземы южные в общей площади черноземной зоны занимают 31,4%. Сформировались они в более засушливой части степной зоны, в подзоне злаковых степей со среднегодовым количеством осадков 300-400 мм. Более 50% площадей этих черноземов занимают малогумусные маломощные глинистые и тяжелосуглинистые разновидности [123]. У них укороченный по сравнению с другими подтипами гумусовый профиль. Мощность гумусового горизонта — от 32 до 47 см.
Содержание гумуса в пахотном слое - от 4,6% до 5,4%. Почва вскипает почти повсеместно с поверхности. Реакция почвенной среды — 6,8-7,2, в подстилающей породе - 7,5-7,8. Подстилающие породы — в основном четвертичные отложения. Сопряженные исследования минералогического и химического состава этих почв показали, что содержание кремнезема и окислов железа, калия, фосфора, натрия снижаются, а окислов алюминия и кальция повышаются вниз по профилю. Южные черноземы активно подвергаются воздействию водной и водно-ветровой эрозии. Около 52,0% площади пашни, занятой этими почвами, в различной степени эродированы [123]. Мощность гумусовых горизонтов эродированных почв от 15 до 25 см. Содержание гумуса — от 1,5 до 3,5%. Потери гумуса в результате водной эрозии составляют около 250 кг/га в год.
Совокупное действие рельефа, климата, растительности и почвенных факторов определили высокую активность процессов миграции, перераспределения и аккумуляции химических соединений (в т.ч. соединений ТМ) в агроландшафтах черноземной степи Саратовской области.
Методологической основой исследований в ландшафтном земледелии является; комплекс методов, позволяющих провести правильный сбор информации о протекающих на почве процессах [39 40,75,94].
Вопрос о загрязнении почв является комплексным. Почва одновременно служит акцептором загрязняющих веществ и их донором для других природных сред, испытывает наибольший техногенный пресс химических элементов, поступающих с атмосферными осадками, осаждающихся в виде сухих аэрозолей, привносимых с удобрениями, ядохимикатами, а также при аварийных разливах сточных вод и т.д. Кроме того, почва отражает длительность и интенсивность поступления и накопления загрязняющих веществ [3,4,28,43,48,35,69 71,141,148,162,175].
Влияние рельефа местности на распределение тяжелых металлов в агроландшафте
Процессы перераспределения веществ, обусловленные рельефом, сказываются на миграции продуктов загрязнения, поступающих из атмосферы. В том случае, если интенсивность поступления загрязнителей сравнима или меньше скорости процессов перераспределения их в ландшафте, то в аккумулятивных элементах ландшафта происходит повышенное накопление тяжелых металлов и их соединений, а элювиальные элементы ландшафта остаются сравнительно обедненными ими [162].
Приток выбросов с воздушным потоком на высокие элементы рельефа, на плакоры — приводораздельные территории, как правило, превосходят процессы ландшафтного перераспределения веществ. Поэтому почвы повышенных элементов рельефа, автономных ландшафтов будут активнее загрязняться, чем почвы подчиненных транзитных и аккумулятивных ландшафтов. Такой процесс можно назвать инверсией полей загрязнения. Это следует учитывать при выявлении ареалов распространения выбросов, при оценке уровня загрязненности и т. д.
Техногенные ареалы рассеивания формируются в более короткие сроки, чем природные, и затушевывают последние. Металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и вызывают целый ряд негативных последствий [5,162].
Неравномерность техногенного распределения металлов усугубляется неоднородностью геохимической обстановки в природных ландшафтах. В связи с этим, для прогнозирования возможного загрязнения продуктами техногенеза и предотвращения нежелательных последствий деятельности человечества необходимо понимание законов геохимии, законов миграции химических элементов в различных природных ландшафтах или геохимических обстановках [162].
Статистическая обработка помогла выявить существенное влияние рельефной составляющей агроландшафта на транслокацию тяжелых металлов по поверхности почвы. Верхний слой почвы водораздельных участков, по сравнению с ложбиной и склоном ложбины, оказался в большей мере обогащен подвижными формами меди, цинка, кадмия и фтора и в меньшей степени — свинцом и ртутью.
Склон ложбины содержал больше соединений свинца и ртути, а также фтора, частично мигрировавших с водораздельных участков и закрепившихся здесь вследствие невысоких скоростей эрозионных потоков. То, что наибольшее содержание соединений ртути отмечено на склоне ложбины (в 2 раза выше, чем на водораздельном участке) может свидетельствовать об относительно низкой способности данного элемента к миграции в пределах ландшафта.
Лесная полоса является геохимическим барьером на пути миграции ТМ в пределах ландшафта, что доказывается повышенным содержанием в верхнем гумусовом горизонте меди, цинка, свинца, кадмия и относительно высоким содержанием фтора и ртути. В ложбинах наблюдалось наименьшее количество подвижных соединений ТМ, что свидетельствует о высокой активности процессов вымывания последних из верхнего горизонта.
Таким образом, процессы аккумуляции и транслокации тяжелых металлов с учетом рельефа местности зависят от интенсивности эрозионных процессов. Направленность вектора эрозии от водораздела по склону, через ложбину до лесной полосы определяет направление миграции ТМ и фтора. Определяемые нами элементы, обладают способностью аккумулироваться в пределах определенных ландшафтных единиц. Так на водораздельных участках остаются в относительно высоких концентрациях: фтор, медь, цинк, кадмий, а ртуть и свинец вымываются. На склонах аккумулируются в основном ртуть и фтор, в меньшей степени - свинец.
В ложбине скорость водных потоков наиболее высока, поэтому содержание подвижных соединений всех определяемых нами- элементов здесь наименьшее. Лесные полосы являются фитогеохимическими барьерами на пути миграции токсикантов. В лесной полосе, расположенной поперек склона, скорость эрозионных потоков минимальна, что приводит к накоплению подвижных форм ТМ. Особенно заметна эта тенденция на примере свинца, цинка, меди и кадмия.
Влияние водной эрозии на содержание малорастворимых форм тяжелых металлов в почвенном профиле
В условиях выраженного рельефа очень активно протекает процесс денудации почвы. Формируемый ежегодно сток талых или ливневых вод уносит с собой значительное количество почвенных частиц, а вместе с ними гумус, питательные вещества и различные соединения ТМ (рис.12). Величина потерь гумуса и минеральных элементов из почвы, в том числе тяжелых металлов, определяется абиотическими и антропогенными факторами. Диапазон факторов контролирующих интенсивность и величину смыва питательных веществ достаточно широк. Основными из них являются: гидрологический режим местности, тип почвы, степень покрытия растительностью, уровень противоэрозионной защиты и технологии внесения удобрений [25,55,57,87,102,157,172,174,181]. По многолетним наблюдениям за процессами водной эрозии, на обыкновенных черноземах в ОПХ «Елизаветинское» потери почвы от весенней и ливневой эрозии составляют около 4 т/га, на южных черноземах в ОПХ «Экспериментальное» — до 5 т/га, на обыкновенных черноземах на полях Аркадакской опытной станции — 3 т/га [102]. В среднем, по области эти цифры чуть выше - 5-6 т/га [123]. Исследования, проведенные на разных по степени смытости черноземах обыкновенных (ГУОШІ «Елизаветинское») выявили определенные закономерности формирования содержания ТМ и фтора под влиянием процессов водной эрозии.
При увеличении степени смытости почвы меняется структура ее профиля, мощность горизонтов и содержание в них различных химических элементов. Это может быть следствием, как активного смыва почвенных частиц, так и изменения физико-химических процессов в почве, влияющих на миграционную способность тех или иных элементов. С точки зрения почвообразовательного процесса, ряд вариантов от несмытого до сильносмытого чернозема, рассмотренный последовательно, может служить упрощенной моделью динамики изменения во времени и пространстве свойств почвы под действием эрозии.
Проведенный анализ для каждой степени смытости почвы показал, что содержание тяжелых металлов в профиле почвы адекватно интенсивности проявления эрозионных процессов. Выяснилось, что каждый анализируемый элемент имеет индивидуальную реакцию на степень проявления эрозии (табл. 14). В результате дисперсионного анализа двухфакторного опыта получена» достоверная, корреляционная зависимость, между содержанием в генетических горизонтах отдельных слаборастворимых тяжелых металлов и степенью смытости почвенного профиля. Содержание кислоторастворимых форм тяжелых металлов в «зональной» (несмытой) почве обусловлено, прежде всего, фоновым уровнем их, а также интенсивностью процессов гумусообразования; Усредненный показатель содержания: малорастворимых тяжелых металлов показал, что наличие их в почве тесно связано с интенсивностью проявления процессов эрозии. Потери в процессе эрозии, прежде всего, илистой фракции почвы способствуют снижению содержания, малорастворимых ТМ, в верхнем пахотном слое. Чем выше степень смытости почвы, тем ниже содержание определяемых микроэлементов. Так среднее содержание ТМ в верхнем пахотном слое несмытого чернозема было выше, чем в слабосмытом соответственно на 11,7, среднесмытом на 3,2 и сильносмытом на 50,9%.
Длительное систематическое проявление эрозионных процессов на пашне способствует снижению тяжелых металлов не только в поверхностном слое, но и в целомшо почвенному профилю.
Сравнительный профильный анализ различных по степени смытости почв показал,, что по мере усиления эрозионного разрушения почв содержание микроэлементов прогрессивно снижается. Так, содержание; ТМ в горизонтах несмытого чернозема было соответственно на 10,1-8,8 и 40,0% выше, чем слабосмытой, средне и сильно смытых разностях почвы.
Индивидуально определяемые в почве элементы, по-разному реагировали на интенсивность эрозионных процессов, однако все они подчинялись одной закономерности снижения их в процессе усиления влияния эрозии на почвенный покров
Для экологической оценки степени воздействия эрозии на содержание тяжелых металлов в почвенных горизонтах, рассчитывался коэффициент концентрации (по сравнению с фоновым содержанием в материнской породе) и суммарное загрязнение почвенных горизонтов (табл. 15, рис. 13).
Суммарное загрязнение не превышало допустимых значений. В несмытом варианте наибольшее суммарное загрязнение слаборастворимыми металлами отмечается в горизонте А+Вь что по-видимому связано с процессами химического выветривания в зоне активного действия корневых выделений и. миграционными процессами из Апах вниз по профилю почвы (кадмий, цинк, хром). По сравнению с фоновым содержанием увеличение содержания тяжелых металлов в этом горизонте составило 13%.
