Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные понятия, типы и виды деградации пригородных почв и способы мелиорации загрязненных почв 9
1.1 Типы и виды деградации пригородных почв, оценка степени деградации 9
1.2 Характеристика г. Ижевска, как источника химического загрязнения почв пригородной зоны 14
1.3 Характеристика Pb и Cd как загрязнителей почв, методы оценки их подвижности, проблемы нормирования степени загрязнения 16
1.4 Способы мелиорации загрязненных почв 28
Глава 2. Объекты и методы определения 40
2.1 Объекты исследования 40
2.1.1 Климатические условия 42
2.1.2 Рельеф 47
2.1.3 Почвообразующие породы 48
2.1.4 Почвенный покров 48
2.2 Методы исследования 50
2.2.1 Методика проведения почвенно-экологического обследования пригородной зоны г. Ижевска 50
2.2.2 Методы определения агрохимических, физико-химических свойств почв, содержания Pb и Cd 51
2.2.3 Методика закладки модельных и полевых опытов 53
Глава 3. Почвенно-экологическая характеристика пригородной зоны г. Ижевска 68
3.1 Типы и степень деградации пригородных почв 68
3.2 Загрязнение пригородных почв Pb и Cd 79
Глава 4. Влияние мелиорантов и удобрений на физико-химические, агрохимические, биологические свойства почв и степень подвижности Pb и Cd в загрязненных почвах.. 83
4.1 Влияние мелиорантов и удобрений на физико-химические свойства почв 83
4.2 Влияние мелиорантов и удобрений на агрохимические свойства почв... 85
4.3 Влияние мелиорантов и удобрений на биологические свойства почв . 88
4.4 Влияние мелиорантов и удобрений на степень подвижности свинца и кадмия в загрязненных почвах 92
Глава 5. Влияние мелиорантов и удобрений на урожайность культур, произрастающих на почвах загрязннных Pb и Cd, и на содержание этих тя жлых металлов в растениеводческой продукции 114
5.1 Влияние мелиорантов и удобрений урожайность культур,
произрастающих на почвах загрязннных Pb и Cd 114
5.2 Влияние мелиорантов и удобрений на содержание Pb и Cd, в растениеводческой продукции 119
Глава 6. Экономическая, энергетическая и экологическая оценка внесения мелиорантов и удобрений 123
6.1 Энергетическая оценка 123
6.2 Экономическая оценка 127
6.3 Экологическая оценка 132
Выводы 134
Рекомендации производству 136
Список литературы
- Характеристика Pb и Cd как загрязнителей почв, методы оценки их подвижности, проблемы нормирования степени загрязнения
- Методика проведения почвенно-экологического обследования пригородной зоны г. Ижевска
- Загрязнение пригородных почв Pb и Cd
- Влияние мелиорантов и удобрений на биологические свойства почв
Характеристика Pb и Cd как загрязнителей почв, методы оценки их подвижности, проблемы нормирования степени загрязнения
Для определения масштабов воздействия на окружающую среду техногенеза, для выработки эффективных мер по сдерживанию деградационных процессов и разработки способов рекультивации нарушенных почв, необходимо выявить основные факторы, вызывающие деградацию земель на этой территории, определить виды нарушенных почв, площади их распространения и степень деградации.
В разных ситуациях изменения свойств почв проявляются в разных формах, и с неодинаковой степенью выраженности. Все они получили название «деградация почв» [Ивлев А. М., Дербенцева А. М., 2002]. С. И. Коржинский [1888] считал, что под деградацией почв следует понимать природный процесс ухудшения свойств почв. Б. Г. Розанов [1977] под деградацией почв понимал их выпаханность, как результат длительного использования в пашне. Позднее, в понятие «деградация почв», разные авторы стали вкладывать любые изменения, приведшие к ухудшению их свойств, и, в конечном итоге, к снижению плодородия почв [Ивлев А. М., Дербенцева А. М., 2002].
Наиболее четко определение деградации почв дано в «Методических рекомендациях по выявлению деградированных и загрязненных земель» (утв. в 1995 году) - деградация почв представляет собой совокупность процессов, приводящих к изменению функций почвы как элементу природной среды, количественному и качественному ухудшению ее свойств и режимов, снижению природно-хозяйственной значимости земель.
Под природно-хозяйственной значимостью понимается качество земель, лимитирующее характер и эффективность их хозяйственного использования, участия почвенного покрова в обеспечении функционирования экосистем (в том числе и агро-экосистем) и существования природных ландшафтов.
В настоящее время принято считать, что к деградированным почвам следует относить такие, у которых плодородие снизилось не естественным путем, а под воздействием антропогенных факторов [Ивлев А. М., Дербенцева А. М., 2002]. Этот процесс получил название «техногенез». По общности характера влияния на почву и путям восстановления е плодородия техногенез делят на различные таксономические уровни [Классификация…, 2004].
Техногенные воздействия на почву в настоящее время чрезвычайно разнообразны. Техногенез обусловлен как прямым, так и опосредованным воздействием человека на почвы и факторы почвообразования. Разные антропогенные факторы взывают развитие разных форм деградации почв, при этом один и тот же вид деградации почв порой может возникать под воздействием разных антропогенных факторов [Ивлев А. М., Дербенцева А. М., 2002]. Производным техногенеза являются рекультивированные, загрязннные, сконструированные, антропогенно-преобразованные почвы и агрозмы, а также «техногенные поверхностные образования» [Классификация…, 2004], составляющие обширную группу мало изученных почвоподобных тел.
В зависимости от особенностей новообразованного «литогенно структурного каркаса», характера, интенсивности и продолжительности антропогенного воздействия И. В. Замотаев [2009] и другие авторы предложили выделить несколько направлений технопедогенеза (ТП): 1) истинный – характерен для относительно стабильных искусственных субстратов; 2) синлитогенный – следствие процессов аккумуляции минерального и органоминерального субстрата на поверхности почв, скорость которого сопоставима со скоростью почвообразования; 3) конструктивный – особая форма синлитогенного ТП; 4) хемоземный – типичен для загрязннных и химически преобразованных почв.
Антропогенное воздействие на почвенный покров пригородных территорий менее значительное, чем на городские почвы, тем не менее, и они испытывают чрезмерную технологическую нагрузку, связанную как с ежегодным увеличением количества выбросов от индустриальных центров, так и в следствии с интенсификацией сельскохозяйственного производства в этой зоне. Избыточное антропогенное воздействие может стать основной причиной развития деградационных процессов в почвах пригородных территорий.
Выделяются следующие наиболее существенные типы деградации почв и земель с учетом их природы, реальной встречаемости и природно-хозяйственной значимости последствий [Методические рекомендации…, 1995]: - технологическая (эксплуатационная) деградация, в т.ч.: а) нарушения; б) физическая (земледельческая) деградация; в) агроистощение; - эрозия, в т.ч.: а) водная; б) ветровая; - засоление, в т.ч.: а) собственно засоление; б) осолонцевание; - заболачивание. В почвах пригородных территорий наибольшее распространение из типов деградаций получила технологическая деградация и эрозия.
Под технологической (эксплуатационной) деградацией понимается ухудшение свойств почв в результате избыточных технологических нагрузок при всех видах землепользования, разрушающих почвенный покров, ухудшающих его физическое состояние и агрономические характеристики почв, приводящих к потере природно-хозяйственной значимости земель. Сюда же относится техногенное загрязнение почв различными поллютантами.
Методика проведения почвенно-экологического обследования пригородной зоны г. Ижевска
Основным объектом исследований в данной диссертационной работе выбраны дерново-подзолистые суглинистые почвы, загрязннные тяжлыми металлами. Дерново-подзолистые почвы имеют наибольшее распространение на территории восточно-европейской части Нечерноземной зоны РФ, их общая площадь составляет около 55 %, в том числе в Удмуртской Республике 68 % [Ковриго В. П., 2004]. Именно они, в первую очередь, подвергаются интенсивному техногенному воздействию в пригородной зоне населнных пунктов. Данные почвы имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при воспроизводстве их плодородия.
Дерново-подзолистые почвы имеют небольшой с невысоким содержанием органического вещества гумусовый горизонт. Его мощность редко превышает 15-20 см. Содержание органического вещества в гумусовом горизонте целинных почв колеблется от 2 до 4 %. Качественный состав гумуса фульватный или гумат-но-фульватный. Отношение Сгк:Сфк от 0,4 до 0,8 [Кирюшин В. И., Ганжара И. С. и др., 1993; Ковриго В. П., 2004]. Под гумусовым расположен подзолистый горизонт с очень низким содержанием гумуса (0,2…0,4 %), мощность которого в суглинистых почвах, в зависимости от степени оподзоленности, изменяется от 5 до 25 см. Под подзолистым расположен очень плотный глинистый или тяжелосуглинистый иллювиальный горизонт, содержание гумуса в котором не превышает 0,3…0,4 %.
При распашке дерново-подзолистых почв происходит перемешивание гумусового горизонта с подзолистым, а иногда и с верхней частью иллювиального горизонта, в результате чего образуется пахотный слой мощностью 20 – 30 см. Содержание гумуса в пахотном слое снижается до 1,1…2,8 %, ухудшается его структура (уменьшается количество агрономически ценных агрегатов). Дерново-подзолистые почвы имеют неблагоприятные агрохимические и агрофизические свойства и в целом характеризуются невысоким потенциальным плодородием.
Нахождение этих почв в пригородной зоне крупных населнных пунктов накладывает на них определнный отпечаток, вызванный дополнительным техногенным воздействием города. По характеру этого воздействия на свойства почвы, его можно подразделить на три вида: механическое, химическое и биологическое. Наибольшую опасность для экологического состояния пригородной территории представляет химическое воздействие и, в первую очередь, загрязнение почв тя-жлыми металлами. Именно поэтому наши исследования и посвящены изучению этого техногенного воздействия города на почвенный покров окружающей его зоны.
В качестве изучаемых загрязнителей дерново-подзолистых почв тяжлыми металлами выбраны свинец и кадмий. По данным А. И. Безносова [2005], Т. Г. Габричидзе с соавт. [2008], О. А. Страдиной [2008] именно они накапливаются в наибольшем количестве в пригородных почвах Удмуртской Республики.
Конкретные агрохимические показатели почв ключевых участков пригородной зоны г. Ижевска и почв, на которых заложены опыты, приведены в других разделах диссертации.
Результаты исследований, полученные в Удмуртской Республике, можно распространять на почвы, загрязннные этими поллютантами, расположенные на территории европейской части Нечерноземной зоны РФ, так как Удмуртия является типичным регионом в данной зоне.
Климат Удмуртской Республики умерено-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой и довольно жарким кротким летом. Территория республики подразделяется на три агроклиматических района: Северный, Центральный и Южный, каждый из которых имеет свои климатические особенности (рис. 1).
Северный агроклиматический район – прохладный, влажный; занимает северную Зачепецкую часть республики. Гидротермический коэффициент района – 1,4, продолжительность безморозного периода – 104 – 112 дней.
Центральный агроклиматический район – умерено теплый, умерено влажный. Северной его границей служит изолиния сумм температур выше +10С 43
1700, а южной - 1900. Гидротермический коэффициент района – 1,3, продолжительность безморозного периода – 114 – 122 дня. Южный агроклиматический район - тплый, незначительно засушливый. В этом районе два подрайона: а) тплый, с неустойчивым увлажнением; южная его граница проходит по изолинии сумм температур выше +10С-2000. Годовое количество осадков в подрайоне 520-540 мм, гидротермический коэффициент 1,1 1,2, продолжительность безморозного периода 120-130 дней. Климат подрайона имеет показатели близкие к показателям, характеризующим территорию северной лесостепи; б) более тплый, менее влажный подрайон лесостепной части Уд муртии. По обеспеченности теплом он занимает первое место, а по увлажнению последнее место в республике. Годовое количество осадков в подрайоне 500 -520 мм, гидротермический коэффициент около 1,0, а в некоторые годы ниже; продолжительность безморозного периода 130-137 дней.
Климатические условия Удмуртской Республики в целом благоприятны для возделывания всех сельскохозяйственных культур, включенных в Госреестр. Однако, в связи с различной теплообеспеченностью территории, необходимо использовать различные их сорта по скороспелости для различных агроклиматических районов с учетом складывающихся конкретных погодных условий вегетационного периода.
Загрязнение пригородных почв Pb и Cd
Агродерново-подзолы иллювиально-железистые слабо гумусированные супесчаные. По мощности пахотного слоя в пригородной зоне встречались только средне- (20-30 см) и глубокопахотные (более 30 см) разновидности, по степени проявления подзолистого процесса – неглубоко- и глубокоподзолистые. Агродер-ново-подзолы выявлены на 5 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 2.
Пахотный слой агродерново-подзолов характеризовался слабокислой реакцией, низкой суммой обменных оснований и гумусированностью, повышенным содержанием подвижного фосфора и обменного калия (табл. 13). Он отличался от целинных аналогов: во-первых, меньшей гумусированностью, что обусловлено характером образования пахотного слоя (путем перемешивания гумусового горизонта с нижележавшим низкогумусированным подзолистым) и более интенсивными процессами минерализации органического вещества в нм; менее кислой реакцией и большей суммой обменных оснований (из-за проведнного в прежние годы известкования); более высоким содержанием элементов питания (из-за периодического внесения удобрений).
Агродерново-подзолистые языковатые суглинистые почвы. По мощности пахотного слоя в пригородной зоне встречались средне- и глубокопахотные разновидности, по степени проявления подзолистого процесса – неглубоко- и глубокоподзолистые, по гранулометрическому составу – легко- и среднесуглинистые. Гранулометрический состав пахотного слоя определялся не только минералогическим составом гумусового горизонта и его гумусированностью, но и развитием водной эрозии. При слабом проявлении эрозионных процессов пахотный слой формировался только из маломощного гумусового (среднесуглинистого) и мощного элювиального (легкосуглинистого) горизонтов и поэтому он приобретал легкосуглинистый гранулометрический состав. При более значительных проявлениях водной эрозии, в формировании пахотного слоя принимала участие верхняя часть иллювиального горизонта, обладающая тяжлым гранулометрическим составом.
Агродерново-подзолистые почвы выявлены на 30 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 3.
Пахотный слой агродерново-подзолистых почв характеризовался близкой к нейтральной реакцией, средней (у легкосуглинистых разновидностей) или повышенной (у среднесуглинистых разновидностей) суммой обменных оснований, повышенным содержанием подвижного фосфора и средним - обменного калия, малым содержанием гумуса (табл. 14). В отличие от агродерново-подзолов характеризовались более высокой суммой обменных оснований и гумусированностью, вследствие их более тяжлого гранулометрического состава. Необходимо отметить, что кислотность и содержание элементов минерального питания конкретных почв данного типа сильно различалось и зависело от степени их окультуренности.
Занимали небольшую площадь в пригородной зоне г. Ижевска, располагались на пониженных элементах рельефа (на нижних частях склонов и их шлейфах). Выявлены на 4 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 4.
Пахотный слой агросерых почв характеризовался близкой к нейтральной реакцией, высокой суммой обменных оснований, содержание подвижного фосфора высокое, обменного калия – повышенное (табл. 15). Характерная особенность этих почв – повышенная, по сравнению с другими типами почв, гумусировнность. Это одни из наиболее плодородных почв Удмуртии.
Пригородные почвы сильной степени технологической деградации (механическое нарушение) встречались на пашне, расположенной на среднепокатых склонах увалов (3-5) и поэтому подверженной более значительному воздействию водной эрозии. Под воздействием эрозионных процессов на этих почвах произошел смыв основной части гумусового горизонта, что привело к распашке серединных горизонтов, резкому снижению гумусированности и полной утрате основных диагностических признаков. Наибольшее распространение из почв этого ряда в пригородной зоне г. Ижевска получили агрозмы альфегумусовые, текстурно-дифференцированные и структурно-метаморфические. Они выявлены на 27 ключевых площадках (33 %). Приведм обобщнное описание их морфологических признаков и агрохимических свойств.
Агроземы альфегумусовые иллювиально-железистые. По мощности пахотного слоя в пригородной зоне встречались средне- и глубокопахотные разновидности, по гранулометрическому составу – песчаные и супесчаные. Агрозмы альфегумусовые выявлены на 11 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 5.
Пахотный слой агрозмов альфегумусовых характеризовался слабокислой реакцией, низкой суммой обменных оснований, средним содержанием элементов минерального питания. Эти почвы отличались от агродерново-подзолов (из которых они образовались) более низким содержанием гумуса (табл. 16). Отсутствие нитратного азота в почвенных образцах, отобранных из пахотных слов на большинстве ключевых площадок (в том числе и этого типа почв), объясняется длительным засушливым периодом лета 2010 года, который обусловил подавление процессов нитрификации в почвах.
Агроземы текстурно-дифференцированные языковатые слабо гумусиро-ванные. По мощности пахотного слоя в пригородной зоне встречались средне- и глубокопахотные разновидности, по гранулометрическому составу – супесчаные, средне- и тяжелосуглинистые. Необходимо отметить, что пахотный слой агрозе-мов супесчаного гранулометрического состава сформировался из маломощного слоя флювиогляциальных почвообразующих пород, покрывших в постледниковый период покровные отложения. Пахотный же слой агрозмов суглинистого состава образовался в результате развития эрозионных процессов на почвах, сформировавшихся только на покровных отложениях.
Агрозмы текстурно-дифференцированные выявлены на 12 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 6.
Агроземы структурно-метаморфические остаточно-карбонатные тяжелосуглинистые. Данные почвы встречались только на повышенных элементах рельефа и на перегибах склонов, в местах выхода на дневную поверхность пермских карбонатных глин. Они образовались из бурозмов тмных (по старой классификации дерново-карбонатных выщелоченных и оподзоленных почв). Как и другие агрозмы они имели повышенную степень смыва (среднюю). Выявлены на 4 ключевых площадках. Описание их профиля приведено в приложении Б 7.
Агрозмы структурно-метаморфические характеризовались нейтральной реакцией, большой суммой обменных оснований, высоким содержанием подвижного фосфора и обменного калия, средней гумусированностью (табл. 18). Наличие карбонатов в метровой толще, несмотря на повышенную степень смыва этих почв (среднюю), обеспечивает им более высокое плодородие, по сравнению с другими типами агрозмов.
Влияние мелиорантов и удобрений на биологические свойства почв
Необходимо отметить, что, несмотря на убытки при производстве растениеводческой продукции в вариантах с использованием изученных мелиорантов и удобрений, их применение является экономически оправданным. Это связано с тем, что в контрольном варианте получена продукция не соответствующая требованиям экологической безопасности, которая в дальнейшем не может быть использована по назначению. Кроме того, при отсутствии мероприятий по мелиорации почв размер платы за ущерб от их загрязнения пришлось бы выплачивать предприятию-виновнику загрязнения за весь период самовосстановления [Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами (утв. Роскомземом 10 ноября 1993 г. и Минприроды РФ 18 ноября 1993 г.)], что значительно превышает затраты, связанные с проведением рекультивацион-ных работ.
Таким образом, мелиорация почв, загрязннных Pb и Cd, требует больших материальных затрат на е проведение и очень редко окупается в первые годы. Однако, несмотря на большие экономические затраты, она имеет неоценимое экологическое значение, так как в оборот возвращаются земли, ранее не пригодные для ведения сельского хозяйства, резко улучшается экологическая обстановка всей окружающей природной среды и здоровье населения, проживающего на этой территории.
При разработке проектов мелиорации для конкретных загрязннных участков необходимо учитывать положительные и отрицательные стороны предлагаемого ассортимента мелиорантов и удобрений.
Известняковая мука – один из лучших мелиорантов, предлагаемых для целей мелиорации. Она позволяет не только достаточно эффективно перевести Pb и Cd в труднорастворимые в воде карбонаты, но и резко улучшить физико-химические свойства кислых дерново-подзолистых почв и повысить урожайность возделываемых на этих почвах сельскохозяйственных культур. Ещ одной положительной стороной этого мелиоранта является длительный период его действия – более 5-7 лет. Отрицательные стороны известкования почв: высокая стоимость этого агроприма и ограниченность зоны его применения (не пригоден почвах, имеющих показатель рНКСI выше 6,0).
Фосфоритная мука – хороший мелиорант, позволяющий перевести многие ТМ в труднорастворимые в воде фосфаты. Она кардинально улучшает фосфатный режим почв (один из самых проблемных для большинства почв), увеличивает сумму обменных оснований, несколько снижает почвенную кислотность, увеличивает урожайность с.-х. культур, имеет длительный период последействия - более 5 лет. Отрицательные стороны мелиоранта: высокая стоимость этого агропри-ма, сам может содержать повышенное количество Pb и Cd, не пригоден на нейтральных и зафосфаченных почвах.
Суперфосфат – одно из самое распространнное в агрономической практике фосфорное удобрение. За счт высокой растворимости в воде, быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы. Как и фосфоритная мука, значительно улучшает фосфатный режим почв, а стоимость его внесения в почву на порядок ниже. Обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур, его можно применять практически на любых за-грязннных почвах (за исключением зафосфаченных). Отрицательные стороны: в высоких дозах может подкислять почву, период его действия не превышает 2-3 года.
Сульфид натрия – новый перспективный мелиорант для мелиорации почв, загрязннных Pb и Cd. Хорошо растворим в воде, поэтому быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы (сульфиды). Имеет относительно низкую стоимость. Содержит два макроэлемента минерального питания – серу и натрий, которые в дерново-подзолистых почвах находятся в дефиците и поэтому он обеспечивает повышение урожайности с.-х. культур. Если его заменить сульфидом калия, то положительный эффект на растения ещ увеличится. В настоящее время, К2S в народном хозяйстве используется в меньших объмах, чем Nа2S, и поэтому его стоимость значительно выше. Если наладить промышленное производство К2S, то стоимость данного мелиоранта можно резко снизить, а зону применения распространить и на более южные почвы. Отрицательные стороны: имеет резкий специфический запах сероводорода и поэтому требует использования специальной техники для его внесения в почву, не изучен срок действия мелиоранта, возможно не будет превышать три года (в настоящее время этот вопрос находится в изучении).
Торф является хорошим мелиорантом и, одновременно, органическим удобрением, особенно ценен он для низкогумусированных почв лгкого гранулометрического состава. В высоких дозах значительно повышает сорбционные свойства почв, улучшает их агрофизические, несколько меньше, агрохимические свойства, за счт улучшения этих свойств повышает урожайность с.-х. культур. Способен связывать ТМ как с использованием физико-химического механизма, так и за счт комплексообразования. Отрицательные свойства: высокая стоимость этого органического удобрения, продолжительность действия не превышает 4-5 лет, необходимо контролировать его кислотность (может иметь кислую реакцию и требовать предварительного известкования).
Цеолит – новый очень перспективный нетрадиционный мелиорант. Высокая эффективность цеолита по поглощению ТМ обусловлена специфическим строением его кристаллической рештки, которая придает ему уникальные сорбцион-ные свойства (100-120 мг-экв./100 г минерала). Кроме того, в составе цеолита содержится повышенное количество калия, фосфора и ряда микроэлементов. Положительное влияние цеолита на свойства почвы и урожайность с.-х. культур проявляется, в первую очередь, на низкогумусированных дерново-подзолистых почвах (особенно легкого гранулометрического состава), где он выполняет некоторые функции гумуса. Длительность периода действия цеолита не изучалась, но, на наш взгляд, она будет превышать 6-7 лет (в настоящее время этот вопрос находится в изучении).
Таким образом, каждый из изучаемых мелиорантов и удобрений имеет свои положительные и отрицательные свойства. Для повышения их эффективности, необходимо учитывать эти свойства и для каждого конкретного загрязннного участка индивидуально подбирать вид и дозу внесения.