Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ 8
1.1. Роль цинка в ландшафтных системах 8
1.1.1. Содержание цинка в почве 9
1.1.2. Связь между содержанием цинка, глины и гумуса в почве 14
1.1.3. Динамика цинка по профилю почвы 16
1.1.4. Влияние цинка на свойства почвы 19
1.1.5. Поведение цинка в водных системах 20
1.1.6. Содержание цинка в растениях 21
1.1.7. Цинк в системе корма - животные - продукты животноводства 24
1.2. Цель и задачи исследований 26
Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 28
2.1. Природно-климатические условия района 28
2.2. Климатические условия в годы проведения исследований 35
2.3. Методика проведения исследований 44
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 48
3.1. Результаты площадной съемки содержания цинка в почвах хозяйства 48
3.1.1. Особенности распределения валового содержание цинка в почвах агроландшафта 48
3.1.2. Особенности распределения подвижной формы цинка в почвах ландшафта 52
3.2. Динамика содержания цинка в почвах полигонов мониторинга 55
3.2.1. Динамика валового содержания цинка в почвах полигона мониторинга 57
3.2.2. Динамика подвижных форм цинка в почвах агроландшафта 73
3.3. Динамика цинка по профилю почвы 92
3.3.1. Динамика валового содержания цинка по профилю почвы по сезонам года и элементам рельефа 93
3.3.2. Динамика подвижных форм цинка по элементам рельефапо почвенным слоям и по сезонам года 101
3.4. Корреляционные связи между содержанием цинка в почве, глиной гумусом почвы . 111
3.5. Содержание цинка в речной системе 115
3.5.1. Содержание цинка в воде 116
3.5.2. Содержание цинка в донных отложениях 117
3.6. Содержание цинка в некоторых продуктах растениеводства 120
3.6.1. Содержание цинка в растительных кормах 120
3.6.2. Содержание цинка в зерновой массе некоторых сортов пшеницы.. 122
3.7. Содержание цинка в некоторых тканях животных и продуктах их жизнедеятельности 124
3.7.1. Содержание цинка в крови и некоторых тканях животных 124
3.7.2. Содержание цинка в молоке коров 125
3.7.3. Содержание цинка в экскрементах и моче.. 126
Выводы 129
Рекомендации производству 130
Список литературы 131
- Содержание цинка в почве
- Природно-климатические условия района
- Особенности распределения подвижной формы цинка в почвах ландшафта
Введение к работе
Загрязнение почв тяжелыми металлами - одно из негативных последствий человеческой деятельности. В настоящее время это явление приняло глобальный характер. Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет две отрицательные стороны.
Во-первых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, тяжелые металлы вызывают серьезные заболевания. Это приводит к росту заболеваемости населения и сокращению продолжительности жизни, снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции.
Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, тяжелые металлы способны изменять многие ее свойства. В первую очередь изменения затрагивают биологические свойства почвы: уменьшается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д. Сильное загрязнение тяжелыми металлами приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких гак гумусное состояние, структура, рН среды и др. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев, и полная утрата почвенного плодородия.
Вместе с тем многие тяжелые металлы в малых концентрациях являются микроэлементами; недостаток или избыток определенного микроэлемента в почве зачастую оказывает весьма серьезное влияние на растительность, а через нее на животных и на человека.
Одним из важнейших элементов из группы тяжелых металлов в жизни растений является цинк. Недостаток цинка для растений чаще всего наблюдается на песчаных и карбонатных почвах. Мало доступного цинка на торфяниках, а также на некоторых малоплодородных почвах. Недостаток цинка сильнее всего сказывается на образовании семян, чем на развитии вегетативных органов. Симптомы цинковой недостаточности широко встречаются у
5 различных плодовых культур (яблоня, черешня, японская слива, орех, пекан, абрикос, авокадо, лимон, виноград). Особенно страдают от недостатка цинка цитрусовые культуры.
Физиологическая роль цинка в растениях очень разнообразна. Он оказывает большое влияние на окислительно-восстановительные процессы, скорость которых при его недостатке заметно снижается. Дефицит цинка ведет к нарушению процессов превращения углеводородов. Установлено, что при недостатке цинка в листьях и корнях томата, цитрусовых и других культур, накапливаются фенольные соединения, фитостеролы или лецитины, уменьшается содержание крахмала. Цинк входит в состав различных ферментов: карбоангидразы, триозофосфатдегидрогеназы, пероксидазы, оксидазы, поли-фенолоксидазы и др.
Избыток цинка у растений вызывает хлороз и некроз листьев, задержку роста и повреждение корней. В организме животных и человека избыточное поступление цинка сказывается, прежде всего, на окислительно-восстановительных процессах.
Объектом наших исследований был агроландшафт ОАО "Заветы Ильича" Ленинградского района, на шести полях которого был организован полигон многолетнего мониторинга, де изучали динамику цинка по сезонам и годам при одновременном выращивании на этих полях чередующихся культур действующего севооборота. Исследования подвижных форм цинка в почве ведутся нами с 1998 года, а валовое содержание определяется с 2001 года. Оценка содержания цинка в зерне, кормах, крови, молоке, экскрементах и моче животных ведется с 2001 г. Анализ образцов проводился в лаборатории тяжелых металлов НИИ прикладной и экспериментальной экологии. Анализ проб почвы, навоза и воды проводился на спектрофотометре "ААС Квант-2А", а анализ проб зерна, кормов, крови, молока - на спектрометре "ААС Квант-Z.3TA".
Большую помощь в нашей работе оказали заведующий отделом мониторинга агроландшафтных систем НИИ экологии кандидат биологических наук В.Н. Гукал ов, сотрудники лаборатории тяжелых металлов и мониторинга почв, всем им выражаю искреннюю признательность. Глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку в работе выражаю своему научному руководителю профессору Ивану Степановичу Белюченко.
Общая характеристика работы.
Цель и задачи работы. Целью работы является оценка динамики цинка в системе агроландшафта. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Определение валового содержания цинка и его подвижных форм на всей территории хозяйства;
Оценка фонового содержания цинка на территории хозяйства;
Изучение динамики подвижных и валовых форм цинка в почвах полей многолетнего мониторинга по сезонам и годам;
Изучение динамики валовых и подвижных форм цинка по почвенным горизонтам на участке мониторинга;
Установление связи между содержанием цинка в почвах и содержанием гумуса и мелкодисперсных частиц глины.
Определение содержания цинка в некоторых кормовых продуктах растениеводства, тканях и их продуктах жизнедеятельности животных.
Научная новизна работы. В северной части Краснодарского края впервые проведено изучение динамики цинка в почве по сезонам и годам, а также определено его содержание в других элементах агроландшафта - в воде, растениях и других биологических объектах.
Практическая значимость работы. Результаты исследований позволяют дать комплексную оценку динамики накопления цинка в элементах агроландшафта, а также выявить причины варьирования его содержания в почве, воде и растениях по сезонам года в конкретных условиях зерновой зоны в северной части Краснодарского края, что является основой для разработки программы по улучшению экологической ситуации этого сельскохозяйственного района.
Положения, выносимые на защиту: 1. Анализ динамики цинка в почвах агроландшафта по сезонам и годам. 2. Оценка накопления цинка в биологических объектах.
8 Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на научных семинарах и конференциях НИИ прикладной и экспериментальной экологии, на заседаниях кафедры общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета в 1998-2006 гг.
Содержание цинка в почве
Источники поступления цинка в почву можно разделить на природные и техногенные. К природным, в первую очередь, относятся выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическую деятельность; к техногенным - добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, сельскохозяйственное производство (Алексеев, 1987, Минеев, 1990; Ильин 1991; Рэуце, 1986; Тютюнник, 1992). На земли, используемые в сельскохозяйственном производстве, цинк, помимо поступления через атмосферу, вносится и напрямую в составе пестицидов, минеральных (особенно фосфорных) и органических удобрений, а также сточных вод, используемых для полива (Расупа, 1984; Торшин и др., 1990; Ефремов, 1988).
На поверхность почвы цинк поступает в форме оксидов, гидроксидов и солей различных кислот (главным образом, сульфидов, сульфатов и карбонатов). Далее в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории, происходит концентрация или рассеивание элемента (Серебренникова, 1980). Однако обычно большая часть поступившего металла концентрируется в верхних гумусовых горизонтах за счет связывания с органическим веществом почвы, аккумулирования в гидроксидах железа и аллюминия, а также связывания с карбонатами почвы (Зырин, 1979; Александрова, 1980; Ильин, 1991; Колесников и др. 2000).
Согласно И.О. Алексееву (1987), классификация форм цинка строится с учетом метода выделения форм и перехода соединений элемента в различные растворители: 1) водорастворимые; 2) обменноспособные; 3) легкорастворимые; 4)кислоторастворимые; 5)фиксированные и прочнофиксированные. Н.Г. Зырин и др. (1972) среди форм цинка выделяли: 1)мобильные соединения непосредственно источник и резерв питания растений - водорастворимые, ионообменные, непрочнофиксированные формы соединений;
2)фиксированные соединения - хемосорбционные ионы, труднорастворимые соли, входящие в состав комплексных соединений и стабильных органических веществ; 3)изоморфные примеси в минералах.
Соотношение между различными формами цинка определяется многими факторами: почвенно-климатическими условиями, видовым составом растений и животных, микробиологической активностью и антропогенным воздействием на почвы. К почвенным факторам можно отнести состав и свойства материнской породы, генезис почв, процессы почвообразования и массо-обмен в почвах, реакцию среды и окислительно-восстановительные свойства почв (Ладонин, 2002; Панников, 1987).
Все соединения цинка, за исключением находящихся в кристаллической решетке почвенных минералов, в различной степени используются растениями, однако наиболее доступной для них является подвижная форма цинка. Наименьшим содержанием подвижной формы цинка отличаются карбонатные черноземы (около 15% от валового содержания цинка в почве), немного больше его в нейтральных дерново-подзолистых и дерново-карбонатных почвах (21%). Наибольшая же доля подвижного цинка (около 35 %) характерна для кислых дерново-подзолистых и торфяно-глеевых почв, а также бурой лесной почвы (Mansell, 1990; Алексеев, 1985; Вайчис, 1998)
Б.А. Ягодин (1996) к факторам, контролирующим подвижность цинка в почвах, относят: реакцию почвенного раствора, содержание органического вещества и окислительно-восстановительные условия. Подвижность цинка увеличивается с повышением кислотности почвы. Влияние подщелачивания на мобильность этого элемента зависит от состава катионов почвенного раствора и поглощающего комплекса: в солонцеватых почвах, содержащих натрий, образуются растворимые цинкаты натрия; в карбонатных почвах, где в избытке кальций, — нерастворимые цинкаты кальция. Поэтому во многих исследованиях отмечается отрицательная связь со степенью насыщенности почв кальцием (Шустов, 1995; Ягодин, 2002).
Кроме того, реакция среды влияет и на интенсивность сорбции цинка минералами. Сорбция тяжелых металлов минералами уменьшается с увеличением кислотности почвы. Основным методом снижения подвижности цинка на загрязненных почвах посредством образования гидроокисей и карбонатов является повышение показателя рН почвы путем известкования, хотя этот метод эффективен не для всех почв и растений (Графская, Величко, 1998; Овчаренко, 1998; Шильников и др., 1957).
Отрицательное воздействие на концентрацию подвижных форм цинка оказывает содержание фосфора в почве. Фосфаты почвы, образуя труднорастворимые соединения с цинком, снижают его подвижность. Поэтому одностороннее внесение фосфорных удобрений (за исключением фосфата аммония) способно негативно сказаться на доступности цинка растениям, а на карбонатных почвах даже вызвать снижение продуктивности у чувствительных видов растений. Внесение же в почву азота, наоборот, увеличивает долю подвижных форм цинка (Пейве, 1961; Петербургский, 1971).
Доля подвижных форм снижается также с возрастанием гумусирован-ности почвы, что объясняется способностью гуминовых и фульвокислот образовывать устойчивые комплексы с цинком.
Природно-климатические условия района
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 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. Лесс состоит из осадков, образовавшихся в результате выветривания.
Район - тектонически-активный. Местность может подвергаться землетрясению силой до 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: в 75-150 м от берега реки Средний Челбас вдоль улиц хутора 1,5-2,0 м; в 250- 300 м от берега реки Средний Челбас - 4,0 м. В южной и центральной частях хутора - 8,0 м (Вальков, 1996; Белюченко и др., 2000; Атлас Краснодарского края и Республики Адыгеи, 1996).
Ландшафт левобережной части изучаемой местности имеет хорошо выраженный уклон с юга на север в сторону реки Средний Челбас, которая пересекает его в северо-западном и западном направлениях. Правобережная часть разделена водоразделом: южная часть имеет уклон с севера на юг к реке Средний Челбас, северная часть, наоборот, имеет уклон с юга на Север к реке Челбас. К долине реки Средний Челбас приурочены сельские поселки, образующие прерывистую «нить» жилых агломераций. Заливные земли расположены на слабо наклоненной равнине.
Ландшафт сложен лессовыми и лессовидными глинисто-суглинистыми отложениями. Почвы представлены обыкновенными черноземами.
В данной местности распространен понтийский тип растительности, представленный, в основном, разнотравно-ковыльными сообществами с преобладанием дерновинных злаков. В данном хозяйстве выделяются следующие типы ландшафтов:
1. Промышленный. Подразделяется на ландшафты автодорог и промышленный комплекс. К ландшафтам автодорог относятся грунтовые и асфальтированные дороги. Промышленный комплекс представлен пищекомби-натом, который занимает площадь 1,4 га.
2. Селитебный ландшафт. Представлен жилыми и производственными помещениями, преимущественно одноэтажными. Здесь осуществляется миграция населения в соседние сельскохозяйственные и промышленные ландшафты, связанная с жизнедеятельностью человека.
3. Сельскохозяйственный ландшафт. Он занимает большую часть территории и представлен ландшафтами богарных угодий и животноводческих ферм. Ландшафт животноводческих ферм сравнительно небольшой по занимаемой площади и представляет собой небольшие участки, занятые свинотоварной и молочно-товарными фермами. К ним относятся и небольшие площадки с отходами животноводства.
Ландшафты богарных угодий: неорошаемые поля с севооборотом зерновых, кормовых и технических культур (занимают 80-85 %), на базе определенной системы земледелия (подготовка почвы, внесение удобрений, пестицидов, механизация технологических процессов и т.д.).
В хозяйстве преобладает два типа севооборотов: девятипольный и семипольный с выращиванием, главным образом, чистых сельскохозяйственных культур, составляющих основу агроландшафтных систем, основным направлением которых является зерно - свекловично-масличное, с развитым кормопроизводством (Белюченко и др., 2002).
Почва. Исследуемый ландшафт представлен одним типом почв - чернозем обыкновенный, который имеет хорошую структуру, высокую пористость и водопроницаемость.
Содержание гумуса в почвах составляет 3,6-4,2 %, с рН 8,1-8,3. Щелочная реакция среды связана с присутствием СаСОз. Карбонат кальция содержится в поверхностных горизонтах. Запасы СаСОз на глубине 0-200 см -2400 т/га. Гранулометрический состав большей частью глинистый и тяжелосуглинистый. Механические элементы скоагулированы в прочные микроагрегаты, преобладающая часть которых по размеру относится к песчаной и крупнопылеватой фракциям. Бонитет обыкновенных черноземов на территории хозяйства составляет 85 баллов.
Особенности распределения подвижной формы цинка в почвах ландшафта
В результате проведенных исследований было выявлено сильное варьирование содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах, как по положению на определенном элементе рельефа, так и по сезонам года.
Весной в пахотном слое среднее содержание подвижной формы цинка находится практически на одинаковом уровне для всех элементов рельефа и не превышает 5-6 мг/кг почвы (рис. 32). При продвижении вглубь почвенного профиля содержание подвижного цинка начинает снижаться; на глубине 20-40 см концентрация элемента снизилась в среднем на 1 мг/кг почвы. Это объясняется тем, что цинк, поступивший с минеральными удобрениями, уже распределился по верхнему пахотному горизонту, однако в нижележащие слои водой еще сильно не инфильтрован.
Однако уже на глубине 40-60 см во всех разрезах начинают наблюдаться колебания показателей цинка между различными элементами рельефа. Так, для водораздела и склонов содержание цинка на этой глубине не изменяется (3,4-3,5 мг/кг), а в балке, наоборот, вырастает практически в два раза (7,53 мг/кг), вместе с тем на этой глубине повышается содержание глинистых частиц в почве (табл. 26). По-видимому, на данной глубине в балке располагается геохимический барьер, связанный с изменением физических и химических свойств почвы, а так же с небольшой глубиной залегания грунтовых вод, которые к моменту исследования начали постепенно опускаться.
Подобный барьер на склоне находится на глубине 60-80 см, однако здесь, наряду с повышением содержания глинистых частиц в почве, снижается рН, что, в свою очередь, способствует увеличению содержания подвижной формы цинка. Также здесь нет, в отличии, от балок, близкорасположенных к поверхности грунтовых вод. В балках же наоборот происходит резкое снижение концентрации цинка, что косвенным образом подтверждает предположение о связи барьера, расположенного в вышележащем слое почвы, с грунтовыми водами.
На глубине 80-100 см наблюдается незначительное снижение концентрации цинка вместе со снижением количества глинистых частиц и повышением рН. Однако в балке происходит резкое падение концентрации подвижных соединений цинка и отмечаются признаки недавнего стояния грунтовых вод (резкое повышение щелочности, снижение содержания гумусовых веществ и глинистых частиц).
