Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном мире антропогенные изменения затронули практически все экосистемы планеты. Во многих регионах превышены адаптационные возможности природы, нарушено её динамическое равновесие. Внимание научной общественности приковано к острейшим проблемам экологии.
Повышенное внимание уделяется вопросам загрязнения почвы и окружающей среды тяжёлыми металлами. Они представляют большую опасность, как для человека, так и для природных и сельскохозяйственных экосистем. Это связано с тем, что данные элементы достаточно быстро накапливаются в почве, но очень долго из неё удаляются.
Источники поступления тяжёлых металлов в почву и окружающую среду различны: это промышленные отвалы, удобрения, химические средства защиты растений, выбросы транспорта и др. Действие этих источников в перспективе будет только усиливаться. Промышленное развитие нашей страны, богатой сырьевыми ресурсами, будет приводить к увеличению площадей земель, занятых промышленными отвалами. По нашим подсчётам в небольшой по размерам Орловской области площади для складирования отходов уже сейчас составляют более 1000 га. По данным Р. М. Алексахина в России площади почв, загрязненных тяжёлыми металлами составляют 3,6 млн. га. Также неизбежно увеличение внесения минеральных удобрений, применения средств защиты растений, выбросов промышленности и транспорта и т.п.
Для регионов Центральной России эта проблема имеет особое значение. Это связано с важной ролью данных территорий в обеспечении страны продукцией сельского хозяйства. Кроме того, возникающие неблагоприятные экологические последствия приводят к усугублению и без того непростой демографической ситуации из-за увеличения заболеваний и смертности населения.
К настоящему времени различные аспекты загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами освещены в работах Алексеева Ю. В., Николаевского В. С., Трунова И. А., Дубовика В. А., Степановой Л.П., Матвеева Н. М., Неверовой О. А., Говоровой А. Ф., Васенёва И. И., Стифеева А. И., Иванова В. П., Серёгина И. В., Лихачева Б. С. и др. Однако недостаточно исследованными остаются вопросы изменения комплекса фитоценозов на территориях, подвергшихся длительному и интенсивному техногенному загрязнению. Между тем, растения являются начальным элементом в цепи биосферных изменений, происходящих под влиянием загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами, и именно экологические последствия загрязнения фитоценозов могут привести к сдвигу экологического равновесия в ландшафтных системах.
В связи с этим, научный поиск в избранном нами направлении имеет особую актуальность и важное значение для решения проблемы организации рационального природопользования и охраны окружающей среды.
Целью исследований было установление закономерностей и параметров изменения состояния естественных растительных сообществ и агрофитоценозов под влиянием длительного и интенсивного загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами и агроэкологическая оценка их действия в системе почва – растение.
В задачи исследований входило:
оценить масштабы длительного агро- и техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами;
изучить изменения морфогенетических, физиологических и биохимических процессов в растениях под влиянием тяжёлых металлов, и выявить адаптивную реакцию растений;
определить комплекс структурно-функциональных параметров высших растений на разных уровнях их организации для диагностики состояния в условиях техногенного и агрогенного воздействий;
разработать способы оценки экологического благополучия загрязнённых территорий по показателям флуктуирующей асимметрии;
провести оценку состояния естественных фитоценозов на территориях, загрязнённых тяжёлыми металлами;
осуществить зонирование территорий по степени загрязнения тяжёлыми металлами;
дать эколого-экономическую оценку приемам повышения экологической безопасности ягодных культур при возделывании на загрязнённых территориях.
Научная новизна результатов исследований
Впервые проведено масштабное комплексное исследование фитоценотических изменений, происходящих в результате длительного техно- и агрогенного загрязнения территорий сельскохозяйственного использования.
В приоритетном порядке:
представлены результаты комплексного исследования дифференцирующего воздействия техногенных и агрогенных источников загрязнения системы почва – растение тяжёлыми металлами и разработаны приёмы снижения их фитотоксичности;
разработан и применён на практике интегральный метод оценки состояния растительных организмов и окружающей среды в зоне антропогенного загрязнения (ФА-анализ), впервые разработана специфическая шкала оценки стабильности развития яблони в зонах антропогенного загрязнения;
проведено экологическое зонирование территории с использованием различных фитоиндикаторов;
для серой лесной почвы садового агроценоза установлены закономерности миграции Pb, Ni, Zn и Cu в системе почва – ягодные растения и использован нанопористый природный минерал (цеолит Хотынецкого месторождения) для снижения их токсичности и поступления в плоды ягодных культур;
определены оптимальные для каждой культуры дозы цеолита, обеспечивающие экологическую безопасность плодов смородины чёрной, крыжовника и малины;
получены данные о влиянии тяжёлых металлов на развитие корней проростков плодовых культур с использованием электронной сканирующей микроскопии;
дана оценка сукцессионным изменениям в лесном фитоценозе в связи с действием тяжёлых металлов.
Положения, выносимые на защиту
-
Особенности экологической напряжённости территории в связи с загрязнением тяжёлыми металлами почв различных типов и режимом их использования.
-
Изменение морфологических, физиологических и биохимических показателей культурных и дикорастущих растений под влиянием загрязнения территорий тяжёлыми металлами.
-
Учёт индивидуальных особенностей растений к произрастанию на загрязнённых территориях.
-
Зонирование территорий по показателям радиального прироста древесных растений, видового разнообразия и обилия травянистой растительности, лихеноиндикации и флуктуирующей асимметрии.
-
Использование нанопористого природного минерала для снижения поступления тяжёлых металлов в плодовые и ягодные растения.
Практическая значимость работы и реализация её результатов
Научно обоснованы экологические риски размещения в отвалах токсичных отходов промышленного производства, их негативное влияние на фитоценозы.
Разработаны:
приёмы снижения поступления тяжёлых металлов в ягодную продукцию на основе использования природного нанопористого минерала;
интегральный метод оценки состояния окружающей среды с использованием растений-индикаторов;
методические рекомендации по определению свинца и никеля в органах растений и подвижных форм меди в почве, которые могут быть использованы в аналитических лабораториях и образовательном процессе.
Результаты исследований использованы при разработке экологического каркаса на территории Орловской области, при осуществлении государственной экологической экспертизы проектов строительства и реконструкции объектов экономики области, разработке областной программы «Отходы», проектировании национального парка «Орловское Полесье», закладке промышленной плантации смородины чёрной на площади 23 га в ООО «Садовод» Сызранского района Самарской области – опорном пункте ГНУ ВНИИСПК.
Организация исследований и личный вклад автора
Автором разработаны методики экспериментов, ему принадлежит: постановка и организация проведения полевых и лабораторных опытов, получение основной части экспериментального материала (90%), анализ и интерпретация эмпирических результатов, проведение статистической и экономической оценки результатов исследований, формулирование новых закономерностей, выводов и рекомендаций производству
Апробация работы
Результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Российской научно-практической конференции «Достижения аграрной науки в решении экологических проблем Центральной России» (Орёл, 1999 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава ОрёлГАУ (1997; 1999 гг.), на всероссийских научно-методических конференциях «Состояние и перспективы развития ягодоводства в России» (Орёл, 2006 г.), «Актуальные проблемы садоводства России и пути их решения» (Орёл, 2007 г.), на 41 международной научной конференции «Агрохимические приёмы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур» (Тула, 2007 г.), на международной конференции «XI Царскосельские чтения: Вузовская наука качества жизни человека, (Санкт-Петербург, 2007 г.), «Проблемы агроэкологии и адаптивность сортов в современном садоводстве России» (Орёл, 2008 г.), на научно-практической конференции памяти доктора сельскохозяйственных наук С. Ф. Неговелова к 105-летию со дня рождения «Проблемы почвенного мониторинга в аграрном секторе» (Краснодар, 2008 г.), «Оптимизация технолого-экономических параметров и структуры агроценозов при возделывании плодовых культур и винограда» (Краснодар, 2008 г.), на «Дне садовода» (Мичуринск, 2008 г.).
Отдельные материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях отдела агроэкологических исследований и Ученого совета ГНУ ВНИИСПК (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.).
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, результатов собственных исследований, выводов и предложений производству, списка литературы. Работа изложена на 323 страницах машинописного текста, содержит 80 таблиц, 91 рисунок. Список литературы включает 405 источников, в том числе 83 иностранных.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории агроэкологических исследований: кандидату сельскохозяйственных наук Мотылёвой С. М., кандидату биологических наук Голышкину Л. В., кандидату биологических наук Леоничевой Е. В., чьи добрые советы и пожелания сыграли неоценимую роль в подготовке данной работы.
Особая благодарность научному консультанту, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лобкову В. Т. за многолетнее плодотворное научное сотрудничество.
