Содержание к диссертации
Введение
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ ПОЧВА-РАСТЕНИЯ 9
1.1. Влияние техногенного загрязнения на физико-химические свойства почвы 9
1.2. Экологическая оценка органического вещества почв в условиях техногенного загрязнения 15
1.3. Почвенные беспозвоночные как индикатор техногенного загрязнения почв 23
1.4. Видовая устойчивость растений к техногенному загрязнению почв 32
МЕСТО, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 38
2.1. Место и условия проведения исследований 38
2.2. Цель и задачи исследований 39
2.3. Методика исследований 40
ВЛИЯНИЕ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (на примере МЗАЛ, п. Думчино) 44
3.1. Влияние солевого алюминиевого шлакового отвала на состав и свойства серых лесных почв 45
3.2. Характер распределения валовых и подвижных форм тяжелых металлов в профиле серых лесных почв в зависимости от удаленности источника загрязнения
3.3. Состав и численность почвенной биоты как показатель экологического состояния почвы 66
ВЛИЯНИЕ ВЫБРОСОВ АВТОТРАНСПОРТА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (на примере автотрассы Москва - Симферополь) 78
4.1. Влияние автомагистрали Москва-Симферополь на состав и свойства серых лесных почв 79
4.2. Характер распределения валовых и подвижных форм тяжелых металлов в профиле серых лесных почв в зависимости от удаленности источника загрязнения 85
4.3. Состав и численность почвенной биоты как показатель экологического состояния почвы 93
4.4. Влияние интенсивности воздействия автотранспорта на развитие и урожайность ячменя 99
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ЗА ГРЯЗНЕНИЯ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ЗАПОВЕДНОЙ ЗОНЫ «СПАССКОЕ - ЛУТОВИНОВО» И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА НИХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 105
5.1. Изменение агрофизических и физико-химических свойств серых лесных почв 106
5.2. Характер распределения валовых и подвижных форм тяжелых металлов в профиле светло серых лесных почв в заповеднике Спасское - Лутовиново 114
5.3. Состав и численность почвенной биоты как показатель экологического состояния почвы 122
5.4. Агрономическая эффективность применения гумата натрия и гумата калия на сахарной свекле в условиях техногенно загрязненных почв 128
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗМЕЩЕНИЯ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ АООТ «ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ» И ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИ
ЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ДЕГРАДИРОВАННЫХ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ 133
6.1. Экологический ущерб, причиняемый накоплением шлаковых отходов на площадке складирования 133
6.2. Экономическая эффективность оценки влияния придорожных лесных защитных полос на урожайность ячменя 139
6.3. Экономическая эффективность применения гумата Na на сахарной свекле, выращиваемой на деградированных серых лесных почвах 141
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149
ПРИЛОЖЕНИЯ 178
- Влияние техногенного загрязнения на физико-химические свойства почвы
- Влияние солевого алюминиевого шлакового отвала на состав и свойства серых лесных почв
- Влияние автомагистрали Москва-Симферополь на состав и свойства серых лесных почв
Введение к работе
В середине XX столетия резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящим к острым токсико-экологическим ситуациям. Это вызвало расширение и интенсификацию исследований масштабов и темпов загрязнения окружающей среды, поиск эффективных приемов охраны почвенного покрова, природных водных ресурсов, атмосферного воздуха. Такие приемы и средства должны предусматривать снижение потоков химических загрязняющих веществ, поступающих в биосферу с выбросами промышленности, транспорта, с бытовыми отходами, так и ограничение или полное устранение токсичного действия различных веществ техногенного происхождения на растительный и животный мир и главным образом предотвращение отрицательного их влияния на здоровье человека.
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы. Большую сложность представляет изучение поведения соединений тяжелых металлов в окружающей среде. Загрязнение почв тяжелыми металлами представляет большую народнохозяйственную и экологическую проблему. Тяжелые металлы из почв мигрируют в грунтовые воды и водоемы, а затем потребляются человеком с питьевой водой. Они поступают в растения и, в дальнейшем, попадают в продукты питания растительного и животного происхождения. Частично тяжелые металлы попадают из почв с испарением и из растений с транспирацией в воздушную среду, а затем через органы дыхания в организм человека. Под действием тяжелых металлов происходит угнетение практически всего растительного и почвенного мира суши и водоемов.
Уровень загрязнения определяется не одним компонентом, ионом, а сочетанием воздействующих на систему факторов при проявлении эффектов синергизма, антагонизма, при возможном непредвиденном развитии процес- сов саморазвития. В связи с указанным, необходимо введение интегральных показателей степени загрязнения, например, индекса деградации фитоценоза, уровня суммарного загрязнения или необходимо индексировать влияние загрязнения по воздействию на наиболее чувствительные компоненты системы.
В течение длительного периода производство растениеводческой продукции основывалось на использовании интенсивных факторов. Химизация, мелиоративные мероприятия, создание искусственного микроклимата считались основными направлениями создания условий для роста и развития растений. В результате наметилась тенденция недооценки роли естественных факторов и экологических ресурсов продуктивности, которыми располагают конкретные земельные участки. Более того, наблюдалась недооценка возможностей саморегулирования агроэкосистем, на которые направлялись мощные антропогенные воздействия.
Наиболее достоверным мероприятием для локализации тяжелых металлов является внесение в почву различных веществ, способствующих переходу тяжелых металлов в соединения, недоступные или труднодоступные для растений и живых организмов. Существенному снижению элементов загрязнителей способствует применение гуминовых препаратов и цеолитов, которые поглощают подвижные формы элементов и тем самым снижают поступление их в растения.
Совокупность названных обстоятельств послужило основанием для выполнения данной работы. Она проводилась в рамках основной тематики научно-исследовательских работ Орловского государственного аграрного университета.
Актуальность темы. В настоящее время в биосферу поступает большое количество тяжелых металлов техногенного происхождения, значительная часть которых аккумулируется в почве. Для прогноза экологической опасности загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо знать не только мае- штабы их поступления, но и закономерности их поведения в различных поч-венно-геохимических условиях. Источником самых различных загрязнителей: пыли, ядовитых веществ, тяжелых металлов и др. являются отвалы перерабатывающей промышленности, отработавшие газы автотранспорта, остатки нефтепродуктов (автозаправки), минеральные удобрения, мелиоранты, пестициды, последствия воздействий тяжелой сельскохозяйственной техники на плотность и структуру почвы. Их накопление в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, которое по цепочке может распространяться на значительные территории.
По загрязненности почвенного покрова особенно выделяют промышленные центры. К одному из них в Орловской области относится г. Мценск, где выбросы алюминиевого завода и складирование производства отходов составляют почти половину от общего объема отходов по району, что оказывает отрицательное влияние на экологическое состояние биогеоценозов и условия проживания населения. Большая проблема возникает с деградацией почв, связанная с рекреационными нагрузками, с применением удобрений и пестицидов, с движением сельскохозяйственных машин.
Оценка геохимической характеристики почвенного покрова, подвергающегося техногенному загрязнению и исследование влияния свойств почв и почвенных процессов на экологическую устойчивость серых лесных почв, является актуальным для прогнозирования перераспределения веществ и энергии в ландшафтах и изменений барьерной и протекторной функции этих почв.
Цель и задачи исследований:
Цель исследования: установить основные виды и факторы деградации почв Орловской области и методы оценки и прогнозирования экологического состояния экосистем и степени их деградации под влиянием антропогенных и природных воздействий.
В связи с этим нами решались следующие задачи: установить степень влияния различных антропогенных воздействий (факторов деградации) на экологическую оценку почв; изучить влияние почвенных и почвообразовательных процессов на экологическое состояние биогеоценозов и их устойчивость к деградации; определить численность и видовой состав почвенных беспозвоночных в качестве показателя биотестирования степени деградации земель под влиянием антропогенных воздействий и природных условий; показать влияние техногенного загрязнения почв на видовой состав и устойчивость растений, накопление в них тяжелых металлов; определить формы нахождения и содержания тяжелых металлов в профиле серых лесных почв северной лесостепи в зависимости от региональных особенностей и антропогенных воздействий; - дать комплексную оценку элементного состава и свойств почв для организации и проведения региональных и локальных работ, связан ных с мониторингом окружающей природной среды.
Практическая значимость: на основании проведенных исследований установлено содержание тяжелых металлов в почве, растениях, воде, описано видовое разнообразие живых организмов, определены чувствительные и относительно устойчивые к загрязнению виды растений.
Полученная база данных о ходе природного воспроизводства серых лесных почв на техногенно нарушенных территориях может быть использована для обоснования экологической реабилитации антропогенно нарушенных ландшафтов.
Показателем оценки экологического состояния серых лесных почв и степени их деградации под воздействием природных и антропогенных факторов являются валовое содержание и подвижные формы тяжелых металлов, как в верхнем гумусовом слое почвы, так и по всему почвенному профилю, гранулометрический состав, содержание гумуса, величина рН солевой вытяжки, состояние почвенно-поглощающего комплекса, численность и видовой состав почвенно-биотического комплекса.
Экологическое состояние системы почвы - растение рекомендуется оценивать видовым составом произрастающих растений, способностью их к аккумуляции тяжёлых металлов и видовой устойчивостью растений к загрязнению почв тяжёлыми металлами.
Установленные особенности и выявленные закономерности позволяют на научной основе обосновать приемы и методы сохранения почвенного пло дородия, предотвращения загрязнение почв и растительности тяжелыми ме таллами и получения экологически чистой продукции. Доказано, что применение гумата натрия и цеолита является эффективным приемом снижения техногенного загрязнения почвы и растений. \
Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологий возделывания сельскохозяйственных культур в условиях экологической напряженности.
Научная новизна. Научной новизной работы является оценка экологической устойчивости серых лесных почв центральной лесостепи к воздействию различных антропогенных факторов деградации на примере агропромышленных регионов Орловской области. Установлено, что основными факторами экологической напряженности и изменения геохимического состояния экосистем Орловской области являются отходы металлургической промышленности (солевые алюминиевые отсевы), воздействие выбросов автотранспорта и сельскохозяйственного производства.
По-новому исследовано и изучено при комплексном и разностороннем подходе влияние выбросов алюминиевого завода, загрязняющего действия шлакового отвала на содержание тяжелых металлов в почвенном профиле, растениях и влияние тяжелых металлов на видовое разнообразие живых ор- ганизмов в зависимости от удаленности объектов исследований от источников загрязнения в экологических условиях Орловской области.
В диссертационной работе комплексно рассмотрены вопросы влияния отходов шлаковых отвалов, автотранспорта, рекреационных нагрузок на геохимическую характеристику почвы. Дано научно-практическое обоснование приемов воспроизводства плодородия серых лесных почв и получения экологически безопасной продукции на техногенно нарушенных территориях.
Влияние техногенного загрязнения на физико-химические свойства почвы
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы, что и было целью наших исследований. Большую сложность и актуальность представляет изучение влияния соединений тяжелых металлов техногенного происхождения на физико-химические свойства почв, характер этих взаимодействий. На территории России с севера на юг, в основном, распространены следующие зональные типы почв: тундровые, глеево-подзолистые, подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы, каштановые. Кислотность этих почв меняется от рН = 3,5 - 4,5 в дерново-подзолистых почвах, до рН = 6,0- 7,0 в серых лесных и черноземных почвах. В соответствии с рН, с севера на юг закономерно изменяется содержание гумуса и емкость поглощения почв. При кислой реакции среды и избытке воды протекает кислый гидролиз и диспергирование минеральной и органической части почвы. Это приводит к накоплению в почвах более низкомолекулярных фульвокислот, по сравнению с гуминовыми кислотами (Сгк : Сфк = 0,5), в связи с чем в таких почвах накапливается меньше гумуса-1-2%, что соответствует и меньшей емкости поглощения почвами катионов - 5 - 10 мг-экв/100г. Такие свойства характерны для подзолистых почв. В черноземах при нейтральной реакции среды в групповом составе гумуса преобладают гуминовые кислоты (Сгк : Сфк = 2 - 2,5). Это способствует большему накоплению гумуса (4 - 12%) и большей емкости поглощения почвами катионов (50-70 мг - экв/ЮОг почв).
Следует отметить, что емкость поглощения катионов для песка равна 5 мг - экв/ЮОг, для глины - 40 мг - экв/ЮОг, для гуминовых кислот - 500, для фульвокислот - 800 мг - экв/ЮОг. Таким образом, чем больше тяжелого гранулометрического состава почвы, тем больше в них гумуса и чем больше в минералогическом составе почв минералов группы слюд, монтмориллонита, вермикулита, тем больше емкость поглощения почвами катионов.
Из физических свойств почв наибольший агрономический интерес представляет плотность почв с ненарушенным сложением. Астапов СВ. и Долгов СИ. считают почву рыхлой, если плотность гумусового горизонта равна 0,9 - 0,95; нормальной плотности - 0,95 - 1,15; уплотненной - более 1,25г/см . По данным Воробьева С.А., пахотный слой почвы называется рыхлым, если его средняя плотность не превышает 1,15; плотным - от 1,15 до 1,35 и очень плотным - выше 1,35 г/см . По данным Бакало В.Я., плотность почвы в верхнем слое на пастбище составила 1,52 г/см , а на восьмой год 1,7 г/см . Для дерново-подзолистых почв Московской области на третий год культурного пастбища плотность почв возросла с 1,54 до 1,75 г/см3, а пористость уменьшилась на 3,7 - 7,8%. При этом, на разных элементах рельефа степень уплотнения неодинакова (Савич В.И., Парахин Н.В. и др. 2002).
Свойства почв, в конечном итоге, определяют трансформацию и миграцию в почве токсикантов, устойчивость почв к факторам их деградации. Однако, экологические функции свойств почв зависят от их взаимодействия. Так, например, согласно разработкам Мотузовой Г.В.(1999), буферность почв обусловлена иерархической организацией системы, гетерогенностью, разнообразием реакций, в которых они участвуют. По мнению автора, усложнение системы соединений химических элементов в почвах, которое ведет к расширению перечня системообразующих процессов, обеспечивает усиление ее буферных свойств. С этой точки зрения, к увеличению буферности почв ведет дифференциация почвенного профиля, образование в нем различных геохимических барьеров, образование комплексных органоминеральных и орга-но-глинистых соединений, усложнение фракционного состава соединений ионов в почве.
Если доминирующей реакцией при поглощении загрязняющего вещества является ионный обмен, то мерой относительной устойчивости почв к загрязнению этим веществом, может служить коэффициент селективности этого элемента. Таким образом, буферная способность почв по отношению к определенному типу сорбции зависит от селективности сорбционных мест и от количества этих сорбционных мест.
Влияние солевого алюминиевого шлакового отвала на состав и свойства серых лесных почв
Вокруг крупных предприятий цветной металлургии образуются сильные техногенные аномалии тяжелых металлов. Для таких предприятий характерно наличие зоны максимального содержания тяжелых металлов от источника загрязнения и зоны повышенных содержаний на расстоянии до 60км. Далее содержание тяжелых металлов убывает до величин местного фона. При этом в малобуферных ландшафтах в зонах максимального загрязнения нередко формируется «техногенная пустыня» - территория сильноэродиро-ванная, лишенная верхнего гумусового горизонта, растительности. Вокруг промышленных предприятий меньшей мощности зона максимального загрязнения простирается на расстояние до 1 - 2 км, а площадь и степень загрязнения будет меньше.
Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Теоретически техногенные аномалии представляют собой систему концентрических колец, в которых концентрация поллютанта убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров.
В окружающую среду поступает большое число элементов с эманация-ми предприятий цветной металлургии: до 10-20 элементов, причем до 4 - 6 приоритетных или главных. Поллютанты часто не связаны с основной продукцией предприятия, а входят в состав примесей. Так, вблизи предприятий, выплавляющих алюминий приоритетными загрязнителями являются медь, свинец, кадмий и фтор. Поэтому экологические последствия в окрестностях промышленных предприятий могут быть вызваны не основной продукцией, а примесями или используемыми реагентами. Значительная часть выбросов этих предприятий попадает в глобальный круговорот: до 50 - 60% свинца, цинка, меди и до 90% ртути.
Результаты изучения аэротехногенного воздействия на экологическое состояние окружающей среды МЗАЛ нашли отражение в ряде публикаций (например, см. Кузнецов М.Н., 2000). Основное внимание в них было уделено выявлению интенсивности накопления тяжелых металлов в почвах в зависимости от расстояния от источника загрязнения. Выявлено, что накопление тяжелых металлов в значительной степени уменьшается по мере удаления от металлургического комбината.
Изучение степени влияния шлакового отвала на поступление тяжелых металлов в почвы, растения и поверхностные воды мы проводили в зависимости от удаления исследуемых объектов от источника загрязнения. Мониторинг растительности и взятие проб почвы на содержание тяжелых металлов производились в районе деревни Большое Думчино Мценского района на территории, прилегающей к отвалу шлаков АООТ «Цветные металлы и сплавы». В течение 30 лет (с 1963 по 1994гг) АООТ ЦМиС на земельном участке производилось складирование аллюминийсодержащих шлаков. Образовавшийся отвал в настоящее время представляет собой холм высотой 30-40м, сложенный сыпучим материалом. Шлаковый отвал расположен вблизи населенного пункта Большое Думчино (1км). С северо-восточной и восточной стороны к отвалу примыкает лесной массив, а с остальных сторон его окружает пашня, используемая в настоящее время под многолетние травы. Для оценки содержания вредных веществ в почве закладывали разрезы на разной удаленности от отвала шлаков и проводили отбор проб на участках площадью 25м2 в 3-5 точках по диагонали с глубины 0,25м и отбор проб на загрязнение по горизонтам почвы. Взятие проб по почвенным горизонтам до глубины проникновения поллютантов более правильно, так как токсиканты в течение вегетационного периода и всего года мигрируют по профилю, подтягиваются вместе с водой к поверхности. Смешанный образец составляли не менее, чем из 15 индивидуальных образцов, размещенных равномерно на ключевой площадке.
Влияние автомагистрали Москва-Симферополь на состав и свойства серых лесных почв
Наши исследования состояния плодородия земель, находящихся в различных условиях их использования, показали значительные изменения в гранулометрическом и химическом составе, структурном состоянии и биологической активности почв.
Для исследования свойств почвы были отобраны образцы почв вдоль трассы в зависимости от удаленности и проведен ряд опытов. В качестве объекта была использована темно-серая лесная почва. Образцы отобраны на пашне, занятой посевами ячменя. Первый объект расположен на удалении от трассы 5м, а второй защищен лесополосой и удален от автотрассы на 50м.
В обоих пунктах практически не отмечается заметного изменения в содержании агрегатов крупнее 10 мм и мельче 0,25мм как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах. Содержание агрономически ценных агрегатов 10-0,25мм в первом варианте изменяется следующим образом: в верхнем 20см гумусовом слое их количество достигло 72,5%, а в подпахотном слое содержание агрегатов уменьшилось до 72,0%. Агрегатов 10 и 0,25мм в гумусовом горизонте составляет 27,5%, а в подпахотном 28%) (рис 8).
Во втором варианте, защищенном лесополосой, содержание агрономически ценных агрегатов в пахотном слое составило 82,2%, а в подпахотном уменьшилось до 71,2%. Количество агрегатов 10 и 0,25мм в слое 0-20см составило 17,8%,в подпахотном увеличилось до 28,8% (рис 8).
Таким образом, агрегатное состояние почвы характеризуется высоким содержанием агрономически ценных агрегатов и характеризует структурное состояние почвы как хорошее. Хорошая оструктуренность обусловливает высокую водопроницаемость и возможность проникновения токсикантов в почву и их миграцию по профилю.
Как видно из данных приложения 10 и рис 9 в темно- серой лесной почве наблюдается изменение гранулометрического состава под действием, как природных факторов почвообразования, так и факторов деградации почв под действием антропогенного вмешательства. Так, в профиле почвы, находящейся в непосредственной близости от автотрассы верхние горизонты претерпели значительные изменения в составе фракций механических элементов и гранулометрическом составе. Так, в слое почвы 0-18 см содержание физической глины составило 31,8%, что характеризует среднесуглинистый состав почвы, а в почве, защищенной лесополосой от автотрассы, содержание частиц менее 0,01 мм достигало, 52%, что характеризует легкоглинистый состав почвы. При этом в профиле темно-серой лесной почвы, находящейся вблизи автотрассы отмечено перемещение фракции ила на глубину 40-50см из верхней части профиля почвы, что обусловлено, как проявлением процесса лессиважа, так и механической деградацией почв. Гранулометрический состав этого горизонта оценивается как тяжелосуглинистый, и он остается в этой градации до конца профиля почвы.
В профиле темно-серых лесных почв, защищенных от автотрассы лесозащитными насаждениями, распределение фракций механических элементов в гранулометрическом составе несколько изменяется. Так, преобладающей фракцией является фракция средней пыли, содержание которой в профиле составляет 34,2-39%, а также фракция мелкого песка - 20,9-25,5%. количество частиц крупной пыли в профиле этих почв почти в 2 раза меньше, чем их количество в составе темно-серых лесных почв в непосредственной близости от автотрассы. При этом характер распределения фракции ила и ее количество остается примерно одинаковым в почвах выбранных объектов - это элювиально - иллювиальный тип распределения веществ, обусловленный развитием лессиважа, чему способствуют более влажные условия почвообразования за счет воздействия лесных насаждений, и проявлением оподзоливания. Гранулометрический состав в профиле почвы остается постоянным легкоглинистым.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что основными причинами изменений в гранулометрическом составе исследуемых темно-серых лесных почв вдоль автотрассы Москва-Симферополь являются механическая деградация почв, обусловленная строительными работами, а также влиянием стока дождевых и талых вод в придорожных кюветах, загрязненных продуктами сгорания топлива в автотранспорте. Гранулометрический состав и водный режим являются фактором, обусловливающими характер аккумуляции и миграции загрязняющих веществ в профиле почвы.
