Экологическая оценка загрязнения фторидами агроэкосистем степной зоны Хакасии

Чагина, Елена Геннадьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологическая оценка загрязнения фторидами агроэкосистем степной зоны Хакасии
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка загрязнения фторидами агроэкосистем степной зоны Хакасии"

На правах рукописи '

Чагина Елена Геннадьевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФТОРИДАМИ АГРОЭКОСИСТЕМ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ХАКАСИИ

03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 ч ПАР 2013

Тюмень-2013

005050674

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им Н. Ф. Катанова» на кафедре агрономии

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Новосибирского государственного аграрного университета Галеев Ринат Раифович

Официальные оппоненты: Соколова Галина Геннадьевна,

доктор биологических наук, профессор, декан биологического факультета Алтайского государственного университета

Турсумбекова Галина Шалкаровна,

доктор сельскохозяйственных наук, доцент, профессор Тюменской государственной сельскохозяйственной академии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «26» марта 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7. Тел/факс: (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан « » февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат с.-х. наук

Литвиненко Наталья Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Республика Хакасия расположена в левобережье верхнего и среднего течения Енисея и является частью Алтайско-Саянской горной провинции. Одной из особенностей данного региона является относительно недорогая электрическая энергия, вырабатываемая Саяно-Шушенской ГЭС. Данное условие формирует относительно привлекательные условия для цветной металлургии, обеспечивающей основную долю загрязнения земельных угодий соединениями F, Al, Na, Са и Mg, среди которых самым опасным для почвы и растений является NaF. На территории республики расположены два алюминиевых завода - Саяногорский (САЗ) и Хакасский (ХАЗ), на долю которых приходится производство более 800 тыс. т алюминия в год.

Во всем мире к алюминиевому производству предъявляют жесткие требования по сокращению фторсодержащих аэровыбросов в атмосферу. Выбросов газообразного фтора, приходящегося на 1 т выплавленного алюминия, допускается до 0,5 кг в форме HF, NaF и пыли - 5 кг. Тем не менее, имеются сведения, что на 1 т произведенного алюминия в атмосферу поступает до 7 кг токсичного фтора (Антонов, 2006).

Известно, что фтор загрязняет в первую очередь атмосферу, а через нее -почву, воду, растения. Накапливаясь в сельскохозяйственных культурах, фтор может приводить к загрязнению последующих звеньев пищевой цепи (Пашкова, 1980). Водорастворимые соединения фтора обладают наибольшей токсичностью, так как они полностью усваиваются организмом. В результате накопления фтора происходит деспергирование почвенной массы, изменение физико-химических свойств почвы и, как следствие, снижение плодородия (Антонов, 1997).

Заметная биологическая активность и высокая токсичность фтора делают актуальным изучение процессов его трансформации в агроценозах. Для решения проблем, связанных с загрязнением пахотных почв фторидами, включая экологическое нормирование, необходимо комплексное изучение поведения фтористых соединений в системе почва - растение, что является крайне важной составляющей для экологически безопасного земледелия региона.

Цель исследований: изучение особенностей миграции фторидов в системе почва-растение и их влияние на почву и сельскохозяйственные культуры при различных уровнях загрязнения агроэкосистем степной зоны Хакасии.

Задачи исследований:

1. Определить влияние разного уровня загрязнения почв фтором на характер миграции и поведение в агроэкосистемах степной зоны Республики Хакасия.

2. Установить влияние водорастворимого фтора на основные показатели плодородия темно-каштановых почв Хакасии.

3. Выявить влияние различных уровней загрязнения почв фтором на продуктивность и качество сельскохозяйственных культур.

4. Определить характер накопления фтора в сельскохозяйственной продукции при различных уровнях загрязнения им почвы.

5. Разработать способы детоксикации фтора в почве.

Научная новизна работы. Впервые в условиях степной зоны Хакасии проведено комплексное изучение влияния различных уровней загрязнения фторидами на основные показатели почвенного плодородия, продуктивность и качество сельскохозяйственных культур. Выявлен характер миграции фтора в системе почва-растение. Рассчитаны коэффициенты концентрации фтора в почве, биогеохимической подвижности фтора в системе почва-растение. Определено влияние органических удобрений на снижение токсичности фтора в темно-каштановых почвах степной зоны Республики Хакасия.

Практическая значимость работы состоит в разработке предложений по использованию почв с различным уровнем загрязнения фторидами для возделывания сельскохозяйственных культур в агроэкосистемах степной зоны Хакасии. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Сельскохозяйственного института ХГУ им. Н. Ф. Катанова при изучении дисциплины «Экология».

Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены значительным объемом фактического материала, трехлетними лабораторными и полевыми экспериментами с применением классических и современных методов исследований и подтверждением их результатами математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Загрязнение почв фторидами снижает плодородие темно-каштановых почв.

2. Высокая концентрация фторидов в почве снижает продуктивность сельскохозяйственных культур и повышает их накоплению в продукции растениеводства.

3. Применение органических удобрений способствует детоксикации фторидов в почве.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2008-2011), «Катанов-ские чтения» (Абакан, 2008-2012), «Аграрная наука - сельскохозяйственному производству» (Барнаул, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

иностранных языках. Работа изложена на 123 страницах, включает 29 таблиц, 13 рисунков и 20 приложений.

Личный вклад соискателя. Диссертационная работа является результатом экспериментальных исследований, проведенных в 2007-2009 гг. Автором поставлен ряд задач исследования, проведены полевые исследования, сбор материала, аналитическая оценка и статистическая обработка данных, анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы диссертационной работы.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Р. Р. Галееву, директору Н. А. Градобоевой и коллективу ФГУ ГСАС «Хакасская», проректору по научной работе и инновациям ХГУ им. Н. Ф. Катанова, кандидату физико-математических наук А. А. Попову, директору сельскохозяйственного института ХГУ им. Н. Ф. Катанова, кандидату педагогических наук Г. А. Ми-нюхиной, заведующей кафедрой агрономии ХГУ им. Н. Ф. Катанова, кандидату сельскохозяйственных наук М. В. Гребенкиной.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЭКОСИСТЕМ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВ ФТОРИДАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В главе описаны основные пути поступления фтора в экосистемы, влияние его на различные виды почв и растения, произрастающие в зоне фторид-ного загрязнения, а также рассмотрены различные способы снижение токсического действия фтора.

2 УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полевые исследования проводились в течение 2007-2009 гг., на опытном станционере акционерного общества «Усть-Абаканское» Усть-Абаканского района, Уйбат-Биджинской степи степной зоны Республики Хакасия. Исследования осуществлялись на темно-каштановых легкосуглинистых почвах, с содержанием гумуса в пахотном слое 2,85%, рН солевой вытяжки 7,7. Агротехника, используемая в опытах, была общепринятой для изучаемых культур в условиях Республики Хакасия.

В опыте №1 изучали влияние фтористого загрязнения на характер изменения основных показателей плодородия темно-каштановой почвы и процессы роста и развития сельскохозяйственных растений: 1. Контроль (без внесения NaF); 2. доза NaF - 100 мг/кг; 2. доза NaF - 500 мг/кг; доза NaF - 1000 мг/кг. Культуры: яровая пшеница (сорт - Кантегирская - 89), овес (сорт -Саян), кукуруза (гибрид - РОСС - 197 АВМ).

В опыте №2 на исследуемых уровнях загрязнения фторидами применяли органические удобрения: а) без орг. удобрений; б) навоз - 50 т/га; в) навоз -100 т/га; г) опилки - 20 т/га; д) солома - 2 т/га. Изучаемая культура - кукуруза (РОСС - 197 АВМ).

Повторность опытов - четырехкратная. Площадь делянки составляла 6 м2. Размещение делянок - рендомизированное.

Полевые эксперименты закладывали по рекомендуемым методикам (Мишустин, 1987; Доспехов, 1985). Для решения поставленной цели в опытах проводили следующие виды анализов и наблюдений:

- отбор проб почвы, растительных образцов осуществляли с использованием общепринятых методов, агрохимический анализ почвенных и растительных образцов выполняли в ФГБУ ГСАС «Хакасская» согласно соответствующим стандартам;

- фтор в растениях и сельскохозяйственной продукции определяли с использованием методических указаний по ионометрическому определению его содержания в растительной продукции, кормах и комбикормах ЦИНАО (М„ 1995);

- биологическую активность почвы определяли аппликационным методом по интенсивности разложения клетчатки (хлопчатобумажного полотна) за вегетационный период (Мишустин, 1987); интенсивность «дыхания» почвенных микроорганизмов определяли по величине эмиссии С02 почвы, используя камерный статический метод (Теппер и др., 1987);

- плотность твердой фазы изучали пикнометрическим методом (Агроклиматические методы исследования почв, 1975), общую пористость и пористость аэрации находили расчетным методом;

- оценку геохимических изменений определяли расчетом коэффициента концентрации загрязняющего вещества (Мажайский и др., 2003);

-переход фтора из почвы в растения определяли коэффициентом биогеохимической подвижности (КПБ) рассчитываемый отношением содержания элемента в сухом веществе растения к его содержанию в почве (Трофимов, Ширкин, 2005);

- густоту стояния растений определяли на 10-й день после формирования густоты и перед уборкой сплошным подсчетом растений;

- площадь листьев рассчитывали по формулам регрессии на основе методики профессора Н. Ф. Коняева (1970);

- фотосинтетический потенциал посевов устанавливали на основе методик по определению показателей фотосинтетической деятельности растений (Ничипорович, 1961), учет продуктивности культур определяли методом сплошной уборки;

- экспериментальный материал обрабатывали статистически по Б. А. Доспехову (1985) с использованием прикладных программ «FieldExpert vl. 3 Pro» (Акимов, 2007), SNEDECOR и MS Excel-2003.

3 ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОРОДИЯ ТЕМНО-КАШТАНОВОЙ ПОЧВЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФТОРИСТОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

3.1 Подвижность фтора в почве. Выявлено, что при изучаемых дозах внесения фторида натрия коэффициент концентрации больше 1, что свидетельствует о накоплении водорастворимого фтора пахотным горизонтом почвы по сравнению с контрольными вариантами, где отмечается фоновый уровень (рис. 1). В первый год исследований величина коэффициента концентрации фтора в почве под яровой пшеницей составила от 4.32 до 13,39 при различных нормах внесения ЫаР. В почве опытных делянок, где возделывали овес, коэффициент концентрации при внесении токсиканта находился на уровне 3,61-14,07. За 2008-2009 гг. наблюдалось снижение величины коэффициента концентрации по всем культурам и вариантам внесения фторида натрия. Наибольшее снижение величины коэффициента концентрации отмечено в почве под кукурузой - 1,66-9,97, при этом и на зерновых культурах зафиксировано снижение показателей коэффициента, однако в меньшей степени.

И контроль (без внесения) в 100 мг/кг о 500 мг/кг ■ 1000 мг/к^

Рисунок 1 - Значение коэффициента концентрации фтора в почве под различными сельскохозяйственными культурами

Исследованиями установлено, что подвижность фтора по почвенному профилю весьма ограничена. Внесение на опытные делянки в дозе 100 мг/кг способствовало повышению содержания водорастворимого фтора в пахотном горизонте близким к пределам ПДК- 10 мг/кг. Внесение 500 мг/кг ШР обеспечивало критический уровень содержания водорастворимого фтора в почве - 12-22 мг/кг. При дозе 1000 мг/кг недопустимый уровень содержания фтора в почве - более 30 мг/кг (рис. 2).

-а- 25

л 20

о С 15

ГО о. 10-

о СО 5

ЯП

0-20 см ! 20-40 см; 40-60 см Яровая пшеница

0-20 см

20-40 см 40-60 см Овес

с£

шш.

0-20 см 20-40 см ¡40-60 см; Кукуруза

□ контроль (без внесения) а 100 мг/кг □ 500 мг/кг а 1000 мг/кг

Рисунок 2 - Изменение содержания водорастворимого фтора по горизонту почвы (среднее за 2007-2009 гг.)

Проведенный корреляционно-регрессионный анализ показал, что содержание водорастворимого фтора имеет сильную положительную достоверную взаимосвязь с дозами фторида натрия, вносимого под различные культуры (табл. 1).

Таблица 1 - Зависимость содержания водорастворимого фтора в почве от

дозы внесения фторида натрия под различные культуры

Культура Уравнение регрессии Коэффициент корреляции, г

Яровая пшеница У= 6,544 + 0,027 * X 0,771 *

Овес У= 3,980 + 0,033 * X 0,816*

Кукуруза У= 2.611 + 0,026 *Х 0,824 *

* - достоверность коэффициентов корреляции при 1о5-2,68

Рассчитанные на основании экспериментальных данных уравнения регрессии дают более полное представление о количественных изменениях в содержании водорастворимого фтора в темно-каштановой почве при внесении различных доз фторида натрия.

3.2 Влияние фтора на физико-механические свойства почвы. Проведенные нами исследования показали отрицательное воздействие ЫаР в темно-каштановой почве на показатели равновесной плотности сложения и пористости. Наибольшее последействие на показатели плотности почвы оказала доза 1000 мг/кг. Даже на 3-й год последействия показатели равновесной

плотности сложения значительно отличались от контрольного варианта. Отклонение от оптимального состояния составляло на посевах пшеницы 0,15 г/см3, кукурузы - 0,12 г/см3. При внесении токсиканта в дозе 100 мг/кг равновесная плотность почвы в год внесения изменялась незначительно. При внесении ЫаР в дозе 500 мг/кг показатель равновесной плотности был выше контрольного на 0,09 г/см3.

В следующие годы последействие ЫаР в почве значительно снижалось, и на 3-й год после внесения показатели равновесной плотности почвы практически не отличались от контрольного варианта. Общая пористость изучаемой почвы находилась в пределах 57,6-59,4 %. Максимальное снижение показателя пористости отмечено на посевах пшеницы в год внесения 1000 мг/кг токсиканта-51,2 %.

3.3 Влияние фтористого загрязнения на изменение содержания гумуса и основных элементов питания в почве. В период проведения исследований отмечали влияние фторида натрия на содержание гумуса в пахотном горизонте. При внесении ЫаН в дозе 100 мг/кг на различных сельскохозяйственных культурах происходило снижение от 0,03 до 0,23%. При использовании более высоких доз фторида натрия (500 и 1000 мг/кг) количество гумуса при возделывании яровой пшеницы снизилось от 0,59 до 1,07%, овса - 0,460,95, кукурузы - 0,47-0,99%.

Содержание нитратного азота в почве в контрольном варианте при возделывании яровой пшеницы за годы исследований снизилось с 11,1 до 8,1 мг/кг, овса - с 12,8 до 9,8 мг/кг, кукурузы - с 12,7 до 10,3 мг/кг При внесении фторида натрия в 1-й год исследований происходило увеличение его количества в почве, при этом максимальное повышение отмечали в вариантах с самым высоким уровнем загрязнения. Однако к 3-му году исследований величина данного параметра снижалась на яровой пшенице до 5,7 мг/кг, овсе -6,5, кукурузе 7,9 мг/кг.

Большое количество фторида натрия в почве способствовало снижению содержания подвижного фосфора на 23,8-27,2%, обменного калия - на 5-9% в зависимости от сельскохозяйственной культуры.

Статистически установлено отсутствие взаимосвязи между содержанием водорастворимого фтора в почве и нитратным азотом при сильной отрицательной связи этого показателя с содержанием подвижного фосфора в почвенном горизонте (табл. 3).

По корреляционной связи водорастворимого фтора с обменным калием в почве под яровой пшеницей сильная отрицательная, а под овсом и кукурузой средняя отрицательная зависимость. Рассчитанные уравнения регрессии способны спрогнозировать величину показателей основных элементов питания в почве под различными сельскохозяйственными культурами при различных уровнях загрязнения агроэкоистем темно-каштановых почв степной зоны Хакасии.

Таблица 3 - Взаимосвязь водорастворимого фтора в почве _с содержанием основных элементов питания_

Культура Уравнение регрессии Коэффициент корреляции, г

Подвижный фосфор

Яровая пшеница У= 101,0+ (-0,71 * X) - 0,856

Овес У= 97,68 + (-0,58 * X) - 0,823

Кукуруза У= 95,19 + (-0.72 *Х) -0,751

Обменный калий

Яровая пшеница У= 322,0 + (-0,67 * X) - 0,727

Овес У= 309,8 + (-0,39 * X) - 0,476

Кукуруза У= 303,3 + (-0,53 * X) - 0,412

3.4. Микробиологическая активность почвы под влиянием фтористого загрязнения. Наиболее активной частью органического вещества почв является микробная масса, которая принимает непосредственное участие в процессах минерализации. Возникающая в почве стрессовая ситуация в результате загрязнения №Р первостепенно влияет на показатели внутрипоч-венной биологической активности. Согласно нашим исследованиям, интенсивность выделения углекислого газа на темно-каштановых почвах в контрольных вариантах пшеницы, овса и кукурузы составляла соответственно в среднем 1,49; 1,65 и 1,77 мл/г в сутки. Загрязнение ШР в дозе 100 мг/кг почвы снижало степень эмиссии С02 на 21-24 % в зависимости от культуры (табл. 4).

Таблица 4 - Продуцирование СОг темно-каштановой почвы

Культура Год Интенсивность выделения С02, мл/г в сутки

контроль (без внесения) 100 мг/кг 500 мг/кг 1000 мг/кг

Яровая пшеница 2007 1,43±0,04 0,98+0,08 0,54+0,03 0,22+0,02

2008 1,49±0,07 1,09+0,06 0,59+0,07 0,25+0,03

2009 1,54+0,03 1,32+0,05 0,65+0,04 0,31+0,04

среднее 1,49+0,05 1,13+0,06 0,59+0,05 0,26+0,03

Овес 2007 1,51+0,06 1,12+0,09 0,51+0,02 0,24+0,02

2008 1,64+0,07 1,21+0,07 0,58+0,07 0,29+0,04

2009 1,81+0,04 1,43+0,06 0,72+0,03 0,33+0,06

среднее 1,65+0,06 1,25+0,07 0,60+0,04 0,28+0,04

Кукуруза 2007 1,58+0,10 1,14+0,12 0,87+0,13 0,27+0,02

2008 1,78+0,08 1,32+0,09 0,94+0,14 0,32+0,05

2009 1,97+0,11 1,55+0,14 1,03+0,12 0,44+0,06

среднее 1,77+0,10 1,34+0,11 0,95+0,13 0,34+0,04

Величина эмиссии С02 па загрязненных почвах в дозе 500 мг/кг снижалась относительно контрольного состояния на посевах пшеницы на 60,6 %, овса — на 63,4 %, кукурузы — на 46,3 %. Самые низкие показатели эмиссии С02 по культурам выявлены на посевах пшеницы - 0,22 мл/г в сутки, что относится к агроцснозам с катастрофическим состоянием. Данный показатель отмечен в варианте с дозой загрязнения 1000 мг/кг почвы.

Максимальная степень разложения хлопчатобумажного полотна в пахотном горизонте отмечена в контрольных вариантах, на посевах кукурузы -37,6 %, на посевах пшеницы и овса 27,4 и 29,2 % соответственно (рис. 3).

При загрязнении почвы в дозе 100 мг/кг отмечено небольшое снижение активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов и, как следствие, снижение процента разложения полотна. Установлено, что разложение льняного полотна снижалось на посевах пшеницы на 53,3 % при загрязнении фтором в дозе 500 мг/кг и на 80,3 % при загрязнении в дозе 1000 мг/кг. На посевах овса и кукурузы величина снижения была также максимальной при загрязнении фтором в дозе 1000 мг/кг - 77,1 и 65,4 %.

4.1 Динамика роста надземной массы и листовой поверхности растений. В росте и развитии изучаемых культур при внесении различных доз фтора период всходов был определяющим. В дальнейшем по характеру роста и развития растения визуально мало чем отличались. Фазы роста и развития культур наступали с учетом сроков всходов. Однако на делянках с поздними всходами, которыми отличались посевы с внесением фтора 500 и 1000 мг/кг, наблюдалось в дальнейшем сокращение межфазных периодов в среднем на 12 дня. Нами установлено, что в период роста и развития растений значительное снижение фотосинтетической поверхности листьев наблюдалось при дозе

О 10 20 30 40

Разложение полотна, %

Рисунок 3 - Интенсивность разложения клетчатки в среднем за 2007-2009 гг., слой почвы 0-30 см (за 60 дней)

4 ВЛИЯНИЕ ФТОРА НА ПРОЦЕССЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ

внесения 500 и 1000 мг/кг. Площадь листьев пшеницы снижалась на 40,9 и 76,1 %, овса - 2,8 и 82,4, кукурузы - на 48,7 и 75,8% соответственно.

4.2 Продуктивность и качество сельскохозяйственных культур. Анализ результатов опытов на пшенице, овсе и кукурузе показал, что значительное превышение ПДК фтора в почве влияет на показатели продуктивности всех изученных культур.

100

г во

5 40

контроль (без 100 мг/кг 500 мг/кг внесения)

Доза внесенного Пар

контрогъ (без внесения)

Доза внесенного На Я

- пшеница -

НСР 05(пшеница)=0,10 т/га; НСР05(овес)=0,17т/га; НСР05(кукуруза)=5,12т/га

Рисунок 4 - Продуктивность сельскохозяйственных культур

Уровень продуктивности в вариантах без внесения фторида натрия составлял 2,4-2,7 т/га зерна пшеницы, 3,1-3,4 т/га зерна овса и 115-126 т/га зеленой массы кукурузы.

Влияние фтора на зеленую массу кукурузы наблюдали начиная с дозы 100 мг/кг, что указывает на высокую чувствительность растений к действию фтора. Потери продуктивности при внесении 100 мг/кг составили 8,7 %, 500 мг/кг - 51,4 %, 1000 мг/кг - 85,8 %.

Установлена сильная достоверная отрицательная зависимость между содержанием водорастворимого фтора и продуктивностью (табл. 5).

Таблица 5 - Взаимосвязь содержания водорастворимого фтора в почве с

Культура Уравнение регрессии Коэффициент корреляции, г

Яровая пшеница У= 2,920 + (-0,05 * X) - 0,893

Овес У= 3,626 + (-0,07 * X) _ - 0,898

Кукуруза У= 127,0 + (-3,62 * X) - 0,872

Рассчитанные уравнения регрессии позволят прогнозировать получение запланированной продуктивности при различном уровне загрязнения фтором темно-каштановой почвы.

Анализ данных питательной ценности урожая изучаемых культур показал, что наличие фтора в почве в различных концентрациях по-разному влияет на изучаемые культуры. Содержание сырого и переваримого протеина

снижалось в вариантах с высокими дозами фтора (500 и 1000 мг/кг). В контрольных вариантах эти показатели составляли 16,6 и 12,9 % в зерне яровой пшеницы, 15,7 и 9,7 % - в зерне овса. В соломе зерновых культур данные показатели были на уровне: сырой протеин - 4,21-5,43 %, переваримый -1,93-2,52 %. Содержание сырого протеина в зеленой массе кукурузы составляло 13,1 %, переваримого - 8,19. С увеличением концентрации фтора в почве негативное влияние на данные показатели усиливалось. Величина снижения содержания сырого протеина в зерне яровой пшеницы при дозе внесения 1000 мг/кг NaF составила 3,9 %, переваримого - 1,6, в зерне овса - 2,9 %. переваримого - 1,5, зеленой массе кукурузы - 1,7 %, переваримого - 0,7 %. Нами установлено увеличение содержания клетчатки в изучаемых образцах с увеличением дозы внесения фтора. Содержание данных показателей при внесении 1000 мг/кг в основной продукции яровой пшеницы составило 5.28 %, овса - 14,5, кукурузы 25,7, в контрольном варианте соответственно 3,71; 12,4 и 22,7 %. На содержание сухого вещества и кормовых единиц, в основной и побочной продукции изучаемых культур, четкой тенденции негативного влияния фтора нами не выявлено.

4.3 Уровень накопления фторидов в основной и побочной продукции. Результаты влияния различных доз фтора на аккумуляцию его в сельскохозяйственных растениях свидетельствуют о том, что содержание его в основной и побочной продукции независимо от дозы внесения токсиканта было в пределах предельно допустимой концентрации (ПДК 20 мг/кг). Содержание фтора в растениях, выращиваемых на контрольных делянках, было на уровне 0,63-0,86 мг/кг. При загрязнении водорастворимым фтором в дозе 100 мг/кг почвы уровень накопления составлял 0,75-1,26 мг/кг, при загрязнении почвы в дозе 500 и 1000 мг/кг на уровне 1,63-4,52 и 2,46-6,61 мг/кг в зависимости от сельскохозяйственной культуры и вида продукции.

По результатам анализа парной корреляции между содержанием водорастворимого фтора в почве и фтора в основной и побочной продукции культур установлена сильная достоверная положительная корреляция (табл. 6).

Таблица 6 - Взаимосвязь водорастворимого фтора в почве _с содержанием фтора в получаемой продукции

Культура Уравнение регрессии Коэффициент корреляции,г

Основная продукция

Яровая пшеница Y= 0,409 + 0,056 * X 0,870 *

Овес Y= 0,745 +0,051 *Х 0,911 *

Кукуруза Y= 0,532 + 0,204 * X 0,892 *

Побочная продукция

Яровая пшеница Y= 0,459 + 0,085 * X 0,994 *

Овес Y= 1,042 + 0,082 * X 0,991 *

* - достоверность коэффициентов корреляции при to5=2,94

При этом уравнения регрессии позволяют спрогнозировать величину содержания фтора в продукции по показателю водорастворимого фтора в почве, что является важным фактором возделывания различных сельскохозяйственных культур в зонах с повышенным содержанием фтора в почвах.

5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИЕМОВ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ФТОРА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

5.1 Влияние приемов детоксикации на содержание фтора и основные свойства почв. В качестве приемов детоксикации фтора в опытах были использованы органические удобрения (навоз в норме 50 и 100 т/га, опилки -20 т/га и солома - 2 т/га). Исследованиями установлено, что после внесения токсиканта содержание его в почве снижалось. Интенсивнее данные процессы проходили в вариантах с использованием органических удобрений. По истечении 3-х лет содержание фтора в почве при максимальном уровне загрязнения 1000 мг/кг снижалось с 32,7 до 23,7 мг/кг при ежегодном применении соломы (2 т/га), до 24,5 - мг/кг при применении опилок (20 т/га), до 22,3 мг/кг при использовании навоза в норме 50 т/га и до 19,6 мг/кг при применении навоза в дозе 100 т/га. Экспериментальные данные показывают, что на опытных делянках с органическими удобрениями значительно улучшились структура почвы и ее физическое состояние.

Микробиологическая активность почвы, изученная аппликационным методом, также показала положительное влияние этих методов детоксикации (рис. 5).

При использовании различных приемов детоксикации (навоз - 50 и 100, опилки - 20, солома - 2 т/га) отмечали увеличение интенсивности разложения клетчатки в пахотном горизонте.

* 30

й 25 -

2 15

контроль

навоз 50 т/га

навоз 100 т/га

опилки 20 солома 2 т/га т/га

Способ детоксикации

- без внесения фтора -

-100 мг/кг

500 мг/кг к 1000 мг/кг [

Рисунок 5 - Влияние способов детоксикации фтора на скорость разложения хлопчатобумажного полотна (60 дней) (среднее за 2007-2009 гг.)

При внесении соломы в норме 2 т/га показатель разложения полотна составлял 39,5 %, опилок (20 т/га) - 40,2, навоза в норме 50 и 100 т/га - 42,4 и 44,7 % соответственно.

5.2 Применение органических удобрений как детоксиканта и их влияние на продуктивность кукурузы. Продуктивность зеленой массы кукурузы тем ниже, чем больше уровень загрязнения. В среднем при фоновом содержании фтора в почве и без применения органических удобрений продуктивность зеленой массы кукурузы составляла 126,4 т/га. Продуктивность культуры при изучаемых способах детоксикации фтора была выше контрольных вариантов при всех уровнях загрязнения ЫаР. Наибольший эффект детоксикации получен при применении навоза в норме 100 т/га: продуктивность кукурузы снижалась при внесении фторида натрия в норме 100 мг/кг не существенно, 500 мг/кг - на 25,1 %, 1000 мг/кг - на 52,8 %.

Анализ химического состава растений показал, что с повышением концентрации фтористого натрия в почве увеличивалось содержание в растениях кукурузы сухого вещества и клетчатки, а также наблюдалось снижение сырого протеина. Наименьшее влияние К'аР на содержание сырого протеина наблюдали при внесении навоза в дозе 100 т/га.

5.3. Поступление фторидов в растения кукурузы при использовании различных приемов детоксикации почв. Анализ данных опыта по снижению токсического воздействия фторида натрия при внесении различных местных органических удобрений свидетельствует, что содержание фтора в растениях кукурузы не зависимо от дозы внесения №Р было значительно ниже предельно допустимой концентрации (ПДК 20 мг/кг).

В вариантах, где не вносили фторид натрия в почву, уровень фтора в продукции колебался от 0,38 до 0,46 мг/кг (табл. 7). Максимальное количество фтора зафиксировано при внесении фтористого натрия в дозе 1000 мг/кг в варианте без органических удобрений (6,61 мг/кг). При этом минимальный показатель 3,79 мг/кг на данном уровне загрязнения отмечен при внесении навоза в дозе 100 т/га.

Таблица 7 — Содержание фтора в зеленой массе кукурузы при внесении _1_различных доз ЫаР в почву (среднее за 2007-2009 гг.)_

№ п/п Вариант Содержание фтора (И) (при натуральной влажности) мг/и

контроль (без внесения ЫаР) 100 мг/кг 500 мг/кг 1000 мг/кг

1 Без орг. удобрений 0,42±0,16 1,26±0,25 4,52±0,20 6,61±0,23

2 Навоз (50 т/га) 0,38±0,09 0,89±0,08 2,76*0,18 4,25±0,16

3 Навоз (100 т/га) 0,34±0,04 0,66±0,11 2,02±0,13 3,79±0,19

4 Опилки (20т/га) 0,39±0,05 1,08±0,06 3,41±0,11 5,22±0,22

5 Солома (2 т/га) 0,46±0,09 1,01±0,07 3,13±0,09 4,87±0,27

Выявлено, что коэффициент биогеохимической подвижности фтора в контрольных вариантах с использованием органических удобрений изменялся от 0,62 до 0,77 при 0,71 в варианте без удобрений. При внесении фтористого натрия в дозе 100 мг/кг наблюдалось повышение коэффициента на всех вариантах до максимального уровня 1,02, который зафиксирован при внесении опилок в качестве детоксиканта. Внесение токсиканта в дозе 500 мг/кг повысило значение его выше 1, при этом максимальный показатель отмечали в варианте без детоксикации (рис. 6).

□ Без орг. удобрений о Навоз (50 т/га)

□ Навоз (100 т/га)

□ Опилки (20т/га) ■ Солома (2 т/га)

1000 мг/кг

Рисунок 6 - Коэффициент биогеохимической подвижности фтора в системе почва-растение при внесении различных органических удобрений

При максимальной дозе (1000 мг/кг) зафиксировано резкое снижение коэффициента биогеохимической подвижности по причине невысокого уровня перехода элемента в растения на фоне высокого уровня содержания данного элемента в почве.

Статистическая обработка экспериментальных данных показала (табл. 8), что между содержанием водорастворимого фтора в почве и фтора в продукции при использовании различных органических удобрений существует сильная положительная взаимосвязь. Данные обработки описаны следующими уравнениями регрессии.

Таблица 8 - Взаимосвязь водорастворимого фтора в почве с содержанием

Вариант Уравнение регрессии Коэффициент корреляции, г

Без удобрений У= 0,496 + 0,206 * X 0,889 *

Навоз 50 т/га У= 0,709+ 0,137 * X 0,875 *

Навоз 100 т/га У= 0,432 +0,150 *Х 0,884 *

Опилки 20 т/га У= 0,594 + 0,173 * X 0.890 *

Солома 2 т/га У= 0,654 + 0,158 * X 0,888 *

: - достоверность коэффициентов корреляции при ^5-2,79

выводы

1. Внесение в почву в различных концентрациях фторида натрия (100 и 500 мг/кг) способствует образованию водорастворимого фтора на уровне критического содержания (10-30 мг/кг), а максимальной дозы (1000 мг/кг) - в величинах недопустимого уровня (> 30 мг/кг). При этом максимальное количество водорастворимого фтора находится в слое почвы 0-20 см, уменьшаясь с увеличением глубины.

2. Высокие концентрации водорастворимого фтора оказывают отрицательное влияние на основные показатели почвенного плодородия. При повышении величины токсиканта происходит увеличение плотности и щелочности почвы; уменьшение ее пористости, микробиологической активности, содержания гумуса и основных макроэлементов (М>К).

3.Ингибирование роста и развития растений яровой пшеницы, овса и кукурузы свидетельствует о существенной фитотоксичности фтора. Максимальное снижение продуктивности яровой пшеницы составило 70,4 %, овса -81,8 %, кукурузы - 87,9 %.

4. Соединения фтора способствуют повышению содержания сухого вещества, клетчатки и снижению сырого протеина в основной и побочной продукции различных сельскохозяйственных культур.

5. Наибольшей устойчивостью растений к внесенному фториду среди изучаемых культур в условиях Республики Хакасия характеризуется яровая пшеница, наименьшей - овес и кукуруза.

6. Аккумуляция фтора в продукции зерновых культур и зеленой массы кукурузы значительно ниже ПДК. Большее его количество накапливается в соломе: яровой пшеницы - до 3,81 мг/кг, овса - до 4,24 мг/кг. В зерне яровой пшеницы и овса обнаруживается по 2,46 и 2,83 мг/кг соответственно. Наибольшее количество фтора накапливала зеленая масса кукурузы - 6,61 мг/кг.

7. Величина коэффициента биогеохимической подвижности фтора в системе почва-растение на яровой пшенице составила 0,07-0,25, овсе - 0,09-0,33, кукурузе - 0,71-1,76 в зависимости от уровня загрязнения почвы.

8. Внесение органических удобрений способствует снижению отрицательного влияния разных концентраций фтора на рост и развитие растений кукурузы; структуру почвы, ее физическое состояние и микробиологическую активность.

9. Наибольший эффект по снижению негативного влияния фтора при разных уровнях загрязнения получен при применении навоза в дозе 50 и 100 т/га, на что указывает снижение коэффициента биогеохимической подвижности до 0,69-1,55 и 0,62-1,34 соответственно.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Галеев P.P., Чагина Е.Г. О накоплении фтора растениями кукурузы при внесении органических удобрений в условиях Хакасии // Мир науки, культуры, образования. 2012. № 4 (35). С. 308-310.

2. Галеев P.P., Чагина Е.Г. Влияние фторидов на продуктивность и качество сельскохозяйственных культур Республики Хакасия // Вестник Алтайского ГАУ. 2012. № 8 (94). С. 38-41.

3. Галеев P.P., Чагина Е.Г. Влияние фтора на продуктивность сельскохозяйственных растений и способы его детоксикации // Вестник Новосибирского ГАУ. 2012. № 4 (25). С. 7-12.

Научные статьи и материалы:

4. Чагина Е.Г. Влияние фтора на технологические свойства зерна яровой пшеницы // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: мат. Ме-ждунар. науч.-практ. конф. Абакан, 2008. С. 168-169.

5. Чагина Е.Г., Анопко Г.А. Продукционный процесс яровой пшеницы при антропогенном загрязнении фтором темно-каштановых почв сухостеп-ной зоны Республики Хакасия // Вузовская наука на службе агропромышленного комплекса Хакасии: сб. науч. ст. Абакан, 2008. С. 40-42.

6. Чагина Е.Г. Особенности продукционного процесса яровой пшеницы и многолетних трав при антропогенном загрязнении фтором темно-каштановых почв сухостепной зоны Республики Хакасия // Юность, наука, культура - XXXIII. Обнинск: МАН «Интеллект будущего». 2008. С. 54-55.

7. Чагина Е.Г., Анопко Г.А. Влияние различных доз фтора на урожайность и уровень накопления фтористых соединений в растениях многолетних трав // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: мат. Между-нар. науч.-практ. конф. Абакан, 2009. С. 205-206.

8. Чагина Е.Г. Влияние фторидов на урожайность сельскохозяйственных культур Республики Хакасия // Молодежная наука 2012: технологии, инновации: мат. Всеросс. науч.-практ. конф. Пермь, 2012. С. 282-283.

9. Галеев P.P., Чагина Е.Г. Способы снижения негативного влияния фторидов на продуктивность кукурузы в условиях Хакасии // Аграрная наука -сельскохозяйственному производству: мат. Междунар. науч.-практ. конф. Барнаул, 2013. С. 428-430.

10. Чагина Е.Г. Влияние фторидов в почве на продуктивность сельскохозяйственных растений // Аграрная наука — сельскохозяйственному производству. мат. Междунар. науч.-практ. конф. Барнаул, 2013. С. 504-505.

Подписано в печать 15.02.2013 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 060. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Чагина, Елена Геннадьевна, Абакан

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «ХАКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Ф. КАТАНОВА»

На правах рукописш?

04201355771

ЧАГИНА Елена Геннадьевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФТОРИДАМИ АГРОЭКОСИСТЕМ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ХАКАСИИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Специальность: 03.02.08 - экология (биология)

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Р. Р. Галеев

Абакан-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................3

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЭКОСИСТЕМ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ

ПОЧВ ФТОРИДАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..........................................................7

1.1. Источники фтора и его токсичность........................................................................7

1.2. Роль фтора в экосистемах................................................................................................10

1.3. Детоксикация почв, загрязненных фтористыми соединениями... 27

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..............32

2.1. Почвенно-климатические условия степной зоны Республики Хакасия..............................................................................................................................................32

2.2. Место и условия проведения исследований......................................................35

2.3. Объекты исследований........................................................................................................38

2.4. Схема опытов..............................................................................................................................40

2.5. Методика проведения исследований......................................................................42

3. ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОРОДИЯ ТЕМНО-КАШТАНОВОЙ ПОЧВЫ

ПОД ВЛИЯНИЕМ ФТОРИСТОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ............................................48

3.1. Подвижность фтора в почве........................................................................................48

3.2. Влияние фтора на физико-механические свойства почвы....... 54

3.3. Влияние фтористого загрязнения на изменение содержания гумуса и основных элементов питания в почве.................... 58

3.4. Микробиологическая активность почвы под влиянием фтористого загрязнения......................................................... 67

4. ВЛИЯНИЕ ФТОРА НА ПРОЦЕССЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ.............................. 72

4.1. Динамика роста наземной массы и листовой поверхности растений ......................................................................... 72

4.2. Продуктивность и качество сельскохозяйственных культур .... 76

4.3. Уровень накопления фторидов в основной и побочной продукции ....................................................................... 80

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИЕМОВ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ФТОРА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ........................................... 84

5.1. Влияние приемов детоксикации на содержание фтора и основные свойства почв.................................................... 84

5.2. Применение органических удобрений как детоксиканта и их влияние на продуктивность кукурузы................................. 89

5.3. Поступление фторидов в растения кукурузы при использовании различных приемов детоксикации почв........................ 95

ВЫВОДЫ........................................................................... 100

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................... 102

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................... 124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Вопрос экологической безопасности всегда актуален на территории любого региона. Токсичные элементы, выбрасываемые в атмосферу побочно предприятиями тяжелой промышленности, цветной металлургии и т. п., с каждым годом повышают экологическую нагрузку региона.

Республика Хакасия расположена в левобережье верхнего и среднего течения Енисея, что является частью Алтайско-Саянской горной провинции. Одной из особенностей данного региона является относительно недорогая электрическая энергия, вырабатываемая Саяно-Шушенской ГЭС. Данное условие формирует относительно привлекательные условия для производства цветной металлургии, обеспечивающей основную долю загрязнения земельных угодий соединениями Б, А1, Са и среди которых самым опасным для почвы и растений является ИаР. На территории республики расположены два алюминиевых завода - Саяногорский (САЗ) и Хакасский (ХАЗ), на долю которых приходится производство более 800 тыс. т алюминия в год.

Во всем мире к алюминиевому производству предъявляют жесткие требования по сокращению фторсодержащих аэровыбросов в атмосферу. Выбросов газообразного фтора, приходящегося на одну тонну выплавленного алюминия, допускается до 0,5 кг в форме НР, №Р и пыли - 5 кг, тем не менее, имеются сведения, что на одну тонну произведенного алюминия в атмосферу поступает до 7 кг токсичного фтора (Антонов, 2006).

Известно, что фтор загрязняет в первую очередь атмосферу, а через нее - почву, воду, растения. Накапливаясь в сельскохозяйственных культурах, фтор может приводить к загрязнению последующих звеньев пищевой цепи (Пашкова, 1980). Водорастворимые соединения фтора обладают наибольшей токсичностью, так как они полностью усваиваются организмом. В результате накопления фтора происходит деспергирование почвенной мае-

сы, изменение физико-химических свойств почвы и, как следствие, снижение плодородия (Антонов, 1997).

Природными источниками фтора являются почвообразующие породы, вулканические газы и термальные воды. Загрязнением техногенного характера является алюминиевое производство наряду со сжиганием угля другой промышленности, работой двигателей внутреннего сгорания, процесса сварки и других технологических операций. Содержание фторидов в верхних слоях почвы может возрастать за счёт длительного применения фторсодер-жащих фосфатных удобрений, пестицидов, загрязненных оросительных вод (Орлов, 1991).

Даже при очень низких концентрациях этот элемент может угнетать или стимулировать ферментативные процессы и взаимодействовать с органическими и неорганическими соединениями организма, что имеет негативные последствия. Химическая активность фтора очень велика, он способен входить в состав многочисленных соединений. Поэтому данный элемент относится к первому классу высокоопасных химических веществ и при повышенных концентрациях оказывает влияние на растения, животных и человека (Гапонюк, 1982).

Заметная биологическая активность и высокая токсичность фтора делают актуальным изучение процессов его трансформации в агроценозах. Для решения проблем, связанных с загрязнением пахотных почв фторидами, включая экологическое нормирование, необходимо комплексное изучение поведения фтористых соединений в системе почва-растение, что является крайне важной составляющей для экологически безопасного земледелия региона.

Задачи исследований:

5. Разработать способы детоксикации фтора в почве.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Загрязнение почв фторидами снижает плодородие темно-каштановых почв.

2. Высокая концентрация фторидов в почве снижает продуктивность сельскохозяйственных культур и повышает их накопление в продукции растениеводства.

3. Применение органических удобрений способствует детоксикации фторидов в почве.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2008-2011 гг.), «Катановские чтения» (г. Абакан, 2008-2012 гг.), «Аграрная наука - сельскохозяйственному производству» (г. Барнаул, 2013).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Список цитируемой литературы содержит 229 наименований, в том числе 37 на иностранных языках. Работа изложена на 123 страницах, включает 29 таблиц, 13 рисунков и 20 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Р. Р. Галееву, директору Н. А. Градобоевой и коллективу ФГУ ГСАС «Хакасская», проректору по научной работе и инновациям ХГУ им. Н. Ф. Катанова, кандидату физико-математических наук А. А. Попову, заведующей кафедрой агрономии ХГУ им. Н. Ф. Катанова, кандидату сельскохозяйственных наук М. В. Гребенки-ной.

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЭКОСИСТЕМ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВ ФТОРИДАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Источники фтора и его токсичность

Элемент фтор является галогеном. Абсолютное большинство галогенов располагаются в биосфере в гранитном слое, и участвуют в транспирацион-ной концентрации. Галогены относятся к типичным электроотрицательным антропогенным элементам. Добавляя электрон, галогены превращаются в большие ионы типа благородных ионов. Фтор относится к электроотрицательным элементам. Химически он чрезвычайно активный, взаимодействующий даже с инертными газами. Фтор энергично мигрирует в гидротермах и водах биосферы в ионной форме, а при вулканизме в газообразной форме (Перельман, 1989).

Загрязнение фтором окружающей среды представляет особую опасность, поскольку он является наиболее токсичным элементом среди загрязняющих веществ, особенно алюминиевого производства. По ГОСТ 17-4-1-02-83 «Охрана природы», фтор относится к 1-му классу высокоопасных химических веществ, загрязняющих почву. Фтор считается более фитотоксичным и опасным по сравнению с другими газообразными компонентами техногенных аэрозолей (окислами азота, сернистым и углекислым газами) (Березин и др., 1991). В аэрозолях фториды содержатся как в виде твердых частиц, так и в газообразном виде, а чаще всего - соединений с кремнием и натрием. Наиболее токсичным является фтористый водород, часто образующийся при распаде фтористых соединений. В почве и растениях фтор присутствует в ионной форме, в связи с этим понятия «фториды» и «фтор» употребляются как взаимозаменяемые термины (Фтор и фториды..., 1989).

В результате вулканической деятельности, в природе, рассеивание фторидов в воздухе происходит, с пылью и каплями морской воды (Гладуш-

ко, 1991; Фтор и фториды..., 1989), главным источником вовлечение фтора в глобальный процесс является промышленная, техногенная деятельность и производство человека (Ковалевский, 1991; Гоголев, Тригуб, 1992; Гладуш-ко, 1991). По данным В. И. Гладушко (1991), в нашей стране техногенные источники вносят в глобальный цикл 78 %, а природные - 22 % фторидов.

Основным техногенным источником загрязняющего фтора является фосфорное сырье, содержащее его в виде слаборастворимых минералов, а также продукты его переработки. Добыча и обогащение фосфорного сырья всегда связаны с локальным загрязнением фторидами прилегающих территорий. Выбрасывание в воздух фтора происходит также при производстве алюминия, фосфорных удобрений, урана, стали, нефтеочистительными предприятиями, кирпичными и стекольными заводами, электростанциями, работающими на каменном угле, распространенными по всему Сибирскому региону, особенно в его промышленных центрах (Фтор и фториды..., 1989; Незавитин, 2010).

Алюминиевая промышленность в нашей стране ответственна приблизительно за 10 % фторидных выбросов (Фтор и фториды..., 1989). Максимально опасными являются комбинаты-гиганты, такие как Иркутский и Братский алюминиевые заводы, в нашем регионе - Саяногорский и Хакасский, в выбросах которых содержится натрий, что связано с использованием криолита (КазАШ6). На 1 т произведенного алюминия выбрасывается до 7 кг Б в форме НР, КаР, пыли, максимальный радиус загрязнения окружающей среды может достигнуть 50 км (Цаплин, 1994).

ПДК (предельно допустимая концентрация) фторидов в воздухе составляет 0,02 мг/м , в чистой питьевой воде - 1,5 мг Б/л, в почвах водорастворимых соединений - 10 мг/кг (Дмитриев и др., 1989). Показатель допустимого предела концентрации валового фтора в почве - 500 мг/кг, критический - 500-1000 мг/кг, и недопустимый свыше 1000 мг/кг (Пендиас, Кабата-Пендиас, 1989).

Вопрос о необходимости фтора для растительных и животных организмов является слабоизученным. Установлено, что в небольших концентрациях фтор оказывает положительное действие на развитие и рост растений.

Абсолютное большинство исследований направлено на изучение высоких концентраций фтора в почвах и растениях, поскольку фтор является одним из самых фитотоксичных элементов, способных оказать губительное действие на процессы метаболизма (Ильин, Сысо, 2001).

Для человека и животных, фтор является незаменимым элементом. Биогенность его действия на организм животного и человека заключается в том, что фторид-ион способен замещать ионы гидроксила в основном фосфате кальция костей, неминерализированных тканях, активном центре ферментов (Авицин и др., 1991).

Согласно данным И. В. Петрухина (1989) ПДК фтора в кормах и растениях, принятыми за рубежом, являются следующие: трава -1,5 мг/кг; корнеплоды - 2,3 мг/кг; сено - 30,0 мг/кг; зерновые корма - 3,0 мг/кг; солома - 15,0 мг/кг. На территории Российской Федерации утверждены другие максимально допустимые пределы: сочные и грубые корма, зернофураж и зерно, корнеклубнеплоды - 20 мг/кг. (Танделов, 2004) Согласно современным гигиеническим нормативам (Минздрав № 2450-81), ПДК фтора в мясных, молочных, хлебобулочных продуктах, овощах и фруктах не должно быть более 2,5 мг/кг, рыбопродуктах - не более 10 мг/кг.

В работе М. Р. Турбиной и А. К. Махнева (1997) установлена максимальная токсичность фтористых соединений для животных и человека. Подобные исследования были неоднократно подтверждены многими авторами и их исследованиями. Большинство работ, посвящено реакции загрязнения фтором древесных видов и сельскохозяйственных культур. Феноменология трансформации лесных и степных фитоценозов под воздействием многолетнего загрязнения изучена достаточно полно, однако отсутствуют данные об уровнях нагрузки экосистем, при которых устанавливаются наибольшие преобразования в различных сообществах.

1.2. Роль фтора в экосистемах

Структура и свойства почвы сильно влияют на способность накопления фтора. Повышение концентрации фтор-ионов в элювиальном горизонте связано с оподзоливанием почвы, главным признаком которого является вынос ионов магния и кальция в нижележащие горизонты почвы (Бабушкина и др., 1993).

В исследованиях Э. И. Гапонюк и др. (1986), поведение фтористых соединений в почвах устанавливается совокупностью химических и физико-химических процессов, главными из которых является ионный обмен, ком-плексообразование, осаждение, т. е. накопление фтора происходит на фоне активной реакции с почвенной массой и сопровождается значительным изменением основных свойств почв и трансформацией поверхностного почвенного покрова. Основная часть поступлений фтора в районах загрязнения происходит в виде растворимых в воде соединений. Закрепляется же фтор в почвах в двойном электронном слое с сопровождением поверхностных координационных связей и в результате образования осадка в виде СаБг- Поглотительная способность почв в диапазоне концентраций от 2 до 100 мг/л по мере ув�

Информация о работе

Чагина, Елена Геннадьевна
кандидата биологических наук
Абакан, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Экологическая оценка загрязнения фторидами агроэкосистем степной зоны Хакасии - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы