Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА 11
1.1. Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность 15
1.2. Влияние тяжелых металлов на величину и качество урожая сельскохозяйственных культур Устойчивость культурных растений к воздействию тяжелых металлов 29
1.3. Торфяники как уникальное природное образование. Классификация. Экологическое значение в биосфере 34
1.4. Торфяные ресурсы России, их изученность и результаты использования в народном хозяйстве 41
1.5. Использование торфяников в зарубежных странах 50
1.6. Основные принципы международных стандартов на системы
управления охраной окружающей среды и на системы
управления качеством продукции 52
Глава 2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ЕЕ КАЧЕСТВО. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД 63
2.1. Объекты и методы исследований 63
2.2. Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая 67
2.2.1. Влияние тяжелых металлов па рост и развитие пшеницы и бобов 70
2.2.2. Влияние тяжелых металлов на оводненность листьев пшеницы и бобов 73
2.2.3. Влияние тяжелых металлов на урожай зерна и его качество 74
2.3. Содержание тяжелых металлов в растениях в разные фазы развития 90
2.4. Влияние тяжелых металлов на содержание химических элементов в пшенице и бобах 105
2.5. О металлотолерантности сельскохозяйственных растений и токсичности тяжелых металлов 132
2.6. Верхние критические концентрации тяжелых металлов в растениях как один из критериев для разработки ПДК 146
2.7. Влияние тяжелых металлов, внесенных в почву с осадком сточных вод, на урожай и качество продукции 160
ВЫВОДЫ 174
Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 176
3.1. Сравнительная эффективность основных направлений использования торфа 176
3.2. Производство и применение питательных грунтов на основе торфа 193
3.2.1. Обоснование исследований 193
3.2.2. Характеристика сырья для производства торфогрунтов.
Методика и условия проведения опытов 198
3.2.3 Схемыопытов 200
3.2.4. Результаты исследований. Улучшение качества торфогрунтов 206
3.2.4.1. Влияние минерального питания и возраста рассады на ее качество и урожай капусты 206
3.2.4.2. Влияние цеолита и глины на качество рассады и урожай капусты 224
3.2.4.3. Влияние ретардантов роста на качество рассады овощных культур 232
4 Малообъелтая ресурсосберегающая технология производства рассады овощных культур на торфоплитах 235
ВЫВОДЫ 240
СИСТЕМЫ КАЧЕСТВА В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ КАК ОДИН ИЗ ПУТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПРОДУКИИ 244
Основания для разработки системы управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях 244
Методические подходы при разработке систем управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях в соответствии с международными стандартами 265
Сертификация технологий в сельском хозяйстве как метод контроля получения экологически безопасной продукции заданного качества 289
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 297
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 300
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 301
- Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность
- Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая
- Сравнительная эффективность основных направлений использования торфа
Введение к работе
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о невозможности получения высоких урожаев хорошего качества без интенсивного развития сельского хозяйства, включающего применение оптимальных доз минеральных удобрений, средств защиты растений, высоких индустриальных технологий. В настоящее время качеству получаемой продукции отводится решающая роль.
Особую остроту и значимость в связи с этим приобретают экологические проблемы, без учета которых становится невозможным ведение современного земледелия. Необходимость перевода сельскохозяйственного производства на экологическую основу и контроль над технологиями для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. В условиях формирующихся рыночных отношений в России необходимым принципом производства сельскохозяйственной продукции является также учет экономического фактора.
Большое разнообразие экологических вопросов в земледелии (физическая деградация почв, вызванная уплотнением и переуплотнением корнеобитаемого слоя, снижение содержания гумуса, эрозия и дефляция почв, антропогенное опустынивание, связанное с непосредственной хозяйственной деятельностью человека, химическое и радиоактивное загрязнение почв) предопределяет определенные сложности при их решении.
Разработка подходов для получения растениеводческой продукции необходимого качества и сохранения экологического равновесия в биосфере является очень актуальной в условиях интенсивного земледелия. Целесообразно выделить из всего разнообразия экологических проблем, касающихся деградации почвенного покрова, следующие основные группы:
1. Техногенное загрязнение почв.
2. Механическая и физическая деградация почв.
Основным критерием введения таких градаций является качество получаемой продукции. К первой группе относятся загрязнение почв агрохимикатами, пестицидами, тяжелыми металлами, радионуклидами, приводящее к поступлению в продукцию избыточного количества токсических веществ и тем самым снижающим ее качество. Вторая группа экологических проблем приводит, как правило, к ухудшению состояния окружающей среды, но не оказывает прямого отрицательного воздействия на традиционные показатели качества получаемой сельскохозяйственной продукции.
Такое деление носит условный характер, но, на наш взгляд, дает возможность в дальнейшем дифференцировать подходы для практического решения того или иного экологического вопроса. В случае техногенного загрязнения почв определяющим фактором выступает экологический критерий, в случае механической и физической деградации почвенного покрова возможен компромисс между экологически безопасным и экономически выгодным использованием природных ресурсов.
За последние 10-15 лет уровень применение минеральных удобрений и средств защиты растений в России значительно снизился, что в свою очередь практически сняло остроту вопроса загрязнения почв минеральными удобрениями и пестицидами. Поэтому в данной работе рассматривается один из основных современных вопросов техногенного загрязнения почв - влияние тяжелых металлов, которые накапливаются с течением времени в верхнем корнеобитаемом слое почвы и слабо подвергаются процессам детоксикации, на качество получаемой продукции. В обобщенном рейтинге наиболее опасных загрязнителей, основанном на экспериментальных материалах, тяжелые металлы располагаются на первом месте среди других токсичных элементов, пестицидов, радионуклидов, нитратов, органических синтетических и природных соединений (Обеспечение устойчивого развития агропромышленного производства в условиях техногенеза. Концепция. 2003).
Важнейшей экологической и хозяйственной проблемой является деградация торфяных почв Европейской части России, для решения которой необходимо разработать подходы рационального использования этих почв с учетом экологических и экономических критериев.
Качество получаемой продукции и экологическая безопасность сельскохозяйственных технологий тесно взаимосвязаны между собой. Решение этих вопросов путем создания единой системы управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях имеет большое практическое значение.
Научная информация, полученная автором экспериментальным путем и представленная при обсуждении вопросов влияния тяжелых металлов на качество урожая и рационального использования торфяных почв, может быть использована в качестве нормативной базы при разработке систем управления качеством растениеводческой продукции в сельскохозяйственных предприятиях.
Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность
Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами интенсивно изучается широким кругом специалистов уже более трех десятилетий. Вместе с тем, острота ее не снизилась, а в процессе решения какого-либо одного из многих ее вопросов зачастую возникает несколько новых. Убедительным тому примером может служить вопрос разработки предельно допустимой концентрации (ПДК) металлов в почве, где традиционные подходы к определению ПДК веществ в воздухе или воде оказались неприемлемыми, и сейчас обсуждаются не столько сами ПДК металлов в почве, сколько подходы к их разработке. Дело в том, что решение этой первостепенной задачи требует глубокого изучения влияния ТМ на почву и растения. К тяжелым металлам относятся хи-мические элементы, имеющие плотность более 5 г/см или атомную массу более 50 единиц. Поскольку примерно 90% ТМ аккумулируется почвами и их дальнейшая миграция в агроэкосистемах определяется свойствами почв и биологическими особенностями растений, то изучение этого вопроса агрохимиками-почвоведами вполне оправдано.
Дать исчерпывающий обзор литературы даже по узкому вопросу, связанному с загрязнением природной среды металлами, задача довольно сложная. О громадном потоке информации по проблеме загрязнения биосферы тяжелыми металлами свидетельствует, например, то, что за 1950 - 1973 годы было опубликовано в периодических изданиях около 10000 научных работ, посвященных биологическому воздействию только свинца и возможным путям его проникновения в окружающую среду (Брукс, 1982).
Острота проблемы загрязнения природной среды металлами повышалась по мере индустриализации общества. В природе появился и начал активно действовать мощный геохимический фактор - антропогенный. Человек стал широко использовать в своей деятельности многие металлы, извлекая их из место рождений, перерабатывая и, в конечном итоге, рассеивая в биосфере. Так в общем виде выглядит процесс загрязнения среды обитания человеком.
Одним из первых обратил на это внимание еще в начале XX века В.И. Вернадский (1954, 1967, 1978), который отвел человеку самую значительную роль в перестройке биосферы. А.Е. Ферсман (1937), стоявший с Вернадским у истоков геохимии, считал, что промышленная деятельность человека по масштабу перемещения химических элементов соизмерима с факторами геологического и геохимического порядка.
А.П.Виноградов (1938, 1949), заложивший основы учения о биогеохимических провинциях, показал зависимость элементного состава организма от геохимических условий среды обитания, а В.В. Ковальский (1963, 1964, 1977) установил, что влияние химизма среды на растения, животных и человека осуществляется посредством пищевых цепей, которые объединяют в единую систему ми фации растительный и животный мир конкретных участков земной поверхности.
Первые массовые сведения о содержании ряда тяжелых металлов в почвах и дикорастущих растениях были получены при выполнении работ по биогеохимическому поиску рудных месторождений (Малюга, 1963; Ковалевский, 1974 и др.), а также при изучении микроэлементного состава почв СССР (Ката-лымов, 1965; Зырин, 1968; Ильин, 1973 и др.).
В монографиях А.О.Войнара (1953), Я.В.Пейве (1961), П.А.Власюка (1969), М.Я.Школьника (1974), Е.Дж.Андервуда (Underwood, 1971) показана роль отдельных микроэлементов-металлов в процессе жизнедеятельности организма. Было установлено, что цинк играет исключительно важную роль в метаболизме и входит составной частью во многие ферменты. Значение кадмия менее определенно: потребность его для растений не доказана, но предполагается, что он необходим в мизерном количестве животным и человеку. Данных о необходимости свинца живым организмам получено не было.
Примерно с конца 60-х, начала 70-х годов микроэлементы-металлы начали рассматривать как тяжелые металлы - загрязнители окружающей среды (Пе-рельман, 1976, 1979; Глазовская, 1972, 1978; Bowen, 1966 и др.). Цитированные авторы в обобщенном виде показали возможные источники загрязнения биосферы и дали количественную оценку их участия в миграционном цикле химических элементов в природе. Ими были разработаны принципы классификации и методы изучения техногенных ландшафтов, а также обоснована возможность прогнозирования их изменения при возрастающей антропогенной нагрузке.
Установлено, что основными источниками антропогенного поступления химических веществ на земную поверхность являются промышленные предприятия черной и цветной металлургии, горнодобывающей, угольной и химической промышленности, тепловая энергетика, строительная индустрия, транспорт. Из общего валового техногенного выброса загрязняющих веществ промышленными предприятиями на долю тепловых электростанций приходится 24,3%, цветной металлургии - 10,5%, промышленности строительных материалов - 8,1%, транспорта - 13,1% (Алексахин, Фесенко, Гераськин и др., 2004). Выбросы перечисленных источников содержат широкий спектр токсических веществ, многие из которых входят в список наиболее опасных токсикантов. К наиболее опасным элементам, оказывающим сильное воздействие на сферу сельскохозяйственного производства, относятся тяжелые металлы: Cd, Pb, Hg, Zn, As, Se и F. Эти элементы относятся к 1 классу опасности (Ильин, 1991). Только в результате работы металлургических предприятий на поверхность земли ежегодно поступает не менее 121500 т цинка, 89000 т свинца, 1860 т кадмия (Page, Bingham, 1973), 154658 т меди, 12090 т никеля (Минеев, 1988). Вследствие сжигания угля и нефти поступает ежегодно 3600 т свинца, 7000 т цинка, 87 т кадмия. С выхлопными газами автотранспорта на поверхность попадает 260000 т свинца, что почти в три раза превосходит количество этого элемента, поступающего в почву за счет выбросов металлургических предприятий (Большаков, Гальнер, Клименко и др., 1978). Добавление свинца в бензин в качестве антидетонационных добавок приводит к тому, что при сгорании 1 л бензина в воздух попадает 200-300 мг свинца (Гришина, 1980).
Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая
Торможение роста, хлороз и нарушение водного обмена относится к наиболее общим, малоспецифичным проявлениям токсического действия ТМ (Алексеева-Попова, Косицин, 1983). Известно, что рост, являясь интегральным показателем, характеризует приспособление растений к условиям среды (Климаченко, 1973). Его также можно рассматривать как сложный процесс, суммарное выражение физиологического состояния растений (Альтергот, 1965). Рост и развитие растений нельзя отделить друг от друга, так как почти любой процесс развития связан с ростом (Либберт, 1976), в том числе величина и качество урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому целесообразно рассмотрение этих величин в одной главе.
Влияние ТМ на рост и развитие сельскохозяйственных культур исследовалось многими авторами, в частности Р.И. Первуниной, Н.Г. Зыриным (1980), В.Б. Ильиным, Г.А. Гармашом, Н.Ю. Гармаш (1985), Ж.З. Гуральчу-ком (1986), Ф.Л. Гольдбергом с соавторами (Goldberg, Gorbarino, Genevini, 1980), А Зортебергом (Sorteberg, 1982) и др., которые показали, что высокие концентрации металлов значительно угнетают рост растений.
Установлено, что избыток тяжелых металлов отрицательно действует на растение, вызывает тератологические изменения, а также хлорозы и некрозы как отдельных частей, так и всего растения (Колесникова, 1978; Школьник, 1981; Марусина, 1981; Bogges, 1978; Khan, Frankland, 1983 и др.).
Исследований, касающихся влияния ТМ на оводненность тканей растения, немного. По данным А.В. Косицина с соавторами (Косицин, Алексеева-Попова, Игошина, 1983), свинец вызывал снижение оводненности тканей у астры альпийской и повышение содержания в них сухого вещества. Изучив различные по устойчивости к свинцу группы растений, авторы пришли к выводу, что сильнее всего этот показатель меняется у неустойчивых растений, более устойчивые же - противостоят этому воздействию. Аналогичный факт отмечен в работах И.Т. Йорданова, М.Т. Меракчийской (1976), S.D.Lane, E.S.Martin (1980). Однако имеются данные, что растения реагировали на избыток ТМ в тканях путем увеличения их гидратации (Faber, Niezgoda, 1980).
Большинство публикаций по вопросу влияния ТМ на культурные растения так или иначе связано с изучением действия на урожай. Твердо установлено, что высокие концентрации металлов в среде обитания снижают урожай сельскохозяйственных растений (Покровская, 1980; Обухов и др., 1980; Скрипниченко, Золотарева, 1981; Гармаш, 1983, 1985; 1986; Rahimi, Buseler, 1979; Sauerbeck, 1983, Сизов, Хомяков, Хомяков, 1990; Ильин, 1991; Черных, 1995; Овчаренко, 2000 и др.). Степень снижения урожая и количество металлов в среде обитания, вызывающее это снижение, у разных авторов сильно различаются, так как изучались разные культуры, разные по своей буферной емкости субстраты, разные формы вносимых металлов, кроме того, сами опыты проводились в разных гидротермических условиях. Поэтому сравнение и использование этих сведений сопряжено с большими трудностями.
Установлено, что статистически значимое падение урожая соломы овса в вегетационном опыте (через 8-Ю лет после внесения металлов в почву) на дерново-подзолистой среднеокультуренной почве происходило при дозе Cd 50 мг/кг, а вики и люпина - 20 мг/кг. При содержании Cd 100 мг/кг бобовые культуры погибли. Достоверное падение урожая бобовых на этой же почве произошло при содержании свинца 500 мг/кг, зерновых - 1000 мг/кг. На дерново-подзолистой неокультуренной почве вика и люпин погибли уже при дозе цинка 1000 мг/кг, тогда как падение урожая овса происходило только при содержании его 2000 мг/кг (Черных, 1995).
Снижение урожая петрушки, выращиваемой на среднесуглинистой неокультуренной почве (рН 4,3), наблюдалось при внесении 1,0 мг/кг Cd, на тяжелосуглинистой окультуренной (рН 5,1) при внесении 3,0-5,0 мг/кг (Си-доренкова, 1999). По данным этого же автора в вегетационных опытах добавление кадмия в дозах 0,25-5,0 мг/кг на дерново-подзолистых почвах разного механического состава и выщелоченном черноземе не оказало отрицательного влияния на урожай пшеницы, гороха, картофеля, моркови и редиса.
Результаты вегетационных и микрополевого опытов показали, что внесение в кислую тяжелосуглинистую дерново-подзолистую почву цинка в дозах 300 и 500 мг/кг приводило к резкому снижению урожая моркови и свеклы или к его гибели (Овчаренко, 2000).
При внесении в дерново-подзолистую супесчаную почву кадмия в количестве 5 мг/кг, цинка - 300 мг/кг, меди - 150 мг/кг и свинца - 100 мг/кг происходило сильное снижение урожая лука и картофеля, посадки свеклы и картофеля погибли (Гришина, 2001).
На дерново-подзолистой почве, загрязненной в одном случае кадмием в дозах 5 и 10 мг/кг, а в другом свинцом в дозах 200 и 500 мг/кг почвы, не наблюдалось выраженного отрицательного влияния на рост и развитие растений зерновых культур (Соловьева, 2002).
При выращивании растений ячменя обыкновенного сорта Дина и овса посевного сорта Фаленский в сосудах с песком 50%-ное по сравнению с контролем уменьшение длины корня у ячменя наблюдали при концентрации кадмия 200 мг/кг, а у овса - 600 мг/кг. Накопление биомассы этими культурами под действием различных концентраций кадмия ингибировалось в меньшей степени. Только применение высоких концентраций (800 и 1000 мг/кг) приводило к снижению по отношению к контролю накопления биомассы обоих злаков на 50% и более (Титов, Лайдинен, Казнина, 2002).
Сравнительная эффективность основных направлений использования торфа
Потери торфа при использовании любым образом все же невосполнимы, поэтому после мелиоративных мероприятий и осушения торфяного болота основной задачей является поиск путей наиболее рационального экологически безопасного и экономически выгодного его использования.
Энергетически невыгодно использовать торф в качестве топлива. Этой точки зрения придерживаются исследователи практически во всех регионах России и за рубежом (Скрынникова, 1976; Бамбалов, 1984; Хохлов, 1991; Ефимов, 1991; Инишева, 1992; Инишева, 1993; Кирюшин, Ганжара, и др., 1993; Поздняков, 1994; и др.).
В то же время торфяное топливо не утратило своего значения для зарубежных стран и регионов России, не имеющих других топливно-энергетических источников и располагающих достаточными запасами торфа. Обладая сравнительно небольшой теплотой сгорания, он является относительно дешевым топливом, экологически безопасным, не требующим больших капитальных затрат при добыче. Однако низкая теплоемкость торфа значительно удорожает транспортировку. Поэтому его использование на электростанциях считается оправданным, когда они расположены в непосредственной близости от места добычи торфа.
В период экономического кризиса в некоторых областях центрального региона (например, во Владимирской) в связи с заменой каменного угля Донбасса в сотнях котельных дорогостоящим кузбасским углем встал вопрос о государственной поддержке торфодобывающих организаций и определения возможности расширения использования имеющихся на территории области ресурсов местного топлива (торфа). Годовая потребность области в торфе для замены угля с учетом всех потребителей составляет по предварительным подсчетам 750-800 тыс. т и может быть удовлетворена, учитывая, что запасы области составляют 263,6 млн. т. Однако, финансовое улучшение не должно односторонне решаться путем дальнейшего уничтожения торфяников, усиления экологической опасности и обеднения жизненными ресурсами местного населения и его будущих поколений. На основе существующих аналогов возможна оценка убытков от ухудшения гидрологического режима территорий, многократно превышающих площадь выработанных торфяников. Они намного превосходят возможную прибыль от замены каменного угля торфом. Поэтому в условиях области торфодобыча для топлива не является перспективной.
Учеными РАСХН установлено, что за 1975-1996 гг. преобладающим фактором риска и ущерба от чрезвычайных ситуаций в сельскохозяйственном производстве России была засуха, охватывающая ежегодно 16-36 регионов с населением 30-75 млн. человек и приводящая к ежегодному убытку порядка 9-12 млрд. руб. в ценах 1999 г. (Плющиков, 1998). Решение комплексной проблемы снижения вреда от засухи предусматривает более рациональное использование 80 млн. га природных торфяников, 2 млн. га выработанных торфяников и 1,3 млн. га окультуренных и используемых в сельском хозяйстве торфяных почв. Последнее при рациональном использовании гарантирует устойчивость высоких урожаев.
Более перспективным является применение торфа в сельском хозяйстве, заключающееся в использовании его в качестве почвы и в качестве одного из компонентов различных органических удобрений.
Малоэффективно применение торфа на удобрение в чистом виде. По данным научных учреждений Географической сети при внесении под сельскохозяйственные культуры чистого торфа их урожайность повышается незначительно на 5-15% в зависимости от вида культур и зональных особенностей. Использование торфа целесообразно лишь при высокой его окупаемости, например, на дачных и приусадебных участках под плодовые, ягодные и овощные культуры.
В то же время, введение торфа в состав компостов обеспечивает более существенное повышение урожайности. По обобщенным данным и принятым нормативам от каждой тонны навоза на торфяной подстилке в полевых севооборотах получают 0,7 ц з.е. Навоз на соломенной подстилке обеспечивает 0,6 ц з.е., торфопометный и торфонавозный компосты (1:1) дают 0,8 и 0,5 ц з.е. соответственно. В компосте окупаемость торфа составляет - 0,4 ц з.е., при использовании же торфа в чистом виде - 0,3 ц з.е. (Лукин, Ермакова, 1998).
По обобщенным результатам длительных опытов (Лукин СМ., Шилова Н.А., 1998) эффективность торфяных компостов убывает от дерново-подзолистых супесчаных почв (100%) к дерново-подзолистым суглинистым - 64%, серым лесным - 51%, черноземам выщелоченным и обыкновенным - 44,3%.
Концентрация добычи торфа на крупных месторождениях позволяет удешевить его производство и снизить отпускную цену. Однако транспортные расходы при вывозке на расстояние более 50 км могут в 2-3 раза превышать себестоимость добычи (Гай Г.Э., Кулагин В.Е., 1987). Транспортировка торфа для компостирования на расстояние более 20-25 км обычно приводит к убыточности компостов в полевых севооборотах. Поэтому сельское хозяйство должно ориентироваться в основном на многочисленные малые, а также крупные залежи, максимально приближенные к потребителю.
