Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы загрязнения тяжелыми металлами объектов окружающей среды (Обзор литературы) 9
1.1 Общая характеристика ландшафтов Оренбургской области 9
1.1.1 Краткая климатическая характеристика Оренбургской области 9
1.1.2 Характеристика почвенно-растительных комплексов Оренбургской области 11
1.2 Антропогенное загрязнение почв тяжелыми металлами 16
1.2.1 Характеристика загрязнения тяжелыми металлами почв зарубежных стран 16
1.2.2 Сравнительная характеристика загрязнения почв тяжелыми металлами территории СНГ, России и Оренбургской области 18
1.2.2.1 Свинец 23
1.2.2.2 Цинк : 24
1.2.2.3 Кадмий 25
1.2.2.4 Медь 26
1.3 Формы нахождения тяжелых металлов и их миграция в различных типах почв 28
1.4 Особенности накопления тяжелых металлов в растительных тканях 32
2 Теоретические основы миграции тяжелых металлов в системе почва-растение степной зоны 39
2.1 Минеральное питание растений в условиях степных -ландшафтов 39
2.2 Биофизические особенности минерального питания растений 49
2.2.1 Поглощение минеральных веществ растительными тканями 49
2.2.2 Влияние факторов внешней среды на интенсивность питания 53
2.2.3 Особенности водного обмена в растительных тканях 54
2.3 Математическое моделирование процессов взаимодействия компонентов системы почва-растение 57
3 Методика проведения эксперимента 62
3.1 Общая методика эксперимента 62
3.2 Отбор проб почв и пробоподготовка 63
3.3 Отбор проб растений и пробоподготовка 64
3.4 Определение тяжелых металлов 65
3.5 Оценка загрязнения почвенно-растительного комплекса тяжелыми металлами 67
3.6 Статистическая обработка результатов 68
3.7 Оценка риска загрязнения почвенно-растительных комплексов степных ландшафтов 68
4 Результаты исследований и обсуждения 70
4.1 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Оренбургской области 70
4.2 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в растительном покрове Оренбургской области 87
4.3 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в корневой системе 89
4.4 Интенсивность биологического накопления подвижных форм тяжелых металлов растениями 92
4.5 Анализ влияния физико-химических свойств почв на содержание тяжелых металлов 100
5 Оценка риска загрязнения почвенно-растительных комплексов степных ландшафтов 108
5.1 Риск загрязнения корневой системы растений 108
5.2 Риск загрязнения надземной части растений 113
5.3 Риск загрязнения почвы 116
5.4 Характеристика загрязнения биогеоценозов в геотехнических системах Южного Урала по интегральному показателю .-...118
5.5 Ранжирование почв степной зоны по комплексному показателю 119
Заключение 123
Список использованных источников 126
Приложение 140
- Характеристика почвенно-растительных комплексов Оренбургской области
- Минеральное питание растений в условиях степных -ландшафтов
- Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Оренбургской области
- Риск загрязнения корневой системы растений
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных экологических проблем настоящего времени является вовлечение в биосферный круговорот высокотоксичных и высокоустойчивых химических веществ, в том числе и тяжелых металлов, повышенные концентрации которых могут привести к подавлению деятельности различных биологических систем, к снижению их устойчивости и продуктивности. Вовлекаясь в биологический круговорот, попадая в системы почва-растение-человек, почва-растение-животное, тяжелые металлы могут оказывать значительное негативное влияние на здоровье людей.
Загрязнение биосферы тяжелыми металлами, связанное с производственной, хозяйственной и бытовой деятельностью человека, создает в настоящее время серьезные проблемы для безопасного и рационального использования почв в сельском хозяйстве. По данным Воляник М.Н., Боева В.М.(1995), Калиева А.Ж. (1995), Гамм Т.А. (2003), Корнеева А.Г.(1998), Быстрых В.В. (2000), в Оренбургской области имеются территории с содержанием в них тяжелых металлов, превышающих ПДК. Исходя из этого, оценка развития растений на загрязненных почвах, возможности аккумуляции ими тяжелых металлов, изучение их профильной миграции и аккумуляции, а также поиск путей детоксикации почв имеет реальный практический интерес.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование биогеохимических особенностей профильной миграции и биологического накопления подвижных форм тяжелых металлов, и комплексная оценка загрязнения биогеоценозов степной зоны тяжелыми металлами.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведены аналитические исследования физико-химических свойств почв, характерных для степной зоны;
- исследовано распределение подвижных форм тяжелых металлов по почвенному профилю;
- определен коэффициент накопления тяжелых металлов растениями степной зоны;
- проведена комплексная оценка физико-химических свойств почв;
- разработан интегральный показатель, учитывающий элементный статус и физико-химические особенности биогеоценозов и выполнено ранжирование почв по комплексному показателю, характеризующему их физико -химические свойства.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана математическая модель и предложен критерий оценки риска загрязнения компонентов системы почва-растение;
- предложена методика оценки интенсивности миграции тяжелых металлов по почвенному профилю;
- предложен интегральный показатель, характеризующий загрязнение биогеоценозов в геотехнических системах Южного Урала;
разработаны рекомендации фиторекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами на основании рассчитанного коэффициента биологического накопления и использования комплексного показателя. Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором, состоят в следующем:
- в разработке на основе теории стационарных марковских цепей математической модели миграции элементов в компонентах системы почва-растение;
- в предложении интегрального показателя, характеризующего загрязнение биогеоценозов в геотехнических системах Южного Урала.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается применением при обработке экспериментальных - данных аппарата математической статистики; использованием современных методов моделирования, удовлетворительной сходимостью полученных результатов с расчетами по известным методикам; получены уравнения регрессии для оценки миграции тяжелых металлов по почвенному профилю и использовался кластерный метод анализа.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в разработке модели, которая позволяет определить риск загрязнения тяжелыми металлами компонентов системы почва-растение, и в предложенной рекомендации и алгоритме фиторекультивации различного типа почв, которая позволяет снизить содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве.
Материалы работы и результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении практических занятий для студентов специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» в учебном курсе «Система защиты среды обитания» в Оренбургском государственном университете, а также применяются Федеральным государственным учреждением Государственного центра агрохимической службы «Оренбургский» при мониторинге почвенно-растительных комплексов.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
- методика комплексной оценки степени загрязнения тяжелыми металлами почвенно-растительного комплекса;
- математическая модель оценки риска загрязнения элементов .„системы почва-растения, характерной для степной зоны Оренбуржья;
- технология фиторекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на первой международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2004), на первой Всероссийской научно-практической конференции «Здоровьесберегающие технологии в образовании» (Оренбург, 2003), на региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург с 1999 по 2004 гг.). Автор исследования принимал участие в областной выставке научно-технического творчества молодежи (Оренбург, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 162 наименований. Общий объем диссертации составляет 149 страниц машинописного текста и содержит 18 рисунков, 22 таблицы и приложения.
Характеристика почвенно-растительных комплексов Оренбургской области
По характеру растительного покрова Оренбургская область, по данным В.Д.Кучеренко, 1988, относится к настоящим степям, но часть ее территории принадлежит к лесостепи и сухой степи.
В северной и северо-западной частях Оренбургского Предуралья степная растительность представлена разнотравно-типчаково-ковыльными типами. На этой территории культурные угодья чередуются с редкими колками или небольшими массивами березовых, дубовых или смешанных насаждений. Лишь на западе находится крупный массив хвойного смешанного леса -Бузулукский бор.
Колки и реликтовые лесо-луговые виды травянистой растительности, а также некоторые особенности почвенного покрова подтверждают принадлежность к лесостепи северо-западных и северных частей Оренбургского Предуралья. Дальше к югу лесостепные ландшафты сменяются степными и сухостепными с типчаково-ковыльной растительностью, где так же большая часть территории представляет собой пахотные угодья. Оренбургское Зауралье относится к степной и сухостепной зоне с очень неравномерным по массе распределением растительности, обедненным видовым составом ее и обилием ксерофитных и галофитных видов. Исключение составляет северовосточная часть Кваркенского района, где встречаются крупные массивы хвойных и лиственных лесов.
Вся территория Оренбургской области широко представлена разнообразными типами растительности, в т.ч. степной, лугостепной, луговой, лесной и водно-болотной. По хозяйственным признакам около видов используются как лекарственные растения. Часть из них может быть включена в категорию сырьевой базы для заготовок лекарственного сырья - виды шиповника, тысячелистника, полыни, хмеля, пижмы, крапивы, горца, пырея, пустырника, ландыша, одуванчика и т.д. [35]. Дикорастущих, съедобных растений насчитывается 76 видов. Наибольшее значение имеют терн, вишня степная, боярышники, ежевика сизая, калина обыкновенная, черная смородина, земляника лесная, черемуха обыкновенная, калина красная. Большинство видов съедобных растений приурочено к поймам рек, склонам оврагов и балок, где создается благоприятный водный режим. Значительную группу флоры центральной зоны составляют кормовые растения. Хорошими кормовыми травами являются 226 видов, принадлежащих, в основном, к 5 семействам: мятликовые, бобовые, осоковые, астровые и маревые. Мятликовые представлены видами родов пырея, овсяницы, ежи, мятлика, тимофеевки, костра и костреца, полевицы. Из бобовых заслуживают внимания виды люцерны, донника, клевера, эспарцета, астрагала. Из осоковых наиболее ценны в кормовом отношении мелкие осоки, обитатели остепененных лугов и открытых степей: осока низкая, осока черноколосая, осока ранняя и др. 83 вида флоры являются ядовитыми. В основном - это виды семейства лютиковые. В общее число видов растений вошли и заносные сорняки - циклахена, амброзия, сорно-полевой подсолнечник, горчак, бодяк и др. Наряду с заносными сорняками в центральной зоне много деревьев и кустарников. Основные древесные породы лесополос - береза бородавчатая, сосна обыкновенная, вяз мелколистный, клен ясенелистный; из кустарников - карагана древовидная, лох узколистный, смородина золотистая. Почвенный покров Оренбургской области отличается большой неоднородностью, многообразием видов и разновидностей в пределах даже одной биоклиматической зоны. В таблице 1 представлен список основных почв Оренбургской области.
В Предуралье в направлении с севера на юг последовательно расположены следующие почвенные подзоны: черноземы типичные и выщелоченные, черноземы обыкновенные, черноземы южные и темно-каштановые почвы [13].
В Зауралье (Кваркенский район) типичные черноземы отсутствуют, но по границе с Башкирской АССР и в центральной гористой части области они встречаются небольшими островками. Незначительная часть территории области (главным образом под лесами) занята лесными и оподзоленными
почвами, затем малосформированными почвами с укороченным профилем и непочвенными образованиями (выходы горных пород, каменистые осыпи и россыпи). Большое распространение среди черноземов южных, а такж.е темно-каштановых почв имеют солонцы, солонцово-солончаковые почвы, особенно в таких районах, как Первомайский, Соль-Илецкий, Акбулакский, Кваркенский, Гайский, Новоорский, Адамовский, Светлинский, Домбаровский. По речным долинам распространены почвы дерновые, аллювиальные, лугово-черноземные, болотные, нередко солонцы и солончаки.
Почвенный покров Оренбуржья имеет существенные отличия от почв смежных с ним областей на западе и востоке. Причина заключается в особенностях климатического режима, устройстве поверхности, характере почвообразующих пород. Во всех подзонах области получили .большое распространение карбонатные, то есть вскипающие от соляной кислоты почвы. В каждой почвенной зоне и подзоне области выделяются выщелоченные, то есть не содержащие карбонатов разновидности почв. Образовались они на почвообразующих породах различного механического состава, лишенных карбонатов. Подобные разновидности распространены в Бузулукском, Курманаевском, Первомайском, Ташлинском, Илекском, Новосергиевском районах, а также на востоке области [39].
Эти почвы не являются аналогами подтипа черноземов выщелоченных, распространенных за пределами области, севернее подзоны типичных черноземов. Земельный фонд Оренбургской, по данным Государственного комитета по охране окружающей среды Оренбургской области, составляет 12369,2 тыс.га. Большая часть территории области занята землями сельскохозяйственных предприятий, организаций и граждан - 83,6%; земли находящиеся в ведении городских, поселковых и сельских органов власти составляют 9,0%; земли лесного фонда-4,3%; земли промышленности, транспорта, связи - 2,1%; земли запаса - 0,7%; земли природоохранного и водного фонда - 0,3%.
Минеральное питание растений в условиях степных -ландшафтов
Содержание подвижных форм тяжелых металлов - важнейший показатель санитарно-гигиенической обстановки почвы, определяющий степень фитотоксичности химических элементов и необходимость проведения мелиоративных детоксикационных мероприятий.
Миграция загрязняющих веществ в почвах и из почв в сопредельные среды является важнейшим фактором, который с одной стороны, способствует самоочищению почв в зонах локального загрязнения, с другой — вызывает загрязнение прилегающих территорий, грунтовых и поверхностных вод. Особенно большое значение имеет профильная миграция загрязняющих веществ, которая наиболее интенсивно протекает весной, осенью и летом, при выпадении большого количества осадков, когда имеют место интенсивные нисходящие потоки почвенной влаги [100].
Миграцию тяжелых металлов ограничивают процессы осаждения их на геохимических барьерах. Геохимический барьер - это участок земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение интенсивности миграции химических элементов и как следствие - их накопление [95].
Различные почвы имеют разную способность к закреплению тяжелых металлов. Так, А.И.Обухов (1989) на основании своих исследований делает вывод о том, что черноземные почвы, по сравнению с подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами, в значительно меньшей степени страдают от загрязнения тяжелых металлов. Механизм закрепления тяжелых металлов черноземами зависит от емкости поглощения почв, содержания органического вещества, глинистых минералов и минералов оксидов Fe и А1. Сорбция мало зависит от формы соединений тяжелых металлов, поступающих в почву.
В.Б.Ильин, Е.Н.Гончарук, А.И.Обухов, И.О.Плеханова, В.И.Савич, А.В.Трубицина [32, 51, 89, 112] утверждают, что пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и другие среды будет незначительным. Однако тяжелые металлы органической и коллоидной частиц почвы значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы аммонификации и нитрификации, которые имеют важное значение для сохранения физико-химического равновесия в почве. В результате меняется структура почвы, деградирует гумус и, в конечном итоге, почва теряет плодородие. К почвенным факторам, влияющим на доступность тяжелых металлов, относятся: гранулометрический состав, рН почвы, содержание органического вещества, катионная способность и окислительно-восстановительный потенциал.
Весьма значительное влияние на подвижность тяжелых металлов в почве и на их доступность растениям оказывает реакция почвенной среды. От того, какова эта реакция - кислая, нейтральная или щелочная, - в сильной степени зависят направленность и скорость химических и биохимических процессов в почве, следовательно, и поступление тяжелых металлов в растения. Реакция почвенной среды выражается водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов. Нейтральной среде соответствует величина рН, равная 7, кислой - меньше 7 и щелочной -больше 7. Многими учеными [8, 83, 86, 99, 130] экспериментально установлено, что повышение рН (подщелачивание) почвы приводит к образованию менее подвижных соединений многих микроэлементов и тормозит процесс поглощения растениями меди, кобальта, особенно цинка и марганца, но способствует усвоению молибдена. Понижение рН, т.е. усиление кислотности почвы, наоборот, ускоряет разложение почвенных минералов, увеличивает концентрацию растворимых соединений ряда элементов питания, что делает их более доступными для растений.
К.Рэуце и С.Кэрся [111] отмечают, что для снижения до минимума доступности токсического металла в почве необходимо поддержать рН близким к 6,5. В.Странд, Б.М.Золотарева, А.Е.Лисовский [118, 119] утверждают, что особенность тяжелых металлов заключается в том, что они не подвергаются процессам естественного разрушения и попадая в почву, остаются константным фактором. Наблюдения Т.Г.Лях (1990) показали, что в орошаемом типичном черноземе концентрация в почвообразующей породе тяжелых металлов в 1,5-2 раза меньше, чем в неорошаемом. Это объясняется выносом тяжелых металлов за пределом изучаемых глубин, а также выносом их с урожаем сельскохозяйственных культур.
Увеличение тяжелых металлов в почве отражается и на ее химических свойствах. Прежде всего, подвергается изменению ферментативная активность. Например, при содержании в перегнойно-глеевых почвах 5мг/кг кадмия наблюдается снижение активности денитрогеназы и инвертазы, а при концентрации 7 мг/кг происходит полное подавление этих ферментов [9]. Такую же закономерность отмечает И.Н.Чумаченко (1991).
В почвенном растворе тяжелые металлы находятся в соединении с различными присутствующими там ионами. Чаще всего в дерново-подзолистых, серых лесных, выщелоченных черноземах тяжелые металлы обнаруживаются в форме нитратов, хлоридов, сульфатов, бикарбонатов, а также карбонатов и в соединениях с органическим веществом. В природных условиях растворителем служит почвенная вода.
Чем выше растворимость соединений тяжелых металлов с ионами, присутствующими в почвенном растворе, тем большее их количество поглощается растением и выше миграция по профилю.
Наибольшее влияние на изменение концентрации элементов в почвенном растворе могут оказывать следующие факторы: реакция среды, избыточная влага, растительность, время, биологическая активность почвы, гранулометрический состав.
В дерново-подзолистых почвах подвижные формы тяжелых металлов в основном концентрируются (накапливаются) в гумусовом аккумулятивном горизонте [60, 126, 130].
Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Оренбургской области
Темно-каштановая почва: медь статистически значимо коррелирует со свинцом (г = 0,9), рН (г =0,84), НС03 (г =0,88), суммой катионов (г =0,81), анионов (г =0,81) и сильная отрицательная корреляционная связь наблюдается с содержанием гумуса (г = -0,77). Между содержанием цинка в профиле темно-каштановой почвы и физико-химическими характеристиками этой почвы существует сильная положительная корреляционная связь: с содержанием гумуса (г=0,84), К20 (г=0,84) и отрицательная корреляционная связь цинка с такими элементами как свинец (г =-0,85), кадмий (г =-0,79) и никелем (г =-0,83), гумусом (г =0,84), К20 (г =0,84). Свинец положительно коррелирует с медью (г =0,9), никелем (г =0,93), рН (г =0,88), НСОэ (г =0,89) и отрицательно коррелирует с цинком (г =-0,85) и гумусом (г =-0,89). Кадмий имеет сильную отрицательную корреляционную связь с цинком (г =-0,79), фосфором (г =-0,89) и валовым содержанием К20 (г =-0,82). Никель положительно коррелирует с рН (г =0,82), НСОз (г =0,78), содержанием гумуса (г =-0,85) и свинцом (г =0,93) и имеет сильную отрицательную корреляционную связь с цинком (г =-0,83). Между содержанием хрома в темно-каштановой почве и ее физико-химическими характеристиками корреляционной связи не обнаружено. Марганец статистически значимо коррелирует с валовым содержанием К20 в почве (г =- 0,85). Кобальт имеет сильную положительную корреляционную связь с суммой анионов (г =0,77), магнием (г =0,8), суммой катионов (г =0,77). Между содержанием мышьяка и физико-химическими характеристиками темно-каштановой почвы корреляционной связи не обнаружено. Ртуть коррелирует с содержанием гумуса (г =0,8), рН (г =-0,81) и К+(г=0,91).
Чернозем типичный: медь статистически значимо коррелирует с такими элементами как кадмий (г =0,91) и никель (г =0,94). Между содержанием цинка и физико-химмическими характеристиками чернозема типичного существует сильная положительная корреляционная связь: с содержанием гумуса (г =0,87), SO" 4 (г =0,8), суммой анионов (г =0,8), суммой катионов (г =0,8), % солей (г=0,85) и такими элементами как с серой (г=0,87) и фосфором (г =0,88).
Свинец имеет сильную положительную корреляционную связь с кадмием (г =0,83), никелем (г =0,84) и кобальтом (г =0,85). Кадмий положительно коррелирует с такими элементами как с калием (г=0,91), свинцом ( г=0,89), никелем (г =0,95) и фтором (г =0,76). Содержание никеля имеет положительную корреляционную связь с медью (г =0,94), свинцом (г =0,84) и кадмием (г =0,95). Хром статистически значимо коррелирует с КгО (г =-0,77) и кальцием (г =-0,91). Марганец имеет положительную корреляционную связь с содержанием гумуса (г =0,81). Кобальт положительно коррелирует со свинцом (г =0,85) и содержанием гумуса (г=0,81). Мышьяк статистически значимо коррелирует с НСОз (г =0,81). Ртуть имеет сильную отрицательную связь с НС03 (г =-0,94).
Чернозем неполноразвитый щебневатый: медь статистически значимо коррелирует с цинком (г =0,77), кобальтом (г =0,88), фтором (г =-0,77), калием (г =0,77) и НСОз (г =0,76). Цинк имеет сильную положительную корреляционную связь с такими физико-химическими характеристиками почвы как с содержанием гумуса (г=0,98), валового содержанием К2О (г =0,93) и элементами: медь (г =0,77), свинец (г =0,94), кобальт (г =0,78) и сильную отрицательную корреляционную связь со фтором (г =-0,78) и НСОз (г =-0,76). Хром статистически значимо коррелирует с К20 (г=-0,77) и кальцием (г=-0,91). Марганец имеет положительную корреляционную связь с содержанием гумуса (г=0,81). Кобальт положительно коррелирует со свинцом (г=0,85) и содержанием гумуса (г=0,81). Мышьяк статистически значимо коррелирует с НСОз (г=0,81). Ртуть имеет сильную отрицательную связь с НСОз (г=-0,94). Чернозем неполноразвитый щебневатый: Медь статистически значимо коррелирует с цинком (г=0,77), кобальтом (г=0,88), фтором (г=-0,77), калием (г=0,77) и НСОз (г=0,76). Цинк имеет сильную положительную корреляционную связь с такими физико-химическими характеристиками почвы как с содержанием гумуса (г=0,98), валового содержанием К20 (г=0,93) и элементами: медь (г=0,77), свинец (г=0,94), кобальт (г=0,78) и сильную отрицательную корреляционную связь со фтором (г=-0,78) и НС03 (г=-0,76). Свинец статистически значимо коррелирует с цинком (г=-0,94), никелем (r=0,77), кобальтом (r=0,87), фтором (r=-0,91), содержанием гумуса (r=0,98), общим валовым содержанием К20 (г=0,85), НСОз (r=-0,88), S04 (г=0,8) и натрием (г=-0,8). Никель статистически значимо коррелирует со свинцом (г=0,77). Хром статистически значимо коррелирует с фосфором (г=-0,84) и НСОз (1=0,77). Марганец имеет сильную положительную корреляционную связь с такими элементами как фосфор (г=0,79) и хлор (г=0,85). Кобальт статистически значимо коррелирует с медью (г=0,88), цинком (г=0,78), свинцом (г=0,87), фтором (г=-0,96), содержанием гумуса (г=0,81), НСОз (г=-0,78) и кальцием (г=0,83). Между содержанием кадмия, мышьяка, ртути и физико-химическими характеристиками чернозема неполноразвитого щебневатого тесной корреляционной связи нет.
Чернозем южный: медь статистически значимо коррелирует со свинцом (г=0,98), кадмием (г=0,92), никелем (г=0,86), хромом (г=0,89), кобальтом (г=0,95), мышьяком (г=-85), ртутью (г=-0,95) и НС03 (г=0,86). Цинк коррелирует с кадмием (0,82), хромом (0,82), марганцем (0,94, НСОз (0,8). Свинец имеет сильную положительную корреляционную связь с медью (г=0,98), кадмием (г=0,93), никелем (г=0,93), хромом (г=0,89), кобальтом (г=0,99), НСОз 0=0,8) и сильную отрицательную корреляционную связь с мышьяком (г=-0,76), ртутью (г=-0,93) и содержанием гумуса (г=-0,77). Кадмий статистически значимо коррелирует с медью (г=0,92), цинком (г=0,82), свинцом (г=0,93), никелем (г=0,84), хромом (г=0,92), марганцем (г=0,82), кобальтом (г=0,95), мышьяком (г=-0,87), ртутью (г=-0,82), содержанием гумуса (г=-0,82), НСОз (г=0,86), хлором (г=-0,76). Никель положительно коррелирует с медью (г=0,86), свинцом (г=0,93), кадмием (г=0,84), кобальтом (г=0,95), фтором (г=0,89) и отрицательно коррелирует с фосфором (г=-0,79) и содержанием гумуса (г=-0,83). Хром имеет сильную положительную корреляционную связь с медью (г=0,89), цинком (г=0,82), свинцом (г=0,89), кадмием (г=0,92), кобальтом (г=0,89), НСОз (г=0,91) и сильную отрицательную корреляционную связь с содержанием мышьяка (г=-0,83) и ртути (г=-0,88). Между содержанием марганец и такими элементами как цинк (г=0,94) и кадмий (г=0,82) - сильная положительная корреляционная связь. Кобальт статистически значимо коррелирует с медью (г=0,95), свинцом (г=0,99), кадмием (г=0,95), никелем (г=0,95), хромом (г=0,89), ртутью (г=-0,89), содержанием гумуса (г=-0,81), НСОз (г=0,78). Мышьяк коррелирует положительно с хлором (г=0,84) и имеет сильную отрицательную корреляционную связь с элементами: медью (г=-0,85), свинцом (г=-0,76), кадмием (г=-0,87), никелем (г=-0,58), хромом (г=-0,83), марганцем (г=-0,75), кобальтом (г=-0,75), НСОз (г=-0,88). Ртуть имеет сильную отрицательную корреляционную связь с медью (г=-0,95), свинцом (г=-0,93), кадмием (г=-0,82), хромом (г=-0,88), кобальтом (г=-0,89), НСОз (1=-0,87).
Риск загрязнения корневой системы растений
В результате моделирования процессов взаимодействия в системе почва растение нами предложены системы уравнений и проведена оценка риска загрязнения компонентов системы. Данные по риску загрязнения показали, что наименьшим загрязнением на обследованные элементы обладает почва, а такие элементы, как свинец и кадмий имеют способность накапливаться в-почве и почти не поглощаются растениями. 2. На основании разработанной математической модели миграции элементов в системе почва-растение и полученного интегрального показателя, выполнена классификация почвенно-растительных комплексов. Были получены две группы интегральных показателей почв, близких по физико-химическим особенностям и учитывающих элементный статус биогеоценозов. К первой группе отнесены растения, произрастающие на таких почвах, как: чернозем обыкновенный, южный и темно-каштановая; ко второй группе отнесены растения, произрастающие на типичном и неполноразвитом щебневатом черноземах. 3. Рекомендован алгоритм фиторекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами. На основании рассчитанного коэффициента биологического поглощения и использования комплексного показателя, учитывающего физико-химические свойства почвы, можно проводить очистку почв, загрязненных тяжелыми металлами с помощью растений. Очищение почвы происходит путем сбора и утилизации биомассы фитомелиоранта. 1. На основе теории стационарных марковских цепей разработана математическая модель миграции элементов в компонентах системы почва растение и, зная исходное поступление тяжелых металлов в систему почва растение, можно прогнозировать распределение тяжелых металлов в компонентах этой системы. 2. Разработан метод оценки интенсивности миграции тяжелых металлов по профилю черноземных и темно-каштановых почв с помощью построенных регрессионных уравнений и величины а, которая является постоянной и зависит от типа почв и химического элемента. Выявлено, что в черноземе южном по профилю происходит увеличение концентрации таких тяжелых металлов, как свинец, никель, хром, медь, кадмий, кобальт, цинк, марганец. В черноземе неполноразвитом щебневатом наблюдается снижение профильной концентрации таких элементов, как: свинец, никель, медь и кобальт. В темно-каштановой почве происходит увеличение концентрации свинца и снижение цинка по почвенному профилю. В черноземе типичном по профилю происходит уменьшение концентрации цинка. В черноземе обыкновенном наблюдается снижение концентрации марганца по профилю почвы. 3. Максимальными значениями коэффициента биологического накопления надземной части растений по меди, цинку и кобальту обладает шалфей и полынь обыкновенная (чернозем типичный); для марганца - ковыль и костер (чернозем неполноразвитый щебневатый) и полынь обыкновенная (темно-каштановая почва); для никеля - полынь обыкновенная (темно-каштановая почва); для свинца - шалфей и полынь обыкновенная (чернозем типичный); для кадмия и хрома — полынь обыкновенная (чернозем типичный). 4. Наибольшей интенсивностью биологического накопления меди корневой системой растений обладает шалфей (чернозем типичный); цинка - вейник наземный (темно-каштановая почва) и ковыль (чернозем неполноразвитый щебневатый); кобальта - овсюг (чернозем обыкновенный); марганца и никеля овсюг (чернозем обыкновенный); свинца - овсюг и эспарцет (чернозем обыкновенный); кадмия - эспарцет (чернозем обыкновенный) и тысячелистник (чернозем неполноразвитый щебневатый); хрома - ковыль (чернозем неполноразвитый щебневатый). 5. При построении рядов интенсивности биологического накопления тяжелых металлов для различных типов почв, отмечено, что для надземной части и корневой системы растений на первом месте стоит медь и цинк (чернозем обыкновенный, типичный, южный и темно-каштановая почва), а для чернозема неполноразвитого щебневатого на первом месте в рядах интенсивности биологического накопления находятся цинк и хром. 6. На основании разработанной математической модели миграции элементов в системе почва-растение и полученного интегрального показателя выполнена классификация почвенно-растительных комплексов. Были получены две группы интегральных показателей, близких, по физико-химическим особенностям и учитывающих элементный статус биогеоценозов. К первой группе отнесены растения, произрастающие на таких почвах, как: чернозем обыкновенный, южный и темно-каштановая; ко второй группе отнесены растения, произрастающие на черноземах типичном и неполноразвитом щебневатом. 7. В результате моделирования процессов взаимодействия в системе почва растение нами предложены системы уравнений для оценки риска загрязнения компонентов системы. 8. Рекомендован алгоритм фиторекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами. На основании рассчитанного коэффициента биологического накопления и использования комплексного показателя, учитывающего физико-химические свойства почвы, можно проводить очистку почв, загрязненных тяжелыми металлами с помощью растений. Очищение почвы происходит путем сбора и утилизации биомассы фитомелиоранта.
