Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе почва-растение

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе почва-растение"

На правах рукописи

ПАРХОМЕНКО

Наталья Александровна

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ

06.01.04 - Агрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Омск 2004

Работа выполнена в Омском государственном аграрном университете.

Научный руководитель -доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ Ю.И. Ермохин

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор В.А Синявский; кандидат биологических наук А.Л. Мельников

Ведущая организация — Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Защита диссертации состоится 2 декабря 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.050.01 в Омском государственном аграрном университете по адресу: 644008, г. Омск-8, Институтская площадь, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 21 октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.П. Пьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокую продуктивность и экологическую безопасность земледелия в значительной степени обеспечивает оптимизация питательных веществ в почве. Запасы питательных веществ в почве обеспечиваются ее плодородием. Повышение плодородия и прирост урожая сельскохозяйственных культур достигаются за счет поступления в почву макро- и микроэлементов, которые могут улучшать или ухудшать свойства почвы. Поэтому особое внимание должно уделяться оптимальному уровню содержания и соотношения элементов питания в почве, обеспечивающих повышение урожаев и качество производимой продукции. Интенсивная антропогенная нагрузка на почву вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнения. Большая часть загрязнений почвы тяжелыми металлами происходит в настоящее время в связи с активной хозяйственной деятельностью человека. К основным антропогенным источникам загрязнения почвы относятся промышленные предприятия городов и поселений, а также современные транспортные средства. Автотранспортное загрязнение считается одним из наиболее опасных, так как тяжелые металлы (ТМ), попавшие в почву с автомобильными выбросами, накапливаются в ней, локализуясь вблизи источников, и образуют зоны повышенного загрязнения почв. К таким локальным участкам можно отнести и почвы придорожных зон автомагистралей Омской области.

Большая часть поступления тяжелых металлов в агроценозы по Омской области происходит через атмосферные осадки. Так, поступление свинца с атмосферными осадками и выбросами за 1991-2000 гг. составило 59%, цинка -64, меди — 71. Доля города Омска в сумме атмосферных выбросов по Омской области составила около 82% и от автотранспорта - около 62 (В.М. Красниц-кий, 2002). Почвы придорожных полос и пригородной зоны города загрязняются тяжелыми металлами намного сильнее, чем пахотные земли, удаленные от источников загрязнения.

Степень загрязнения придорожных полос ТМ более четко выражается в химическом составе растений, чем в составе почвы. В связи с этим стабильное загрязнение почв придорожных полос Омской области тяжелыми металлами может нанести значительный вред произрастающим на них растениям, а также животным и человеку, потребляющим эту продукцию. Поэтому необходимо проведение систематического мониторинга содержания ТМ и изучение закономерности их миграции в системе почва - растение.

Цель исследований - произвести агроэкологическую оценку действия ТМ в системе почва - растение в условиях экологически загрязненных придорожных полос автомагистралей Омской области с целью разработки рекомендаций по оптимальному использованию земель вдоль автотрасс для сельскохозяйственного производства с картографическим отображением результатов.

Задачи исследований:

- установить влияние ТМ (свинца, кадмия, цинка, марганца, никеля, меди) на химический элементный состав почвы;

— изучить взаимодействие ТМ в системе почва - растение и их влияние на величину и качество урожая;

- изучить влияние источников антропогенного загрязнения (автомагистралей и города) на содержание и накопление ТМ почвой и растениями;

— получить математические модели зависимости содержания ТМ в исследуемых элементах системы;

— построить математические модели прогноза содержания ТМ в растениях в зависимости от их содержания в почве;

— разработать математические модели прогноза полос загрязнения почв вдоль автотрасс, экологически неблагоприятных для растениеводства;

— выполнить картографическое отображение полученных результатов.

Научная новизна. По результатам агроэкологической оценки действия

ТМ.в системе почва - растение получены модели, позволяющие выявлять коэффициенты интенсивности действия ТМ на химический состав системы и прогнозировать содержание ТМ в растениях в зависимости от их поступления в почву вдоль автотрасс Омской области; установлены предельные содержания ТМ в почве (ПСЭ), не вызывающие превышения ПДК в растениях; получены данные о динамике процесса загрязнения почв при удалении от автотрассы и города как источников загрязнения; разработаны модели, позволяющие определять границы опасной экологической зоны для растениеводства вдоль автомагистралей Омской области.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. Основные выводы диссертации могут быть использованы агрохимическими центрами при определении накопления ТМ почвой придорожных полос и землеустроительными организациями при проектировании земель под посевы сельскохозяйственным предприятиям, садоводческим товариществам, при отведении участков под выпас и сенокос.

Результаты работы использовались ФГУ ЦАС «Омский» при обследовании территории и прогнозировании загрязнения ТМ почв и растений, а также Западно-Сибирским филиалом ФГУП Госземкадастрсъемка при проектировании границ земельных отводов в проектах внутрихозяйственного землеустройства на объектах, примыкающих к автотрассам.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях ОмГАУ (2000-2004); Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества (2002); IV научно-технической конференции СГГА (2004); IV съезде Докучаевского общества почвоведов (2004) и на ежегодных отчетах аспирантов кафедры агрохимии ОмГАУ (2000-2004). По материалам диссертации опубликовано семь работ общим объемом 1,4 п. л.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 237 страницах печатного текста; состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендаций производству, содержит 46 таблиц, 7 рисунков и 14 приложений. Библиографический список включает 136 источников, в том числе 9 - зарубежных авторов.

Объекты, условия и методика проведения исследований. Объектом исследований являлась система почва - растение, содержание в ней ТМ (Мп, Си, Сё, РЬ, N1, /п) вдоль автомагистралей Омской области. Выбор растений определился их широкой распространенностью в зонах региона (кострец безостый, мышиный горошек, тысячелистник, пижма обыкновенная, пшеница, ячмень и ряд овощных культур).

Климат района исследований континентальный. По метеорологическим условиям 2000 г. — засушливый и теплый, 2001 г. - умеренно влажный и теплый, 2002 г. - влажный и теплый.

Полевые исследования проводили на лугово-черноземной почве центральной и южной лесостепи Омской области. Степень загрязнения почв и растений ТМ выяснялась путем сравнения с предельно допустимой концентрацией (ПДК), а также с их региональным фоновым содержанием. Согласно методическим рекомендациям по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами (под редакцией Н.Г. Зырина, С.Г. Малахова, 1981), полевые работы состояли из подготовительного этапа и непосредственного отбора образцов почв и растений в полевых условиях. Подготовительный этап заключался в выборе места отбора проб, в процессе которого на генерализированной схеме Омской области были выделены участки полевых обследований (элементарные геохимические ландшафты). Для целей картографического отображения загрязнения ТМ обследуемой территории осуществлялась плановая привязка мест отбора проб на топографической карте в масштабе 1:10000 способами глазомерной съемки, обеспечивающими достаточную точность в короткий срок. Полевые работы включали отбор образцов почв и растений согласно намеченным маршрутам вдоль автомагистралей на расстоянии до 50 км от источника загрязнения — города. Пробы отбирались на пикетах через каждые 5 км у дороги и на расстоянии не менее 100 м в обе стороны от дороги (смешанные образцы). Отбор образцов почв проводили с глубины до 20 см.

С целью изучения закономерностей поведения ТМ в почве и поступления их в растения на опытном поле Омского государственного аграрного университета были проведены полевые опыты. Эксперимент проводился на лугово-чернозем-ной почве. Полевые опыты с ТМ были заложены по следующей схеме в г/м2: РЬ24, /п96, Си48. ТМ вносили в виде ацетатных солей, предварительно тщательно смешивая с 5 кг почвы, с ручной перекопкой на глубину 20-25 см.

Содержание ТМ в растениях и почве определяли атомно-абсорбционным методом в Федеральном государственном учреждении «Центр агрохимической службы "Омский"». Результаты исследований подвергали статистической обработке.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Уровни содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны

города Омска

Химические элементы в виде микроэлементов входят в естественный состав гумусосодержащих горизонтов почвы. Каждый регион имеет свои особен-

ности накопления и распределения ТМ в почвах. В Омской области преобладающими ТМ в почвах считают: Со, Си, Cd, Pb, №, Zn, Cг, уровень валового содержания которых в пахотных почвах не превышает 0,5ПДК по каждому из исследуемых элементов, что позволяет получать экологически чистую сельскохозяйственную продукцию (В.М. Красницкий, 2002).

Загрязнение ТМ почв пригородной зоны носит направленный характер. Больше всего подвержены загрязнению почвы, находящиеся вблизи источников загрязнения. В пригородной зоне г. Омска основными источниками загрязнения можно считать город, теплоэлектроцентрали и автомагистрали. В" Омской области основные магистрали, загруженные автомобильным транспортом: Омск -Новосибирск, Омск - Петропавловск, Омск — Тюмень. Исследования проводились по направлениям указанных маршрутов. В табл. 1 в качестве примера приведены данные, характеризующие загрязнение ТМ почвы по направлению Тю-калинского тракта (Омск - Тюмень), полученные по результатам исследований 2000-2002 гг.

Таблица 1

Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве

придорожных полос основных автомагистралей Омской области, мг/кг

Место Содержание ТМ в почве (М ± 1р т)

отбора Мп Си Ъа. РЬ Сё N1

проб

Тюкалинский тракт (Омск - Тюмень)

У дороги 62,1 ± 14,5 0,53 ±0,19 7,27 ±3,14 7,63 ± 3,14 0,21 ± 0,05 1,43 ±0,36

100 м от

дороги 53,1 ± 19,0 0,25 ±0,19 1,04 ±0,8 1,26 ±0,25 0,10 ±0,05 0,65 ± 0,08

ПДК 140 3,0 23,0 6,0 - 4.0

Фон - 0,23 0,39 0,88 0,08 0,61

, Примечание М - среднее арифметическое, m - ошибка среднего арифметического, tp критерий Стьюдента при Р = 0,95

Наши исследования показывают, что почвы придорожных полос по всем направлениям автомагистралей загрязнены такими ТМ, как Мп, Си, Cd, Pb, № и Zn. Загрязнение по отдельным металлам превышает ПДК (по свинцу), 0,5ПДК (по цинку). Большая часть ТМ, содержащихся в почве, превышает их фоновое содержание, что может привести к тенденции накопления ТМ в почве придорожных полос.

В результате анализа и математической обработки результатов исследования получены уравнения регрессии зависимости содержания ТМ в почвах придорожных полос и в почвах, удаленных от автомагистралей на 100 м, коэффициенты корреляции, указывающие на тесную связь содержания ТМ в почве, взятой у дорожного полотна и при удалении от него на 100 м (табл. 2).

Таблииа 2

Коэффициенты корреляции взаимосвязи накопления тяжелых металлов _в почве около автомагистралей и в 100 м от них

Направления автомагистрали Тяжелые металлы

Мп Си Ъп РЬ са N1

Исилькульское 0,87 ± 0,06 0,82 ± 0,09 0,95 ± 0,03 0,71 ±0,13 0,85 ± 0,07 0,75 ±0,12

Калачинское 0,77 ±0,1) 0,92 ± 0,04 0,76 ±0,11 0,70 ±0,14 0,90 ±0,05 0,84 ± 0,08

Тюкалинское 0 89 ±0,24 0,73 ±0,12 0,84 ± 0,08 0,78 ±0,10 0,77 ±0,11 0,86 ± 0,07

Загрязнение придорожных полос РЬ, Сё и /и связано с выбросами автомобильного транспорта, работающего на бензине, так как содержание этих элементов в почве заметно уменьшается при удалении от источника загрязнения и в 100 м от дороги становится близко к фоновому содержанию (табл. 2).

Баланс тяжелых металлов и его динамика в почве (в зависимости от действия транспортной инфраструктуры) Исследуемая территория придорожных полос характеризуется большим привносом ТМ с атмосферными осадками, что обусловлено влиянием автомагистралей, а также крупных промышленных центров Омской области. Баланс ТМ на исследуемой территории по всем направлениям положительный (табл. 3).

Таблица 3

Баланс тяжелых металлов в почвах придорожных полос

за период наблюдений (2000-2002) в кг/га_

Направление

Тяжелые металлы

автомагистрали Мп Си гп РЬ С<3 N1

Калачинское +13,59 +0,02 +3,33 +1,17 +0,02 +0,09

Исилькульское +3,53 +0.11 +2,02 +0,81 +0,09 +0,25

Тюкалинское +4,48 +0,04 + 1,24 +0,68 +0,02 +0,25

Положительный баланс ТМ в почве указывает на тенденцию накопления химических элементов. Наиболее экологически опасными из исследуемых элементов считают свинец и кадмий. Среднегодовое поступление ТМ в агроцено-зы Омской области за счет только атмосферных осадков составляет в г/га: Си -18,1; /и - 58,8; РЬ - 16,5; Сй - 2,9; N1 - 17,7 (В.М. Красницкий, 2002). По сравнению с пахотными землями в почву придорожных полос ТМ поступает больше следующих ТМ: Си - в 3, /и - 37, РЬ - 54, Сё - 30, N1 - 11 раз.

По результатам агрохимического обследования почв придорожных полос основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска (до 50 км), а также в соответствии с действующими ПДК нами был выполнен прогноз времени ТМ по формуле (1) (А.Н. Аристархов, А.С. Харитонова, 2002) достижения предельно допустимых концентраций ТМ в почве, который дает возможность судить об опасности загрязнения (табл. 4).

где Т, - время, за которое содержание ¡-ГО ТМ в почве достигнет уровня ПДК; А] - содержание 1-го элемента в почве, соответствующее ПДК, А2 - содержание ьго элемента в почве на момент обследования; В, - ежегодное поступление элемента в почву.

Таблица 4

Исходные данные и прогноз времени загрязнения почв _придорожной полосы тяжелыми металлами до уровня ПДК_

Направление автомагистрали

Тяжепые металлы

Мп

Си

Хп

РЬ

са

N1

Фактическое содержание ТМ (мг/кг) по направлениям за период 2000-2002 гг

Калачинское 37,54 0,3В 4,03 3,2 0,16 1,09

Исилькульское 32,8 0 29 6,30 4,07 0,17 1,15

Тюкал и некое 51,87 0,41 4,28 4,08 0,09 0,95

ПДК 140 3,0 23,0 6,0 - 4,0

Ежегодное поступление ТМ в почву придорожных почос мг/кг

Калачинское 7,55 ( 0 01 1,85 0,65 0,01 0,05

Исилькульское 1,96 0,06 1,12 0,45 0,05 0,14

Тюкапинское 2,49 ! 0,02 0,69 0,38 0,01 0,14

Время для достижения содержания ТМ на уровне ПДК (чет)

Калачинское 14 262 10 4 - 58

Исилькульское 55 45 15 4 - 20

Тюкалинское 35 129 27 5 - 22

По Калачинскому и Исилькульскому направлениям в придорожных полосах (100 м в обе стороны) содержание свинца достигнет уровня ПДК через 4 года, а содержание цинка - через 10-15 лет. При увеличении интенсивности автомобильного движения по этим трассам это время уменьшится. Тогда придорожные полосы будут экологически опасными для использования в сельскохозяйственном производстве.

Накопление ТМ растениями в зависимости от степени загрязнения почв

Для нормального роста и развития растений содержание ТМ в них не должно превышать некоторых пределов. Растения способны накапливать ТМ в больших количествах, чем им необходимо для роста и развития. Превышение норм оптимального содержания является токсичным для растений и опасным для животных и человека. В исследуемых образцах растений по трем направлениям пригородных трасс г. Омска содержание самых токсичных элементов (Сё, РЬ) превосходит ПДК в несколько раз. Это можно объяснить тем, что они наиболее активны в почвах и интенсивно поглощаются растениями. Данные агрохимического анализа по направлению Тюкалинского тракта приведены в табл. 5. По остальным направлениям получены подобные результаты.

Таблица 5

Содержание ТМ в растениях пригородной зоны г. Омска, _ мг/кг сухого вещества_

Растение Тяжелые металлы

Мп РЬ Сё Си гп N1

Тюкалинский тракт

Кострец безостый 89.57 2.37 0,26 3,8 11,98 1,81

Мышиный горошек 67.67 2,95 0,27 6,98 24,59 3,93

Мышиный горошек (розовый) 58,92 3,04 0,38 7,17 21,78 4,46

Тысячелистник 48,50 3,01 0,46 8,0 24,82 4-12

Пижма 74,4 3,42 0,54 10,36 34,80 5,63

Пшеница 59,0 1,68 0,20 5,60 21,20 3,8

пцк- 0,5 0,1 10,0 50,0

Полученные данные показывают особенности разных видов растений в разных количествах поглощать химические элементы из одинаковой почвенной среды (табл. 5). Кроме того, растения способны поглощать ТМ не только через корневую систему, но и через листья. Именно поэтому в растительных образцах содержание ТМ выше, чем в почве.

Взаимодействие между химическими элементами при поступлении их в растения может быть антагонистическим или синергическим. В наших исследованиях с различными растениями установлено, что при поступлении Сё, РЬ в растения в большинстве случаев наблюдается антагонизм между ними, что подтверждается рядом исследований (Ю.И. Ермохин, А.В. Синдерева, 2002).

Для определения количественной характеристики содержания и соотношения ТМ в почве и растениях вдоль автомагистралей пригородной зоны г. Омска были вычислены коэффициенты биологического накопления (КБН), то есть отношение содержания ТМ в растениях к их содержанию в почве; было обработано 147 проб растительных и почвенных образцов (табл. 6).

Таблица 6

_Коэффициенты биологического накопления_

Растение Тяжелые металлы

Мп РЬ Сё Си гп N1

Кострец 1,75 0,75 1,57 21,4 13,71 2,96

Мышиный горошек 0,9 0,54 1,85 54,82 17,07 4,66

Мышиный горошек (розовый) 1,03 0,98 2,55 19,99 11,22 2,69

Тысячелистник 0,96 1,56 4,03 26,79 14,16 5,04

Пижма 1,5 1,61 5,01 37,08 33,38 7,07

Пшеница 1,53 0,61 1,45 24,19 28,97 3,11

Средние (травостой) 1,28 1,01 2,74 30,71 19,75 4 25

По данным табл. 6, химические элементы можно расположить в следующий ряд интенсивности поглощения: Си > гп > № > Сё > Мп > РЬ.

Расчет предельного содержания элемента в почве в зависимости от линейного вида антропогенного загрязнения

Для характеристики интенсивности перехода микроэлементов из почвы в растения используют КБН, которые не являются достаточно строгой характеристикой, так как являются величиной, зависимой от видового состава растений, места их произрастания, условий, определяющих подвижность ТМ в почве. Поскольку пока нет точного представления количественного перехода ТМ в системе почва - растение, КБН можно считать лишь косвенными показателями перехода ионов ТМ в растения. Используя ПДК и КБН, нами предложена формула (2) для расчета предельного содержания элемента в почве (ПСЭ), не представляющего опасности загрязнения растениеводческой продукции:

где ПДКраст — предельно допустимые концентрации элементов в растениеводческой продукции, мг/кг;

КБН - коэффициент биологического накопления металла растением.

Расчеты по формуле (2) позволяют выявить участки почвы, неопасные для выращивания сельскохозяйственных культур.

Математические модели накопления ТМ в системе почва - растение

При повышении содержания ТМ в почве возрастает поступление этих элементов в растения. Исследования, проведенные нами, дали возможность получить математические модели, отображающие зависимости содержания ТМ в растениях (У) от накопления их в почве (X). Для определения зависимости была выбрана статистическая модель эмпирического уравнения регрессионного типа, которое выражается линейной зависимостью вида Математиче-

ские модели получены для всех исследуемых растений. Наиболее достоверной является связь содержания ТМ в почве и мышином горошке (розовом) (табл. 7).

Таблица 7

Математические модели накопления ТМ растениями (^ в зависимости

Растение Химический элемент Уравнение регрессии Коэффициент корреляции г ± от

Мышиный горошек (розовый) Мп У = 0,47Х + 75,15 (3) г = 0,75 ±0,08

Си У = 6,28Х + 1,69 (4) г = 0,78 ±0,07

Ъа У = 0,69Х + 23,85 (5) г = 0,86 ±0,05

РЬ У = 0,04Х + 1,10 (6) г = 0,78 ±0,07

са У=1,01Х + 0,04 (7) г = 0,86 ±0,05

N1 У = 4,13Х + 4,06 (8) г = 0,79 ±0,07

Существенную связь накопления ТМ растениями от поступления их в почву показали также и другие растения: мышиный горошек, пшеница, ячмень.

При решении некоторых задач можно использовать взаимозависимые (обратные) модели. Нами были получены модели зависимости содержания ТМ в почве от их содержания в растениях для всех исследуемых образцов. Взаимозависимые модели для мышиного горошка приведены в табл. 8

Таблица 8

Математические модели содержания ТМ в почве (У) в зависимости _от накопления их растениями (X)_

Растение Химический элемент Уравнение регрессии Коэффициент корреляции г ± от

Мышиный горошек (р) Мп У = 1.22Х+ 11,67 (9) г = 0,75 ±0,08

Си У = 0,09Х + 0,03 (10) г = 0,78 ±0,07

¿и У= !,07Х + 2,79 (11) г = 0,86 ±0,05

РЬ У= 13.70Х-12,90 (12) г = 0,78 ±0,07

- са У = 0,74Х + 0,03 (13) г = 0,86 ±0,05 -

N1 У = 0,15Х +1,31 (14) г = 0,79 ±0,07

Выявленный нормативный показатель Ь интенсивности действия единицы поступившего химического элемента в почву на растения (мг/кг) позволяет сделать прогноз накопления элемента в почве. При сопоставлении двух видов полученных математических моделей содержания ТМ в почве (9-14) и в растениях (3-8) был выполнен прогноз содержания ТМ в растениях (15).

где Ур - содержание ТМ в растениях, Х„ - содержание ТМ в почве. По уравнению (15) выполнен прогноз содержания ТМ во всех исследуемых растениях на каждом пикете трассы (через 5 км) на расстоянии до 50 км от города. При сравнении прогнозных данных с фактическими результатами химического анализа содержания ТМ в растениях получены ошибки прогноза (табл. 9).

Таблица 9

Формулы прогноза содержания ТМ в растениях _

Растение Химический элемент Формула прогноза Ошибка прогноза, %

Разброс Среднее значение

Мышиный горошек (розовый) Мп У = Х/1,22 + 9,57 (16) 1-20 8

РЬ У = Х/13,7 + 0,94 (17) 2-30 13

са У = Х/0,74-0,04 (18) 1-31 17

Си У = Х/0,10-0,32 (19) 1-25 19

N1 У = Х/0,15-8,61 (20) 2-27 19

1п У = Х/1,07 + 2,61 (21) 3-21 18

Средние значения ошибок не превосходят допустимого предела, что указывает на положительный результат выполненного прогноза.

Зависимость формирования урожайности многолетних трав от содержания тяжелых металлов в растениях Почвы - это своеобразный фильтр на пути аэрального потока ТМ в агро-ландшафты. Они способны накапливать ТМ в больших количествах. Подвижные формы ТМ, находящиеся в почвах, формируют резерв питания растений,

влияя на загрязнение сельхозпродукции и продуктов питания. Кроме того, растения способны накапливать ТМ через листовые пластины.

Кадмий считается одним из вредных тяжелых металлов, поскольку заметное увеличение его содержания в растениях способствует снижению урожайности, а также становится опасным для здоровья человека. Нами были выполнены исследования по выявлению зависимости урожайности от содержания кадмия в растениях, произрастающих вдоль автомобильных трасс (табл. 10).

Таблица 10

Влияние кадмия на урожайность естественных трав в зависимости

от уровня его содержа ния в растениях

Растение Содержание Сё в растениях, мг/кг Урожайность

т/га %

Автомагистраль Омск - Тюкалинск

Кострец безостый 0,27 4,4 100

0,61 4,2 95,4

0,07 2,7 61,4

Мышиный горошек 0,17 4,9 100

0.20 4,8 98,0

0,61 3,1 63,0

Химический состав растений X является функцией химического состава почвы П, то есть X = f (П), а урожайность У - функцией химического состава растений, то есть У = f (X), следовательно, химические элементы в растениях и почве должны находится в определенном количестве и сочетании. При дефиците или избытке этих элементов нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Влияние дозы химического элемента на урожайность отображается в виде колоколообразной кривой (рис. 1).

Рис. 1. Ответная реакция растений на количество внесенного химического элемента

На рис. 1 показаны: фаза а - голодание (предел выживания) организма на элемент (дефицит); фаза б — поглотительная реакция на увеличение дозы элемента; фаза б - оптимальный уровень содержания элемент; фаза гид — начало и кризис токсического действия элемента. Как следует из рис. 1, связи У = f (х) не являются линейными функциями.

Дефицит или избыток «жизненно необходимого элемента» наносит вред растительному и животному организму. Поступающие в почву и растения ТМ,

чужеродные организму, в связи с высокой их концентрацией разбалансируют растения с физиологической точки зрения В подобном случае фаза а отсутствует и кривая доза - ответная реакция имеет вид «плато» (фаза в) нередко с более или менее резкими спадами фаз гид ответной реакции в зависимости от химического элемента или его соединения.

Высокие техногенные нагрузки на агроландшафты загрязняют почву и растения, что приводит к снижению продуктивности агроценозов, то есть к снижению урожайности и ухудшению качества продукции.

Функциональная зависимость_между урожайностью и содержанием кадмия в растениях вдоль автомобильных трасс графически отражена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость урожайности многолетних трав (кострец, мышиный горошек) от содержания Cd в растениях (мг/кг) по Тюкалинскому направлению

Снижение урожайности наблюдается достаточно резко по кострецу безостому: от 4,4 до 2,7 т/га; мышиному горошку - от 4,9 до 3,1 т/га (табл. 10, рис. 2). Кроме снижения урожайности, ухудшаются и качественные показатели трав, так как содержание Cd превышает ПДК.

Наши исследования показали, что между содержанием Cd, М, Zn, Pb e почве (мг/кг) и концентрацией их в сырой массе столовой свеклы (У, мг/кг) существует тесная связь, которая выражается следующими коэффициентами кор-

реляции и уравнениями регрессии (22-25):

Установлено, что каждый килограмм поступившего Cd, №, Zn, Pb в луго-во-черноземную почву увеличивает содержание их в почве (коэффициент Ь) соответственно на 0,011, 0,005, 0,011, и 0,096 мг/кг, что позволяет рассчитать дозы ТМ, поступивших в почву Д™, по предлагаемой нами формуле (26):

где Д™ - доза поступившего элемента в почву, кг/га;

Са И Сф — содержание ТМ в почве у дорог и фоновое содержание; Ь - коэффициент интенсивности действия, мг/кг; I - продолжительность периода (лет) поступления ТМ в почву.

В связи с этим возникает необходимость строгого «нормирования» содержания ТМ в почве и растеньях, что позволит прогнозировать экологическую ситуацию и затем научно обосновывать приемы преобразования и улучшения агроландшафтов, загрязненных ТМ. По полученным данным, ежегодно за счет автомобильных выбросов в придорожные полосы Омской области поступает в среднем по трем направлениям: РЬ — 19 кг/га, Сё - 3,1.

Картографическое отображение результатов

Влияние техногенеза влечет за собой изменение, экологической ситуации, поэтому требуется создание визуального образа произошедших и текущих изменений

Способами визуализации могут быть различного рода тематические карты, аналитические и алгоритмические модели, табличная или графическая информация. Для проведения комплексной оценки ситуации и принятия своевременных решений в последнее время применяется электронная карта, являющаяся основой геоинформационной системы (ГИС). ГИС - это инструмент, предназначенный для сбора, хранения, обработки, анализа и отображения результатов. Любая карта служит источником информации, но электронная карта (основа ГИС) дает возможность моделировать поступившие изменения, прогнозировать последствия таких изменений во времени и пространстве, что помогает принимать правильные решения в управлении ситуацией.

Имея информацию о содержании ТМ в почве и растениях вдоль трассы, при определенном удалении от города и от трассы как источников загрязнения, нами были построены цифровые модели этих значений.

В процессе обработки направление трассы было обобщено и принято за прямую линию, расположенную вдоль оси X. Для наглядности изображения горизонтальный масштаб был принят 1:200 000. Значимым фактором рассматриваемой системы стала концентрация ТМ при удалении от оси трассы, поэтому вертикальный масштаб (по оси У) принят крупнее - 1:4 000.

Для реализации этой задачи была использована программа Мар1пЮ. Полученные изображения антропогенного загрязнения почв и растений ТМ вдоль автотрасс дают возможность визуально оценивать экологическое состояние по степени остроты в цветовой гамме. Пространственная привязка к топографии исследуемого района дает возможность определить с достаточной точностью место и предполагаемый источник загрязнения. Изолинии позволяют дать количественную характеристику загрязнения.

Прогнозирование размеров придорожных полос земель, экологически опасных для растениеводства

В результате статистической обработки получена модель (2//, выражающая связь содержания ТМ в почве с удалением от автострады на расстояние в 100 м (8, м). На достоверность полученной связи указывают коэффициенты корреляции этих уравнений (табл. 2). Модель (28) выражает связь содержания ТМ в почве и растениях (табл 11)

ТМг = Ь„-8„+а

тм„

;Ь2»-ТМр

л. (27)

аи. (28)

Используя формулы (27-28), получена модель (29) для расчета возможной границы опасной экологической зоны для растениеводства (полосы загрязнения), так как в ней содержание ТМ в растениях будет превышать ПДК.

В табл. 11 приведены расстояния (в м) от оси дороги, вычисленные по формуле (29), ограничивающие экологически опасную зону для растений.

Таблица //

Отобранные образцы растений Расстояние, м

РЬ 2п Сё N1 Си

Кострец 56,3 48,2 79,9 51,3 76,8

Мышиный горошек 69,1 3,9 59,4 68,5 17,6

Мышиный горошек (розовый) 30,3 - 8,1 52,4 53,8

Ячмень 53,0 68,4 57,6 55,5 54,2

Пшеница 95,3 210 82,4 89,8 62,3

Пижма - 87,7 58,5 60,4 63,3

Тысячелистник - 26,1 61,1 50,8 67,9

Используя разработанную математическую модель (29), была рассчитана ширина придорожной полосы, непригодной для растениеводства. Ее размер составил от 4 до 210 м для различных металлов, растений и направлений автомагистралей, что практически не учитывается при сельскохозяйственном производстве, так как посевные площади подходят вплотную к границам автомагистралей. Таким образом, общая площадь загрязненных почв вдоль автомагистралей Омской области по трем исследуемым направлениям составила около 3 000 га.

Агрономическая, биоэнергетическая и экономическая оценка действия ТМ в растениеводстве Так как поступление в почву ТМ в больших количествах действует угнетающе в количественном и качественном отношениях на растительные организмы, количество энергии, недополученной урожаем за счет влияния свинца при выращивании столовой свеклы в придорожных полосах по направлению Тюкалинского тракта, составило 4 510 МДж, а кадмия при выращивании картофеля - 3 660 МДж. Урожайность в данных условиях снижается у столовой свеклы на 11 ц/га, а у картофеля,- на 10 ц/га. Экономический ущерб составляет соответственно для столовой свеклы 6 600 руб., а для картофеля - 8 000 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что содержание всех исследуемых ТМ (Мп, Си, 2п, РЬ, Cd, N1) в почвах придорожных полос вдоль основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска (Калачинского, Исилькульского и Тюкалинского направлений) превышает их фоновое содержание. В почвах отдельных полос по некоторым металлам превышает ПДК (РЬ), 0,5 ПДК (2п, N1) и зависит от места забора проб, то есть от направлений и близости к источнику загрязнения (городу и автомагистралям).

2. Выполненная статистическая обработка результатов исследования позволила определить зависимость содержания ТМ от расстояния до автомагист-ради и сделать вывод о том, что загрязнение почв в исследуемой зоне происходит в большей степени за счет выбросов автомобильного транспорта. Полученная зависимость содержания ТМ в почве от расстояния до города указывает на то, что город также является источником загрязнения, причем в большей степени Мп, Си, N1.

3. Впервые дана оценка поступления ТМ в почву придорожных полос пригородной зоны в радиусе до 50 км от г. Омска вдоль основных магистралей, которая свидетельствует о динамике их накопления. Ежегодно в почвах придорожных полос увеличивается марганца ~ на 10%, меди ~ на 9,6, цинка ~ на 27, свинца ~ на 13, кадмия ~ на 12, никеля ~ на 11 относительно их фактического содержания, что значительно выше их среднего поступления в пахотные почвы Омской области. Прогнозируемое время для достижения ПДК ТМ в почве придорожных полос, минимальное - для свинца (4 года) и максимальное - для меди (262 года).

4. Выявлено, что различные растения в разных количествах поглощают химические элементы из одинаковой почвенной среды (придорожных полос), содержание ТМ в растительных образцах зависит также от атмосферного переноса от источника загрязнения - автомагистрали, так как полученные в результате исследований средние значения содержания ТМ в растениях в зоне придорожных полос превосходят их содержание в почве.

5. Изучено взаимодействие ТМ в системе почва - растение и выявлена заметная аккумуляция ТМ растениями придорожных полос. Установлено, что содержание Cd, РЬ в растениях придорожных полос значительно выше, чем в почвах, и превышает ПДК. Определение КБН указывает на хорошую способность химических элементов поглощаться и накапливаться растениями. По нашим исследованиям, величина КБН свинца растениями в несколько раз больше ранее опубликованных в работах других исследователей, что можно объяснить близостью исследуемых растений к источнику загрязнения - автомагистрали.

6. Получены математические модели зависимости содержания ТМ в почве и растениях. К самым чувствительным к накоплению ТМ, согласно нашим исследованиям, можно отнести пшеницу мышиный горошек; загрязнение тысячелистника и пижмы осуществляется в большей степени через листовые пластины, чем через почву. Указанные растения используются человеком в пищу, на корм скоту, в лекарственных целях, что небезопасно при условии выращивания или сбора их в придорожных земельных отводах.

7. Установлена количественная характеристика предельного содержания химического элемента (ПСЭ) в почве, не представляющего опасности для растениеводческой продукции, которая позволяет по химическому анализу ТМ в

почве и растениях выявлять и прогнозировать кризисные участки при выращивании отдельных видов растений.

8. На основе полученных математических моделей накопления ТМ в системе почва - растение была разработана математическая модель прогноза содержания ТМ в растениях, позволяющая определить их содержание в случае техногенного загрязнения.'

9. По результатам полевых опытов с микроэлементами (РЬ, Си, 2п) рассчитаны коэффициенты интенсивности действия единицы поступившего элемента в почву на ее химический состав (Ь, мг/кг), что позволяет рассчитывать дозы микроэлементов по формуле (26).

10. По результатам химического анализа отобранных проб почвенных и растительных образцов с использованием программы МарШо были получены изображения антропогенного загрязнения почв и растений ТМ вдоль автотрасс, которые дают возможность визуально оценивать экологическое состояние по степени остроты в цветовой гамме. Пространственная привязка к топографии исследуемого района дает возможность определить с достаточной точностью место и предполагаемый источник загрязнения. Изолинии позволяют дать количественную характеристику загрязнения.

11. Разработана математическая модель, позволяющая определять границу опасной экологической зоны вдоль автомагистрали. С использованием математической модели рассчитана ширина придорожной полосы, непригодной для растениеводства. Ее размер составил от 4 до 210 м для различных металлов и видов растений по направлениям автомагистралей, что практически не учитывается при сельскохозяйственном производстве, так как посевные площади часто подходят вплотную к границам автомагистралей.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Выявленные закономерности действия ТМ в системе почва - растение, их количественные характеристики (коэффициенты Ь, ПСЭ) и полученные на их основе математические модели для расчета интенсивности загрязнения почв и растений необходимо использовать при агроэкологическом мониторинге.

2. Агрохимической и землеустроительной службам при оценке и проектировании использования земель, следует учитывать установленное наличие и размеры земельных полос вдоль автотрасс, загрязненных ТМ согласно разработанной формуле (29).

Загрязненные ТМ полосы земель не должны включаться в границы полей севооборотов, отводов под выпасы, сенокошение и садоводческие товарищества и иметь соответствующую кадастровую оценку.

3. При использовании придорожных полос для выращивания сельскохозяйственных растений необходимо учитывать заметное ухудшение качества продукции и снижение урожайности за счет влияния выбросов ТМ автотранспортом.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Пархоменко Н.А. К вопросу картографического отображения экологической информации / Н.А. Пархоменко // Земельные ресурсы Сибири: изучение, управление, реформирование: сб. науч. тр. — Омск: Изд-во ОмГАУ, 2002. — С. 136-144.

2. Пархоменко Н.А. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях вдоль автомагистралей Омской области / Ю.И. Ермохин, Н.А. Пархоменко // История, природа, экономика: мат. Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 125-летию Омского регион, отд. Рус. географ, об-ва. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2002. - С. 211-213.

3. Пархоменко Н.А. Антропогенное воздействие на экологию природной среды в Омской области / Н.А. Пархоменко // Сельское хозяйство Сибири. -2003. -№ 2. - С. 18-19.

4. Пархоменко Н.А. Взаимосвязь накопления ТМ в системе почва - растение вдоль автомагистралей Омской области / Н.А. Пархоменко // Сельское хозяйство Сибири. - 2003. -№ 3. - С. 8-9.

5. Пархоменко Н.А. Исследование взаимосвязей накопления тяжелых металлов в системе «почва - растение» при агроэкологическом мониторинге природной среды вдоль автотрасс / Н.А. Пархоменко // Современные проблемы геодезии и оптики: сб. материалов LIII междунар. конф., посвящ. 70-летию СГТА. Ч. II. - Новосибирск, 2003. - С. 11-12.

6. Ермохин Ю.И. Установление влияния транспортных магистралей на загрязнение тяжелыми металлами системы «почва — растение» в придорожной полосе при проведении локального агрохимического мониторинга / Н.А. Пархоменко, Ю.И. Ермохин // Проблемы экологии городов: мат. IV республиканской молодежной научной конференции «XXI век: экологическая наука в Армении». - Ереван, 2003. - С. 171-176.

7. Ермохин Ю.И. Исследование взаимосвязей накопления тяжелых металлов в системе почва - растение вдоль автомагистралей Омской области / Н.А. Пархоменко, Ю.И. Ермохин // Почвы - национальное достояние России: мат. IV съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск: Наука-Центр, 2004. -Кн.2.-С. 306.

Рег. № 118. Сдано в набор 07.10 04. Подписано в печать 18.10.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 (0,93). Уч.-изд. л. 1,27. Тираж 110 экз. Заказ 2 16

Издательство ФГОУ ВПО ОмГАУ. 644008, Омск, ул. Сибаковская, 4, тел. 65-35-18.

Отпечатано в редакционно-полиграфическом отделе издательства ФГОУ ВПО ОмГАУ.

Э2127 6

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Пархоменко, Наталья Александровна

Введение.

1 Состояние изученности вопроса (обзор литературы).

1.1 Региональные особенности распределения тяжелых металлов в почвах.

1.2 Формы нахождения тяжелых металлов в почве.

1.3 Источники поступления тяжелых металлов в экосистемы.

1.4 Почвы пригородной зоны.

1.5 Некоторые аспекты влияния человека на растения.

2 Объекты, методы и условия проведения исследований.

2.1 Агрохимическая характеристика почв.

2.2 Метеорологические условия в годы проведения исследований.

2.3 Общие сведения об объектах и методике проведения исследований.

3 Уровни содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны города Омска.

3.1 Направленность и интенсивность изменения содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны (линейный вид антропогенной нарушенное™ окружающей среды).

3.2 Баланс тяжелых металлов и его динамика в почве (кг/га) в зависимости от действия транспортной инфраструктуры.

3.3 Прогноз накопления тяжелых металлов в почвах пригородной зоны.

4 Накопление тяжелых металлов растениями в зависимости от степени загрязнения почв.

4.1 Уровни содержания тяжелых металлов в растениях.

4.2 Поступление тяжелых металлов в растения в зависимости от их содержания в почве.

5 Нормирование интенсивности загрязнения экосистем тяжелыми металлами.

5.1 Расчет предельного содержания элемента в почве в зависимости от линейного вида антропогенного загрязнения.

5.2 Выбор математических моделей накопления тяжелых металлов в системе почва - растение.

5.3 Зависимость формирования урожайности фитомассы многолетних трав от содержания тяжелых металлов в растениях.

5.4 Картографическое отображение результатов.

5.5 Формулы прогноза полос загрязнения почвы.

6 Агрономическая, биоэнергетическая и экономическая оценка загрязнения почв и растений тяжелыми металлами.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе почва-растение"

Активная хозяйственная деятельность человека постоянно наносит определенный вред окружающей среде. Отходами хозяйственной деятельности загрязняются воздушный бассейн, водные источники и почвенный покров. Все это создает экологические проблемы.

Среди множества проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, охрана окружающей среды занимает, пожалуй, одно из первых мест. Интенсивная антропогенная нагрузка на природные ресурсы вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнении.

Устойчивость любой экосистемы определяется устойчивостью почв, т.е способностью почвы выполнять свои экологические функции, которые определяются степенью выдерживаемости все возрастающему техногенному воздействию [9,27].

Основными источниками загрязнения почв и растений являются крупные города, населенные пункты с выбросами их промышленных предприятий и отходов производства, ненормированное применение в сельскохозяйственном производстве различного рода агрохимикатов, а также и все современные транспортные средства (воздушный, железнодорожный, морской и автомобильный). Среди многочисленных загрязнителей природной среды тяжелые металлы (ТМ) считаются самыми опасными - к ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов [2,3,4,38,40,44,48,67].

Автотранспортное загрязнение является одним из наиболее опасных, оказывающих жесткое влияние на придорожные экосистемы. В выхлопных газах обнаружено более 200 различных веществ, из которых только 5 нетоксичны [43]. С работой автомобильного транспорта связано загрязнение почв в наибольших количествах свинцом, кадмием и цинком [2,3,43,45,97].

Большая часть поступления тяжелых металлов в агроценозы по Омской области происходит через атмосферные осадки: так поступление свинца с атмосферными осадками и выбросами за 1991-2000 гг. составило -59%, цинка - 64%, меди -71 % [2,11,48]. Доля города Омска в сумме выбросов по Омской области составила около 82% и от автотранспорта около 62%. Почвы придорожных полос и пригородной зоны города получают загрязнение ТМ намного больше, чем пахотные земли, удаленные от источников загрязнения.

Степень загрязнения придорожных полос ТМ более четко выражается в химическом составе растений, чем в составе почвы [97]. При постоянно возрастающем уровне загрязнения, концентрации ТМ в растениях могут возрастать в десятки и сотни раз [4]. Увеличивающийся токсический прессинг, накапливаясь по цепочке питания, может негативно отражаться на здоровье человека [68,95].

В настоящий момент меньше всего данных о загрязнении почв придорожных полос, мало изучена закономерность миграции и аккумуляции ТМ в системе почва - растение в этой зоне. Закономерности поведения ТМ в объектах внешней среды изучали в основном в моделирующих экспериментах, а в естественных условиях они изучены недостаточно [65].

В подобных условиях важная роль отводится мониторингу состояния окружающей среды, который позволяет отслеживать изменения, изучать закономерности и моделировать исследуемые процессы, с целью принятия своевременных решений направленных на предотвращение антропогенных кризисов.

Математические модели в современных условиях становятся инструментом изучения взаимоотношений человека с окружающей средой, они позволяют управлять природными ресурсами, учитывая в качестве компонентов модели возможные антропогенные воздействия.

Активная деятельность человека ставит новые задачи в визуализации антропогенных изменений, в составлении дежурных карт текущих изменений с применением современных средств и программных технологий картографирования.

Таким образом, стабильное загрязнение тяжелыми металлами почв придорожных полос Омской области может нанести значительный вред произрастающим ни них растениям, а также животным и человеку, потребляющим эту продукцию. Поэтому необходимо проведение систематического мониторинга этих химических элементов и изучения закономерностей миграции в системе почва — растения.

Цель и задачи исследования. Цель работы: произвести агроэкологическую оценку действия тяжелых металлов в системе почва -растения в условиях придорожных полос экологического загрязнения исследуемой системы с целью разработки рекомендаций по оптимальному использованию земель вдоль автотрасс для сельскохозяйственного производства.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- установить влияние тяжелых металлов (свинца, кадмия, цинка, марганца, никеля, меди) на химический элементный состав почвы;

- изучить взаимодействие тяжелых металлов в системе почва - растения;

- изучить влияние источников антропогенного загрязнения (автомагистрали и города) на содержание и накопление ТМ почвой и растениями;

- получить математические модели зависимости содержания ТМ в исследуемых элементах системы;

- построить математические модели прогноза содержания ТМ в растениях в зависимости от их содержания в почве;

- разработать математическую модель прогноза полос загрязнения относительно оси автотрассы для ведения сельскохозяйственного растениеводства;

- выполнить картографическое отображение полученных результатов.

- Дать информацию агрохимической службе и землеустроительным организациям, составляющим проекты землеустройства, об экологической опасности использования земельных полос вдоль автотрасс для растениеводства.

Научная новизна. По результатам агроэкологической оценки действия ТМ в системе почва-растение получены математические модели в виде линейных уравнений регрессии и на их основе разработаны формулы для прогнозирования содержания тяжелых металлов в растениях в зависимости от их содержания в почве вдоль автотрасс Омской области.

Получены данные о динамике процесса загрязнения почв при удалении от автотрассы и города, как источников загрязнения.

Разработана математическая модель, позволяющая определить границы опасной экологической зоны для растениеводства в пригороде г. Омска вдоль автомагистралей.

Практическая значимость и реализация результатов исследования.

Основные выводы и положения диссертации могут быть использованы в агрохимических центрах при определении количественной оценки переходя ТМ в растения из почвы, а также при определении накопления ТМ почвой придорожных полос. Полученные нормативные характеристики могут быть использованы землеустроительными организациями при проектировании отводов земель под посевы сельскохозяйственным предприятиям и выделении наделов для садоводческих товариществ, а также при отведении участков под выпас и сенокошение.

Результаты исследований используются в Центре агрохимической службы «Омский», Западно-Сибирском филиале ФГУП

Госземкадастрсъемка, а также в учебном процессе Омского ГАУ на факультетах: агрохимии, почвоведения и экологии в курсах «Агрохимия», «Система применения удобрений», «Физиологические основы питания растений»; землеустроительном - в лекционном курсе по дисциплине «Землеустройство» (Приложения Н, О, П).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно - практических конференциях ОмГАУ (20002004 г), международной научно - практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества «История, природа, экономика» (2002г.), Сибирской государственной геодезической академии (2004 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Природа и природопользование на рубеже XXI века» (2003 г.), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (2004 г.) и на ежегодных отчетах аспирантов кафедры агрохимии ОмГАУ (2000-2004г.)

По материалам диссертации опубликовано 7 работ: в сборнике научных трудов Омского ГАУ «Земельные ресурсы Сибири: изучение, управление, реформирование» (2002 г.), в сборнике материалов международной научно - практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества «История, природа, экономика» (2002 г.), в специализированном научно - производственном журнале «Сельское хозяйство Сибири» - №2, №3 (2003г.), в сборнике материалов IV республиканской молодежной научной конференции «XXI век: экологическая наука в Армении» (Ереван, 2003 г.)в сборнике материалов LIII Международной конференции, посвященной 70-летию СГГА (Новосибирск, 2004 г.),, в материалах IV съезда Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск 2004г.).

Аннотация работы. Исследования проводились на базе кафедры агрохимии ОмГАУ и Центра агрохимической службы «Омский». Объектом исследования стали почвы и произрастающие на них растения вдоль основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска. Почвенный покров представлен черноземами обыкновенными или лугово-черноземами среднемощными среднегумусовыми тяжелосуглинистыми. Выбор растений продиктован их широкой распространенностью в районе, а также различной видовой принадлежностью: кострец безостый, мышиный горошек, мышиный горошек (розовый), тысячелистник, пижма, ячмень, пшеница. Изучалось накопление и взаимодействие ТМ в системе почва — растение в зоне жесткого антропогенного загрязнения.

Экспериментальные исследования выполнены на опытном поле и в проблемной лаборатории диагностики питания растений кафедры агрохимии ОмГАУ.

При проведении автором исследований, большая помощь была оказана директором ФГУ «Центр агрохимической службы "Омский"» Красницким В.М., за что автор выражает ему глубокую признательность, а также сотрудникам ФГУ ЦАС — Авериной Г.Н., Лебедевой Т.Н., Ряполову А.В. За консультации при проведении исследований автор благодарит доцентов кафедры агрохимии Трубину Н.К, Стишенко О.В., Синдиреву А.В.

Особую благодарность автор выражает доценту кафедры геодезии Седышеву М.Е, за консультации при проведении исследований.

Автор выражает свою глубокую признательность и искреннюю благодарность за оказанную помощь своему руководителю Ю.И.Ермохину -доктору с.-х. наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, академику международной академии АО, лауреату премии академика Д.Н.Прянишникова

Заключение Диссертация по теме "Агрохимия", Пархоменко, Наталья Александровна

Общие выводы

1. Установлено, что содержание всех исследуемых тяжелых металлов (Мп, Си, Zn, Pb, Cd, Ni) в почвах придорожных полос, вдоль основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска (Калачинского, Исилькульского и Тюкалинского направлений), превышает их фоновое содержание. В отдельных местах, по некоторым металлам, превышает ПДК (Pb), 05ПДК (Zn, Ni) и зависит от места забора проб, т.е. от направлений и близости к источнику загрязнения (городу и автомагистралям).

2. Выполненная статистическая обработки и дальнейший анализ позволили определить достоверную зависимость (по вычисленным коэффициентам корреляции) содержания ТМ от удаления от автомагистрали, что указывает на то, что загрязнение почв в исследуемой зоне происходит в большей степени за счет выбросов автомобильного транспорта. Полученная зависимость содержания ТМ в почве при удалении от города указывает на то, что город также является источником загрязнения в большей степени Мп, Си, Ni.

3. Впервые дана оценка поступления ТМ в почву придорожных полос пригородной зоны в радиусе 45 км от г.Омска, вдоль основных магистралей, которая свидетельствует о динамике их накопления. Ежегодно в почвах придорожных полос увеличивается марганца = на 10%, меди = на 9,6%, цинка = на 27%, свинца ~ на 13%, кадмия ~ на 12%, никеля = на 11%, относительно их фактического содержания, что значительно выше их среднего поступления в пахотные почвы Омской области. Прогнозируемое время для достижения ПДК ТМ в почве придорожных полос минимальное для свинца — (5 лет) и максимальное для меди — (262 года).

4. Выявлено, что различные растения в разных количествах поглощают химические элементы из одинаковой почвенной среды (придорожных полос), при этом содержание ТМ в растительных образцах зависит также от атмосферного переноса от источника загрязнения - автомагистрали, т. к полученные в результате исследований средние значения содержания ТМ в растениях в зоне придорожных полос, превосходят их содержание в почве.

5. Изучено взаимодействие тяжелых металлов в системе почва - растение и выявлена заметная аккумуляция ТМ растениями придорожных полос. Содержание Cd, Pb в растениях придорожных полос значительно выше, чем в почвах, и превышает ПДК. Определение КБН указывает на хорошую способность химических элементов поглощаться и накапливаться растениями. По нашим исследованиям величина КБН свинца растениями в несколько раз выше ранее опубликованных результатов других исследователей, что можно объяснить близостью исследуемых растений к источнику загрязнения - автомагистрали.

6. Полученные математические модели зависимости содержания ТМ в почве и растениях указывают на наличие достоверной связи. К самым чувствительным к накоплению ТМ, согласно нашим исследования, можно отнести пшеницу и мышиный горошек, а загрязнение тысячелистника и пижмы осуществляется в большей степени через листовые пластины, чем через почву. Указанные растения используются человеком в пищу, на корм скоту, либо в лекарственных целях, что не безопасно при условии выращивания или сбора их в придорожных земельных отводах.

7. Установлена количественная характеристика предельного содержания химического элемента (ПСЭ) в почве, не представляющего опасности для растениеводческой продукции, которая позволяет по химическому анализу ТМ в почве и растениях прогнозировать кризисные участки для выращивания отдельных видов растений.

8. На основе полученных математических моделей накопления ТМ в системе почва-растение была разработана математическая модель прогноза содержания ТМ в растениях, позволяющая определить их содержание в случае техногенного загрязнения.

9. В условиях проведенного лабораторного эксперимента рассчитан коэффициент «Ь» интенсивности действия единицы поступившего химического элемента (РЬ, Си, Zn) на почву, который позволяет производить расчет содержания химического элемента в почве, т.е. выполнить прогноз поступления ТМ на основе знаний исходного содержания в почве.

10. По результатам химического анализа отобранных проб почвенных и растительных образцов, по программе Maplnfo, были получены наглядные изображения антропогенного загрязнения почв и растений ТМ вдоль автотрасс, которые дают возможность визуально оценивать экологическое состояние с оценкой степени остроты по цветовой гамме. Пространственная привязка к топографии исследуемого района дает возможность определить с достаточной точностью место и предполагаемый источник загрязнения. Изолинии позволяют дать количественную характеристику загрязнения.

11.Разработана математическая модель, позволяющая определить границу опасной экологической зоны. Используя разработанную математическую модель, рассчитана ширина придорожной полосы не пригодной для растениеводства. Ее размер составил от 4 до 210 м для различных металлов по направлениям автомагистралей. Это практически не учитывается при сельскохозяйственном производстве, т.к. посевные площади подходят вплотную к границам автомагистралей.

Рекомендации производству

1.Выявленные закономерности действия ТМ в системе почва-растение, их количественные характеристики (коэффициенты Ь, ПСЭ) и полученные на их основе математические модели для расчета интенсивности загрязнения почв и растений необходимо использовать при агроэкологическом мониторинге.

2.Агрохимической и землеустроительной службам, при оценке и проектировании использования земель, следует учитывать установленное наличие и размеры земельных полос вдоль автотрасс, загрязненных тяжелыми металлами, согласно разработанной формуле 29.

Загрязненные ТМ полосы земель не должны включаться в границы полей севооборотов, отводов под выпасы, сенокошение и садоводческие товарищества и иметь соответствующую кадастровую оценку.

3.При использовании придорожных полос для выращивания сельскохозяйственных растений необходимо учитывать заметное ухудшение качества продукции и снижение урожайности за счет влияния выбросов тяжелых металлов автотранспортом.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Пархоменко, Наталья Александровна, Омск

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях /Алексеев Ю.В.// — М.: Агропромиздат. 1987. 142с.

2. Красницкий В.М. Агрохимическая и экологическая характеристики почв Западной Сибири./ Красницкий В.М.// Монография/ОмГАУ.- Омск,2002.-144с.

3. Ермохин Ю.И.Познай свой дом и помоги природе и себе / Ермохин Ю.И., Гужулев Э.П., Сницарь А.Е.//- Омск: ГУИПП Омский дом печат,1998.-264с.

4. Черных НА.Экологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами / Черных Н.А.//- М: Агроконсалт,1999.-176с.

5. Ильин Б.В. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях / Ильин Б.В, Сысо А.И. //- Новосибирск: Из-во СО РАН, 2001.-229с.

6. Горшенин К.П. Почвенные зоны и почвенные районы Западной Сибири: Тез. докл. Зональной комиссии / Горшенин К.П., Градобоев Н.Д.//- Омск, 1956.-12C.

7. Горшенин К.П. Почвы черноземной полосы Западной Сибири /Горшенин К.П.// Омск, 1927, - T.XXXIX.- 360с.

8. Методические рекомендации по определению нормативов соотношений макро- и микроэлементов в растениях по системе ИСОД.- М. 1989.- 80с.

9. Ермаков В.В. Биогеохимическая эволюция таксонов биосферы и коррекция загрязнений среды обитания организмов / Ермаков В.В. // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы биосферы в окружающей среде: Докл. II междунар. н/п конф- Семипалатинск, 2002. 512с.

10. Ю.Ильин В.Б. Область борного засоления в Сибири// Этюды по биогеохимии и агрохимии микроэлементов./ Ильин В.Б., Аникина А.П.// -Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение, 1997.-С.З 8-47.

11. Красницкий В.М. Агроэкотоксикологическая оценка агроценозов / КрасницкийВ.М.//Монография.//-Омск: Из-во ОмГАУ,2001.-68с.

12. Красницкий В.М. Оценка и прогнозирование техногенного загрязнения почв / Красницкий В.М.// Вестник ОмГАУ./ 1999. - № 2.- С.31-35.

13. Красницкий В.М. Эколого-агрохимические аспекты химизации и биологизации земледелия /Красницкий В.М., Ермохин Ю.И.// Агрохимический вестник.- 1999.- № 2. С. 28-31.

14. Красницкий В.М. Состояние и агроэкологический прогноз развития экосистем (на примере Омской области) / Красницкий В.М.//- Омск. 1998. -97с.

15. Ильин В.Б. К экологии промышленных городов / Ильин В.Б. // ТМ и радионуклиды в агроэкосистемах: Материалы научн.- изыск, конф. // (Москва, 21 1992). М.:1994. - С. 42-48.

16. Каббата-Пендиас.Микроэлементы в почвах и растениях / Каббата-Пендиас А. Пендиас X.// М.: Мир, 1989. - 440с.

17. Ильин В.Б.Тяжелые металлы в системе почва — растение /Ильин В.Б.// — Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение, 1991. 147с.

18. Ильин В.Б.Тяжелые металлы в почвах Западной Сибири /Ильин В.Б.// Почвоведение. 1987. - № 11. - С. 87-94.

19. Ильин В.Б. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях Новосибирск./ Ильин В.Б., Байдина H.JL, Конарбаева Г.А. //Агрохимия.-2000.-№1 .-С.66-73.

20. Ермохин Ю.И. Агроэкологическая оценка действий кадмия, никеля, цинка в системе почва — растение — животное/ Ермохин Ю.И., Синдерева А.В., Трубина Н.К.//: Монография, ОмГАУ, Омск, 2002. — 117с.

21. Никушина Т.К.Создание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Рязанской области / Никушина Т.К // Тяжелые металлы и радионуклиды вагроэкосистемах: Материалы научно практической конференции. 21-24 декабря 1992г.-Москва, 1994.-С. 130-136.

22. Баздырев Г.И. Тяжелые металлы в системе почва — растение на склоновых землях /Баздырев Г.И. Пронина Н.Б., Родригес Д.С.// Известия ТСХА. -выпуск 2,- 2001, выпуск 2. -С.81-104.

23. Аржанова В.С.Миграция микроэлементов в бурых горно-лесных почвах / Аржанова B.C., Елпатьевский П.В // Почвоведение, 1979.- №11.- С.51-60.

24. Аржанова В.С.Геохимия ландшафтов и техногенез / Аржанова B.C., Елпатьевский П.В.// М.: Наука, 1980.- С.196.

25. Van Dijbh. Cation binding of humic acids /Van Dijbh // Geoderma, 1971. 5.53.

26. Stivenson F. J. Formation constants of Cu complexes with humic and fulvicacids / Krastanow S.A., Andarany M.S // Geoderma, 1973. Vol.9. №2

27. Pauli W.F. Heavy metal humates and theia behavion against hydrogen sulfide /Pauli W.F. // Soul Sci., 1975. 119. 98

28. Агрохимия: Учебник для высших с.-х. учебных заведений.// под редакцией Б.А. Ягодина, М.: 2-е издание, переработанное и дополненное, - Агропромиздат. - 639с.

29. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв / Горбунов Н.И. // М.: Наука, 1978.-291с.

30. Ладонин В.Ф. Влияние комплексного применения средств химизации на содержание тяжелых металлов в почве и растениях /Ладонин В.Ф // Химия в с.-х.,1995,№ 4. С.32-35.

31. Шильников Л.А. Проблемы снижения подвижности тяжелых металлов при известковании / Шильников Л.А, Аканова Н.И. // Химия в с.-х., 1995. №4.- С.29-32.

32. Советский энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М.Прохоров.-С56 3-е изд.-М.: Сов. Энциклопедия, 1985.-1600с.,ил.

33. Pacyna J.M. Contribution of elements to the atmosphere from natural sources / Pacyna J.M.// Chemical climatology and geomedical problems (ed.by J. lag). The Norwegian Academy of Sciences and Lettrs Osbo. 1992. - P. 91-104.

34. Проаенников В.И. Степень загрязнения тяжелыми металлами г. Анжеро-Судженск (Кемеровская область) и прилегающий территорий / Проаенников В.И., Орехова Г.Н., Аленко Г.К. // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах. М. — 1994 г. - С.222-227.

35. Потин С.Н. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях в пригородной зоне Омска / Потин С.Н., Иванов А.Д., Ермохин Ю.И. // Почвы, удобрения, урожай: Сб. науч. тр./ ОмГАУ. Омск, 1996, - С.38-49.

36. Бутковский P.O. Автотранспортное загрязнение и энтомофауна/ Бутковский P.O.// Агрохимия.- 1990.- № 4.-С.31-33.

37. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влияние на здоровье населения./ Документ государственного комитета РФ по охране окружающей среды.// Спец. впуск газеты «Зеленый мир», 1997. № 5, С.4-16.

38. Казюта Н.Р. Загрязнение тяжелыми металлами разнотравья и сельскохозяйственных культур вдоль автотрасс / Казюта Н.Р. // Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы: материалы всесоюзной конференции. М., 1988. - С.41-43.

39. Ильин В.Б. К экологии промышленных городов / Ильин В.Б. // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах: Материалы научн. прак. конф. (Москва, 21-24 декабря 1992 г.), М., 1994. - С.42-48.

40. Состояние окружающей природной среды в Омской области в 1999 году: Доклад Гос. ком. по охране окружающей среды Омской области. — Омск, 2000.-200 с.

41. Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии / Минеев В.ГУ/ М.: МГУ, 1988.-283 с.

42. Минеев В.Г. Баланс некоторых микроэлементов в дерново-подзолистой почве при длительном применении удобрений / Минеев В.Г., Соловьева Е.Л., Соловьев Г.А. // Химизация сельского хозяйства. -1988.- №1.- С.47-49.

43. Ягодин Б.А.// Агрохимия./Ягодин Б.А., Виниградова С.Б., Говорина В.В //-1989.-№5.- С. 118.

44. Шепелев В.В. Эколого-агрохимические аспекты длительного применения удобрений/ Шепелев В.В. // Лекция/ ОмГАУ. Омск, 2000 г. 27с.

45. Garo J.H. Gharacterization of Superphospat in Superphospat: its History, Chemistry and Manufacture /Garo J.H. // U.S. Dept. Agn. And TV A -Washington, D.S.: 1964. P.102-173.

46. Шугаров Ю.А. Поглощение почвой стабильного стронция из суперфосфата и поступление его в озимую рожь / Шугаров Ю.А. // Агрохимия. 1999. №1 .-С. 112-121.

47. Ягодин Б.А. Микроэлементы в сбалансированном питании растений животных и человека / Ягодин Б.А., Ермолаев JI.A. //Химия в сел. хоз-ве.-1995.- № 2-3 .-С.24-26.

48. Rieder W. Kupferan-reichung in hopfengenutzen Boden der Hallertau /Rieder W., Schwertmann K. // Landwirtsch. Forsch, 1972. H 25.S.170.

49. Решецкий Н.П. Тяжелые металлы в системе почва растение при длительном применении осадков городских сточных вод /Решецкий Н.П // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкологических системах. — М., 1994.-С. 79-81.

50. Лунев М.И. Пестициды и охрана агрофитоценозов / Лунев М.И.//—М.: Колос, 1992.-287 с.

51. Мерзлая Г.Е. Экологическая оценка осадка сточных вод / Мерзлая Г.Е. // Химия в сельском хозяйстве. — 1995. № 4. — С. 38-42.

52. Ермохин Ю.И. Баланс строения и кальция в почве и растениях /Ермохин Ю.И., Иванов А.Ф.//: Монография (ОмГАУ, Омск, 2003. 106с.)

53. Милащенко Н.З. Программа исследований тяжелых металлов в географической сети опытов со средствами химизации / Милащенко Н.З. // Химия в сельском хозяйстве. — 1995. №4. — С. 4-7.

54. Касатиков В.А. Влияние осадков городских сточных вод на микроэлементный состав почвы / Касатиков В.А. // Почвоведение. — 1991. -№9.-С. 41-49.

55. Ильин В.Б. Мониторинг тяжелых металлов применительно к крупным промышленным городам / Ильин В.Б. // Агрохимия. — 1997. №4. - С.81-86.

56. Ермохин Ю.И. Экологическое состояние почв и растений Западной Сибири и проблемы их качества / Ермохин Ю.И. // Сборник научных трудов. /ОмГАУ. Омск, 1997. - 96с.

57. Русаков В.Н. Геологические проблемы Омского региона /Русаков В.Н. // Материалы международной науч.- прак. конф. посвященной 125 — летию

58. Омского регионального отд. Русского географического общества./ Русаков В.Н. //-Омск: ОмГПУ, 2002. С. 163-166.

59. Атлас Омской области. — М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1996.-56с.

60. Богданов Н.И. Особенности почвенного покрова и эволюция почв Западной Сибири /Богданов Н.И.//: Учебное пособие./Богданов Н.И.//-Омск: ОмСХИ, 1977.-62с.

61. Ермохин Ю.И. Программирование урожая в Западной Сибири / Ермохин Ю.И., Неклюдов А.Ф.//: Учебное пособие/ Омск- Изд-во ОмГАУ, 2002. — 88с.

62. Ермохин Ю.И. Программирование урожая / Ермохин Ю.И., Неклюдов А.Ф., Красницкий В.М.// Монография / Изд-во ОмГАУ. — Омск, 2000. — 84с.

63. Степанова М.Д. Микроэлементы в органическом веществе почв / Степанова М.Д. // Новосибирск, Наука, 1976. — 176с.

64. Ермохин Ю.И. Диагностика питания растений /Ермохин Ю.И.//-Омск: ОмГАУ, 1995.-207с.

65. Гамзиков Г.П. К вопросу о подвижных формах азота в черноземных почвах/ Гамзиков Г.П., Кочегарова Н.Ф.// Науч. тр.СибНИИСХоз./ Омск, 1973. — Т.5 — С.38-42.

66. Кулаковская Т.Н. Почвенно-агрохимические основы получения высоких урожаев / Кулаковская Т.Н. // Минск: Урожай, 1978. - 272с.

67. Томпсон Л.Н. Почвы и их плодородие / Томпсон Л.Н., Троу Ф.Р.//- М.: Колос,1982.-761 с.83 .Лебедева Л.А. Система применения удобрений /Лебедева Л.А.// М.: Изд-воМГУ, 1989.-111с.

68. Вахинин И.Г. Методы определения калия в почве /Вахинин И.Г.// Агрохимические методы исследования почв/ ВАСХНИЛ. Почвенный институт им. В.В. Докучаева; под ред. А.В. Соколова- М.: Наука, 1975. — С.191-218.

69. Сычев В.Г. Возможности совершенствования градаций содержания «доступного» калия / Сычев В.Г. // Агрохимический вестник. №5. — 2000. -С. 32-34.86.0ниани О.Г. Агрохимия калия / Ониани О.Г. // Ан СССР- М.: Наука, 1981. -200с.

70. Азаренко Ю.А. Особенности геохимии бора в почвах солонцового комплекса Омской области /Азаренко Ю.А.// Экологическое состояние почв и растений Западной Сибири и проблемы их качества: Сб. науч. трОмГАУ. Омск, 1997. - 96с.

71. Добротворская Н.И. Поступление стабильного стронция в сельскохозяйственные растения при мелиорации солонцовых почв Западной Сибири фосфогипсом /Добротворская Н.И., Семендяева Н.В.// Агрохимия 1997 . -№8. - С.74-80.

72. Ильин В.Б. Область борного засоления в Сибири /Ильин В.Б., Аникина А.П.// Этюды по биогеохимии и агрохимии микроэлементов.— Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение. 1977. — С. 38-47.

73. Неупокоев А.А. Влияние извести на кислотность дерново-подзолистых почв Омской области и урожай сельскохозяйственных культур / Неупокоев А.А. //: Автореферат дис. канд. с.-х. наук.- Омск, 1972. 25с.

74. Войтович Н.В. Известкование кислых почв севера Прииртышья Омской области /Войтович Н.В.// Тез. докл. Омск, 1971. С. 71-72.

75. Мячкова Н.А. Климат СССР./ Мячкова Н.А.// М.: изд-во МГУ, 1983. -192с.