Фитотоксичность почв, факторы ее формирования и реакции различных культур на загрязнение почв тяжелыми металлами в условиях степной зоны Алтайского края

Шпис, Татьяна Эмануиловна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Фитотоксичность почв, факторы ее формирования и реакции различных культур на загрязнение почв тяжелыми металлами в условиях степной зоны Алтайского края
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Шпис, Татьяна Эмануиловна, Барнаул

/у/"'4' /•• , л

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ш П И С Татьяна Эмануиловна у

ФИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВ, ФАКТОРЫ ЕЕ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕАКЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ КУЛЬТУР НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В УСЛОВИЯХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ

АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение и 06.01.04 - агрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор

Л.М. Бурлакова;

кандидат сельскохозяйственных

наук,

доцент Г.Г. Морковкин

Барнаул - 1999

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Объекты и методы исследований

1.1. Объекты исследований 6

1.2. Методы исследований 16 Глава 2. Условия почвообразования и почвы Приалейской степи

2.1. Условия почвообразования 19

2.2. Почвы и их свойства 22 Глава 3. Фитотоксичность почв и факторы ее определяющие

3.1. Фитотоксичность почв личных подворий и и полей кол- 32 хозов

3.2. Влияние почвенных факторов на фитотоксичность почв 41

3.3. Влияние содержания тяжелых металлов.в почвах на их 52 фитотоксичность

3.4. Взаимодействие тяжелых металлов, определяющих фи- 67

тотоксичность почв Глава 4. Металлоспецифические реакции сельскохозяйственных культур и возможности фитомелиорации в степной зоне Алтайского края 4.1. Реакция сельскохозяйственных культур и их толерант-

ность к тяжелым металлам 74

4.2. Аккумуляция тяжелых металлов растениями гречихи при разных уровнях наведенного загрязнения почв и вынос

их биологическим урожаем 90

4.3. Возможности фитомелиорации в условиях степной зоны Алтайского края 123

Выводы 131

Литература 134

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что загрязнение почв различными поллютантами оказывает токсическое действие на возделываемые культуры, снижая количество и качество получаемой продукции. Поступление токсичных химических веществ и элементов из почв в растения выше предельно-допустимых концентраций делает невозможным использование продукции растениеводства животным и человеку.

Для контроля за состоянием окружающей среды, кроме классических и инструментальных методов анализа, необходимы экспресс-тест - методы, позволяющие достаточно точно и быстро определить неблагополучные в экологическом состоянии почвы разных сельскохозяйственных территорий. С этой целью разработаны методы определения общей фитотоксичности почв по реакции растений на ранних стадиях онтогенеза (корня, проростка), рекомендованы наиболее чувствительные к загрязнению тест-растения - редис Розово-красный с белым кончиком и др. (Методы изучения..., 1966, Вьюгина, 1997).

Однако, этот метод не получил еще широкого распространения для экологической оценки почв в Алтайском крае, практически не изучены факторы, определяющие величину общей фитотоксичности, что особенно необходимо знать для определения путей устранения почвенной фитотоксичности.

В Алтайском крае может иметь место локальное загрязнение почв тяжелыми металлами (Бурлакова, Морковкин, 1992; Пудовкина, 1999). В этом случае необходимо решать вопросы выборочной консервации земель и их детоксикации. Важность данной проблемы предопределила цель настоящей работы.

Целью работы является определение фитотоксичности почв Приалей-ской степи Алтайского края, факторов ее формирования, изучение металло-

специфических реакций различных растений и разработка основных принципов и подходов к фитомелиорации.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

1. Изучить влияние почвенных факторов, содержания тяжелых металлов и некоторых агротехнических приемов на фитотоксичность почв.

2. Установить взаимодействие тяжелых металлов и их влияние на фитотоксичность почв.

3. Определить металлоспецифические реакции ряда сельскохозяйственных культур.

4. Изучить влияние разных уровней загрязнения почв на продуктивность и металлоаккумуляционную способность растений гречихи.

5. Наметить пути устранения общей фитотоксичности почв степной зоны.

6. Разработать принципы и подходы к фитомелиорации почв.

7. Установить возможность использования растений гречихи в качестве фитомелиоранта.

Научная новизна. Впервые для пахотных почв Приалейской степи определена их общая фитотоксичность, оказывающая влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Установлено, что на формирование общей фитотоксичности почв значительное влияние оказывают: содержание тяжелых металлов в почве на 39 %; почвенные факторы (включая микробный фи-тотоксикоз) на 34 %; применение пестицидов на 22 %; насыщение севооборота зерновыми культурами - 5 %.

Разработаны информационно-логические модели фитотоксичности по почвенным факторам, содержанию тяжелых металлов. На ранних стадиях и в процессе онтогенеза показана чувствительность сельскохозяйственных культур на загрязнение почв тяжелыми металлами. Наиболее чувствительными культурами являются салат-латук, люцерна синегибридная, просо кормовое, щитник онгудайский.

Определен безбарьерный и барьерный характеры поступления тяжелых металлов в надземные органы гречихи.

В диссертационной работе выдвигаются следующие защищаемые положения:

1. Общая фитотоксичность почв обусловлена в основном степенью загрязнения почв и уровнем их плодородия.

2. Элементы-биофиллы (М§, Мп) при определенных содержаниях их в почве в силу проявления антагонизма снижают фитотоксичность почв от тяжелых металлов.

В результате исследований получены информационно-логические модели фитотоксичности почв, позволяющие выделить ведущие факторы загрязнения, их параметры и подойти к разработке приемов, направленных на снижение фитотоксичности. Разработаны основные подходы и принципы фито-мелиорации в условиях степной зоны Алтайского края. Изучена возможность использования растений гречихи в качестве фитомелиоранта на загрязненных тяжелыми металлами почвах.

Автор благодарен научным сотрудникам кафедры почвоведения и агрохимии Алтайского государственного аграрного университета Н.К. Глушко-вой, Л.Б. Нестеровой, В.Ф. Бирюковой, Ю.С. Ананьевой, О.В. Кузнецовой, С.И. Завалишину, В.И. Овцинову за помощь в проведении анализов проб почв и в проведении лабораторных и полевых экспериментов.

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

ГЛАВА 1

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение фитотоксичности почв выполнялось в соответствии с комплексной программой по научному обеспечению в 1992 - 1993 гг. работ, связанной с оценкой последствий антропогенного загрязнения окружающей среды и испытаний ядерных устройств на население Алтайского края и входило в блок «Исследований влияния экологических факторов на заболеваемость населения, подвергшегося воздействию ядерных устройств на Семипалатинском полигоне».

Экологическим обследованием были охвачены почвы, расположенные по трансекту «Шипуновский», проходящему через населенные пункты Ши-пуново, Метели, Бестужево, Тугозвоново, Комариха, Верх-Камышенки, Озерки, а также обследованы почвы в радиусе 5 км опорных населенных пунктов Рубцовского (с. Новоалександровка, Половинкино, Зеленая Дубрава, Самарка, Новосклюиха), Поспелихинского (с. Калмыцкие Мысы), Алейского (с. Плотава) районов. Кроме того, экологическое обследование было проведено в опорных населенных пунктах: Плотава, Калмыцкие Мысы, Половин-кино, Зеленая Дубрава, Тугозвоново, Верх-Камышенка. Всего было отобрано 224 почвенных образца.

Трансект «Шипуновский» заложен в южной части Шипуновского района от районного центра Шипуново на юго-восток через вышеперечисленные населенные пункты. Территория трансекта расчленена долинами рек Алей, Чарыш и водотоками третьего и четвертого порядков. Максимальные абсолютные отметки над уровнем моря 340 м. (у Верх-Камышенки), минимальная - 170 м. Максимальная глубина расчленения достигает 170 м.

Обследованный район территориально относят к подзонам южных черноземов засушливой степи и обыкновенных черноземов умеренно-засушливой и колочной степи.

Почвенный покров по трансекту характеризуется широким развитием слабо- и, в основном, среднеэродированных черноземов обыкновенных и намытых лугово-черноземных и луговых почв, реже намытых черноземов с высоким содержанием гумуса.

Почвенный покров с. Зеленая Дубрава представлен лугово-черноземными солонцевато-солончаковыми среднемощными малогумусны-ми среднесуглинистыми почвами. Вблизи села почвы лугово-черноземные солончаковые среднемощные малогумусные среднесуглинистые.

Почвы с. Половинкино - солонцы лугово-каштановые средние солончаковые среднесуглинистые. Села расположены на низких формах рельефа с относительно близким уровнем стояния грунтовых вод и наложением признаков луговости с солонцеватостью и засолением.

Агрохимические свойства почв обследованных сел, представлены в таблице 1. Разрезы 14 и 1008 характеризуют почвы области транзита по направлению к селам. Разрезы 3 и 1009 характеризуют область аккумуляции, где расположено село.

Полевые исследования проведены на почвах полей ТОО «им. Гринько» Шипуновского района, расположенного в пределах подзоны черноземов умеренно-засушливой и колочной степи.

Для исследования были выбраны поля севооборота: сахарная свекла по пару, пшеница по сахарной свекле, пшеница по пшенице, пшеница по пару (орошаемый участок). На полях севооборота были выделены участки для отбора почвенных образцов и учета урожайности по культурам. Почвенные образцы отбирались в три срока: май, июль и август - сентябрь. Учет урожайности проводили в период восковой спелости яровой пшеницы на местах заложения разрезов и вокруг них на делянках площадью 0,5 - 1,0 м в двенадцати кратной повторности.

Таблица 1

Агрохимические свойства почв сел "Половинкино" и "Зеленая Дубрава" Рубцовского района

Село Разрез Индекс почвы Горизонт Глубина образца рНв Гумус, % Поглощенные основания, мг-экв/100 г почвы Частицы менее М. А+ Глубина

Сумма Са2+ м§2+ 0,01 мм, % АВ, см вскипания, см

Зеленая Дубра- Т1Я 14 ЧЛ-2 Ап АВ 0-20 20-40 8,00 8,20 5,03 4,37 50,12 42,85 49,50 42,25 0,62 0,60 37,3 37,6 57 25

3 Члсн-сч2 Ад А А А АВ 0-5 5-10 10-15 15-20 30-40 7,08 7,80 8,00 8,10 8,30 4,34 3,21 3,17 2,86 1,91 62,50 44,50 59,50 45,75 54,60 58,50 40,50 49,50 36,00 47,25 4,00 4,00 9,75 9,75 7,35 41,6 43,5 42 42

Полови нки-но 1008 ТУ-СЗ 2с Ап АВ1 0-20 37-47 7,62 6,84 14,00 12,50 1,00 0,50 31,9 57

1009 СНЖсч3 с А А1к А1к А2К 5-10 10-15 10-20 30-40 9,10 10,13 10,20 10,20 2,05 25,0 28,75 17,50 10,00 2,50 10,00 5,00 8,75 22,0 20 16

Всего было отобрано 100 почвенных образцов и 50 по урожаю яровой пшеницы. Преобладающими почвами исследуемых участков являются черноземы обыкновенные и выщелоченные. По мощности гумусового горизонта в основном встречаются виды среднемощные (40-50 м), а по содержанию гумуса - слабогумусированные и малогумусные (3,0 - 4,5 %). Практически во всех разрезах содержание гумуса в пахотном слое меньше, чем в подпахотном. Что свидетельствует о процессах водной эрозии. Реакция почвенного раствора нейтральная или близка к нейтральной (рНв 6,24 - 7,85). Количество валового азота в пахотном слое малогумусных черноземов равно 0,11-0,40 %. Валовое содержание фосфора колеблется в интервале 0,1-0,33 %. Сумма поглощенных оснований невелика и колеблется в пределах 20 - 40 мг-экв/100г почвы (табл. 2).

Изучение металлоспецифических реакций растений на ранних стадиях ^ онтогенеза к присутствию в почве токсичных концентраций тяжелых металлов проведено в лабораторных условиях на смоделированных почвах по следующей схеме:

1. Контроль - без внесения металлов.

2. Кадмий - 3 мг/кг, никель - 250 мг/кг, свинец - 190 мг/кг, (соответствует 5 ПДК по ЦИНАО).

3. Кадмий - 0,6 мг/кг, никель - 50 мг/кг, свинец - 38 мг/кг, (соответствует 1 ПДК по ЦИНАО).

Объектами исследований служили различные районированные сельскохозяйственные культуры: салат латук, редис Розово-красный с белым кончиком, огурец Феникс, лук - батун, капуста Полярная, свекла столовая Бордо, свекла обыкновенная сахарная, горох овощной Ранний, кабачки Грибовские, вика мохнатая, овес посевной Астор, донник желтый, ломкоколосник ситниковый, щитник онгудайский, гречиха Аромат, просо Кормовое-45, пшеница яровая Комсомольская, рапс яровой, люцерна синегибридная.

I О

р О)

0 °

9 а>

1 (Л

I 8

О ^

ю п О У

Кс

а>

'"З й

о о с\ о

§ ё §5

О)

я я

3 ?

р ?

Культура

I—»

о 00

4/1

О-)

оо

00 (О

о <1

и)

Разрез

ЮМ о к>

Л Л ^

ЮСЙ ю« ¡Г» К>И о I—» О )—1 Н н^ Он-*

юкэ о

ЮМ

О н—4

Индекс почвы

> Я

к л

О)

о я

е £

о н к

я р

я о л ю

я о

О)

я< н о

я"

я «

ю и)

> > ^ >

б > « > б >

Ю о К» о 10 Р

¥ К ^ К)

4^ ЧО г*

ЧО о чо

И >

и) О

и>

и)

чл

ЬЙ >

ЧО

и)

> >

б > б >

к» О К) о

9 10 ^

О и> ^

К> ЧЛ

и)

Горизонт, мощность горизонта

ю О о ы о о ьо о о ю о 0 1 ю о о

1 О ю о 1 о ы о 1 о 1ч> о 1 о ю о о ы о

Глубина образца

^ ч! 00 ч1 ф а Ч С\

1а 1« V.» Ч» Ч> ЧЯ 44 N4

оо ч/> 4^.-1^

<1 40 Ю С\

00 и)

н-' 00

4^ О Ю ЧО К) ^ ч) 00

00 -о

СГ\ -Л СТ\

ч» ч» ч> ч*

о оо (о оо

^ н 00 и

СЙ

к>

и) и> ю и) и) 4^ и)

со чо ы чо ю чо

-л о 4/1 о о 4/1

оо

»-1

К> ^ Ы Ш (Л (О И

оо Ч/> ЧО 4^ и> 4^ ЧО

Ч» Ч» ч> ч» ч» ч»

о о о о о о

о о о о о о о

и) о

и) 1—1

"и! о

ЧО

£ ^ Р 2

-л чл о

К> Ю и>

ЧО ^ <1 I—1

ч» ч»

О и) У)

о о о о

©\ ч»

к>

К) 1л о

о о

к> С^

ООО

Н-» 1—' 1—1 чо I—» -4

чл о о о и> о о о о о

о о о о о о о

ю 1—1 сл 1—1 ю 00 ы чо ю

ю а

Й о

* о

£ §

7 я

Й я

я (г<

И ^

►п

я о л

о о К) и>

ООО

К) К) к> . О Ы -4—1

и: О

оо

о о о о о о о о о о

КЗ и) ю ю КЗ 1—» 1—1 ю ю н^

о ы иг и! --4 4^ 00 00 ЧО

То

оо

ь©* О О о

^ о

о Е

<13

ох

4^ у ы ^ ^ Ю К) и)

(О ООЧООЧОЧОЧО чл

ч» ч«

н-> Ю [О н О Ю Ш

и> С\

4^ О

Частицы менее 0,01 мм, %

о>

а.

р ю

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14

свеклович ный Сахарная 61 Ч2с А 0-30 АВ 30-51 0-20 20-40 6,60 6,47 3,95 31,50 31,50 11,00 0,28 0,24 39,8

свекла по пару 66 А 0-26 АВ 26-47 0-20 20-40 6,50 6,97 4,04 28,00 18,50 9,50 0,27 0,21 39,0

70 А 0-26 АВ 26-54 0-20 20-40 6,25 6,66 4,37 3,16 31,50 17,00 14,50 0,36 0,33 35,3

Пшеница 88 ггв1 А 0-34 АВ 34-52 0-20 20-40 6,67 6,20 3,62 27,50 17,00 10,50 0,29 0,28 39,0

по сахарной 94 Ч1 А 0-24 АВ 24-47 0-20 20-40 7,14 6,55 30,00 15,00 15,00 0,40 0,33 42,3

свекле 97 ч1 А 0-24 АВ 25-46 0-20 20-40 6,97 6,97 3,83 0,34 0,27

Модельные опыты закладывали^ 4-х кратной повторности в чашках Петри на почвенных пластинках (Методы изучения..., 1966). Для моделирования использовали почву опытного участка учебного хозяйства Алтайского госагро-университета «Пригородное». Металлы вносили в виде воднорастворимых солей:

РЬ(СНзСОО)2 х 3№0, Сс1804 х 7Н2О, №(СНзСОО)2.

Для изучения металлоспецифических реакций и оценки устойчивости ряда сельскохозяйственных культур на последующих стадиях онтогенеза к кадмию, свинцу, никелю, меди и возможности их использования в качестве фитомелио-рантов была разработана единая поэтапная программа многолетних исследований, которая включала проведение полевых вегетационных опытов с моделированием уровней загрязнения почв различными видами и дозами тяжелых металлов. Для изучения были взяты следующие сельскохозяйственные культуры: пшеница твердая Комсомольская, пшеница мягкая Саратовская 29, гречиха посевная Аромат, (районированные и успешно выращиваемые в условиях Алтайского края продовольственные культуры); просо кормовое, люцерна синегиб-ридная, рапс яровой (районированные и успешно выращиваемые в условиях Алтайского края кормовые культуры).

В условиях вегетационно-полевого микроделяночного опыта изучали влияние различных уровней загрязнения почв свинцом, медью, никелем, цинком, кадмием на их накопление в растениях гречихи посевной сорт Аромат.

В 1994 году был заложен вегетационно-полевой микроделяночный опыт по изучению металлоспецифических реакций растений гречихи на присутствие в почве тяжелых металлов и их аккумуляции в различных органах по следующей схеме:

1. Контроль - без внесения металлов.

2. Свинец 100 мг/кг (1 ПДК по Юоске).

3. Свинец 300 мг/кг (3 ПДК).

4. Свинец 500 мг/кг (5 ПДК).

5. Свинец 1000 мг/кг (10 ПДК).

6. Кадмий 3 мг/кг (1 ПДК по Юоске).

7. Кадмий 9 мг/кг (3 ПДК).

8. Кадмий 15 мг/кг (5 ПДК).

9. Кадмий 30 мг/кг (10 ПДК).

10. Медь 100 мг/кг (1 ПДК по К1оске).

11. Медь 300 мг/кг (3 ПДК).

12. Медь 500 мг/кг (5 ПДК).

13. Цинк 300 мг/кг (1 ПДК по К1оске).

14. Цинк 900 мг/кг (3 ПДК).

15. Цинк 1500 мг/кг (5 ПДК).

16. Никель 100 мг/кг (1 ПДК по К1оске).

17. Никель 300 мг/кг (3 ПДК).

18. Никель 500 мг/кг (5 ПДК).

В 1995 году был заложен вегетационно-полевой микроделяночный опыт по изучению влияния тяжелых металлов на растения проса кормового и яровую пшеницу по следующей схеме:

1. Контроль - без внесения металлов.

2. Кадмий 1,5 мг/кг (0,5 ПДК).

3. Кадмий 3 мг/кг (1 ПДК).

4. Кадмий 15 мг/кг (5 ПДК).

5. Кадмий 30 мг/кг (10 ПДК).

6. Свинец 100 мг/кг (1 ПДК).

7. Свинец 500 мг/кг (5 ПДК).

8. Медь 50 мг/кг (0,5 ПДК).

9. Медь 100 мг/кг (1 ПДК).

10. Медь 500 мг/кг (5 ПДК).

11. Никель 50 мг/кг (0,5 ПДК).

12. Никель 100 мг/кг (1 ПДК).