Содержание к диссертации
Введение
1. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВОВ ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВ И ПРИЕМОВ ВОСПРОИЗВОДСТВА ИХ ПЛОДОРОДИЯ 10
1.1. Экологические проблемы использования земель, загрязненных радионуклидами 14
1.2. Агроэкологическая оценка почв, загрязненных тяжелыми металлами 32
2 МЕСТО, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 43
2.1. Место и условия проведения исследований 43
2.2. Методика исследований 56
3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСОЗАЩИТНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ И НАКОПЛЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В БИОЦЕНОЗАХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ И СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ 61
3.1. Экологическая оценка лесных насаждений и почвенных процессов в накоплении и перераспределении тяжелых металлов и Cs -137 в почвах национального парка «Орловское Полесье» 61
3.1.1 Гранулометрический и химический состав дерново-подзолистых почв национального парка «Орловское Полесье» 64
3.1.2. Влияние почвообразования и лесных насаждений на накопление тяжелых металлов в почвах 70
3.1.3. Влияние свойств почв и лесных насаждений на накопление и перераспределение радионуклида Cs - 137 в почвах и растениях 74
3.1.4 Влияние почвенных условий и лесных насаждений на состояние почвенной биоты 82
3.1.5. Влияние лесозащитных насаждений на состав и свойства темно-серых лесных почв национального парка «Орловское Полесье» 84
3.1.6. Характер распределения валовых подвижных форм тяжелых металлов в профиле темно-серых лесных почв национального парка «Орловское Полесье» 86
3.1.7 Влияние свойств темно-серых лесных почв и лесозащитных насаждений на распределение радионуклида Cs -137 в почвах и растениях 90
3.1.8 Влияние лесозащитных насаждений на состояние биоценозов темно-серых лесных почв 94
3.2. Экологическая оценка влияния лесных насаждений на радиоактивное загрязнение и накопление тяжелых металлов в серых лесных почвах на примере Волховского лесничества 99
3.2.1 Влияние лесных насаждений и производственной деятельности человека на состав и свойства серых лесных почв опытного участка Волховского лесничества 100
3.2.2. Влияние лесных насаждений на накопление, распределение тяжелых металлов и радионуклидов в профиле серой лесной почвы 101
3.2.3. Влияние лесозащитных насаждений, тяжелых металлов и радионуклидов на беспозвоночных животных серых лесных почв 110
3.2.4.Оценка экологической емкости серых лесных почв в лесных и агроландшафтах 114
3.3 Влияние удаленности лесозащитных насаждений на содержание радионуклида цезия-137 в серых лесных почвах и растениях 117
3.4 Влияние радиоактивного загрязнения на семенную продуктивность и всхожесть семян сосны 121
3.5 Влияние удобрительных свойств отходов производства и природных цеолитов на приживаемость и рост сеянцев лесных культур 125
3.6 Экономический эффект от внесения шлаковых отходов, осадка сточных вод и природных цеолитов при посадке сеянцев лесных культур для создания лесного фонда 132
Выводы и предложения производству 134
Список литературы 137
Приложения 154
- Экологические проблемы использования земель, загрязненных радионуклидами
- Место и условия проведения исследований
- Экологическая оценка лесных насаждений и почвенных процессов в накоплении и перераспределении тяжелых металлов и Cs -137 в почвах национального парка «Орловское Полесье»
Введение к работе
С геоэкологической точки зрения урбанизированные территории представляют собой исключительно сложный комплекс природных и техногенных объектов, для которого характерны собственные, не имеющие аналогов в биосфере, процессы. В первую очередь, это проявляется в увеличении интенсивности процессов миграции, концентрации и перераспределения вещества. Процесс урбанизации создает целый ряд экологических проблем, связанных, прежде всего, со сосредоточением значительного объема техногенных источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ при резко увеличенной плотности населения.
В связи с непрекращающимся и интенсивным ростом городов необходимость ускоренного решения данных проблем для обеспечения безопасности жизнедеятельности городского населения совершенно очевидна. Одним из действенных способов хотя бы частичного разрешения проблем, связанных с урбанизацией, является экологически сбалансированное озеленение территорий населенных пунктов и их окрестностей.
Роль зеленых насаждений в создании благоприятной среды для безопасной жизнедеятельности исключительно велика. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ, выделяя при этом кислород, необходимый для нормального функционирования практически всех живых организмов. Поглощая из почвы загрязняющие вещества (в особенности соединения высокотоксичных тяжелых металлов), древесно-кустарниковые растения надолго выводят их из биологического круговорота, способствуя тем самым очищению городской среды (Криволуцкий, 1987). Групповые посадки древесно-кустарниковой растительности способствуют изменению городского микроклимата в результате охлаждения приземного слоя атмосферы за счет испарения влаги с поверхности листьев.
К сожалению, в последние два десятилетия озеленению городских территорий и сельскохозяйственных угодий уделялось недостаточное внимание. В связи с этим решение таких задач, как увеличение доходности лесного хозяйства, обеспечение своевременного восстановления непокрытых лесом земель, восстановление ценных тверд олиственных насаждений (высокоствольные дубравы) является актуальным.
Актуальность. Леса оказывают значительное воздействие на экологическое состояние природных комплексов в результате выполнения лесами таких биоэкологических функций, как регулирование и фильтрация водного стока, предотвращение эрозии почв, сохранение и повышение плодородия почв, сохранение биологического разнообразия, обогащение атмосферы кислородом и связывание углерода, влияние на формирование климата и предотвращение загрязнения воздушного бассейна. Одновременно леса выполняют . социально-экономические функции, обеспечивая спрос общества на лесные ресурсы всех видов и отдых. Побочная прибыль от лесов, выражающаяся в виде повышения урожаев, очищения рек, стабилизации микроклимата, отдыха, туризма, охоты, сбора ягод и грибов, составляет их высочайшую ценность даже без учета добычи древесины.
Разрабатывая схему экологически сбалансированного озеленения территорий, необходимо, в первую очередь, учесть два основополагающих момента, во первых, способность зеленых насаждений предотвращать или, по крайней мере, сглаживать отрицательное воздействие техногенных источников на население урбанизированных территорий; во вторых, приспособленность самих растений, используемых для зеленого строительства, к условиям конкретного участка техносферы для формирования устойчивых насаждений.
В целом зеленые насаждения задерживают до 80% пыли и уменьшают запыленность воздуха под кронами на 70%. Одновременно они способны очищать приземную атмосферу от загрязнения вредными для человека газами.
Если говорить о почвах, то из наиболее часто выбрасываемых (сбрасываемых) техногенными источниками веществ в них наиболее интенсивно накапливаются соединения тяжелых металлов. При организации защиты от промышленного и транспортного шума роль зеленых насаждений во многих случаях оказывается незаменимой. Однако, проводя экологически сбалансированное озеленение территорий, необходимо учитывать и реакцию самих растений на условия среды. Это позволит выбрать для озеленения наиболее приспособленные виды древесно-кустарниковой растительности, которые в условиях экологического риска могут не просто выживать, но и интенсивно развиваться.
В связи с этим исследование проблемы влияния лесозащитных насаждений на состояние природных и агрогенноизмененных экосистем в условиях радиоактивного загрязнения территорий является актуальным.
Цель наших исследований состояла в изучении влияния лесозащитных насаждений на накопление и распределение тяжелых металлов и радионуклидов в профиле серых лесных почв северо-запада Центральной лесостепи и разработке ресурсосберегающей технологии выращивания саженцев лесных культур с использованием удобрительных свойств отходов производства и природных цеолитов.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
- определить влияние лесных насаждений на агроэкологическое состояние
целинных и пахотных серых лесных почв, численность и видовой состав
почвенных беспозвоночных;
- установить роль лесозащитных насаждений в накоплении и
распределении в профиле серых лесных почв тяжелых металлов и цезия-13 7;
определить распределение и интенсивность накопления в разных частях древесных пород;
выявить интенсивность поглощения Cs-137 разными видами травянисто-
7 кустарниковой растительности;
установить влияние удаленности лесозащитных насаждений (полезащитных и оврагобалочных) и уровня радиоактивного загрязнения территории на содержание радионуклида цезия-137 в почвах и растениях и семенную продуктивность лесных культур;
- оценить влияние удобрительных свойств шлаковых отходов, осадка
сточных вод и природных цеолитов на приживаемость и рост сеянцев лесных
культур и экономический эффект их использования;
- установить степень тесноты связи между свойствами почвы,
удаленностью лесозащитных насаждений и содержанием тяжелых металлов и
радионуклидов.
Научная новизна. В условиях северо-запада Центральной лесостепи впервые изучено влияние лесозащитных насаждений на изменение агрохимических показателей, интенсивность аккумуляции и миграции тяжелых металлов и цезия-137, видовой состав и численность почвенных беспозвоночных организмов в зависимости от антропогенного использования и гранулометрического состава подтипов серых лесных почв. Дана количественная оценка накопления радионуклида цезия-137 лесными культурами, травянистой растительностью и зерновыми культурами в зависимости от удаленности лесозащитных насаждений и радиационного фона загрязненных территорий. Доказано влияние радиации на изменение семенной продуктивности сосны, снижение шишконосности и всхожести семян лиственных и хвойных пород деревьев в зоне радиоактивного загрязнения.
Установлена приоритетная роль зеленых насаждений в создании благоприятной среды для безопасной жизнедеятельности и охраны природной среды. Дана оценка экономической эффективности использования удобрительных свойств шлаковых отходов, осадка сточных вод и природных цеолитов при выращивании саженцев лесных культур.
Практическая значимость. В условиях северо-запада Центральной лесостепи установлено влияние лесозащитных насаждений на изменение агрохимических показателей, интенсивность аккумуляции и миграции тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137, видовой состав и численность почвенных беспозвоночных организмов в зависимости от антропогенного использования и гранулометрического состава подтипов серых лесных почв. Дана количественная оценка накопления радионуклида цезия-137 лесными культурами, травянистой растительностью и зерновыми культурами в зависимости от удаленности лесозащитных насаждений и радиационного фона загрязненных территорий.
Полученная информационная база по влиянию лесозащитных насаждений на накопление и распределение тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137 в профиле почвы и растениях природных и агроэкосистем и оценке действия и последействия удобрительных форм на основе отходов производства и природных цеолитов на рост и развитие сеянцев лесных культур является научно-методической основой для органов государственной власти и бизнеса при решении вопросов увеличения доходности лесного хозяйства и выполнения комплекса лесовосстановительных, лесохозяйственных и лесоохранных работ.
Реализация работы. Рекомендации по использованию осадка сточных вод, шлаковых отходов и природных цеолитов при выращивании посадочного материала лесных культур внедрены в лесопитомнике Ломецкого лесничества и в СХП «Победное» Залегощенского района Орловской области при закладке оврагобалочных лесозащитных полос.
Основные положения работы используются в учебных курсах: почвоведение, экология, охрана окружающей среды и рациональное природопользование, лесоводство, экологическая экспертиза, радиология.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликованы 5 работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых изданиях. Основные положения работы
9 были представлены и доложены на межвузовских научно-практических конференциях (ОрелГАУ-2007, ОГУ-2007, ОрелГАУ-2008).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 153 страницах компьютерного текста и состоит из введения, трех глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы из 155 наименований, в том числе 13 зарубежных авторов. Содержит 39 таблиц, 13 рисунков, и 11 приложений.
Автор выражает глубокую признательность, благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Л.П. Степановой, заведующему кафедрой земледелия, профессору В.Т. Лобкову и коллективу кафедры земледелия Орловского государственного аграрного университета.
Экологические проблемы использования земель, загрязненных радионуклидами
Особенностью экологии современного почвообразования, начиная с 1945 года, стало глобальное радиоактивное загрязнение биосферы вследствие испытаний ядерного оружия в атмосфере. За период 1945 - 1979 гг. было взорвано 1200 атомных устройств, из которых около половины в свободной атмосфере. Так, в северном полушарии, где было проведено больше всего подобного рода испытаний, обнаружено 90 мКи Cs-137 и 40 мКи Sr-90 на квадратный километр площади. Это привело к увеличению природной радиоактивности на 10-30 % (Рэуце, 1986).
По данным, собранным Научным комитетом по действию атомной радиации при ООН (Радиация. Дозы, эффекты, риск, 1990), максимум этих взрывов приходится на два периода: первый - на 1954-1958 гг., когда взрывы осуществляли Великобритания, США и СССР, и второй, более значительный, -на 1961-1962 гг., когда их проводили в основном Соединенные Штаты и Советский Союз. Эти страны в 1963 году подписали Договор об ограничении испытаний ядерного оружия, обязывающий не взрывать его в атмосфере, под водой и в космосе. С тех пор лишь Франция и Китай осуществили серию ядерных испытаний в атмосфере, причем мощность их была значительно меньше, и проводили их реже. Последний взрыв произведен в 1980 году.
Часть радиоактивного материала выпала неподалеку от места испытаний, другая часть задержалась в тропосфере и ветром переместилась на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе в среднем около месяца, радиоактивные вещества (РВ) во время этих перемещений постепенно выпадали на землю. Однако большая часть их попала в стратосферу, где оставалась многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара (Радиация. Дозы, эффекты, риск, 1990). Радиоактивные продукты неодинаково распределяются в различных широтных поясах. Многочисленные экспериментальные данные (Просянников, 1995; Kuhn, 1984) свидетельствуют, что максимальные выпадения их наблюдали в северных умеренных широтах, средние - в средних южных широтах, минимальные - в экваториальных районах.
Глобальные выпадения радиоактивных веществ, возникшие вследствие военных испытаний, содержат несколько сотен различных радионуклидов, однако большинство их них имеют ничтожную концентрацию или быстро распадаются. Основной вклад в облучение дает небольшое число радионуклидов: углерод-14, цезий-137, цирконий-95 и стронций-90. Имея различный период полураспада, они будут оставаться источниками радиоактивного излучения неодинаковое время, а учитывая и особенности их включения в трофические цепи, к особо опасным следует отнести стронций-90, цезий-137 и, в меньшей степени, углерод-14.
Радиационная обстановка на территории России складывается за счет природного радиационного фона, глобальных выпадений РВ в период испытаний ядерного оружия, радиоактивных выпадений после крупных и мелкомасштабных радиационных аварий на предприятиях ядерного топливного цикла, нормализованных радиоактивных выбросов и сбросов радиационно-опасных объектов.
Негативные последствия радиоактивного загрязнения: прямое воздействие ионизирующего излучения на компоненты почвенно-растительного покрова, животных и человека; ограничение возможности использования загрязненных почв в хозяйственной деятельности из-за того, что производимая продукция в этих условиях имеет превышающие допустимые уровни концентрации радионуклидов (Белова, 2004). Ареал радиационного поражения биоты на различных уровнях (популяционном, экосистемном, видовом) значительно меньше, чем зона радиоактивного загрязнения, где проживание человека и ведение сельскохозяйственной деятельности ограничены или невозможны.
Радиоактивное загрязнение окружающей среды обусловливают две группы радионуклидов: естественные (или природные) и искусственные (или техногенные). Концентрация естественных радионуклидов в природных и аграрных экосистемах существенно увеличивается за счет техногенных процессов, связанных с добычей, переработкой и складированием природного уранового сырья, производством и внесением удобрений, сжиганием угля на тепловых электростанциях, при добыче нефти и газа. Искусственные радионуклиды поступают в биосферу в результате ядерных взрывов, технологических и аварийных выбросов на объектах ядерного топливного цикла (ЯТЦ).
Основное загрязнение сельскохозяйственных угодий на территории Российской Федерации обусловлено долгоживущими радионуклидами b7Cs и 90Sr, которые поступили в окружающую среду в результате крупных радиационных аварий на химкомбинате "Маяк" (Южный Урал) и Чернобыльской АЭС.
Место и условия проведения исследований
В связи с усилением антропогенного воздействия на природу, все большая доля территории становится опасной для жизни людей, неблагоприятной для ведения сельскохозяйственного производства.
В результате аварийного выброса на Чернобыльской АЭС около 2 млн. га сельскохозяйственных угодий подвеглись радиоактивному загрязнению (Державин, 1998; Израэль, 1989), в том числе значительная часть территории Орловской области ( 41%). Радиоактивному загрязнению подверглись все районы области за исключением Ливенского и Должанского (Златин, 1993).
При обследовании территории Орловской области, в зависимости от плотности радиоактивного загрязнения, было выявлено 3 зоны (табл.1) Таблица 1 Характеристика сельскохозяйственных угодий Орловской области, подвергшихся загрязнению радиоцезием.
До аварии на ЧАЭС (1986 г.) плотность загрязнения в 1984 году составляла всего 0,04 Ku/км .
Наибольшие площади почв с радиоактивным загрязнением сосредоточены в северо-западной и центральной части области и представлены серыми лесными почвами тяжелого гранулометрического состава.
Цель исследований - изучить влияние лесозащитных насаждений на накопление и распределение тяжелых металлов и радионуклидов в профиле серых лесных почв северо-запада Центральной лесостепи и разработать ресурсосберегающие технологии выращивания саженцев лесных культур с использованием удобрительных свойств отходов производства и природных цеолитов.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
- определить влияние лесных насаждений на агроэкологическое состояние целинных и пахотных серых лесных почв, численность и видовой состав почвенных беспозвоночных;
- установить роль лесозащитных насаждений в накоплении и распределении в профиле серых лесных почв тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137;
- определить распределение и интенсивность накопления радионуклидов в разных частях древесных пород;
- выявить интенсивность поглощения радионуклидов разными видами травянисто-кустарниковой растительности; установить влияние удаленности лесозащитных насаждений (полезащитных и оврагобалочных) на содержание радионуклида цезия-137 в почвах и растениях;
- оценить влияние удобрительных свойств шлаковых отходов, осадка сточных вод и природных цеолитов на приживаемость и рост сеянцев лесных культур и экономический эффект их использования;
- установить степень тесноты связи между свойствами почвы, удаленностью лесозащитных насаждений и содержанием тяжелых металлов и радионуклидов.
Исследования проводили в 2002-2008гт. на кафедре земледелия Орловского государственного аграрного университета, Ломецком, Волховском лесничествах Орловской области, национальном парке "Орловское Полесье".
Для выполнения поставленной цели нами были выбраны территории природных ландшафтов, испытывающих воздействие радиационного излучения и других видов деградации природных и агроэкосистем.
1. Национальный парк «Орловское Полесье». Землепользование национального парка расположено в лесостепной биоклиматической зоне. Климат района расположения территории умеренно-континентальный с равным влиянием атлантических и континентальных воздушных масс и характеризуется неравномерным распределением осадков, температуры и влажности воздуха по временам года. По теплообеспеченности и степени увлажнения район относится к северной подзоне Орловской области. Гидротермический коэффициент района расположения парка - 1,3, что говорит о достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период.
С рельефом местности тесно связан характер почвенного и растительного покрова. Рельеф влияет на перераспределение почвенного плодородия, в связи с различным притоком влаги и космических факторов на различные участках поверхности. Почвенный покров меняется в зависимости от экспозиции и крутизны склонов, от характера водоразделов и долин. По своему геоморфологическому районированию территория Орловской области относится к Средне-Русской возвышенности северной части.
Экологическая оценка лесных насаждений и почвенных процессов в накоплении и перераспределении тяжелых металлов и Cs -137 в почвах национального парка «Орловское Полесье»
Техногенное загрязнение природных ландшафтов и агроэкосистем является актуальной проблемой, при этом особую актуальность приобретает исследование синергетических эффектов совместного действия разнообразных факторов физико-химической и биологической природы на компоненты экосистем. Для лесостепной зоны России особый интерес представляет изучение совместного действия на растения техногенных загрязнителей и хронического радиационного облучения. Изучение явления синергизма особенно важно потому, что облучение растений, обусловленное повышенным уровнем радионуклидов в почвах, происходит на фоне загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, пестицидами и другими техногенными ксенобиотиками.
Естественные почвообразовательные процессы, протекающие в почве, изменяются по своей интенсивности и по степени доминантности. Такие почвообразовательные процессы, как оподзоливание, лессиваж, оглеение засоление, осолонцевание, приводят к деградации окультуренных почв.
Разная интенсивность протекания отдельных почвообразовательных процессов в локальных участках приводит к формированию различных почв( Доспехов, 1963). Сформировавшиеся почвы в значительной степени определяют устойчивость экосистем к деградации. При этом на каждом поле и на определенной территории встречается не одна почва, а сочетание различных почв. Характер структуры почвенною покрова территории оказывает значительное влияние на экологическую ситуацию. В связи с этим, при экологической оценке земель необходимо учитывать не только процессы, связанные с антропогенным воздействием на почву, но и естественные почвообразовательные процессы.(Дробник, 1957)
Оподзоливание почв обусловлено кислым гидролизом минеральной и органической части почв и вымыванием продуктов разложения в нижнюю часть почвенного профиля и за его пределы. Формируется почва бедная элементами питания, с кислым элювиальным горизонтом и, в ряде случаев, уплотненным иллювиальным горизонтом, обладающая для сельскохозяйственных культур с низким естественным плодородием. Протекание процесса оподзоливания, безусловно, является фактором деградации окультуренных почв (Моисеенко, 2002 ). Причинами оподзоливания являются: 1) кислотность мигрирующих через почву продуктов, приводящая к кислому гидролизу минералов и образованию растворимых соединений: 2) контрастность окислительно-восстановительных условий при развитии временного анаэробиоза, приводящая к расшатыванию кристаллических решеток минералов и к большему их разрушению: к образованию более подвижных восстановительных соединений железа и марганца; 3) комплексообразующая способность мигрирующих через почву растворов, обусловливающая разрушение минеральной части почвы, за счет конкурирующего комплексообразования и возможности вымывания в нижние горизонты почв более подвижных комплексных соединений: 4) промывной тип водного режима, обусловливающий вымывание продуктов разрушения образующихся в элювиальном горизонте, в более глубокие слои (Воробьева, 1998 ).
Одной из наиболее важных и интересных в генетическом и прикладном отношениях проблем почвообразования в полесских ландшафтах является анализ причин возникновения двух столь разных типов почв (серых и подзолистых) в непосредственной близости друг от друга (на расстоянии нескольких метров или десятков метров) на одних и тех же по генезису и составу почвообразующих породах, в одних и тех же климатических условиях, под пологом светлохвойного леса.
Современное экологическое состояние территории национального парка «Орловское Полесье» показало, что основными факторами, влияющими на стабильность природного территориального комплекса парка, являются: нерациональная сельскохозяйственная деятельность; интенсивное ведение лесного хозяйства на территории гослесфонда; наличие радиационного пятна в северо-восточной части парка; отсутствие контроля за качеством проведения мелиоративных работ; выпадение кислотных осадков, особенно в зимний период.
