Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор источников поступления и последствий привноса в ландшафты тяжелых металлов 7
1.1. Пути и источники попадания тяжелых металлов в ландшафты 7
1.2. Основные последствия воздействий ТМ на ландшафты 13
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований 22
2.1. Метод отбора проб 22
2.2. Методы проведения исследований 28
ГЛАВА 3. Характеристика ландшафтов Ставропольского края 32
3.1. Провинция лесостепных ландшафтов Предкавказья 34
3.2. Провинция степных ландшафтов Предкавказья 38
3.3. Провинция полупустынных ландшафтов Предкавказья 45
3.4. Провинция предгорных степных и лесостепных ландшафтов Большого Кавказа...47
3.5. Провинция среднегорных ландшафтов лесостепей и остепненных лугов Большого Кавказа 50
3.6. Приуроченность ключевых участков к ландшафтам Ставропольского края 51
ГЛАВА 4. Анализ современных процессов накопления и распределения тяжелых металлов в ландшафтах Ставропольского края 60
4.1. Особенности пространственного распределения концентраций Pb, Zn и Cd в ландшафтах Ставропольского края 60
4.2. Особенности пространственного накопления Pb. Zn и Cd в зависимости от механического состава почв ландшафтов Ставропольского края 67
4.3 Особенности пространственного накопления и распределения Pb, Zn и Cd в
зависимости от антропогенной нагрузки на ландшафты Ставропольского края 90
4.4. Анализ эколого-геохимической обстановки в ландшафтах Ставропольского края по их загрязнению ТМ (Pb, Zn и Cd) 98
4.5 Определение долевого воздействия объектов транспорта газа в накоплении и распределении ТМ в ландшафтах Ставропольского края 114
ГЛАВА 5. Влияние современных ландшафтно-геохимических условий на миграцию Pb, Zn и Cd в ландшафтах Ставропольского края 117
5.1 Основные факторы миграции тяжелых металлов в ландшафтах Ставропольского
края 117
5.2. Геохимические барьеры в ландшафтах Ставропольского края 127
Заключение 139
Литература
- Основные последствия воздействий ТМ на ландшафты
- Методы проведения исследований
- Провинция полупустынных ландшафтов Предкавказья
- Особенности пространственного накопления Pb. Zn и Cd в зависимости от механического состава почв ландшафтов Ставропольского края
Введение к работе
Клещевина является высокомасличной технической культурой. В нашей стране и за рубежом она приобрела важное значение как источник получения касторового масла. В связи со специфическими особенностями оно широко используется в различных сферах деятельности и нередко является незаменимым или трудно заменимым [66, 102].
Мировое производство семян клещевины в 2007 году составило 1230,9 тыс. тонн. Ведущим производителем является Индия (71% общемирового урожая). Занимающий второе место Китай собирает лишь 18%. Из семян клещевины в том же году было получено 462.9 тыс. тонн касторового масла, 67% которого произведено в Индии. 18% - в Китае и 7% в Бразилии.
В бывшем СССР клещевина как полевая культура возделывалась с 1922 года на Северном Кавказе и в южных областях Украины. В довоенный период ее посевы составляли 229 тыс. га (главным образом в Краснодарском и Ставропольском краях). В Краснодарском крае в отдельные годы высевалось до 50 тыс. га клещевины и Кубань была традиционным производителем сырья для производства касторового масла. Закупочная цена и встречное отоваривание (продажа) комбикормами обеспечивала рентабельность этой культуры. С 1992 года посевы клещевины в России снижались и в 1999 году составили всего 210 га. Сокращение посевов клещевины и прекращение производства касторового масла отрицательным образом сказываются на функционировании тех отраслей промышленности, которые являются основными его потребителями.
Белореченский маслозавод в отдельные годы перерабатывал более 47 тыс. тонн маслосемян клещевины, производя более 21 тыс. тонн касторового масла.
В 2003 году в Волгограде запущен завод по переработке семян для получения касторового масла и с этого времени начали возрождаться посевные площади под культурой клещевины. Так, если в 2003 году высевалось 1000 га, то в 2006 году уже более 3000 га. Все посевные площади сосредоточены в Волгоградской, Ростовской областях и в Краснодарском крае.
Используя результаты исследований по селекции сортов, разработанные технологии возделывания и механизации уборочных работ, послеуборочной доработки семян, представляется возможность восстановить и расширить посевные площади клещевины в России до 80 - 100 тыс. га, что с учетом достигнутого уровня урожайности по этой культуре, поможет снять проблему дефицита касторового масла и в дальнейшем создать предпосылки для его экспорта. Природные условия отдельных регионов России позволяют выращивать клещевину и получать касторовое масло высокого качества.
Увеличение производства и значительные специфические особенности клещевины предъявляют высокие требования к технологии и технике для послеуборочной обработки семян этой культуры. В этой связи послеуборочная обработка - наиболее важный и сложный этап в системе мероприятий по производству семян клещевины. Она определяет выход, качество и стоимость продукции. По сравнению с другими техническими и зерновыми культурами клещевина, как объект послеуборочной обработки, обладает рядом биологических особенностей, определяющий сложность и последовательность проведения операций ее послеуборочной обработки.
Общими для всех процессов обработки специфическими свойствами вороха клещевины, являются многокомпонентность состава, высокая засорённость и масличность, не равномерность по влажности, большая вариация по размерным характеристикам, хрупкость семенных и плодовых оболочек, необходимость домолота, ядовитость семян [55, 71, 83, 92]. Каждое из названных свойств по-своему проявляется в различных операциях послеуборочной обработки (сушка, обмолот, очистка и сортировка семян) и определяет способ его проведения. Следствием специфических свойств компонентов вороха клещевины является невозможность эффективного применения существующей техники (сушилок, лущилок, зерноочистительных машин, механизмов для перемещения вороха) для его послеуборочной обработки. Попытки применения машин и механизмов общего назначения приводят к нарушению их технологического процесса (замасливание решёт зерноочистительных машин, ковшей и лент норий;
7 залипание шнеков, барабанов, улиток вентилятора ...). Всё это приводит к преждевременному износу деталей и механизмов машин, снижению качества получаемого сырья и увеличению его потерь [16, 48, 52, 65, 82, 106].
Существующая в настоящее время контейнерная технология послеуборочной обработки семян клещевины на стационаре обладает наряду с высокой энергоемкостью процесса и низкими качественными показателями. Так недомолот вороха (наличие третинок) достигает 8,3%, при травмировании семян до 3,7%. Это объясняется несовершенством технологии и лущильного устройства для обмолота клещевины [9, 21, 23].
Повысить качество получаемых семян клещевины и производительность машин при послеуборочной обработке, можно за счет разработки новых энергосберегающих технологий, усовершенствования рабочих органов лущильного устройства на основе тщательного изучения физико-механических свойств вороха клещевины и процесса обмолота в лущильном устройстве [58].
Поэтому интенсификация процесса послеуборочной обработки семян клещевины, повышение качественных показателей выхода семенного материала и производительности машин, определение оптимальных кинематических параметров лущильного устройства являются актуальными задачами. Этим и обусловлено проведение экспериментальных исследований.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИОКР ГНУ ВНИИМК Россельхозакадемии на 2006-2010гг. (№ ГР № 15070.2311008207.06.8.004.5).
Целью работы является повышение качественных показателей и увеличение выхода кондиционных семян клещевины путём усовершенствования технологии и технических средств послеуборочной обработки.
Объектом исследования является производственный ворох семян клещевины, лущильное устройство вальцового типа и технологическая линия для послеуборочной обработки вороха семян.
Научная гипотеза заключается в том, что увеличение выхода кондиционных семян клещевины возможно за счёт новой последовательности выполнения технологических операций и новых технических средств.
Предметом исследования являются взаимосвязи и закономерности при работе лущильного устройства и технологической линии послеуборочной обработки вороха семян клещевины.
Научную новизну работы составляют:
статическая и динамическая модели лущильного устройства вальцового типа;
закономерности изменения качественных показателей семян клещевины в зависимости от конструктивных и кинематических параметров лущильных устройств и последовательности выполнения технологических операций.
Новизна разработок подтверждена четырьмя патентами РФ на изобрете-ния.
Практическую ценность работы представляют технология послеуборочной обработки семян, конструкция лущилок и методика технологического расчёта линии обработки семян клещевины.
На защиту выносятся:
результаты определения величины силы воздействия обмолачивающего вальца лущильного устройства на коробочку клещевины и диапазон его частоты вращения, с учётом динамических эффектов;
параметры лущильных устройств вальцового типа и режимы их работы;
зависимости качественных показателей лущильного устройства от конструктивных и режимных параметров;
усовершенствованная технологическая схема послеуборочной обработки семян клещевины;
методика технологического расчета технических средств линии по послеуборочной подготовке семян клещевины.
9 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные последствия воздействий ТМ на ландшафты
Экологическое влияние ТМ на живые организмы зависит не столько от валового их содержания, сколько от форм их нахождения, обладающих различной миграционной способностью и токсичностью (Алекксеенко, 1990; Виноградов, 1999; Карпачевский, 2005; и др.).
Под подвижностью понимают способность химических элементов переходить из твердых фаз почвогрунтов в жидкую фазу (Вальков, 2002; Вальков, Казеев, Колесников, 2006; В.Д. Муха, Картамышев, Д.В. Муха, 2003; и ДР-) Понятие подвижности неразрывно связано с миграционной способностью химических элементов, так как, поступая в раствор, они могут перемещаться в ландшафте, выпадать в осадок, усваиваться растениями (Полынов, 1956). Миграция ТМ, как и всех химических соединений, носит сложный характер, с одной стороны, ТМ мигрируют из почвы в поверхностные и подземные воды, в растения, с другой — их количество в почвогрунте постоянно пополняется вследствие разрушения почвенных материалов, миграции и распада растений и микроорганизмов, а также внесения в почву удобрений. Причиной миграции химических элементов является непрерывное изменение термодинамических условий в процессах земной коры.
Интенсивность и направление миграции ТМ зависят как от особенностей ионов, формы, в которой присутствует элемент, его химических свойств (внутренние факторы миграции), так и от физико-химических и биологических условий (щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, водный режим, температура, давление, влияние жизнедеятельности растений и микроорганизмов).
К внутренним факторам миграции, прежде всего, относят электростатические свойства ионов. Эту группу факторов следует учитывать только при миграции в виде ионов. Ионная миграция различных элементов характерна, прежде всего, для водных растворов.
Электростатические свойства ионов во многом обусловлены размерами ионных радиусов элементов, с увеличением радиуса иона обычно возрастает дальность миграции. Ионы ТМ можно расположить, исходя из данных Н.Ю Лурье (1985) в ряд по убывающей величине ионных радиусов: Pb2+ Cd 2+ Pb +4 Сг2+ Cu2+ = Mn2+ Zn2+ Со2+ Ni2+ Моб+ = Мп 3+ Сгб+ Мп 4+ Мп 7+
Наибольший ионный радиус по Полингу (цит. по Антипов, 2002) имеет двухвалентный ион свинца (0,121 нм), наименьший — ион семивалентного марганца (1,046).
Показателями электростатических свойств ионов служит потенциал Картледжа (U), который рассчитывают как отношение валентности иона (W) к десятикратному радиусу (R,) иона в нанометрах, и энергетический коэффициент ионов (ЭК), который рассчитывают для катионов.
Ионные потенциалы позволяют предсказать изменение состояния ТМ при химическом выветривании и, следовательно, оценить их концентрацию или рассеяние в продуктах выветривания. Между значениями ионных потенциалов и подвижностью элементов имеется прямая зависимость.
В природных условиях подвижными являются только металлы, находящиеся в растворе. В условиях загрязнения (органического, кислотного, щелочного) подвижными могут стать и другие формы.
Основными формами нахождения ТМ в ландшафтах и грунтах зоны аэрации по мере убывания их подвижности можно назвать следующие: - водорастворимые простые и сложные ионы; - комплексные и металлоорганические соединения, находящиеся в растворе в составе свободных гравитационных и связанных почвенных вод; - ионы в составе поглощенного комплекса почв и грунтов; - сорбируемые на поверхности глинистых минералов, органическом веществе почвогрунтов, гидроокислах железа, алюминия, марганца; - металлы в форме труднорастворимых соединений; металлы в растениях и живых организмах почв; - вторичные минералы, содержащие ТМ (лимонит, марказит, англезит, смитсонит и др.); - первичные минералы осадочных, метаморфических или изверженных пород, содержание ТМ в кристаллической решетке в качестве основных элементов или примесей (магнетит, пиролюзит, галенит, хромит).
Необходимо рассмотреть кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия среды, от которых (как внешний фактор миграции) в основном зависят и миграция элементов, и их подвижность. В табл. 1 приведена относительная подвижность ТМ в окружающую среду, при этом факторами, влияющими на содержание в ландшафте подвижных форм ТМ, являются концентрации водородных ионов (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh).
Концентрация водородных ионов оказывает значительное влияние на водную миграцию элементов в зоне гипергенеза, в том числе и зоне аэрации. Этот фактор контролирует осаждение из растворов многих труднорастворимых соединений, коагуляцию коллоидов, а также влияет на поступление элементов в растения и на подвижность многих ТМ. Особенно это имеет большое значение при изучении подвижности в зоне техногенеза.
Методы проведения исследований
Подготовка проб почвы для определения тяжелых металлов к анализу проводилась по ГОСТ 17.4.4.02-84. Определение валового содержания тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца) проводилось при химическом разложении проб почвы при помощи 1 М HNO3 и 50% азотной кислоты.
Для определения валовых форм свинца и цинка применялись «Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства»( М., ЦИНАО, 1992 г.), с применением метода атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией на атомно-абсорбционном спектрометре «Квант—АФА». Предел обнаружения свинца 0,01-0,02 мг/кг для цинка 0,001-0,002 мг/кг. Границы погрешности для свинца и цинка 4%, исследования проводились в двукратной повторности .
Для определения валовых форм кадмия использовался спектрофотометр С-115, предназначенный для определения концентрации химических элементов в жидких пробах различного происхождения методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Характеристические концентрации, мг/кг: кадмия — 0,01. Предел допускаемого значения относительного среднеквадратичного отклонения случайной составляющей погрешности спектрофотометра в режиме абсорбции не более 0,44%, исследования проводились в двукратной повторности. Пределы обнаружения, мг/кг: кадмия — 0,002.
Для определения рН использовали ГОСТ-26423-85 , в водной суспензии потенциометрически со стеклянным электродом. Граница погрешности длярН 0,1 ед.
При определении механического состава исследования проводили по методу Качинского. Для определения вида и степени загрязнения теми или иными ингредиентами, полученные путем лабораторных исследований, данные сравнивались с ПДК и фоновыми значениями.
Фоновые участки отвечали следующим требованиям: - находились вне зоны влияния производственных объектов и соответствовать естественному состоянию почвенного покрова; - имели почвенный покров (тип, подтип, разновидности почв) такой же, как на участках с производственной деятельностью; - методика проведения наблюдений на них (размеры наблюдательных площадок, способы и сроки отбора проб, набор необходимых анализов) долж на быть идентична методике наблюдений на участках с производственной деятельностью.
При однородном почвенном покрове на фоновом участке может быть заложена одна пробная площадка, которая будет являться контролем для всех других, расположенных в зоне влияния производственного объекта на аналогичных почвах.
Оценка состояния земель по результатам проведенных наблюдений на участках, прилегающих к производственным объектам, осуществлялась по следующим направлениям: - сравнением полученных величин с фоновыми показателями почв; - сравнением полученных данных с предельно допустимыми, ориентировочно допустимыми концентрациями веществ в почвах; - сравнением полученных данных с разработанными нормативными показателями почв.
В соответствии с первым направлением при условии соблюдения требований, представляется возможным на основании сравнения данных, полученных на фоновых участках и в зоне влияния производственной деятельности делать выводы об определённых изменениях почв ландшафтов, связанных с производственной деятельностью.
Для получения сопоставимых результатов оценки состояния земельных ресурсов необходимыми требованиями являются: - достаточная разрешающая способность (детализация) картографического материала, полученного на первой стадии проведения мониторинга земель (предстроительный мониторинг); - идентичность методов проведения исследований почв и методик проведения лабораторных анализов на всех стадиях проведения мониторинга земель; - правильная привязка почвенных выработок на местности при проведении наблюдений.
Провинция полупустынных ландшафтов Предкавказья
Провинция полупустынных ландшафтов Предкавказья Курско-Прикаспийский культурно-природный ландшафт полупустынь расположен в междуречье рек Куры и Горькой Балки. Выделяются следующие природные ТК: 1) аллювиально-морские аккумулятивные равнины, сложенные хвалынскими континентальными (пески, глины, галечники) и морскими отложениями, с агрофитоценозами на светло-каштановых почвах; 2) эоловые дефляционно-аккумулятивные и аллювиально-морские низменности, сложенные эоловыми отложениями (пески: грядовые, бугристые и др.), зарастающие злаками; 3) пойменные современные равнины, сложенные аллювиальными отложениями, со злаково-полынными пустынями и зарослями тамариска на аллювиальных почвах.
Геотопы: 1) олигодоминантные экосистемы полынно-злаковых опустыненых степей; 2) олигодоминантные экосистемы злаково-полынных и полынных сообществ с участками развеваемых песков; 3) олигодоминантные экосистемы полынных сообществ с зарослями тамариска.
Ниоюнекумско-Прикаспийский культурно-природный ландшафт полупустынь занимает западную часть Прикаспийской низменности. Преобладают местности с природными ТК: 1) морские аккумулятивные низменности, сложенные хвалынскими морскими отложениями (пески, глины), с полынными пустынями и агрофитоце-нозами на светло-каштановых почвах; 2) эоловые дефляционно-аккумулятивные низменности, сложенные эоловыми отложениями и зарастающие злаками; 3) аллювиально-морские аккумулятивные равнины, сложенные хвалынскими континентальными и морскими отложениями, с полынно-злаковыми опустыненными степями на светло-каштановых почвах; 4) пойменные современные аллювиальные равнины с солончаковыми и бо-лотно-солончаковыми лугами и плавнями на аллювиальных засоленных лугово-болотных почвах.
Природные геотопы: 1) олигодоминантные экосистемы злаково-полынных сообществ; 2) олигодоминантные экосистемы полынных сообществ, солеросов и сообществ плавней. Чограйско-Прикаспийскнй культурно-природный ландшафт полупустынь занимает восточную часть Манычского прогиб.
Преобладают следующие природные и окультуренные ТК: 1) аллювиально-морские нижнехвалынские равнины и террасы, сложенные хвалынскими морскими и континентальными отложениями, с агрофито-ценозами на каштановых солонцеватых почвах; 2) аллювиально-морские хазарские равнины и террасы, сложенные хазарскими и хвалынскими отложениями, с агрофитоценозами и злаково-полынными полупустынями на светло-каштановых солонцеватых почвах с солончаками; 3) аллювиально-озерные аккумулятивные послехвалынские равнины, сложенные аллювиальными отложениями, с озерами, солянково-полынными пустынями на солончаках и лугово-каштановых почвах. Геотопы: 1) олигодоминантные экосистемы злаково-полынных сообществ и солеросов; 2) аквальные экосистемами соленых и опресненных озер и водохранилищ. . Западно-Манычский культурно-природный ландшафт полупустынь занимает северные районы края. Выделяются следующие местности с окультуренными и природными ТК: 1) равнины нижнехвалынских и хазарских террас, сложенные морскими отложениями (глины, пески, галечники), с агрофитоценозами на светло-каштановых почвах; 2) аллювиально-озерные послехвалынские равнины, сложенные озерными отложениями, с озерами (обычно солеными), злаково-полынными полупустынями и солянками на светло-каштановых почвах и солонцово-солончаковыми комплексами; 3) аквальные комплексы крупных озер и водохранилищ. Природные геотопы представлены: 1) олигодоминантными экосистемами полынных сообществ и солеросов; 2) аквальными экосистемами озер.
Особенности пространственного накопления Pb. Zn и Cd в зависимости от механического состава почв ландшафтов Ставропольского края
На основе анализа существующих подходов к комплексной экологической оценке (Кочуров, 1997, Хованский и др., 1998, Закруткин и др., 2000) по степени остроты выделяются следующие категории экологических ситуаций: благоприятная, удовлетворительная, напряженная, критическая, кризисная, катастрофическая.
Благоприятная ситуация в настоящее время сохраняется только на неиспользуемых и природоохранных территориях, где из-за отсутствия прямого или косвенного антропогенного воздействия свойства ландшафтов не изменяются.
Удовлетворительная ситуация возникает в случае незначительных изменений в ландшафтах, не затрагивающих функциональную структуру и природные взаимосвязи. Наблюдается слабое загрязнение отдельных компонентов природной среды, концентрация загрязняющих веществ не превышает установленные нормативы. Восстановление ландшафтов возможно в результате саморегуляции или проведения несложных природоохранных мероприятий.
Напряженная ситуация характеризуется изменениями ландшафтов, вызывающими трансформацию их функциональной структуры и взаимосвязей. Концентрация загрязняющих веществ в отдельных средах составляет 1-3 ПДК. Для уменьшения напряженности экологической ситуации необходимо четкое соблюдение природоохранных требований и выполнение мероприятий по снижению воздействия на окружающую среду. Критическая ситуация отличается значительными изменениями ландшафтов, возникновением угрозы истощения или утраты природных ресурсов, ростом числа заболеваний из-за ухудшения условий проживания. Антропогенные нагрузки, как правило, превышают установленные нормативы. Концентрация загрязняющих веществ в большинстве природных сред достигает 3-5 ПДК. При уменьшении антропогенного воздействия до нормативного уровня и проведения необходимых природоохранных мероприятий возможно нормализация экологической обстановки, улучшение условий проживания населения, частичное восстановлении природных ресурсов.
Кризисная ситуация в ландшафтах возникают очень значительные и слабоконцентрируемые изменения, происходит существенное истощение природных ресурсов и ухудшение здоровья населения. Концентрация загрязняющих веществ в большинстве сред составляет 3-5 ПДК, в отдельных средах — до 10 ПДК. Для улучшения экологической обстановки требуются срочные кардинальные меры по снижению антропогенной нагрузки, охране окружающей среды и восстановлению природных ресурсов.
Катастрофическая ситуация характеризуется глубокими и часто необратимыми изменениями ландшафтов, утратой природных ресурсов и резким ухудшением условий проживания населения, вызванным в основном многократным превышением допустимых антропогенных нагрузок на окружающую среду. Ландшафты полностью изменены и непригодны для сельскохозяйственного производства и жизни людей. Чрезвычайно высокий уровень загрязнения большинства сред, постоянное присутствие многих загрязняющих веществ в концентрациях 5-10 ПДК, а по отдельным веществам более 10 ПДК.
Одной из важнейших геохимических задач при оценке состояния окружающей среды является выявление техногенных аномалий. Они образуются в компонентах ландшафта в результате поступления различных веществ от техногенных источников и представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных концентраций элементов (Са) больше фоно вых значений (Сф). Понятие аномальности тесно связано с представлениями о геохимическом фоне. При оценке техногенных аномалий фоновые территории выбираются вдали от локальных техногенных источников загрязнения веществ.
Одним из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах ландшафта.
Ландшафтно-геохимический мониторинг проводился на 17 ключевых участках, которые закладывались рядом с газокомпрессорными и газораспределительными станциями.
На ключевых участках была создана наблюдательная сеть, состоящая из 8 скважин глубиной до 1,20 м, расположенных в большинстве своем с подветренной стороны по отношению к производственным объектам.
Рассматриваемые нами металлы, относятся к первому классу опасности Pb, Cd, Zn. Содержание этих металлов в ландшафтах ключевых участков определялось в каждой точке отбора проб по трем интервалам глубин: 0-0,20 м, 0,50-0,60 м, 1,0-1,20 м в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01. Для каждого интервала рассчитывался по следующей формуле 1 предложенный Ю. Е. Саетом (1982) суммарный показатель загрязнения Zc, характеризующий степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона:
