Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Источники поступления ТМ в агроэкосистемы 9
1.1.1. Источники поступления и формы содержания ТМ
в почве 11
Источники поступления ТМ в растения 23
Биологические особенности культур
в накоплении ТМ 23
Физиологическая роль N, Cd, Pb 34
Приемы, оказывающие влияние на поступление
ТМ в растения 42
1.3.1. Влияние условий азотного питания
на поступление ТМ в растения льна-долгунца 43
1.3.2.Влияние фосфорного питания на поступление
ТМ в растения льна-долгунца 45
1.3.3.Влияние калийного питания на поступление
ТМ в растения льна-долгунца 48
Глава 2. Экспериментальная часть 51
Цель и задачи исследований 51
Объекты, методы и условия проведения исследований 52 Глава 3. Результаты исследований
3.1. Влияние доз азота и загрязнения почвы ТМ на динамику
содержания их в почве и нитрификационную способность почвы 63
3.1.1. Динамика ТМ в почве при внесении различных доз азота
и загрязнении её Cd и РЬ 63
3.1.2.Нитрификационная способность почвы 76
3.2 Онтогенетический ход накопления сухой массы растениями льна-
долгунца при загрязнении почвы кадмием и свинцом 81
З .3. Динамика поглощения макро- и микроэлементов растени
ями льна-долгунца, антагонизм и синергизм ионов при внесении
различных доз азота и загрязнении почвы ТМ 86
Динамика содержания и накопления в растениях азота, Фосфора и калия 86
Динамика Cd и РЬ в растениях при загрязнении ими почвы
и внесении различных доз азота 94
3.3.3. Влияние загрязнения почвы Cd и РЬ на динамику выноса
и распределения ТМ в растениях. Роль корней в выносе ТМ
растениями. 98
3.3.4. Изменение содержания и коэффициентов поглощения
растениями Zn, Си, Cd, Mn, Pb, Ni при загрязнении
почвы Cd и РЬ. Синергизм и антагонизм ионов. 115
3.4. Урожайность и показатели качества льна-долгунца при
возрастании доз азота и загрязнении почвы ТМ 122
Глава 4. Экономическая и энергетическая эффективность
выращивания льна-долгунца на почвах загрязненных кадмием и
свинцом при возрастании доз азотных удобрений 128
Энергетическая эффективность 128
Экономическая эффективность 134 Выводы 138 Предложения 140 Список литературы 141 Приложения 170
Введение к работе
С возникновением жизни и биологического круговорота веществ условия миграции химических элементов в верхнем слое литосферы существенно изменились (Вернадский В.И., 1980). Живые организмы, выборочно использующие химические элементы, необходимые для построения своих тел и энергетического обмена, привели к существенному изменению химического состава, как атмосферы, так и материнской породы, из которой образовались почвы.
На современном этапе антропогенный фактор носит глобальный характер, и имеет вовсе не положительное направление в отношении среды обитания. Человек нарушил целые экологические системы, вмешивается в сбалансированный круговорот веществ и энергии в биосфере, вовлекая в него не свойственные ранее или сконцентрированные до опасных уровней неспецифичные, но участвующие в биосферном круговороте, вещества, такие как микро- и ультрамикроэлементы, в том числе и тяжелые металлы (ТМ) (АнспокП.И., 1990; Овцинов В.И., 2004, 2006 г.).
В настоящее время решение экологических вопросов становится необходимым условием для сохранения жизни на земле. Человечество стоит перед проблемой предвидеть ближайшие и отдаленные последствия своего вмешательства в природные процессы, . добиваясь наибольшего положительного эффекта использования ресурсов биосферы, вводя рациональную технологию, многократно используя и возвращая в биохимические циклы природы и хозяйства побочные продукты и отходы индустрии, горного дела, городского хозяйства, земледелия.
В настоящее время практически во всех районах земледелия России происходит падение плодородия почв, которое было вызвано, прежде всего, резким уменьшением объемов применения минеральных и органических удобрений, известкования почв, из-за недооценки других агрономических мероприятий. Формирование урожаев сельскохозяйственных культур за счет потенциального плодородия почв приводит к ухудшению их гумусного
5 состояния, вводно-физических и физико-химических свойств, увеличению площадей пашни с очень низким содержанием подвижных форм макро- и микроэлементов. Все это оказывает большое влияние на экологическое состояние агросистем.
Особо остро встает вопрос об антропогенном влиянии на биосферу, в частности о поступлении различных загрязняющих веществ, в том числе и ТМ, а также азотсодержащих токсических веществ в почву, а из неё по цепи питания в организм человека, представляя тем самым угрозу для здоровья, а в некоторых случаях и жизни.
Хотя почвы и обладают буферностью и потому относительно устойчивы к антропогенному воздействию, но именно загрязнение почв и их многоплановая деградация существенно скажется в дальнейшем, если ничего не будет предпринято по улучшению сложившейся обстановки, т.к. восстановление почвенного плодородия - процесс длительный и сложный, а поэтому одной из актуальных проблем является проблема динамики токсичных соединений, изучение законов их сорбции, миграции и аккумуляции в почве. Здоровье человека, болезни, скрытые мутации в значительной мере зависят от присутствия, концентрации, соотношения и взаимодействия таких соединений с почвами, почвенными организмами и растениями.
В последнее время все больше проводится исследований, и накапливаются факты оказания положительного и отрицательного действия химических элементов, в том числе и биогенных на обмен веществ в растительном, животном мире и человеке, а потому все острее встает вопрос о создании продуктов питания и кормов с заданным элементным составом. Актуальность этого направления продиктована в первую очередь ростом неблагоприятных изменений условий жизни, неумелым вмешательством человека в круговорот химических элементов в биосфере.
Для получения растений с заданным элементным составом необходимо всестороннее изучение значения химических элементов во всех звеньях
пищевой биохимической цепи, миграция их в системе почва — растение — животное — человек. Установлено, что неадекватное нормальному поступление биофильных макро- и микроэлементов в живой организм, избыточное поступление элементов-ксенобиотиков, как и аномальное соотношение между химическими элементами в его питании, ведет к нарушению функций, необратимым физиологическим изменениям в организме и даже его гибели. Прежде всего, это касается таких биофильных элементов, как азот, магний, кальций, фосфор, железо, марганец, цинк, медь, кобальт, селен, молибден, хром и элементов-ксенобиотиков — никель, свинец, кадмий, ртуть.
Из химических элементов приоритетными загрязнителями являются кадмий, свинец, цинк, мышьяк, т.к. техногенное накопление их в окружающей среде идет высокими темпами. Все острее встает вопрос загрязнения агробиоценозов таким незаменимым элементом как азот. Соединения азота (нитраты, нитриты) токсичны, могут вызывать гибель-организма, поэтому азот рассматривается как экологический фактор. В-овощных культурах, в кормовых травах, у которых в пищу используется вегетативная масса, накопление ТМ и нитратов может достичь опасного для здоровья людей и животных уровня без достаточно заметных внешних проявлений угнетения растений. Растительная продукция даже со слабо загрязненной почвы способна вызвать кумулятивный эффект — постепенное увеличение содержание ТМ в организме животных и людей.
Ярославская область является крупным промышленным центром, в котором представлен целый спектр различных промышленных предприятий, поэтому актуальность экологической проблемы земледелия встает как нельзя остро.
Остается недостаточно изученными вопросы действия удобрений на продуктивность культур и их химический состав в условиях техногенной нагрузки на почву. Об этом свидетельствуют противоречивые экспериментальные данные и различия в их интерпретации. Однако- при
7 возрастающем антропогенном факторе роль удобрений весьма усложняется и возрастает. Приоритетными направлениями изучения их действия становятся размеры и интенсивность поглощения биогенных и токсичных элементов, необходимые для всего периода роста растений, и соотношения потребляемых элементов во время вегетации. Одна из наиболее актуальных проблем — научное обоснование повышения устойчивости сельскохозяйственных культур, в том числе, предназначенных на технические цели, к загрязнению почв ТМ путем оптимизации питания растений, при этом используя различные виды удобрений и их дозы.
Исходя из вышесказанного, на сегодняшний день наряду с решением вопросов охраны биосферы, в том числе, почвенного покрова от загрязнения ТМ огромный интерес представляет оптимизация питания сельскохозяйственных культур биогенными макро- и микроэлементами, при этом необходимо обратить внимание на усиление деятельности физиологических барьеров, препятствующих поступлению токсических веществ в растения, особенно в органы, которые идут в пищу человеку и на корм животным. Необходимо выявить способы снижения; найти надежные методы для диагностики уровня загрязнения почв ТМ и прогнозировать использование таких почв под сельскохозяйственные угодья.
Результаты, представленные в данной диссертации, позволяют расширить знания о химическом составе растений, обосновывают количественные и качественные показатели потребности льна-долгунца, как технической культуры наиболее приемлемой при использовании загрязненных почв в ряде элементов - N, Р, К, Zn, Си, Cd, Pb, Mn, Ni - в условиях техногенной нагрузки на почву. Нами изучена динамика поступления и селективность поглощения выше перечисленных элементов на почвах при фоновом и критическом содержании кадмия и свинца в почве, показана роль различных органов в формировании механизма устойчивости растений к ТМ. Исследованы антагонистически - синергические
8 взаимодействия указанных элементов. Установлены ряды активности поглощения тяжелых металлов на фоновых и загрязненных почвах.
