Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тяжелые металлы в системе почва - растение 7
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Условия проведения исследований 31
2.2. Метеорологические условия проведения исследований 32
2.3. Объекты исследований 34
2.4. Методы исследований 36
Глава 3. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных питательных веществ
3.1. Роль отдельных элементов в жизни растений 38
3.2. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных форм азота 46
3.3. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижного фосфора 57
3.4. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижного калия 66
Глава 4. Особенности поступления азота, фосфора и калия в растения в зависимости от уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами 72
4.1. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание азота в растениях яровой пшеницы 73
4.2. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание фосфора в растениях яровой пшеницы 76
4.3. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание калия в растениях яровой пшеницы 78
4.4. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание азота, фосфора и калия в растениях сахарной свеклы 79
Глава 5. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на урожайность и вынос азота, фосфора и калия сельскохозяйственными культурами
5.1. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на урожайность сельскохозяйственных культур 83
5.2. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на вынос азота, фосфора и калия сельскохозяйственными культурами 89
5.2.1. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на вынос азота, фосфора и калия растениями яровой пшеницы 89
5.2.2. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на вынос азота, фосфора и калия растениями сахарной свеклы 94
Глава 6. Экологическая и экономическая оценка возделывания сельскохозяйственных культур на почвах загрязненных тяжелыми металлами 98
Выводы 102
Рекомендации производству 106
Библиографический список использованной литературы 107
Приложения
- Тяжелые металлы в системе почва - растение
- Метеорологические условия проведения исследований
- Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных форм азота
- Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание фосфора в растениях яровой пшеницы
Введение к работе
Актуальность темы. Объемы и темпы техногенного загрязнения окружающей среды настолько возросли, что требуют все большего внимания ученых и общественности.
Особую актуальность приобрело загрязнение почв. Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды углеводороды и другие химические загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух.
Среди всех химических загрязнений микроэлементы следует рассматривать как имеющие особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение. Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелые металлы" во многом совпадает с понятием микроэлементы. К повышенным концентрациям микроэлементов в почве термин «микроэлементы» не пригоден, в таких случаях применяют термин "тяжелые металлы".
Проблема загрязнения почв и растений тяжелыми металлами в настоящее время привлекает к себе всеобщее внимание. Это определяется тем, что с одной стороны, повышенное содержание в продуктах урожая тяжелых металлов вредно для человека и животных, и во многом может, определять пригодность или не пригодность продуктов растениеводства в качестве источника пищи или кормов. С другой, загрязнение почвы тяжелыми металлами может на долгие годы сделать ее не пригодной для производства доброкачественной продукции.
В связи с этим необходимо всестороннее изучение влияния тяжелых металлов не только на продуктивность сельскохозяйственных культур и качество урожая, но и на мобилизацию основных макроэлементов в почве и в растениях.
Цель п задачи исследований. Цель — работы установить влияние различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами (кадмием, медью, никелем, цинком) на мобилизацию подвижных питательных веществ, характер поступления и вынос основных элементов биофилов (азота, фосфора, калия) сельскохозяйственными культурами.
Для достижения поставленной цели намечено решение следующих задач: 1. Установить влияние уровней загрязнения почв тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных форм питательных веществ. 2. Выявить влияние уровней загрязнения почв тяжельши металлами на продуктивность изучаемых сельскохозяйственных культур. 3. Изучить возможность влияния различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами на поступление в растения основных макроэлементов - азота, фосфора и калия, и вынос их с урожайностью.
Научпая повнзна. Впервые изучено влияние техногенного загрязнения на питательный режим чернозема выщелоченного колочной степи Алтайского края. Установлены наиболее вероятные состояния содержания и динамики азота обменного аммония, подвижного фосфора и подвижного калия в почве в зависимости от уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами. Выявлены критические уровни загрязнения почвы тяжелыми металлами (в т.ч. медью и цинком) на содержание и вынос азота, фосфора и калия растениями яровой пшеницы и
сахарной свеклы и их продуктивность. Установлено, что сахарная свекла и яро вая пшеница по-разному реагировали на уровни элементов загрязнителей поч вы.
Защищаемые положения. 1. Существуют критические уровни загряз нения почвы тяжелыми металлами, которые влияют на содержание в почве по; вижных форм азота, фосфора и калия. Разные тяжелые металлы оказывают ра; личное влияние на процессы мобилизации в почве подвижных питательны веществ. 2. Невысокий уровень загрязнения почвы медью и цинком стимулир} ет рост и развитие растений и повышает их продуктивность, а при более высс ком уровне загрязнения этими элементами в два раза выше предельно - допус тимой концентрации (ПДК), происходит угнетение растений и снижение и продуктивности. 3. Содержание тяжелых металлов в почве выше 0,5 ПДК нике ля, кадмия и меди выше 1,0 ПДК, и цинка выше 2,0 ПДК, ухудшают услови поступления в растения и вынос основных элементов питания азота, фосфора калия сельскохозяйственными культурами с единицей продукции.
Практическая значимость. Полученный материал может быть взят з основу для установления критических уровней загрязнения почвы тяжелым металлами, которые оказывают негативное влияние на мобилизацию основны макроэлементов (азота, фосфора и калия) в почве, продуктивность сельскохс зяйственных культур и вынос азота, фосфора и калия с урожаем. Результаті исследований будут использованы в учебном процессе по курсу «Агрохимия» Алтайском государственном аграрном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работ: были доложены на международной конференции «Кризис почвенных ресурсої причины и следствия» (Санкт-Петербург, 1997), всероссийской конференції «Агроэкология и устойчивое развитие общества» (Красноярск, 1998), «Почв, экология, общество» (Санкт-Петербург, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Тяжелые металлы в системе почва - растение
Высокие темпы развития общественного производства, рост народонаселения планеты, огромные масштабы потребления возобновимых и невозобновимых природных ресурсов определяют основные тесно связанные между собой факторы антропогенного воздействия на окружающую природную среду.
В большинстве случаев антропогенное воздействие на окружающую природную среду неблагоприятно для общества и живой природы. К явлениям загрязнения окружающей природной среды, безусловно, относится все то, что связано с поступлением в среду вредных веществ, т.е. таких веществ, которые оказывают непосредственное отрицательное воздействие на человека и биосферу. О.Ф. Балацкий, Л.Г. Мельник и А.Ф. Яковлев (1984) выделили несколько видов загрязнения: механическое, химическое, физическое, радиационное и биологическое. Чаще всего по их словам загрязнением считают лишь поступление, привнесенное в среду, нахождение в ней различных агентов. Но в природе существует естественный фон вещества или энергии. В каждом районе Земли он может быть различным, причем не всегда оптимальным. Таким образом, поступление в окружающую среду одних и тех же количеств веществ в районах, где естественный фон, например, ниже оптимального уровня, может улучшать условия жизни и, разумеется, не должен расцениваться как загрязнение. В других местах, где естественный уровень находится на пределе оптимума, подобное изменение условий окружающей среды ухудшит ее качество и должно расцениваться как загрязнение.
Таким образом, под загрязнением следует понимать аналогичное изменение свойств окружающей среды, приводящее к ухудшению функций среды по отношению к человеческому обществу. Во второй половине двадцатого века объемы и темпы техногенного загрязнения окружающей среды настолько возросли, что требуют все большего внимания ученых и общественности.
Особую актуальность приобрело загрязнение почв. Именно почвенный покров в конечном итоге принимает на себя давление потока промышленных и коммунальных выбросов и отходов, выполняя важнейшую роль буфера и детоксиканта. Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды, углеводороды, другие загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух.
Особенно сильное техногенное давление испытывают почвы в районах расположения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспортных артерий (Ковда, 1985).
Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелыми металлами, по-видимому, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозией и дефляцией.
К тяжелым металлам относится более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет более 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвующих в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелые металлы" во многом совпадает с понятием "микроэлементы". Для повышенных концентраций элементов термин "микроэлементы" не пригоден. В таких случаях применяют термин "тяжелые металлы" (ТМ). Таким образом , под термином "тяжелые металлы", подразумевают такие элементы, как свинец, молибден, марганец, кобальт, цинк, кадмий, никель и др. (Ильин, Степанова, 1982).
Важной особенностью металлов является то, что они относятся к классу неспецифических веществ, то есть в отличие от специфических загрязнителей, как пестициды, чуждых геохимическому фону, металлы в фоновых концентрациях присутствуют в различных компонентах экосистем. Нарушение этой "нормы" вызывает не только прямое токсичное воздействие, но и отдаленные последствия в виде воспроизводства и биопродуктивности организмов, то есть проявляется на уровне популяций и поколений. Еще одно отличие микроэлементов от многих загрязняющих веществ состоит в том, что при миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения и не включаются в процессы самоочищения.
У элементов группы тяжелых металлов (ТМ) очень узок оптимальный и безвредный интервал концентрации — в этом их опасность.
Известно, что тяжелые металлы оказывают влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Причем, положительное влияние на урожайность ТМ оказывают, если они присутствуют в достаточно малых концентрациях, увеличение концентрации ТМ в почве приводит к снижению урожая. Кроме того, один и тот же элемент (ТМ), в одной и той же концентрации, но в разных почвах неодинаково влияет на урожайность.
Наличие микроэлементов в почве в усвояемой форме для растений -необходимое условие выращивания высоких урожаев культур.
Почвы содержат неодинаковое количество элементов: нормальное, избыточное и недостаточное. Это зависит от состава материнских пород, растительности, степени окультуренности почв и поступления микроэлементов извне в виде различных органических и минеральных удобрений и осадков.
Метеорологические условия проведения исследований
В наших исследованиях по данным Барнаульской метеостанции, годы были различными по метеорологическим условиям. Количество осадков за май - август по годам исследований составило от 157,8 в 1997 году до 230,3 и 232,6 мм в 1998 и 1996 гг. соответственно при среднемноголетних 204 мм (табл.1).
Для яровой пшеницы 1997 год был острозасушливым по сравнению с 1996 годом, особенно первая половина вегетации (III декада мая и июнь), где количество осадков было в полтора раза ниже среднемноголетней нормы, а температура воздуха на 0,7 - 3,7 градусов выше среднемноголетней. Л.М. Бурлаковой (1971, 1981) установлено, что урожайность яровой пшеницы зависит от осадков первой половины вегетации. На этот период у яровой пшеницы приходятся наиболее ответственные этапы органогенеза - закладка генеративных органов и развитие вторичной корневой системы. Наиболее благоприятным для яровой пшеницы был 1996 год. В этом году количество осадков и среднемесячная температура воздуха (за исключением августа) были выше среднемноголетней нормы. Этот год был благоприятным и для возделывания сахарной свеклы. Особенно в сентябре, когда идет усиленный рост корнеплодов, выпало большое количество осадков (в 2,2 раза выше среднемноголетней нормы) при температуре воздуха приблизительно равной среднемноголетним показателям.
Важным показателем оценки погодных условий определенного отрезка времени является гидротермический коэффициент (по Селянинову) -отношение суммы осадков к сумме эффективных температур. Поэтому показателю установлено, что наиболее увлажненным был 1996 год, где ГТК мая - июня и за вегетационный период (ГТКі и ГТК2) были выше среднемноголетних показателей - 1,41; 1,43 при среднемноголетней 1,16 и 1,15 соответственно. 1997 год по этим показателям был острозасушливым, где ГТКі был равен 0,65, а ГТК2 0,76.1998 год по гидротермическим условиям был близок к среднемноголетним ГТК] - 1,23; ГТК2 - 1,07.
Почва опытного участка - чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный и среднесуглинистый (табл. 2). Почва характеризуется средним содержанием гумуса (6,21 - 5,71). Содержание валовых азота и фосфора в слое 0 - 20 см составили соответственно 0,35 и 0,13, и в слое 20-40 см - 0,34 и 0,15 процентов. Почва среднеобеспечена подвижным азотом и фосфором. Обеспеченность подвижным калием повышенная. Почва обладает невысокой гидролитической кислотностью и невысокой емкостью поглощения, высоко насыщена основаниями.
Следует отметить, что содержание валовых форм кадмия, меди и никеля в почве не превышало предельно - допустимой концентрации (ПДК), в то время, как содержание цинка было высоким (470 мг/кг), что в 1,5 раза превышает ПДК.
Кадмий из всех изучаемых элементов обладает более высокой подвижностью, чем медь, никель и цинк. Содержание подвижной формы составило 86 - 89 % от валового.
В опыте искусственно загрязняли почву растворами солей тяжелых металлов: 3CdS04 х Н20; CuS04 х 5Н20; Ni(N03)2 х 6Н20; ZnS04 х 7Н20, в дозах 0,5; 1,0 и 2,0 ПДК (по Kloke), что соответствовало кадмия 1,5, 3,0 и 6,0 мг/кг; меди 50, 100 и 200; никеля 50, 100 и 200 и цинка 150, 300 и 600 мг/кг почвы. Тяжелые металлы вносили в почву по схеме: 1. контроль 2. кадмий 0,5 8. никель 0,5 3. кадмий 1,0 9. никель 1,0 4. кадмий 2,0 Ю.никель2,0 5. медь 0,5 11.цинк 0,5 6. медь 1,0 12.цинк 1,0 7. медь 2,0 13.цинк 2,0 Опыт был заложен в трехкратной повторности, площадь опытной делянки 1, защитки 0,5 м . Тяжелые металлы были внесены в 1996 году под сахарную свеклу и яровую пшеницу. Почву, где выращивали яровую пшеницу, искусственно загрязняли кадмием, медью, никелем и цинком. На участке, где выращивали сахарную свеклу, загрязнение почвы цинком не проводили. В последующие годы после этих культур выращивали в 1997 году яровую пшеницу, в 1998 - овес, где изучали 1-е и 2-е последействие тяжелых металлов. В опыте высевали сорта, районированные в данной зоне яровую пшеницу сорта Целинная 60, сахарную свеклу - Бийская односемянная 50 и овес - Астор.
Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных форм азота
Способность почв в той или иной степени снабжать растения азотом, аккумуляция и динамика подвижных азотных соединений, а также факторы влияющие на эти процессы - важнейшие вопросы, связанные с этой проблемой. Накопленная к настоящему времени литература по режиму азотных соединений в почве различных регионов нашей страны и за рубежом содержит весьма важные теоретические положения и практические выводы по регулированию азотного питания. Л.М. Бурлаковой (1984) дан довольно полный обзор литературы по данной теме.
В своих исследованиях А.Е. Кочергин и О.А. Остроумова (1957), А.Е. Кочергин (1974), Г.П. Гамзиков (1971, 1974, 1976) и другие исследователи сделали заключение, что основным источником азотного питания сельскохозяйственных культур на черноземах Сибири является нитратный азот, и содержание его в почве есть объективный показатель обеспеченности растений азотом.
Многие исследователи отмечают необходимость изучения накопления аммонийного азота как потенциальной формы для образования нитратного азота в почве (Возбуцкая, 1960; Bremner, Show, 1955). Минеральные формы азота в почве образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов. При их образовании протекают сложные биохимические процессы с участием ферментов (Пейве, 1961). Процессы аммонификации, вызывающие разложение азотистых органических соединений с образованием аммиака, широко распространены в природе. Они протекают в почве с помощью ферментов, выделяемых различными микроорганизмами (грибами, актиномицетами, анаэробными бактериями). Процесс аммонификации идет в две фазы: окисление аммиака происходит сначала до азотистой, и затем до азотной кислоты с образованием нитратов.
Исследования П. Рахно с соавторами (1971) (цитировано по Л.М. Бурлаковой, 1984) позволили сделать весьма важные выводы о количественной динамике почвенных бактерий, которая не имеет постоянного сезонного характера, и изменяется от конкретных факторов влияния. От них зависит и содержание общего минерального азота в почве. К конкретным факторам влияния авторы относят влажность почв, ее температуру, содержание и поступление в почву питательных веществ для микроорганизмов, токсичность почв, взаимоотношение между микроорганизмами, свойствами почв, воздействие солнечной активности.
В 1997 году изучали последействие тяжелых металлов на мобилизацию подвижного азота в почве под яровой пшеницей в зернопаропропашном и зернопаровом севооборотах, т.е. предшественниками яровой пшеницы были сахарная свекла и яровая пшеница соответственно. В 1998 году в обоих севооборотах выращивали овес, как завершающую культуру в севооборотах и в этом случае изучали второе последействие тяжелых металлов. Установлено (табл. 5, прил. 1, 2, 5), что на второй год после загрязнения почвы тяжелые металлы оказали неоднозначное влияние на мобилизацию подвижных форм азота. В меньшей степени оказывало влияние на содержание нитратного азота в период кущения загрязнение почвы кадмием, где содержание нитратного азота в почве было выше по сравнению с загрязнением другими элементами. Но следует отметить, что повышение уровня загрязнения почвы этим элементом до 2,33 мг/кг снижало одновременно содержание нитратного и аммонийного азота. Следовательно, высокий уровень загрязнения тормозил процессы аммонификации и нитрификации, т.е. действовал ингибирующе на почвенную биоту. К периоду уборки негативное влияние на процессы нитрификации загрязнение кадмием оказало на всех уровнях загрязнения, и содержание нитратного азота в почве было ниже по сравнению с контролем, в то время как содержание аммонийного азота возрастало, и только при высоком уровне загрязнения (6,0 мг/кг) наблюдалось негативное влияние кадмия и на процессы аммонификации.
При внесении в почву меди на всех уровнях загрязнения в период кущения наблюдалось снижение нитратного и аммонийного азота. При дозе загрязнении медью 100 мг/кг, снижение подвижного азота связано с большим выносом его урожаем. Медь, являясь необходимым элементом питания, стимулировала рост и развитие растений и на этом варианте получена более высокая урожайность яровой пшеницы. Но более высокая концентрация меди 200 мг/кг не только угнетала растения, но негативно повлияла на процессы мобилизации подвижного азота. На этом варианте содержание нитратного и аммонийного азота к периоду уборки сохранилось таким, каким оно было в период кущения яровой пшеницы.
Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание фосфора в растениях яровой пшеницы
В 1996 году по всем вариантам опыта (загрязнение почвы тяжелыми металлами) отмечено снижение фосфора, как в зерне, так и в соломе (табл. 20) за исключением варианта с дозой загрязнения почвы медью 50 мг/кг, где содержание фосфора было на уровне контроля. Следует отметить, что по всем элементам загрязнителям содержание фосфора в зерне находилось в обратной зависимости от уровня загрязнения. Самое низкое содержание фосфора в зерне и в соломе яровой пшеницы было на вариантах с загрязнением почвы кадмием в 6,0 мг/кг (0,49; 0,19 соответственно) при загрязнении почвы никелем 100 и 200 мг/кг (0,44; 0,16 и 0,41; 0,18 соответственно). По-видимому, при загрязнении почвы кадмием и никелем наиболее сильно проявляется негативное влияние на подвижность фосфора, а, следовательно, и на поступление его в растения.
В зерне и соломе яровой пшеницы выращиваемой после сахарной свеклы по всем вариантам содержание фосфора было ниже по сравнению с контролем, за исключением варианта с дозой загрязнения почвы никелем 50 мг/кг, где содержание фосфора в зерне было на уровне контроля. Но различия по вариантам с тяжелыми металлами были не значительными. Более существенное влияние загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание фосфора в растениях на второй год исследований, было получено при выращивании яровой пшеницы после яровой пшеницы. При загрязнении почвы тяжелыми металлами в дозах соответствующих 0,5 ПДК содержание фосфора в зерне было выше или на уровне контрольного варианта. Медь и цинк в дозах соответствующих 1,0 ПДК повышали содержание фосфора в зерне, а цинк и в соломе. Кадмий и никель при загрязнении дозами соответствующие 1,0 и 2,0 ПДК, а также более высокое загрязнение почвы медью и цинком снижали содержание фосфора и в зерне и в соломе яровой пшеницы. Содержание калия в растениях яровой пшеницы мало отличалось по годам исследования и по предшественникам. На контроле в 1996 году содержание в зерне и в соломе соответственно составили 0,65; 1,09 процентов; в 1997 году 0,61 - 0,67 и 1,06 - 1,08 процентов (табл. 21). При загрязнении почвы кадмием дозой 1,5 мг/кг отмечено более высокое содержание калия, как в зерне, так и в соломе. Загрязнение почвы этим элементом в дозах 3,0 и 6,0 мг/кг существенное влияние на содержание калия в зерне не оказало. В соломе отмечено снижение содержания калия только при загрязнении 6,0 мг/кг (0,88 %).
Загрязнение почвы медью в пределах 50 мг/кг снизило содержание калия в зерне и в соломе, а при дозах соответствующих 1,0 и 2,0 ПДК только в соломе. Никель и цинк способствовали лучшему поглощению калия растениями яровой пшеницы на вариантах с загрязнением почвы дозами соответствующих 1,0 и 2,0 ПДК (по - видимому здесь проявилось явление синергизма). Содержание калия в зерне и соломе на этих вариантах повышалось прямопропорционально уровню загрязнения этими элементами. В 1997 году сильное влияние на содержание калия в растениях яровой пшеницы оказали предшествующие культуры. На вариантах, где яровую пшеницу выращивали после сахарной свеклы по большинству вариантов отмечено снижение по сравнению с контролем этого элемента в зерне и повышение в соломе. В то время, как на участке где яровую пшеницу выращивали по яровой пшенице по большинству вариантов было отмечено более высокое содержание в зерне по сравнению с контролем, а в соломе содержание калия было или ниже или на уровне контроля. Следовательно, загрязнение почвы тяжелыми металлами на второй год после загрязнения оказали неравнозначное влияние на содержание калия в растениях.
Сахарная свекла относится к пропашным культурам и в отличие от яровой пшеницы предъявляет иные требования к условиям питания. Оптимальные соотношения азота, фосфора и калия по литературным данным для сахарной свеклы в растениях (урожае) являются N : Р : К = 3,0 : 1,0 : 4,5 (Смирнов, Муравин, 1984) в то время, как для яровой пшеницы это соотношение равно 3,0:1,0:2,0. В связи с этим сахарная свекла в отличие от яровой пшеницы значительно больше выносит калия и является калиелюбивой культурой.
