Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема загрязнения агроландшафтов тяжелыми металлами (литературный обзор) 7
1. Источники загрязнения почв и растений тяжелыми металлами 8
1.1. Определение и классификация тяжелых металлов 8
1.2. Источники загрязнения агроландшафтов. Поступление тяжелых металлов из атмосферы 11
1.3. Поступление тяжелых металлов в почву с осадками сточных вод 12
1.4. Поступление тяжелых металлов в почву с минеральными удобрениями 12
1.5. Поступление тяжелых металлов в почву с пестицидами 13
1.6. Поступление тяжелых металлов в почву в результате автомобильной эмиссии 13
2. Нормирование содержания тяжелых металлов в почве 15
3. Фитотоксичность тяжелых металлов 24
4. Детоксикация почв, загрязненных тяжелыми металлами 34
Глава 2. Условия и методика проведения исследований 41
2.1. Почвенно-климатические условия Белгородской области 41
2.2. Схема опыта и методика проведения исследований 43
Глава 3. Закономерности распространения тяжелых металлов в почвах Белгородской области 46
3.1. Содержание меди в почвах Белгородской области 46
3.2. Содержание свинца в почвах Белгородской области 49
3.3. Содержание цинка в почвах Белгородской области 49
3.4. Содержание кадмия в почвах Белгородской области 54
3.5. Общие закономерности распространения тяжелых металлов в почвах Белгородской области 57
Глава 4. Баланс тяжелых металлов в земледелии Белгородской области 59
Глава 5. Влияние автомобильной эмиссии на содержание тяжелых металлов в придорожных экосистемах 62
5.1. Закономерности изменения содержания тяжелых металлов в почве в зависимости от удаления от автотрассы 64
5.2. Закономерности изменения содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах, возделываемых в придорожных экосистемах 72
Глава 6. Закономерности транслокации кадмия в системе почва - растение 74
6.1. Закономерности транслокации кадмия в почве 77
6.2. Влияние уровня загрязнения почвы на транслокацию кадмия в растения яровой пшеницы 78
6.2.1. Влияние уровня загрязнения почвы кадмием на фотосинтетические показатели растений яровой пшеницы 80
6.2.2. Влияние уровня загрязнения почвы кадмием на продуктивность растений яровой пшеницы 83
Выводы 87
Библиографический список 89
Приложения 106
- Нормирование содержания тяжелых металлов в почве
- Почвенно-климатические условия Белгородской области
- Содержание кадмия в почвах Белгородской области
Введение к работе
В результате хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение окружающей среды различными токсикантами. Одними из которых являются тяжелые металлы (ТМ). Большинство ТМ попадают в почву. В России выявлено почв, загрязненных Си, Pb, Zn и Cd соответственно 1416, 519, 326 и 184 тыс. га (Кузнецов, 1997). Связующим звеном, через которое ТМ из почвы попадают в организм человека, являются сельскохозяйственные растения. Содержание ТМ в растениях во многом зависит от их содержания в почве. Зная уровень загрязнения почвы, можно прогнозировать размеры накопления ТМ в растениеводческой продукции. Поэтому мониторинг содержания ТМ в почвах имеет большое прикладное значение.
Многие ученые из общего ряда ТМ выделяют Cd как наиболее токсичный потому, что он очень подвижен в почве и легко поглощается растениями, способен замещать Zn во многих биохимических процессах (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Овчаренко, 1997 и др.). Исходя из этого, очевидна актуальность изучения влияния этого металла на сельскохозяйственные культуры и выявления уровня его содержания в почве, при котором растениеводческая продукция будет соответствовать санитарно-гигиеническим нормативам.
Производство экологически безопасной сельскохозяйственной продукции является одним из важнейших факторов психологической устойчивости населения и здоровья нации в целом.
Основная цель данной работы - дать эколого-токсикологическую оценку содержания ТМ в агроландшафтах Белгородской области.
В связи с этим необходимо решить следующие задачи:
Изучить закономерности фонового распределения ТМ (Си, Pb, Zn, Cd) в почвах Белгородской области;
Установить закономерности формирования баланса ТМ в земледелии Белгородской области;
3. Выявить влияние автомобильной эмиссии на содержание ТМ в придорожных экосистемах: изучить закономерности загрязнения почв придорожных экосистем валовыми и подвижными формами тяжелых металлов; разработать прогноз загрязнения почв придорожных экосистем тяжелыми металлами; изучить закономерности накопления тяжелых металлов в растительной продукции сельскохозяйственных культур, возделываемых в придорожных экосистемах;
4. Изучить закономерности транслокации кадмия в системе почва - растение.
Автор выносит на защиту следующие положения: распространение ТМ в почвах Белгородской области имеет географические закономерности; в условиях современного сельскохозяйственного производства применение минеральных и органических удобрений не может привести к загрязнению агроландшафтов ТМ.
Научная новизна работы. Установлены закономерности фонового распределения ТМ (Си, Pb, Zn, Cd) и составлены картограммы их содержания в почвах Белгородской области. В ходе исследований проведена эколого-токсикологическая оценка почв Белгородской области на содержание ТМ. Получены данные о влиянии различных концентраций кадмия на физиологические и санитарно-гигиенические показатели качества яровой пшеницы сорта «Прохоровка».
Практическая значимость работы. Практическое значение работы заключается в возможности использования ее результатов при эколого- токсикологической оценке территории Центрально-Черноземного экономического региона. Выявленные закономерности транслокации кадмия в системе почва - растение могут быть использованы при ведении земледелия на почвах с содержанием кадмия выше ОДК.
За постоянную поддержку и помощь автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору с.-х. наук, СВ. Лукину, научному консультанту доктору биологических наук, профессору Н.А. Черных за консультации и конструктивную критику, директору Государственного центра агрохимической службы «Белгородский» П.М. Авраменко за помощь в проведении анализов, кандидату биологических наук Л.А. Кононенко за содействие в написании 6-ой главы.
Нормирование содержания тяжелых металлов в почве
Некоторое количество ТМ поступает в почву с пестицидами. При проведении защитных мероприятий расход данных препаратов небольшой, поэтому в большинстве случаев они не представляют серьезной опасности как источник загрязнения почв ТМ. Однако рядом исследователей отмечено значительное повышение содержания некоторых ТМ при применении фунгицидов, например, трихлорфенолята меди, медного купороса, цинеба, цирама. Эти препараты, которые часто используются для защиты виноградников, могут представлять угрозу для загрязнения почвы (Алексеев, 1987; Серпуховитина и др., 1994).
За последние десятилетия во всем мире серьезной проблемой стало загрязнение окружающей среды выбросами автотранспорта. В отработанных газах двигателей внутреннего сгорания содержится более 170 вредных для живой природы компонентов (Голубев, Новиков, 1987) . Примерно 50% всех атмосферных выбросов приходится на долю автомобильного транспорта.
Выбросы автотранспорта - один из основных источников поступления многих ТМ в окружающую среду. В заметных количествах они токсичны для живой природы (Большаков и др., 1978). Из всех биосферных загрязнителей ТМ наиболее опасны, так как они не разлагаются в окружающей среде и накапливаются в тканях живых организмов (Pande, 1980). В качестве приоритетных загрязнителей Агентством по охране окружающей среды выделены восемь ТМ: Cd, Си, As, Ni, Hg, Pb, Zn, Cr (Gori, 1980). Установлено, что при сжигании этилированного бензина в окружающую среду поступает не менее 449 тыс. т РЬ в год. В целом, автомобильные выхлопы дают примерно 50% общего количества неорганического свинца, поступающего в организм человека (Nriagu, 1979; Мур Дж. В. и др., 1987). При сжигании 1 литра бензина в воздух поступает 200-400 мг свинца, входящего в состав антидетонационной присадки (Черных и др., 1999). При сгорании дизельного топлива в окружающую среду поступает не менее 27 тыс. т никеля ежегодно, что составляет 57% от его общего антропогенного поступления. При сжигании бензина ежегодно выбрасывается 0,74 тыс. т меди и 0,07 тыс. т цинка. Основным источником поступления Zn в окружающую среду остается износ резиновых автопокрышек (2,2 тыс. т в год) (Мур Дж. В. и др., 1987). Помимо этого, при эксплуатации автотранспорта в окружающую среду непрерывно в заметных количествах поступают такие опасные загрязнители, как Cd, Cr, Fe, используемые в автомобильной промышленности для изготовления несущих конструкций, а также при отделке автомобильных деталей и находящие применение в различных автомобильных приборах.
Таким образом, автотранспортное загрязнение является одним из наиболее опасных и достаточно специфическим типом загрязнения окружающей среды, несомненно оказывающим влияние на придорожные экосистемы. Следует отметить, что по литературным данным (Николаева и др., 1987), примерно 20% выбросов автотранспорта оседает в непосредственной близости от автодорог, причем зона наибольшего загрязнения ТМ представляет собой полосу шириной до 10 м. По другим данным (Little, 1978), крупные частицы, входящие в состав выбросов (от 0,1 мм до нескольких миллиметров), оседают в непосредственной близости от автострад. В результате оседания более мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии, формируется вторая зона загрязнения, протяженностью 30-100 м.
Изучение влияния автотранспортного загрязнения на придорожные экосистемы в теоретическом плане позволяет выявить ряд закономерностей функционирования экосистем в условиях техногенного загрязнения, а в практическом - разработать мероприятия для их защиты.
Следует заметить, что проблема загрязнения почв занимает особое место в системе экологического нормирования. Это связано с уникальными экологическими функциями почвы как среды обитания и источника вещества и энергии для организмов суши, как связующего звена биологического и геологического круговоротов и как буферного и защитного биогеоценотического экрана, обеспечивающего нормальное функционирование биосферы (Добровольский, Никитин, 1986, 1990). Большинство исследователей, изучающих проблемы, связанные с загрязнением почв, пришли к заключению о недостаточной обоснованности имеющихся санитарно-гигиенических норм ПДК на тяжелые металлы. Подчеркивается необходимость их разработки на основе почвенно-экологических принципов (Обухов и др., 1980; Важенин, 1982; Ильин, 1986, 1992; 1995; и др.), которые, по сути, оспаривают возможность существования единой для всех почв ПДК.
Сохранить почву в нативном состоянии в современных условиях практически невозможно, так как вся поверхность земного шара в той или иной мере подвержена воздействию антропогенных продуктов. Следовательно, вопрос состоит не в том, чтобы иметь чистую почву, а в том, чтобы уровни содержания ТМ антропогенного происхождения находились в почвах сельскохозяйственного использования в количествах, не приводящих к негативным последствиям.
Для правильной оценки степени загрязнения почв ТМ, с одной стороны, необходимо иметь точку отсчета (нативное, фоновое содержание), а с другой -знать их ПДК в почве. В настоящее время по некоторым металлам не имеется достаточно надежных данных об их фоновом содержании. Приводимые разными исследователями результаты по фоновому содержанию ТМ для почв различаются иногда в 5-10 раз (Обухов, Ефремова, 1998). Кроме этого, по ряду элементов существует несогласованность между их фоновым содержанием в почвах и ПДК. Так, для мышьяка среднее фоновое содержание в почве установлено 6 мг/кг, ПДК - 2 мг/кг, для хрома, соответственно: 100 и 50 мг/кг. Существующие несоответствия еще более разительны при сравнении ПДК элементов с пределами колебаний их содержания в различных типах почв. При колебании фонового содержания от 2 до 200 мг/кг ПДК составляет 30 мг/кг.
Таким образом, на предложенные для некоторых металлов ПДК нельзя ориентироваться. В 1995 году Госкомсанэпиднадзором России выпущены Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94 «Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах» (Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91) с учетом некоторых физико-химических свойств почв, что значительно облегчает решение вопроса нормирования ТМ в почвах. Данные ОДК необходимы для установления научно обоснованных ПДК ТМ в различных почвах. Однако они разработаны только для шести элементов и представляют фиксированные значения, хотя более достоверны были бы интервалы колебаний этих величин. Поэтому установление достоверных практических значений поступления или наличия того или иного загрязнителя, разграничивающих состояние объектов на нормальное и ненормальное, благополучное и неблагополучное, является определяющим на данном этапе (Большаков и др., 1991).
Почвенно-климатические условия Белгородской области
Территория области характеризуется умеренно континентальным климатом с теплым летом и сравнительно холодной зимой.
Осадки на территории области распределяются неравномерно, и их ежегодное количество колеблется в пределах 460-540 мм. Наибольшее количество осадков (500-540 мм) выпадает в северо-западных районах, среднее (480-500 мм) - в центральных и наименьшее (465-490 мм) - в юго-восточных.
Климат оказывает непосредственное влияние на формирование почвенного профиля, определяя все протекающие в почве биохимические и физико-химические процессы.
Территория Белгородской области неоднородна в почвенном отношении (рис. 1). Наиболее распространены как почвообразующие породы на территории области лессовидные суглинки и глины. Лессы небольшой площадью выделены в крайней западной части области - в Ракитянском и меньше в Борисовском районах. Содержание физической глины колеблется в пределах от 39,1 до 44,2%.
Лессовидные суглинки и глины элювиально-делювиального происхождения распространены по территории области повсеместно. Глинистость лессовидных пород увеличивается при движении с запада на восток. Наиболее характерными свойствами лессовидных пород являются слабощелочная реакция среды, достаточно высокая сумма поглощенных оснований и карбонатность.
На востоке и юго-востоке области, отчасти в центральной ее части местами почвообразование развивается на третичных глинах.
Содержание физической глины колеблется в пределах от 61 до 82% (Ахтырцев, Соловиченко, 1984).
Метеорологические условия в годы исследований складывались различно. 2002 год был менее благоприятным, чем 2001 год, так как на начальных этапах вегетации яровой пшеницы наблюдался резкий недостаток влаги. За период 10.04.02-28.05.02 г.г. выпало всего 40,3 мм осадков, что почти в 2 раза меньше нормы. В то же время среднемесячная температура за апрель и май 2002 года была соответственно на 1,2 и 0,8С выше нормы. Гидротермический коэффициент периода вегетации май-август 2001 года составил 0,91, 2002 года- 1,16.
Эколого-токсикологическая оценка почв Белгородской области осуществлялась на основе анализа данных сплошного обследования пашни на содержание ТМ, проводимого Государственным центром агрохимической службы «Белгородский» в 1996-2001 г.г. При проведении сплошного обследования одна объединенная почвенная проба, состоящая из 20-40 точечных, отбиралась с площади 20 га. Глубина отбора почвенных проб составляла 0-25 см.
При выполнении работы по составлению картограмм использовались обобщенные данные по средневзвешенному содержанию ТМ в хозяйствах и карта-схема границ землепользовании области масштаба 1:200000. Работа выполнялась в следующей последовательности. На карте землепользовании в пределах каждого хозяйства отмечалось средневзвешенное содержание ТМ. Затем проводили цветовое оформление районов, содержащих одинаковые, в пределах установленных градаций, количества картируемого показателя. При составлении картограмм, группировка почв по содержанию каждого ТМ проведена таким образом, чтобы группы отличались на величину кратную 50% его кларка. Кларки для меди, свинца, цинка и кадмия составляют соответственно: 20, 10, 50, и 0,5 мг/кг (Виноградов, 1957).
При выполнении работы по изучению влияния автомобильной эмиссии на содержание ТМ в придорожных экосистемах, объектом исследования послужила почва, отобранная вдоль автотрассы Москва — Симферополь (опытное поле БелНИИСХ). Почва отбиралась с глубины 0-25 см почвенным буром в трехкратной повторности по обе стороны автомобильного полотна на расстоянии 5, 10, 15, 20, 30, 40 и 60 м от трассы. Почва представлена черноземом типичным тяжелосуглинистым с рН 6,8-7. Растения (яровая пшеница сорта «Прохоровка») отбирались на том же опытном участке в фазу полной спелости в трехкратной повторности.
Вопросы транслокации кадмия в системе почва - растение изучались в 2000-2002 г.г. Почва опытного участка — чернозем типичный тяжелосуглинистый, содержащий в пахотном слое 4,8% гумуса, подвижного фосфора (по Чирикову) - 108 мг/кг, обменного калия (по Чирикову) - 145 мг/кг, рН(Ксі) - 6,0. Опыт проводили в сосудах без дна размером 40x40x30 см, площадью 0,16 м2. Повторность вариантов - шестикратная. Для моделирования уровня загрязнения кадмий вносили в слой почвы 0-25 см в виде сульфата. В опыте моделировались уровни загрязнения кратные ОДК валового кадмия в суглинистых почвах с рН 5,5, что составляет 2 мг/кг. Для того, чтобы вносимая соль кадмия прошла трансформацию в почве, между закладкой сосудов и посевом яровой пшеницы был выдержан период времени в 10 месяцев. Измерение фотосинтетической поверхности листа определяли геометрическим методом. Концентрацию хлорофиллов а и в в общей смеси пигментов определяли фотометрическим методом по Веттштейну (Большой практикум..., 1975). Определение основных агрохимических показателей почвы было выполнено в лаборатории массовых анализов БелНИИСХ по общепринятым методикам: подвижный фосфор и калий по Чирикову (ГОСТ 26204-91), гумус по Тюрину (ГОСТ 26213-93), рН солевой вытяжки и гидролитическую кислотность по ГОСТу 26212-91. Содержание ТМ в почве и растениях определяли атомно-абсорбционным методом в лабораториях БелНИИСХ и Государственного центра агрохимической службы «Белгородский». Для экстракции валовых форм ТМ использовалась концентрированная азотная кислота, для экстракции подвижных форм ТМ использовался ацетатно-аммонийный буферный раствор с рН 4,8. Экспериментальный материал обработан методом регрессионного анализа с использованием программного комплекса STAT-ВИУА.
Содержание кадмия в почвах Белгородской области
В распространении кадмия в почвах Белгородской области прослеживается ранее выявленная тенденция к увеличению валового содержания кадмия с запада на восток. Средневзвешенное валовое содержание кадмия в почвах с рН 5,5 составило 0,62 мг/кг, с рН 5,5 - 0,69 мг/кг. Выявлено 11,8 тыс. га пашни с рН 5,5, где валовое содержание кадмия выше ОДК (более 1 мг/кг): Алексеевский район - 3640 га, Белгородский район — 777 га, Валуйский район - 250 га, Вейделевский район — 54 га, Губкинский район — 3552 га, Красненский район - 2005 га, Ровеньской район - 52 га, Чернянский район -1454 га. Из 1390,7 тыс. га обследованной пашни 19,1 тыс. га, что составляет 13,7%, содержит менее 0,5 мг/кг почвы кадмия; 686,8 тыс. га пашни (49,4%) содержат от 0,5-0,75 мг/кг кадмия; 464 тыс. га пашни (33,4%) содержат от 0,75-1,0 мг/кг кадмия и 48,9 тыс. га пашни (3,5%) - более 1,0 мг/кг кадмия. Наименьшие показатели содержания кадмия в почве (менее 0,5 мг/кг) отмечены в Борисовском, Грайворонском, Краснояружском районах, частично в Губкинском, Ракитянском, Новооскольском районах. Наибольшее значение валового содержания кадмия (более 1 мг/кг) наблюдаются в восточных районах области: Алексеевский, Валуйский, Красненский, Ровеньской и Чернянский районы (рис. 5). Содержание кадмия в почвах Белгородской области отображено в таблице 3.4.В ходе исследований была выявлена тенденция влияния кислотности почв на валовое содержание изучаемых ТМ. Кислые почвы содержат РЬ на 15%, Cd и Zn на 11% меньше, чем почвы с реакцией среды близкой к нейтральной.
На территории области выявлено 472634 га пашни с рН 5,5 и 918089 га пашни с рН 5,5.
Влияние кислотности почвы на валовое содержание в ней ТМ можно объяснить следующим образом: более низкое содержание ТМ на кислых почвах обусловлено тем, что на этих почвах подвижность ТМ выше. Поэтому они в больших количествах вымываются из пахотного слоя почвы и используются растениями и, следовательно, валовое содержание при прочих равных условиях уменьшается интенсивнее.
В пределах Белгородской области наблюдается закономерность увеличения валового содержания ТМ в направлении с запада на восток. На западе области в Грайворонском и Борисовском районах содержание Си составляет 10,8 и 11,3 мг/кг, РЬ - 12,6 и 13,0 мг/кг, Zn - 35,0 и 35,7 мг/кг, Cd -0,16 и 0,18 мг/кг. На востоке области в Ровеньском и Алексеевском районах средневзвешенное содержание Си в почвах составляет 15,7 и 15,3 мг/кг, РЬ — 22,3 и 18,5 мг/кг, Zn - 67,7 и 59,3 мг/кг, Cd - 0,78 и 0,88 мг/кг.
Отмеченная закономерность не связана с загрязнением почв восточных районов области ТМ, а обусловлена следующими причинами:
1. В первую очередь фоновое содержание ТМ в почвах зависит от их содержания в почвообразующих породах. По мнению В.В. Добровольского (1983), как правило, чем тяжелее механический состав почвообразующей породы, тем выше содержание ТМ в почве. В восточных районах почвообразующие породы представлены третичными глинами с содержанием физической глины 61-82%. В западных районах почвы сформировались на лессах и лессовидных суглинках, где содержание физической глины составляет 39-44% (Ахтырцев, Соловиченко, 1984).
2. Кислотность почвы так же имеет тенденцию к увеличению с востока на запад, что должно приводить к увеличению подвижности ТМ в почвах западных районов и, следовательно, повышать их вынос с растениями (Овчаренко, 1997; Черных и др., 1999).
3. Если в восточных районах выпадает 465-490 мм осадков в год, то в западных районах - 500-550 мм (Ахтырцев, Соловиченко, 1984). Следовательно, миграция подвижных форм ТМ из пахотного слоя в более глубокие слои почвы должна быть больше в западных районах.
В ходе сплошного агроэкологического мониторинга, проводимого Государственным центром агрохимической службы «Белгородский», был проведен локальный мониторинг реперных участков на содержание валовых и подвижных форм ТМ (Си, Pb, Zn, Cd) по почвенному профилю (0-100 см). Проанализировав полученные данные, было выявлено, что содержание валовых и подвижных форм ТМ по профилю остается практически неизменным .
Похожие диссертации на Эколого-токсикологическая оценка содержания тяжелых металлов в агроландшафтах Белгородской области
