Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АГРОЛАНДШАФТА

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АГРОЛАНДШАФТА"

А-зтз

На правах рукописи

Мажянскнн Юрнй Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АГРОЛАНДШАФТА

Специальность 06.01.02 — Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Москва, 2002

Работа выполнена в Мещерском филиале Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники мелиорации имени А. Н. Костикова Российской академии сельскохозяйственных наук.

Научные консультанты:

член-корреспондент РАСХН и НАНКР, доктор технических наук, профессор Бочкарев Я. В.;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Дубенок Н. Н.

Официальные оппоненты:

академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кружилин И.П.;

доктор технических наук Панферова Н.И.;

доктор сельскохозяйственных наук Ольгаренко Г.В.

Ведущая организация — ЗАО «Институт «Рязаньагроаодпроект».

Защита состоится 11 июня 2002 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.03801 во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костикова по адресу: 127550, Москва, Б. Академическая, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГиМ им. А. Н. Костикова.

Автореферат разослан «_» мая 2002п>да.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

Б. Л. Воронцова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Проблема загрязнения почв, воды и растений, вызванная техногенными нагрузками на водосборные бассейны и ландшафты, обострилась в последние десятилетия во многих регионах планеты. Загрязняющие вещества накапливаются в различных компонентах биосферы, снижают устойчивость наземных и водных экосистем, влияют на биопродуктивность и качество продукции сельского хозяйства, здоровье и благосостояние людей.

Россия относится к странам с пониженной биологической продуктивностью земель, так как большая часть сельскохозяйственных угодий расположена в зонах недостаточного, неустойчивого и избыточного увлажнения. В ряде регионов загрязнение почв, поверхностных и подземных вод превышает предельно допустимые значения и обусловлено влиянием промышленности, транспорта, энергетики, сельского и коммунального хозяйства. Экологические проблемы земледелия актуальны как для России в целом, так и для южной части Нечерноземной зоны в пределах бассейна р. Оки, представляющей значительный для страны регион с высоким потенциалом развития сельскохозяйственного производства. • 1

В уровнях техногенного загрязнения роль мелиорации сельскохозяйственных земель возрастает и усложняется. Приоритетным направлением'осуществления мелиорации становится создание устойчивых, экологически безопасных, мелиорируемых агроландшафтов и получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции; К числу наиболее актуальных проблем относится научное обоснование режимов мелиораций, обеспечивающих снижение техногенной нагрузки на агроландшафты и водные экосистемы, разработка новых экологически безопасных технологий и технических решений.

Цель и залачи исследований. Цель работы - научное обоснование и разработка режимов комплексных мелиораций; организационных и технических решений по устройству и ведению адаптивно-ландшафтного орошаемого земледелия на техногенно загрязненных почвах, улучшению плодородия почв, получению экологически безопасной продукции, а также сохранению и повышению устойчивости экосистем.

Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:

• исследовать экологические аспекты режимов комплексных мелиораций и разработать критерии нормирования накопления микроэлементов и загрязнения тяжелыми металлами агроландшафта;

• разработать принципы организации и научно-методические - основы проведения регионального почвенно-экологического обследования агроландшафта;

• дать оценку современного состояния и прогноз экологической ситуации в регионе;

• выполнить стационарные исследования и установить закономерности накопления микроэлементов и тяжелых металлов в системе «почва - растения — вода»;

ЦНВ МСХА фонд научной лшорагу!-

„о /-МЗ

• определить оптимальный режим орошения сельскохозяйственных культур в условиях техногенного загрязнения мелиорированных агроландшаф-тов;

• разработать технические решения, обосновать режимы мелиорации загрязненных микроэлементами и тяжелыми металлами почв, способствующие улучшению химического состава дренажно-сбросных вол и снижению уровня загрязнения земель;

• выполнить эколого-экономическую оценку рекомендуемых мероприятий по рекультивации; агроландшафтов в условиях техногенного загрязнения земель микроэлементами и тяжелыми металлами.

Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой «Разработать системы комплексной мелиорации сельскохозяйственных угодий и модели (проекты) экологически адаптированных систем земледелия на мелиорируемых землях для различных регионов страны» в 1996-2000 гг.

Методология исследовании. В основу теоретических и экспериментальных исследований положены труды В. Р. Вильямса, В, В. Докучаева, В. И. Вернадского, А. а Виноградова, А. Н. Костикова, С. Ф. Аверьянова, Г, И. Афана-сика, Б. Б. Шумакова, В. Г. Минеева, Б. А. Ягодина, Ю- В. Алексеева, М. А. Глазовской, В, В. Добровольского, В. Б. Ильина, В. А. Коады, Н. М. Решетки« ой, Б. А. Зимовца, Б, С. Маслова, И. С. Никитина, В.Е. Райкина, Н. И. Парфеновой, Л. В. Кирейчевой, Л. М. Рекса, С. Я. Бездннной, Н. А. Черных, Д. А. Манукьяна, Ю. П. Добрачева, К. Кабата-Пендиас и других известных исследователей.

Методологической основой работы является применение системного и экспертно-анапитического подходов к организации почве нно-экопогаческого обследования агроландшафта, подверженного интенсивному антропогенному воздействию, разработке режимов экологически безопасного орошения. Почвенные обследования, лабораторные, полевые опыты, аналитические исследования и анализы проведены по стандартным методикам. Обработка материалов исследований выполнена с использованием методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании и разработке научно-обоснованных рекульгнвационных режимов комплексной мелиорации земель, технических решений по обеспечению и ведению адаптивно-ландшафтного орошаемого земледелия, способствующих повышению плодородия почв, получению экологически чистой продукции, сохранению и повышению устойчивости экосистемы на основании выявленных закономерностей накопления и миграции микроэлементов и тяжелых металлов в системе «почва — растение — вода».

Впервые разработаны:,

• критерии нормирования содержания в почве микроэлементов и тяжелых металлов, соответствующие функционированию агроэкосистем на нормальном, допустимом и критическом уровнях;

1

• региональная градап«1я оценок уровней техногенного загрязнения почв на основе геохимических особенностей ночвообразующих пород, закономерностей накопления и профильного распределения валовых и подвижных форм микроэлементов и тяжелых металлов в основных типах почв региона;

• методика расчета водопогрсблешш растений и вертикального влаго-обмена а почве, обеспечивающая учет уровня накопления микроэлементов и тяжелых металлов в корлеобнтаемом слое почвы и глубины грунтовых вод для определения экологически безопасного режима орошения;

•-принципиальная схема адаптивно-ландшафтной водооборотной мелиоративной системы и технологический регламент работы ее элементов в зависимости от уровня функционирования экосистем (нормальный, допустимый и критический);

• ноше технические решения по очистке дренажных под с помощью мелиоративного бноканала, способ приготовления органических удобрений, конструкция земледельческого поля орошения, способствующие повышению эффективности земледелия, мелиорации и снижению загрязнешш почв;

• методологические подходы х формированию рекультнвационнмх режимов мелиорации почв с комплексом технических и технологических решений в условиях возрастающего техногенного влияния на агроландшафг.

Научная новизна разработок подтверждается двумя авторскими свидетельствами и одним лате1гтом.

На защиту выносится следующие положения:

• обоснование рекультивационнше режимов мслиораций с комплексом технических решений и агрохимических мероприятий применительно к условиям нормального, допустимого >{ критического уровня функционирования аг-роэкосистем;

• результаты почвешю-эколопгческого обследования агроландшафта на основе научно-методических подходов к его ведешно с учетом выявленного распределения тяжелых металлов по профилю почвенного покрова и региональных геохимических особенностей ночвообразующих пород;

• внутригодовые закономерности накопления и миграции мнкрохлсмсн-товитяжелыхметалловвслстсме«почва—растение — вода»;

• методики расчета водопотребления и вертикального влагообмепа в зависимости от метеоусловий, биологических свойств и продуктивности вида растений, влажности и ' загрязненности почв тяжелыми металлами, глубнны залегания грунтовых вод;

• экологически обоснованные режимы орошения сельскохозяйственных культур, технические .решения и агрохимические мероприятия но улучшению гидрохимического режима вод, реабилитации загрязненных металлами почв о системе комплексных мелиорацмй с учетом токсичности для культурных растений.

Ценность для практики заключается в:

• научном обосновании рекультнвацнонных режимов мелиораций применительно к условиям нормально, допустимого н критического уровня функционирования экосистем; комплексов технических решений агрохимических мелиораций, способствующих снижению техногенного загрязнения почв и гарантированному получению экологически чистой продукшш;

• и возможности использования разработанных оценочных градаций техногенного загрязнения почв на основе изучения региональных почвообра-зугощих пород, которые в основной своей массе являются тяжелыми но гранулометрическому составу >1 целесообразности использования построенных кар-то-схем распределения металлов при планировании и проведении хозяйственных мероприятий;

• установлении экологически обоснованного режима орошения сельскохозяйственных культур, выращиваемых на загрязненных почвах южной части Нечерноземной зоны а пределах бассейна р. Оки, с учетом токсичности загрязнений для культурных растений;

• обосновании режимов мелиорации и мероприятий но оздоровлению экологической ситуации путем улучшения качества дренажло-сбросных вод и рекультивации загрязненных почв.

Реализация работы. Полученные автором результаты исследовании реализованы при:

• разработке рекомендаций: «Режимы комплексных мелиораций земель», 2000; «Регулирование водного режима и баланса тяжелых металлов увлажняемых почв при антропогенных нагрузках», 2001; «Использование сточных вод Рязанской области», 2001;

• проектировании мелиоративных систем с комплексом рекультнваци-о иных мероприятий и технических решений в АОЗТ «Ряжскнй», 1992; «Алек-сандро-Невскал евннобаза», 1994; «Рязанские сады», 2001; «Авангард», 2002;

• подготовке и внедрении и учебный процесс методических пособий для студентов высших учебных заведений мелиоративных и экологических специальностей «Протнвоэрознонные мероприятия с учетом экологических требований», «Агроэколопгческая оценка загрязненных почв и мероприятия по их рекультивации», «Утилизация сточных вод на полях орошения», 2000;

• планировании и осуществлении программ водохозяйственных и мелиоративных мероприятий Управлением «Рязаньмелноводхоз» и АОЗТ «Институт «Рязаньагроводпроект».

Под методическим руководством и при непосредственном участии автора в проведении совместных исследований защитили кандидатские диссертации В.Ф. Евтюхин, O.A. Захарова, Т.М. Гусева, .

Анробаинн работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных конгрессах, всесоюзных, международных и отраслевых совещаниях и конференциях: «Повышение эффективности орошаемого земледелия на основе нормирования водопользования» (Кишинев, 1985); «Ито-

га научных нсследовшшй н внедрение метода программирования урожайности» (Москва, 1987, 1989); «Экологическое совершенствование х1елноративных систем» (Москва, 1989); «Биологические, экономические, экологические основы нормирования водопользования в орошаемом земледелии» (Днепропетровск, 1989); «Проблема природно-мслиоративного мониторинга СССР» (Смоленск, 1990); «Социально-гигиенические и медицинские аспекты здоровья» (Рязань, 1995); «Международная научно-практическая конференция по использованию достижений науки и техники в развитии городов. 1С5ЕС96» (Москва, 1996); «Человек и окружающая среда»» (Рязань, 1997, 1998, 1999, 2000); «Инженерное и информационное обеспечение экологической безопасности в Тамбовской области», «Экология-98» (Тамбов, 1998); «Проблемы мелиорации и водного хозяйства на соврем ешюм этане» (Горки, Беларусь, 1999); «Вторичные ресурсы; социальноекономическне, экологические и технологические аспекты» (Пенза, 1999); «(Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 1999); «Новое в экология и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999, 2000); «Вопросы региональной эгалоши» (Тамбов, 2000); «Проблемы мелиорации, водохозяйственного строительства и обустройства сельских территорий на современном этапе» (Горю», Беларусь, 2000); Ш съезд До куч ае веко го общества ночвоведов (Суздаль, 2000); «Современные проблемы использования почв н повышение эффективности удобрений» (Горки, Беларусь, 2001); «Функции почв. в бносферно-гсосфсриых система») (Москва, МГУ, 2001); VI Всероссийская конференция «Управление рисками чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2001).

Публикации, Результаты исследований опубликованы в 187 научных и научно-методических работах, в том числе в четырех монографиях (три из них в соавторстве), получены два авторских свидетельства и один патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит ш введения, пят глав, выводов и предложений, списка использованной литературы из 560 наименований, 31 приложения. Общий объем диссертации 455 страниц, из инх-326 страшщ основного текста, 59 таблш!, 54 рисунка.'

Автор настоящей работы выражает благодарность за помощь в про веде-нни исследований сотрудникам МФ ГПУ ВШШГиМ: ¡Ё. А. Стельмаху{ Т. К. Никушнной, В, А, Лисютину, ЮЛ. Томину, П. II Пыленку, И. В. Сидорову, К. II. Евсснкнну, В. Л. Ипгатенок, Л. Л. Давыдовой,

За научные консультации и ценные советы автор благодарен ведущим ученым в области экологии и мелиорации Я. В. Бочкареву, II. Н, Дубснку, Н. А. .Черных, Б. М. Кнзяеву, В. Е. Райнину, Л. В. Кнрсйчевон, Н. И. Парфеновой, Л. М- Рексу, С; Я. Безднтюн, Д. А. Манукьяиу, Ю. П. Добрачеву, 1!. Ф. Юрченко, М. II Гоголеву.

Глава 1. Проблемы комплексных .мелиорации в условиях техногенного загрязнения Интенсивное промышленное и сельскохозяйствсштое использование природных ресурсов вызвало существенные изменения природных циклов боль-

шинства химических элементов, в том числе мнкроэлемогтов (МЭ) и тяжелых металлов (ТМ). Главными антропогенными источниками поступления МЭ и ТМ в биосферу являются предприятия по добыче и переработке черных и цветных металлов, тепловые электростанции и теплоцентрали, транспорт, машиностроительная и химическая промышленность, сельскохозяйственное производство (II. С. Шатилов, В. В. Добровольский, Н. Г. Зырин.Н. А. Черных и др.)- В атмосферных осадках растворяется значительная часть газообразных веществ и аэрозольных элементов, которые обусловили формирование территории с повышенным и высоким содержанием в почве токсических элементов.

Удобрения обеспечивают 50% прибавки урожая, способствуют повышению плодородия почв, улучшению их физико-химических и биологических свойств. В месте с тем многие авторы (В. Г. Минеев, Б. Л. Ягодин, Ю. Л. Пота-туева, И. Л. III «льни ко в и др.) отмечают возможность накопления в почве МЭ и ТМ при использовании минеральных и органических удобрений и химмелио-рантов.

Миграция и трансформация соединений МЭ и ТМ в почве происходит п водном растворе при участии корней растений и микроорганизмов. В процессе почвообразования металлы сорбируются шдроксндами железа, глинистыми минералами и гумусом (А. П. Виноградов, В. А. Ковда, Н. А. Протасова, Б. П. Ахтъгрцсв и др.). Состояние почкм в целом и се отдельные физико-химические свойства, определяются, в значительной мере, геохимическим фоном. В последние годы в России осуществляется почвенIю-зкологическос обследование регионов но содержанию МЭ и ТМ в почвах (В. Б. Ильин, В. Ф. Иванова, Н. А. Кирпичников и др.). Растения извлекают металлы из почвы в небольших количествах, а основная масса поступает аэрогенным путем, аккумулируется в основном в корнях и надземной массе растений (Ю. В. Алексеев, А. Кабага-Пендиас, А. В. Гришина и др.).

Оценка степени загрязненности почв МЭ и ТМ основана на санитарно-гигиенических характеристиках н виде предельно (ориентировочно) допустимых концентраций, разработанных только по шести элементам, и на кларках по А. П. Виноградову. Наиболее точные результаты дает метод оценки загрязненности почвы, базирующийся на местном фоновом содержании (И. Г. Важсшш, Л. Л. Шишов). Анализ опубликованных работ позволяет заключ1ггь , что из природных факторов,' обуславливающих уровень валового содержания металлов в пахотном слое почвы определяющим является фактор почвообразующей породы (Н.З. Милшценко, В. А. Большакова, В. Д. Муха, В. П. Дсева и др.).

Почва способна активно трансформировать соединения, повышать или понижать их миграционную способность. Эта способность образует нисходящий ряд: чернозем типичный > дерново-подзолистая окультуренная > дерново-подзолистая н со культурен пая. Водохозяйственная и мелиоративная деятельность активно влияют на эту способность, воздействуя на почву, зону аэрации, грунтовые воды, регионапЕ»ныс гидрохимические потоки, интенсивность геологических круговоротов. Экологическую ситуацию в крупных регионах, сложившуюся под влиянием водохозяйственной и мелиоративной деятельности

исследовали Б. Б. Шумаков, И. П. Кружилtm, М. С. Григоров, Н. М. Решеткнна, Н. И. Парфенова, В. Е. Райнин,.В. Л. Щербаков, Ю. П. Добрачев, Jl. М. Рекс, JI. В. Кирейчева и др. '

Орошение земель в Нечерноземье имеет свою специфику, обусловленную наличием здесь ■ сухих и засушливых лет (обеспеченность 35-59%), недостатка влаги, особенно на супесчаных почвах, в «критические» периоды развития растений. Эффективность орошения зависит от совпадения сроков полива с периодами снижения влажности почвы и максимальным суммарным испарением,, а также от влажности корнеобнтаемого слоя почвы. На это обращали внимание Л.Н. Костяков, С. М; Ллпатьев, И. С. Шатилов, И. П. Кружили» и др.

'А. Н. Костяков; С, Ф. Аверьянов, А. Д. Саваренскнй, П. С. I !икитин и др. заложили теоретические основы расчета водного режима почв в различных почвенно-кянмагнческнх условиях. Нормы орошен)ш зависят от метеоусловий, биолотческих особенностей культур, глубины увлажняемого слоя, фазы развития растений, проектной урожайности. В рзечетах предлагалось определять волонотрсбленне на основе анализа метеорологических факторов с учетом зональных коэффициентов расхода влаги. Были предложены различные способы уточнения (¡иоклнматнчсских коэффициентов путем установления соотношений фактических и среднсмноголетннх сумм дефицита влажности воздуха. Устойчивость значений биоклнматичсских коэффициентов повышается, если учесть коэффициент пропорциональности между испаряемостью и дефицитом влажности воздуха (А. Р. Константинов, В. П. Оетапчик, П. А. ВолковскиЙ и Др.).

Водный режим почв в условиях Нечерноземной зоны РФ в значительной мере формируется под влиянием грунтовых под. Дтя подпитывания зоны аэрации грунтовыми водами применяются способы, которые учитывают биологические особенности культур. Но большинство способов носит региональный характер, рекомендации по ихприменению не учитывают экологическое состояние экосистем и, в частности, загрязнение почвы МЭ и ТМ. При мелиораиин в системе «почва — растение» происходит усиление миграционных процессов, что способствует выведению полютантов m биологического круговорота (А. Ф. Аверьянов, А. И. Шаров, Б. С. Масло в, Н, М. Губин, JI. М. Рекс).

Процессы переноса вещества и энергии связаны с водообменном в геологических структурах и наиболее активно он протекает внутри речных экосистем, где в биологические круговороты в условиях техногенеза включаются микроэлементы и тяжелые металлы. Вместе с аэрогенными выбросами в водоемы попадают отходы и сточные воды животноводства, дренажные воды ме-. лноратнвных систем. В руслах рек наносы мелких фракций в процессах конвекции могут служить источником вторичного загрязнения водной среды (Б. В. Виноградов, А. И. Псрельман, И. И Полипов, В. О. РаЙннн, С. Я. Бездетна, Н; Ф. Глазовскнй, М. С. Григоров и др.).

Проблема загрязнения агроландшафтов МЭ it TN1 возникла во второй половине XX столетия и в настоящее время недостаточно исследована. На сорре-

меином этапе ее исследования назрела необходимость в определенШ1 предельно допустимых нагрузок на мелиорированные агроландшафты.

Высокие техногенные нагрузки на агроландшафты способствуют загрязнению воздуха, воды п почвы, 'гто приводит к снижению продуктивности агрсь ценозов. Основанная па концепции устойчивости экосистем гипотеза о возможности предотвратить снижение продуктивности огроцсиозов путем применения комплексных мелиоративных мероприятий была предложена и получила развитие в настоящей работе. Было использовано предположение, что функционирование экосистемы в условиях возрастающей техногенной нагрузки может происходить на трех уровнях (нормальном, допустимом и критическом), обусловленных накоплением в почве микроэлементов и тяжелых металлов. Экспериментальной проверке и подтверждению выдвинутой гипотезы, а также разработке режимов комплексных мелиораций техногенио загрязненных земель, обеспечивающих их рекультивацию и повышающих уровень функционирования и стабилизацию экосистем, посвящены следующие главы работы.

Глава 2. Современное состояние агроландшафта >1 ирогноз экологи ческой ситу ации в бассейне р. Окн

Реализованная о работе методика регионального обследования агро-ландшафга основана на экологическом и технологическом подходах к анализу состояния мелиоративного земледелия. Основными исследованиями охвачены все природные зоны бассейна р. Оки. Наиболее детальные проведены в пределах Рязанской области, ,

Рязанская область .представляет регион, типичный для южной части Нечерноземной зоны Российской Федерации. Общий земельный фонд составляет 3,96 млн. га, в том числе площадь земель сельскохозяйственного назначения -2,9 млн. га. Большая пасть территории рязанской области (97%) входит в Окский бассейн. В некоторых районах Рязанской области почвы, поверхностные, подземные воды и атмосферные осадки загрязнены металлами (кадмий, евннен, медь, цинк и др.), биогенамн, нефтепродуктам» н другими загрязняющими веществами под влиянием выбросов промышленных предприятий, транспорта, тепловых электростанций, а также сточных вод предприятий промышленности, сельского н коммунального хозяйства. Поступая в почвы и водные источники, загрязняющие вещества накапливаются и переходят по звеньям трофической цени в организм животных н человека.

Основная цель обследования — подучить информацию о тенденциях развития экологической ситуации на региональном и локальных уровнях для разработки мелиоративных мероприятий. Для этого использованы стационарные полигоны, опорные участки, точки наблюдения, которые типичны для большей части территории и репрезентативны по условиям техногенной нагрузки, источником загрязнения и миграции загрязняющих веществ. При этом изучалось качество атмосферных осадков, проводилось общее экологическое обследование территории. Соблюдались требования своевременности, достоверности, наглядности информации, характеризующей состояние агроландшафта.

Методика проведения работ на мелиорируемых землях, подверженных загрязнению, имеет свои особенности. Организация регионального почвснно-экологического обследования (РПЭО) может быть реализована и представлена с помощью и на основе формирования геоинформационной системы: 1 - карты природной ■ организации территории и антропогенных нагрузок; 2 — базы данных по результатам полевых обследований, типам почвы, аэрогенным, тех-ногетшм нагрузкам; 3 - базы данных по улучшению экологической обстановки на загрязненных землях.

Были последовательно изучены источники загрязнения (промышленные и сельскохозяйственные), выявлены прнор1ггетиые загрязняющие пещества, пути их миграцтт, проведено геохимическое районирование и картографирование региона, рекогносцировочные полевые обследования. На этой основе составлены рекомендации по почвеннооколошческому обследованию. Одновременно создавалась компьютерная база данных и составлялась карта загрязненности агролакяшафта. РПЭО явилось центральным звеном, синтезирующим разноуровневую информацию в целях выработки необходимых решений и рекомендаций на осноиаиш! проведенных исследований состояния почв Рязанской области.

Начиная с 1992 года, были организованы полевые обследования агро-ландшафтов. В приоритетную часть программы вошло изучение накопления, трансформации и миграции металлов. Доя этого были организованы экололи-гоны, где проводились экспериментальные исследования, а также оборудованы опорные точки в выделенных хозяйствах на основных типах почв. При организации стационаров и оборудовании точек наблюдений учтено, что в последнее время заметное влияние иа процессы почвообразовании оказывают техногенные факторы. Расположение точек наблюдений представлено на рис. 1.

Рис. 1. Расположение точек наблюдений. Результаты исследований техногенных воздействий ira территории области представлены в виде карты-схемы распределения суммарной техногенной

нагрузки по районам Рязанской области (рис. 2). Основными загрязнителями экосистем области являются промышленные комплексы г. Рязани (>20 баллов), заводы ■ гг. Касимова, Спасска-Рязанского, Михайлова (16-20 баллов), Сасова, Скопина (11-15 баллов) и др.

Техногенную эмиссию микроэлементов тяжелых металлов изучали с 1994 по 1999 гг. путем определения их содержания в летних и зимних осадках. Летние осадки в среднем содержал!I '¿л- 0,041 мг/л, Си - 0,025, РЬ - 0,012, С<1 -0,0009 мг/л, зимние - соответственно меньше 0,011, 0,006, 0,013, 0,0007 мг/л. Максимальные поступления на земную поверхность с пылевидными выпадениями отмечены 2п, РЬ и Сё, а с жидкой фракцией осадков — Си. При оценке плотности атмосферного потока МЭ и ТМ выявлено, что ежегодно в среднем на каждый гектар терршорни региона поступает 2л - 181,2 г, РЬ - 53,6, Си - 73,8, С(1—4,7г,

Суммарная {иггропогешш нагрузи в баллах

•т

о*

очень тпкая

«-10

тпкая

11-15

средняя

16-10

повышенная

Рис. 1. Схема распределения суммарной техногенной нагрузки по районам Рязанской области.

Включение техногенных веществ в природный круговорот влияет на баланс МЭ и ТМ в агроценозе. Для сравнена разных систем удобрений в земледелии Рязанской области выделены два периода в сельскохозяйственном производстве: 1988-1990 и 1996-1998 гт. Они резко различаются по степени химизации сельского хозяйства (табл. 1). Так, на каждый гектар пашни в среднем поступало с промышленными удобр!гтелышмн средствами в 1988-1990 гг. Zn -34,4 г, Си - 24,7, РЬ - 17,1, Cti - 2,15 г,:в 1996-1998 чгг. соответственно 1,67; 1,23; 1,11; 0,146 г. Загрязнение почвы МЭ и ТМ за счет атмосферных выпадений составило: Zn-217,4-181,2 г/га, Си-88,6-73,8, РЬ-69,3-53,6, Cd - 5,64-4,7 г/гз. В первом периоде получены более высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Баланс МЭ и ТМ был полож)ггсльным в изучаемые периоды. Причем доля атмосферных загрязнений с 1991 года выросла с 55,5-67,8% до 85,6-94,4% от общего поступления.

Для исследования особенностей распределения МЭ и ТМ по основным типам почв были заложены 17 полнопрофильных разрезов. В почвенных образцах, которые отображают геохимические свойства слоев 0-10, 10-20, 20-40, 40-

60 см и далее до материнской породы, определены валовые и подвижные формы МЭ и ТМ.

1. Баланс металлов в агроценоэе Рязанской области

Поступление с Расход Ба-

з удоСренмнм тр- атмо- Псего Уро- Лтропрсшгодст»«ни4» Всего ланс,

Я 5 етью сфер- жаем чртия

1 мине- ерга- ИЫЧИ (1Ы- т«мо- тут- по-

ч П рАТЬ" НИ- осад- нос) логи- рмпоч- мрх- КОП-

кымя чес- мм» чгсим МИНИ ИОСТ" •кипа

ихч

7л 201 22Л 1А2 2ПЛ 2i5.fi ал он 022 2Л МЛ ±2222

1 5.7 28,0 4,0 61.1 100 92.9 0,2 1,3 5,6 100

Си и 412 tS.fi 152,5 ш 1Ш {Ш 2Л Ш5

1 5,1 28,4 10,4 55,5 100 78.7 0,6 5.4 15.3 10 +90,2

в* РЬ 2Д 7Л Ш Ш й2 (Ш 012

9,8 7,9 14.1 67.8 100 75.2 0,9 22 21,7 10.0 -»91,3

са 1Л2 2Л5 ¡ш Ш 9.97 (Ш 0.<КУИ ОД1 001 052 12Л2

М.ч 21.« КМ 93.0 ...0,1 „ 5.2 100 494,2

гп С,94 ш 02 12ц газа 2£Л о.ок ОН ШХ

03 11,1 0,4 Е6.5 100 «9,1 од 2.0 8.7 100 -»80,3

Ой Си 0,14 ш 025 ш 12 № да 2Л ±25.2

о-. 0,4 12а 1.0 85.6 100 65. б 0.5 8,1 22.« 100 87,8

1 РЬ 041 и. (Ш Я.6 ¿и 15 0.04 016 12 Ш ±112

0,8 3.1 и 94,4 100 Ш 0,7 2.9 32,1 100 +90,1

С4 О.ОТЙ 05 им ¿2 5Л2 022 осиц 002 001 022

1.8 9,3 0,9 87,й 100 87,8 0.13 9.1 3.0 100 +9^9

Праиечдмик в числителе - г/гя, в нимсютыс - от+Ве«о». .

Серые лесные почвы данного региона больше аккумулируют в верхних слоях 2п, Мп, черноземы — Со, В, V, дерново-подзолистые (тяжелые) — Си, РЬ, Сё, Мо, 5п (табл. 2,3,4).

В супесчаной почве выражена биогенная' аккумуляция » верхней части профиля 2п, И, РЬ, Си, Мп. Содержанке Сг и V имеет два максимума: ц гумусовом и иллювиальном горизонтах. Почвообразующие породы содержат этих элементов значительно меньше, чем почвы (табл. 5).

Внутрипрофильное распределение МЭ и ТМ в почвах с тяжелосуглинистым гранулометрическим составом характеризуется присутствием четко выраженных махенмумов. Во всех лочвах наблюдается биогеохнмичсская аккумуляция Си, Мп, 1л, N1, С<1 и Со - первый максимум. Второй максимум 7л, Си, РЬ, Со, № отмечен в слоях 40-60, 60-80, 80-100 см, что связано с утяжелением механического состава и аккумуляцией металлов в иллювиальных горизонтах, то есть на геохимическом барьере, вп н Мо практически равномерно распределены по почвенному профилю.

В аллювиальных луговых почвах наблюдается относительно равномерное распределение 2п, Си, С<1, Сг, Мп в метровой толще их профиля, что обьясняег-ся сравнительной однородностью гранулометрического и минералогического состава. Нарушение этой закономерности происходит под влиянием биогенной аккумуляции Си, Мп, 2п, РЬ, Сё в верхней части гумусового горизонта (табл. 6). Содержание тяжелых металлов глубже 80 см заметно изменяется (уменьшается 2п, Сё, Мп и увеличивается - Си, РЬ, Сг, В, Зп, Мо).

2. Распределение и ТМ в серой лесной почве, ыг/кг

Глубина, Валовое содержание (среднее из 3-4-х разрезов)

см 2л | Си РЬ 1 « Сг Со В , | Мп 1 V | '№ в« Мо

0-10 67,0 36,7 15^ 032 46,7 9,3 32 1167 87 16,7 2,7 0.7

10-20 553 ЗЗД 15,0 0.19 46,7 7,6 30 1000 80 133 2,0 0,9

20-40 503 31,6 14,6 0,16 50,0 9,7 31 500 103 15,0 2,7 0,5

40-60 зи 20,2 13,9 031 533 8.7 32 400 100 16,7 23 03

60-80 49,1 26,7 12,7 0,18 56.7 9.0 32 366 93 133 2,7 0,5

80-100 44,1 19,4 123 0,17 533 9,1 30 400 93 133 2,0 0,6

100-120 41,6 243 10,9 0,14 60.0 7,3 30 366 100 16,7 23 03

120-140 33,5 22,3 11,9 0,14 53,3 9,0 30 400 100 16,7 23 0.7

140-160 36*5 20,9 13,4 0,16 65,0 7,7 - ■ 466 1 НО 233 23 0,9

НСР0„ 2.1 1.0 0,5 0,03 и 0.4 13 17,0 2,4 0.8 0.1 0.03

3. Распределение МЭ и ТМ в черноземе выщелоченном, мг/кг

0-10 55,7 28,6 18.7 0,26 72 15,0 34 780 110 22 33 0.8

10-20 45,8 31,6 15.4 0,29 68 11,6 30 600 92 18 2.6 0,6

20-М) 48,4 30,1 12,4 озо 68 12,0 30 620 96 20 3,0 0,7

40-60 69,8 28,8 16,9 0,28 72 14,0 32 560 96 23 3,0 0,6

60-80 58,4 293 15,1 037 76 14,0 30 520 96* 19 3,4 0.7

80-100 40,4 28,0 11.6 0Д4 70 12,0 32 500 100 21 33 0,9

100-120 34,7 25,9 12,1 034 72 10,6 28 400 98 14 2,4 0,7

120-140 35,2 26,8 11,8 озо 65 93 25 360 85 - 23 0,8

НСРоо, 1,9 1,0 0,4 0.02 1,1 0.4 1.0 15,8 2,7 0.9 0.1 0.04

4, Распределение МЭ и ТМ в дерно ао-подзд листой тяжелое утлияистоЛ почве, мг/кг

0-10 50,5 42,3 24,6 031 100 15 33 1100 93 30 33 1,0

10-20 44,5 39.7 20,2 0,26 93 10 30 «67 87 23 2,7 0,9

20-40 36,6 39,6 16,9 033 87 12 37 667 87 20 3,0 0,8

40-60 47,2 37,5 17,2 031 93 12 33 400 93 20 2,7 0.8

.60-80 52,0 37.6 21,8 0,18 100 12 33 433 117 27 3,0 1,0

80-100 62,4 40,3 20,0 036 100 15 30 500 100 23 3,0 0,7

100-120 45,1 40,5 223, . 0Д6 93 13 33 467 100 27 3,0 0,8

120-140 45,1 40,6 253 039 93 12 . 33 433 117 30 3,0 0.9

140-160 50,1 43,2 24,7 031 100 13 33 533 100 30 3,3 0,7

ИСРом 2.0 1.7 0.8 0.02 3,6 1.0 0.6 13,5 3,5 1.9 0,1 0.03

5. Распределение и ТМ в аерлово-полюлнетой песчаной и супесчаной почве, мг/кг

0-10 12,5 14,5 5,7 0,07 16,7 23 133, 600 20,0 6,7 1,7 0,9

10-20 10,8 14,6 7,3 "0,08 20,0 2.7 12,7 500 233 7,7 1,9 13

20-40 11,8 11,0 43 0,07 16,7 3,0 133 467 26,7 83 2.0 0,9

40-60 7,0 15,4 .4,1 0,05 20,0 2,0 93 233 20,0' 83 0,7 0,9

60-80 5,7 13,8 ' 4,1 0,03 23,3 2.0 8,7 267 23,3 8,7 0,7 0,7

80-100 5,6 15.4 4,4 0,04 21,7 23 11,0 267 21,7 10,0 и 0,9

1004 20 6.« 15,7 2,1 0,05 16,7 2,7 133 267 23,3 133 1,0 0.7

120-140 53 13,8 2,4 0,04 10.0 2,0 83 200 16,7 93 13 0,7

140-160 7.8 13,9 23' 0,04 - 2,0 11,7 167 26,7 9,0 1,0 0,7

НСР<><* 0,6 0,3 0,1 0.01 0.8 0,03 0.6 12,1 0.8 03 0,1 0,02

б. Распределение металлов в аллювиальной луговой почве, мг/кг

Глубина, . Половое содержание (срехпсс in 4-х разрезов)

см Zu 1 ^ ! РЬ. Cd Cr Co | В 1 Mn 1 V N1 j Sn Mo

0-10 65,8 30,7 18,5 0,33 65 10 35 1100 . 103 20 .3,5 0,70

10-20 63,8 28,9 16,8 0.28 60 12 35 1000 103 23 3,5 0,63

20-40 63,1 27,1 15,5 0,27 58 12 35 925 . 103 20 3,0 0,68

40-60 60,1 31,2-' 13,6 0,23 63 13 38 1050 117 20 4,8 0,65

60-80 62,9 24,6 ■ 14,8 0.25 70 17 38 1275 117 28 2,8 0,78

80-100 62,0 26,4 12,8 0Д5 6$ 14 35 . 1200 93 26 3,0 0,75

100-120 58,3 26,0 14,8 0,17 65 15 40 550 100 24 4,8 0.80

120-140 42,1 33,1 . 19,9 - 93 10 43 567 100 33 3,3 0,90

HCPe« US 0,7 0.5 0.02. 0,9 02 1Д 17,0 ' 1.0 0.4 0.1 0.02

7. Распределение подвижных форм металлов в профилях почв. мг/кг

Глубцла, Дерново-ползо.гнстые Серые лесные Черноземы

см 7л Си Ni Mn Zn Cb Ni Mn Za | Си Ni Mn

0-Ю 1,44 0,15 038 19,3 1,92 0,13 0,34 15,8 1,32 0,07 0,37 6,11

10-20 1.42 0,15 0^87 2U 0,70 0,39 0,39 13,2 1,38 0,07 0,29 6,49

20-40 0,94 0,09 0,24 9,0 0,61 0,31 0,44 12,9 1,42 0,05 0,22 4,61

40-60 0,98 0,07 0,30 2,36 0,28 0,31 035 6,3 1,46 0,07 0,30 2,13

60-£0 0,39 0,10 0,25 0,76 0,26 0,11 0,30 6,8 1,79 0,13 0,31 3,14

so-too 0,44 0,10 0,18 0,95 0,36 0,15 0,29 8,3 2,14 0,09 0,29 3,09

100-120 0,45 0,11 0,14 0,94 0,33 0,15 0,42 9,4 1,79 0,20 0,20 7,07

120-140 0,48 .0,14 0,10 0,90 0,27 0,17 0,14 6,3 2,05 0,14 0,15 1,66

ltCPw 0,04 0.02 0,02 0,08 0,03 0.01 0,02 0.08 0,03 0,01 0.01 0.05

8. Содержание металлов в почвообразующих породах _Рязанской области, мг/кг_

Элемен- Тяжелые суглинка Покровные суглннкн, Г.1Ш1Ы Аллювиальные отложения Среднее для тяже-

ты* Морена Лессовидные Карбона п!ке Беекзр-бонзтие Глинистое Песчаные лых пород

Zn 4IA10 33±S 42*3 3815 4617 712 4114

Си 27*7 27И0 23i8 2318 2019 1510,3 3015

Pb 16+4 14il 81-1 1412 1313 310,7 17*2

Cd 0,23*0,08 0,2910,09 0.15±0,02 0.2210,05 0,2210,07 0,05*0,01 . 0,2010,02

Cr 7718 87115 4316 84110 , 77±7 1513 74i8

Co ЮН 10« 7А1 1212 1010,7 2,310,6 Uli

В 23*8 27iS 28±3 3213 3816. 12±2 3312

Mn 433¿77 433*14 33312 469150 557110 22016 447142

V 125157 80*26 90И0 10510,4 10011 21±б 100*6

Ni 17*7 23-1-7 №0 2716 2&12 8*1 2313

Sn 2,310,8 3,3*0,8 2,0*0,6 3,110,3 3,010,2 1,310,2 2,410,4

Mo 0,8Ю,1 0,910,2 0,6i0,l 0,8Ю,1 0,8*0,1 0^±0,1 0,8i0,l

Содержание'подвижных форм свинца, кадмия, молибдена, кобальта и хрома определено по всем слоям и составило соответственно 0,3; 0,03; 0,3; 0,08; 0,08 мг/кг. Содержание подвижного Zn (экстрагент ацетагно-ам мони й ны й буфер рН 4,8) по всем почвам колебалось огт 0,26 до 2,14 мг/кг, Си от 0,7 до 5,8 мг/кг, Ni от 0,10 до 0,87 мг/кг (табл. 7).

При изучении элементного состава почвообразующих пород — главного фактора, определяющего содержание МЭ и ТМ в почвах, выяснено, что пески н супеси имеют малое содержание всех металлов, в том числе биогенных микроэлементов Zn, Cu, Со, Мп, Мо. Исследуемые почвообразующие породы региона тяжслосуглинистого гранулометрического состава содержат Zn от 33 до 46 мг/кг, Си - 20-27, РЬ - 8-16, Cd - 0,15-0,25 мг/кг и т.д. (табл. 8), Геохимический состав почвообразуюипгх пород изучаемого региона был принят за региональный фон (табл. 9). Следует отмстить, что региональный фон Zn, Cd, Сг, Mn, Ni, Мо, V меньше кларковых (средних) глобальных величин, а Си, РЬ, В, Со — больше,

9. Градашгя почв по валовому содержанию МЭ и ТМ н с учетом индекса

суммарного загрязнения, мг/кг

Эле- Регио- Градация уровней загрязнения почв

менты нальный 1- 2- 3- 4- 5-

фон нсгагрязнетлыЛ 1ШЗКНЙ средний поямшенныЯ RLTCOKHfí

Zn 35±3 .<35 35-70 70-105 105-140 145-175

Cu 2714 <27 27-54 54-81 81-116 116-151

РЬ , 121.0,8 - <12 12-24 24.36 36-48 48-60

Cd 0,1 Si 0,02 <0,18 0J8-0.36 0,36-0,54 0,54-0,72 0,72-0,90

Cr 6117 <61 61-122 122-183 183-244 244-305

Со 9tl <9 9-18 18-27 27-36 36-45

В 2711 . <7 27-54 54-81 S1-116 116-151

Мп 40ÍH35 <400 400-800 800-1200 1200-1600 1600-2000

V 8315 <83 83-166 166-249 249-332 332-415

N1 20*2 . <20 2040 40-60 60-80 80-100

Sn 2,6+03 ■ <2,6 2,6-5,2 5,2-7,8 7,8-10,4 10,4-13,0

Мо 0.710,07 <0,7 0.7-1.4 1,4.2.1 2,1-2,8 2,8-3,5

- . <1 1-13 13-25 25-37 >37

- 0,08 0,08-1,08 1,08-2.08 2,08-3,08 >3,08

Для оценки суммарной загрязненности разработана градация, по которой почвы, имеющие содержание металлов и элемеггтов равное пли меньше регионального фона, считаются незагрязненными и относится к первой группе. Вторую группу и низкий уровень загрязнения МЭ и ТМ имеют почвы, содержащие два фона и т.д. В качестве критерия экологического нормирования принят индекс суммарного загрязнения почвы (2^.) ТМ на основе формулы Ю.Е. Сает:

; (1) ■и

где К, ~ концентрация в почве 1-го загрязнителя, мг/кг; А"^ -региональный геохимический фон 1-го загрязнителя, мг/кг, п - количество загрязнителей.

Концентрация Кф в формуле (1) рассчитана на основе 12 региональных кларков и равняется сумме их коицадпрацнй. Такой уровень МЭ и ТМ в почве принят нами, как незагрязненная почва, (табл. 9).

Стационарные точки наблюдений, расположенные вокруг .Рязанского промышленного комплекса, непыгывают высокою техногенную нагрузку. Аллювиальные почвы АОЗТ «Московское», «Заборье» и ТОО «Овощевод» испытывают двойную нагрузку: техногенную - через атмосферу и посредством наносов паводковых вод при разливе р. Охи. Так в почвах этих хозяйств среднее содержание наиболее токсичного элемента РЬ стало более двух региональных кларков и приблизилось к порогу, за которым возможны негативные последствия. В почвах ОПХ «Полково» его концентрация осталась па уровне фона. Произошло увеличение содержания 2п, Си, V, Мп в почвах в два-пять раз по сравнению с региональны»! фоном практически всех хозяйств (табл. 10).

Эле- PaiMtCKiitt район Клеимо ас кий район Рс-

мен- АОЗТ ТОО АОЗТ ОПХ Сов- У чх01 Колхоз ТОО ТОО пш-

ты в Мо- «Ово- «За- «Пол- Х01- «Стень- «Борь- «Ма- «Друж- нзль-

сков- ще- Go- ково» техии ки по» ба» як» ба» HLdl

ское» вода рьеч кум фон

2л 148 150 ; 117 21 59 74 39 73 35 35

Си 59 57 69 54 76 32 57 80 55 27

РЬ 30. 27 28 10 24 28 12' 33 15 12

Мо 6 0,8 0,9 1,3 U 0,5 U 0,9 U 0.7

Мп 675 1966 ИЗО 525 761 1500 529 812 600 ■400

Й 48 42 45 18 28 30 16 37 24 27

Со И 12 6 2,4 6,8 8 6,7 10 4,5 9

Сг 70 82 55 115 119 117 12) 100 100 61

N4 34 31 )2 10 17 65 21 18 20 20

V 275 220 200 40 143- 80 147 267 138 83

Яп 62 7,4 . .. V 2,6 5.7 2.0 5 5 5 26

Полевое обследование полигона в Касимовском районе показало, что наибольшему загрязнению подвержены почвы, находящиеся в непосредственной близости к заводу цветных металлов. Резко увеличилось содержание в почвах ТОО «Маяк» V, Си, РЬ, Мп (табл. 10).

В северной, северо-восточной частях Рязанской области, в зоне наибольшего распространения легких дерново-подзолистых почв, отмечается в среднем локальное накопление в пахотном слое более двух региональных кларков марганца в колхозе «13 дет октября» и ТОО «Пролетарское», Си — ТОО «ТЮков-ское»п2п — «13 лстОктября»(табл. И), >

В зоне распространения серых лесных почв низкий и средни» уровень загрязнения РЬ установлен в АОЗТ «Рязанские сады», ТОО «Сапожковское» и ТОО «Альютово». Накопление Си, Мп выше регионального кларка » почвах зоны произошло почти во всех изучаемых точках наблюдения, а 7л в ТОО «Альютово» и V — АОЗТ «Рязанские сады» и ТОО «Альютово» (табл. 11).

11. Среднее содержание ТМ и МЭ и основных типах почв Рязанской области, ___' __мг/кг_

Эле- Дерноао-подзолнстые Серые лесные Регио-

менты ТОО «Тю- К-з «13 лег ТОО «Про- НП «Ме- АОЗТ «Ря- ТОО «Сапо- АОЗТ «Друж- АОЗТ «Риж- ный фон

ков- Октяб- летар- ■ щер- занские жков- : Сал ский»

ско«» ря»' ехое» СКИЙ» сады» ское»

2л 38 110 41 24 36 5В .. 58 41 82

РЬ 20 16 15 13 36 34 16 20 36

Си 75 53 49 11 85 56 51 76 80

Мо Мп 1.9 660 1,3 1060 ' 1,1 1094 0,6 719 0.9 850 0,9 800 0,9 953 0.6 472 0,9 850

В 26 35 31 21 48 • 37 35 30 35

Со 6 11 ;б Z3 П 9 11 9 18

Сг 114 .38 • 50 13 75 22 31 46 70

N4 20 20 27 7 30 20 21 27 25

V 162 153 44 51 . 238 128 150 133 281

5п V 3,1 2.6 - 3.6 3.6 3.0 2.2 4,0

Эле- Черноземы Регио-

менты АОЗТ «Салтыка в-схое» ТОО «Коммунар» ТОО «Покров-ское» АОЗТ «Горняк» АОЗТ «Федоровское» К-з нм. Чапаева нальный фон

2л 100 67 64 75 46 105 33

РЬ 37 32 29 36 42 16 12

Си 93 54 54 76 81 73 27

Мо 0.9 0,8 0,6 5 0,9 . 0,8 0,7

Мп 1100 665 496 856 754 1060 400

В 30 43 39 39 45 37 27

Со 10 12 9 16 14 10 9

Сг 43 29 51 69 ' 76 47 61

N1 27 28 29 27 24 14 20

V 130 178 107 270 280 130 83

Sn 3.4 ■ 4.7 ' 3.3 6,6 4Л 4,8 2,6

В южной и юго-западной зонах региона — на черноземах установлено за-

грязнение пахотного слоя почвы свинцом во всех точках наблюдения - от низкого до повышенного. Исключением являются почвы колхоза им. Чапаева. Накопление Мп, V отмечалось также в большинстве точек (табл. 11).

Таким образом, наибольшая аккумуляция МЭ и ТМ происходит в зонах распространения черноземов и серых лесных почв, особенно это характерно для РЬ, Си, Мп. Следует отметить, что практически во всех точках наблюдений имеются места, где концентрация МЭ и ТМ достигла высоких значений.

На рис. 3 и 4 представлено районирование территории области по средним и максимальным показателям индекса суммарного загрязнения. В настоящее время (рис. 3) почвы агроландшафта характеризуются в основном низким уровнем загрязнения. Однако с учетом развития региона техногенные нагрузки

на агроландшафты будут возрастать. Это приведет к образованию территорий с высоким и повышенным уровнем загрязнения (рис. 4). ,

\ыр«1;еты по 7л,

< 1 - немгрингдам ¡-П-шота 13-25-сркумЙ р 23 -37 - (юамтенний >ЗТмсоияЯ

Рис. 3. Схема загрязнения Рис. 4. Индуктивно-логический

территории Рязанской области прогноз загрязнения по максимальным по средним показателям. показателям.

Разработанные карты-схемы современного и прогнозируемого загрязнения региона МЭ и ТМ переданы в Комитет по земельным ресурсам и землеустройству и в Управление «Рязаньмелиоводхоз» для использования в процессе принятия решений по рациональному использованию земельных и водных ресурсов. ■. •

Таким образом, в процессе почвенно-экологичсского. обследования региона определен региональный геохимический фон 12 элементов-загрязшгтелей и разработана градация уровней загрязнения. Они положены в основу оценки степени загрязнения почв региона, и представлены в виде карт-схем. Прогноз экологической ситуации в условиях положительного баланса МЭ и ТМ выполнен по максимальным показателям с учетом индекса суммарного загрязнения.

Глава 3. Региональна« подобала псовая характеристика мелиорируемых агроландшафтов в бассейне р. Оки Сложность и разнообразие природных условий объектов мелиорации, увеличение техногенного влияния на агроландшафты определили необходимость проведения полевых, лабораторных, модельных экспериментов, направленных на формирование экологически безопасных рскультивациоиных режимов комплексных мелнорацнй земель.

Комплексные экспериментальные данные были получены на стационарном полигоне «Мещера», который расположен на элементарном водосборном участке р, Оки в ОПХ «Лолково» Мещерского филиала ГНУ ВНЮГГиМ (Рязанская область). Полигон имеет площадь 3,5 тыс. га и представляет собой типичный агроландшафт лесостепной зоны гпяциалыюго происхождения. Уровень грунтовых цод находится на глубине 1-2 м в южной части зкополигона у коллектора и 8-10 ы на севере на локальном водоразделе. Уклон поверхности потока грунтовых вод составляет 0,001-0,005, увеличиваясь вблизи коллектора.

Экополигон включает земли, ограниченные водоразделом и осушительными каналами системы «Тинкн-Н». Орошение проводится с 1981 года на двух

участках. На первом участке площадью 35 га полив производится аппаратами ДЦ-30. Плошадь второй ороси гелыюй системы составляет 78 га. Она включает передвижную насосную станцию СНП-75/100, канал и сеть подземных трубопроводов. Полив осуществляется дождевальной машиной «Фрегат». Осушительная система, площадью около 500 га, имеет открытую сеть и закрытый дренаж.

Для определения глубины залегания н качества грунтовых вод оборудованы наблюдательные скважины. Часть их расположена по грунтовому потоку, а другие - в наиболее экологически опасных точках территории: свалки, хранилище удобрений (рис. 5).

Рис. 5. Схема экспериментального участка.

Малая река, являющаяся водоисточником и водоприемником, оборудована гидрометрическими постами, на которых проводились наблюдения за уровнем, расходами и качеством воды.

Делянки в полевом опыте располагались рендомизированным методом в трехкратной повтор!юстн. Площадь делянок 200 м2, учетной 156 мг. В опыте возделывалнсь культуры: люпин на зеленую массу, картофель ранний, овес на зерно. Орошение проводилось при снижении влажности в корнсобитаемом слое почвы до 60 и 75% наименьшей влагоемкости (НВ) в зависимости от культуры. Водорежимные исследования проводились в лизиметрах конструкции ВНИИ-ГиМ с ненарушенным почвенным профилем. Уровни грунтовых вод в лизиметрах поддерживались на глубине 0,7; 1,1; 1,5 и 1,9 м.

Стой увлажнения принимался дифференцировано по фазам развития растений с учетом увеличения вегетационной массы и 90-процентного накопления в нем корневой системы. Он составлял 20-30 см в начале и 30-50 см в конце вегетации. Поливы проводились нормой 10-25 мм, повышающей влажность почвы до НВ.

Агротехника возделывания изучаемых культур на опытном участке и в лизиметрах была общепринятой для супесчаных почв южных областей Нечср-

ноземья. В зависимости от культуры дозы минеральных удобрений составляли (кг/га)Н-30-90,Р101-35-65,К10-40-130. , .

Элементы водного баланса, метеопоказатели на экополигоне регистрировались с помощью электронной аппаратуры и метеоприборов. Методика исследований была общепринятая.

В 1994 году была проведена почвенная съемка на полигоне, которая показала, что почвы относятся к дернопо - подзолистых типу (песчаные и супесчаные). В пониженных местах рельефа сформировались дерново-подзолистые глубин но-гл се вые почвы.

Распределение гумуса по профилю типично для дерново-подзолистой почвы. Больше всего гумуса в гумусово-злювиальных горизонтах, от 1,6 до 2,9%, а в нижележащих - наблюдается его резкое снижение до 0,89%. Отношение Сгк^Сск меньше 1 по всему профилю. Почвы кислые, рН солевой 3,5-4,9, нснасыщены основаниями. Содержание подвижных форм фосфора от 2,5 до 12,5 мг/100 г по«ты, а обменного калия - от 3,2 до 8,0 мг/100 г почвы. Плотность твердой фазы мало изменяется по проф1Ыю почвы (2,55-2,66 г/см1), но объемная масса существенно увеличивается при переходе от верхних горизонтов к нижним (от 0,98 до" 1,77-1,79 г/см5).

В процессе натурных исследований на орошаемом агроландшафте проводились наблюдения за содержанием МЭ и ТМ в почве, сельскохозяйственной продукции, во внутрипочвенном стоке.

Вегетационные опыты выполнены с использованием сосудов, где имеются трубки и емкости для отвода и сбора внутрипочвенной влаги. В почве, которой были заполнены лизиметрические сосуды, определено валовое содержание РЬ, 2л, Си. Такая почва принята н схеме опыта за контроль, как фоновая (незагрязненная). Дозы внесенных в почву солей металлов соответствовали 1,5; 3 и б ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). При этом применялись чистые соли: гпБО« с содержанием 2п 40,5%; Си50« - Си 39,8%; РЬ(СНаСОО)2 -РЬ 54,6%.

С целью изучения влияния орошения на накопление МЭ и ТМ в почве в производственных условиях было проведено обследование трех мелиоративных систем в Рязанской области, расположенных на трех типах почв, где выращивались многолетние травы на сено (табл. 12). Две первые системы расположены на более плодородных почвах, чем мелиоративная система «Батьки».

* Сравнивая результаты исследований на богарных и орошаемых полях по содержанию МЭ и ТМ, можно видеть, что на высокоплодородных черноземах «Мостовье» и темно-серых почвах «Алешенки» произошло снижение концентраций микроэлементов 2а, Си, Мо. Орошение, повышая урожай трав, увеличивает вынос МЭ и ТМ из почвы. Увеличивается вынос № кормовыми культурами.- Изменение содержания Мп, Сг было неустойчивым, а Со накапливался в небольшом количестве на орошаемых землях. На низко плодородных дерново-подзолистых супесчаных почвах при отсутствии комплексных, особенно агрохимических, мелиорации на фоне полива и периодического затопления этого пойменного участка произошло накопление Хп, Си, Мо, Мп, № и вымывание

Со и Сг. Это подтверждает, что только комплексная мелиорация, особенно легких по мехсоставу почв с низким содержанием рН и органических веществ, сможет улучшить состояние мелиорируемых земель.

Системы орошения Земли Zn Си РЬ Мо Мп Со Сг Ni

«Але- Богарные (Б) 100 78 15.8 0,88 1333 10,2 48,3 14,2

шешеа», Орошаемые (О) 96 76 14 0,74 1020 10,5 54 14

1980 г. (Б -0).мг! кг л йЛ -0.14 -313 ÍÜ2 ±5Л ¿L2

{Б-0),% -4 -2,6 -11,4 -15,9 -23,5 +2,9 +11,8 -1.4

«Мосто- Богарные 38,8 72,5 20 0,64 513 9,2 47,5 23

вье», Орошаемые 30 60 20 0,50 600 10 '40 20

1989 г. (Б-0),.иг/кг && -12.5 -0.14 Ж +0.8 -XL

. (Б-О),'Л -22,6 -17,2 - -22,9 +17,1 +8,7 -15,9 -20

«Батьки», Богарные 25 55 15 0,60 1100 10 103 10

1996 г. Орошаемые 65 65 15 ' 1,25 1750 8 40 10,5

(Б-О), иг! кг -40 ±12 ÍSL&S. z¿ -6.3 £Li

+160 +18,2 - +108,3 +59,1 -20 -6U 5,0

Водный режим рассматриваемого региона формируется в основном под влиянием атмосферных осадков и вертикального влагообмена. Влажность почвы в сухие годы опускалась до 34-47% от НВ. Поэтому орошение способствовало формированию оптимального водного режима почв. Продолжительность межполнвных интервалов в сухие годы колебалась от 3 до 15, а во влажные —от 20 до 35 суток. Водопотреблепис полевых культур изменялось на 7-10% в зависимости от УГВ. Срсднемноголотние их показатели представлены в табл. 13.

ДЗ. Водный режим почв в стационарном полевом опыте

Показатели Люпин Картофель Овес

Вариант в% НИ , Без орошения Вариант bWHB Без орошения Вариант в % НВ Без орошения

60 I 75 60 I 75 60 1 75

Оросители 1ые нории, мм 58 65 - 46 70 — 69 7S -Количество поливов, шт. 2-3 4-5 - 2-2 3-4 — 3-4 $-6 — Водопотребление. мм:- 228 224 178 245 263 211 274 282 218

Среднесуточное водопотреблепис растений, включающее их транеппрацию и физическое испарение с почвы, зависит от фазы развития, интенсивности формирования вегетативной и генеративной массы культур. Оно на неорошаемых участках растет от всходов до бутонизации и цветения, а далее заметно снижается. При орошении эта закономерность сохраняется, интенсивность во-допотреблення выше на 10-48%, но резко изменяется под влиянием выпавших осадков на 50-90%. После дождя, в течение суток, происходит испарение влаги с растительного покрова, в дальнейшем на водопотребление оказывает влияние только влажность почвы. Водопотребление в сравнении с теплоэнергетическими факторами до всходов составляет 23-36%, в начальные и конечные периоды

роста 73-84, а в «критические» — средние, интенсивно накапливающие биомассу—101-162% испаряемости.

В 1981 году параллельно с нолевым опытом заложен лизиметрический о условиях полевого стационара на экополигоне «Мещера» в ОПХ «Пояхово» МФ ГНУ ВНИИГиМ. В лизиметрах с ненарушенным почвенным профилем дерново-подзолистой почвы поддерживался оптимальный водно-воздушный и пищевой режимы путем общепринятых для зоны систем обработок однолетних и многолетних трав, люпина, картофеля и овса, применения органических к минеральных удобрений. Урожайность, выраженная в кормовых единицах, в лизиметрах с УГВ Н -0,7 м составляла от 69,4 до 89,5 ц/га, а при УГВ Н-1,9 м-отб1,8до87,4ц/га.- .

Орошение увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур, при атом возрастает суммарное водопотрсблсние (£) и снижается его объем на единицу урожайности. Зависимость урожайности (У) от коэффициент вод о потребления (Кв) имеет нелинейный характер (рис. 6) и аппроксимируется уравнением:

. У-а-А'Г, К„~Е/У, (2)

где а, € - коэффициенты регрессии, которые соответственно составляют - для люпина 230 и 1,46, картофеля 290 и 1,2, овса 600 и 1,2; корреляционные отношения равны 0,77±0,09,0,79±0,09,0,77±0,09.

Рис. б. Связь коэффициентов водопотрсблсния картофеля с урожайностью.

Водный режим корнсобягаемого слоя формируется под влиянием вертикального влагообмена. За годы исследований подпитывание и инфильтрация в среднем за год уменьшалась с увеличением глубины залегший грунтовых вод. Относительные ошибки измеряемых величин в опытах не превышали 3-8% (табл. 14).

Почва, как открытая подсистема в геохимическом ландшафте, способна активно трансформировать формы металлов, поступающих в нес с атмосферными осадками, оросительными водами, удобрениями, изменять их миграционную способность. Минеральные и органические удобрения, улучшая плодородие почвы и повышая урожай сельскохозяйственных культур, способствуют осаждению загрязняющих веществ. При этом металлы выносятся растениями.

14. Вертикальный влагообмен в зависимости от УГВ в лизиметрическом _стационаре на дерново-подзолистой супесчаной почве| мм_

Периоды 0.7 м 1.1 м 1.5 м 1,9 м

1 1 2 I 1 2 1 1 2 1 I 2

Средне- 184-355 45-84 120-195 38-63 36-76 27-58 31-68 32-66

годовой

Средний по периодам вегетпшяг:

1 8-15 1-6- 2-3 0-2 0-1 0-3 0-0 0-4

2 31-68 10-14 12-35 5-10 2-5 5-10 0-2 0-14

3 23-71 13-30 17-56 11-22 5-19 4-18 2-9 4-17

4 47-63 «1 31—(9 4—П 10-23 5-17 8-19 8-20

5 25-33 4-15 20-31 4-10 5-26 0-8 7-15 2-5

1-5 141-245 42-83 85-135 34-55 22-66 20-51 18-54 25-51

Приметшие: 1 - подпиты мнив, 1 — цнфидьгрщшс

В табл. 15 представлено среднее содержание МЭ и ТМ в слое почвы 0-25 см после нашего 19-летнего эксперимента. В годы исследований в лизиметрах с глубиной УГВ = 0,7 м оросительные нормы изменились от 10,0 до 37,5 мм, с глубиной УГВ - 1,9 м-от 82,5 до 162,5 мм. Под влиянием более высоких норм орошения отмечалось незначительное накопление 2п, Си в почвах лизиметров. Накопление РЬ и Сс1 имело обратную тенденцию.

15. Распределение металлов при орошент! (1998-1999 гг.)

УГВ, , №№ м. Среднее содержание в почве, Во внутрнлочвенном стоке,.

и лизи- мм мгУкг мг/л •10°

метров - Си 2л РЬ С4 Си 2л РЬ «

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 10,0 6,2 13,0 5,0 0,14 12 26Л ИД М

2,6 16,7 11,9 0.5

2 37,5 5,3 15,4 3,4 0,11 ЗД 49,0 1-0

1,8 15,9 92 0,6

3 10,0 10,6 15,8 4,4 0,14 2Л 11 йл

2,4 14,7 п,з 0.8

0,7 4 10,0 2,7 17,5 3,1 0,10 2Л 10.9 м

2,4 16,3 11,6 0,5

5 10,0 3,8 14,4 2,9 0,11 ±2 22А 1М 12

5,7 18,1 12,3 1,1

6 20,0 6,5 18,9 2,7 0,11 2Л жа 02

2.5 5,4 8,4 0,5

В среднем 16^ 5,8 15,7 3,6 0,12 22 2X1 ВЛ 112

2,9 14,5 10,8 0.7

19 82,5 3,4 18,8 2,9 0,10 12 Ш ОЛ

1,6 10,7 9,4 0,5

20 130,0 13,6 15,8 2,4 0,07 2Л 212 7Л ол

3,0 31.7 9,5 0,6

1,9 21 82,5 ' 4,3 17,7 3.6 0,14 24 51Л М ал

2,8 7,9 7,9 0,5

22 ■ 90,0 4,5 24,3 4,5 0,10 2Л 222 63. и.

2,9 12.1 12,7 0,8

23 И7,5 . 4,6 21,3 2,6 0,10 дал. Ю

3,6 7,2 7,4 0,4

Продолжение таблицы 15

7 1 2 -.1 3 1 4 1 5 ! 6 1 7 | 8 1 * 10 1 1)

24 162.5 8,5 22,1 3,1 0,12 12 1М ел

1.7 9,2 8.1 0,5

В среднем 110,8 6,5 20,0 3,2 0,10 2Л 2X2 2Л м

2,6 13,1 0.6

Примечание; над чертой елдсркакве МЭ н ТМ к волах «ееаоа, пдд «ргой - осенью.

Миграция МЭи ТМ с фильтрационным током воды несколько больше в начале вегетации, чем вконцс. Концентрация в различные годы практически оставалась одинаковой (табл. 15).

Оптимальные нормы минеральных и органических удобрений в лизиметрах с глубиной УГВ = 0,7 м, где орошение в среднем составило 16,3 мм, снижали поступление Си, 2п, РЬ и не изменяли содержание С(1 в зерне и клубнях (табл. 16). ■

16. Влияние УГВ, орошения и удобрений на химический состав

УГВ, м, Культуры Си Та РЬ С<1

н мм Т 1 2 1 1 2 Т 1 2 1 ' 1 2

Овсс 2А1 2ЛХ 35^2 341 0.36 ОМ 0,05 £Ш

1,24 1,87 15,5 19,3 0,46 0,55 0,08 0,12

0,7 16,3 Картофель Ш А8 ¿2 И5А , АЛИ Ш £122

2,88 1,86 139,2 95,7 1,05 1,29 0,14 0,15

Горох + овес 4,50 4,84 35,2 33,3 1,32 ■ 1,29 0,09 0,08

Мн. -поди 6,50 6,29 34,8 51,0 1,25 1,25 0,19 0,17

Овес ¿21 2М ¿5Д ■ ¿12 0А5. ом Ш !Ш

1,99 1,76 31,8 29,8 0,61 0,49 0,10 0,07

Картофель 0Г91 1.16 2Л А1 0Л5 021 0.(Ц £Ш

1.9 110,8 2,09 1,46 99,3 116,0 1,62 1,52 0^31 0,23

Горох+овес 6,86 5,72 35,6 37,2 1,13 0,67 0,11 0,08

Ми. трааы 7,57 6,70 31,6 31.1 1,46 1,01 0,20 0,13

009 0,07 0,15 0,20 0.04 0,06 . А02 0,02

Пркиечакне; 1 - 6« уюСрсннй; 2 — с уаеСрснмыи в соответствки со сицой осигеи; над чертой содержание ТМ в МЭ > основной, под чертой - ь коботяой продуй^».

Удобрения уменьшали содержание РЬ в клубнях картофеля, а в зерне овса - увеличивали. В однолетних и многолетних травах при внесении органических и минеральных удобрений отмечено снижение концентрации МЭ и ТМ при увеличении их урожая. Только 2п в несколько большем количестве поступал в вегетативную массу многолетних трав и горохо-овсяной смеси на почвах с глубиной УГВ = 1,9 м. На почвах с глубиной УГВ1=11,9 м при средней ороаггель-ной норме 110,8 мм содержание РЬ и С<1 под влиянием удобреш1Й уменьшалось в основной и побочной продукции.

В вегетационном лизиметрическом опыте, где смоделировано загрязие-1ше почвы РЬ, Си, Хп а количестве соответственно 1,5;*3 и б ОДК, получены следующие результаты (табл. 17). Zn, при загрязнении им почвы более 3 ОДК, действовал как фиготоксикант, снижая урожай биологической массы на 1325%. РЬ снижал урожай при начальном >1 максимальном загрязнении. Си1* была внесена с анионом , использование ее в дозах 1,5 и 3,0 ОДК не повлияли на

урожай вики с овсом. Все изменения концентраций находились в пределах наименьшей существенной разности, а при загрязнении до 6 ОДК изменения были существенны. :

Повышение загрязненности почвы РЬ, Си и 2п вело к пропорциональному накоплению растениями этих металлов (табл. 17). Так на незагрязненной почве (контроль) в сене гороха с овсом содержалось в среднем РЬ — 1,14 мг/кг, Си — 5,28,2п — 42,9 мг/кг. На загрязненных вариантах опытов эти концентрации выросли соответственно до 7,88 мг/кг, 15,60 мг/кг и 964,70 мг/кг. Параллельно с концентрацией металлов в растениях вырос их вынос урожаем. Так, при повышении загрязненности: почвы РЬ повысился вынос его сеном на 0,011-0,134 мг/сосуд, Си - 0,093-0,329,2п - 6,055-17,877 мг/сосуд.

17. Действие загрязненной почвы на урожай и концентрацию металлов

в сене и лизиметрических водах

Элементы Варианты Урожай Накопление МЭ и ТМасеве Миграция в грунтовые поды, мг/л

: г/сосуд Изменения

+г/сосуд | % мг/кг | мг/сосуд

РЬ Контроль 26,3 - - 1,14 0,030 0,024

1,5 ОДК - 19,2 -7,1 27 2,11 0,041 0,045

ЗОДК 28.9 +2,6 10 4,81 0,139 0,055

НСР0.„ б ОДК 20,8 -6,0 23 7,88 0,164 0,051

0,4 0,007

Си Контроль 26,3 - - 5,28 0,139 0,008

1,5 ОДК 25,2 -1,1 4 9,19 0,232 0,030

ЗОДК ■ 28.3 +2.0 8 11Д2 0,318 0,069

б ОДК 30,7 +4,4 . 17 15,60 0,486 0,052

ИСРад 1.1 0,004

га Контроль 26,3 - - 42,9 1,128 1 0,344

1,5 ОДК 28,8 +2,5 10 249,4 7,183 0,186

ЗОДК 1 22.8 -3.5 13 753,5 17,180 1,679

бОДК 19,7 -6,6 25 964,7 19,005 44,8(6

НСР*« 1,1 0,012

При увеличении концентрации в почве РЬ и Си до 3 ОДК содержание их во внутрипочвенном стоке повышается с 0,024 до 0,055 мг/л свинца и с 0,008 до 0,069 мг/л меди (табл. 17). Загрязнение почвы до 6 ОДК не изменяет концентрацию РЬ в инфильтр анионных водах, а Си — снижает, в связи с увеличением выноса его растениями. Миграция 2п носила иной характер. Так, из почвы, без искусственного загрязнения (контроль), промывалось в среднем 0,344 мг/л. При внесении иинка до уровня 1,5 ОДК его вымывание из почвы снизилось до 0,186 мг/л, так как он использовался опытной культурой как микроэлемент, а при загрязнении почвы до 3 ОДК, и особенно до 6 ОДК, неиспользуемый шшк вымывался более интенсивно и не успевал фиксироваться почвенно-поглотительным комплексом. | '

Потоки вещества в системе агроландшафга тесно связаны с растительностью, поверхностными и грунтовым» водами. Поэтому привнесенные МЭ и ТМ включаются в существующие миграционные циклы. Для всестороннего учета

природных связей их в экосистеме исследования проводились на всех видах землепользования экополигона «Мещера».

На основных элементах экополигона с разными видами землепользования были отобраны почвенные пробы, в которых изучено накопление Си, 2п, РЬ, С<1 (табл. 18). На территориях, где применялась научно обоснованная система земледелия (осушаемые и орошаемые участки, пашня без водных мелнораций), содержание их было близкое к фоновому. На дачных участках система применения удобрительных средств, огрохимнкатов по защите растений сложилась без учета агробиологичсск1гх и агрохимических условий для растений и почв. Всс это, а также передвижение большого количества транспортных средств по территории и прилегающей автомагистрали, способствовало накоплению МЭ и ТМ в почве дачных участков. Почпи пастбищ и лесов содержат Си, 7л, РЬ значительно меньше, а С(1 - больше уровня местного фона.

18. Металлы о дерново-подзолистой супесчаной почве,

Элементы Солержапяе, мгнакгпйчйц

экоподигоиа Си 1 7» 1 РЬ ! Cd

Осушаемые участки 6,9 11.7 5,0 0,21

Орошаемые участки 2,0 15,8 3.7 0,08

Павам без водкой мслиородик 2.6 15,8 2.8 0,05

Дзчиие участки 5,3 134,9 19,8 130

Пастбище 1,0 5,1 6,3 0,14

Лесной массив 1,8 7,6 . 4.8 0,13

Оон 5,7 17,0 7,0 0,05

ИСР(,9» 0,5 1,6 0,8 0,04

Наиболее существенные антропогенные преобразования испытывают малые реки. Изучение химического состава вод малой реки н грунтовых вод показало, что концентрация МЭ и ТМ в инфильтрационных водах в среднем больше, чем в водоприемнике (табл. 19,20). Режимы колебаний концентраций изучаемых элементов в поверхностных и трутовых волах зависят ог времени года, осадков, исследуемых элементов.

. В динамике накопления металлов в грунтовых и поверхностных водах наблюдались четко выраженные максимумы и минимумы, которые согласуются с весенним оттаиванием, летними осадками, осенним замерзанием почвы и зимними оттепелями. Так, обильные осадки в августе увеличивали промывание почвы, и концентрация химических соединений в водах резко снизилась. После августовских дождей постепешю в сентябре влажность почвы уменьшилась в связи с тем, что осадков выпало (36 мм) значительно меньше срсднсмноголст-иих значений (55 мм) (табл. 21). В последующие, осенние и зимние, месяцы концентрации Си, Zn, Pb, Cd продолжали расти, и в декабре-январе достигли максимальных значений. Опспели в декабре-январе увеличивши! просачивание воды, и концентрация МЭ и ТМ снижалась в январе, феврале и марте. Исключением является свинец, концентрация которого в воде скважин повышалось в феврале-марте, но в реке — понижалась. Весной, при оттаивании накопившегося за зиму снега и новых атмосферных осадков, содержанке Си, Pb, Zn, Cd вновь

19. Динамика содержания металлов в гру! новых водах (среднее за 1998-1999 гг.), мг/л

Эленся-ш Месяц Среднем

1 1 2 з 4 5 6 1 7 8 1 9 • 10 1 И 12

Си 0,0036 .0,0028 •0,0019 0,0026 0,0034 0,0044 0,0032 0,0020 0,0035 0,0050 0,0062 0,0079 • 0,0039

2л 0,0266 "0,0226 0,0416 0,0420 0,0321 0,0(283 . 0,0205 0,0172 0,0179 0,0257 0,0356 0,0437 0,0310

РЪ . 0,0182 0,0218 -0,0249 0,0157 0,0188 0,0218 0,0164 0,012 81 0,0176 0,0194 0,0283 0,0369 0,0211

са "0,0022 0,0020 0,0016 0,0008 0,0015 0,0022 0,0012 0,0009 0,0014 0,0024 0,0036 0,0035 0,0020 '

20. Динамика содержания металлов в воде малой реки (среднее за 1998-1999 гг.), мг/л -'

Металлы ■ Месяц Среднем

1 1 2 3 4 1 5 6 1 7 8 1 9 10 | П 12

Си 0,0021 0,0010 0,0010 0,0016 0,0029 0,0038 0,0029 0,015 0,0034 0,0063 0,0063 0,0070 0,0033

2л. 0,0261 0,0044 0,0041 0,0200 0,0237 0,0253 0,0234 0,0146 0,0147 0,0200 0,0167 0,0175 0,0175

РЬ 0,0131 0,0051 0,0051 0,0148 0,0107 0,0109 0,0116 0,0105 0,0129 0,0108 0,0157 0,0207 0,0118

са 0,0016 0,0018 0,0018 0,0005 0,0005 ■ 0,0008 0,0007 0,0006 0,0012 0,0016 0,0015 0,0014 0,0012

21. Сумма атмосферных осадков, мм

Голы Месяц

1 2 I- з 4 5 6 1 7 1 8 1 9 1 ю 1 И 1 12

1998 29 33 44 67 30 63 85 82 43 107 65 50

1999 57 44 28 21 31 54 28 116 29 53 38 41

Среднее 43 39 36 44 31 59 57 99 36 80 - 52 46

увеличивалось, как в речных, так и во вкутрипочвенных водах. Загрязненные атмосферные зимние осадки и вновь выпадающий дождь проявляют себя как залповый выброс загрязняющих вешеств от промышленных предприятий. После июня концентрация МЭ и ТМ в грунтовых водах экопояигона стабильно снижается за счет летних дождей, поглощения химических элементов растениями, биотопами, улучшения обменных физико-химических, биохимических процессов в почве.

. Водные растения активно поглощают металлы из воды и донных отложений малой реки, почвы. Растительные образцы отбирались в конце вегетационного периода на всем протяжении малой реки. Индивидуальные пробы объединялись с выделением средней пробы. Исследования (табл. 22) свидетельствуют о том, что 1 кг биологической массы ряски и элодеи канадской выносят из субстрата соответственно Си --3,17-3,05 мг, '¿л - 22,2-50,2, РЬ - 1,82-2,09, С(1 -0,45-0,40 мг.

22. Содержание металлов в водной растительности, мг/кг сухого вещества

Растения Си га РЬ 01

Ряска 3,17 22,2 1,82 0,45

Элодея канадская 3,05 50.2 2,09 0,40

Тростияк:

• корни 3,08 22,8 4,55 0,62

• стебли 0,76 8,7 0,57 ■ 0,12

• листья 0,52 Ш 0,57 0,12

■ семена 1,26 23,3 0,91 0,15

НСРод! 0,09 * 1,2 0,07 0,03

Известно, что повышенные содержания элементов в донных отложениях, рек наблюдаются в основном в затонах, отмелях, расширенных участках русла, где скорость водного потока снижается. Причем содержание большинства элементов увеличивается при уменьшении крупности осадков от песков к глинистым готам.

23. Концентрация металлов в донных отложениях малой реки

Место взятия проб Мощность отложений, см Слой, см Мг/кг

Си 1 2л 1 РЬ 1 са

ГП-4 20 0-10 .4,7 9,2 2,9 0,15

(вход) 10-30 2,9 9.8 2.0 0,12

ГП-б 35 0-10 3.3 7,5 3,2 0,08

(дренажный сток) 10-30 3,7 8.9 2.9 0,04

ГП-8 55 0-10 10,0 37,0 12,7 0,58

(дачные участки) 10-30 9,8 36,4 12,0 0,64

ГП-9 (выход) 40 0-10 2,6 14,2 2,9 0,12

10-30 2.9 17,6 2.4 0,12

В донных отложениях р. Оки содержится в среднем Си — 35 мг/кг, Хп — 27, РЬ — 19 и С(1- 0,3 мг/кг. Для контроля экологического состояния водоприемника на экополигоне «Мещера» в августе 1998-1999 гг. отбирались пробы донных отложений (табл. 23). Концентрация МЭ м ТМ по слоям отложений имеет небольшие колебания. Содержание их в донных отложениях у входа и выхода водотока и в местах поступления дренажного стока близки между со-

бой, а в пробе лонных отложений реки у дачных участков МЭ и ТМ значительно больше. Цинк, по сравнению с медью, больше мигрировал ниже по течению, и часть его скапливалась в донных отложениях устьялодотока.

В среднем донные отложения изучаемого водотока не загрязнены Си, 2п, РЬ, С<1 Но в русле малой реки, куда поступают дренажные стоки с частных садово-огородных участков, концентрация кадмия в донных отложешшх уже перешла уровень незагрязненных'и относится к умеренно загрязненным по Г/ Мюллеру, Следовательно, экологическая ситуация на этом участке такова, что создаются условия вторичного попадания кадмия в водоток, что ведет к загрязнению основной реки региона- Оки.' ■

: * Можно констатировать, что в зоне неустойчивого увлажнения орошс!ше в комплексе с другими мелиоративными мероприятиями позволяет получать высокие урожаи при удовлетворительном качестве продукции па агроландшафте, испытывающим значительную техногенную нагрузку. Изучение миграции N13 и ТМ показало, что концентрация химических элементов во внутрипочвен-ном стоке при оптимальном орошении находится на уровне, который мало влияет на круговорот веществ за пределами почвенного слоя. Дтя практического использования этих выводов необходима разработка режимов комплексных мелиорации, как способов предотвращения негативного влияния антро^-погенного загрязнения на экологическое состояние агроландшафта.

Глааа 4, Режимы орошении полевых культур в условиях возрастающего антропогенного загрязнения почв В процессе полевых обследований, в лабораторных опытах изучена продуктивность сельскохозяйственных культур на почвах с различными индексами загрязнения РЬ, Си н 2п (первых элементов в, преобладающем ряде нсследуе- ■ мых и обнаруженных 22 зафязнитслей). В качестве примера на рис. 7 представлена динамика урожайности картофеля и многолетних трав на почвах загрязненных РЬ. Зависимость У=/(г) аппроксимируется уравнением вида:

, - (3)

где суммарный индекс загрязнения почвы металлами; А„ в„ с,, ¿>,—

эмпирические коэффициенты (табл. 24)/ " У. и'га . ,

г» яг» _ _ - к'лтп>\ J Г тп.

m . .1 - * [ ------

V. 1 h 11 » Zrpii » » в * Zc й

Рис. 7, Динамика урожайности сельскохозяйственных культур на почвах преимущественно загрязненных свинцом.

Уравнение (3) характеризуется следующими коэффициентами корреляции (г): для люпина 0,87-0,91, овса - 0,89-0,94, картофеля - 0,87-0,94 (табл. 24). Загрязнение почвы МЭ и ТМ достоверно коррелирует с урожаями сельскохозяйственных культур. При этом было установлено, что наибольшее угнетение растений происходит от загрязнения сшщцом.

Культуры Э.темент-тагрязшгтедь л, Вг Q А г

Овес — -0,019 0,116 48,8 0,94 ±0,06

Картофель - -0.188 3,821 '264,32 0,89 ¿0,05

Люпин Свинец - -0,224 4,472 351,61 0,91 ±0,06

Мн. травы 0,00008 -0,013 0,072 61,14 0,87 ±0,03

Одк. травы 0,0009 -0,148 1,823 529,21 0,88 ±0,04

Овес 0,0004 -0.051 1,412 45,8 0,89 ±0,05

Картофель 0,0009 -0,122 2,018 296,4 0,87 ±0,05

Люпин Медь 0,0019 -0,220 3,313 384,4 0,87 ±0,06

Мн. травы 0,0001 -0,016 0,197 62,02 0,91 ± 0,02

Ода. травы 0,0011 — 0,205 3,334 558,78 0,92 ± 0.0Я

Овсс 0,0002 -0,032 0,771 50,6 0,9210,07

Картофель 0,0008 -0,114 2,804 262,31 0,96 ±0,07

Люпин Цинк 0,0021 -ОД 43 4,398 356,9 0.88 ±0,09

Мн.травы 0,0001 -0.018 0,268 61,83 0,89 ±0,08

Олн.трави 0,0011 -0,171 2,618 548,59 0,91 ±0,07

Значение критической урожайности было установлено из анализа взаимосвязи содержания загрязняющих веществ в растениях с индексами загрязнс-иия, где значение одного из элементов в почве находится на уровне предельно допустимых концентрациях (табл. 25).

Нашими исследованиями установлено, что орошение следует проводить с учетом глубины корней поливными нормами 10-15 мм в начальные периоды и 20-25 мм — в периоды максимального формирования корневой системы. При этом нижний предполивной порог влажности в расчетном слое составляет: для люпина — 60%, для однолетних трав и овса — 75%, многолетних трав — 80% наименьшей влагоемкости (НВ). К орошению картофеля необходимо подходить дифференцированно: в периоды «всходы - начало бутонизации» - 60%, в фазу «бутонизации и цветения» - 75% 11В расчетного слоя почвы.

Режим влажности почвы определяли по водному балансу корнеобитаемого слоя с учетом влагозаласов на начало (1У„ ) и конец (Ш* ) расчетного периода, осадков (О), поливов (ш) вертикального влагообмена ( ± Я) и водонотребле-ния (Е):

. . \У„ = \У„ + 0 + т±Я-Е (4)

Наиболее трудоемким является определение величины водопотребления. Для выявления метеорологических факторов, оказывающих наибольшее влияние на вод о потребление, был проведен корреляционный анализ недельных и отдельно суточных значений водопотребления и показателей тепловлагообес-печенности. Наиболее тесная связь отмечена с суммарной радиацией, радиаци-

онным балансом и дефицитом влажности воздуха (г " 0,85-0,65). Существенная — с продолжительностью солнечного сияния, температурой и влажностью воздуха (г = 0,50-0,65). Менее устойчивая - со скоростью ветра, испарением с водной поверхности, осадками и температурой почвы (г ■» 0,32-0,40). Также установлена тесная связь суточного -водопотребления с дефицитом влажности воздуха, измеренным в 15 часов дня. " ...

25. Суммарный ниаекс загрязнения почвы и соответствующая им урожайность палевых культур

Культуры

Элемент -tarprwirre-Ti-

Osee Картофель

Люпкн Мм, травы Одн. травы

Свинец

21.61 24,81 22.34 25,4 34.3

43 244 339 55 496

Овес Картофель

Люппн , Мя. травы Оля, травы

Медь

14,6 10,5 10,1 12,1 J2A.

57 305 397 63 572

6S 71.8 62,1 72,1

69.4

31

149'

195'

38

320

Овес Картофель . Люшш Мн. травы О^н. трапы

Цинк

10,6 15,2 11,2 10,6 12 а

55 281 379 62 558

47.2

48.3

52.1

49.2

53.4

37

222;

223

41

370

Радиационный баланс (В) и затраты тепла на испарение (V), полученные в наших исследованиях связаны с дефицитом влажности воздуха криволинейной зависимостью (рис. 8), а между собой — прямолинейной (рис. 9). Коэффициент корреляции связи (рис. 9) составляет 0,99 и указывает на функциональную зависимость. Равномерный естественный травяной покров на метеоплощадке, при периодическом подкашивании, имеет относительно постоянное во-допотребленне. Поэтому значительное влияние оказывает изменчивость'солнечной радиации, а биологический фактор - имеет постоянное значение. Это увеличивает тесноту связи п определяет ее линейный характер. Однако связь водопотребления картофеля с радиационным балансом прослеживается лишь по отдельным периодам физиологического развития. '

'Выполненный анализ особенностей внутрнсуточной динамики водопотребления и метеофакторов указывают на наличие связи водопотребления как с радиационным балансом, так н е дефицитом влажности воздуха. Поэтому для ' расчета водопотребления (£) можно использовать зависимости:

Е-К';-В-п, (5)

. ч К^'^ -п, ' . (6)

■ : где В — радиационный баланс, мДж/м3; — среднесуточный дефицит влажности, мб; К', К^ - биоиишатические коэффициенты водопотребления.

сельскохозяйственных культур; п - продолжительность расчетного периода, сутки.

В. ЕВт/М*

0,15 0,10 0.05 0

0.15

У,ьВтЛ(*

,.. V-! ••'•'•'•• I '

* 1

1 1

0,10

0.01

10

» ¿.ыб 0,01 0,05

• V г-У -

< * I

♦ »ш - * ^^\ •

1 |

0,10

0,15

Рис. 8. Связь среднесуточных величин радиационного баланса (В) со среднесуточным дефицитом влажности ((1) воздуха за май-сентябрь.

Рис. 9. Зависимость среднесуточной величины затрат тепла (V) на испарение для трав от радиационного баланса (В) по данным метеостанции Павелец (1) и опытного участка (2).

Для учета изменчивости биоклиматических коэффициентов был проведен анализ отклонений их значений и среднесуточных дефицитов влажности воздуха от среднемноголетних значений. При этом получена функция связи водопо-треблекия и дефицита влажности воздуха;

НИ

где /О» Ж ~ соответственно биоклиматический коэффициент и среднесуточный дефицит влажности воздуха в ¡-том периоде конкретного года; Ккр, йщ, - соответственно среднемноголетние среднесуточные значения; а,р- коэффициенты пропорциональности между водонотреблением и дефицитом влажности воздуха.

В результате расчета по периодам вегетации на всех вариантах опытов получены биологические коэффициенты, не зависящие от изменяющихся метеорологических условий. Для определения водопотребления полевых культур с постоянными биологическими коэффициентами (Кй) получена формула:

Е~вКе(Рп, (8)

где в, с - коэффициенты пропорциональности и нелинейности связи между водопотреблением и среднесуточным дефицитом влажности воздуха. Они составляют, соответственно для люпина 3,42 и 0,40; картофеля 4,26 и 0,31; овса 3,13 и 0,44.

В качестве временной шкалы изменения биоклиматических (А*/) и биологических (А^) коэффициентов принята сумма накопленных среднесуточных температур воздуха (IX °С). .Для примера приведены результаты расчетов био-

климатических и биологических коэффициентов водопотребления только картофеля в виде графиков (рис. 10,11), ва которых видно, что интенсивность Е у картофеля в фазу (1ГЕ) «бутонизация — начало цветения» возрастает до периода (IV) «массового формирования клубней» (П = 850-!200вС). Значения более симметричны относительно максимального значения в отличие от К„ к имеют примерно одинаковый максимум, достигающий 0,44-0,51. Это свидетельствует о том, что в периоды активного развития при формировании максимальной урожайности исследуемые культуры (картофель, люпин, овес) использовали примерно одинаковое количество тепла на водопотребление.

Рис. 10. Биоклнматические коэффици- Рис; 11. Биологические коэффициенты енты водопотребления картофеля. * водопотрсблетм картофеля.

Исследования показали, что в период от посадки (сева) до всходов растений значения коэффициентов водопотребления не зависят от урожайности. Они имеют постоянные значения, за исключением картофеля, у которого наблюдаются увеличения коэффициентоодо появления всходов. Дальнейшая вегетация растений характеризуется криволинейной зависимостью биологических коэффициентов от урожайности. Интенсивность влияния водопотребления нарастает до фазы «цветение», а затем снижается к концу вегетации. Для картофеля » период «всходы — начало бутонизации» диапазон изменения Кб составляет 0,20-0,35 мм/мб, а урожайность (У), ограничивающая дальнейшее увеличение водопотребления - 35(МОО ц/га; в фазу «бутонизацию) - ^ 0,20-0,58, У = 500; «цветение» - Кв •* 0,20-0,58, У = 600; «формирование клубней - уборка»-Kf = 0,20-0,3 8, У *■ 450 ц/га. Эта зависимость в динамике для периодов вегетации растений аппроксимируется функцией вида:

. Kg — а • /<7~f 'У +■ с, . „ (9)

гдео, в, с—эмпирические коэффициенты (табл. 26). . .

Влияние загрязнения почв на биологические коэффициенты учитывается с помощью установленной связи урожайности с индексом суммарного загрязнения (2^) по формуле (3).Тогаа уравнение (9) примет вид: V , Ке-а- 1СГ3 -(AZ? -f B¿e2 + C,Zr + Df + <г, (10)

где а, в, с—эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 26. На примере картофеля' представлены кривые биологических коэффициентов водопотребления.при различных уровнях загрязнения почвы (рис. 12), которые имеют такую же тенденцию, что и водопотребление. Влияние ТМ и МЭ на отдельные изучаемые культуры несколько отличается.

26. Эмпирические коэффициенты связи Кб с урожаем

Период Люпин Картофель Овес

а 1 « 1 * с а 1 * 1 с а - 1 с

11 Ш IV V 0,50 0,77 1,61 0.41 0,74 0,87 0,82 0,78 0,13 0,13 0,13 0.13 0,84 1,44 2,31 0.84 0,86 0,87 0,80 0.86 0,13 0,13 0,13 0,13 8,81 25,69 30,37 17.45 0,65 0,60 0,63 0.53 0,13 0,13 0,13 0,13

К&мйб (Я.шуИ Й.мЛв

и (.! «I « у*—>>_ II и

14 м <14 х

1> ¿у X (1

и и и У? 1И

и и С1 •

_, ... , 1 ... ; И-»

» 1 < .» < « с 1 < I » и | 1 4 | | а Рис-12. Изменения биологических коэффициентов водопотребления (Кё) по декадам развития картофеля и при различных уровнях функционирования экосистемы: 1 — нормальный, 2—допустимый, 3 — критический.

Коэффициенты водопотребления зависят от уровня функционирования экосистемы. При критическом уровне загрязнения РЬ, особенно для овса, биологические коэффициенты водопотребления от действия РЬ невысокие. Картофель проявляет более высокие требования к водопотреблсшпо при критическом уровне функционирования экосистемы. Результаты расчетов А*, для основных культур на примере почв загрязненных преимущественно свинцом представлены в табл. 27.

27. Биологические коэффициенты водопотребления полевых культур

при загрязнении почвы преимущественно свинцом

Куль- Уро- Уро- Л [ехалы от начала вегетации

туры вень* жай- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ность,

ц/га

1 г 3 4 5 б 7 8 9 10 И 12 12 14

Лю- 1 Д 356 0,20 0,28 0,37 0,41 0,45 0,45 0,43 0,41

пин 10 374 0,20 0,29 0,38 0,43 0,47 0,47 0,45 0,42

20 351 0,20 038 0,37 0,41 0,45 0,45 0,43 0,41

22,34 339 0,19 038 0,36 0,40 0,44 0,44 0,42 0,40

30 К 284 0,19 0,25 0,33 036 0,40 0,40 0,38 0,35

40 171 0,18 031 0,26 038 0,31 031 0,29 036

50 14 0.16 0,16 0,17 0,17 0,18 0,18 0,16 0,14

Кар- 1 д 268 0,20 0,30 0,44 0,50 0,49 0,46 0,40 033 036

то- 5 279 0,20 0,31 0,44 0,50 0,49 0,47 0,41 озз 036

фель 10 284 ОДО 031 0,45 0,51 0,50 0,47 0,41 0,34 036

20 266 030 0,30 0,43 0,50 0,48 0,46 0,40 0,33 036

2чг~ 24,81 244 0,20 030 0,42 0,48 0,47 0,45 0,39 0,32 036

Продолжение таблицы 27

м 1 2 I 3 1 5 -6-| 7 1 9 10 12 | 12 |Ч4

30 А* ■ 211 .0,20 0Д9- 0,40 0,46 0,45 0,43 037 0,31 ОДб - .

40 118 0,20 0,27 0,35 0,39 0,38 0,37 0,33 0,29 0,25 *

Овес 1 Д 47 0.26 0,38 0,48 , 0,55 0,58 0,58 0,52 0,44 032 одо

5 49 0,27 0,39 0.49 0,57 0,60 0,60 0,54 0,45 озз • 0,20

- 10 48 0,27 039 0,49 0,56 0,59 0,59 0,53 0,44 озз ОДО

20 44 0Д6 036 0,46 0,52. 0,55 0,55 0,50 0,42 031 ,0Д0

21,6 43 • 026 036 0,45- 0,52 0,55 0,55 0,49 0,41 031 одо

30 К 35 0Д4 0,33 0,40 0,46 0,49 0,48 0,44 037 0,28 одо

'40 23 0,22 0Д7 032 0,36 0,39 038 0,35 030 0,24 одо

■ ■. 50 8 0,19 0Д0 021 0.24 0,26 0,24 0,23 0,21 0,18 одо

' Примечание: здесь и а табл. 28 'уровень функционирования экосистемы: Д—допустимый, Л'- кр1гшческнй.

По данным основных опорных метеостанций региона за период 19451999 гг. проведены расчеты водопотребления падевых культур для прогнозируемых уровней функционирования экосистемы (табл. 28). Эти данные позволяют провести оценку объемов требуемой для растений влаги и естественной -увлажненности атмосферными осадками без применения дополнительных мелиоративных мероприятий на имеющемся агрофоне.

28. Водопотребление полевых культур при загрязнении почвы преимущественно свинцом (метеостанция Павелец), мм

Культуры г. Уро- ■ вень'г Урожай- Вероятность, %

ность, ■■ ц/га 10 25 ■ 50 75 ■ 95

1 1 3 4 5 6 7 8 9

Люпин 1 д 356" 183 216 196 202 223

10 374 191 227 207 207 • 229

20 ■ 351 ' 185 220 204 204 225

2234 .339 • : 182 . 217 202 202 223

30 - А- 284 ' 165 197 193 193 .212*

40 171 . 126 150 168 168 "184

50 14 . , -* . . .

Картофель 1 5 10 Д 268 279' . 284 218 218 218 257 257 . 257 295 298 299 : 310 313 314 333 336« 337

20 266 217 256 294 309 332

г*- 24,81 . 244 214 250 289 303 ' 325.

30 . К . 211 205 240' 279 293 314

40 118 - 185 216 244 257 '273

Овес 1 д .49 261 322 378 414 438

5 ' ' . , 49 261 319 • 379 414 438

' 10 \ . 48 ' * 256 313 375 410 -434-

20 44 246 301 356 389 411'

21,6 . '43 241 295 351 383 406

30 А* 35 224' 275 318 346 • 366

40 24 181 222 254 274 292'

50 « - - 100 - 118 139 147 ■ • 158

Разработанная методика определения водопотребления рекомендуется для применения в водобалансовых расчетах водного режима в данном регионе. Положительным является то, что в расчетах используются метеофакторы, достаточно точно определяющие водопотребление, учитывается вид связи между ними, а также техногенное загрязнение почв. Использование в расчетах биологических коэффициентов водопотребления, изменяющихся по фазам развития -растений, позволяет более точно определить водопотребление в период вегетации, а учет урожайности полевых культур и влажности почв позволяет более рационально проектировать мелиоративные системы с подбором комплекса агрохимических мелиоративных мероприятий.

Водный режим почв в значительной степени формируется под влиянием влагообмена корнеоб!гтаемого слоя с нижележащими слоями и УГВ. Лпалш ' показал, что за вегетационный период растений корреляционные отношения недельных значений суммарного влагообмена составляют: с УГВ — -0,44, влаго-запасоми на начало расчетного периода — -0,53, температурой воздуха — 0,14, влажностью воздуха — -0,27, дефицитом влажности воздуха — 0,33, водоиотреб-лением — 0,38, суммой осадков и поливов — 0,54, среднесуточным водопотребление — -0,60. Выделены три определяющих фактора: дефшшг влаги для оптимального водопотребления растений (разность между водопотреблением, осадками и поливами), относительная увлажненность активного слоя почвы на начало расчетного периода (отношение фактической влажности к значению се на уровне НВ) и уровень грунтовых вод.

Анализ показывает, что зависимость между вертикальным влагообмепом, дефицитом водопотребления и увлажненностью почвы имеет криволинейный характер и выражается степенной функцией (рис. 13а), а зависимость вертикального влагообмена от уровней грунтовых вод достаточно точно описывается экспоненциальной функцией (рис. 136).

Рис. 13. Зависимость вертикального влагообмена от дефицита водопотребления и увлажненности расчетного слоя почвы (рис. а); при УГВ 1 - Н " 0,7 м, 2-Н= 1,1 м, 3 - Н= 1,5 м,4-Н = 1,9 м и от уровня грунтовых вод (рис. б).

Для осушаемых почв с близким залеганием УГВ получена эмпирическая зависимость для расчёта вертикального влагообмена (+R) полевых культур (мм/сутки); . , -л '

. ; ±R~ аMTK'.J"ri> Vv ' .."ф>

* ^rpß AH = (Е~0~т)/п-дефицитвлап( для оптимального водоиотребления растсгтй, мм/сутки; Kw = Wi/Whb — относительная увлажненность расчетного слоя почвы; // — УГВ, м; е — основание натурального логарифма; а, в, с, ^—эмпирические коэффициенты (табл. 29); и — продолжительность расчетного'периода, сутки; О, т — осадки и поливы за расчетный период, мм; Д», (Ухв — соответственно, фактическая влажность почвы в начале периода и на уровне IIB.

С учетом высоты капиллярного поднятия влаги для супесчаных почв установлено, что заметное подпитывание грунтовыми водами корневой системы люпина возможно с глубины 1,7 м, картофеля - 1,5 м, овса - 1,6 м. Получена зависимость вертикального плагообмена расчетного слоя почвы с нижележащими при глубине УГВ = 1,5-1,7 м в виде:

■ ±R = а' Aff'KJ1 и, а' = аеш, (12)

где а1, в', с' — эмпирические коэффициенты (табл. 29); — относительная увлажненность в интервале = 0,5-2,0; Суммарное корреляционное отношение для эмпирШ1сских записнмостей (12, 13) составляет 0,68-0,90 и достоверно при вероятности 0,95,0,99. ; .■ * -; . ■■

29. Эмпирические коэффттенты для расчета вертикального плагообмена

Культуры

ЛД

Ост

Супесчзпы* почвы

тагмые Н< J.5-1,7» Н> 1.5-1.7 м"

I с d о1 1 V i г

Люгощ >0 . 33,70 0,70 -1,95 -4,20 0,027 0,70 -1,95 <0 0.32 0,34 " 1,92 0,10 0,379 0,34 " 1,92 Карго- >0 285,4 0,28 -3,92 -5,80 0,048 0,28 '-3,92 фель <0 0,32 0,34 1.92 0,10 0,372 0,34 1,92 Овес >0 48,6 0,73 -2,79 -3,50 0,180 0,73 -2,79 _< О 0.32 0.34 1,42 0,10 0,376 0,34 1.92

С учетом зависимостей для определения водопотреблсиия и вертикального влагообмена и методики С. Ф. Аверьянова для расчета неустановившегося движения грунтовых вод по разработанному алгоритму были выполнены водо-балапсовые расчеты по опорным метеостанциям в пределах бассейна р. Оки на супесчаных н суглинистых почвах.'

Оросительные нормы определены для каждого из трех уровней функционирования экосистемы: нормального, допустимого и критического. Анализ показывает, что оросительные нормы уменьшаются с ухудшением экологической обстановки. Для обеспечения максимальной урожайности без снижения качества и выноса МЭ и ТМ продукщш предусматривается комплекс мероприятий, рассмотренных ниже. Для почв, преимущественно загрязненных свинцом оросительные нормы несколько ниже по сравнен!по с аналогичными значениями! для загрязненных медью и цинком. В качестве примера приведены оросительные нормы для супесчаных почв в почвозащитном севообороте (табл. 30).

30. Оросительные нормы (мм) для супесчаных почв центральной

части бассейна р. Оки, преимущественно загрязненных свннном

Уровень Культура "1 ..г-""" г — У, Обеспеченность, %

функциони- и/га

рования эко- 10 25 50 75 85 95

системы

Допустимый Люпин 1-22^4 339 - 26 62 од J02 MI

<Д> - • 35 51 59 78

Картофель 1-24,81 244 - 21 32 122 Ш Ш

- 20 45 66 78 100

Овес 1-21,6 43 21 5fl 22 108 111 Ш

- 28 51 60 64 78

Ми. травы (сено) 1-25,4 51 26 71 120 111 190 222

- 45 70 95 И5 140

Одн, травы (з.к.) 10,8-34,3 287 - 21 4S М .211 №

- - 30 45 55 75

Критиче- Люпин Более 22,34 171 - 24 &£ ш ш

ский - - 32 49 57 75

<Ю Картофель Более 24,81 П8 - 24 &L Ш 138 ш

- 19 45 65 76 98

Овес Более 21,6 23 ' 22 М ' М 104 109 Ш

- 25 49 57 61 75

Мм, травы (ссно) Более 25,4 )8 ЛИ 61 325 Ml Ш

- 40 55 70 80 105

Одн. травы (1.к.) Более 34,3 151 - 22 S1 $Q

- - 15 25 40 50

Выполненные исследования являются основой для разработки технических решений и технологических предложений по повышению экологической безопасности гидромелиоративных систем.

Глава 5. Технические решения по обеспечению экологической безопасности мелиоративных сметем в условиях техногенного загрязнения

Гидромелиоративные системы являются антропогенными включениями в ландшафт и оказывают влияние на формирование потоков энергии, воды и различных химических веществ, что зачастую приводит к нарушению устойчивости экосистемы, особенно в условиях техногенного загрязнения. Наиболее неустойчивыми являются системы, в которых отсутствуют природоохранные мероприятия. К таковым, как правило, относятся мелиоративные системы, которые адаптивно вписываются в существующий ландшафт, минимально разрушают его.

Общая компоновка водооборотной системы, обеспечивающей повышение экологической устойчивости мелиорированных агроландшафтов и создания условий для применения технологии детоксикацин земель при их техногенном загрязнении представлена на рис. 14.

При нормальном уровне функционирования экосистемы содержание микроэлементов в почве не превышает пороговых концентраций. Внесение оптимальных доз минеральных и органических удобрений, известкование кислых почв, высокий уровень агротехники, комплекс протнвоэрозионных мероприя-

тий и регулирование водмо-воздушного режима почв создают условия для получения устойчиво.высоких урожаев сельскохозяйственных культур: Во.влаж-ные периоды избыто'шая вода отводится дренажной системой, а в засушливые осуществляется ее подача экологически обоснованными нормами оросительной сетью и поливными устройствами. Дренажно-сбросиые воды с мелиорируемой территории транспортируются по биоканалу, где происходит их очистка от загрязняющих веществ. Сброс этой воды в водоприемшпе как в период весеннего половодья, так и летне-осенний происходит транзитом в обход рыбовод) ю-биолошческих прудов. '

Г

I

iinii IIIIII НИЩ!!!

а

ИНН

I i I III

===!Ш1Щ|

i —-i___у

ЕЁЩГШТГ'г

——f I i 11

JJllL1'

ГГГГТТ

III! IIII

ТТП

It 11 111)1

Рис. 14. Схема адаптивной водооборотной мелиоративной системы: 1 - земельный участок с дренажной сетью и дождевальными устройствами; 2 -мелиора-titbhlift биоканал; 3 — рыбоводно-биолоптчеекпе пруда; 4 — водоприемник.

При допустимом уровне функционирования экосистемы по степени за. грязнсния почв ТМ и МЭ наблюдается некоторое сшгженне урожая и ухудшение качества выращенной продукции. Уровень загрязнения почв, содержание экотоксикантов в растсшюхл! ipyirroBax водах' прИблтились или доспали критических концентраций.". Мероприятия, предотвращающие поступление загрязнений в агроландшафт, должны опираться на совершенствование технологии производства, создание зомюгутых систем, экологический контроль.

Сельскохозяйственное производство в условиях такого загрязнения должно базироваться на возделывании устойчивых видов растений к высокому содержанию МЭ и ТМ в почве: свекла, бобовые и лекарственные травы, на спо-•собности pacreimil аккумулировать МЭ и ТМ, на возможности в дальнейшем их утилизации. Благодаря юбирателыюй способности корней некоторых расте-• нш1, возможно выращивание сладкого перца, бобов, кукурузы и рядадругих, а также возделывание технических культур, культивирование растений столько

для полунения семян. При этом необходим постоянный контроль всех элементов экосистемы и качества сельхозпродукции. Они не должны превышать ПДК иОДК.

Для снижения подвижности МЭ и ТМ должны применяться химические мелиорации, технологии которых основаны на внесении известковых материалов, суперфосфата, а на почвах с рН ниже 5,8 фосфоритной муки. Внесение навоза, компостов, сапропеля, глинистых минералов способствуют окультуриванию легких дерново-подзолистых почв, вовлечению МЭ и ТМ в комплексные соединения.

Доя получения стабильно высоких урожаев сельскохозяйственных культур и обеспечения эффективности мероприятий но реабилитации загрязненных земель водно-воздушный режим почв должен поддерживаться в онтлмалшых пределах. Дренажный и поверхностный стоки на допустимом уровне.функционирования экосистемы рекомендуется очищать в биоканале.

В качестве одного из приемов повышения продуктивности сельскохозяйственного производства и снижения токсического действия МЭ и ТМ используется внесение органических удобрений. Автором предложен способ их приготовления. Он основан на утилизации сточных вод, образующихся в свинокомплексах, и выполняется на спланированном склоне. Этот способ рекомендуется использовать на'участках со слабоводонроншшемым подпахотным слоем при глубоком залегании грунтовых вод, в протипном случае необходимо устройство противофильтрацнонных экранов. 11а склоне устраиваются лсшы из соломы, торфа, песка с помощью модифицированных навозоразбрасывателей. Борозды, валики, канавы и дамбы для накопления сточных вод выполняют плугом. Данный способ опробован и внедрен на свинокомплексе «Искра» Рязанского района.

На критическом уровне функционирования экосистемы урожай сельскохозяйственных культур резко снижается вплоть до полной гибели. Содержание экотокенкантов в продукции значительно превышает предельно допустимые концентрации. Без радикальных мероприятий по очистке таких загрязненных земель правомерно ставить вопрос о нецелесообразности их сельскохозяйственного использования. Рекультивация возможна за счет механического удаления загрязненного слоя почвы, либо путем перемещения загрязненного слоя в почвенные слои, подстилающие корнеобитаемый.

Наряду с механическим перемещением загрязненной почвы некоторые исследователи рекомендуют проводить промывку. Нами предлагается следующая технология водонасыщения пахотного и подпахотного слоев почвы. Воло-насышэющие оросительные нормы должны бьпъ небольшими — достаточными только для вытеснения почвенного раствора с МЭ и ТМ в слон почвы, подстилающие расчетный активный корнеобитаемый слой. Водонасыщенне должно осуществляться через достаточно большие промежутки времени. Его лучше проводить одновременно с поливом сельскохозяйственных культур. Скорость водонасыщсния можно существенно увеличить, применяя специальные вещества, увеличивающие растворимость МЭ и ТМ, В работе предложен полный

алгоритм расчета режима перемещения МЭ и ТМ из загрязненного пахотного слоя почвы в подпахотный. В расчете использованы формулы для определения водон&сыщающих норм; глубины залегания промывного и поглощающего слоев почвы, периодов промывок, а также суммарного выноса МЭ л ТМ с урожаями и инфильтрационными водами,

1 Значительное внимание следует обращать на естественные процессы са-моочищеш1Я воды и очистительную способность гндромакрофнтов н микрофн--тов. Исследования, проведенные на малой реке, впадающей непосредственно в водную систему р, Оки, свидетельствуют о значительном накоплении в высшей водной растительности (ВВР) солей металлов. Накопление тяжелых металлов и микроэлементов отмечено во всех популяциях ВВР (табл. 22). Все это используется в качестве дополнительного компонента в предлагаемой конструкции биоканала с многоступенчатой очисткой дренажных вод. Уровни и скорости движения воды в биокаиале регулируются в зависимости от требуемой очистки вод, условий их расчетного пропуска и биологических особенностей развития растений. В работе представлен тдрашшческий расчет параметров биокаиала.

' Работоспособность предлагаемой конструкции биоканала (рис. 15) проверялась на нолевой модели. В качестве основных очищающих компонентов в нем использовались: кустарники, осоковые и рогоз узколистный. Общая длина участков с рогозом — 55 м, с осоковыми - 95 м. Очистительная способность составила 27,2-93,8% от исходной концентрации элементов. ■■ •

Рис. 15. Поперечный и продольный разрез биоканала: 1~ дно бноханала; 2 — нижняя берма; 3 — верхняя берма; 4; 5-откосы; 6— бровка; 7,8, Р, 10-ВВР; 11 - валик; 12 - уровень воды при пропуске (У^; 13 - уровень воды при пропуске Оыс.кн.1— максимальный расчетный уровень воды.

Для повышения экологической безопасности экосистемы п устье канала следует предусмотреть рыбоводно'-бнологичсскне пруды. Работа их основана на механизмах самоочищения воды. Необходимый для бактериального окисления загрязнителей кислород доставляется микроскопически малыми планктоновыми водорослями, выделгаошими его в процессе фотосинтеза. В свою очередь, водоросли потребляют углекислоту, фосфаты и' аммонийный азот, освобождаемые при бактериальном разложении органических веществ. Благодаря таким. сим биотическим ^взаимоотношениям между водорослями и бактериями создаются условия для массового развития фитопланктона, а ТМ и МЭ вовле-

' каются в биологический круговорот веществ в природе и выносятся растениями, которые необходимо в дальнейшем убирать и утилизировать »а специальных полигонах.

Как показали результаты исследований по выявлению источников загрязнения агроландшафтов значительным фактором является поверхностный сток. С одной стороны он является причиной водной эрозии почв, a с другой, являясь наиболее динамичным природным процессом, переносит загрязнения в водотоки и водоемы. Установлено, что содержшше металлов и западинах рельефа несколько больше, чем на возвышенных местах и водоразделах. С учетом этого была разработана конструкция земледельческого поля орошения. Данная кок-струкция йспытывалась на орошаемых землях свинокомплекса «Искрз» и учхоза «Стенькино» Рязанского района. Установлено, что такое поле является надежным защитным мероприятием. Поверхностный сток на нем освобождается от взвешенных веществ, содержащих основное количество загрязнений.

При любом виде интенсивной хозяйственной деятельности водные ресурсы, почва ц воздушный бассейн в той или иной мере подвергаются загрязнению агрессивными веществами иди другим воздействиям. Природная среда становится непосредственным участником производства. Потери в народном хозяйстве и обществе, прямо или косвенно являющиеся следствием отрицательного антропогенною воздействия на природную среду, принято определять как ущербы. В провезенных нами расчетах, характеризующих целесообразность практического использования рекомендуемых мелиоративных мероприятий, предотвращенный экономический ущерб представлен как возможный недобор урожая сельскохозяйственных культур на загрязненных землях.

Па допустимом и критическом уровнях функционирования агроландшаф-та при загрязнении почвы преимущественно медью недобор урожая, но сравнению с максимальным значением (У*,**) при оптимальном соотношении МЭ и ТМ в почве, многолетних 7pas может колебаться в пределах 1 >6-58,2%, однолетних трав - 1,0-62,4%,картофеля- 1,0-52,2%, овса - 2,3-44,1%, люпина- 1,652,2%, соответственно для цинка он может составлять: 1,0 — 83,0%, 2,8-64,3%, 0,8-40,8, 1,4-88,1%, 0,9-48,7%. Для почв, преимущественно загрязненных свинцом, страдательное воздействие проявляется более существенно. Урожай снижается и недобор урожая составляет: для многолетних трав 2,6-65,0%, однолет-них.трав - 1,2-72,3%, картофеля - 1,5-59,0%, овса - 1,9-85,5% и люпина - 1,595,9%. При достижении индекса загрязнения Z=»50, что соответствует содержанию этого металла в почве 250 мг/кг, происходит гибель урожая картофеля, овса к люпина. Предотвратить снижение урожая сельскохозяйственных культур, а следовательно, сохранить вынос МЭ и ТМ растениями, и рекультивировать аг-рояандшафт позволит использование рекомендуемых режимов мелиорадий. Это при проведении комплекса мероприятий, позволит в дальнейшем персвестн отдельные агроэкосистемы с критического уровня на допустимый и далее на нормальный. При этом применение орошения по рекомендуемым нормам за счет более эффективного использования биопродуктивности экосистем, естественных осадков и вертикального влагообмена в почве при нормальном уров-

не функционирования экосистем приводит к экономии поливной воды и энергоресурсов на 13,6-21,7%.

Мелиоративные мероприятия в системе ведения сельского хозяйства оказывают существенное влияние на миграцию металлов. Предлагаемая в настоящей работе водооборотная мелиоративная система применительно к трем уровням функционирования экосистемы, (нормальный! допустимый и критический) способствует локализации - миграционных процессов. Для каждого уровня функционирования экосистемы обоснованы и предложены режимы комплексных мелиорации земель, технические решения по устройству и ведению адаптивного ландшафтного орошаемого земледелия на техногенно загрязненных почвах, что способствует повышению плодородия почв, получению экологически чистой продукции, а также сохранению и повышению устой'птости экосистем.,

'Выводы

1. Анализ экологической ситуации в южной части Нечерноземной зоны Российской Федсрашш в пределах бассейна р. Оки показал, что агроландшаф-ты загрязняются тяжелыми металлами "и" накапливают микроэлементы. Основными источниками поступления загрязняющих веществ являются атмосферные осадки, содержащие выбросы промышленных предприятий, и средства химизации, применяемые в сельском хозяйстве. Загрязнение почв приводит к снижению продуктивности агроландшафто, ухудшению качества сельскохозяйственной продукции и увеличению загрязнения природных водотоков и водоемов. При этом мелиорируемые почвы меньше накапливают тяжелые металлы и микроэлементы по сравнению с почвами, на которых водный режим формируется только естественными природными факторами. Это дает основание для разработки и использовашгя на практике таких режимов комплексных мелиорации, которые позволяют улучшить сложившееся экологическое состояние' агроландшафто» с учетом особенностей функционирования экосистем на нормальном, допустимом и критическом уровнях. - * '■

2. Определение региональных и локальных источников химического загрязнения агролаидшафтов, поступление элементов-загрязнителей, их оценка и выполненное региональное почвенно-эколо пгческое обследование позволило установить следующее. ,

• Загрязнителями экосистем бассейна р. Оки в пределах Рязанской области являются промышленные предприятия Рязани, Касимова,' Спасска-Рязанского, Михайлова, Сасова и друп« городов. В составе выбросов работающих предприятий имеет«! большой спектр химических веществ, которые, попадая в воздушные потоки, загрязняют атмосферные осадки, водные экосистемы, почвы и растения. Ежегодно на каждый гектар пашнн региона в среднем за 1993-1999 гг. выпадало Zn- 181,2,' РЬ - 53,6; Си - 73,8 И Cd - 4,7 г/га. Эти элементы попадали в почву в виде слабых растворов солей, концентрация которых зависела от интенсивности, систематичности, загрязненности потоков в атмосфере. • . ....

• Анализ процессов поступления, накопления н выноса тяжелых металлов и микроэлементов в агроландшафгах Рязанской области показал, что при интенсивной химизации в земледелии ежегодно одни гектар пашни (1989-1990 гг.) накапливал 2п-290,9 г; Си - 143,8; РЬ-86,б н С<1 - 9,36 г. С уменьшением внесения удобрений н снижс1шем продуктивности (1996-1998 гг.) накопление металлов снизилось и составило соответственно 167,9, 75,8, 51,2 н 5,04 г. Максимальное поступление металлов происходит за счет выпадения их с атмосферными осадками, при чем доля атмосферных выпадений в балансе металлов в условиях уменьшения химизации выросла от 55,5-67,8% до 85,6-94,4% от общего поступления в корнеобнтаемый слой.

• С использованием предложенных методик регионального почвенно-экологического обследования и материалов н иженер ио-экол о гичес ких исследований определен региональный фон тяжелых металлов и микроэлементов, учитывающий геохимическую характеристику почвообразующих пород. Рекомендовала репIопальная градация содержания элемогтов-загрязшгтелей. Региональный фон 2п, Сф Сг, Мп, N1, Мо, V меньше кларковых глобальных величии, а по Си, РЬ, В, Со - больше их.

• Обследование почв на содержание тяжелых металлов и микроэлементов в пахотном слое позволило установить, что разнообразие почвенных условий предопределяет особенности накопления элсментов-загрязшггелей. Наибольшая аккумуляция металлов происходит в черноземах и серых лесных почвах, особенно это характерно ятя РЬ, Си, Мп. В среднем убывающий ряд загрязнителей по интенсивности накопления выглядит следующим образом: Си>РЬ=У>Мп>гп. Содержание в почвах Си в 3,4 раза, РЬ - в 3,0, V - в 2,1 раза больше регионального фона,

• . Распределение тяжелых металлов по профилю черноземов, серых лесных, дерново-подзолистых и пойменных почв зависит от конкретного элемента, генетических особенностей горизонтов, состава почвообразующих пород й изменений почвы под действием техногенных поступлений с осадками. Изучаемые почвы характеризуются наличием двух четко выраженных максимумов в содержании элемс1гтов загрязнителей. Отмечается бногеохимическая аккумуляция Си, Мп, '¿х\, РЬ, С<1 н Со в гумусовых горизонтах — первый максимум. Второй максимум отмечен в пойменных почвах для Си, РЬ, Сг, В, Яп, Мо в слоях глубже 80 см, что связано с изменением состава аллювиальных наносов; а в элювиальных почвах второй максимум 2п, Си, РЬ, Со, № определен в слоях 4060, 60-80, 80-100 см, что объясняется изменением гранулометрического состава глинистых материалов л аккумуляцией элементов в иллювиальных горизонтах, то есть на геохимических барьерах.

3. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили оценить миграционную способность элсмснтов-загрязшггелсй в агро-ландшафге и установить влияние их накопления в почве на урожай сельскохозяйственных культур. Увеличение накопления микроэлементов н загрязнения почвы тяжелыми металлами выше допустимого уровня приводит к значительному снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

• Повышение в 1,5-6,0 раз загрязненности почвы металлами в условиях модельного эксперимента увеличивало поступление металлов в растения в 215 раз по сравнению с контролем. Загрязнение почвы при рН 5,0-6,0 водорас-

- творимыми солями Си, РЬ п 2п усиливает нх миграцию. В то же время постепенно эти элементы включались в орпшоминеральные комплексы, адсорбировались почвенными минералами, трансформировались в почве в менее подвнж-" ные соединения и их вымывание из корнеобитаемого слоя почв резко снижалось. Исключение составили соли цинка, которые сбрасывались с просачивающейся водой, не успсв перейти в нерастворимую форму.'

• Миграция металлов с внутрипочвенным стоком в грунтовые воды несколько больше в начале вегеташш растений (кроме РЬ) и практически не зависит от уровня грунтовых вод в интервазе глубин 0,7-1,9 м. С одним литром ин-фильтрационной воды в лизиметрах из пашни в грунтовые воды весной поступает Си - 0,0032 мг; 2п - 0,0322; РЬ - 0,0086 и С(1 - 0,0008 мг, а осенью соответственно 0,0028; 0,0258; 0,0099; 0,0006. '

• Водный режим почв бассейна р. Оки в основном определяется вертикальным апагообмеиом и атмосферными осадками. Последние в количественном отношении характеризуются значительно многолетней и внутривегстаци-онной неравномерностью, что подтверждает целесообразность орошения сель-скохозяйствсшшх культур.

• Водопофсбление сельскохозяйственных к>*льтур является основной статьей водного баланса. Ее величина условиях техногенного загрязнения почв определяется климатическими условиями, биологическими особенностями культуры, величиной урожайности, уровнем увлажнения и загрязнения корнеобитаемого слоя тяжелыми металлами и мнкроэлсметами.

■. , 4. Разработаны методики определения элементов водного баланса, составлен алгоритм расчета и получены оптимальные значеши водопотребления, вертикального влагообмена и оросительных норм.

• Разработана методика расчета водопотребления полевых культур, ко-.торая позволяет уч|гшвать влияние ^па его величину метеорологических условий вегетационного периода, биологических особенностей сельскохозяйственных культур, а также уровень функционирования экосистемы, и определены обеспеченные величины водопотребления основных районированных сельскохозяйственных культур при преимущественном загрязнении почв тяжелыми металлами и микроэлементами.

• На основании теоретических исследований и лизиметрического моделирования влагопсреноса получены зависимости для расчета вертикального влагообмена, в которых учитывается не только лодтгтывзние расчетного слоя почвы влагой грунтовых вод из шшележащих слоев, но и инфильтрация влаги за его пределы. Выполнены расчеты обеспеченных величии вертикального влагообмена с учетом уровня функционирования экосистемы' в условиях техногенного загрязнения агроландшафта отдельно для Си, РЬ.

• Выявлены закономерности формирования, оросительных норм к минимальных межполивных интервалов. Они зависят не только от вила культур и их биологических особенностей, метеорологических условий, обеспеченности влагой и элементами питания почвы, планируемого урожая, но от степени загрязнения почвы ТМ и МЭ. Предложен алгоритм расчета водного режима почв при орошении сельскохозяйственных культур.

• По метеоданным основных метеостанций региона установлены экологически оитимхтьные оросительные нормы техногенно загрязненных земель на нормальном, допустимом и критическом уровнях функционирования асро-ландшафта, учитывающие дефицит водопотребления, продуктивность и биологические свойства сельскохозяйственных культур, увлажненность корнсобн-тае.мого слоя почвы, уровни трутовых вод и загрязнение почв тяжелыми металлами и микроэлементами. Оросительные нормы дифференцированы ло уровням функционирования экосистем и убывают с юго-востока на северо-запад бассейна р. Оки. Для супесчаных, менее влагоемких и водоудержнвакь щнх почв, нормы орошения на 12-23% больше, чем для суглинистых. Для земель с глубоким залеганием грунтовых вод (П>1,5-1,7 м) оросительные нормы в 1,4-2,1 разз больше по сравнению с осушаемыми землями, где влажность почвы формируется интенсивным подпитыванием. Экологически обоснован-

. ные оптимальные оросительные нормы использованы в эколого-экономнческом обосновании водохозяйственных программ региона, при проектировании мелиоративных систем и оперативном управлении водным режимом,

5. Обоснованы и разработаны режимы комплексных мелнораций, технические и технологические решения по устройству и ведению адаптивно ландшафтного орошаемого земледелия на техногенно загрязненных почвах, способствукшше улучшению их плодородия и рекультивации, получению экологически безопасной продукции, а также повышению уровня функционирования экосистем.

• Для установленных уровней функционирования экосистем в комплексе рекультнвацнониых режимов мелнораций обоснован и сформулирован технический и технологический регламагт функционирования агроэкосистемы, где природная среда выступает как единое образование н может функционировать на разных уровнях.

• ■ Для придания устойчивости мелиорируемому агроландшафту предложена принципиальная схема адаптивной мелиоративной водооборощой системы, включающей наряду с традиционными элементами, комплекс сооружений и способов подготовки мелиорируемых почв, очистки дренажных н поверхностных вод, биомслиоративный канал, способ приготовления органического удобрения, земледельческое поле орошения и биопруды.

• Разработана конструкция мелиоративного биоканала для очистки вод. При его использовании степень очистки в зависимости от элементного состава вод колеблется в пределах 64-93,8% ог исходного состава зогряэшггелей (патент РФ № 2092455). Для снижения в почве токсичности металлов и повыше-' ния плодородия их предложен «Способ приготовления органических удобре-

ний» (АС |й 1801962). Дляпредотврэщенияэрозионных процессов и обогащения почвы органическим веществом, ахкумул!грующнм МЭ и ТМ, предложено «Земледельческое поле орошения» (АС № 1771603).' Онк прошли апробащпо в производственных условиях. ' ','"""- "

• - Оснопополагагащими приемами ландшафтио-экологичсского земледе-' лия, сшскающими поступление метилов в растения л во внутрнпочвенные воды,'повышающими продуктивность сельскохоэяйствснных угодий, в том числе мелиорированных земель, является ¿несение м'инеральиых, органических удобрений и химмслнорантов. Дозы, сроки и способы внесения зависят от агрохимических, агрофизических свойств почвы, от экологических особенностей рас-' тений, чередования сельскохозяйственных культур, режима орошения и назначаются по результатам почодпгоокологического обследования, ' •

...•■. Разработанные приемы'улучшения экологической обстановки мелиорируемых атроландшафтов способствуют снижению ущерба за счет предотвращения недобора урожая на допустимом и критическом уровнях функционирования шроэкосистем, а использование разработанных методик расчета водо-потреблеиия и влагообмеиалфи формирований водного режима почв на нормальном уровне обеспечивает экономию водных и энергетических ресурсов. .:

• Режимы мелиорации техногенио загрязненного агроландшафта спо-* собствуюг рскультнвации/охранё земель и переводу экосистем го кргггического в допустимый, дм ее в нормальный уровень функционирования, получению социально-экологического эффекта, стгженню риска и новытешпо устойчивости агроэкосистсм.

.> II рехэджения производству

При обследовании сельскохозяйственных угодий с целью экологической оценки почв басссйна.р. Оки рекомендуется использовать разработанную ре-' гиональную градацию Zn, Cu, Pb,' Cd, Сг, Со, В, Mn, V, Ni, Sn, Mo по валовому содержанию и их суммарному индексу загрязнения.

Площади сельскохозяйственных угодий, выявленные в результате обследования н имеющие концентрацию тяжелых металлов и микроэлем ентов более двух региональных клархоа (фонов); должны быть взяты под особый контроль.

1 Тахие почвы в экосистеме приблдошшсь к критическому уровню функционирования. Требуется разработать систему удобретгй с учетом нейтрализации кислотности почвы, Большинство ТМ и МЭ при рН 6,5-45,7 не усваиваются растениями и слабо персдпигаются по профилю почв.

" В системе удобрений следует учитывать, что навоз, компосты, фосфорные удобрения при взаимодействии с почвс!ШЫМи ТМ и МЭ связывают их в органоминеральные комплексы, которые переводят многие химические элементы из усваиваемых для растении состояний в нсусваиваемые формы. Вследствие этого продукция по сащпзрно-гигиеннческнм показателям улучшится, а применение удобрительных и мелиоративных средств при рекомендуемом ре: жиме мелиорации повыогт урожайность сельскохозяйственных культур. "

' Бналопгчески опттшальныс 'ороснтсльные нормы и межполишше интервалы в зависимости от глубины залёгання грунтовых вод, планируемого уро-

жая, индекса суммарного загрязнения почвы металлами и микроэлементами и уровня функционирования экосистемы рекомендуется использовать при разработке и обосновании государственных водохозяйственных программ, при проектировании мероприятий по регулированию водного режима почп.

На нормальном уровне функционировании экосистемы следует использовать апробированные региональные адаптивно-ландшафтные системы земледелия и режимы мелиорации с учетом существующих ограничений, ПДК, государственных стандартов проектирования и эксплуатации ГМС и сшиггарно-гигнеиических норм.

При допустимом уровне функционирования экосистемы и наличии тенденции к снижению продуктивности сельскохозяйственного производства следует установить степень загрязнения почвы. Для снижения токсичности ТМ и МЭ, сохранения продуктивности и оптимизации режима орошения необходимо провести известкование почв, внесение органических и фосфорный удобрений дозами, способными связать подвижные металлы и органомииеральные комплексы.

При критическом уровне функционирования экосистемы, где загрязнение достигло высоких значений, при невозможности получения сельскохозяйственной продукции с допустимым содержанием ТМ и МЭ в товарных органах растений, необходимо соответствующие площади выводить из полевых севооборотов и перепрофилировать растениеводство на выращивание технической продукции.

Рекомендуется использовать водооборотные мелиоративной системы с комплексом технических н технологических решений (противоэроз!юиная подготовка и обогащение органическим веществом мелиорируемых земель, строительство дренажной сети, биокапхта, биопрудов по приему к доочистке загрязненных дренажных вод). На отдельных мелиорируемых загрязненных участках возможно прооодить промывку почвы для удаления из корнеобитаемого слоя ТМ и МЭ, закрепления их в подпахотном слое.

Загрязненные участки полей следует периодически глубоко вспахивать плугом с предплужником, укладывая верхний загрязненный слой на дно плужный борозды. На черноземах следует делать оборот пласта на глубину 40 см, на других почвах — на глубину гумусового слоя. При этом необходимо вносить удобрения для окультуривания оиодзоленных горизонтов почвы. Выращивать на этих участках следует культуры, активно потребляющие ТМ и МЭ, способствующие их выносу и не употребляемые непосредственно в пищу человека.

. Необходимо вести постоянный производственный контроль за состоянием экосистемы, режимами влажности и питания, содержанием ТМ и МЭ в почве н грунтовых водах и качеством сельскохозяйственной продукции.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Водопотребление картофеля на легких минеральных почвах Нечерноземной зоны//Вестник сельскохозяйственной науки. - 1986.-Л*2 5.-С. 140-144 (Стельмах Е.Л.).

2. Рекомендации по режимам орошения сельскохозяйственных культур в типовых севооборотах Рязанской области. — Рязань. — 1986. — 49 с. (Стсльмах Е.А., Евсснкин К.Н.). ■"".' 1Г . ..

„ 3. Вертикальный вл'агообмен при орошении картофеля на осушаемых супесчаных почвах //Мелиорация и водное хозяйство; Сер.1. Орошение и оросительные системы: Экспресс-информация• ЦБНТИ Минводхоза СССР.- - М, 1986,вып. 10.-С. 1-11 (Стельмах Е.А.). ' * * *

41 Орошение полевых культур на легких почвах Мещерской тпменности //Технология орошения программирования урожая: Научн. тр. /ВШШГиМ. -М., I986.-C. 178-183 (Стельмах ЕЛ.).

', 5. Опыт выращивания люпина, картофеля и овса на легких почвах'прн орошении //Оптимизация питания растений в условиях химизации земледелия: Научн. тр. /ТСХА. - М., 1987. - С. 79-85 (Стсльмах Е.А., Черенков HJI). - ,

6. Водный режим орошаемых супесчаных почв //Мелиорация и водное хозяйство. - 1989.-Jö 7.-С. 32-34 (Баласв Е.А., Стсльмах ЕЛ.).

7. Определение испарения с использованием элементов теплового балан-; са //Мелиорация и водное хозяйство. Сср.1: Орошение и оросительные системы: Экс.-ннфор. ЦБНТИ Минводхоза СССР. - М., 1990: - выи. 5. - С. 1-10 (Стсльмах Ej\.). ..•■■■* .

8. Рекомендации по режимам орошения сельскохозяйственных культур при разных уровнях урожайности на минеральных почвах Рязанской области. — Рязань, 1990. - 48 с. (Стсльмах Е.А., Сидоров И.В., Евсснкин К.Н., Карэсев A.C., Зотова Т.Н.).

9. АС Jís 1771603. Земледельческое пазе орошения для очистки сточных вод//Бюллетень. - 1992. — № 40 (Голченко М.Г., Жслязко В.И., Лисютин В.А., Михальченко H.H.; Стельмах Е.А.).

10. АС № 1801963, " Способ получения : органических удобрений //Бюллетень. - 1993. - Ni 10 (Голчеико М.Г., Михальченко H.H., Желязко В.И., Стеяьмах Е.А., Лисютин В.А.). »

'11. Изучение содержания тяжелых металлов в почве и раслггслыюстн //Рязанский экологический вестник. - 1995. — № 3. - С. 52-55 (Никушниа.Т.К., Евтюхин В.Ф.),

12. Тяжелые металлы в почвах Рязанской области //Химия в сельском хозяйстве. 1995. - ífs 4. - С. 23-25 ' (Ннкушина Т.К., Пчелшшева САЧ Кузнецов Н.П.). ' ■ *

1 14. Методические основы организации и проведения агроэколошческого мониторинга земель //Актуальные вопросы здоровья населения на рубеже 21 века. Медуинверситет. - Рязань. - 1996. - С.-12-24 (Евтюхин В.Ф., Шленс-кая Ф.С., Хохлов ПА.'идр.). - , ■ ■■

15, Агрозкологнческий мониторинг земель.— организация проведения и оценка результатов //Российский медико-биологический вестник. — М„ 1996. — Ks 12. - 15 с. (Бочкареа Я.В., Торбич В.Ф., Болюк Т.Н., Воронов В.П., Чукина Г.В.). . ..

16. Патент РФ JSTs 2092455. Способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также устройство для его осуществления //Бюллетень. - 1997. - 28 (Голчснко М.Г., Брезгунов B.C., Жслязко ВН., Ми-хальченко H.H.).

17. Мелиорация и баланс тяжелых металлов в зоне техногенного влияния крупных промышленных центров (на примере г. Рязани) //Защити, лесоразведение и мелиорация земель п степных районах России. - Волгоград, 1998 (Боч-карев Я.В., Ннкушнна Т.К.).

18. Опыт использования водобалансовых лизиметров при изучении пла-гозапзеов и водно-физических свойств орошаемых почв //Лизиметрические исследования в агрономии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии. /Доклады симпозиума. -Немчиновка, 1999.- С. 211-214 (ЗахароваO.A., Гусева Т.М.).

19. Опенка влияния выбросов Рязанской ГРЭС на ландшафты Рязанской области //Человек и окружающая среда. /Материалы З-eil республиканской научной конференции. - Рязань, 1999. - С. 62-63 (Захарова O.A., Ляпкало A.A., Евпохин В.Ф., Тобратов СЛ.).

20. Возможность реабилитации земель загрязненных ТМ, с помощью оросительной мелиорации /Я Го вое в эколога и и безопасности жизнедеятельности. /Доклады 4-ой Всероссийской научно-практической конференции. - СПб., 1999. - С. 116-119 (Давыдова ШО., Евсешаш К.Н., Евпохин В.Ф.).

21. Состояние окружающей среды и природных ресурсов //Система ведения агропромышленного производства Рязанской области на 1998-2010 гт. -Рязань, 1999. - С. 245-251 (Маркова В.Н., Ефимов B.IL,Евпохин В.Ф.).

22. Quantifizierung von diffusen Stoffausträgen aus der landwirtschaftlichen Fi5chei»nutzung in ausgewählten Teileinzugsgebieten von Oka und Elbe //Russisch-deutsches Seminar zur wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit tm Bereich Gewässerschutz und Umwel ttcchnologien „Okomomtoring großer Gewässer und Umwelttechnologien zur Vermeidung von Scha<isto fFe in trägen". Vomräge in Kurzfassung. - Haus der Wisstnschaft und Kultur der Russischen Föderation. -Berlin, 1999, s, 18-22 (Meißner R., BallalL, BüttncrO. и др.).

23. Мониторинг малых рек Окского бассейна //Геологический иеспшк центральных районов Pocciut. - М., 2000. -Ki 3. - С. 55-58 (Гусева Т.М.).

24. Региональный эколого- мел нора гнвный мониторинг на агроландшафтс //Проблемы репюнальной эколопш. - М., 2000. - Кг 4. - С. 62-67 (Евпохин В.Ф., Резникова A.B.).

25. Основные результаты исследований донных отложений р. Оки, проведенных в рамках международного проекта «Ока-Эльба» //Геологический веслшк центральных, районов России. — М„ 2000. — Ks 3. — С. 58*60 (Гусева Т.М., Евпохин В.Ф. и др.).

26. Концепция мониторинга агроландшафта в Рязанской области //Социально-гигиенический мониторинг здоровья населения: Рязань, РГМУ, 2000. - С. 227-228 (Евтюхин В.Ф., Гусева Т.М., 11икушнна Т.К.).

27. Рекомендации по регулированию водного режима и баланса тяжелых металлов увлажняемых -почо при антропогенных нагрузках /Под ред. КХА Мажайского. — Рязань: МФ ГНУ ВНИИГиМ, 2000. -150 е. 1

28. Quantifizierung von diffusen Stoffausträgen aus der landwirtschaftlichen Flächeyyutzung in den' Einzugsgebieten von Okar und ■ Elbe //Quantifizierung von diffusen Stoffausträgen aus der landwirtschaftlichen Flächeyyutzung in den Einzugsgebieten von Oka und Elbe /Herausgeben Prof. Dr; Ralph Meißner. - UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig — Halle GmbH, Sektion Bodcnforschung, Nr. 13/2000, ISSN 0948-9452,104 s. (Baila H.; Seeger J., StratschkaM. и др.).

' 29. Региональный эколого-мелноратиешлй мониторинг на агроландшафте . //Проблемы региональной эколопш."- М., 2000. - 21 с. (Евтюхин В.Ф., Резникова A.B.). ' ; *

30. Технология управления водным режимом техногенио-загрязнеиных земель /Социально-гигиенический мошпоринг здоровья населения. - Ряэаш., 2001. —С! 221-225.

31. Регулирование содержания тяжелых металлов в почве /Социально-гигиенический мониторинг здоровья населения. - Рязань, 2001. - С. 236-238. _

32. Оценка эколого-мслиоративного агролаидшафта //География и природные ресурсы.-Новосибирск: НаукаСОРАН,2001.-К°4.-С. 106-Ш (Ев-тюхин В.Ф., Резникова A.B.).' " - - '

33. Восстановление * земель,* загрязненных тяжелыми металлами //Мелиорация и водное хозяйство^ -2001. - Jí» 2. - С. 34-37.

. 34: Методика расчета водопользования сельскохозяйственных культур па антропогенно загрязненных землях //Мелиорация и водное хозяйство. - 2001, —

• №6.-С. 33-34. ' .** •

35. Рекомендации по использованию сточных вод в Рязанской области. -М.: Изд-во П1У ВНИИГиМ, 2001.*-101 с. (Кирейчсва Л.В., Захарова OA.).

36. Социально-экологическая эффективность регулирования водного режима техногенно-загрязнениых земель /Проблемы мелиорации и орошаемого

. земледелия юга России.' -М: РЛСХН, 2001. - С. 269-278.

37. Экологические факторы регулирования водного режима лочв в условиях техногенного'загрязнения огроландшафтов. — М.: Изд-во МГУ, 2001.

227 с. " '• - _ ■ " '

1 38. Экология огроландшафта Рязанской области. - Мл Изд-во МГУ, 2001, -95 с. (Евтюхин В.Ф., Резникова A.B.).

* 39. Тяжелые металлы в экосистемах водосборов малых рек. — Мл'Изд-во 'Московскогоуниверситета,2001, —138с. (Ю.А. Можайский,Т.М. Гусева).' •

40. Утилизация сточных вод и животноводческих стоков. — Мл Фирма ООО «Эдэль-М», 2002, - 183 с. (В.И. Желязко, O.A. Захарова, Л.В. Кирейчева,

* Ю.А. МажаЙскиЙ, H.H. Мнхальчснко).

41. Регулирование водного' режима и- баланс тяжелых металлов //Аграрная наука. -2002. - Кг 4: - С. 19-20. • ' " -'. ■

42. Программные положения мониторинга техногенно загрязненных^ земель //Аграрная наука. - 2002. - № 9.

, Лицензия ПЛД №66-17 от 25.01.99 г. Подписано в печать 30.01.2002 г. Формат бумаги 60x84/16. Печать офсетная. Бумага писчая №1. Тираж 100 экз. Заказ 128. Объем 3 п.л.. Отпечатано в ООО «Офсет» 390000, Рязань, Дзержинского, 14а.

»13302