Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ 9
1.1 Экологические свойства кобальта в ландшафтных системах 9
1.1.1 Содержание кобальта в почве 10
1.1.2 Связь между содержанием кобальта и другими характеристиками почвы 16
1.1.3 Динамика кобальта по профилю почвы 18
1.1.4 Поведение кобальта в водных системах 22
1.1.5 Содержание кобальта в растениях 27
1.1.6 Кобальт в системе корма - животные - продукты животноводства 30
1.2 Цель и задачи исследований 34
Глава 2 ПРИРОДНО - КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 36
2.1 Природно-климатические условия района 36
2.2 Климатические условия в годы проведения исследований 44
2.3 Методика проведения исследований 53
Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 56
3.1 Результаты площадной съемки содержания кобальта в поверхностном слое почвы ландшафта 56
3.1.1 Распределение подвижной формы кобальта в почвах ландшафта 56
3.1.2 Распределение валового кобальта в почвах ландшафта 59
3.2. Динамика подвижных форм кобальта в почвах агроландшафта 62
3.3. Динамика валового кобальта в верхнем слое почвы агроландшафта 74
3.4. Динамика кобальта по профилю почвы 84
3.4.1. Динамика подвижных форм кобальта по профилю почвы по сезонам года и элементам рельефа 86
3.4.2. Динамика валового содержания кобальта по профилю почвы по сезонам года и элементам рельефа 91
3.5 Корреляционные связи между содержанием кобальта и некоторыми характеристиками почвы 97
3.6 Содержание кобальта в водной системе 101
3.6.1 Содержание кобальта в воде 101
3.6.2 Содержание кобальта в донных отложениях 103
3.7. Содержание кобальта в растительных кормах 105
3.8 Содержание кобальта в некоторых тканях, продуктах и отходах жизнедеятельности КРС 107
3.8.1. Содержание кобальта в крови и внутренних органах животных 107
3.8.2. Содержание кобальта в молоке коров 108
3.8.3. Содержание кобальта в экскрементах и моче животных НО
ВЫВОДЫ 112
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
- Содержание кобальта в почве
- Природно-климатические условия района
- Распределение подвижной формы кобальта в почвах ландшафта
Введение к работе
Проблема микроэлементов всегда привлекала большое внимание исследователей - биологов и работников сельскохозяйственного производства. Это обусловлено важной физиологической ролью микроэлементов в жизни растений, животных и человека. Большое значение в развитии учения о микроэлементах имеют труды А.П. Виноградова (1956, 1957), П.А. Власюка (1969, 1979), В.В. Ковальского (1971,1973), Я.В. Пейве (1961), М.Я. Школьника (1957,1963) и др.
Рациональное использование микроудобрений в настоящее время является важной составной частью проблемы химизации сельского хозяйства. Применение микроудобрений без учета содержания микроэлементов в почвах может не оказать положительного эффекта, а при их избытке привести к отрицательным результатам, включая возможные отравления животных и человека. Поэтому очень важно изучение содержания микроэлементов в почвах, влияния их в конкретных почвенно-климатических условиях на качество урожая растений, с которым они поступают в организмы консументов.
Почвы Краснодарского края сравнительно хорошо изучены в генетическом и агрохимическом отношении, однако содержание, распределение и подвижность многих микроэлементов в них изучались в основном 30-40 лет назад.
Ведение современного сельскохозяйственного производства требует все более действенных мер для охраны отдельных биотипов и биотопов. Большое значение в этом контексте имеет непрерывный аналитический контроль цепи: почва - вода - растения, корма - животные - продукты животноводства. Однако до сих пор нет четких данных о степени перехода элементов из почвы и воды в растения, из кормов и воды в животноводческую продукцию и т. д. Достаточно спорным остается вопрос о месте депонирования микроэлементов (включая органометаллические соединения) в организме животных. В своей работе мы
попытались определить концентрацию кобальта, относящегося к группе тяжелых металлов - микроэлементов, в почве, водной среде, в некоторых продуктах растениеводства и животноводства.
На наш взгляд, оценить характер содержания кобальта в почвах достаточно сложно, поскольку используемые для этой цели предельно допустимые концентрации (ПДК) разработаны весьма приблизительно и соотносятся только с подвижной формой. Крайне мало данных, характеризующих реакцию отдельных видов (сортов) растений к накоплению кобальта.
Поскольку почва в условиях активного хозяйственного использования агроландшафтной системы является основным аккумулятором и многолетним концентратором разнообразных веществ, одной из наших задач было проследить динамику валового и подвижного кобальта (одного из спорных тяжелых металлов - микроэлементов) в почве в течение длительного временного периода (8 лет) и по сезонам года. Его содержание также определяли в сельскохозяйственных продуктах (зерно, молоко).
Объектом наших исследований был агроландшафт в колхозе "Заветы Ильича" Ленинградского района, на четырех полях которого был организован многолетний мониторинг динамики кобальта по сезонам и годам вегетации при одновременном выращивании на этих полях чередующихся культур действующего севооборота. Исследования подвижных форм кобальта ведутся нами с 1998 года, а валовое содержание определяется с 2001 года. Оценка содержания кобальта в зерне, кормах, крови, молоке, фекалиях ведется нами с 2001. Анализ образцов проводился в лаборатории тяжелых металлов НРШ 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 прикладной и экспериментальной экологии кандидат биологических наук В.Н. Гукалов, сотрудники лаборатории
тяжелых металлов и лаборатории системной экологии, всем им выражаю искреннюю признательность. Глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку в работе выражаю своему научному руководителю профессору И.С. Белюченко.
Содержание кобальта в почве
Накопление в почвах кобальта, как и других металлов, может наблюдаться не только в индустриальных районах, но и в почвах сельскохозяйственного использования (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Черных, 1995; Шеуджен, 2003). Применяемые в земледелии средства химизации (минеральные, органические удобрения, нетрадиционные виды удобрений, навоз, известь) являются источниками дополнительного поступления в почву тяжелых металлов (Белюченко, 2001; Потатуева и др., 2001). Для кобальта, однако, не характерен высокий уровень подвижности (Бреус, Садриева, 1997; Овчаренко, 1997; Волошин, 1997; Гишина, Иванова, 1997). Тяжелые металлы, включая и кобальт, концентрируются в основном в верхнем слое почвы (2—5 см).
Н.Г. Зырин (1979) отмечает, что валовое содержание кобальта включает ряд форм: водорастворимые, обменные и легкорастворимые, в составе органических веществ, свободных окислов железа, глинистых и первичных минералов.
В природных условиях, тесно связанных с геохимическими циклами железа и марганца, кобальт встречается в ионных формах Со и Со , возможно образование комплексного аниона Со(ОН)з. В кислой среде кобальт относительно подвижен, но не мигрирует в растворах из-за активной сорбции оксидами железа, марганца и глинистыми минералами (Шеуджен, 2003).
Кроме того, при низких значениях рН происходит взаимообмен ионов Со и Мп , в результате чего образуется Со(ОН)2, который осаждается на поверхности оксидов. С увеличением рН сорбция кобальта оксидами марганца резко усиливается (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В гумидных ландшафтах кобальт выщелачивается из почв, его мало и в растениях. В Шотландии, Австралии, нечерноземных областях бывшего СССР известны заболевания домашних животных из-за дефицита кобальта (требуется подкормка и удобрения посевов растений кобальтом). Особенно бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. В сухом климате кобальт мигрирует в почвах слабо, и дефицит этого элемента наблюдается реже (Перельман, 1989).
Концентрация кобальта в почвенных растворах находится на уровне 1-Ю мкг/л (Зырин, 1979). В условиях промывного режима металл мигрирует в почве с инфильтрационными водами в нижние горизонты, хотя наибольшее его содержание приурочено к верхнему пахотному слою почвы (Овчаренко, 1997).
Подвижность кобальта в почве и его поступление в растения весьма варьирует и зависит от многих факторов: вида растений, почвенных и климатических условий, сроков уборки культур и т.д. К почвенным факторам относятся: гранулометрический состав, содержание органических веществ, количественное соотношение гумусовых кислот, содержание первичных и вторичных минералов, реакция среды, емкость катионного обмена, содержание полуторных окислов железа и марганца, дренированность и др.
Поглотительная способность почв обусловлена наличием в них мелкодисперсной фракции различных минералов, органического вещества, минеральных и органических кислот и подразделяется на физическую, химическую, биологическую и физико-химическую.
Физическая поглотительная способность почв связана с размером частиц минеральной фракции и повышается с уменьшением их размера, что способствует нарастанию их суммарной поверхности и адсорбирующей способности (Самонова, Шахпендерян, 1996). Такой способностью обладают частицы вермикулита, монтмориллонита (глинистые минералы со слоистой структурой), для которых свойственно поглощение уравновешивающих катионов. Такой особенностью не обладают измельченные частицы некоторых других минералов, например, кварца, емкость поглощения которого очень низкая. Глинистые или тяжелосуглинистые почвы, содержащие монтмориллонит, вермикулит и подобные им минералы, характеризуются высокой поглотительной способностью. Емкость катионного обмена различных глин в расчете на 100 г колеблется от 3 до 15 мг-экв. для каолинита, от 10 до 40 мг-экв.— иллита и хлорита, от 80 до 150 мг-экв.— монтмориллонита и для вермикулита от 100 до 150 мг-экв (Алексеев, 1987). Поэтому почвы, имеющие одинаковый механический состав, существенно различаются емкостью катионного обмена. Так, глинистые почвы, минералогический состав которых представлен преимущественно каолинитом, обладают практически такой же поглотительной способностью, как супесчаные и песчаные почвы.
Почвенные минеральные и органические коллоиды несут преимущественно отрицательный заряд и обладают выраженными способностями поглощать катионы (положительно заряженные ионы металлов). Некристаллические глинистые минералы, такие, как аллофан, цеолит и др., могут фиксировать и адсорбировать как катионы, так и анионы. Сорбция тяжелых металлов минералами уменьшается с увеличением кислотности почвы.
Природно-климатические условия района
Геоморфологически изучаемая местность располагается в пределах Прикубанской степной равнины на пологом левом склоне реки Средняя Челбаска. Склоны реки Средняя Челбаска 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 Средняя Челбаска 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 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:
1. В 75-150 м от берега реки Средняя Челбаска вдоль улиц хутора - 1,5-2,0 м.
2. В 250- 300 м от берега реки Средняя Челбаска - 4,0 м.
3. В южной и центральной частях хутора - глубже 8,0 м (Вальков, 1996; Гукалов и др., 2000; Атлас Краснодарского края и Республики Адыгеи, 1996).
Тип отложений представляет почву слабого типа и при реализации проекта может вызвать проблемы, связанные со стабильностью склонов. Березанский разлом активен и может привести к оползанию земли.
Ландшафт. Рельеф изучаемой местности имеет хорошо выраженный уклон с юга на север в сторону реки Средняя Челбаска, которая пересекает его в северо-западном и широтном направлениях. К долине реки Средняя Челбаска приурочены сельские поселки, образующие прерывистую «нить» жилых агломераций. Заливные земли расположены на слабо наклонной равнине.
Ландшафт сложен лессовыми и лессовидными глинисто-суглинистыми четвертичными отложениями. Почвы представлены обыкновенными черноземами.
В данной местности распространен понтийский тип растительности, представленный в основном разнотравно-ковыльными сообществами с преобладанием дерновинных злаков. В хозяйстве существуют пастбища площадью 70 га. Территория хозяйства мало отличается от окружающих хозяйств. В данном хозяйстве выделяются следующие ландшафтные зоны:
1. Промышленный ландшафт. Подразделяется на ландшафты автодорог и промышленный комплекс. К ландшафтам автодорог относятся грунтовые и асфальтированные дороги. Промышленный комплекс представлен пищекомбинатом, занимает площадь 1,4 га.
2. Селитебный ландшафт представлен жилыми и производственными помещениями, преимущественно одноэтажными. Здесь осуществляется миграция населения связанная с жизнедеятельностью человека, в соседние сельскохозяйственные и промышленные ландшафты.
3. Сельскохозяйственный ландшафт. Он занимает большую часть территории и представлен ландшафтами богарных угодий и животноводческих ферм. Ландшафт животноводческих ферм сравнительно мал по занимаемой площади и представляет собой небольшие участки, занятые свино-товарной и молочно-товарной фермами. К ним относятся и небольшие площадки с отходами животноводства.
Ландшафты богарных угодий: неорошаемые поля с севооборотом пищевых, кормовых и технических культур (занимают 80-85 %), на базе определенной системы земледелия (подготовка и культивация почвы, внесение удобрений, пестицидов, механизация технологических процессов и т.д.).
В хозяйстве преобладает два типа севооборота: 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).
Распределение подвижной формы кобальта в почвах ландшафта
Основной объем работы по оценке валового содержания и концентраций подвижной формы кобальта мы проводили в достаточно длительный период времени с 1998 по 2005 год на выбранном участке мониторинга общей площадью 450 га. Выбор этого участка осуществлялся на основе сравнения рельефа, характеристики почв, технологии выращивания сельскохозяйственных культур с учетом уровней антропогенного давления и агрономического состояния почв. При сравнительном анализе этих показателей для мониторинга, был выбран усредненный вариант всей территории хозяйства.
Мониторинг динамики различных форм кобальта по сезонам и годам вегетации показал определенные колебания результатов исследования в разные периоды года, что можно объяснить колебаниями погодных условий, специфичностью технологии возделывания отдельных сельскохозяйственных культур и т.д. Эти различия в поведении кобальта по годам поставили вопрос о представительности выбранной для мониторинга территории по отношению ко всей территории агроландшафтной системы хозяйства. Поэтому в июле 2001 года была проведена съемка всей территории хозяйства на площади 8000 га с учетом специфики всех составляющих агроландшафтных систем: полей севооборотов, придорожных территорий, поймы реки, лесных полос, прифермерских участков, промышленной зоны хозяйства и т.д. Было проанализировано свыше 300 образцов почвы, 40 проб воды, 15 проб ила, а также свыше 20 проб растений. Результаты исследований почвенного покрова представлены в форме карты (рис. 3).
