Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Биогеохимическая характеристика содержания химических элементов (S, Zn, Mn,Cu, Cd, Pb) в биосфере (Обзор литературы) 6
1.1. Общие вопросы содержания элементов в биосфере 6
1.2. Содержание химических элементов в растениях 12
1.3. Значение химических элементов в функционировании биогеоценозов 14
1.4. Нормирование содержания тяжелых металлов 33
1.4.1. Нормирование тяжелых металлов в почве 33
1.4.2. Нормирование тяжелых металлов в растениях и продуктах питания 40
Глава II. Условия и методы проведения исследования 43
2.1. Климатические особенности Белгородской области 43
2.2. География и характеристика почв Белгородской области 44
2.3. Методика агрохимического обследования 49
ГЛАВА III. Агроэкологическая оценка содержания подвижных форм серы 54
ГЛАВА IV. Агроэкологическая оценка содержания цинка 63
ГЛАВА V. Агроэкологическая оценка содержания марганца 77
ГЛАВА VI. Агроэкологическая оценка содержания меди 88
ГЛАВА VII. Агроэкологическая оценка содержания кадмия 98
ГЛАВА VIII. Агроэкологическая оценка содержания свинца 106
ВЫВОДЫ 115
Библиографический список 118
Приложения 137
- Общие вопросы содержания элементов в биосфере
- География и характеристика почв Белгородской области
- Агроэкологическая оценка содержания подвижных форм серы
Введение к работе
Актуальность темы. Уровень содержания мезо- и микроэлементов в почве во многом определяет урожайность, технологические качества и безопасность растениеводческой продукции. Производство экологически безопасной сельскохозяйственной продукции является не только одним из важнейших факторов экономической устойчивости страны, но и залогом здоровья нации в целом (Агроэкология, 2000).
В настоящее время неотъемлемой частью комплекса проблем, связанных с деградацией окружающей среды, стало загрязнение компонентов биосферы различными токсикантами, в частности тяжелыми металлами (Щербаков, Васенев, 1996; Черных, Овчаренко, 2002). В России выявлено почв, загрязненных медью, свинцом, цинком и кадмием, соответственно 1416, 519, 326 и 184 тыс. га (Кузнецов, 1997). В то же время некомпенсированный вынос с растениеводческой продукцией некоторых необходимых растениям элементов приводит к снижению обеспеченности пахотных почв подвижными формами серы, цинка, марганца, меди и т. д. (Лукин, Авраменко, 2004; Панасин, Новикова, 2004).
Важность работ по организации информационно-методического обеспечения единой государственной системы наблюдений и контроля за состоянием уровня обеспеченности элементами питания агроэкосистем особенно возрастает в регионах с интенсивной хозяйственной деятельностью, к которым относится Белгородская область.
Цель исследования. Провести исследования и дать агроэкологическую оценку содержания элементов S, Zn, Mn, Си, Cd, Pb в почвах лесостепной и степной зон (на примере Белгородской области).
Задачи исследования.
1. Выявить основные мезо- и микроэлементы, наиболее значимые для агроэкологического состояния сельскохозяйственных земель
Белгородской области и получения безопасной и качественной растениеводческой продукции.
Изучить основные закономерности внутрипрофильного и пространственного распределения S, Zn, Mn, Си, Cd, Pb в почвах лесостепной и степной зон.
Уточнить региональные кларки содержания изучаемых элементов в почвенном покрове области.
Составить карты-схемы содержания подвижных форм серы, цинка и марганца в пахотных почвах области.
Установить закономерности формирования баланса S, Zn, Mn, Си, Cd, Pb в земледелии области.
Дать агроэкологическую оценку современного содержания изучаемых элементов в почвах и растениеводческой продукции;
Научная новизна исследования. Впервые, на основе масштабных почвенно-агрохимичеких и мониторинговых исследований установлены принципиальные закономерности профильного, территориального распределения S, Zn, Mn, Си, Cd, Pb в пахотных почвах Белгородской области; составлены картограммы содержания подвижных форм серы, цинка и марганца в почвенном покрове области; рассчитаны балансы изучаемых элементов.
Защищаемые положения.
В результате характерного для 90-х годов XX в. снижения средних доз применяемых удобрений сложился отрицательный баланс S, Си, Zn, Mn и произошло закономерное снижение содержания их подвижных форм в почвах Белгородской области.
Содержание подвижных форм свинца и кадмия в основной части пахотных почв Белгородской области не представляет опасности для получения безопасной сельскохозяйственной продукции.
3. В распространении изучаемых элементов по территории области и профилю почв имеются определенные закономерности. Географическое распределение по территории области во многом обуславливается гранулометрическим составом и кислотностью почв конкретного района. В профильном распределении валовых форм элементов наблюдается закономерное уменьшение содержания с увеличением глубины почвенного профиля, а в распределении подвижных форм, как правило, выделяются два максимума: первый - в пахотном горизонте (0-20 см), второй - на глубине 80-100 см.
Практическая значимость. Результаты исследования используются для оценки обеспеченности почв микроэлементами и расчета потребности растений в микроудобрениях при выращивании сельхозкультур в Белгородской области, а также при агроэкологической паспортизации полей региона. Установленные региональные кларки содержания Zn, Mn, Си, Cd, Pb рекомендуются в качестве фоновых концентраций при агроэкологичеких оценках почвенного покрова.
Общие вопросы содержания элементов в биосфере
Проблема загрязнения биосферы тяжелыми металлами (ТМ), их влияния на живые организмы, особенностей накопления и миграции в последние десятилетия обращает на себя пристальное внимание общественности, широко обсуждается в печати и интенсивно изучается учеными (Гармаш, 1986; Дмитриев, 1989; Ильин, 1991; Майстренко и др., 1996; Черных и др., 1996; Корте и др., 1997; Батовская, 2002; Давыдова, Тагасов, 2002;. Мирошникова, 2003 и др.). Исследования в этой области сыграли существенную роль в организации программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и проекта Глобальной системы мониторинга окружающей среды (Munn, 1973). В последнее время достигнуты значительные результаты и успехи в изучении проблемы загрязнения ТМ в почвоведении, биологии, медицине и сельском хозяйстве. Выявлены основные особенности содержания химических элементов в почвах и растениях, участие их в физиологических процессах живых организмов, влияние на рост, развитие и формирование урожая сельскохозяйственных культур. В то же время необходимо отметить, что в последних исследованиях по ТМ в почвоведении, агрохимии, агроэкологии наблюдается смещение вектора исследования в сторону биогеохимической роли химических элементов и их значения в распространении заболеваний живых организмов, все чаще поднимается вопрос о двоякой роли (как токсикантов и микроэлементов) ТМ (Протасова, Щербаков, 2003; Лукин, 2005; Спицына, 2005; Орлов и др., 2005; Подколзин, 2005 и др.). К группе поллютантов, получивших общее название «тяжелые металлы» относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 40 а.е.м. (Алексеев, 1987).
В соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 по степени токсического действия на окружающую среду химические элементы подразделяются на три класса опасности:
1-й - вещества высокоопасные (As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn, Ті);
2-й - вещества умеренноопасные (Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr);
3-й - вещества малоопасные (Ba, V, W, Mn, Sr).
Многие тяжелые металлы в нетоксичных для живых организмов концентрациях по своим физиологическим функциям могут выступать микроэлементами. К микроэлементам относят химические элементы облигатные (обязательные) для растительных и животных организмов (по Виноградову, 1957), содержание которых измеряется величинами порядка п 10"2-п 10"5%.
К микроэлементам обычно относят: В, Ті, V, Mn, Со, Си, Zn, Ag, Cd, Аи, W и др. (Орлов и др., 2005). Практически все из них - потенциально токсичные элементы, то есть в избыточных концентрациях они опасны для живых организмов. Таким образом, термины (микроэлементы и тяжелые металлы) - категории не столько качественные, сколько количественные, привязанные к крайним вариантам экологической обстановки (Ильин, Сысо, 2001).
Химические элементы в нетоксичных концентрациях играют исключительно важные функции в жизни растений, животных и человека: они активно участвуют в строительстве растительного организма, составляя определенную долю массы его сухого вещества. Физиологическая роль микроэлементов в живых организмах отличается большим разнообразием, многосторонностью, комплексностью, но не выяснена до конца даже для ведущих из них. Среди токсичных химических элементов основными загрязнителями являются Hg, Pb, As, Cd, Zn, Cu, Cr, Ni. Тяжелые металлы поступают в организм человека и животных с растительной пищей, воздухом и водой (Тяжелые металлы ..., 1997). По данным Н. Vetter, R. Mahlhop, К. Frachtenicht (1974), с растительной пищей в организм поступает основное (75-85%) количество тяжелых металлов: - по цепям питания - 40-50%. с водой - 20-40 и воздухом - 20-40% (Черных и др., 1999).
Главные антропогенные источники поступления ТМ в биосферу -промышленные предприятия (Rauta et al, 1988). Техногенная доля меди и цинка в атмосфере составляет примерно 75%, кадмия - 50, свинца - 50-80% (Роеваи др., 1996).
В России наибольшее загрязнение атмосферы (по объему выбросов) происходит в результате деятельности предприятий энергетики - 2.7,7%, цветной - 20,4 и черной металлургии - 15,1% (Протасов, 1999).
Примерно 50% всех атмосферных выбросов приходится на долю автомобильного транспорта. В отработанных газах двигателей внутреннего сгорания содержится более 170 вредных для живой природы компонентов (Голубев, Новиков, 1987). В непосредственной близости от автодорог (в связи с истиранием шин) в почве возможно резкое повышение концентрации кадмия и цинка по сравнению с местным фоном (Добровольский, 1983).
Определенное количество ТМ поступает в почву с минеральными и органическими удобрениями. Промышленные удобрения могут быть источником поступления в почву марганца, меди, свинца, никеля и кадмия. Для органических удобрений характерна высокая обогащенность цинком, марганцем, медью и кадмием (Ковда, 1985; Попова, 1991).
География и характеристика почв Белгородской области
Территория Белгородской области неоднородна в почвенном отношении. Наиболее распространены как почвообразующие породы лессовидные суглинки и глины (рис. 2.1). Лессы небольшой площадью выделены в крайней западной части области - в Ракитянском и меньше в Борисовском районах. Содержание физической глины колеблется в пределах от 39,1 до 44,2%.
Лессовидные суглинки и глины эллювиально-делювиального происхождения распространены по территории области повсеместно. Глинистость лессовидных пород увеличивается с запада на восток. Наиболее характерными свойствами лессовидных пород являются слабощелочная реакция среды, достаточно высокая сумма поглощенных оснований и карбонатность. На востоке и юго-востоке области, отчасти в центральной ее части местами почвообразование развивается на третичных глинах. Содержание физической глины колеблется в пределах от 61 до 82% (Ахтырцев, Соловиченко, 1984).
По характеру почвенного покрова всю территорию области разделяют на три почвенные провинции, расположенные в лесостепной и степной зонах: Украинская почвенная провинция (Западный почвенный округ) (около 25% территории); Среднерусская лесостепная провинция (Центральный почвенный округ) (49% территории); Среднерусская степная провинция (Юго-восточный почвенный округ) (26% территории).
Украинская почвенная провинция располагается на юго-западных склонах Среднерусской возвышенности до Северского Донца и верховьев реки Сейм. Здесь преобладают черноземы типичные (39% площади) и выщелоченные (27% площади). Они мощные и среднемощные, но малогумусные. Комплекс балочных почв составляет 13%. Незначительную территорию занимают карбонатные черноземы (рис. 2.2).
Среднерусская лесостепная провинция области протягиваются примерно до реки Тихая Сосна. Здесь уменьшается доля типичных и выщелоченных черноземов (соответственно 27 и 22% ), но возрастает доля оподзоленных черноземов и серых лесных почв. Нарастает расчленение овражно-балочной сетью, поэтому до 16%) увеличивается площадь, занятая комплексом балочных почв. Черноземные почвы в этой части области среднемощные средне- и малогумусные. На террасах реки Оскол встречаются массивы песчаных почв.
Среднерусская степная провинция области располагается за рекой Тихая Сосна. Основной фон почвенного покрова составляют черноземы обыкновенные среднемощные среднегумусные. Слабопологие склоны северных экспозиций заняты черноземами типичными, южных -черноземами карбонатными и остаточно-карбонатными. Широко представлены почвы овражно-балочного комплекса (Ахтырцев, Соловиченко, 1984).
Склоновые типы местности, ливневый характер выпадения осадков и высокая степень распаханности способствуют интенсивному развитию эрозионных процессов на территории области. Склоны занимают более 72% общей площади, в том числе с крутизной более 3 - 30%. Эродированные почвы составляют 53,6%) общей площади области, в том числе слабосмытые - 940 тыс. га (34,6%), средиесмытые - 332,6 тыс. га (12,6%), сильносмытые -154,2 тыс. га (5,6%), развеваемые - 26,6 тыс. га (0,9%) (Соловиченко, 2005).
В Белгородской области около 500 тыс. га пашни с кислой реакцией среды (рис. 2.3). Кислые почвы Белгородской области в основном представлены черноземами оподзоленными и выщелоченными, серыми и темно-серыми лесными почвами которые преимущественно расположены в западных районах.
Агроэкологическая оценка содержания подвижных форм серы
По нашим данным установлено, что целинные почвы Белгородской области характеризуются достаточно низким содержанием подвижной серы. Так, количество этого элемента в пахотном слое черноземов типичного, выщелоченного и оподзоленного на заповедной территории (заповедный участок «Ямская степь») составляет соответственно: 4,5; 2,9; 4,0 мг/кг, что характеризует эти почвы как низкообеспеченные. Высококультурные почвы колхоза им. Фрунзе (чернозем типичный среднемощный) по содержанию подвижной серы относятся к категории высокообеспеченных, количество данного элемента в пахотном слое составляет 13,8 мг/кг. Таким образом, современная агротехника, а также научно обоснованное внесение удобрений оказывают значительный положительный эффект на содержание подвижной серы. Для теоретического обоснования тренда изменения содержания подвижной серы в почвах были проведены балансовые расчеты (табл. 3.4). При расчетах баланса этого элемента в агроландшафтах Белгородской области учитывались его поступление в почву с минеральными и органическими удобрениями, промышленными выбросами в виде диоксида серы, а также вынос с основной и побочной сельскохозяйственной продукцией, потери веществ при смыве верхнего слоя почвы. Использовались опубликованные материалы Белгородского областного комитета государственной статистики, данные Центра агрохимической службы «Белгородский», обобщенные данные Н. А. Черных (2003), Б.А. Ягодина (2002) и др. по содержанию серы в удобрениях, почвах, растениях. Для расчета баланса содержание серы в навозе принято за 0,04% от вносимого количества. Смыв почвы составляет 2 т/га пашни (Шатилов и др., 1990).
Основная причина, вызывающая недостаточную обеспеченность почв области подвижной серой - снижение уровня применения удобрений, содержащих серу. Органические удобрения нельзя рассматривать как значимый источник поступления серы в почву, так как 1 т навоза КРС содержит всего около 200 г этого элемента. В IV цикле агрохимического обследования органических удобрений вносилось в среднем в дозе 5,8 т/га пашни, а в VII - только 1 т/га, соответственно с ними поступало в почву 2,32 и 0,39 кг/га серы (Долженко, 2002). Минеральные удобрения, содержащие серу, с конца 80-х годов прошлого века в область практически не завозятся. Например, если в 1987 г. было использовано 23 тыс. т сульфата аммония и 1,6 тыс. т сульфата калия (с которыми в почву поступило 5,5 тыс. т серы, что составляет около 3,5 кг/га), то в 2004 г. из серосодержащих удобрений было использовано всего 24 т сульфата аммония, что составило менее 6 т серы.
Достаточно большое количество серы может поступать в почву из атмосферы. В Европейской части России с атмосферными осадками в почву попадает 5-Ю, а в отдельных районах - до 15-17 кг/га серы (Шеуджен и др., 2005). В последние годы выбросы серы в атмосферу России значительно сократились, что связано с экономическим спадом. Например, если в 1990 г. от стационарных источников Белгородской области в атмосферу выбрасывалось 32,4 тыс. т диоксида серы, то в 2004 г. - только 11,2 тыс. т В настоящее время основное количество этих выбросов приходится на г. Губкин (8,7 тыс. т) и г. Старый Оскол (2,1 тыс. т). Определенное количество статистически неучтенной серы может поступать в атмосферу при сжигании угля или древесины, которые используются на отопление частных подворий, однако в Белгородской области уже завершена полная газификация. В настоящее время от областных стационарных источников на гектар пашни должно поступать 2,0 кг серы.
Общий вынос серы с урожаем зерновых составляет 10-15 кг/га, а с капустой и другими овощными культурами доходит до 50-80 кг/га. По нашим расчетам, ежегодный хозяйственный вынос серы (вынос с учетом основной и побочной продукции) по циклам агрохимического обследования составлял 6,34-8,95 кг/га пашни. Корректно оценить потери серы в результате миграции на черноземах области сложно, поскольку лизиметрических исследований не проводилось. Достаточно большое количество серы (15-25 кг/га) может вымываться из пахотного слоя и мигрировать вплоть до грунтовых вод в связи с тем, что анионы SO42" слабо поглощаются почвой (Шеуджен и др., 2005). В результате исследования, по обобщенным фоновым данным было установлено, что среднее содержание подвижной серы в материнской породе составляет около 2,8 мг/кг, что соответствует запасам 20 кг/га. Таким образом, можно говорить об интенсивной миграции подвижной серы и ее накоплении в почвах на глубине, недоступной для биологического поглощения сельскохозяйственными растениями.
