Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Биогеохимические особенности тяжелых металлов в системе почва-растение при интенсивной антропогенной нагрузке в условиях Алтайского Приобья

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Завалишин, Сергей Иванович, Барнаул

/

/

алтаискии государственный аграрный

университет

На правах рукописи

ЗАВАЛИШИН Сергей Иванович

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКЕ В УСЛОВИЯХ АЛТАЙСКОГО

ПРИОБЬЯ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки рф, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Л.М. Бурлакова; кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Г.Г. Морковкин

Барнаул -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Условия почвообразования, объекты и методы исследований 7

1.1. Условия почвообразования и почвенный покров исследуемых зон 7

1.2. Характеристика современного состояния загрязнения почв 16

1.3. Объекты исследований 18

1.4. Методы исследований 26 Глава 2. Особенности профильной миграции тяжелых металлов в черноземе выщелоченном при наведенном загрязнении *н... .*/ о • 28

■ ■"Л у г-V--.

2.1. Особенности профильной миграции -и ■ аккумуляции свинца в черноземе выщелоченном при наведенном загрязнении 31

2.2. Особенности профильной миграции и аккумуляции меди в черноземе выщелоченном при наведенном загрязнении 38

2.3. Особенности профильной миграции и аккумуляции кадмия в черноземе выщелоченном при наведенном загрязнении 43

2.4. Особенности профильной миграции и аккумуляции никеля в черноземе выщелоченном при наведенном загрязнении 47

Глава 3. Особенности биологического поглощения тяжелых

металлов в условиях наведенного загрязнения 52

3.1. Особенности биологического поглощения тяжелых

металлов растениями 52

3.2. Особенности биологического поглощения свинца 59

3.3. Особенности биологического поглощения меди 66

3.4. Особенности биологического поглощения кадмия 73

3.5. Особенности биологического поглощения никеля 79 Глава 4. Особенности поведения тяжелых металлов под воздействием приемов мелиорации и некоторые аспекты возможности использования загрязненных почв 85

4.1. Влияние орошения на перераспределение тяжелых металлов в профиле почв 85

4.2. Влияние известкования на изменение подвижности меди и накопление ее растениями 100

4.3. Некоторые аспекты возможности использования почв, загрязненных тяжелыми металлами 103

Выводы 105

Литература 107

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных экологических проблем настоящего времени является вовлечение в биосферный круговорот высокотоксичных и высокоустойчивых химических веществ, в том числе и тяжелых металлов, повышенные концентрации которых могут привести к подавлению деятельности различных биологических систем, к снижению их устойчивости и продуктивности (Ушаков, Ушакова, 1991). Вовлекаясь в биологический круговорот, попадая в системы почва-растение-человек, почва-растение-животное-человек, тяжелые металлы могут оказывать значительное негативное влияние на здоровье людей (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991).

Уже сегодня существуют территории, почвы которых в сильной степени загрязнены рядом тяжелых металлов и не могут использоваться для возделывания продовольственных и кормовых культур (Ильин, Степанова, 1982; Глазовский, 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Минеев, 1990; Ильин, 1991; Глазовская, 1994)

По данным Л.М. Бурлаковой, Г.Г. Морковкина (1992), Т.А. Пудовкиной (1999) в пригороде г. Барнаула имеются территории с содержанием в них тяжелых металлов, превышающих ПДК. Исходя из этого, оценка развития растений на загрязненных почвах, возможности аккумуляции ими тяжелых металлов, изучение их профильной миграции и аккумуляции, а также поиск путей детоксикации почв имеет реальный практический интерес.

Важность данной проблемы предопределила цель настоящей работы.

Цель исследований. Изучить биогеохимические особенности профильной миграции и биологического накопления Pb, Си, Cd, Ni, их влияние на продуктивность культур звена зерно-кормового севооборота, в условиях наведенного загрязнения.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач.

Задачи исследований:

1. Изучить особенности миграции и аккумуляции тяжелых металлов в профиле черноземной почвы при наведенном загрязнении.

2. Изучить особенности биологического накопления тяжелых металлов при различных уровнях загрязнения.

3. Выявить особенности поведения тяжелых металлов под воздействием орошения.

4. Определить возможные пути детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Научная новизна. Впервые для черноземов Алтайского Приобья выявлено влияние различных уровней загрязнения на характер накопления свинца, меди, никеля, кадмия в культурах звена зерно-кормового севооборота (пшеница и люцерна) их влияние на продуктивность культур, рассмотрены особенности миграции РЬ, Си, Сё, № в профиле черноземных почв умеренно-засушливой колочной степи Алтайского края, а также при орошении черноземов лесостепи.

В диссертационной работе выдвигаются следующие защищаемые положения:

1. Загрязнение черноземных почв умеренно-засушливой степи Алтайского края РЬ, Си, № и Сс1 выше 1 ПДК создает условия повышенного их выноса культурами зерно-кормового севооборота (пшеница, люцерна), снижает урожайность яровой пшеницы и люцерны.

2. Загрязнение черноземных почв на второй-третий год приводит к перераспределению свинца и меди в нижележащие горизонты и за пределы метрового слоя почвы.

Практическая значимость работы. Выявлены пределы загрязнения почв тяжелыми металлами, при которых происходит загрязнение продукции растениеводства и снижение урожайности сельскохозяйственных культур. Обосновано положение опасности орошения почв в условиях повышенного содержания тяжелых металлов вследствие возможного выноса их за пределы

почвенного профиля и повышения содержания в продукции, относительно неорошаемых почв.

Автор благодарен научным сотрудникам и аспирантам кафедры почвоведения и агрохимии С.А. Довбыш, В.И. Овцинову, И.В. Никулину, О.В. Кузнецовой, Т.Э. Шпис за помощь в проведении совместных экспериментов.

Особую признательность автор выражает научным руководителям - заведующей кафедрой почвоведения и агрохимии, заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, академику, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой и доценту, кандидату сельскохозяйственных наук Геннадию Геннадьевичу Морковкину за внимание, консультации и поддержку на протяжении всей работы над диссертацией.

ГЛАВА 1

УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ И ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ

ИССЛЕДУЕМЫХ ЗОН

Исследования проводились в зоне черноземов засушливой и умеренно засушливой степи Алтайского края в подзоне обыкновенных черноземов умеренно засушливой и колочной степей и в зоне выщелоченных черноземов и темно-серых лесных почв средней лесостепи.

В геоморфологическом отношении район исследования расположен в пределах центральной ступени аккумулятивной равнины Алтая (Занин, 1958). Равнинная часть Алтайского края относится к Обь-Иртышской синек-лизе, выполненной толщей мезокайнозойских отложений песчано-глинистого состава с преобладанием глин (Бейром и др., 1958). Палеозойский фундамент лежит на глубине 1000 - 1400 м. В северо-восточном направлении глубина залегания палеозойского фундамента сокращается до 400 - 500 м. В верхнечетвертичное время восточный склон Обь-Иртышской синеклизы претерпел поднятие, в результате чего образовались Приобское плато и Бийско-Чумышская возвышенность (Герасимов, 1940).

Подзона обыкновенных черноземов умеренно засушливой и колочной степей расположена на Приобском плато (левобережье р. Оби). Ложбинами древнего стока и долинами рек Алея и Чарыша плато рассечено на ряд вытянутых с юго-запада на северо-восток водораздельных увалов с террасированными склонами, прорезанных долинно-балочной сетью. Абсолютные высоты увалов плато колеблются от 200 до 300 м, террасированных склонов от 130 до 190 м (Почвы Алтайского края, 1959).

Почти на всем протяжении Приобское плато сложено песчано-глинистыми отложениями, перекрытыми толщей лессовидных суглинков

I

четвертичного периода, мощностью 15 - 40 м (Почвы Алтайского края, 1959).

На большей части зоны почвообразующими породами служат лессовидные суглинки. В приборовых частях почвы формируются на древнеаллюви-альных супесях и песках. Лессовидные суглинки характеризуются высоким содержанием фракций крупной пыли (0,05 - 0,01 мм) и, следовательно, слабой связностью, поэтому легко подвергаются размывающему действию воды (Почвы Алтайского края, 1959).

Территория характеризуется глубоким (более 10 - 20 м) и непостоянным залеганием грунтовых вод; на террасированных склонах глубина залегания не превышает 10 м. Грунтовые воды, в основном пресные и только на террасированных склонах р. Алей и северной части р. Оби они в значительной степени минерализованные.

По агроклиматическому районированию изучаемая подзона относится к теплому, недостаточно увлажненному району (Агроклиматические ресурсы..., 1971).

Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 160 - 170 дней, абсолютный минимум температуры достигает - 53°С, средняя из наибольших декадных высот снежного покрова за зиму равна 30 -40 см, наибольшая глубина промерзания - 265 см. Безморозный период длится 110 - 115 дней. Сумма активных температур воздуха за период с температурой выше 10 °С равна 2000 - 2200 °С, сумма осадков за этот же период составляет 225 - 250 мм, ГТК равен 1,2 - 1,0. Агроклиматические условия перезимовки озимых удовлетворительные.

Вегетационные периоды лет исследований, за исключением 1997 в целом характеризовались достаточно высоким увлажнением по сравнению со среднемноголетними данными (табл. 1).

Таблица 1

Среднесуточные температуры и осадки в годы проведения исследований (по данным Барнаульской AMC).

Показатель Декада Май Июнь Июль Август

Осадки, мм I 11 15 21 20

средние много- II 12 16 24 17

летние III 14 18 22 15

1995 год I 24 28 27 15

II 15 21 9 16

III 7 15 64 26

1996 год I 6 16 35 0

II 8 20 3 8

III 25 49 29 33

1997 год 16 3 6 29

II 15 13 8 11

III 0 13 20 24

Среднесуточные I 8,5 15,0 19,0 17,5

температуры, °С II 10,5 16,5 19,5 16,5

средние много- III 13,5 18,0 19,0 15,0

летние

1995 год I 11,8 13,1 23,2 20,2

II 12,1 14,0 20,0 21,0

III 13,4 17,8 18,1 14,8

1996 год I 11,6 14,5 19,8 20,6

II 12,6 18,4 23,2 13,6

III 12,0 19,2 21,8 12,1

1997 год I 12,2 16,0 19,9 21,3

II 11,0 16,1 20,1 18,5

III 18,6 19,6 17,4 14,5

В 1997 году только август характеризовался повышенным увлажнением по сравнению со среднемноголетними данными. Наибольшее количество осадков за вегетацию выпало в 1995, а наименьшее в 1997г.

Следовательно, лучшие условия для профильной миграции тяжелых металлов были в 1995 и 1996 годах.

Суммы температур выше 10 °С во все годы исследований превышали среднемноголетние данные как в начале вегетации, так и во второй ее половине. Наиболее теплым был 1997 год.

Малое количество осадков в 1997 году и высокие температуры вызвали снижение гидротермического коэффициента (ГТК) (табл. 2). В остальные годы ГТК больше среднемноголетних показателей.

Таблица 2

Агрометеорологические показатели вегетационных периодов лет исследований (по данным Барнаульской AMC)

Годы Осадки, мм Ет>ю°с ГТК

V-VI V-VIII V-VI V-VIII V-VI V - VIII

1995 110 267 835,4 2041,3 1,32 1,31

1996 124 232 895,0 2039,9 1,39 1,14

1997 60 158 953,6 2102,5 0,63 0,75

Среднемног. 86 205 743,0 1842,0 1,16 1,11

В настоящее время территория Алтайского Приобья почти полностью распахана, естественная растительность сохранилась лишь в неудобных местах. До распашки была представлена богатой разнотравной типчаково-ковыльной ассоциацией. В подзоне значительное распространение березовых колков. Колки приурочены, как правило, к западинам и понижениям. К северу и северо-западу увеличивается облесенность и процент лугового разнотравья (Почвы Алтайского края, 1959).

Основными почвами подзоны умеренно засушливой и колочной степи Алтайского края являются черноземы обыкновенные и выщелоченные. Пер-

вый подтип преобладает на широкоувалистых равнинах, второй - в более пониженных местах и на склонах увалов, исключая южные экспозиции.

В пределах подзоны наблюдается некоторая неоднородность по мощности гумусового горизонта в одних и тех же почвенных разностях. Наиболее часто встречаются черноземы обыкновенные и выщелоченные с мощностью горизонта (А + АВ) 40 - 50 см. Распространены, в основном, малогумусные и слабогумусированные почвы со среднеарифметическим содержанием гумуса не выше 4,63 % и ниже 4 % в верхнем горизонте (Бурлакова, Рассыпнов, 1990).

Почвы зоны характеризуются слабощелочной и нейтральной реакцией среды. В пахотном слое рНв 6,6 - 6,7, в карбонатно-иллювиальных горизонтах - 7,3 - 7,6. Выщелоченные черноземы характеризуются свободными от карбонатов гумусовыми горизонтами. Они встречаются в горизонте ВС на глубине не менее 20 см от гумусового. Гранулометрический состав выщелоченных и обыкновенных черноземов в основном среднесуглинистый, реже -легко- и тяжелосуглинистый, отличающийся повышенным содержанием крупнопылеватой и иловатой фракций. При этом содержание крупной пыли и песка больше в средне - и меньше в тяжелосуглинистых черноземах, но содержание илистых частиц в последних более высокое (Почвы Алтайского края, 1959).

В составе крупных фракций (0,05 - 1 мм) преобладают кварц (39 %) и полевые шпаты (26 %). В илистую фракцию входят гидрослюды и монтмориллонит (Трофимов, 1967).

Выщелоченные и обыкновенные черноземы обладают удовлетворительной водопроницаемостью (Бурлакова, Татаринцев, Рассыпнов, 1988). Водный режим складывается благоприятно для растений только в годы с достаточным количеством атмосферных осадков в вегетационный период (Бурлакова, Рассыпнов, 1990).

В подзоне обыкновенных черноземов умеренно засушливой и колочной степи наши исследования проводили в учхозе АГАУ «Пригородное» и в

совхозе «Барнаульский». В исследования были вовлечены черноземы выщелоченные.

Зона выщелоченных черноземов и темно-серых лесных почв средней лесостепи расположена в области Бийско-Чумышской увалистой равнины и древних террас р. Оби (правобережье р. Оби или Заобье). Абсолютные высоты местности - 250 - 400 м. Равнина увалистая, увалисто-холмистая с глубиной расчленения рельефа 50 - 70 - 100 м. Сильно выражена овражная и балочная сеть (Почвы Алтайского края, 1959).

Материнскими породами почв служат лессовидные суглинки, а в местах, прилегающих к борам, почвы формируются на древнеаллювиальных отложениях легкого механического состава (Карманов, 1965).

Грунтовые воды на водоразделах залегают на глубине 20 - 25 м, на террасированных склонах - на глубине 5 - 10 м и по днищам балок и оврагов они выклиниваются на поверхность и ведут к заболачиванию местности (Почвы Алтайского края, 1959).

Территория характеризуется высокой водопроводимостью пород, наличием только пресных подземных вод. В зоне аэрации преобладают суглинки и супеси мощностью 20 - 100 м, с поверхности лессовидные (Акуленко, 1989).

По агроклиматическому районированию зона выщелоченных черноземов и темно-серых лесных почв средней лесостепи относится к умеренно теплому и достаточно увлажненному району (Агроклиматические ресурсы ..., 1971). Среднее годовое количество осадков 425 - 500 мм. Длина вегетационного периода 115-125 дней. Сумма активных температур выше 10 °С колеблется в зоне от 1900 до 2075 °С, гидротермический коэффициент равен 1,4 -1,2. По сравнению со степной зоной лето менее жаркое, зима же менее суровая. Средняя высота снежного покрова достигает 50 - 60 см. Почва промерзает на глубину 1,0 - 1,5 м. Ветер сильно перераспределяет снег по элементам рельефа, что ведет к более глубокому промерзанию почвы на малоснежных возвышенных участках (Агроклиматические ресурсы ..., 1971).

Характеристика средних многолетних температур, осадков и агрометеорологических показателей для зоны приведены в табл. 3 и 4 (Агроклиматический справочник..., 1957). Этот агроклиматический район характеризуется как более увлажненный, по сравнению с теплым недостаточно увлажненным районом. Суммой активных температур > 10 °С районы слабо различаются. Высокое увлажнение способствует увеличению показателя ГТК.

Таблица 3

Средние многолетние температуры и осадки (по данным метеостанции

г. Бийска)

Показатель Декада Май Июнь Июль Август

Осадки, мм I 19 20 28 27

II 20 21 28 26

III 20 23 28 24

Температуры, °С I 8,1 15,6 19,1 18,0

II 10,7 17,1 19,4 16,7

III 13,3 18,4 18,8 15,2

Таблица 4

Средние многолетние агрометеорологические показатели (по данным

метеостанции г. Бийска)

Осадки, мм 1Т>10°С ГТК

У-У1 V - VIII V - VIII V-VI V - VIII

104,0 265,0 764,3 1870,3 1,36 1,42

В зоне средней лесостепи создаются условия для более глубокого, чем в зоне степи, промачивания почвенного профиля, что способствует более интенсивной профильной миграции тяжелых металлов.

Естественная растительность представлена злаково-разнотравными луговыми степями и березовыми лесами, в основном, по склонам северной экспозиции увалов. Больше облесена северо-восточная часть зоны.

Растительный покров сильно изменился под влиянием сельскохозяйственной деятельности человека. Естественные луговые степи почти полностью ра