Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
1.1 Свойства марганца в ландшафтных системах 10
1.1.1 Содержание марганца в почве 12
1.1.2 Влияние марганца на свойства почвы 17
1.1.3 Распределение марганца по профилю почвы, связь между содержанием марганца, глины и гумуса в почве 19
1.1.4 Марганец в водных системах 21
1.1.5 Марганец в растениях 26
1.1.6 Марганец в системе почва - корма - животные - продукты животноводства 30
1.2 Цель и задачи работы 36
Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 39
2.1 Природно-климатические условия района 39
2.2 Климатические условия в годы проведения исследований 47
2.3 Методика проведения исследований 55
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 57
3.1 Результаты площадной съемки содержания марганца в почвах ландшафта 57
3.1.1 Содержание подвижной формы марганца в почвах ландшафта 57
3.1.2 Содержание валового марганца в почвах ландшафта 61
3.2 Динамика подвижной формы марганца в верхнем слое почвы агроландшафта 65
3.3 Динамика валового марганца в верхнем слое почвы агроландшафта 79
3.4 Распределение марганца по профилю почвы 88
3.4.1 Распределение подвижной формы марганца по профилю почвы в различных элементах рельефа 90
3.4.2 Распределение валового марганца по профилю почвы в различных элементах рельефа 95
3.5 Корреляционные связи между содержанием марганца в почве и некоторыми характеристиками почвы 100
3.6 Марганец в воде и донных отложениях ЮЗ
3.7 Содержание марганца в растительных кормах 109
3.8 Содержание марганца в крови, молоке, моче и экскрементах крупного рогатого скота 112
3.8.1 Содержание марганца в крови КРС 112
3.8.2 Содержание марганца в молоке коров
3.8.3 Содержание марганца в моче и экскрементах КРС 115
ВЫВОДЫ 118
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 121
ЛИТЕРАТУРА 122
- Содержание марганца в почве
- Природно-климатические условия района
- Содержание подвижной формы марганца в почвах ландшафта
Введение к работе
Большая группа химических элементов, таких как свинец, медь, никель, кобальт, марганец, олово, цинк, кадмий и др. в научной литературе получила название «тяжелые металлы». С этим термином связано представление об их токсичности для живых организмов. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, имеющих плотность свыше 4,5 г/см3 или масса атомов которых составляет свыше 40 атомных единиц массы (Добровольский, 1998). Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, поскольку к ним часто относят элементы-неметаллы (например, мышьяк, селен, фтор, бериллий и другие).
Представления об обязательной токсичности тяжелых металлов является заблуждением, так как к этой группе относятся элементы, большое позитивное биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Некоторые из них получили название микроэлементов, что было связано не с их величиной, а с теми концентрациями, в которых они необходимы для живых организмов. Таким образом, микроэлементы и тяжелые металлы нередко представляют собой понятия, относящиеся к одним и тем же элементам, но используемые в разных значениях, характеризующих их концентрацию в почве, удобрениях, а также в продукции растениеводства и животноводства. Термин «тяжелые металлы» справедливо использовать, когда речь идет об опасных для живых организмов концентрациях элемента и говорить о нем же, как о микроэлементе в том случае, когда он находится в почве, растениях, организмах животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или минеральная добавка к корму для улучшения условий роста и развития растений и животных (Алексеев, 1987).
Многие заболевания животных и человека связаны с недостатком или избытком микроэлементов в пище. Поскольку источником микроэлементов для животных и человека служат растения, получающие их из почвы, то
исследование микроэлементов в почвах важно не только для растениеводства, но и для животноводства и медицины (Гончарова, 1993).
Одним из наиболее значимых для живых организмов микроэлементов является марганец. Первые работы о физиологическом значении марганца для роста и развития растений принадлежит французскому исследователю Г.Э. Бертрану (1897) (цит. по Власюк, Климовицкой, 1969). В настоящее время известно, что физиологическая роль марганца определяется, прежде всего, его участием в окислительно-восстановительных процессах, совершающихся в живой клетке. Он играет большую роль в процессе фотосинтеза и азотном обмене растений. При марганцевом голодании растения угнетаются, замедляется их рост, снижается продуктивность, а на листьях появляются хлоротичные пятна (Тонконоженко, 1968). При недостатке марганца у животных наблюдаются затруднения в репродукции, дефекты в развитии скелета - укорочение длинных костей, у цыплят -перезис (искривление коленного сустава) и т.д. (Ноздрюхина, Гринкевич, 1980). Марганцевый дефицит у человека приводит к бесплодию, ухудшению роста скелета (Торшин, 1990; Кукушкин, 1998). В то же время повышенные концентрации данного элемента в живых организмах способны вызвать тяжелые заболевания, связанные с резким нарушением обмена веществ.
Столь большое значение марганца в жизни растений, животных и человека, установленное исследователями (Виноградов, 1957; Акимцев, 1966; Власюк, 1969 и др.), открывает перспективы для использования его в качестве элемента, с помощью которого можно направлять, регулировать многие процессы в живых организмах. В то же время его распределение в почвенном и растительном покрове многих конкретных регионов изучено ещё недостаточно.
В данной работе представлены результаты исследований, полученные при изучении содержания, распределения в почвах, природных водах, растениях и в некоторых биологических объектах одного из ряда важнейших микроэлементов - марганца. Исследования проводились в период с 2001 по
2005 гг. Объектом исследований был агроландшафт в хозяйстве "Заветы Ильича" Ленинградского района, на четырех полях которого был организован многолетний мониторинг динамики марганца по сезонам и годам вегетации при одновременном выращивании на этих полях чередующихся культур действующего севооборота. Стационарный полевой полигон мониторинга общей площадью 450 га составляет одну восьмую площади всего хозяйства. В течение всего периода исследований была определена сезонная и годовая динамика валового и подвижного марганца в пахотном слое, распределение элемента по профилю почвы, сезонная и годовая динамика марганца в воде реки Средняя Челбаска и ее донных отложениях. Дана оценка содержания марганца в кормах, а также некоторых тканях и продуктах жизнедеятельности крупного рогатого скота.
Анализ образцов осуществлялся сотрудниками лаборатории тяжелых металлов НИИ прикладной и экспериментальной экологии. С помощью атомно-абсорбционного спектрометра «Квант-2А»» анализировались пробы почвы, донных отложений и воды, с помощью спектрометра «Квант- Z.3TA» осуществлялся анализ кормов, проб молока, крови, экскрементов.
Большую помощь в нашей работе оказал заведующий отделом мониторинга агроландшафтных систем НИИ прикладной и экспериментальной экологии кандидат биологических наук В.Н. Гукал ов, а также сотрудники лаборатории тяжелых металлов всем им выражаю искреннюю признательность. Благодарность за постоянную помощь и поддержку в работе выражаю своему научному руководителю профессору И.С. Белюченко.
Содержание марганца в почве
Главным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы. Микроэлементы могут поступать в почву с метеоритной и космической пылью, вулканическими газами, морскими брызгами, из почвенно-грунтовых вод, в результате геохимической деятельности человека и техногенного загрязнения биосферы (Сапрыкин, -1984).
В почвах наблюдаются накопление, поглощение и закрепление ; большого числа микроэлементов. Поглощение микроэлементов происходит различными путями: они могут входить в состав поглощенных катионов, в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов, могут давать собственные коллоидные минералы, адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц, входить в состав органического вещества, образовывать нерастворимые соединения (соли, оксиды) (Протасова, 1998;).
Марганец является одним из наиболее распространенных микроэлементов в литосфере. Его содержание в горных породах изменяется в пределах 350-2000 мг/кг (Рубилин, 1968). Валовое содержание элемента в почве выражается значительными величинами. По данным А.П. Виноградова (1957), в пахотном слое различных почв содержится следующее количество марганца (%): в дерново-подзолистых - 0,06-0,09, лесостепных - 0,06-0,20, черноземе - 0,08-0,29.
Относительно содержания марганца в почвах Краснодарского края Тонконоженко Е.В. (1973) выделяет несколько групп: в группу с содержанием менее 650 мг/кг отнесены черноземы долинные, слабогумусные, малогумусные карбонатные, каштановые почвы Тамани, луговые, и аллювиально-луговые суглинистые почвы; в группу с количеством валового марганца 650-900 мг/кг выделены черноземы среднегумусные, солонцы луговые, лугово-черноземные глинистые, перегнойно-карбонатные, черноземы малогумусные слабо выщелоченные, выщелоченные и слитые; в группу с содержанием этого элемента 900-1250 мг/кг отнесены горно-лесные и лесостепные серые почвы. Наиболее обеспечены марганцем горно-лесные бурые почвы - 900-1500 (2500) мг/кг.
Распределение марганца в почвенной толще весьма неоднородно. Известно, что он концентрируется не только в виде различных конкреций, но и в виде отдельных примазок, обычно обогащенных рядом других микроэлементов (Обухова, 1968). Наиболее высокие содержания Мп отмечаются для почв, развитых на основных породах, для почв, богатых железом и органическим веществом, а также для почв аридных и семиаридных районов. Марганец может накапливаться в разных почвенных горизонтах, особенно в обогащенных оксидами и гидроксидами железа, однако обычно этот элемент аккумулируется в верхнем слое почв вследствие его фиксации органическим веществом (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Содержание микроэлементов и их распределение зависит от направления и степени развития почвообразовательного процесса и особенностей их поведения в ландшафте (Козаченко, 1987; Лупина, 2002). Характер распределения микроэлементов в почвенном покрове определяется его гумусностью, гранулометрическим составом, реакцией среды, окислительно-восстановительными условиями, емкостью поглощения, содержанием СОг- В кислой среде уменьшается подвижность молибдена, но увеличивается подвижность меди, марганца, цинка и кобальта. Такие микроэлементы, как бор, фтор и йод, подвижны как в кислой, так и в щелочной среде. Некоторые микроэлементы, например бор, образуют с органическим веществом растворимые соединения, другие (йод, медь) закрепляются и становятся недоступными для растений (Ягодин, 1996; 2002).
Преобладающая часть содержащихся в почве микроэлементов растениям не доступна. Так называемые подвижные формы Си, Со, Мп (то есть доступные растениям) составляют только 10-25% от общего количества, для Zn и Мо их доля меньше, иногда около 1%. Одна из причин заключается в том, что значительная часть их входит в состав почвенных минералов, нередко состоящих из песчаных частиц, а такие частицы не подвергаются быстро разрушающему действию дождевых вод или корневых выделений, и поэтому входящие в их состав элементы питания растениями не усваиваются (Chao, 1972; Орлов, 1998).
Изучая микроэлементный состав почв Краснодарского края, Е.В. Тонконоженко (1973) в своих работах изучал зависимость содержания подвижного Мп от его валового количества. Определяя коэффициент корреляции, была установлена отчетливо выраженная прямая зависимость между валовым и подвижным марганцем для основных почв степных и горно-лесных ландшафтов (г = +0,72±0,09).
В почве встречается много разнообразных соединений Мп, что определяется в первую очередь химическими свойствами этого элемента (Chester, 1967; Петербургский, 1979). Марганец может находиться в почвах в форме двух-, трех- и четырехвалентных соединений. Согласно RJ. Bertlett (1986), цикл марганца в почвах состоит из трех стадий: а) восстановления двухвалентного марганца ионами железа, а также хромом, серой и легкоокисляемым органическим веществом; б) абсорбции двухвалентного марганца формами МпОг и Мп3+; в) окисление двухвалентного марганца до трех- или четырехвалентного состояния свободными гидроксильными радикалами и атмосферным кислородом.
Природно-климатические условия района
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 следующие:
1. На глубине 1,5-2,0 м вдоль улиц хутора (75-150 м от берега реки Средняя Челбаска).
2. На расстоянии 250-300 м от берега реки Средняя Челбаска-4,0 м.
3. В южной и центральной частях хутора - на глубине более 8,0 м (Вальков, 1996; Гукалов и др., 2000; Атлас Краснодарского края и Республики Адыгеи, 1996).
Ландшафт. Рельеф изучаемой территории 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. 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. На изучаемой территории 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 общую площадь 1,4 га.
2. Селитебный ландшафт представлен жилыми и производственными помещениями, преимущественно одноэтажными.
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 свинотоварной 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; 2005).
Содержание подвижной формы марганца в почвах ландшафта
В международной практике Мл считается малотоксичным элементом (Моисеенко и др., 2005). Скорее всего, данный факт и обусловливает весьма высокий норматив ПДК для подвижных форм рассматриваемого элемента (500 мг/кг при рН 6,0).
В своих работах профессор Е.В. Тонконоженко (1973) указывает на то, что угнетающее воздействие марганца на растения проявляется при концентрациях его мобильных форм в почве свыше 300 мг/кг, почвы с содержанием рассматриваемых форм элемента менее 40 мг/кг считаются обедненными марганцем, почвы с концентрацией 40-80 мг/кг - средне обеспечены им (экстрагент 0,1 н раствор серной кислоты).
В своей работе при определении подвижных форм марганца мы использовали для экстрагирования 1 М раствор азотной кислоты, извлекающий максимальное количество доступных для растений форм металлов (Овчаренко, 1997).
По итогам площадной съемки был установлен диапазон варьирования концентраций подвижной формы марганца в почвах исследуемого хозяйства, который составил от 142,2 до 288,3 мг/кг почвы. Среднее содержание мобильной формы элемента в почве равно 189,5±1,5 мг/кг, что значительно ниже предельно допустимой концентрации (500 мг/кг).
Основная земельная площадь хозяйства характеризуется содержанием подвижных форм марганца в интервале от 146,0 до 268,0 мг/кг (табл. 5). Несколько иная картина характерна для полей мониторинга. Среднее содержание марганца в почвах зоны мониторинга оказалось несколько выше значений концентраций, выявленных в целом для всей площади хозяйства. Более того, установлено, что в почвах полигонов не отмечено проб с содержанием марганца менее 150 мг/кг. Выявленные факты свидетельствует о регулярном применении микроудобрений или других препаратов, содержащих марганец, на полях севооборота. Средние концентрации подвижного элемента в почвах в целом по хозяйству и по полям мониторинга, выявленные для диапазонов свыше 250 мг/кг разнятся незначительно, и равны 267,6 и 262,2 мг/кг соответственно. Данные особенности указывают на то, что регулярное применение марганецсодержащих препаратов в целом не повлекло за собой существенного увеличения концентраций подвижных форм элемента в почвах полей севооборота.
Оценивая соотношение отобранных образцов почвы в целом по хозяйству и по полям мониторинга по уровню содержания в них подвижных форм марганца, следует отметить, что в основном количестве почвенных проб (94%) содержание этого элемента колеблется от 170,0 до 220,0 мг/кг.
