Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ 9
1.1. Содержание меди в составляющих ландшафтных систем 9
1.1.1. Содержание меди в почве 10
1.1.2. Связь между соединениями меди, гумуса и глины в почве 16
1.1.3. Содержание меди по профилю почвы 18
1.1.4. Влияние меди на свойства почвы 21
1.1.5. Содержание меди в водных системах 25
1.1.6. Содержание меди в растениях 29
1.1.7. Медь в системе корма-животные-продукты животноводства 36
1.2. Цель и задачи исследований 39
Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
2.1. Природно-климатические условия района 41
2.2. Климатические условия в годы проведения исследований 49
2.3. Методика проведения исследований 58
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 62
3.1. Результаты площадной съёмки содержания меди в почвах ландшафта 62
3.1.1. Содержание подвижной меди в почвах агроландшафта 62
3.1.2. Валовое содержание меди в почвах агроландшафта 64
3.2. Динамика подвижной меди в почвах полигонов мониторинга 67
3.3. Динамика валовой меди по годами сезонам 76
3.4. Содержание меди по почвенным слоям 87
3.4.1. Динамика подвижной меди по профилю почвы по сезонам года и элементам рельефа 88
3.4.2. Динамика валовой меди по профилю почвы, по сезонам года и элементам рельефа 98
3.5. Связь между содержанием в почвах агроландшафта меди, гумуса и физической глины 111
3.6. Содержание меди в водной системе 115
3.6.1. Содержание меди в воде 115
3.6.2. Содержание меди в донных отложениях 116
3.7. Содержание меди в растительных кормах 118
3.8. Содержание меди в некоторых биологических объектах 121
3.8.1. Содержание меди в крови коров 121
3.8.2. Содержание меди в коровьем молоке 122
3.8.3. Содержание меди в моче и экскрементах коров 123
ВЫВОДЫ 125
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 127
СПИСОК ЛИТЕРЕАТУРЫ 128
- Содержание меди в почве
- Природно-климатические условия района
- Содержание подвижной меди в почвах агроландшафта
Введение к работе
В настоящее время в условиях крайне напряженной экологической ситуации, складывающейся во многих регионах мира, изучение процессов загрязнения биосферы тяжелыми металлами стало неотъемлемой частью комплекса проблем, связанных с охраной природной среды. Накопленный опыт свидетельствует о том, что тяжелые металлы (включая и медь) относятся к числу весьма опасных химических загрязняющих веществ, что обусловлено как тенденциями развития современной промышленности, так и физиолого-биохимическими особенностями самих металлов. Обогащение медью отдельных составляющих биосферы, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, приводит к возникновению геохимических аномалий и росту площадей загрязненных земель, что вызывает необходимость регулярного контроля за её содержанием.
Медь поступает в атмосферу в составе выбросов, а также в виде технологической пыли; металл попадает так же со сточными водами в водоемы, а с водой попадает в почву, где миграционные процессы его существенно замедляются. С опадом листьев, плодов, веток и стволов деревьев, отмиранием травянистой растительности и гибелью животных верхний слой почвы обогащается медью, что приводит к изменению многих свойств почвенно-поглощающего комплекса, к её накоплению в беспозвоночных, использующих в качестве пищи органику и т.д. Почва, обладая ярко выраженной катионной поглотительной способностью, очень хорошо удерживает положительно заряженные ионы меди (Алексеев, 1987).
Так как количество загрязняющих веществ, в том числе меди, в различных компонентах биосферы находится в тесной взаимосвязи, то контроль за её динамикой необходимо осуществлять как в объёме всего ландшафта: «почва - поверхностные воды — растения - животные -человек» в целом, так и в отдельных его составляющих.
Ведение современного сельскохозяйственного производства требует более действенных мер для охраны биотипов и биотопов от экзогенных вредных веществ. Большое значение в этом направлении имеет непрерывный аналитический контроль цепи: почва - вода - растения, корма - животные -продукты животноводства.
К сожалению, пока мало данных о степени перехода токсинов из почвы и воды в растения, из кормов и воды в животноводческую продукцию и т.д. Спорным остается также вопрос о месте концентрации токсинов в организме животных.
В рамках разработанной Программы нами проведена оценка уровней содержания меди, относящейся к группе наиболее опасных загрязнителей растительных и животных организмов. Поскольку почва в условиях её активного хозяйственного использования является основным аккумулятором и многолетним концентратором загрязнителей, мы задались целью проследить во времени и по сезонам года содержание подвижных и валовых форм токсичного тяжелого металла, каковым является медь. Содержание меди также определяли и в сельскохозяйственных продуктах.
В качестве объекта исследований был выбран агроландшафт в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района, на четырех полях которого был организован многолетний мониторинг отслеживания динамики тяжелых металлов по сезонам и годам вегетации при одновременном выращивании на этих полях чередующихся культур действующего севооборота. Исследования подвижной и валовой меди ведутся в течение 2001-2007 гг.
Анализ образцов почвы, воды и донных отложений атомно-абсорбционным методом с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «Квант - 2А» в пламени ацетилен-воздух был проведен в лаборатории тяжелых металлов НИИ прикладной и экспериментальной экологии.
Большую помощь в нашей работе оказали заведующий отделом мониторинга агроландшафтных систем НИИ кандидат биологических наук В.Н. Гукалов и сотрудники лаборатории тяжелых металлов и лаборатории системной экологии. Всем им выражаю искреннюю признательность. Глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку в работе выражаю коллективам кафедры общей биологии и экологии и НИИ прикладной и экспериментальной экологии, и особенно своему научному руководителю профессору И.С. Белюченко.
Содержание меди в почве
Самое пристальное внимание заслуживает техногенное накопление тяжёлых металлов в почве - начальном звене пищевой цепи. Столь же актуально изучение загрязнённости сельскохозяйственных культур, так как 70-80% общего количества тяжёлых металлов, поступающих в организм человека, приходится на растительную продукцию.
Почвы являются одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства токсикантов на пути их миграции из атмосферы в грунтовые и поверхностные воды, поэтому они характеризуются высокой степенью загрязнения многими токсическими веществами, в том числе и тяжёлыми металлами, которые занимают особое место среди загрязнителей почв. Для тяжёлых металлов (в том числе и меди) не разработано надёжных механизмов их трансформации и самоочищения почвы. Они лишь переходят из одних форм в другие и мигрируют из одного резервуара в другой, где взаимодействуют с различными живыми организмами, снижая продуктивность экосистем, а иногда, и вызывая их деградацию.
Загрязнение почв медью обнаружено не только в индустриальных районах, но и используемых в сельском хозяйстве (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1995; Шеуджен, 2003; Greter-Domergue, 1989). Хотя основная масса соединений меди концентрируется в пахотном слое, часть их мигрирует со стоком почвенной влаги и формирует вторичные техногенные аккумуляции (Bohmer, 1989). Источниками дополнительного поступления в почву меди, как и других тяжелых металлов, являются применяемые в земледелии средства химизации: минеральные и органические удобрения, нетрадиционные виды удобрений, известь, навоз (Белюченко, 2001; Потутаева, 2001). Поступление тяжёлых металлов, в частности и меди, может происходить в почву с осадками сточных вод, сточными водами и бытовым мусором. Иногда сточные воды без специальной биологической и химической очистки поступают на поля брожения, где происходит их фильтрация через почву, что приводит к обогащению почвы этим металлом. Загрязнение почв вызывает загрязнение поверхностных и подземных вод.
В результате исследований территории Краснодарского края было выявлено загрязнение почв медью, содержание которой в 1,5-10 раз превышало фоновые в почвах природных ландшафтов (Доклад о состоянии окружающей природной среды Краснодарского края, 2002).
Медь относительно малоподвижный элемент в почвах (Александрова, 2001; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Белюченко, 2005; Шеуджен, 2003; Минеев, 1997). Тяжёлые металлы, включая и медь, аккумулируются в пахотном и подпахотном горизонтах, а в последующем, в результате трансформации, физических и химико-биологических превращений разделяются на мигрирующие и фиксированные формы. Концентрация меди в почвенных растворах находится в пределах 1-30 мг/кг.
В процессе почвообразования происходит перемещение меди внутри почвенного профиля. Это вызвано, с одной стороны, аккумулирующей деятельностью растительности, а с другой - обусловлено миграцией растворимых солей и тонкодисперсных частиц с нисходящим током влаги; возможности биогенного накопления меди в различных почвах неодинаковые (Ильин, 1973).
Наряду с общим содержанием меди, особое значение имеют формы нахождения её в почвах и, в первую очередь, степень доступности их растениям. Различают следующие формы меди: 1) обменная; 2) медь трудно растворимых солей и окисей; 3) медьсодержащие минералы; 4) металлорганические соединения меди; 5) подвижная или усвояемая растениями медь (Пейве, 1961). Медь присутствует в почвенном растворе в форме ионов и хелатов, в почвенном поглощающем комплексе в форме обменно и прочно адсорбированных катионов, а также органическом веществе, окклюдированных оксидах и минералах (Шеуджен, 2003).
Природно-климатические условия района
Геология, геоморфология, гидрология. Геоморфология изучаемой местности располагается в пределах Прикубанской степной равнины на пологом левом склоне реки Средний Челбас. Склоны реки Средний Челбас и балок протяженные. Сток реки осуществляется в западном и северо-западном направлениях. Происходит перемыв пойменных осадков и подмыв уступов террас и склонов.
К долине реки Средний Челбас приурочены верхнечетвертичные отложения, которые характеризуются наличием песка, галечника, суглинка, супеси, сформировавшимися в четвертичном периоде.
В орографическом отношении изучаемая площадь является частью Кубанской аккумулятивной равнины, имеющей слабый наклон в сторону Азовского моря. Территория представляет собой степную равнину со слабо всхолмленным балочным рельефом. Абсолютные высотные отметки колеблются в пределах от 17 до 30 м.
В структурно-тектоническом плане местность расположена в пределах Скифской платформы, на северном платформенном крыле Азово-Кубанской впадины, через которую проходит Березанский разлом.
В геологическом строении принимают участие отложения от докембрийского до современного возраста. Почвенная геология изобилует лессовыми породами, широко распространены однородные, пористые, рыхлые наносные отложения. Лёсс состоит из осадков, образовавшихся в результате выветривания. Район тектонически активный. Местность может подвергаться землетрясению силой до 6-7 баллов.
Изучаемая территория в гидрологическом отношении находится на северном крыле Азово-Кубанского артезианского бассейна. По физическим свойствам вода солоноватая, иногда со слабым горьковатым привкусом, прозрачная, по составу сульфатно-натриевая. Грунтовые воды четвертичных отложений приурочены к современным и древним аллювиальным образованиям четвертичного возраста.
Уровни залегания грунтовых вод:
1.В 75-150 м от берега реки Средний Челбас вдоль улиц хутора-1,5-2,0 м.
2.В 250-300 м от берега реки Средний Челбас - 4,0 м.
З.В южной и центральной части хутора - глубже 8,0 м (Атлас Краснодарского края и Республики Адыгеи, 1996; Вальков, 1996; Гукалов и др., 2000).
Ландшафт. Рельеф изучаемой местности имеет хорошо выраженной уклон с юга на север в сторону реки Средний Челбас, которая пересекает его в северо-западном и широтном направлениях. К долине реки Средний Челбас приурочены сельские посёлки, образующие прерывистую «нить» жилых агломераций. Заливные земли расположены на слабо наклонной равнине. Ландшафт сложен лёссовыми и лёссовидными глинисто-суглинистыми четвертичными отложениями.
Содержание подвижной меди в почвах агроландшафта
Помимо прямого влияния на валовое содержание тяжёлых металлов, удобрения, изменяя химические и физико-химические свойства почвы, способны воздействовать на подвижность металлов и их миграцию в почвенном растворе по профилю. Так, подкисление, вызываемое многими соединениями минеральных удобрений, мобилизирует тяжёлые металлы, а внесение органического вещества, напротив, способствует снижению их подвижности (Парасюта, 2000).
Медь, как и многие другие тяжёлые металлы, в почве находится в валовой и подвижной формах. Подвижная, или миграционная медь нередко трансформируется в почве при определённых условиях (кислотность почвы, содержание и форма органического вещества, механический состав и т.д.). Если в почвенном растворе органических соединений в растворённом состоянии содержится много, то и содержание подвижной меди тоже увеличивается. В кислых почвах содержание подвижной меди выше, чем в слабокислых и нейтральных; меньше её будет также в неокультуренных почвах.
Агрохимические руды нашей страны отличаются низким содержанием балластных веществ и, учитывая незначительное применение в настоящее время минеральных удобрений, в почву их поступает мало. Тем не менее, проблема тяжёлых металлов в земледелии существует и она имеет глобальный характер, поскольку значительные поступления этих элементов происходят через трансграничные переносы.
Для оценки динамики различных форм меди в агроландшафте следует оценить движение этого элемента в полях севооборота на протяжении всего его действия (7-9-летние периоды). Известные в литературе примеры показывают, что длительное применение удобрений на подвижность меди в почве особого влияния не оказывает (Ефимова и др., 2001). В других опытах (Потутаева и др., 2001) удобрения заметно влияли на подвижность меди по профилю.
Нами проведено изучение динамики подвижной меди на двух полигонах по сезонам года и по годам. Определение подвижной меди осуществляли отдельно в образцах почв севооборота и в почвах лесных полос.
Необходимо отметить, что в почвенных образцах севооборота содержание подвижной меди, как в пределах отдельных сезонов, так и в среднем было ниже, чем в почвах лесных полос при относительно низких показателях стандартной ошибки и относительно невысоких коэффициентах вариации.
Так весной 2001 года на полигоне 1 содержание подвижной меди в почвах севооборота составляло 4,36 мг/кг, а в 2005 году - 6,18 мг/кг; для полигона 2 содержание её в этот же период изменяется от 2,97 мг/кг до 5,57 мг/кг. В почвах лесополос обоих полигонов содержание подвижной меди также имеет тенденцию к её накоплению от 5,92 мг/кг до 6,83 мг/кг на полигоне 1 и от 5,38 мг/кг до 5,97 мг/кг на полигоне 2. Такое поведение подвижной меди в основном связано с особенностями увлажнения, температурного режима почвы и наличия органического вещества.
Анализируя полученные данные по динамике накопления подвижной меди по сезонам года можно отметить, что на полигоне 2, где ежегодно до 1999 года проводилось сжигание стерни и других растительных остатков, содержание подвижной меди несколько ниже, чем на полигоне 1, где данное мероприятие не проводилось (рис. 7).
