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"

зшз

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 « экологическую безопасность земледелии в значительной степени обеспечивает оптимизация питательных вешеств в почве. Запасы питательных вешеств в почве обеспечиваются ее плодородием. Повышение плодородия и прирост урожая сельскохозяйственных культур достигаются за снег поступления в почву махро- и микроэлементов, которые могут улучшать пли 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 кз наиболее опасных, так ках тяжелые металлы (I'M), попавшие в почку 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 облает.

'Большая часть поступления тяжелых металлов в агроцеиозы по Омской области происходи 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. Краскиц-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 агроэколога1ческук> 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 ссльскохозяйст- __ венного производства с картографическим отображением результатов'. Задачи исследований:

— установить влияние ТМ (свинна, кадмия, пинка, марганца, никеля, мели)

на химический элементный состав почвы; f VA

! ЦНБ МСХА

1 фонд научной литературы

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

— изучить влияние источников антропогенного загрязнения (автомагист-. ралей и города) на содержание и накопление ТМ почвой и растениями; •

— получить математические модели зависимости содержания ТМ в пссле--дуемых 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, эколога чески неблагоприятных для растениеводства; {■

— выполнить картографическое отображение полученных результатов. .->

Научная новизна. По результатам агрозкологнческой опенки действия.

ТМ в системе почва - растение получены модели, позволяющие выявлять ко-, эффициенгы интенсивности действия ТМ на химический состав системы и про- , , гнозировать 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 за1рязнения почв при удалении от автотрассы и города как источников загрязнения; разработаны модели, позволяющие опредс-л ять границы опасной экологической зоны для растениеводства вдоль автома-. гистралей Омской области. ■

.Праюл ческам, значим ость и реализации результатов исследовании, * Основные сыводьг диссертации могут быть использованы агрохимическими., центрами при определении'накопления ТМ почвой придорожных полос и зем^ ,теустроительными .организациям» при проектировании земель.иод посевы: сельскохозяйственным предприятиям, садоводческим товариществам, при от-," ведении участков под выпас и сснокос..

. Результаты работы использовались ФГУ ЦЛС «Омский» при обследовании территории и прогнозировании загрязнения ТМ почв и растений, а также За-, падио-&1бирским филиалом ФГУП Го«емкадастрсъемка при проектировании^ границ земельных стволов в проектах внутрихозяйственного землеустройства! на объектах, примыкающих к автотрассам. ... .. .

. Апробация работы. Основные положения диссертационной. работ ы докладывались на ежегодных »аучно-нроктичеааю конференциях ОмГАУ (2000-2004); -Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию' Омского регионального отделения Русского географического общества (2002);, IV научно-технической конференции СГГЛ (2004); IV.съезде Докучасвского. общества почвоведов (2004) и на ежегодных отчетах аспирантов кафедры агро: химии ОмГАУ (2000-2004), По материалам диссертация опубликовано семь-работ общим объемом 1,4п. я. . - .

Объем н с! руктура района. Диссертационная работа изложена на 237 страницах печатного текста; состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендаций про-* изводству, содержит 46 таблиц, 7 рисунков и 14 приложений. Библиографический список включает 136 источников, в том числе 9 ~ зарубежных авторов.

• < •• Д .

Объекты, у слон мм и методика проведении исследований. Объектом исследований являлась система почва - растение, содержание в ней ТМ (Мп, Си, C(J, РЬ, Ni, Zn) вдоль автомагистралей Омской области. Выбор растений определился их широкой распространенностью в зонах региона (кострсц безостый, мышиный горошек, тысячелистник, пижма обыкновенная, пшеница, ячмень и ряд овощных культур).

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

Полевые исследования проводили на лугово-черноземной почве центральной и южной лесостепи Омской области. Степень загряз не! гия 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 металлам» (пол редакцией Н.Г. Зырина, С.Г. Малахова, 19S1), полевые работы состояли из под-го товшельн о го этапа и непосредственного отбора образцов почв и растений в полевых условиях. Подготовительный эгап заключался в выборе места собора 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 повеления ТМ в почве и поступления их в растения, на опытном поле Омского государстве! то го аграрного университета были проведены полевые опыты. Эксперимент проводился на лугово-чернозем-ной почве. Падевые опыты с ТМ были заложены по следующей схеме в г/м:: РЬ;4, Zn*,, Cujj. 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-абсорбцнонньш методом в Федеральном государственном учреждении «Центр агрохимической службы "Омский"». Результаты исследований подвергали статистической обработке.

' РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ Уровни содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны

города Омска

Химические элементы в виде микроэлементов входят в естественный состав гумусосодержат!IX горизонтов почвы. Каждый регион имеет спои особен-

пост» накопления и распределения ТМ в почвах. В Омской области преобладающими ТМ в почвах считают: Со, Си, О!, РЬ, М1, Хп, Сг, уровень валового \ содержания которых в пахотных почвах не превышает 0.5ПДК по каждому из -исследуемых элементов, что позволяет получать экологически чистую ссльско-3 хозяйственную 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, за)-ружейные автомобильным транспортом: Омск-Новосибирск, Омск — Петропавловск, Омск — Тюмень. Исследования проводи-1 лись по направлениям указанных маршрутов. В табл. I в качестве примера при- * ведены данные, характеризующие загрязнение ТМ почвы по направлению Тюкал инского тракта (Омск - Тюмень), полученные по результатам исследовании ' 2000-2002 пг. _ , .' '

Таблица /-•;

Среднее содержание подвижны* форм тяжелых металлов в почве

придорожных полос основных автомагистралей Омской облает», мг/кг •

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

Мп Си ) 2п РЬ СЛ N1

• ■ . Тюкаяинский практп (Очск — Тюмень)

У дороги 100 м ог дороги 62Д ± 14,5 53,1 1 19,0 0.53 * 0,19 0.25 ±0,19 7Д7 1 3,14 1,04 ± 0.8 7,63 ±3.14 1.26* 0.25 0,21 ±0.05 0.10 ±0,05 1,43 ± 0,36, 0,65 ± 0.03

плк 140 3,0 23.0 6,0 1 4.0

Фон - 0,23 0,39 0,88 0.0,4 \ 0,61

Примечание. М — среднее арифметическое, то — ошибка среднего арифметического, 1р — критерий Стьюдема при Р - 0,95,

Наши исследования показывают, что почвы придорожных полос по веем'1 направлениям автомагистралей загрязнены такими ТМ, как Мп, Си, С<3» РЬ, Ы! * н 7.п. 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 получени. уравнеииягрегрессии 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 ог него на 100 м (табл. 2).

Табтиа 2

Коэффициенты корреляции взаимосвязи нп ко (теки и тяжелых металлов _' в почве около автомагистралей и в 100 м от них_■

Направления | Тяжелые металлы

аеточагист- | Мл • рал и Си 1 '¿п РЬ | си N1

Исильктаьское 0,87 * 0.06 0,82 ± 0.09 1 0.95 ± 0,03 0,71 * 0,13 1 0 КЗ ± 0,07 0,75-1 0,12

Калачинское | 0,77 ± 0.11 0,92 ± 0,01 1 0.76 ±0,11 0,70 А 0.14 | 0,90 ± 0,05 0.84 а О.ОЯ

Ткжадинское ) О 89 ь 0,24 0,73 I 0.12 ) 0,84 х 0,08 ] 0,78 ±0,10 | 0.77 ± 0,11 0,86 ± 0.07

Загрязнение придорожных полос РЬ, С(1 и 2л 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 о г дороги становится близко к фоновому содержанию (табл. 2).

Баланс тяжелых металлов к 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).

Таб.пп/а 3

Баланс тяжелых металлов в почвах придорожных полос _за период наблюдений (2000-2002) в кг/га_

Направление звтомалкпрзлн Тяжелые металлы

Мп Си 2л РЬ С(1 I Ь' *

К начине кое + 13,59 +0,02 +3,33 +1,17 +0,02 ■•0,09

Исил польское -3.53 "0,11 +2,02 +0,81 +0,09 * 0,25

Тюкаяинскос +4.4» +0,04 +1,24 +0,68 Ю,02 -41.25

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 агронено-зы Омской области за счет только атмосферных осадков составляет в г/га: Си — 18,1; '¿п - 58,8; РЬ - 16,5; С(1- 2,9; № - 17,7 (ВЛ1 Крзсшшкий, 2002). По сравнению с пахотными землями в почву придорожных полос ТМ поступает больше'следующих ТМ; Си - в 3. гп - 37, РЬ - 54, С(Г- 30,'N1 - 11 раз.

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

ТХЛ^-ЛзиВ;, (1)

где Т, — время, за которое содержание 1-го ТМ в почве достигнет уровня ПДК; Л] -содержание ¡-гоэлемента в почве, соответствующее ПДК; А} — содержание 1-го 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

Налрэаденне " зеточашетрали ' _ ■> Тяжелые металли

Мп | Си I ¿п \ РЬ I С<1 | №

Фактическое соде) ■ужение ТМ (и?Лг) пп напрааления.» за период 2000 -2002 гг.

Калач и левое 37,54 0,38 I 4,03 за 0,16 1,09

Исил тульское 32.8 03 6.30 4,07 0,17 1,15

Тю» афинское 51.87 0.41 4,28 4,08 о.оу 0,95

ПДК 140 З.о 23.0 6,0 - 4,0

Ежегодное поетткние ТМ в почву придорожных паюс. мЫкг

Калач икс кое 7.55 1 0.01 1.85 1 0.65 0.01 1 0.05

И сил к кул «кое 1,96 ] 0.С6 1,12 0,45 0.05 1 0,14

Тюкалинсксе ■ ■ 2.49 | 0.02 0.69 0,3В 0.01 | 0,14

Время для достижения содержания ТМ на уровне ПДК (чет)

Калач квеме . 14 | 262 10 4. - . 58

Исилькульекое .55 1 45 .15 4 - 20

Тюкали некое 35 | 120 27 5 - 22

По Калачкнскому и Исилькульскому направлениям в придорожных полосах (]00 м в обе стороны) содержание саинца достигнет уровня ПДК через 4 гола, 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 8 сельскохозяйственном производстве. , ■ _

Накопление ТМ растениями в зависимости от степени загрязнения почв Для нормального роста.к 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 (Сс], РЬ) превосходит ПДК в несколько раз. Ото можно объяснить тем, что они наиболее активны в почвах л,интенсивно поглощаются растениями. Данные агрохимического анализа по направлению Тюкалинсксго тракта приведены в табл. 5. По остальным направлениям получены подобные результаты.

Таблица 3

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

Растение Тяжелые металлы

Мп РЬ СМ Си 7.п N1

гинея ын трокт

Кострец безосты 1! 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 (реповый) 58,42 3,04 0,38 7.17 21,78 4,46

Тысячелистник — 48.50 3,01 0.46 8.0 24.82 * 12

Пижма 74,4 3.42 0,54 10,36 34,80 5.63

Пшеница 59,0 1,68 0.20 3,60 21,20 3,8

ПДК 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^, РЬ в растения в большинстве случаев наблюдается антагонизм между ними, что подтверждается рядом исследований (Ю.И. Ермохин, А.В. Сн «дерева, 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. б).

Таблица 6

Коэффициенты биологического накопления_

Растение Тяжелые металлы

Мп РЬ СМ Со гп №

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 1 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 4 25

Средние ОравостоП) 1,28 1 1.01 2,74 30,71 19,75

Поданным табл. б, химические элементы можно расположить в следующий ряд интенсивности поглощения: Си > 7.п > N1 > С»! > Мп > РЬ.

Расчет предельного содержания элемента в почве в зависимости

отлинсйного вила 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 лочва — растение, КБН можно считать лишь косвенными показателями перехода ионов 'ГМ в растения. Используя НДК и КБН, нами предложена фор-' мула (2) для расчет^ предельного содержания элемента в почве (ПСЭ), не представляющего опасности загрязнения растениеводческой продукции:

' ' поЛЕр.

где ПДКркт- предельно допустимые концентрации элементов в растениеводческой продукции, мг/кг;

КБН — коэффициент биологического накопления металла растением.

Расчеты по формуле (2) пот коля ют 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, шображающие зависимости содержания ТМ в; растениях (У) от накопления их в почве (X). Для определения зависимости бы-, ла выбрана статистическая модель эмпирического уравнения регрессионного-типа, которое выражается линейной зависимостью вила У = ЬхЧ- а. Математические 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 (У) в зависимости

Растение • Химический печет- Уравнение регрессии Коэффициент корреляции г± от

Мышиный горошек (роювый) Мл У "0.47Х ■+ 75,15 (3) г= 0,75 ±0,08

У = 6.28Х *■ 1,64 (4) г = 0,7В ±0,07

¿я У = 0,69X^23,85 (5) г - 0,56 ± 0,05

РЬ У = 0,04Х + 1,10 (6) т - 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 задлч можно использовать взаимозависимые (обратные) модели. Нами были получены модели зависимости содержания ТМ в почве ог 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 (Y) в зависимости _от накопления их растениями (X) ' _-

Растение Химический Уравнение регрессии Коэффициент

элемент KOfperwtiHH t + пг

Миш!шш1 горошек (р) Мп Y-l.22X-tl.67 (9) г - 0,75 ± 0.0S

Си Y - 0.09Х + 0.03 (10) r = 0,78 ±0,07

Zn Y - 1.07Х + 2,79 СП) r ■ 0.86 s 0,05

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

- СД] Y =■ 0.74Х + 0,03 (13) r-0,86 ±0.05 -

Ni Y-0.15X + U1 (14) r-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 Т»М 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, *¡i

Разброс Среднее значение

Мышиный горошек (розовый) Мп Y - X /1.22 + 9,57 (16) 1-20 8

РЬ Y=>X/13,7+0;94 (17) 2-30 13

CJ Y = Х/0,74 —0,04 (18) 1-31 17

Си Y " Х/0,10-0,32 (19) 1-25 19

Ni Y-X/0,15-8,61 (20) 2-27 19

Zn Y - X /1,07 + 2,61 (21) 3-21 1Ы

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

•Зависимость формирования у|н>жай"эсти многолетних трап от содержания тнжелых металлов в растениях Почвы - это своеобразны!! фильтр на пути аэрального потока ТМ в arpo-ландшафты. Оки способны накапливать ТМ в больших количествах. Подвижные формы ТМ, находящиеся в почвах, формируют резерв питания растений.

влияя на загрязнение сельхозпродукции н 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 ло выявлению зависимости урожайности от содержания кадмия в растениях,произрастающих вдольавтомобильныктраос(табл, 10).

' Таблица 10

Влияние кадмия на урожайность естественных трав в зависимости _от уровня его содержания в растениях_

Растение Содержание СМ к растениях, мг/кг Урожайность

т/га I %

Аеточа.тстра1ь Омск — Гюкатнсх

Костре« 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 9И.0

0.61 3,1 63.0

Химический состав растений X является функцией химического состава ' почвы П, то есть X = Т (П), а урожайность V — функцией химического состава растений, то есть У = ? (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, I).

Рис. Г, 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« - ошимальный уровень содержания элемент фааа г ид- начало и кризис токсического действия элемента. Как следует из рис. 1, связи У = Г (х) не являются линейными функциями.

Дефицит или избыток «жизненно необходимого элемента» наносит вред растительному и животному организму. Поступающие в почву и растения Т\1,

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 вил «плато» (фаза в) нередко с более или менее резкими спадами фаз г и /) ответной реакции в зависимости от химического элемента или его соединения.

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

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

юг № £ И

I 4!Г

а 2<г Д

Кострец

—1-[—|-!-Г Cd.Hr/«

0,2 0,3 0.4 0,5 0,6

ЮТ * ¡¡¡7 С ^

г до1 3 10

М итоге Й горсчте***

~1—I—I—1—Г

0,1 0.3 0.4 0.) 0.«

СЛ. Ы1/&Г

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

Снижение урожайности наблюдается достаточно резко по кострецу безостому: от 4,4 до 2,7 г/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 содержанке С<1 превышает ПДК.

Наши исследования показали, что между содержанием Сй, 2л, РЬ в ' почве (мг/кг) и концентрацией их в сырой массе столовой свеклы (У, мг/кг) существует тесная связь, которая выражается следующими коэффициентами корреляции и уравнениями регрессии (22-25):

У = 0,027 Са + 0,01 г = 0,99 (22)

У - 0,76 * N1 - 0,23 • • ' г = 0,78 (23)

¥ = 0,32^ + 1,85 г = 0,8) (24)

V - 0,094- РЬ ч- 0,035 г = 0,97 (25)

Установлено, что каждый килограмм поступившего С<1, М1, Ъп., РЬ 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,м, по предлагаемой нами формуле (26):

С -С

Д™ Ч (26)

0-1

где Дтм —доза поступившего элемента в почву, кг/га;

Сд и Сф — содержание ТМ в почве у дорог и фоновое содержание; Ь — коэффициент интенсивности действия, мг/кг, t - 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 ситуаиию и затем научно обосновывать приемы преобразования и улучшения агроллндшафгов, загрязненных *ГМ. По полученным данным, ежегодно за счет автомобильных выбросов в придорожные полосы Омской области поступает в среднем по трем направлениям: РЬ —119 кг/га, С(] — 3; ], ' ■

Картографическое отображение результатов "• •

Влияние техногенеза влечет за собой изменение, экологической ситуации, поэтому требуется созлание визуального образа произошедших и текущих-из-менеиий.

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

-•■-.,-Имея информацию о содержанни ТМ в почве и растениях вдоль трассы; при определенном удалении от города и от трассы как источников загрязнения^ нами были построены цифровые модели этихзначений. , " ,

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 ООО. Значимым фактором рассматриваемой системы стала концентрация ТМ при удалении от оси трассы, поэтому вертикальный масштаб (по оси У) принят крупнее—1:4 ООО. ■

Для реализации этой задачи была использована программа Мар!пГо. Полученные изображения антропогенного загрязнения почв и растений ТЫ 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 лать коли чествеиную характер«стику загрязнения Г > V

Прогнозирование размеров придорожных полос земель, экологические ■ опасны* для растениеводства

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

ТМ, -Ь„-8и-а„. (27)

ТМ.-Ья-ТМ.+а,,. (23)

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

Ь)!

В табл. 1 1 приведены расстояния (в м) от оси дороги, вычисленные по формуле (29), ограничивающие экологически онасную зону для растений.

Таблица //

Отобранные образцы растений - Расстояние, м

) РЬ Zn С(1 N1 Си

Кострец 56.3 48,2 79,9 5 и 76.8

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

Мышиный горошек (розовый) | 30.3 - 8,1 52,4 53,8

Ячмень 1 53,0 68,4 57,6 55,5 54,2

Пшеница 1 95.3 210 82,4 89,8 62,3

Пижма | " 87,7 58.5 60,4 633

Тысячелистник 1 - 26.1 61,1 50,3 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 н направлений автомагистралей, что практически не учитывается при сельскохозяйственноч производстве, так как посевные плошали подходят вплотную к границам автомагистралей. Таким образом, обшая площадь загрязненных почв вдоль автомагистралей Омской области по трем исследуемым направлениям составила около 3 ООО га.

Агрономическая, биоэнергетическая и экономическая оценка действии 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 зз счет влияния евнниа при выращивании столовой свеклы в придорожных полосах по направлению Тюкалинского тракта, составило 4 510 МДж, а кадмия при вырашивании картофеля - 3 660 МДж. Урожайность и данных условиях снижается у столовой свеклы на 11 ц/га, а у картофелч,- на 10 ц/га. Экономический ущерб составляет соответственно для столовой свеклы 6 600 руб., а для картофеля - 8 000 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

К Установлено, что содержание всех исследуемых ТМ (Мп, Си, Ъп, РЬ, С<1, N1) в почвах придорожных полос вдоль основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска (Калачинского, Исилькульского и Тюкал «некого направлений) превышает их фоновое содержание. В почвах отдельных полос по некоторым металлам превышает ПДК (РЬ),'0,5 ПДК (7.П, N1) н завиыгг 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~ рал и и сделать вывод о том,что затрязненис почв в исследуемой зоне происходит в большей степени за счет выбросов автомобильного транспорта. Подученная зависимость содержания ТМ в* почве ог расстояния до города указывает на то, что город также является источником загрязнения, причем в большей степени Мп, Си, К(.

3. Впервые дана опенка 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 придо-

- рожных полос увеличивается марганца = на 101}», меди ~ на 9,6, цинка = на 27,' свиниа =5 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 свиниа (4 года) и максимальное - для меди (262 гола), ■ • ,

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 перс-носа от источника загрязнения - автомагистрали, так как полученные в резуль-. тате 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 со-

■ держание 01, РЬ в растениях придорожных полос значительно выше, чем в почвах, и превышает ПДК. Определение КБН указывает на хорошую способность химических элементов погяошаться н 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 ншеницу р мышиный горошек; загрязнение тысячелистника и пижмы осуществляется в большей степени через листовые пла-

* стины, чем через почву. Указанные растения используются человеком в пищу, на корм скоту, в лекарственных целях, чго небезопасно при условии выращивания или сбора их в придорожных земельных отводах.

7. Установлена количественная характеристика предельного содержания химического элемента (ПСЭ) в почве, не представляйте!«' 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, 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 Мар!пК> были получены изображения актропогенного 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 лает 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 плошали часто подходят вплотную к границам автомагистралей.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Выявленные закономерности действия ТМ в системе почва — растение, их количественные характеристики (коэффициент Ь, ПСЭ) и полученные на их основе математические модели для расчета интенсивности загрязнения почв н растений необходимо использовать при агроэкологическо.ч 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 нолей севооборотов, отводов под выпасы,'сенокошение и садоводческие товарищества и нмет^ соответствующую кадастровую оценку.

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

Список работ, опубликованных но теме диссертации

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

2. Пархоменко Н.Л. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях вдоль автомагистралей Омской области/ Ю.И. Ермохин, НЛ. Пархоменко//История,'при-„ рода, экономика: маг. Мсждунар. науч.-пракг. конф,, посвяш. 125-летию Омского рспюн.отд. Рус. географ. об-.ва.^Омск: Изд-воОмГПУ,2002.-С. 211-213. ,

3. Пархоменко.H.A. Антропогенное воздействие на.экологию природной, среды в Омской области / H.A. Пархоменко // Сельское хозяйство Сибири. -2003.-Jfe2.-C. 18-19. „■ - '

4. Пархоменко H.A. Взаимосвязь накопления ТМ в системе почва - растение вдоль автомагистралей Омской области / H.A. Пархоменко // Сельское хозяйство Сибири. - 2003: — 3- - С. S~9:< : .

5. Пархоменко Н.Л. Исследование взаимосвязей накопления тяжелых металлов' в системе «почва - растеннс» при агроэкологнческом мониторинге природной среды вдоль автотрасс / Н.А: Пзрхомснко // Современные проблемы геодезии и оптики;'сб. материалов ХШ мсждунар.-хонф., посвяш. 70-летию СГТЛ, Ч. П. - Новосибирск, 2003.- С, 11-12-

•V-б. Ермохин Ю.И. Установление влияния транспортных магистралей на загрязнение тяжелыми металлами системы '«почва — растение» в придорожной полосе при проведении локального агрохимического мониторинга / H.A. Пархоменко! < Ю.И, Ермохин // Проблемы экологии городов: мат, IV республиканской молодежной научной конференции «ХХ1век: экологическая наука в Ар-. мёнии>>^—Еревант2003*—С. 171-176. - V-

7. Ермохин Ю.И. Исследование взаимосвязей наконлежи тяжелых металлов в системе почва-растение вдоль автомагистралей Омской области / H.A. Пархоменко, Ю.И. Ермохин // Почвы - национальное достояние России: мат. IV съезда Докучаеве кого общества почвоведов. — Новосибирск: Наука-Центр, 2004, — Кн, 2. - С. 306. ... "'•*-.'

Per. № 118. Сдано в набор 07.10.04. Подписано в печать 1К.10.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Иеч. л. 1,0(0,93). Уч.-изд. л. 1,27, Тираж 110 ав. Заказ -2 16 ,* . ■ 1 Издательство ФГОУ ВПО ОмГЛУ. 644008, Омск, ул. Скбаковская, 4, тел. 65-35-18.

Отечагзио в релакиионио-полшрафическом отделе издательства Ф! ОУ НПО ОмГЛУ.

Ш21276

■ч