Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВ ДЕГРАДАЦИИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ И ПУТИ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВ ДЕГРАДАЦИИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ И ПУТИ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ"

я

-и чоз

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВ ДЕГРАДАЦИИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ И ПУТИ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ

03,00.16. - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Орел - 2006

Работа выполнена на кафедре обшего земледелия ФГОУ ВПО «Орловского государственного аграрного университета» в 2001 - 2004гг.

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Степанова Л.П.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Лысенко H.H. кандидат сельскохозяйственных наук, доиент Сорокоумов С.П. ■

Ведущая организация: ВНИ конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа,

о

Зашита состоится « ^ » 200бгода в часов на засе-

дании диссертационного совета КМ 220.052.01 Орловского государственного аграрного университета по адресу: г. Орел, ул. Генерала Родина, 69, ОГАУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОГАУ по адресу: 302019, г. Орел, ул. Бульвар Победы, 19.

Автореферат разослан « » s -у 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

'¡¡¡н Мякли (L- Макеева Т.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в биосферу поступает большое количество тяжелых металлов техногенного происхождения, значительная часть которых аккумулируется в почве. Для прогноза экологической опасности загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо знать не только масштабы их поступления, но и закономерности их поведения в различных почвенно-геохнмических условиях. Источником самых различных загрязнителей: пыли, ядовитых газов и тл. являются отвалы перерабатывающей промышленности, отработавшие газы автотранспорта, остатки нефтепродуктов (автозаправки), воздействие тяжелой сельскохозяйственной техники на плотность и структуру почвы. Их накопление в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, которое по цепочке может распространяться на значительные территории.

По загрязненности почвенного покрова особенно выделяют промышленные центры. К одному из них в Орловской области относится г.Мценск, где выбросы алюминиевого завода и складирование его отходов составляют почти половину от общего объема отходов по району, что оказывает отрицательное влияние на экологическое состояние биогеоценозов и условия прожигания населения. Большая проблема возникает с деградацией почв, связанная с рекреационными нагрузками, с применением удобрений и пестицидов, с движением сельскохозяйственных машин.

В связи с этим большую актуальность приобретает оценка геохимической характеристики почвенного покрова, подвергающегося техногенному загрязнению. Исследование влияния свойств почв и почвенных процессов на экологическую устойчивость серых лесных почв к деградации для прогнозирования перераспределения веществ н энергии в ландшафте н изменений барьерной и протекторной функции почв.

Цель и задачи исследований;

Цель исследования: установить основные виды и факторы деградации серых лесных почв Орловской области и методы оценки экологического состояния экосистем и степени их деградации под влиянием антропогенных и природных воздействий.

В связи с этим в задачу наших исследований входило:

- установить степень влияния различных антропогенных воздействий (факторов деградации) на экологическую оценку серых лесных почв;

- изучить влияние почвенных н почвообразовательных процессов на экологическое состояние биогеоценозов и их устойчивость к деградации;

- определить численность и видовой состав почвенных беспозвоночных в качестве показателя биотестирования степени деградации земель под влиянием антропогенных воздействий и природных условий;

- показать влияние техногенного загрязнения серых лесных почв на видовой состав и устойчивость растений, накопление в них тяжелых металлов;

- определить формы нахождения и содержания тяжельк металлов в профиле серых лесных почв северной лесостепи в зависимости от региональных особенностей и антропогенных вгялейгтяий-

< РГАУ-МСХА

5 имени К.А. Тимирязева ЦНБ имени Н.И. Желеэнова Фонд научней

- дать комплексную оценку элементного состава и свойств почв для организации и проведения региональных и локальных работ, связанных с мониторингом окружающей природной среды.

Практическая значимость: на основании проведенных исследований установлено содержание тяжелых металлов в почве, растениях, воде, описано видовое разнообразие живых организмов, определены чувствительные и относительно устойчивые к загрязнению виды растений.

Полученная база данных о ходе природного воспроизводства серых лесных почв на техногенно нарушенных территориях может быть использована для обоснования экологической реабилитации антропогенно нарушенных ландшафтов.

Показателем оценки экологического состояния серых лесных почв и степени их деградации под воздействием природных н антропогенных факторов являются валовое содержание и подвижные формы тяжелых металлов, как в верхнем гумусовом слое почвы, так и по всему почвенному профилю, гранулометрический состав, содержание тумуса, величина pH солевой вытяжки, состояние почвенно-поглощзющего комплекса, численность и видовой состав почвеш го-биотического комплекса.

Экологическое состояние системы почвы — растение рекомендуется оценивать видовым составом произрастающих растений, способностью их к аккумуляции тяжёлых металлов и видовой устойчивостью растений к загрязнению почв тяжелыми металлами.

Установленные особенности и выявленные закономерности позволяют на научной основе обосновать приемы и методы сохранения почвенного плодородия, предотвращения загрязнение почв н растительности тяжелыми металлами и получения экологически чистой продукции. Доказано, что применение гумата натрия и цеолита является эффективным приемом снижения техногенного загрязнения почвы и растений.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологий возделывания сельскохозяйственных культур в условиях экологической напряженности.

Научная новизна« Научной новизной работы является оценка экологической устойчивости серых лесных почв центральной лесостепи к воздействию различных антропогенных факторов деградации на примере агропромышленных регионов Орловской области. Установлено, что основными факторами экологической напряженности и изменения геохимического состояния экосистем Орловской области являются отходы металлургической промышленности (солевые алюминиевые отсевы), воздействие выбросов автотранспорта и сельскохозяйственного производства.

По-новому исследовано и изучено при комплексном и разностороннем подходе влияние выбросов алюминиевого завода, загрязняющего действия шлакового отвала на содержание тяжелых металлов в почвенном профиле, растениях и влияние тяжелых металлов на видовое разнообразие живых организмов в зависимости от удаленности объектов исследований от источников загрязнения в эколо-пгческих условиях Орловской области.

В диссертационной работе комплексно рассмотрены вопросы влияния отходов шлаковых отвалов, автотранспорта, рекреационных нагрузок на геохимическую характеристику почвы. Дано научно-практическое обоснование приемов

воспроизводства плодородия серых лесных почв и получения экологически безопаской продукции на техногенно нарушенныхтерриториях. "

Апробация работы. Основные положения диссертации ежегодно {20012006) обсуждались на заседаниях кафедры общего земледелия, на научно практических конференциях ОГАУ. По материалам диссертации опубликовано в соавторстве 7 научных работ.

Структура диссертационной работы: диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, списка литературы (254 наименования, в т.ч. 45 иностранных) и 20 приложений. В работе содержится 31 таблица и 23 рисунка.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю д. с.-х.«., профессору Степановой Л.П. и научному консультшлу д. с.-х.н., заслуженному деятелю науки РФ, директору ГНУ Всероссийского научно-исследовательского конструкторского и проскгно-технологического института органических удобрений и торфа Есъкову Анатолию Ивановичу.

УСЛОВИЯ и МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Да» выполнения поставленных задач нами были выбраны территории природных ландшафтов, испытывающих воздействие различных видов деградации природных н агроэкосиегем.

1. Деградация почв и растений под воздействием шлаковых отсевов Мценского завода МЗАЛ, размещенных на территории п. Думчино. В качестве объекта исследования были выбраны опытные площадки на разной удаленности от шлакового отвала— 50,150, 300,450м. Почва: серая лесная среднемощная сред-негумусная грунте во-глеевая среднссугликисгая на лессовидных суглинках.

2. Автотрасса Москва — Симферополь. Фактор деградации — выбросы выхлопных газов автотранспорта и автозаправочные станции. Для экологической оценки степени загрязнения почв были выбраны опытные площадки в непосредственной близости от автотрассы и на территории поля, защищенного от дороги лесозащитными насаждениями. На исследуемой территории размещается поле с посевами ячменя, где на расстоянии 5м и 50м от автотрассы на опытных делянках отбирали пробные снопы с определением урожайности и качества зерна. Почва опытных разрезов-темно - серая лесная, мощная, среднесуглинисгая.

3. Музей — заповедник «Спасское-Лутовиново» Мценский район. Территория парка и прилегающей к нему территории пашни и автостоянки. Основной фактор деградации — рекреационные нагрузки, обусловленные превышением нагрузки на единицу площади пребывания населения и автотранспорта на территории заповедника и деградацией растительного покрова. Почва опытных участков серая лесная маломощная среднесуглиннстая. Контрольные разрезы были заложены на территории заповедника (возле пруда), на пашне, прилегающей к парку и на территории автостоянки.

4. Заложение почвенных разрезов и отбор образцов по генетическим горизонтам выполнены согласно ГОСТУ 17.4.4.02.84.

5. Па территории пункта 3 - заповедник «Слзсское-Луговиново» был ■заложен полевой опыт на посевах сахарной свеклы с использованием гумата натрия.

Характеристика исследуемы* удобрений. Гумат | N3 представляет собой тем но-корич невый порошок, вырабатываемый отечественной промышленно-

стью из торфа и угля в форме препарата, содержащего 30% растворимых Тумановых веществ (остальное балласт) или 100% растворимого действующего вещества. Реакция препарата щелочная. Препарат не имеет вкуса, запаха, негигроскопичен, не слеживается, хорошо растворим в воде, не является канцерогеном, мутагеном, аллергеном, терагогеном, не обладает эмбриональной токсичностью. Элементарный состав следующий: С-52-62%, Н -1,8-5,8%, 0-30-45%, И- 2-7%

Исследования проводились в соответствии с общепринятыми методиками полевых опытов. Анализы почвенных обращов проведены по соответствующим ГОСТам и методикам, принятым в научных учреждениях. Накопление тяжелых металлов в почве и растениях определяли атомно-абсорбционным пламенно-фотометрическим методом по методике Всесоюзного научно-исследовательского института минерального состава (ЦИНЛО, 1992), Определение микробиологических показателей почвы выполнено с использованием общепринятых в почвоведении и биологин почв методов (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991), биология почв БабьеваИ.П., Зенова Г.М. Определение видового состава растений и фенологические наблюдения по методике Горина А.П. (1986). Математическая обработка данных по методу Б.А. Доспехова(1979).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Влияние выбросов и отходов алюминиевого завода на экологическое состояние окружающей среды (на примере МЗАЛ, п. Думчино). Вокруг крупных предприятий цветной металлурги» образуются сильные техногенные аномалии тяжелых металлов, нередко формируется «техногенная пустыня» — территория сильноэродированная, лишенная верхнего гумусового горизонта, растительности.

Нарушение почвенного покрова, производимые в ходе горнопромышленных, строительных работ, отбрасывают почвенную систему к начальному моменту ее становления, что инициирует целый спектр химических, физических и структурных изменений почвообразования, и формирование почвенного профиля. В связи с этим исследование экологического состояния почв под воздействием факторов деградации является актуальным. Поэтому изучение степени влияния шлакового отвала, автотрассы Москва-Симферополь и заповедника Спасское - Лутовнново с прилегающей к нему территорией автостоянки и пашни на поступление тяжелых металлов в почвы, растения н поверхностные воды мы провозили в зависимости от удаления исследуемых объектов от источника загрязнения.

Мониторинг растительности и взятие проб почвы на содержание тяжелых металлов производились в районе п. Большое Думчино Миенского района на территории, прилегающей к отвалу ишаков АООТ «Цветные металлы и сплавы». В течение 40 лет (с 1963 по 200бгг) на земельном участке производилось складирование аллюминийсодержащкх шлаков. Образовавшийся отвал в настоящее время представляет собой холм высотой 30-40м, сложенный сыпучим материалом.

Интенсивность накопления н миграции тяжелых металлов в профиле серых лесных почв зависит от характера распределения и количества частиц физической глины и илистой фракции. Включение твердых частиц отсевов солевого алюминиевого шлака в почвенную массу и развитие элювиально-

иллювиального типа почвообразования создают условия для проявления специфических признаков в составе и свойствах формируемых почв.

Как видно из данных гранулометрического состава исследуемых серых лесных почв <рис. I) распределение механических элементов в почвенном профиле свидетельствует о развитии элювиально-иллювиального типа распределения веществ. Во всех почвах изучаемых объектов распределение илистой фракции <0,001мм и частиц физической глины <0,01мм происходит следующим образом - вынос ила в нижние, иллювиальные горизонты почвы и накопление в верхних горизонтах частиц крупнее 0,01мм.

Интерес представляют особенности распределения и содержания механических элементов а профиле почвы в непосредственной близости от источника загрязнения. Так, отмечено увеличение в содержании частиц крупной пыли в слое 0-10см, количество которых достигало 70,4%. Это свидетельствует о включении в почвенный профиль механических частиц алюминиевых отсевов, накапливаемых в шлаковом отвале и переносимых на поверхность почвы с ветровым потоком и дождевыми и талыми водами.

удаленность 50м А — горизонт 0 - 10см Б - горизонт 40 - 50см

удаленность 450м А1 - горизонт 0 - 10см Б! - горизонт40-50см

Рис. I. Гранулометрический состав серых лесных почв в зависимости от удаленности источника загрязнения

Гранулометрический состав в профиле серой лесной почвы неоднородный, он изменяется от легкосуглинистого до тяжелосуглинистого и легкоглн-инстого по профилю почвы, что определяет разные фильтрационные свойства и наличие геохимических барьеров.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что включение твердь|х частиц отсевов солевого алюминиевого шлака в почвенную массу и развитие элювиально-иллювиального типа почвообразования создают условия для проявления специфических признаков в составе и свойствах формируемых почв.

Так серые лесные почвы, расположенные в близи шлакового отвала, характеризуются средне и сильнокислой средой по всему профилю (рН 4,3 -4,5). Содержание подвижных форм фосфора очень низкое 4,5мг, обменного калия высокое—42,5 мг на 100г почвы, гумусированность почвы на глубине О-30 см составляла 2,01- 2,8%. При большей удаленности от источника загрязнения отмечается изменение реакции почвенной среды до слабокислой и близкой к нейтральной - рН 5,4 - 6,0, увеличивается при этом сумма обменных оснований с 8,0 до 24,0 мг-эквЛООг почвы. Снижается величина гидролитической кислотности, степень насыщенности основаниями возрастает от 81,6 до 94,8%. На расстоянии 150- 450м от отвала в серых лесных почвах наблюдается увеличение подвижных форм фосфора до 14,8 -24,7мг, количество обменного калия остается таким же высоким 20,0 — 50,0 мг на 1 (Юг почвы.

Серые лесные почвы, расположенные вблизи шлакового отвала, характеризуются средне и сильнокислой средой по всему профилю (рИ 4,3 - 4,5). Содержание подвижных форм фосфора очень низкое, обменного капия высокое, гумусированность почвы на глубине 0-30 см составляла 2,01- 2,8%. При большей удаленности от источника загрязнения отмечается изменение реакции почвенной среды до слабокислой и близкой к нейтральной, увеличивается сумма обменных оснований, снижается величина гидролитической кислотности, степень насыщенности основаниями возрастает от 81,6 до 94,8%.

Особенности гумусонакогтления и физико-химические свойства серых лесных почв во многом определяются степенью воздействия солевых алюминиевых отсевов, накапливаемых в шлаковом отвале.

Солевые алюминиевые отсевы, хранящиеся в отвалах, являются основным источником таких основных элементов, как алюминий, калий и натрий, и причиной загрязнения окружающей среды металлами - токсикантами: как медь, молибден, иинк, никель, кобальт, кадмий, свинец.

Миграция веществ в почвенном профиле и ландшафтах во взвешенном состоянии в значительных размерах проявляется при образовании делювиальных или аллювиальных потоков. Одновременно отметим, что в этой форме могут мигрировать различные соединения, представляющие минералогический состав гранулометрических фракций и различные продукты техногенного загрязнения, представленные или в форме частиц размером >0,001 мм, или вошедших в состав исходных минеральных, органоминеральных ft органических соединений почвы в результате тех или иных форм сорбции. Миграции в виде истинных и коллоидных растворов принадлежит основная роль в передвижении веществ в почвенном профиле при развитии почвообразовательного процесса, иными словами, формирование профилей всего разнообразия почв.

Аккумуляция тяжелых металлов и их распределение по профилю почв зависит от интенсивности ми фации веществ в почвенном профиле и свойств почв.

Как видно из рисунков 2, 3, 4, 5 характер распределения валовых форм металлов по профилю почвы подтверждает развитие элювиально-иллювиального типа почвообразования и миграцию их в таких формах как взвешенная форма с частицами более 0,001мм и в истинно растворенной форме и коллоидной форме. Так, в непосредственной близости от источника загрязнения в условиях сильнокислой среды по всему профилю наблюдается энергичная миграция таких металлов, как цинк, медь, свинец, никель. Однако, наибольшее содержание этих металлов отмечается а верхнем слое почвы 010см разреза 1 (удаленность 50м), для которого характерно накопление взвешенных частиц алюминиевых отсевов в этом слое почвы с фракцией крупной пыли.

Распределение исследуемых металлов в нижних горизонтах почвы подтверждается характером распределения почвенных частиц илистой фракции и гумусированностью почвы.

Количество подвижных форм меди, цинка, никеля, кобальта и свинца резко уменьшается в сравнении с валовым содержанием этих металлов в почвах. Так в непосредственной близости к источнику загрязнения количество подвижных форм меди, цинка, свинца составляет 55,7-76,2% от валового содержания этих металлов. При большей удаленности от источника загрязнения не только уменьшается валовое количество указанных металлов, но и резко снижается их подвижность. Из этого следует, что почвенные условия в непосредственной близости к отвалу способствуют переходу тяжелых металлов в подвижные формы, что представляет экологическую опасность для животных и человека.

Си эдоленность 50 м. Сч эдоленкость 150 и.

-----Пол&и * ...лр «орпы

Рис. 2. Распределение меди по профилю серых лесных почв на территории шлакового отвала п. Думчино

—---— Поймите Формы

Рис, 3, Распределение цинка по профилю серых лесных почв на территории шлакового отвала п. Думчино

и

Рис. 4, Распределение свинца по профилю серых лесных почв на территории шлакового отвала п. Думчнно

N1 удаленность 50 м.

удаленность 150

>■1 » »г* я я

n1 ядалбч ть 300 м. к1 удаленность 450 м,

Валовые ^оомы

— — — Под&ихыьсе ФОРМЫ

Рис* 5, Распределение никеля по профилю серых лесных почв на территории шлакового отвала п. Думчино

Проведенный химический анализ воды, накапливающейся в траншее, вокруг шлакового отвала, показал, что содержание марганца, натрия, аммиака, хлоридов, нитратов, нитритов, и микробиологические показатели превышают предельно допустимые концентрации для таких соединений в поверхностных водоемах.

Сравнительный анализ растений показал, что на всей территории Дум-чиненого отвала наблюдается превышение МДУ в содержании тяжелых металлов во всех видах исследуемых растений.

По накоплению в растениях металлы располагаются в ряд в порядке убывания концентрации N1, 2п, С<1, РЪ, Си, По аккумуляции тяжелых металлов растения образуют ряд: пырей ползучий, подорожник большой, пастушья сумка, тысячелистник обыкновенный. В качестве видов - индикаторов могут быть использованы пырей ползучий, тысячелистник обыкновенный (относительно устойчивые виды), подорожник большой (чувствительный вид).

Перестройка в структура почвенных беспозвоночных, являющихся индикаторами деградации почв к загрязнения их тяжелыми металлами, происходит с изменением источника загрязнения и свойств почв. Перестройка в сообществе беспозвоночных под влиянием шлакового отвала происходит следующим образом: увеличение валового содержания тяжелых металлов и их миграционной способности в почвах в непосредствен ной близости к отвалу вызывает резкое сокращение коллембол и клещей » снижение их видового разнообразия. В непосредственной близости от шлакового отвала численность коллембол в 3 раза ниже количества коллембол при большем удалении от отвала (табл. I).

На территории, удаленностью 450м от шлакового отвала, по сравнению с территорией непосредственной близости, общая численность мзкрофауны была в 2,5 раза больше. В комплексе беспозвоночных, в обоих вариантах исследования, преобладали дождевые черви.

Население крупных почвенных беспозвоночных на территориях в непосредственной близости и удаленных от источника загрязнения представлено одними и теми же массовыми видами. Различия между этими вариантами исследования проявляются в численности группировок ледобионтов и отдельных видов люмбрнцид. Общая численность махрофауны вблизи отвала в 2,5 раза ниже, чем на почвах под многолетними травами с удаленностью 450м от отвала. В распределении большинства беспозвоночных по глубине проявляется тенденция к уменьшению их обилия в каждом из нижележащих горизонтов (табл. 2).

Таблица t

Видовой состав н численность микроорганизмов по вариантам исследований

Группа Доикыарукшшй вил Думчняский отвал Автотрасса Mot ква-Сииф( рололь За повеяв кк Спасское ~ Л утовн я ово

150м 450м ÎM i $вн территория парка пашня автостоянка

" ШЖШШб/ - UW" ■' Ш4 "m.....—тш" 284 7 —ГОЛ- .....~m

L И. Manubíalis ~?«+5Г* ~'Щ2+ГОГ - - • -

2. Jswovs Roíabihs - lï46tlïi 1192+45,5 -

3. Pswdûsmeiia alba - - - • » -

4.¿tenaj>homra Kuadrispinf - - - - -

í>, Protaphtmnra amata - - - ■■■ rnj+W" - -

i>. Lepioocvrtus cyaneus - - • - -

7, Immturuseleprás - - - - - « + 1U

-"■■ --шиш Н31 ^•"тг"" .......4öH...... ......MS " 1477t .....J7Í7J— Í067

OpuùQmttôbt 1744+17 г "Ш+Э7Г nmm' —ТЩ?Г~ 12747"'-' .........ш...... ■

1. Teclocephcui vela fus "Stt+ii"' - "If 97* ПО"' —977ГС - - -

1 Oosmochthonius i anata "400+4Í,м • - 8Í+H • - •

i. hiethon&ates pvnctum '542+Sî - ¿I+U 3ÔU + ÏW "2ô7j+a;7" •

Üribariclst sp - T5TÏ+WT" - -

Hypochtomus rotubus • "ШИГУ" ■ -

S. Mucobsws monodáctilos - - - ¿lÍfc+66,4 • -

¡'амазооые 99 '—577...... 1145 ......'"■' .........m.....™ ¿42

1 .Arelhoseus cetratus ïï4+ti>" 11 Т75+ТВ —133+14'-- "ТЩГ -

¿Veieae exigus • —TTö^l fi" " " - »

î.Roaaecarus iSWstis - - Е55+5Т" - - *

4Persamastjs pjis^uHanim • - - - '"w+irr"' -

Í.Aypoascis acuititór - - - - !OT—

Астигматические —155 — " МИ1 -m± w" ......"4Ш" ""Vît

1 .tyrophmJ perniciosus ' Sl+7 " • - - • - -

2. sWíbea tama - - - - -

3.ÜVPP0TO3SP. - T85f±!5V - • - -

í.Shweibta »tpa • - ■ • * -

S.ùlyciphaB» domestícus > - - "бад+ш

¡ром6и0иформные LTrombidiponnes sp 2.Nanweh3eítM sp. "" "Ï3..... —' ЧП" 300+31 Tí" "' .... ц.„. ■■ "$53 Ш + 41,6 950 ........ 83Î + 41.7 - ...

Berro мякроаргропо/! Ш IM ¡«г i ии ""ïJÛïï™

I

Распределение макрофауны по вариантам исследований

Таблица 2

ВИДЫ Ду мчи некий отвал Автотрасса Москва-Симферополь Заповедник Спасское - Лутовиново

150м 450м 5м 50м территория парка пашня автостоянка

Большой красный выползок 0 0,34 ±0,24 0 0 0,88 + 03 0,75 + 034 0,25 ±0,15

Пашенный червь 21,9 + 3,4 57,4 + 7,7 0,88 + 0,4 1,5+0,56 16,6+.2,2 9,6+1 5,75 ±1,1

Малый красный червь 0 0,63+0,17 0 0 1,+ 0,33 0,38 ±0,17 0

Молодые черви 7,88+1,7 ¡,3 + 0,6 0,25 + 0,15 0,25 ± 0,23 5 + 1,7 3,12+0,9 0,75+0,23

Всего червей на гл. 0-30 29,6 + 4,1 59^ + 7,7 1,3 ±0,4 1,75+0,6 22 + 3,9 14,5 ±1,5 6,6 ±1,3

Личинки б/п 4,4+1,3 5,3 ±1,1 0,5 + 0,25 0 8,4 + 1,7 1,5 ±0,4 138 + 0,56

Многоножки 0 0 0 0 0,25 + 0,15 0 0

Всего особей на гл. 0-30 33,6+4,9 65,1 7,7 1,63 + 0,4 1,88 + 0,7 30,6 + 3,8 1б± 1,5 8,38 ±1,4

Влияние выбросов автотранспорта на экологическое состояние окружающей среды (на примере автотрассы Москва - Симферополь).

В профиле темно-серых лесных почв, защищенных от автотрассы лесозащитными насаждениями, распределение фракций механических элементов в гранулометрическом составе несколько изменяется. Так, преобладающей фракцией является фракция средней пыли, содержание которой в профиле составляет 34,2-39%, а также фракция мелкого песка - 25,5-20,9%, количество частиц крупной пыли в профиле этих почв почти в 2 раза меньше, чем их количество в составе темно-серых лесных почв в непосредственной близости от автотрассы. При этом характер распределения фракции ила и ее количество остается примерно одинаковым в почвах выбранных объектов - это элювиально - иллювиальный тип распределения веществ, обусловленный развитием лессиважа, чему способствуют более влажные условия почвообразования за счет воздействия лесных насаждений, и проявлением оподзоливания. Гранулометрический состав в профиле почвы остается постоянным легкоглинистым.

В темно-серой леской почве наблюдается изменение гранулометрического состава под действием, как природных факторов почвообразования, так и факторов деградации почв под действием антропогенного вмешательства. Так, в профиле почвы, находящейся в непосредственной близости от автотрассы верхние горизонты претерпели значительные изменения в составе фракций механических элементов и гранулометрическом составе. Так, в слое почвы 0-18 см содержание физической глины составило 31,8%, что характеризует среянесугл инистый состав почвы, а в почве, защищенной лесополосой от автотрассы содержание частиц менее 0,01 мм достигало, 52%, что характеризует легкоглинистый состав почвы. При этом в профиле темно-серой лесной почвы, находящейся вблизи автотрассы отмечено перемещение фракции ила на глубину 40-50см из верхней части профиля почвы, что обусловлено, как проявлением процесса лессиважа, так и механической деградацией почв. Гранулометрический состав этого горизонта оценивается как тяжелосуглинистый.

Темно-серая лесная почва характеризуется ниже среднего содержанием гумуса на участке вблизи автотрассы (3,66%) и большей гумусированностью (4,6%) на участке, защищенном лесополосой. Степень насыщенности основаниями высокая 97,5 — 98,7%, реакция почвенной среды близкая к нейтральной.

Содержание валовых форм тяжелых металлов и их распределение е профиле почвы, доказывает влияние выбросов автотранспорта на загрязнение почвы.

Суммарный коэффициент накопления исследуемых металлов в подвижной форме по величине наибольшим был установлен в почвах вблизи автотрассы 3,5 и менялся по профилю до 2,5 на глубине 20-30см и 3,8 на глубине 40-50см.

В почвах, защищенных лесополосой, величина суммарного коэффициента накопления была в 1,5 раза ниже, чем величина коэффициента накопления в почвах вблизи автотрассы.

Максимальная концентрация свинца зарегистрирована в верхнем (018см) слое почвенного профиля, где его валовое содержание составляет

40мг/кг в непосредственной близости и 32 мг/кг за лесополосой, что превышает ПДК в обоих случаях. Наблюдается снижение РЬ с углублением по профилю почвы. Содержание валового № в разных слоях примерно одинаковое, но ни в одном пункте не обнаружено содержание этого элемента выше ПДК (рис.

Величина коэффициента концентрации валовой меди по профилю почвы практически не изменяется и составляет 2,8 в верхнем горизонте почвы и 2,6 на глубине 50см, это свидетельствует о миграции меди по профилю почвы

Содержание цинка по профилю почвы изменяется незначительно, коэффициент концентрации составляет 1,8 в пахотном слое, 2,3 на глубнне20-30см и 1,3 в слое 40-50см.

Интерес представляют данные о распределении никеля по профилю почвы. Если в пахотном слое коэффициент концентрации составил 1,1, то на глубине 40-50см он вырос до 1,7, что подтверждает высокую миграционную способность этого металла в среде, насыщенной основаниями.

В почвах защищенных от дороги лесополосой, коэффициент концентрации металлов ниже на несколько десятых единиц по всем металлам, так коэффициент концентрации свинца ниже в 1,3 раза в сравнении с коэффициентом концентрации в почвах вблизи автотрассы, количество подвижных форм меди, цинка и свинца составляет 55-79% в сравнении с валовым содержанием этих металлов в почвах. В почвах, защищенных лесополосой, количество подвижных форм цинка, никеля и свинца снижалось, но при этом возрастала концентрация подвижных форм меди.

6,7)

104

Си

?л

№

рь

ПДК валовая форма ПДК подвижная форма

Рис. 6. Содержание валовых н подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое темно-серой лесной почвы (удаленность 5 м)

*ео

Г7ДК валовая форма ПДК подвижная форма

Рис. 7 Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое темно-серой лесной почвы (удаленность 50 м)

Воздействие автотранспорта и защитных лесных полос на перестройку в структуре почвенных беспозвоночных проявляется в том, что численность сообщества падает и упрощается его структура вблизи автотрассы, лесозащитные насаждения обусловливают увеличение численности коллембол и клещей и усложнение структуры сообщества. На пахотных серых лесных почвах с высоким эффектом накопления тяжелых металлов от выбросов автотранспорта, численность коллембол была в 4 раза ниже, чем на почвах с меньшим коэффициентом суммарного накопления тяжелых металлов под действием защитных лесополос (табл. 1).

Почвы участка, защищенной лесополосой, характеризуются высокими показателями биологической активности почвы, целлюлозораз латающей способности, определяемая по степени снижения веса льняного полотна за вегетационный период, составляла 65%, что почти в 2 раза превышало активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов на участке почвы вблизи автотрассы. Интерес представляют данные по интенсивности разложения льняного полотна, она в почти 1,7 раза была выше на участках защищенных лесополосой. Урожайность ячменя вблизи автотрассы составила 25,5ц/га, на участках поля, защищенных лесополосой, урожайность ячменя достигла 27,8и/га.

Таким образом, исследование урожайности и качества зерна ячменя в экологически неустойчивом агроландшафте, обусловленные воздействиям выбросов автотранспорта, показало не только изменение состава и свойств темно-серых лесных почв, но и колебания в урожайности зерна ячменя и его качества. Высокая биологическая активность почвенной бноты на участках за лесополосой обеспечивает благоприятные условия роста и созревания зерна ячменя.

Агроэкологическая оценка техногенного загрязнения серых лесных почв заповедной зоны «Спасское - Лутовиново» и эффективность использования на них биологически активных веществ.

Почвы территории заповедника представлены хорошо гумусированними серыми лесными почвами с содержанием гумуса 4,4-4,7%, близкой к нейтральной реакции почвенной среды и высокой насыщенностью основания-ми(94,5%).

Содержание агрономически ценных агрегатов 10-0,25мм п почвах заповедной зоны изменяется следующим образом: в верхнем 0-20см гумусовом слое их количество достигло 79%, а в подгумусовом слое содержание агрегатов уменьшилось до 72,0%. Агрегатный состав пахотных почв претерпевает значительные изменения.

На территории пашни содержание агрономически ценных агрегатов а пахотном слое составило 69,0%, а в подпахотном снизилось до 50%.

Серые лесные почвы, расположенные на пашне характеризуются средне кислой средой рН по всему профилю. Содержание подвижных форм фосфора и обменного калия среднее. Гумус ированность низкая 1,8%.

В серых лесных почвах на территории автостоянки содержание гумуса и величина емкости поглощения практически не изменяются в сравнении с пахотными почвами. В пахотных серых лесных почвах величина гидролитической кислотности в 1,6 раза превышает значения кислотности в почвах на автостоянке. Интенсивность механических обработка серых лесных почв и низкая гумусированность приводят к значительному изменению в агрегатном составе пахотных серых лесных почв и, как следствие, снижению пористости и увеличению плотности, что является фактором изменения интенсивности аккумуляции и миграции веществ в профиле почв.

В гранулометрическом составе исследуемых почв в верхних горизонтах преобладает фракция крупной пыли (48,6-53,2%), что обусловливает низкую устойчивость структурных агрегатов к механическому воздействию и низкую поглотительную способность. Гранулометрический состав в профиле почвы не однородный, он изменяется от среднесуглннистой в верхнем горизонте до тяжелосуглинистого и легкоглинистого в нижней иллювиальной части профиля почвы.

На территории заповедника содержание валовых и подвижных форм свинца, меди, цинка, никеля не превышает ПДК. Валовое содержание меди изменялось от 16-20мг\кг в профиле почвы, содержание цинка колеблется от 50 в верхнем горизонте до 58мг/кг на глубине 50-60см, Отмечено некоторое перераспределение никеля в профиле почвы, а именно вниз по профилю его количество возрастает с 25мг/кг в верхнем гумусовом горизонте до 41мг/кг в иллювиальном горизонте на глубине 50-б0см. некоторое увеличение количества валового свинца наблюдается в иллювиальной части профиля серых лесных почв.

Отмеченные закономерности подтверждаются величинами суммарного коэффициента накопления тяжелых металлов в профиле почвы, он изменялся от 1,6 в верхней части до 3,6 в иллювиальном горизонте. Эта закономерность характеризует элювиально — иллювиальный тип распределения веществ в профиле серых лесных почв (табл. 3).

Таблица 3

Суммарный коэффициент накопления_;_-"'

Разрез, глубина Хс валовая форма 2с подвижная форма

территория заповедника ■ ■■

7(2-12) 2,2 2,9

7(12-22) 1,3 2,1

7(22-32) 2.1 4,3

7 (50-60) 3,6 6,1

пашня

8(0-20) 0,6 6,9

8(20-30) 1,0 0,8

8 (30-40) 1,2 3,3

8(50-60) 1.6 2,9

стоянка автотранспорта

9(0-10) 2.3 18,2

9(10-20) 1,7 5.3

9 (20-30) 6,7

9 (30-40) 1,3 2,3

9X50-60) 1,2 11,3

В профиле серых лесных малогумусированных почв пашни величина суммарного коэффициента накопления была в 2,5-3 раза ниже величины коэффициента накопления валовых форм тяжелых металлов в сравнении с почвами заповедника, но и в этом случае характер распределения веществ остается прежним, то есть носит элювиально-иллювиальный характер.

В серых лесных почвах территории автостоянки коэффициент суммарного накопления металлов самый наибольший в верхнем 10см слое почвы, он составил 2,3 за счет большего содержания валовых форм меди н цинка. При этом наибольшим перераспределением в профиле почвы характеризуются соединения никеля.

По величине суммарного коэффициента накопления подвижных форм тяжелых металлов в профиле исследуемых серых лесных почв автостоянки значительно возрастает количество подвижных форм меди, никеля, евмнца и кадмия в гумусовом горизонте, в почве пашни в пахотном слое возрастает количество никеля и меди. Величина коэффициента суммарного накопления подвижных форм тяжелых металлов в серых лесных почвах заповедной зоны составила 2,9 ея , в почвах пашни 6,9 ед„ а на территории автостоянки 18,2 ел.

В серых лесных почвах заповедника «Спасское - Лутовиново» установлена самая высокая численность и видовое разнообразие в сообществе беспозвоночных. Общая численность мелких почвенных членистоногих на территории парка составляла 17649. экз\м2. с преобладанием клешей вида орибатнд и коллембол с преобладанием вида РпЛарНогага агтата и ДгоЮуа по(аЬШ$. Поскольку почвы заповедной зоны не подвергаются антропогенному воздействию, показатели их свойств можно принять за фоновые показатели при осуществлении мониторинга (табл. 1).

Распределение макрофауны по трем объектам заповедника «Спасское -Лутовиново», видно, что общая численность сильно отличается друг от друга.

Так на участке заповедника численность в 3,7 раза больше, чем на автостоянке, и в 1,9 раза, чем на пашне (табл.2).

Валовое содержание тяжелых металлов и миграционная активность подвижных форм ТМ в профиле серой лесной почвы имеет следующий вид по исследуемым объектам: заповедник «Спасское — Лутовино-во») <паш ня<автотрасса<автосгоянка<шлаковый отвал (п. Думчнно).

Эколого-экономическая оценка размещения шлаковых отходов АООТ «цветные металлы и сплавы», лесозащитных насаждений и применения биологически активных веществ на деградированных серых лесных почвах. Анализ экологического ущерба, наносимого земельным ресурсам, представленным серыми лесными почвами, на территории хранения шлаковых отвалов показал, что стоимость изымаемых земель составляет 162 тыс. рублей. За период с 1956 года и по настоящее время размер компенсационных выплат за изъятие земель составит 1,01 млн.рубдей в год.

Создание санитарнозалцитной зоны в радиусе от отвала 160,7 м. и посадка на ней древесно-кустарниковой растительности будет способствовать стабилизации ландшафта и уменьшению загрязнения почв.

Расчеты экономической эффективности защитных придорожных лесных полос показали, что с увеличением урожайности ячменя, возрастает рентабельность на 15,97% в сравнении с территориями, незащищенными лесными насаждениями.

Применение биологически активных веществ на сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на деградированных пахотных серых лесных почвах обусловливает рост и урожайности и рентабельности производства на 11,6%

ВЫВОДЫ

1. Впервые дана оценка экологической устойчивости серых лесных почв центральной лесостепи к воздействию различных антропогенных факторов деградации на примере агропромышленных регионов Орловской области. Установлено, что основными факторами экологической напряженности и изменения геохимического состояния экосистем Орловской области являются отходы металлургической промышленности (солевые алюминиевые отсевы), воздействие выбросов автотранспорта н сельскохозяйственного производства.

2. Доказано, что солевые алюминиевые отсевы, хранящиеся в отвалах, являются основным источником таких основных элементов, как алюминий, калий и натрий, и причиной загрязнения окружающей среды металлами - токсикантами: как медь, молибден, цинк, никель, кобальт, кадмий, свинец.

Выбросы автотранспорта являются источником загрязнения и накопления в серых лесных почвах вблизи автотрасс таких тяжелых металлов, как медь, цинк, свинец, валовое количество которых превышает фоновые показатели» 1,8-2,8 раза.

Использование минеральных удобрений и пестицидов способствуют накоплению в пахотном слое серых лесных почв подвижных форм меди, никеля, свинца и кадмия

3. Интенсивность накопления и миграции тяжелых металлов в профиле серых лесных почв зависит от характера распределения и количества частиц физической глины и илистой фракции. Включение твердых частиц отсевов

солевого алюминиевого шлака в почвенную массу и развитиеэлювиально-иллювиального типа почвообразования создают условия для проявления специфических признаков в составе и свойствах формируемых почв.

Основными причинами изменений в гранулометрическом составе исследуемых темно-серых лесных почв вдоль автотрассы Москва-Симферополь являются механическая деградация почв, обусловленная строительными работами, и влияние стока дождевых и талых вод в придорожных кюветах, загрязненных продуктами сгорания топлива в автотранспорте.

Интенсивная механическая обработка серых лесных почв н изменения в агрегатном составе пахотных и подпахотных горизонтов приводят к снижению пористости и увеличению плотности.

Гранулометрический состав в профиле серой лесной почвы неоднородный, он изменяется от легкосуглинистого до тяжелосу глин истого и легкоглинистого по профилю почвы, что определяет разные фильтрационные свойства и наличие геохимических барьеров.

4. Интенсивность накопления тяжелых металлов в профиле серых лесных почв зависит как от характера источника загрязнения, так и свойств исследуемых почв. В почвах, прилегающих к шлаковому отвалу, величина суммарного накопления валовых и подвижных форм тяжелых металлов достигает максимума в непосредственной близости к отвалу.

В темно серых лесных почвах, подвергающихся воздействию выбросов автотранспорта, накопление тяжелых металлов в пахотном горизонте изменяется как в зависимости от удаленности источника загрязнения, так и от влияния лесозащитных насаждений: величина суммарного коэффициента накопления валового содержания тяжелых металлов снижалось в 2 раза на участке, защищенном лесозащитными насаждениями. Величина суммарного коэффициента накопления подвижных форм свинца, меди, цинка, никеля в почвах составила 3,6 со. в непосредственной близости от автотрассы и снижалась в 1,Зраза на почвах, защищенных лесополосой. Валовое содержание тяжелых металлов и миграционная активность подвижных форм ТМ в профиле серой лесной почвы имеет следующий вид по исследуемым объектам; заповедник «Спасское — Лутовиново»<пашня<автотрасса<автостоянка<шлаковый отвал (п. Думчино).

5. Перестройка в структуре почвенных беспозвоночных, являющихся индикаторами деградации почв и загрязнения их тяжелыми металлами, происходит с изменением источника загрязнения и свойств почв. Перестройка в сообществе беспозвоночных под влиянием шлакового отвала происходит следующим образом: увеличение валового содержания тяжелых металлов и их миграционной способности в почвах в непосредственной близости к отвалу вызывает резкое сокращение коллембол и клещей и снижение их видового разнообразия.

Воздействие автотранспорта и защитных лесных полос на перестройку в структуре почвенных беспозвоночных проявляется в том, что численность сообщества падает и упрощается его структура вблизи автотрассы, лесозащитные насаждения обусловливают увеличение численности коллембол и клещей н усложнение структуры сообщества. На пахотных серых лесных почвах с высоким эффектом накопления тяжелых металлов от выбросов автотранспорта, численность коллембол была в 4 раза ниже, чем на почвах с меньшим ко-

эффициентом суммарного накопления тяжелых металлов под действием защитных лесополос.

6. Население крупных почвенных беспозвоночных на территориях в непосредственной близости и удаленных от источника загрязнения представлено одними и теми же массовыми видами. Различия между этими вариантами исследования проявляются в численности группировок педобионтов и отдельных видов люмбрицкд. Общая численность макрофауны вблизи отвала в 2,5 раза ниже, чем на почвах под многолетними травами с удаленностью 450м от отвала. В распределении большинства беспозвоночных по глубине проявляется тенденция к уменьшению их обилия в каждом из нижележащих горизонтов.

7. В серых лесных почвах заповедника «Спасское - Лутовиново» установлена самая высокая численность и видовое разнообразие в сообществе беспозвоночных. Общая численность мелких почвенных членистоногих на территории парка составляла 17649. экз\м2. с преобладанием клещей вида орибатнд и коллембол с преобладанием вида Рго1арЬогига аптша и по1аЬШз. Поскольку почвы заповедной зоны не подвергаются антропогенному воздействию, показатели их свойств можно принять за фоновые показатели при осуществлении мониторинга.

8. Показателем оценки экологического состояния серых лесных почв и степени их деградации под воздействием природных и антропогенных факторов являются валовое содержание к подвижные формы тяжелых металлов, как в верхнем гумусовом слое почвы, так и по всему почвенному профилю, гранулометрический состав, содержание гумуса, величина рН солевой вытяжки, состояние почвенно-поглощаюшего комплекса, численность и видовой состав почвенно-биотического комплекса.

Экологическое состояние системы почвы - растение рекомендуется оценивать видовым составом произрастающих растений, способностью их к аккумуляции тяжелых металлов и видовой устойчивостью растений к загрязнению почв тяжелыми металлами.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

На основании полученных данных, которые свидетельствуют о необходимости улучшения экологической обстановки в районе исследований, предлагаем:

1. Полученная база данных о ходе природного воспроизводства серых лесных почв на техногенно нарушенных территориях может быть использована для обоснования экологической реабилитации антропогенно нарушенных ландшафтов.

2. Экологическое состояние системы почвы — растение рекомендуется оценивать видовым составом произрастающих растений, способностью их к аккумуляции тяжелых металлов и видовой устойчивостью растений к загрязнению почв тяжелыми металлами.

3. Применять системный экологический подход к геохимической характеристике почвенного покрова антропогенно нарушенных территорий.

4. Создание безотходного технологического производства.

5. Разработать методику приемов и способов утилизации отходов металлургической промышленности, использование их удобрительных свойств в сельском хозяйстве.

6. Обеспечить создание защитных лесонасаждений как вдоль дорог, так и вблизи территории отходов производства.

7. Применять на пахотных землях биологически активных вещества, улучшения роста и развитие растений для ослабления влияния химического загрязнения.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Степанова Л,П„ Яковлева Е.В., Ноздрина С.И., Степанова Е.И, Устойчивость системы почва- растение к техногенному воздействию отходов производства //Эколого — экономические аспекты развития растениеводства в рыночных условиях. Орел, 2002. С. 234,

2. Степанова Л.П., Яковлева Е В. Видовая устойчивость растений к техногенному загрязнению почв//Экология ЦЧО РФ - 2003 -Ла1 - С.7-9.

3.Парахин Н.В., Степанова Л.П., Яковлева Е.В. Экологическая оценка содержания тяжелых металлов в серых лесных почвах, растениях и поверхностных водах в зависимости от удаленности источника загрязнения //Геологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами/Мат. международной науч.-пракг. конф,— Тула, 2003.-С. 125-140.

4.Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Блинников В.И., Тяпкина А.П., Блинников A.B. Влияние выпаса копытных животных на некоторые физические показатели почвы и ее обитателей //Проблемы сохранения и восстановления диких копытных животных в Центральном регионе России /Издательство ОРАГС - Орел. 2003. С. 153-158.

5.Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Догадина М.А, Агрозкологическая оценка эффективности применения цеолитов и ОСВ в зернопропашном севообороте и их влияние на свойства почвы //Биологические основы современной агрономии. Орел, 2004, С, 38-41.

6. Яковлева Е.В. Содержание тяжелых металлов в растениях в условиях техногенного загрязнения /Биологические основы современного агрономии. Орел, 2004. С. 117-120.

7. Степанова Л.П., Яковлева Е.В. Агрозкологическая оценка техногенного загрязнения серых лесных почв заповедной зоны «Спасское • Лутовино-во» и эффективности использования на них биологически активных веществ //Пути повышения устойчивости сельскохозяйственного производства в современных условиях: /Мат. Всероссийской науч.-практ, конф. - Орел, 2005, -С. 432-438.

Издательство ОрелГАУ, 2006, Орел, Бульвар Победы, 19. Заказ 12/1.Тираж 100 экз.