Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛАНДШАФТОВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОГО ЛАНДШАФТА ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ ОКСКОГО БАССЕЙНА)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛАНДШАФТОВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОГО ЛАНДШАФТА ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ ОКСКОГО БАССЕЙНА)"

На правах рукописи

ГУСЕВА Татьяна Михайловна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛАНДШАФТОВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОГО ЛАНДШАФТА ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ ОКСКОГО БАССЕЙНА)

Специальность: 03.00.16 — Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва — 2001

Работа выполнена в Рязанском сельскохозяйственной академии им профессора П А Костычева

Научный руководите |ь — член-корр РАСХН, доктор технических наук, профессор Бочкарев Я.В.

Научный нонсучыпаит - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Мажанский Ю.А.

Официальные оппоненты •

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мерзлая Г.Е.

кандидат сельскохозяйственных наук Максименко 15.11.

Ведущая организация - Рязанский научно-исследовательский проектно-технологическии институт АПК

Защита диссертации состоится '21 " ноября 2001 г в"^ "часов на заседании диссертациош юго совета Д 220 043 03 в Ч учебном корпусе Московской сельскохозяйственной академии имени К А Тимирязева

Адрес 127550, Москв I И-550 I нмирязевская ут , 49 Ученый совет МСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСКА

Автореферат разослан 2001 г

Ученый секретарь I/ . 7

диссертационного совета ВАК 1ин

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В условиях напряженной экологической обстановки, когда биосфере угрожает опасность со стороны тяжелых металлов (ТМ), данной проблеме уделяется особое внимание. Это актуально и для Рязанской области, подверженной значительному техногенному воздействию.

бассейна, но важнейший компонент ландшафта - вода не получает должного внимания. Поэтому экологическая оценка ландшафта бассейна р. Оки, оценка загрязнения' ТМ ' системы «почва - вода - биота» приобретает особую актуальность.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - оценка загрязнения ТМ ландшафта левобережья Окского бассейна и разработка экологически обоснованных предложений, способствующих снижению антропогенной нагрузки. -

Для достижения поставленной цели предусматривалось ' решение следующих задач: '

• оценить опасность загрязнения ТМ почвы и сельскохозяйственной продукции ландшафта Окского бассейна, на основе проведения исследований на территории экологического полигона;

• • выявить уровень загрязнения ТМ поверхностных и грунтовых вод модельного ландшафта; - ■ .

• • определить степень загрязнения ТМ донных отложений водного объекта, находящегося на территории экополигона и провести его гидробиологическое исследование; ' * '

• исследовать в лизиметрическом опыте влияние уровня загрязнения ТМ почвы на качество сельскохозяйственной продукции и грунтовых вод;

• на основании проведенных исследований, оценить экологическое

Почти вся территория Рязанской области находится в пределах Окского

состояние ландшафта і ев

Моск. сольс:;о<оз. академии им. К. А. Тимирязева

• разработать систему мероприятий по чту чтению жожн ической ситуации на подверженных загрязнению ТМ ландшацмах водосборных территории

Научная новизна В работе впервые изучена и оценена степень загрязнения ТМ андшафта левобережья Окского бассейна, рассмотрены процессы миграции и накоплении по 11ютантов в системе «рочва-вода-растение» Проведен модельный лизиметрический опыт но изучению влияния уровня зафязнения ТМ почв, типичных для Мещерской низменности, на качестзо растениеводческой продукции и химический состав фунтовых вод Предложена система мер по у учшению >ко-ч)гической ситуации на индлафтах левобережья Окского бассейна

В результате проведенных исследовании получены с шдушщие резуь^аты, выносящиеся на защиту

• оценка загрязненности ТМ почвы и растениеводческой продукции тандшафта в водосборе р Оки,

• анализ ежегодной динамики ТМ в грунтовых и поверхностных водах модельного тандшафта,

• оценка степени загрязнения донных оттожении и гидробиологический анализ водного об ьскта жеиерименталыюго ландшафта,

• зависимость степени загрязнения сельскохозяйственной продукции и грунтовых вод ТМ от уровня зафязнения почвы "андшафта Окского бассейна

Прлктнческтя значимость На основании проведенных исс те'даваний установлено распределение валовых форм 1М в дерново подзолистых почвах модетьного тандшафта типичного для Мещерской кизуенности с дифференциацией го видам исгользованич кмелышх площадей Прослежена ежегодная динамика содержания ГМ в фунточыч и поверхностных водах тандшафта .левобережья Окского бассейна, выявлень функционал ьнь.е ¡ависимости уровня зафязнения сельскохозяйственной грод\кции грунтовых вод от степени зафязнения дерново подзолистых почв Предложены

мероприятия по стабилизации экологической обстановки на ландшафтах левобережья бассейна р. Оки. Результаты данной работы могут использоваться при решении экологических проблем, как Окского бассейна, так и Рязанской области в целом:

• данные о накоплении ТМ в почве экополигона могут использоваться в качестве исходного материала для экологического контроля на водосборных территориях;

• данные о динамике ТМ в водном объекте, результаты гидробиологических исследований и модельного эксперимента могут быть использованы для накопления банка данных по экологическому мониторингу малых рек Рязанской области; • '

• накопленный и обобщенный по данной проблеме материал используется в учебном процессе студентов экологического факультета Рязанского медицинского университета;

■ • полученные эмпирические зависимости предложены к использованию сельскохозяйственным организациям левобережья Окского бассейна в пределах Рязанской области для прогноза урожайности, качества бобово-злаковой смеси, концентрации ТМ в грунтовых водах.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Международных, Всероссийских, межрегиональных научных конференциях в городах России. Материалы диссертации использовались при составлении рекомендаций по регулированию водного режима л баланса ТМ увлажняемых почв при антропогенных нагрузках в Рязанской области, разработанных в МФ ГНУ ВНИИГиМ, а также при составлении ежегодных научных отчетов лаборатории экологии и природообустройства МФ ГНУ ВНИИГиМ. На основании результатов модельного эксперимента ОПХ «Полково» были даны рекомендации по размещению культур на территории ландшафта левобережья Окского бассейна, что позволило увеличить урожайность и значительно

учучшить качество бобово-злаковой смеси По теме диссертации опубликовано 25 работ

Объем и структугы работы Диссертационная работа изложена на 166 страницах, состоит из введения, Ч глав, выводов, предложении списка литературы и приложении Библиография включает 379 читературных источников Работа содержит 15 рисунков, габ гаи и 16 иричожении

ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теоретической и методологической основой исс шдований явились труды ведущих ученых в оочлсти жочогии В В Доброво гьского 'О А Израэчч, В В Ковальского, В А Ковды А И Пере чьм дна ЮР Саетаидр

Дгч решения гоставченнои 1.е ш применялся комплексный подход на основе крупномасштабного природного мидечиронания Исследования проводичись иа чкочотческом полигоне, расяочожечном в пределах левобережья Окского бассейна Рячанскои обчасги и включающем 1лементы природною гандшафта и антропогенные объемы (рис П со «данном с цс 1ьк> проведения комплексных нссчедований воздействия антропо1енных нагру ¡ок Н1 динамику состояния -жосистем и почучения информации для решения I роб 1ем рационального природопользования Полигон имеет площадь 3000 1а и представляет собой ландшафт лесостечнои юны по механическому гищевому, тепловому и водному режимам почв - типичным для Мещерской низменности Структурно он представлен следующими элементами пашня пастбище, орошаемые и осушаемые земчи, дачные участки чес акватч рия Весь поверхностный и подземный сток с ландшафта

перехватывается водным объектом, непосредственно евччанным с р Окой на котором оборудованы гидрометрические посты На почигоне располо кены гидрогеочогические скважины для режимного набчюдения ча уровнем и качеством грунтовых вод

Ш Пастбища. V" Собирающий коллектор

РТП Пашня. С 1 по ]8 - наблюдательные

^ скважины.

(Щ Населенны» пункт.

Рис. 1. Схема экологического полигона в бассейне р. Оки.

Программа исследований включала экологическую оценку почвы, поверхностных и грунтовых вод, тонных сложений, метеорологические наблюдения за содержанием ГМ в осадках, гидробиологические исследования, проведение шзиметрического опыта, статистическую обработкч даннь-х, по ¡учение функциональных ывисимостеи

Отбор образцов почвы и растительности проводили со[ ;асио требованиям ГОСТ 28168-89 (Почвы Отбор проб ) и методических указании ЦИНАО (1992) На разновидностях почв опытного полигона были заложены почвенные разрезы и изучены почвенные агрохимические и агрофизические показатели общепринятыми методиками гранулометрическии состав почвы оценивался по Н А Качинскому, пютность твердой фазы почвы определи мсь пикнометрическим сгособом, актуальная кислотность почвы потенциометрическим методом гумус - го методу ИВ Гюркна (вариант ЦИПАО), определение подвижных форм Р и К проводилось по методу АТ Кирсанов*. в модификации ЦПНАО

Выбор гидрохимических и гидрометрических постов расположение водорежимных скважин и отбор гроб поверхностных и грунтовых вод чроводили сопасно методическим указаниям Роскомгидромета ('992) и ВСЬГИШ ЕО (1480) Химический анадт воды проводится по общепринятым методикам водородный показатс л определялся потенциометрическим методом, общая жесткость - методом комплексонометрии с тритоном Ь растворенный кислород - иояометрическим методом по Винклеру

Отбор проб донных отложений, а также гидробиоло! ическиЛ анализ, включающий обработку и исследование водной биоты проводился по методикам Роскомгидромета (1983)

С целью выявления поступления 'ГМ с атмосферными осадками в 19982000 г г отбирались пробы дождевых и снеговых осадков Исс"е„ов»ние осадков проводилось в соответствии с методическими рекомендациями по оценке загрязненности снежного почрова ТМ Почвснною шелилута им В В

Докучаева (1999). Площадь отбора снега составляла 0,25 м2. Измерялась глубина шурфа снега и его масса. Для отбора дождевых" осадков использовались пластмассовые емкости.

Определение ТМ в почве, воде, донных отложениях, растительности, осадках проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрофотометре ААС-1. Разложение воздушно сухих проб почвы проводилось НЫО} (1:1), минерализация проб воды - упариванием с концентрированной азотной кислотой, из донных отложений ТМ извлекали НКОз (2:1) (в соответствии с методическими рекомендациями по спектрохимическому определению ТМ в объектах окружающей среды, 1986), минерализацию растительных проб проводили методом сухого озоления по ГОСТ 26657-85, овощей - в соответствии с ГОСТ 26929-86. В почве, воде, донных отложениях определялось валовое (общее) содержание ТМ.

В лизиметрическом эксперименте, разработанном на основе работ Ю.Е. Саета (1990), Ю.В. Алексеева (1987), Ф.А. Юдина '(1980), Б.А. Ягодина (1996), определяли * содержание ТМ в растениеводческой продукции и лизиметрических водах методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Кормовая ценность овсяно-гороховой смеси оценивалась по общепринятым методикам: содержание сырой клетчатки определяли по методу Ганнеберга и Штомана, сырого жира - по методу Сокслета, общий азот и сырой протеин - по методу Кьельдаля, определение безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) проводили расчетным методом.'

Для оценки загрязнения почв ТМ производилось сравнение' их содержания с кларковыми значениями по Виноградову А.П. и ОДК, утвержденными Госкомсанэпиднадзором России (1994). Степень загрязнения ТМ воды определялась путем сравнения их концентраций со следующими нормативами: ПДКр/х (1993 г.), ПДКс/б, принятых Минздравом России в 1998 г, и ПДК ТМ в оросительной воде (разработаны Бездниной СЛ., 1998 г.).

к)

Содержание ТМ в растениеводческой продукции сравнивалось с ПДК, утвержденными Минправом СССР (1990)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ 1.Оценка загрязнения тяжелыми металлами почвы ландшафт левобережья Окского бассейна

Исследования проводичись на экополигоне, расположенном на вгорой надпойменной террасе р Оки, в центре Русской равнины, на территории Мещерской низменности, которая годностью находится в бассейне Оки и дренируется ее тевыми притоками

Поверхность участка - стабовыположенная равнина Почвы экопо шгона дерново-подзолистые песчаные и супесчань'е, сформированные на древне-олчювиальных песках Данные почвы обчадают слабой гоглотите-ыюй способностью (объемная масса почвы в пахотном слое - 1,27 1,см\ плотность твердой фазы - 2,59 г см3), имеют невысокое птодородие (содержание 1"> чуса 1,8-2° о), но так как они ранее систематически \добрчшсь содержание подвижного Р (29 мг/100 1 почвы) и обменного К (19,4 мг/100 г почвы) в пахотном горизонте довольно высокое, реакция почвенного рлсгвора с^або кислая (рН 5,6)

Такое сочетание агрофизических и агрохимических свойств почвы нсстедуемого гандшафта, нредсиятяет г отенциальную опасность для беспрепятственного проникновения ТМ в растениеводческую продукцию, фунтовые и поверхностные воды, вкчюченич их в пищевую цепь

В целом на сегодняшний момент в России отсутст^ют регионы, которые не испытывали бы ач~ропогенчый прессинг Акту а. ьнз эта проб ема и дтя Мещерской низменности - одного из крупнейших мс шора~ивных объектов Нечерноземной зоны РФ С цепло опрете ения стегеии загрязненности ТМ тандшафта, приуроченного к водному бассейну р Оки,

были определены - их валовые формы по основным элементам сельскохозяйственного использования земель полигона (табл. 1).

Таблица 1

Содержание валовых форм тяжелых металлов в дерново-подзолистой

почве экополигона, мг/кг

Элемент ландшафта Глубина взятия Си 7л РЬ Сс[

образца, см

Осушаемые 0-30 6,9 11,7 5,0 0,2

Земли 30-60 2,8 6,4 2,4 0,1

Орошаемые 0-30 2,0 15,8 3,7 0,08

Земли 30-60 0,9 7,8 1,2 0.04

Пашня 0-30 2,6 15,8 2,8 0,05

30-60 1,1 8.5 ' 2,0 0,06

Дачные 0-30 5,3 134.9 19,8 1.2

Участки 30-60 4,8 " 232.3 18,3 1.0

Пастбище 0-30 3,0 5,1 6,3 0,14

30-60 1,0 4,0 2,8 0,06

Кларк, мг/кг 20 50 10 0,5

ОДК, мг/кг 33 55 32 0,5

Как показали исследования, валовое содержание таких ТМ как РЬ,

С<1, наиболее высоко в почве дачных участков, что объясняется высокой антропогенной нагрузкой на данные почвы, необоснованным, бесконтрольным внесением удобрительных веществ, средств защиты растений, близостью автотрассы и большим количеством транспортных средств на участках.

Степень загрязнения почвы была оценена также по качеству сельскохозяйственной продукции. Кормовые культуры, выращиваемые на агроландшафте, содержат ТМ в концентрациях, не превышающих установленные ПДК. Качество овощей с дачных участков не во всех случаях соответствует нормативам: происходит накопление Хп в луке, моркови, свекле до 1,8 - 1,9 ПДК; содержание С<1 в свекле и моркови превышает ПДК в 2 - 2,3 раза соответственно, содержание Си и РЬ в овощах находится в пределах нормы. Таким образом, проведенные исследования качества сельскохозяйственной продукции соответствуют степени загрязнения почвы ТМ. Следовательно, из всех компонентов ландшафта Окского бассейна наиболее экологически неблагополучны дачные участки.

2. Результаты исследований содержания тяжелых металлов в водном объекте

При оценке жочогическою состояния тандшафтов речных бассейнов необходимо значитетьное внимание уделять качественному составу поверхностных и внутрипочвенных вод Существующая в Рязанской об пасти сеть наблюдений не в состоянии оценить реальную >ко ¡огическую ситуацию складывающуюся в бассейне р Оки, так как не охвачены мониторингом малые реки и водные объекты, общей протяженностью 102<>5 км Значитетьное количество 1тих водоемов является компонентом мелиорированных тандшафтов

С целью выявления степени игрязнения ТМ поверхностных и грунтовых вод 'индмафта тевобере-кья Окско'о бзссейна, нами быти проведены исследования на экологическом гочигоне На его территории находится водный обьект, принимающим весь сток с индщафти и непосредственно связанный с водной системой р Оки (д шна - 6,4 км, итощадь водосбора - 30,0 км2, средняя ширина - 1,0 м, среаняя пубина -0,4 м, максимальный расход воды - 0,3 м'/с, вода по ионном\ составу относится к

I ндрокарбонатно-кальциевому кпассу)

На протяжении 1998-2000 г г ежемесячно проводи 1ся отбор проб воды по 3 створам I - исток (ГП-1), 2 - дренажный сок (ГП-2) 3 - место впадения в водную систему р Оки (ГП-3) (таб i 2)

Концентрация в воде РЬ и С<1 находится в пределах ПДКР,Х, а содержание Са и Zn в ряде случаев превышает чтог гоказа^еть Содержание Си, /п, РЬ находится в предетах ПДК.Л, но набтюдается превышение данною норматива го Сс1 Концентрация всех 4 ТМ не ботее ПДК дтя оросите тыюн воды

Среднее значение концентрации ГМ на замыкающем створе превышает показания на других створах, то есть набтюдастся «¡хрект суммирования загрязнителей и неспособность водоема к процессам самоо п щения

' ' Таблица 2 Общее содержание тяжелых металлов в водном объекте (10"3, мг/л)*

Створы наблюдений Си ¿п РЬ Сй

ГП-1 0,7 - 8,4 6,1-30,0 6,2-15,0 0.4 - 2,5

3,4 15,8 11,4

ГП-2 0,8 - 8,3 2,3 - 37,2 4,0 - 22,4 0,1-2,1

3,5 18,2 12,5 1,0

ГП-3 0,5 - 7,2 2,6-29,2 4,2 - 30,0 0,5 - 2,0

3,8 18,7 12,8 1,3

П ДКрл,, 1 О^мг/л 1 10 100 - 5

ПДКс,5,10-'мг/л 1000 1000 30 1

11ДК» ороскт. ыше, 103мг/л (по Бездниной С.Я.) 200 1000 30 10

•Примечание: над чертой - пределы колебаний, под чертой среднее значение концентраций. ,

Исследования показали, что максимум содержания Сс1 в воде отмечается в зимний период, минимум - в летний. Зависимость концентрации Тп от времени года такова: наименьшее содержание элемента - февраль-март, максимальная концентрация - январь, май-июнь, ноябрь. В динамике содержания Си и РЬ отмечалась следующая зависимость: наименьшее их концентрация - февраль-март, рост содержания до мая, затем постепенное снижение концентрации в летний период и увеличение содержания элементов в осенне-зимний период с максимумом - в декабре. Сезонное изменение концентрации ТМ в воде объясняется постепенной седиментацией водных взвесей, адсорбирующих ТМ, аккумуляцией ТМ водной биотой, которая, отмирая осенью, обогащает воду ТМ, а также связано с атмосферными осадками.

3. Оценка степени загрязнения тяжелыми металлами грунтовых вод

На территории экополигона пробурены скважины для учета уровня и качества грунтовых вод (ГВ). Скважины расположены в наиболее типичных местах ландшафта, перпендикулярно водному объекту. За 1998 - 2000 г.г. отбор

проб воды проводился по 4 скважинам 7, 8, 13, 14 - наиболее приближенным к водному объекту и перехватывающим подземный приток с территории ландшафта (табл 3)

Таб mita 3

Общее содержание тяжелых металлов в грунтовых водах, 10 1 мг/л*

V" водорежимной Cu Zn РЬ Cd

скважины

7 2 1 72 12 0-600 109-590 10-45

4 7 28 1 22 ь -і

s ОХ 94 12,0-5S0 18 0- ~2 0 04-55

4 1 24 9 -»

13 1,1 -Ч X 7 4 - 82 0 180-^7 0 S - 4 о

40 37 8 2Т 7 2«,

N 0 7-56 5 1 -*6 0 •49-4(1 05 20

?о 24 < 167 1 2

Г римечание над чертой - пределы ко 1еоани • гол чертой среднее ;начегч е концентр<1Лии

Внутригодовая динамика содержания ГМ в ГВ также имеет определенную зависимость для Cu, Pb, Cd - увеличение концентрации в воде с апре w tío июль, для Zn - с марта по апрель Затем концентрация ТМ в ГВ постепенно снижается и достигает минимума в августе С гвгуста -постепенное увеличение концентраций 1VI во всех скважинах, максимум - в декабре, и постепенное снижение до марта апре.-я

Повышение концентрации ТМ в весенний период можно объяснись таянием снежного покрова Снеговые осадки, чроникая в почву, привносят значительное количество ТМ в ГВ (со снегом на территорию jkouo^hi она постугило, в среднем, ежегодно »а исследовательсхии период ыа Cu-i 2 Zn-97,2, Pb-22,0, Cd-1,8)

В летний период источником ТМ в ГВ являются дождевые осадки (в среднем, ежегодно за период исследований, с дождевыми осадками в пределы окополигона поступило Cu-41,7 г/г a, Zn-217,2 г/га, !'Ь-! 4,9 г<га C.d-1 4 г га), но содержание ТМ в этот период наименьшее Это, вероятно, можно объяснись тем, что в данный период вегетируюг растения потребляющие иочвеинмо

влагу, а следовательно, и находящиеся в ней ТМ В осенне-зиуний период идет постепенное нарастание концентрации ТМ в ГВ, именно в это время в почве происходит разложение растительных остатков которые, несомненно, содержат определенное количество ТМ

Наименьшее содержание ТМ наблюдалось в ГВ, поступающих от тесного массива (скв *Ч»14), наибольшее - в ГВ формирующихся в районе дачных участков (скв N»13) с характерным доминированием 7п, С1}, РЬ, что совпадает с результатами исследований почвенного покрова

Проведенные исследования грунтовых вод, гозволяют сделать вывод, что территории сельскохозяйственного использования также являются источником поступления ТМ в водные потоки, причем доминирующими в )го\4 процессе являются земли частного использования

4. Характеристика загрязнения донных отложении тяжелыми металлами как нндикаторд антропогенной нагрузки на водный

объект

Загрязнение донных отложений адекватно отражаем экологическое состояние водоема и информирует о загрязнении вследствие антропогенной деятельности на водосборной территории [Коломийцев НВ, 1999] С целью исследования были отобраны пробы донных отложении на 4 постах (таол 4)

Концентрация меди и свинца в донных отложениях не превышает фоновых значений В пробе №3 концентрация кадмия превышает ¡качение фона в 1 8 - 2,1 раза, цинка - в 1,4 - 1,4 раза Таким образом, концентрации ТМ в донных отложениях в пробе, взятой в районе 1емепь, испо |ьзуемых под садово-огородные участки, превышают концентрации ТМ в других пробах в 2 -4 раза, то есть создались условия для накопления ГМ в донных отложениях

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов в донных отложениях (мг/кг)

№ Место взятия Мощность Горизонт Си Zn РЬ Cd

пробы пробы донных отложений, см ,см

1 ГП-1 30 0-10 4,7 9,2 2,9 0,15

10-30 2,9 9,8 2,0 0,12

. 2 ГП-2 3S 0-10 3,3 7,5 3,2 0,08

10-30' 3,7 8,9 2,4 0,04

1 Земли частного 55 • 0-10 10,0 37,0 12,7 0,58 ,

использования 10-30 9,8 36,4 12,0 0,64

4 ГП-3 40 ■ 0-10 ■ '2,6 14,2 2,9 0,12

10-30 2,9 17,6 2,4 0,12

Фоновые значения для донных отложений р. Оки 35 27 19 0.3

Следовательно, сложилась ситуация потенциально опасная для водной

' экосистемы, так как в донных отложениях полной консервации ТМ не происходит.

5. Результаты гидробиологического исследования водного объекта

Поступление загрязняющих веществ в водоем, в том числе и ТМ, вызывает диспропорцию в развитии отдельных видов гидробионтов.

■ Результаты проведенного гидробиологического анализа показали, что видовой состав водоема обеднен. В фитопланктоне доминируют диатомовые водоросли: Synedra, Navicula, Melosira. В зоопланктоне и бентосе преобладающие простейшие: жгутиковые рода Euglena, Monas, Bodo, а также инфузории рода Paramecium, Lionotus, Oxytricha, Didinium, Vorticella (conica), Epistylis (bimarginata), многоклеточные беспозвоночные: Cyclops, Chironomus plumosus, Limnea auricularia. Основные представители высшей водной растительности: Elodea canadensis, Lemna, Phragmites australis. Гидробиологические исследования включали также анализ макрофитов на содержание в них ТМ, что представляет интерес с точки зрения возможности водной экосистемы, находящейся в условиях антропогенных нагрузок, к

самоочищению (табл 5) В работах многих авторов отмечена роль макрофитов, как биофильтров Интенсивность накопления ТМ фитомассой водных растений выражалась через коэффициент накопления (Кавк)

Таблица 5

Аккумуляция тяжелых металлов высшей водной растительностью (м1/\г)

| Растение Си | Кивк 2л к„а1с | РЬ Киак са

| Ряска 3 17 1 1%| 12 20 УЧ2 | I 82 "¡42 ' 0 4^ 643 |

| Тростник 5 6« 1 ЗМЗ (8 10 3040 | 6 60 516 1,01 1143

■ оден канадская я о? 1 1406 •^0,2 2241 | 2 1)9 163 0 40 <71

Таким образом, растения, вегетирующие в исследуемом водоеме активно поглощают ТМ Так как скашивания вдоль водоема макрофитов не произвол! - ся, растения, разлагаясь, способны вызывать вторичное загрязнение воды

Проведенные комптексные исследования . андшафта левобережья Окского бассейна свидетельствуют о значительной антропогенной нагрузке на водосборную территорию, что особенно си"ьно проявляется в зоне расположения дачных участков

6.Экспериментальная оценка влияния степени загрязнении почвы тяжелыми металлами на экологическое состояние растениеводческом продукции и грунтовых вод 6.1. Цель, задачи и методика модельного зксперимента

В настоящее время, назрела необходимость более глубокого и тшательного исследования последствий загря!нения ГМ почв ландшафтов речных бассейнов Наиболее информативны в зтом плане - опыты по изучению влияния загрязнения почв на растительность и внутрипочвенные воды

Исследования проводились в 1998-2000 г г в системе <иочза-вода-расг-ения» Их цель - оценка влияния степени загрязнения почвы ТМ (от допустимого до чрезвычайно опасного) на качество растениеводческой

продукции и гидрохимический состав внутрипочвенного стока. Для достижения цели опыта были поставлены следующие задачи:

•определение зависимости урожайности, накопления ТМ растительностью, качества выращенной продукции и лизиметрических вод от степени загрязнения почвы;

•выявление способности ТМ к миграции в растения и лизиметрические воды. *

Для охвата диапазона загрязнения почвы от допустимого до . чрезвычайно опасного были разработаны 3 варианта опыта (табл. 6), которые обосновывались по суммарному индексу загрязнения почвы ^с), численному значению которого соответствует определенная категория загрязнения.

Для проведения опыта использовалась дерново-подзолистая почва, в качестве опытной культуры - овсяно-гороховая смесь. Имитация загрязнения почвы ТМ создавалась внесением легкорастворимых форм солей металлов (гп504 • 7Н20, СиБСи • 5НгО, РЬ(СН3СОО)2 • ЗН20, Сс150„).

Таблица б

Варианты эксперимента

Металл Варианты опыта (содержание ТМ в почве, мг/кг)*

Контроль' (исходная почва) 1 (0,5 ОДК)»* 2 (1,5 ОДК) • 3 (4,5 ОДК)

■Си 2.6 13,9 46,9 145,9

7.п 13,1 14,4 69,4 234,4

РЬ 3.6 12,4 44,4 140,4

С<1 0.03 0,2 0,7 2,2

7.с 1 18,1 60,6 188,0

Категория загрязнения 1 допустимое 2 умеренно опасное 3 опасное 4 чрезвычайно опасное

•Содержание ТМ в почве по вариантам приведено без учета фона.

* *ОДК для почв легкого гранулометрического состава.

В опыте использовались лизиметрические сосуды площадью 500 см2. Эксперимент проводился в естественных условиях. В течение опыта за растениями велись биометрические наблюдения, проводился учет биомассы, определение в растительности ТМ методом атомно-абсорбционной

спектрометрии и оценка кормовой ценности продукции по стандартной методике На протяжении всего опыта проводился сбор лизиметрических вод и их исследование на содержание ТМ Все данные, полученные в опыте, подвергались дисперсионному анализу с привлечением компьютерной программы Microsoft Excel

6.2. Результаты исследований

Токсичное действие ТМ на растения можно простедить по такому наг-ядному признаку как рост Было отмечено, что в зизиметрических сосудах 2 и 3 варианта растения развивались хуже В 1 варианте наблюдался более интенсивный рост и развитие растении Вероятно, ТМ, вносимые в количестве 0,5 ОДК выступит в качестве химических мечиорантов Токсичные свойства ТМ гроявчяются также в уменьшении фитомассы (щбч 7, рис 2)

Габчица 7

Масса овсяно-гороховой смеси в опыте, г

I Варианты j Масса смеси 1 Отклонения от контроля Отклонения ОТ контропя °0

О'М^Л 1 I

1 К жтро-'ь 1 16 S * 0 03 1 -

1 1 С>М)ДК) , :ч 2 ± 0 02 <-24 «-14 3

j 2( S ОД О 1 14 9 - 0 02 - 1 9 -99

3 (4 < ОДК) , 5 S +■ 0 02 11 3 -67 3

- Урожайность (г = -0 97)

zc

Рис 2 Зависимость урожайности смеси от степени загрншения почвы В 1 варианте урожайность выше контрольной, то есть ГМ, во вносимых в данном варианте опыта дозах (0,5 ОДК), являются стимучяторами роста

Ниже приведена формула, отражающая эту зависимость, используя которую можно спрогнозировать урожайность овсяно-гороховой смеси, выращиваемой на загрязненных . ТМ дерново-подзолистых почвах левобережья Окского бассейна. . • .

где: у - урожайность овсяно-гороховой смеси, ц/га; х - суммарный индекс загрязнения почвы. •- •

Содержание в растениях Си и РЬ находится в пределах значений ПДК для растительных кормов. Концентрация С<1 и 2л уже в 1 варианте опыта превысила данный норматив, достигнув в 3 варианте 2,6 ПДК и 14,4 ПДК соответственно. Из 4 исследуемых ТМ, только концентрация цинка превысила фитотоксичную (400 мг/кг) в 1,8 раза (3 вариант). Практически по всем 4 элементам наблюдалась тенденция повышения их содержания в фитомассе по мере нарастания степени загрязнения почвы (рис. 3,4)..

У = 35,116+ 0,072 х-2,823 • 10_3хг + 9,38 • Ю-6х3 (1)

—»-Си (г = + 0,51)

—рь (г= + 0,7)

Сс! (г= ♦ 0,95)

18.1

2с

Рис. 3. Зависимость содержания ТМ в смеси от степени загрязнения

почвы

eoo

< 13 1 60 6 183

Zc

Рис 4 Зависимость содержания цинка в смеси от степени загрязнения почвы Зависимость содержания ТМ в фито\-ассе от уровня загрязнения почвы гредставгена в виде уравнений, которые можно использовать для прогноза экологической чистоты бобово-з таковой смеси, возделываемой на за'рязненных землях гевоберелья Окского бассейна Для меди

у-4,299 i-0,16!х- 1,682 ¡0 3 х; - 4,910 10 ' х3 , (2) для цинка

у 35,385 -2,126х~0,029х:-1,097 10 4 х3, (3)

для свинца

у-2,792- 2 253 103х-7,924 10 V* 7,422 10 7 х\ (4) для кадмия

у 0.25 ь,822 103 х- 2,097 1оЧ\ (5)

где у - содержание элемента в фитомассе, мг/кг, х - значение суммарного индекса {агрязнения почвы

Сравнительная оценка аккумулирующей способности овса и гороха показала что наибольшей способностью к накоплению ГМ обладает горох Си и РЬ переходят из почвы в растения очень слабо, Zn и Cd обчадают значитетьнои подвижностью, даже при концентрациях их в почве 0,5 ОДК

Убыточное накопление ТМ в бобово-злаковой смеси может существенно снизить ее кормовую ценность Порученная в опыте продукция

была оценена по химическому составу: содержание азота, сырого протеина, клетчатки в продукции на контроле и вариантах опыта существенно не различалось. По мере увеличения степени загрязнения почвы, наблюдалось уменьшение содержания в смеси сырого жира (от 3,08% - на контроле и 3,5% -в 1 варианте до 2,6% - в 3 варианте) и БЭВ (от 45,9% - на контроле, до 40,7% - в 3 варианте). Следовательно, продукция, выращенная на загрязненной почве, частично утрачивает свою питательность.

В течение опыта происходил постепенный сброс лизиметрических вод, которые исследовались на содержание ТМ (рис. 5).

~ —»-Си (г»-0.94)

-•— гп (г= + 0,97) -л- РЬ (г = + 0,97) -»-са (г« + 0,84)

Рис. 5. Зависимость содержания ТМ в лизиметрических водах от степени загрязнения почвы По мере повышения степени загрязнения почвы, увеличивалось и содержание ТМ во внутрипочвенном стоке.

Собранные в опыте лизиметрические воды проходили тест на токсичность, которая оценивалась по изменению длины корня редиса по сравнению с контролем (лизиметрическая вода из контрольного варианта). При загрязнении почвы ТМ, соответствующем 2 и 3 вариантам опыта, образующаяся в результате орошения или осадков внутрипочвенная влага угнетает ростовые процессы корней прорастающих семян (уменьшение длины корня по сравнению с контролем на 16,7% и 52,5% соответственно). В 1 .варианте, напротив, наблюдалось увеличение длины корня, по сравнению с

:з

контролем, что подтвердило сдечанный вывод о том что ТМ, содержащиеся в почве в количестве 0,5 ОДК, выполняют роть микроэлементов, стимулирующих рост и развитие растений

На основании результатов эксперимента, разработаны уравнения, отражающие взаимосвязь степени загрязнен!« почвы и содержания ТМ во внутри почвенном стоке и позволяющие спрогнозировать концентрацию ТМ при различных уровнях загрязнения дерново-подзолистой почвы Для меди

v — 0,014 - 6 315 10 4+1,987 10 7 х\ (6)

для цинка

у -0,016 + 3,725 10 4 х-4,49 10 V, (7)

для свинца

у = 9,2 10' + 1.341 10"4 х, (8)

для кадмия

у-1,47 10' + 8,7 10Л х, (9)

где у - концентрация ТМ в лизиметрических водах, мг/л, ч - суммарный индекс ¡агрязнения почвы

Можно отметить, что изучаемые ТМ, содержащиеся в дерново-подзотистой почве, способны к активной миграции в грунтовые воды, за искчючением меди

Эмпирические зависимости, яопученные в модетьном эксперименте и дающие прогноз урожайности и содержания ТМ в бобоно-знаковой смеси и внутрипочвенном стоке, быги апробированы при разработке размещения к\ 'ь'-ур в ОПХ «Полково» распочоженном на водосборной территории Окского бассейна В рез>тьтате увепичитась урожайность овсяно-гороховой смеси, значитечьно улучшилось ее качество (снижение з продукции ТМ меди, цшка, свинца, кадмия на 23,6% 17,7%, 16,7%, 10,7% соответственно) а также уменьшилась миграция ТМ во внутрипочвенный сток (цинка - на 20°'о, свинца -на 44,4° о кадмия - на 28,6%) Можно отметить, что внедренная схема

землепользования благоприятно сказывается на общем экологическом состоянии водосборной территории.

Результаты проведенного эксперимента показали, что при содержании ТМ в почве ландшафтов левобережья Окского бассейна в количестве, превышающем ОДК, существует реальная угроза проникновения загрязнителей в растениеводческую продукцию, снижения урожайности, ее экологической безопасности и питательной ценности. Миграция ТМ во внутрипочвенный сток, даже без применения орошения, приведет к изменению химического состава почвенной влаги, что отрицательно скажется на развитии внесенных в почву семян.

ВЫВОДЫ

1. Исследования, проведенные на модельном ландшафте левобережья Окского бассейна, показали, что из всех его элементов, представляющих основные виды сельскохозяйственного использования земель, валовое содержание цинка, свинца и кадмия наиболее высоко в почве дачных участков.

2. Качество сельскохозяйственной продукции экспериментального ландшафта Окского бассейна соответствует итогам исследования почвы. На территориях, где содержание ТМ в почвах в пределах нормы, произрастают кормовые культуры, качество которых соответствует нормативам. Превышение ОДК цинка и кадмия в почвах дачных участков привело к накоплению данных элементов в сельскохозяйственных культурах до уровня превышающего ПДК.

3. Исследование водоема, находящегося на территории модельного ландшафта Окского бассейна, показало, что содержание Си и 2л\ в ряде случаев превышает ПДКр/х в 8 и 3 раза соответственно. Наблюдается превышение ПДКс/б по кадмию в 2-2,5 раза. Наивысшая концентрация ТМ в воде наблюдается зимой, наименьшая - в летний период. Отмечается эффект

суммирования загрязнителей на замыкающем створе, что указывает на снижение самоочищающей способности водоема

4 На внутригодовую динамику ТМ в грунтовых водах значительное влияние оказывают атмосферные осадки Наименьшее содержание ТМ отмечается в ГВ, формирующихся на территории тесного массива, наибольшее, с доминированием 7*п, РЬ, СЛ, - во внутрипочвенном стоке, поступающем с дачных участков

5 Донные отложения водоема экополигона загрязнены ТМ в районе земель используемых под садово-огородные участки

Ь Видовой состав гидробионтов водоема модельного индша&та обеднен Анализ макрофитов выявил интенсивную аккумуляцию ТМ, при разложении которых возможно вторичное загрязнение водоема

7 Модельный лизиметрический опыт показал, что с увеличением степени загрязнения дерново-подзолистой почвы снижается урожайность, качество и питательная ценность бобово- маковой смеси, увеличивается содержание ТМ во внутрипочвенном стоке, что негативно отражается на развитии семян Из исследуемых ТМ наиболее миграционно активны цинк и кадмий, менее подвижны свинец и медь

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1 Для своевременного предупреждения загрязнения почв, поверхностных и грунтовых вод, растительности, сельскохозяйственным организациям, деятельность которых происходит на водосборных территориях, необходимо организовать структуры по контролю экологической обстановки

2 Комитету охраны окружающей среды и гриродных ресурсов г Рязани организовать и провести экологическое аудирование, с целью проверки соответствия деятельности садоводческих товариществ природоохранным нормам и прави гам и разработать комплекс корректирующих мер

3. Организовать ; исследования ■ . донных отложений водоемов водосборных территорий как адекватно отражающих их экологическое состояние г и требующих . меньших затрат, чем проведение режимных наблюдений за качеством воды. ' Включить в систему контроля гидробиологические исследования, с целью оценки влияния антропогенной деятельности на видовое разнообразие водных экосистем."

4. Сельскохозяйственным организациям, выращивающим на водосборных территориях левобережья Окского бассейна бобово-злаковую травосмесь, с целью прогнозирования урожайности и качества продукции, химического состава внутрипочвенного стока, рекомендуется использовать эмпирические зависимости, предложенные в диссертации.

5. Проводить на загрязненных ТМ почвах ландшафтов водосборных территорий мероприятия, способствующие блокированию токсикантов в почве и переводу их в труднодоступные для растений формы: известкование, внесение органических веществ, сорбентов - мелиорантов.

6. Выращивать на загрязненных ТМ почвах' сельскохозяйственные культуры с учетом приоритетного накопления загрязнителей в различных органах растения.

7. С целью ■ предотвращения вторичного загрязнения водоемов ландшафтов водосборных территорий, производить периодическое скашивание высшей водной растительности.

Основные результаты диссертации наиболее полно отражены в следующих работах:

1.Гусева Т.М., Бочкарев Я.В., Мажайский Ю.А. Обоснование необходимости и выбор методики исследования влияния антропогенных воздействий на экологической состояние агроландшафтов водных бассейнов // Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. РГСХА. Часть 1. - Рязань., 1999. - с.14 - 19.

2 Гусева Т.М, Бочкарев Я В, Мажайский Ю А Анализ влияния антропогенного воздействия на экологическое состояние агроландшафтов водных бассейнов //Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства Сб науч трудов РГСХА им проф ПА Костычева Ч 1 - Рязань, 2000 - С 12- 18

3 Гусева Т М , Мажайский Ю А , Захарова О А Применение природной модели как метод исследования антропогенно преобразованных экосистем в бассейне р Оки //Международная научно-техническая конференция Матер конф Ч 1 - Калининград, 2000 - с 204 - 205

4 Гусева Т М, Мажайский Ю А Мониторинг малых рек Окского бассейна // Геологический вестник центральных районов России - 2000 - №3 -с 55-58

5 Гусева Т М , Мажайский Ю А Прогноз урожайности и экологической чистоты продукции, выращиваемой на землях, загрязненных тяжелыми металлами //Социально-гигиенический мониторинг здоровья населения Матер 4 межрегион Науч-практ Конф - Рязань, 2001 -с 236-238

6 Гусева 1 М, Мажайский Ю А Проблемы экосистемного водопользования на мелиорированных землях // Вопросы мелиорации — 2001 ->1-2 -с 54-66

Объем 1,5 п л

Тираж 100 экз

Зак 473

АНО «Издательство МСХА» 127550 Москва, ул Тимирязевская, 44