Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологические аспекты регулирования подвижности тяжелых металлов и мышьяка на серой лесной почве лесостепи Среднего Поволжья
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологические аспекты регулирования подвижности тяжелых металлов и мышьяка на серой лесной почве лесостепи Среднего Поволжья"

на правах рукописи

ГЛАЗКОВА НАТАЛЬЯ ЕВГЕНЬЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЫШЬЯКА НА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ ЛЕСОСТЕПИ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

03.00.16-Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Саратов - 2004

Диссертационная работа выполнена в Пензенском филиале Международного независимого эколого-политологического университета и Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация: факультет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «Пдекабря 2004г. В 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220. Ш1. 06 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу 410600, г. Саратов, Театральная пл., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова»

Автореферат разослан «17» ноября 2004 года

Надежкин Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

старший научный сотрудник Аканова Наталья Ивановна,

кандидат биологических наук, Вихрева Валерия Александровна

Учёный секретарь диссертационного Совета

Данилов А.Н.

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Почва представляет собой сложный, многофункциональный блок биосферы, образованный процессами геологического и биологического круговорота. Проблема загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами (ТМ) в настоящее время приобретает все большую актуальность связи с резким ухудшением состояния природной среды и негативным воздействием на здоровье людей (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Овчаренко и др., 1997).

Экологические последствия ТМ имеют две отрицательные стороны. Во-первых, поступая в избыточных количествах по пищевым цепям из почвы в живые организмы, ТМ вызывают у них серьезные заболевания. Это ведет к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции, вызывает рост заболеваемости населения и снижение продолжительности жизни. Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. В первую очередь, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, структура реакции среды и др. Результатом всего этого является частичная, а ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия (Орлов и др., 1991; Ильин, 1995; Колесников, Казеев, Вальков, 2000).

Цели и задачи исследования". Целью настоящих исследований является исследования закономерностей, механизмов и последствий влияния ТМ на комплекс почвенных свойств и режимов, а также разработка мероприятий по снижению токсического действия тяжелых металлов.

Задачи исследований:

1. Изучить динамику содержания ТМ в почвах лесостепи Среднего Поволжья.

2. Исследовать подвижность ТМ при разном уровне антропогенного загрязнения.

3. Определить влияние ТМ на комплекс основных эколого -биологических свойств почвы, урожайность сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции.

4. Разработать мероприятия по снижению подвижности ТМ в серых лесных почвах и их поступления в растения.

Научная новизна. Исследована многолетняя динамика содержания ТМ в серых лесных почвах лесостепи Приволжской возвышенности. Изучена подвижность ТМ в условиях разной интенсивности антропогенного загрязнения. Установлено влияние загрязнения ТМ на комплекс экологических свойств почвы. Показано, что ТМ в первую очередь интегрируют микробто-логическую и ферментативную активность почвы.

ления в растения.

Практическая значимость. Определен возможный период загрязнения серых лесных почв региона ТМ до критического уровня. Разработанные мероприятия по снижению токсичности ТМ могут быть использованы при санации антропогенно загрязненных почв, а также при прогнозировании различной интенсивности хозяйственного воздействия на экосистемы.

Материалы работы используются при преподавании специальных дисциплин в Пензенской ГСХА, ПФ МНЭПУ, ПГПУ им.ВГ.Белинского. Положения выносимые на защиту-динамика содержания ТМ в серых лесных почвах региона; подвижность ТМ в серой лесной почве различной интенсивности загрязнения;

количественная оценка изменения основных почвенных свойств и режимов под влиянием ТМ;

мероприятия по снижению подвижности ТМ.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на международной научно-практической конференции «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» Пенза 2002 г.; на Всероссийской научно-практической конференции посвященной 50-летию кафедры почвоведения и агрохимии «Проблемы плодородия почв на современном этапе» Пенза 2002 г.; научных конференциях молодых ученых аспирантов и студентов Пензенской ГСХА (Пенза, 2002-2004 гг.); научно практической конференции «Проблемы АПК и пути их решения», Пенза 2003 г.; Международной научно практической конференции «Проблемы аграрной отрасли в начале 21 века», Смоленск 2002 г.

Публикации- По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Личное участие автора в получении научных данных изложенных в диссертации. В предложенной работе обобщены результаты 4-летних исследований самого автора; исследования проводились в соответствии с планами отраслевых и региональных, научно-технических программ.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения шести глав и выводов. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 35 таблиц, 8 рисунков, 14 приложений. Список литературы включает 185 наименований, в том числе 22 зарубежных авторов.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Почва в опыте серая лесная супесчаная на делювиальном легком суглинке. Содержание гумуса в пахотном (0-20 см) слое 2,24-2,32%; До6п -1,29%, Р2О5 - 43-48 мг/кг почвы, К2О - 69-77 мг/кг почвы, рНы - 4,9-5,2, Нг-3,3-3,8 мг-экв/100 г почвы, 8 18,8-18,5 мг-экв/100 г почвы, V - 82,5-82,7 %

Погодные условия в годы проведения исследований существенно различались как по количеству выпавших осадков, так и по температурному режиму. Вегетационный период 1997 и 2000 г. характеризовался как благоприятный для роста и развдтия-сельскохоздйственньгх культур, гидротермиче-

ский коэффициент составил 0,77 - 1,12. Вегетационный период 1998-1999 гг. был засушливым — ГТК 0,62 — 0,59.

Исследования проводились в микрополевых, модельных, вегетационных и лабораторных опытах.

В микрополевом опыте, заложенном в 1996 г., изучалось влияние искусственного загрязнения тяжелыми металлами и мышьяком на подвижность тяжелых металлов, физико-химические и биологические свойства серой лесной почвы а также урожай и качество продукции сельскохозяйственных культур.

Схема опыта 1/4 ПФЭ (4х4х4)х4 со следующими факторами и градациями: А- загрязнение почвы свинцом; Б - загрязнение кадмием; В - загрязнение мышьяком. Уровни внесения в почву тяжелых металлов и мышьяка составляли: 1- фоновое содержание; 2-5 ПДК; 3-10 ПДК; 4-15 ПДК.

Опыты закладывались в сосудах без дна размером 0,5 х 0,5м, глубина сосудов — 0,2 м. В качестве подпахотного слоя использовалась естественная серая лесная почва. В сосудах в течение 4-х лет выращивали культуры со следующим чередованием: яровая пшеница - картофель — однолетние травы

— озимая рожь.

В вегетационных опытах изучались приемы снижения токсичности тяжелых металлов за счет приемов санации: применения органических удобрений (навоза и биогумуса) и известкования (доломитовой мукой).

Схема вегетационного опыта 1: (4х4)х6 со следующими факторами и градациями:

Фактор А- известкование почвы (в долях Нг): 0 — без известкования; 1

— известкование по 0,75 Нг; 2 - известкование по 1,5 Нг; 3 - известкование по 2,25 Нг.

Фактор В — применение навоза (в г/кг почвы): 0 - без удобрений; 1 -25; 2-50; 3-75.

Схема вегетационного опыта 2: (4х4)х6 со следующими факторами и градациями:

Фактор А- известкование почвы (в долях Нг): 0 - без известкования; 1

— известкование по 0,75 Нг; 2 - известкование по 1,5 Нг; 3 - известкование по 2,25 Нг.

Фактор В - применение биогумуса (в г/кг почвы): 0 - без удобрений; 1 -3,3;2-6,6;3-9,9.

В лабораторных опытах изучалось влияние различных концентраций тяжелых металлов и мышьяка в составе питательных сред на развитие основных эколого-трофических групп микроорганизмов и подвижность тяжелых металлов в различных экстрагентах.

Все наблюдения, анализы и учеты проводили по общепринятым методикам. В почве определяли следующие показатели: - потенциометриче-ски; сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу; гидролитическую кислотность - по Каппену; подвижный фосфор и обменный калий - по Чирикову (Агрохимические методы..., 1975, Методические указания..., 1983).

Валовые формы тяжелых металлов определяли в 1,0 н НС1 на атомно-абсорбционных спектрофотометрах "Спектр-5-1" и АА5.

Подвижные формы Р и Сё определяли в ацетатно-аммонийной вытяжке с рН 4,8.

Подвижность мышьяка оценивалась с последовательным извлечением различных по доступности форм. Общее количество подвижных форм извлекали по Джеффери (1973).

Валовое содержание мышьяка определяли на атомно-абсорбционном спекторофотометре.

Содержание ТМ и мышьяка в растениях определяли по ГОСТам 2692986 и 26930-86.

Математическая обработка результатов проведена методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа (Б.А. Доспехов, 1985) на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для статистической обработки "Statgrafics" и '^аизиса".

ПОДВИЖНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ

Для установления направленности и скорости антропогенных изменений в агроландшафтах необходимо определение региональных нормативов фоновых концентраций ТМ и создание системы региональных почвенных эталонов. Использование последних может служить объектом для фонового почвенного мониторинга и образцами для сравнения с аналогичными загрязненными почвами.

Решение проблемы получения экологически безопасной продукции на загрязненных территориях должно основываться на учете миграции и аккумуляции ТМ в почвенном профиле. Анализ содержания ТМ в почвах Пензенской области указывает на характерную пространственную и вертикальную неоднородность их распределения (Кузнецов, 1966; Степанова, 1971).

В почвах области отмечается значительное варьирование всех изученных элементов. Наименьшая вариабельность характерна для ртути, максимальное содержание которой превышает минимальное в 1,8раза, наибольшая - для цинка - аналогичное превышение в 12,7 раз.

Из проанализированных ТМ слабое загрязнение может создаваться медью и ртутью, повышенное - свинцом и никелем, содержание которых в отдельных пробах превышает нормы ПДК.

Полученные данные характеризуют проблемную экологическую ситуацию по фоновому загрязнению ТМ почв области. В отдельных случаях локальное загрязнение превышает фоновые значения в 5-10 раз. Современное среднее содержание тяжелых металлов еще далеко от критического, но достаточно высокая скорость их аккумуляции вызывает обоснованное беспокойство.

Поэтому необходимо оценить влияние сельскохозяйственного использования почв на процессы аккумуляции тяжелых металлов в верхних горизонтах пахотных почв.

Анализ материалов ПДАС «Пензенский» по 10 реперным объектам почв области и опубликованных литературных данных свидетельствует о негативной тенденции в их изменении (табл. 1).

Таблица 1

Изменение содержания ТМ в почвах области за период с 1990 по 2000 гг.

Элемент Содержание в 1990 г. Изменение за 10 лет Среднегодовое изменение ПДК Время для загрязнения до уровня ПДК

мг/кг ПОЧВЫ

Мп 319 +4,5 +0,45 1500 2624

гп 41 +2,17 +0,217 110 318

РЬ 14 +0,65 +0,065 32 277

Си 13 +0,97 +0,097 100 897

№ 37 +1,8 +0,18 85 267

нр 0,006 +0,0093 +0,00093 2,1 2252

Сё 0,19 +0,0383 +0,0038 5,0 476

В последнее время отмечается увеличение концентрации ТМ в пахотном слое почв, которое возрастает в ряду Н > Сё > РЬ > Си > N1 > /п > Мп и изменяется от 0,00093 до 0,45 мг/кг почвы в год.

Полученные данные согласуются с выполненными ранее наблюдениями М.А. Глазовской (1988), А.П. Щербакова и И.И. Васенева (1996) для почв ЦЧО, которые также отмечают прогрессирующее загрязнение ТМ региональных почв.

Таким образом, серые лесные почвы Пензенской области характеризуются значительными различиями в содержании ТМ. Существующие темпы приращения их содержания могут привести к загрязнению никелем и свинцом на значительных площадях в течение 300 лет. Поэтому необходимо проведение подробной систематизации и районирования почв области по содержанию микроэлементов с учетом буферности и генетических особенностей почв. Это послужит для экологического нормирования содержания тяжелых металлов и обоснования степени загрязненности почв области различного гранулометрического состава.

Влияние искусственного загрязнения на подвижность тяжелых металлов в серой лесной почве

В микрополевом опыте, проведенном на серой лесной почве, установлено, что содержание валовых форм тяжелых металлов, созданное путем искусственного их внесения в почву было довольно стабильным в течение периода проведения исследований.

Внесение сульфата кадмия и нитрата свинца способствовало созданию загрязнения, мало отличающегося от заданного уровня (соответственно 5, 10 и 15 ПДК для валовых форм). При этом, через 4 года после закладки опыта, в

среднем по всем вариантам загрязнения содержание валовых форм свинца снизилось на 4,3%, кадмия - на 9,7% от уровня 1997 г. Что касается мышьяка, то количество его изменялось незначительно (-2,3% за анализируемый период).

Уменьшение содержания тяжелых металлов произошло, вероятно, как за счет их вымывания из корнеобитаемого слоя с инфильтрационными водами, так и за счет поглощения сельскохозяйственными культурами. В почвенном растворе тяжелые металлы находятся в соединениях с различными сопутствующими ионами. При этом в серых лесных почвах наибольшая миграция характерна для соединений ТМ с нитратами и сульфатами.

Валовое содержание тяжелых металлов в почве является фактором емкости, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения продукции. В связи с этим А. Финк (1982) рассматривает шкалу нормирования по количеству валовых форм ТМ как сугубо приблизительную.

До настоящего времени не найдены экстрагенты, демонстрирующие тесную связь между содержанием ТМ в почве и растениях, и, вероятнее всего, для каждого элемента необходимо подбирать свой селективный экстра-гент.

В связи с этим наиболее полная информация о вероятной токсичности ТМ может быть получена при определении нескольких их форм (Важенин, 1982).

Нами изучено содержание подвижных форм свинца, кадмия и мышьяка при использовании различных экстрагентов. Подвижность ТМ определена по мере роста степени жесткости реагента (водная вытяжка; 1н Са(ИКО) аце-татно-аммонийный буфер с рН 4,8; 1 н НЫО3).

Для анализа отбирали почву с вариантов, характеризующихся различным уровнем содержания валовых форм ТМ. В более мягких вытяжках отмечено существенное превышение выхода подвижных форм кадмия по сравнению со свинцом. Так, в водную вытяжку переходит всего 0,17-0,38% от валового количества свинца и 1,7-2,6% кадмия. Количество этих элементов, извлекаемых 1н Са(КО3)2 составляло соответственно 4,9-16,3 и 17,0-22,7%.

Использование указанных вытяжек можно использовать для интерпретации загрязнения почвы ТМ с определенной долей вероятности. При этом следует учитывать, что количество валовых форм характеризует общую загрязненность почвы, но не отражает степень доступности элементов для растений. Концентрация ТМ, извлекаемого кислотной вытяжкой свидетельствует об общем запасе (факторе емкости) подвижной формы тяжелого металла. Содержание ТМ, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, характеризует наиболее мобильную часть подвижных запасов в почве. Водная же вытяжка характеризует степень подвижности элементов в почве и представляет собой самую опасную и «агрессивную» фракцию.

Что касается мышьяка, то, для того, чтобы изучить все основные его формы в почве были использованы реагенты, рекомендованные разными авторами (Ильин, Конарбаева, 1995).

В состав первой формы подвижных соединений Ля включаются легко-расторимые соединения и их содержание не превышает 0,15-0,21% от валовых запасов в почве. Во вторую группу входят сульфиды мышьяка и соединения, связанные с гидроксидами алюминия — 0,61-0,65%.

Третья форма представляет собой соединения, закрепленные преимущественно в почвенных карбонатах в результате процессов окклюзии, осаждения и образования смешанных кристаллов. Содержание их в серой лесной почве не превышает 0,19-0,28% от валовых запасов. К четвертой группе относится мышьяк, извлекаемый из органического вещества почвы и гидрокси-дов железа. Его количество составляет 0,36-0,49% от валовых запасов. К пятой форме относятся все труднорастворимые соединения мышьяка. Следует отметить, что рост общего содержания мышьяка в почве, обусловленный искусственным внесением арсенита натрия, вызывал рост, в наибольшей мере четвертой формы подвижных соединений.

Суммарное количество относительно подвижных форм мышьяка, определенное по методике П. Джеффери (1973) составляло 48-52% от валовых запасов.

Загрязнение почвы из расчета 5 ПДК вызывало рост количества подвижных форм свинца и кадмия в 28,1-20,8 раз, 10 ПДК - 59,7-64,9 и 15 ПДК — в 100-106 раз. Это обусловило рост содержания подвижных форм относительно ПДК в 11-39 раз по свинцу и 2,9-15 раз по кадмию. В связи с отсутствием установленных ПДК подвижных форм по мышьяку подобного вывода в отношении этого элемента не представляется возможным сделать.

Созданные уровни загрязнения были относительно стабильны, что обусловлено постоянными процессами трансформации химических соединений ТМ в почве. Установлено, что через 8 месяцев после внесения соответствующего количество тяжелых металлов и мышьяка в почву коэффициент загрязнения по свинцу возрастал (по отношению к ПДК) с 0,71 до 5,04-15,02 ед., по кадмию - с 0,64 до 4,94-15,16 и мышьяку - с 0,56 до 4,94-15,56 ед. При этом созданные уровни загрязнения были близки к фактически полученным величинам.

В связи с тем, что загрязнение почв тяжелыми металлами во многих случаях имеет полиэлементный характер, больший интерес представляет оценка суммарного загрязнения. Установлено, что при внесении свинца, кадмия и мышьяка в почву из расчета 10ПДК коэффициент загрязнения возрос да 11,29-11,65 ед., или в 5,9-6,1 раза. Применение изучаемых элементов совместно даже при уровне загрязнения в 5 ПДК вызывало рост загрязнения по показателю К, в 7,8 раза, на уровне 10 ПДК - в 15,7 и при 15 ПДК - в 23,5 раза по сравнению с фоновой почвой.

В последнее время для оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами (и другими поллютантами) используется суммарный показатель загрязнения (/с), величина которого подразделяется на 4 градации. При этом

первая категория загрязнения почв характеризуется как допустимая и не превышает уровня ПДК. В этом случае почву можно использовать без ограничений для возделывания всех сельскохозяйственных культур. В нашем случае к первой категории относятся варианты с незагрязненной почвой и при использовании ТМ и мышьяка самостоятельно до уровня не более 10ПДК, а также при их совместном использовании в количестве не более 5 ПДК (табл. 2).

Таблица 2

Суммарный коэффициент загрязнения серой лесной почвы (£,), по содержа__нию РЬ, Сё. А_

Код варианта по РЬ и С<1 Код варианта по Аз Код варианта по А б

0 2 0 2

Ъъ К3 К3 г, к5 г, К3

1997 г. 2000 г.

00 - - 9,53 1 - - 9,18 1

02 9,65 1 18,57 2 8,86 1 17,52 2

20 9,29 1 18,83 2 8,87 1 18,30 2

22 18,41 2 28,07 2 17,52 2 26,66 2

Среднее 12,45 1 18,75 2 11,75 1 17,92 2

1 3 1 3

11 12,92 1 23,25 2 12,29 1 22,24 2

13 23,42 2 33,43 3 21,47 2 31,15 2

31 23,22 2 33,61 3 21,86 2 31,96 2

33 32,65 3 42,86 3 29,76 2 40,02 3

Среднее 23,05 2 33,28 3 21,34 2 31,34 2

Примечание: здесь и далее коды вариантов 0- фон; 1 - 5; 2 - 10; 3-15 ПДК; К, - Категории загрязнения: 1 ->16-допустимое; 2- 16-32-умеренно-опасное; 3-32128 - высокоопасное.

При внесении ТМ в количестве 10 ПДК совместно коэффициент загрязнения возрастал до 2-ой категории, при которой разрешается возделывание всех сельскохозяйственных культур, но при обязательном учете контроля качества продукции растениеводства. Совместное применение третьего уровня загрязнения (15 ПДК) вызывало существенный рост загрязнения, и почва характеризовалась как высокоопасная, при котором можно возделывать только технические культуры без получения из них продуктов питания и кормов.

Таким образом, почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов. В последнее время увеличивается тенденция их накопления в пахотном слое почв, что обусловливает необходимость изучения динамики ТМ. Количество подвижных форм тяжелых металлов определяется как валовыми их запасами в почвах, так и применяемыми для извлечения экстраген-тами. В условиях искусственного загрязнения почв постепенно самоочища-

ется, однако этот процесс длительный и характер снижения загрязнения неоднозначен.

ОТЗЫВЧИВОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Микробиологическая активность почвы

Данные учета численности микроорганизмов, выращенных на плотных питательных средах, показали, что ТМ воздействуют ингибирующе как на общую численность бактерий, так и на другие группы микроорганизмов (табл. 3). При этом в качестве контроля были использованы питательные среды, не содержащие ТМ.

Таблица 3

Влияние тяжелых металлов и мышьяка в составе питательных сред на разви-

тие микроорганизмов

Уровень загрязнения (РЬ, С(1, Аз) Бактерии на МПА Бактерии на КАА Актиномицеты Грибы Азотобактер, % комочков обрастания

млн/г почвы

ООО 19,5 24,1 17,3 41, 38,3

002 0,4 1,8 1,6 3,9 4,1

020 3,6 7,5 3,1 4,2 8,5

200 0,8 3,2 3,8 5,3 10,3

022 0,3 0,5 - 2,4 2,0

202 - - - 1,7 1,7

220 0,5 2,3 - 3,2 3,2

222 0 0 0 0 0

111 1,6 1,9 0,9 4,2 -

333 0 0 0 0 0

Наибольшим токсическим действием характеризовался мышьяк. При его добавлении в состав питательного раствора из расчета 10 ПДК (по почве) численность бактерий, развивающихся на МПА снизилась в 49 раз, на КАА -в 13 раз. Аналогичная картина выявлена и для актиномицетов, а также жизнеспособность азотобактера. Более устойчивыми оказались микроскопические грибы: при таком же уровне загрязнения их количество сокращалось в 10,5 раз по сравнению с вариантом без загрязнения.

Наиболее чувствительными к загрязнению ТМ были бактерии, в меньшей степени — актиномицеты и наименее чувствительными - микроскопические грибы.

В естественных условиях воздействие ТМ на структуру микробного ценоза почвы носило менее выраженный характер. Так, в период кущения яровой пшеницы (весной 1997 г.) под влиянием применения ТМ на уровне в 10 ПДК количество микроорганизмов, учитываемых на МПА, снижалось в 1,26-1,43 раза, определяемых на КАА - в 1,13-1,26 раза. При этом, как и в

случае добавления ТМ в состав питательных сред наибольшим токсическим действием характеризовался мышьяк.

Из изучаемых эколого-трофических групп микроорганизмов наиболее заметное снижение под действием ТМ отмечено у нитрифицирующих и цел-люлозоразлагающих бактерий — соответственно в 1,43-1,54 и 1,36-1,44 раза. Наиболее устойчивыми были грибы: снижение их количества составляло 512% по сравнению с незагрязненной почвой.

Совместное внесение ТМ способствовало еще большему угнетению почвенной микробиоты: так при загрязнении на уровне 5 ПДК всеми тремя металлами количество микроорганизмов на МПА снизилось на 23%, 10 ПДК -на 67и 15 ПДК-в 3,3 раза.

Аналогичная картина выявлена и для других групп микроорганизмов.

Определение численности микроорганизмов, проведенное через 3 года показало, что токсичное действие ТМ сохранялось в течение всего периода проведения исследований, хотя и имело тенденцию к снижению.

Эмиссия С-СО2 из загрязненной почвы

Наиболее активной частью орагнического вещества почв является микробная биомасса, которая принимает непосредственное участие в процессах минерализации-иммобилизации. Количественная оценка микробной биомассы необходима для изучения круговорота углерода в экосистемах.

Среднее содержание С-биомассы за период вегетации позволяет выявить отличия в процессах иммобилизации углерода в зависимости от различных факторов. За годы проведения исследований наибольшее количество углеродной биомассы характерно для 1997 г., отличающегося более благоприятным соотношением гидротермических условий вегетационного периода (табл. 4). В 1998-1999 гг. при резком недостатке влаги содержание С6иом было на 13-21% меньше. В 2000 г. количество его было примерно на одинаковом уровне с 1997 г.

Влияние загрязнения ТМ на содержание С6иом было не одназначным. В среднем за 4 года внесения мышьяка из расчета 10 ПДК способствовало снижению микробобиомассы на 10%, а кадмий и свинец в этих же дозах повышали данный показатель на 7-11 %.

Совместное внесение свинца, кадмия и мышьяка в дозе 5 ПДК увеличивало биомассу микроорганизмов на 10 %, а при использовании в количестве 10-15 ПДК - снижало на 12,5-17,8%.

Величина эмиссии СО2 в агроэкосистемах определяется комплексом экологических факторов, к числу которых относятся гидротермические условия периода вегетации и загрязнение почвы ТМ. Установлено, что в благоприятные по ГТК годы выделение СО2 на 25-49% выше чем в засушливые.

Влияние техногенного загрязнения сказалось в том, что при внесении в почву ТМ из расчета 5 ПДК суммарная эмиссия углекислого газа снижалась на 7-15%, 10 ПДК - 11-21%.

Таблица 4

Содержание С - биомассы в зависимости от загрязнения почвы, мг/100 г

Варианты Годы Среднее за 4 года

РЬ С<1 Ав 1997 1998 1999 2000

0 0 0 22,5 19,2 18,7 20,3 20,2

0 0 2 18,4 17,7 16,9 19,7 18,2

0 2 0 24,7 21,5 19,6 20,9 21,7

2 0 0 25,1 22,3 20,7 21,4 22,4

2 2 2 18,2 117,2 16,2 19,3 17,7

1 1 1 25,8 19,9 21,4 21,9 22,2

3 3 3 17,2 16,3 15,3 18,4 16,8

Полиэлементное загрязнение на уровне 5 ПДК вызывало сокращение эмиссии СО2 на 6% , 10 ПДК ~ 28% и 15ПДК -49%, Данное обстоятельство, видимо, обусловлено резким снижением общего количества микроорганизмов в почве.

Таким образом, техногенное загрязнение серой лесной почвы тяжелыми металлами вызывает существенные изменения в микробном комплексе, которые проявляются как в снижении разнообразия микроорганизмов, так и уменьшении их активности. Это проявляется как при непосредственном учете количества различных эколого-трофических групп микроорганизмов, так и по суммарной оценке микробной биомассы и эмиссии СО2.

УРОЖАЙНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ПОСТУПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯ НА ЗАГРЯЗНЕННОЙ

На процессы формирования урожая влияет совокупность экологических факторов - гидротермические условия, свойства почв, обеспеченность растений элементами минерального питания, в том числе избыток их в условиях загрязнения почв. Несмотря на наличие у растений защитных механизмов, тяжелые металлы, особенно при высоких концентрациях в почве, способны поглощаться растениями и включаться в метаболизм, нарушая продукционные процессы. Следствие этого - снижение урожая и его качества. Снижение продуктивности растений, происходящее под влиянием техногенного загрязнения почв, принято считать одним из показателей уровня их загрязненности.

Исследованиями в модельном опыте установлено неодинаковая отзывчивость различных сельскохозяйственных культур на загрязнение почвы ТМ. Так, урожайность яровой пшеницы при внесении в почву мышьяка и свинца на уровне 10 ПДК снизилась на 6%, а при таком же загрязнении кадмием - на 31% (рис. 1; табл. 5).

Рис. 1. Влияние уровня загрязнения свинцом (уяг 1), кадмием (уяг 2) и мышьяком (уяг 3) на урожайность яровой пшеницы (уяг 4). Примечание- урожайность пшеницы - т/га, содержание Сё и Ля - в кодированных

единицах 10; 1; 2; 3

Таблица 5

Урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от загрязнения тяжелыми металлами, т/га

Варианты Яровая пшеница, 1997 г. Картофель, 1998 г. Однолетние травы (вико-овес) на сено, 1999 г. Озимая рожь, 2000 г.

000 1,54 16,2 14,3 1,78

002 1,45 14,8 14,0 1,70

020 1,06 8,90 10,9 1,54

200 1,46 15,6 13,7 18,5

022 0,98 7,30 9,4 14,1

202 1,40 13,9 13,2 17,4

220 1,03 8,3 10,3 1,57

222 0,86 6,9 8,8 1,24

111 1,32 11,6 11,9 1,75

113 1,21 8,9 11,3 1,62

131 1,12 7,8 10,5 1,38

311 1,11 8,4 11,2 1,54

133 0,85 11,2 9,4 1,29

313 0,97 10,8 10,4 1,60

331 0,83 6,2 9,2 1,34

333 0,73 5,8 8,7 10,3

НСРо5" част- 0,21 1,2 1,7 0,14

ных различий

РЬСйАв 0,13 0,7 1,2 0,09

При полиэлементном загрязнении снижение урожайности было еще большим. Так, при внесении в почву свинца и кадмия на уровне 10 ПДК урожайность снижалась на 33%, а кадмия и мышьяка — 36%. В тоже время

При полиэлементном загрязнении снижение урожайности было еще большим. Так, при внесении в почву свинца и кадмия на уровне 10 ПДК урожайность снижалась на 33%, а кадмия и мышьяка - 36%. В тоже время при в совместном внесении свинца и мышьяка урожайность снизилась всего на 9%.

Внесение в почву всех изучаемых загрязнителей способствовало снижению урожайности пшеницы на 14-53% соответственно при уровне загрязнения 5 и 15 ПДК.

Картофель также сильно реагировал на загрязнение ТМ и в первую очередь мышьяком. При этом достоверное снижение урожайности при внесении ТМ в количестве 10ПДК отмечалось от мышьяка и кадмия.

При полиэлементном загрязнении урожайность картофеля снижалась 28 - 64% соответственно при уровне загрязнения 5 и 15 ПДК.

На третий год после внесения ТМ возделывался вико — овес на сено. При одностороннем внесении достоверное снижение урожайности отмечено только от кадмия - на 24%. При внесении всех трех элементов снижение урожайности составляло 17-31%.

Озимая рожь реагировала на техногенное загрязнение слабее, чем другие культуры. Это обусловлено как лучшим развитием ее корневой системы так и более растянутым периодом вегетации , в течение которого эта культура способна к более интенсивному усвоению элементов питания. Так, даже при полиэлементном загрязнении на уровне 5 и 10 ПДК снижение урожайности не превышало 2 - 30%.

ПРИЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Влияние приемов санации на подвижность тяжелых металлов и мышьяка

С целью изучения различных приемов санации серой лесной почвы на содержание тяжелых металлов были проведены модельные опыты. Почва для них отбиралась с вариантов микрополевого опыта и имела различное загрязнение валовыми подвижными формами ТМ. При этом в большинстве случаев загрязнение валовыми формами было близко к расчетному уровню загрязнения, созданному путем внесения в почву соответствующих загрязнителей.

Под влиянием различных приемов содержание в почве подвижных соединений тяжелых металлов менялось по-разному (табл. 6).

Важнейшим приемом, определяющим подвижность ТМ в почве, является известкование. Установлено что при известковании по 0,75 Нг содержание подвижных форм свинца снижается на 29-30% , кадмия - на 17-20%. Увеличение доз мелиоранта до 1,5-2,25 по Нг вызывало снижение подвижности свинца на 36-43% и кадмия на 37-45%.

В отношении мышьяка выявлено противоположная картина. Под действием первой дозы извести подвижность его возрастала 9-10%, второй -1113% и третий - 20-21%.

Таблица 6

Влияние приемов санации на подвижность ТМ и Аз в серой лесной почве,

Известкование Навоз, мг/кг почвы РЬ Сё | Аб

мг/кг почвы

0 0 230,9 ■ 15,25 16,43

25 172,1 11,37 14,88

50 154,7 10,25 14,45

75 121,3 9,14 12,79

0,75 0 166,1 12,33 18,05

з,з 125,8 9,24 16,34

6,6 114,9 8,71 16,03

9,9 95,3 7,68 14,27

2,25 0 135,6 8,22 19,73

3,3 107,3 6,59 18,42

6,6 99,6 6,53 17,34

9,9 85,4 5,62 15,43

Исходное содержание- РЬ-225,1, Сё- 14,96; Аз- 17,03 мг/кг

Навоз по сравнению с биогумусом оказывал большее ингибирующее воздействие на подвижность кадмия и свинца. Что касается мышьяка , то здесь биогумус был более эффективен чем навоз. При этом подвижность Аз от максимальной дозы биогумуса снижалась на 34-36%, а от навоза- 22-24%.

Изучение динамики мелиорирующего действия навоза на подвижность свинца показало , что максимальный положительный эффект отмечается через 360 дней после начала компостирования (рис. 2). В последующем когда основное количество активного органического вещества подвергается минерализации подвижность ТМ несколько возрастает.

Поступление тяжелых металлов в растения яровой пшеницы при использовании различных приемов детоксикации почвы

Несмотря на положительную функциональную зависимость между концентрацией ТМ в почве и поглощением их растениями, количественное выражение этой закономерности в различных условиях может существенно различаться.

В наших исследованиях установлено , что содержание кадмия в зерне яровой пшеницы во многом определяется уровнем загрязнения почвы этим металлом. Так, на незагрязненной почве концентрация его не превышала 0,005-0,006%. Загрязнение почвы до уровня 5-15 ПДК вызывало рост концентрации кадмия в зерне в 4,6-20,3 раза.

Количество кадмия в соломе пшеницы было в 10-17 раз выше чем в зерне. Загрязнение почвы способствовало росту его концентрации в 3,2-12,7 раз.

Использование навоза способствовало снижению концентрации кадмия в зерне яровой пшеницы на 3-20% в зависимости от применяемых доз и исходного уровня загрязненности.

Наиболее радикальным приемом, обеспечивающим получение безопасной в токсикологическом отношении продукции является известкование. Так, при уровне загрязнения в 5 ПДК известкование способствовало снижению содержания кадмия в зерне на 25-150%, 15 ПДК - в 1,68-4,30 раз. Аналогичная картина выявлена и в отношении содержания кадмия в соломе яровой пшеницы.

при закладке 90 суток 360 суток 720 суток опыта

В без удобрения В 25 г/кг В 50 г/кг И 75 г/кг

Рис. 2. Динамика содержания подвижных форм свинца при использовании различных доз навоза, уровень загрязнения 5 ПДК

Определение содержания свинца в зерне пшеницы показало, что загрязнение почвы вызывает рост его концентрации в 1,23-4,87 раза, в соломе -1,69-4,22 раза.

Применение навоза способствовало сокращению концентрации свинца в зерне на 4-18% и на 3-12% в соломе.

Известкование, особенно в максимальных дозах способствовало существенному снижению концентрации свинца в зерне и соломе пшеницы. В зависимости от уровня загрязнения в зерне оно снижалось в 1,3-2,8 раза, в соломе - 1,5-2,9 раза.

Загрязнение почвы соединениями As вызывало увеличение концентрации его в-зерне пшеницы в 1,75-5,92 раза и в 1,85-5,93 раза в соломе. Под влиянием известкования отмечена тенденция роста содержания этого соединения в зерне на 3-25% и на 1-27% в соломе. Применение органического удобрения способствовало снижению содержания As на 10-18%.

1. Серые лесные почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Отмечается увеличение концентрации ТМ в пахотном слое почв, которое возрастает в ряду Щ > Сё > РЬ > Си > N1 > /п > Мп и изменяется от 0,00093 до 0,45 мг/кг почвы в год. При существующих темпах накопления ТМ за 267277 лет почвы области могут быть загрязнены никелем и свинцом до уровня, превышающего ПДК. В отношении цинка и меди этот период увеличивается до 318-897 лет, кадмия - 476 лет.

2. Содержание валовых форм ТМ, созданное путем искусственного их внесения в почву довольно стабильно. Через 4 года содержание валовых форм свинца снижается на 3-5%, кадмия - на 8-11%, количество мышьяка изменяется незначительно.

3. В водную вытяжку переходит 0,17-0,38% валового количества свинца и 1,7-2,6% кадмия, при извлечении 1н Са^03)2 -4,9-16,3 и 17,0-22,7% соответственно. В условиях искусственного загрязнения почва постепенно самоочищается, однако этот процесс длительный и характер снижения загрязнения неоднозначен.

4. Содержание ТМ в составе питательных сред на уровне 5 ПДК приводит к почти полному уничтожению способности микроорганизмов развиваться, а на уровне 10-15 ПДК микроорганизмы не обнаруживаются. Наибольшее токсическое действие оказывает мышьяк. Наиболее заметное снижение под действием ТМ характерно для нитрифицирующих и целлюлозо-разлагающих бактерий. Наиболее устойчивыми являются грибы: снижение их количества составляет 5-12% по сравнению с незагрязненной почвой.

5. Внесение мышьяка из расчета 10 ПДК способствует снижению углерода микробобиомассы на 8-12%, а кадмий и свинец в этих же дозах повышают данный показатель на 7-11 %. Полиэлементное загрязнение (РЬ + Сё + Л8) в дозе 5 ПДК увеличивает Сб1ом на 10 %, а 10-15 ПДК снижает на 12,517,8%, эмиссия С-СО при этом снижается на 6 и 28-49% соответственно.

6 Сельскохозяйственные культуры по-разному адаптированы к загрязнению серой лесной почвы ТМ. Наиболее сильно реагируют на техногенное загрязнение яровая пшеница и картофель, относительно устойчива озимая рожь. Вико-овес отличается повышенным накоплением свинца и кадмия, картофель - мышьяка.

7. При известковании подвижность свинца и кадмия резко снижается, мышьяка — возрастает. Наибольший санирующий эффект характерен для сочетания известкования с применением органических удобрений. При этом содержание ТМ в зерне пшеницы снижается в 1,2-4,3 раза.

Список трудов, опубликованных по теме диссертации

1. Глазкова Н.Е. / Содержание тяжелых металлов в почвах зоны хранения химического оружия // Н.Е. Глазкова, А.П. Карпов, СМ. Надежкин // Материалы Международной научно-практической конференции «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» Пенза, 2002.- С. 42-44

2. Надежкин СМ. / Агроэкологические аспекты изменения содержания тяжелых металлов в почвах лесостепи Поволжья. /СМ. Надежкин, Н.Е. Глазкова // Материалы Международной научно практической конференции «Проблемы аграрной отрасли в начале 21 века», Смоленск, 2002.- С 59-61

3. Глазкова Н.Е./ Отзывчивость биологических свойств почвы на загрязнение тяжелыми металлами/ Глазкова Н.Е. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции посвященной 50-летию кафедры почвоведения и агрохимии «Проблемы плодородия почв на современном этапе».-Пенза, 2002,- С. 83-85

4. Шаркова СЮ / Влияние удобрений на азотный режим серой лесной почвы / СЮ Шаркова, Н.Е. Глазкова, СМ. Надежкин, Е.В. Надежкина // Материалы научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Пензенской ГСХА, Пенза, 2002.- С. 30-32.

5. Глазкова Н.Е. / Транслокация тяжелых металлов в системе почва-растение / Н.Е. Глазкова, Е.В. Надежкина //Материалы научно практической конференции «Проблемы АПК и пути их решения». Часть 1 - Агрономия, Пенза, 2003. -С. 97-99

6. Глазкова Н.Е. / Поступление тяжелых металлов в сельскохозяйственные культуры в зависимости от содержания их в почве / Н.Е. Глазкова, СМ. Надежкин, А.В. Скобанев, Е.В. Салдина //Материалы научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Пензенской ГСХА, Пенза. 2004.- С. 27-29

$24 3 6 2

Подписано к печати 01.01.21004 г. формат 60x84 1/16 Бумага белая. Ризография. Уч.-изд. Л. 1,5. Тираж 100 экз. Отпечатано с гоювого оригинал-макета в типографии «Копи-Ризо» Поповой М.Г. 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74, к. 304. Тел. 56-25-09

Содержание диссертации, кандидат биологических наук , Глазкова, Наталья Евгеньевна

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологические аспекты регулирования подвижности тяжелых металлов и мышьяка на серой лесной почве лесостепи Среднего Поволжья"

Заключение Диссертация по теме "Экология", Глазкова, Наталья Евгеньевна

Библиография Диссертация по биологии, кандидат биологических наук , Глазкова, Наталья Евгеньевна, Пенза