Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка экологической устойчивости почв Нижнего Дона к загрязнению тяжелыми металлами

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка экологической устойчивости почв Нижнего Дона к загрязнению тяжелыми металлами"

Налфаррх^Зуклп пси

Бакоев Сирождин Юсуфович

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ НИЖНЕГО ДОНА К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

03.02.08 — экология (биологические науки) 03.02.13 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 0 ;' </'. 7!

Ростов-на-Дону-2012

005015763

Работа выполнена на кафедре земледелия и мелиорации Донского государственного аграрного университета

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Калиниченко Валерий Петрович

доктор биологических наук, профессор Минкина Татьяна Михайловна

Официальные оппоненты: Околелова АллаАроновна, доктор биологических

наук, профессор, профессор кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского государственного технического университета

Угольницкий Геннадий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры прикладной математики Южного федерального университета

Ведущая организация: Московский государственный университет

им. М. В. Ломоносова, факультет почвоведения

Защита диссертации состоится 18 мая 2012 года в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105, ЮФУ, ауд. 304, e-mail: denisova777@inbox.ru, факс: (863) 2638723.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан « » апреля 2012 г. и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ www.sfedu.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Денисова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) за последние столетия стало серьезной проблемой, сопоставимой с глобальными природными явлениями по последствиям. Постоянно возрастающее воздействие человека на окружающую среду не соизмеряется с ее устойчивостью, возникают нарушения в ходе естественных природных процессов. Методологической основой оценки устойчивости почв, то есть их способности нейтрализовать отрицательные эффекты воздействия различных техногенных веществ, является анализ свойств и режимов почв, контролирующих процессы трансформации, накопления и выноса веществ в почвенном профиле, степень подвижности токсичных ТМ (Глазовская, 1997).

Анализ устойчивости почв ведется по двум направлениям. К первому направлению относится разработка принципов оценки устойчивости, основанное на выборе комплекса наиболее важных параметров, оценке каждого из них по бальной системе и использование суммы баллов в качестве количественного показателя почв. Второе направление связано с построением и исследованием математических моделей, описывающих протекающие в почве процессы и отображающие механизмы ее устойчивости. В этом случае становится возможным использование математических методов анализа устойчивости. Работа выполнена в рамках второго направления, с учетом того, что почва относится к иерархическим системам и возникновение процессов каждого иерархического уровня ведет к созданию системы почвенных соединений химических элементов соответствующей категории. В качестве наименьшей структурной единицы, характеризующей свойства почвы как природного объекта, может быть выделена элементарная система соединений химических элементов.

Структура и функционирование элементарной системы химических элементов почвы обеспечивает ее экологическую устойчивость, т.е способность почв ограничивать отрицательное воздействие поллютантов на окружающую среду которая проявляется как стабильность существования равновесия между прочно связанными соединениями и непрочно связанными соединениями химического элемента (Мотузова, 2001). Взаимосвязь между данными соединениями обеспечивается реакциями, которые создают перераспределяющие потоки веществ и энергии. Постоянство потоков обеспечивает гетерогенность составляющих почвенной элементарной системы соединений, нелинейность отклика системы на внешнее воздействие, наличие отрицательных и положительных обратных связей.

Загрязнение почв ТМ влияет на устойчивость системы почва-растения, структуру микробного ценоза Содержание ТМ в растениях, численность микроорганизмов являются предметом саморегуляции, которую необходимо учитывать при оценке экологической устойчивости почвы к внешним воздействиям.

Целью данной работы является разработка приемов оценки экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ па основе использования методов теории нелинейных динамических систем.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1. Разработать математические модели формирования экологической устойчивости почв к воздействию ТМ на основании процессов поглощения и трансформации ТМ почвами, отражающих нелинейные обратные связи в

элементарной системе соединений металлов, а также учитывающие влияние ТМ на микроорганизмы и растительность.

2. Определить экологическую устойчивость почв Нижнего Дона (агроценозов и почв окрестностей Новочеркасской ГРЭС) к загрязнению Си, РЬ, Ъа на основе предложенных математических моделей.

3. Дать оценку экосистемных функций почвы на основе предложенных математических моделей.

4. Изучить влияние методов ремедиации загрязнешшх почв на экологическую устойчивость почв к загрязнению, качество и продуктивность растений. Научная новизна работы. Впервые представлен анализ устойчивости

черноземов Нижнего Дона, проведенный путем построения серии постепенно усложняющихся математических моделей поглощения и трансформации ТМ. На основе представленных моделей проведен качественный анализ влияния показателей сродства ТМ и непрочно связанных соединений ТМ в почве на устойчивость системы почва-растения к загрязнению, влияние ТМ на микроорганизмы. Введены индексы экологической устойчивости к поглощению почвой ТМ, характеризующие изменения в количестве непрочно связанных соединений ТМ, составе микроорганизмов и растительности. Показана информативность разработанных моделей оценки экологической устойчивости почв в условиях естественного и искусственного загрязнения почв. Предложена шкала экологического нормирования загрязнения черноземов обыкновенных ТМ по степени изменения индекса экологической устойчивости почв.

Практическая значимость. Модели, разработанные для почв Нижнего Дона, могут быть использованы для широкого спектра почв при разных уровнях техногенной нагрузки. Данные модели позволяют проводить расчет устойчивости почв к загрязнению ТМ, действия ТМ на свойства почв и качество растений. Данные показатели могут быть использованы научными, производственными и природоохранными организациями при мониторинге почв, оценке воздействия ТМ на состояние почв и растений, экологическом нормировании загрязнения почв и определении предельно допустимой техногенной нагрузки, разработке и оценке способов восстановления загрязненных почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. С целью экологического мониторинга почв, анализа степени загрязненности почв ТМ и оценки экологической устойчивости почв Нижнего Дона к загрязнению построены математические модели, основанные на нелинейных дифференциальных уравнениях. В качестве основных параметров математических моделей состояния почв приняты величина максимальной адсорбции металлов почвами, показатель сродства ТМ с поверхностью почвенных частиц, содержания непрочно связанных соединений ТМ в почвах, показатель выноса ТМ растениями.

2. Черноземы Нижнего Дона обладают достаточным запасом прочности, количественная характеристика которого описывается индексом экологической устойчивости почв по отношению к ТМ, уменьшаясь в ряду: чернозем южный тяжелосуглинистый > чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый > чернозем южный среднесуглинистый > чернозем южный супесчаный. По влиянию на устойчивость почв к загрязнению тяжелые металлы располагаются в ряд: РЬ >

3. Индекс устойчивости почв уменьшается с ростом техногенной нагрузки, что приводит к изменению биологической активности почв и увеличению накопления металлов растениями. Предложена оценка экологической устойчивости почв с учетом интегрального показателя биологического состояния почв.

4. Внесение различных сорбентов в загрязненную металлами почву увеличивает устойчивость почв. В большей степени этому способствует совместное внесение карбонатов и навоза.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях «Состояние и перспективы развития агрономической науки» (Персиановский, 2007), V Всероссийском Съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); научно-практической конференции «Проблемы мониторинга и сохранения плодородия почв мелиорированных земель» (Новочеркасск, 2009), VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) дня изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН (Азов, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, из перечня рекомендованных ВАК. Доля участия 75% 3,87 н.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах печатного текста. Состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы. Содержит 18 таблиц и 36 рисунков. Список литературы включает 200 источников, из них 40 на иностранных языках.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ РН 5.5349.2011, ГК № 16.740.11.0054, ГК № 16.740.11.0528, ГК№ 16.740.11.0232

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К НАГРУЗКАМ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В данной главе представлен обзор публикаций, посвященный вопросам взаимодействия ТМ с почвенными компонентами, формам нахождения ТМ в почвах, влиянию металлов на химические и биологические свойства почв и качество растений. Рассмотрены различные подходы к разработке и исследованию математических моделей почвенных процессов. Подробно проанализированы различные аспекты проблемы экологической устойчивости почв к внешним и внутренним воздействиям.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются верхний (0-20 см) слой гумусовых горизонтов чернозема южного карбонатного среднемощного тяжелосуглинистого на желто-бурых структурных глинах; чернозема южного среднемощного среднесуглипистого на желто-бурых лессовидных суглинках; чернозема южного

среднемощного супесчаного на песках (Шолоховский и Миллеровский районы Ростовской области); чернозёма обыкновенного карбонатного среднегумусного тяжелосуглинистого на желто-бурых лессовидных суглинках (Аксайский район. Ростовская область), а также черноземов обыкновенных, лугово-черноземных и аллювиально-луговых почвах, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС (НчГРЭС) (Октябрьский район, Ростовская область). Исследуемые растения - ячмень двурядный (Hordeum sativum distichum) сорта Одесский 100, а также различные виды естественной травянистой растительности.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы: метод математического моделирования; методы теории нелинейных динамических систем; методы математической статистики. Данные о физических и химических свойствах почв получены по общепринятым в почвоведении методам (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Общее содержание ТМ изучалось рентгенофлуоресцентным методом. На основе применения параллельных и последовательных экстракций ТМ из почв (комбинированная схемы фракционирования) по методу Т.М. Минкиной (2008) извлекались ПС и НС соединения ТМ в почвах с последующим анализом на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Морфобиометрические показатели растений ярового ячменя изучались по методике В.В. Церлинг (1990) в фазе полной спелости. Содержание ТМ в растениях определено методом сухой минерализации с атомно-абсорбционным окончанием (Методические указания по определению тяжелых металлов..., 1992). Анализ содержания макроэлементов в зерне ячменя выполнен по соответствующим ГОСТам. Микробиологическую и ферментативную активность - по общепринятым методикам (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОГЛ ОЩЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

При разработке нелинейных математических моделей, характеризующих массообмен ТМ, в качестве составляющего элемента использовалось понятие эффективных фаз, разработанное Д.Л. Пинским (1992). Под эффективной фазой подразумевается совокупность составляющих почвы, для которых характерен определённый принцип взаимодействия с другими составляющими. В работе рассматриваются фазы «почвенный раствор», «техногенные соединения ТМ» и «почвенный поглощающий комплекс», а также «фаза почвенной биоты», так как эти фазы оказывают прямое воздействие на перераспределение металлов в почве. Указанные фазы рассматриваются в рамках элементарной системы соединений химических элементов, которая является наименьшей структурной единицей, характеризующей свойства почвы как природного объекта.

Математические модели построены с учетом нелинейности отклика системы на внешние раздражители, наличия положительной и отрицательной обратной связи.

Для оценки экологической устойчивости почв необходимо установить параметры воздействия ТМ на почву. Полный анализ последствий воздействия требует учета накопления и трансформации ТМ (Угольницкий и др., 2009).

В поглощении ТМ почвами адсорбция является наиболее универсальным и распространенным механизмом, поскольку она связана с массообменном между поверхностью почвенных частиц и раствором. Анализ изотерм адсорбции ТМ почвой показал (Минкина и др., 2005, 2011) нелинейный характер процесса взаимодействия

ТМ с почвенными компонентами при поглощении металлов и четко выраженную обратную отрицательную связь.

При разработке математической модели процесс поглощения металлов в почве был условно определен как «загрязненность», где в качестве параметров приняты максимальная адсорбция и показатель сродства ТМ твердыми фазами почв. Учитывая, что нелинейные структурные связи являются неотъемлемым компонентом сложных динамических систем, при разработке модели в качестве нелинейной отрицательной обратной связи, обеспечивающей ограничение распространения загрязняющего вещества, предложено использовать следующую функцию:

(у а01^-к-У, У 1 1 + к-Г,

где г - показатель потенциальной загрязненности почвы, Б - максимальная адсорбция ТМ почвой, к - показатель сродства ТМ с поверхностью почвенных частиц.

Серию последовательно усложняющихся математических моделей предваряет первая модель, аналитическая структура которой может быть представлена системой двух обыкновенных дифференциальных уравнений: (сЛ>0 ап-Я-к-Ъ у

а 1+а-г, " 0 ^

= а У -(¡-У — «11 " м

У,- накопление ТМ в почве в мг/кг в год;

У,- количество ТМ, содержащихся в почве, мг/кг;

ог01- константа скорости поступления ТМ в почву, мг/кг в год;

аи - средняя скорость трансформации соединений ТМ в почве при различных

техногенных нагрузках, мг/кг в год;

к -показатель сродства ТМ с поверхностью почвенных частиц, л/Мм; Б -максимальная адсорбция ТМ почвой, мМ/100 г почвы; д — вынос ТМ из почвы, мг/кг в год (потребление растениями).

Система соединений ТМ почвы, как и любая природная система, стремится к более устойчивому состоянию. В исследуемых почвах этому состоянию соответствует такое соотношение различных соединений металлов, при котором доминируют прочно связанные формы (Минкина, 2009; Мотузова, 2007). В результате техногенного загрязнения определенное количество ТМ поступает- в почву и оказывает влияние на компоненты почвенного покрова. При взаимодействии ТМ с органо-минеральной составляющей почвы происходят различные преобразования, которые формируют отклик (Н) системы (обратная положительная связь), учитывающий увеличение непрочно связанных соединений ТМ в почве. В этом случае показателем обратной положительной связи является изменение соотношения прочно и непрочно связаных соединений ТМ в почве при увеличении уровня загрязнения:

=----(3)

1 1 + 6 - Уг

где Ь, с - параметры, с - доля непрочно связанных соединений ТМ в почве, Ь -доля прочно связанных соединений ТМ в почве.

Аналитическая структура второй упрощенной модели поглощения и трансформации может быть представлена системой двух обыкновенных дифференциальных уравнений:

Шв _ат-3-к-Гх__с_

А 1 + ЬУ,

с1У{ =_£_

Л ~

1+ 6-У, -Г,-¿-У,

-У„

(4)

1 + 6-У,

Качественная структура математической модели поглощения и трансформации представлена в виде диаграммы (рис. 1).

Рисунок 1. Качественная структура математической модели поглощения и трансформации ТМ в почве

С целью изучения управления процессом закрепления ТМ в почве разработана третья модель с учетом параметра г, учитывающего дозу внесенных мелиорантов. Аналитическая структура третьей модели представлена системой: [•¿У„ =д01-3-*-У, с у Л 1 + *-У, 1 + 6-У, 0 (IУс

Ж 1 + 6-У, 0 11

При этом предполагается, что внесение различных мелиорантов отодвигает систему от границ разрушения или перехода в другое состояние. Анализ модели

. ог01 -Б-к-Ы + г

показал, что система будет устойчивой при значении -41 (с1 г) к

Следовательно, количество мелиорантов можно определить из условия:

ат -Б-к-¿-У, ■ к г>—-— (6)

Выбор в предложенных моделях таких параметров, как максимальная адсорбция, показатель сродства ТМ с почвенными компонентами и непрочно связанные соединения ТМ обусловлен тем, что их небольшое количественное изменение характеризует существенные изменения в состоянии почвы и в целом экосистемы.

Переход из одного стационарного состояния в другое определяет эффективный параметр q, изменение которого приводит к качественным изменениям в системе. Полученный эффективный параметр д, на основе предложенной первой модели имеет вид:

= аи-(1г-ап-аоГ3-к (?)

к-ат8

Эффективный параметр ql является функцией, зависящей от поступления ТМ в почву и их адсорбции. Эффективным параметром системы называется предельно достижимое значение того или иного показателя качества системы для заданных исходных и ограничивающих данных о ней, а также при соответствии этому показателю решение задачи оптимального выбора параметров.

Полученный эффективный параметр на основе второй и третьей модели имеет

вид:

-^----->0 (8)

2 5-»01 Ь-<1-к + а01-8-к-а

Эффективный параметр </2 зависит от параметров поступления и трансформации ТМ в почве. При обращении неравенств в равенства значения параметров будут критическими, т.е. эти значения можно принять как границу области устойчивости системы. Границами области устойчивости системы называются границы области начальных отклонений параметров, при которых система выдерживает техногенное давление ТМ.

Проанализировав составляющие неравенств (7) и (8) можно оценить влияние каждого параметра на формирование механизма экологической устойчивости почвы. Решив неравенства > 0 и д, > 0, можно найти область устойчивости исследуемой системы в связи с изменениями учтешшк параметров. Положительность параметра эффективности является условием устойчивости почвы. Из неравенства (8) следует, что увеличение количества НС соединений ТМ неограниченно приближает значения параметра эффективности к нулю или к отрицательным числам. Следовательно, увеличение НС соединений ТМ ведет к потере устойчивости системы.

Сравнение критических значений параметров с их реальными значениями показывает расположение системы по отношению к границам устойчивости по каждому из интересующих параметров. Полученные критические значения параметров позволяют ввести индекс устойчивости, характеризующий удаленность системы от критического состояния. Индекс устойчивости - это количественная мера, характеризующая различные системы по запасу их прочности. Система устойчиво

функционирует только тогда, когда индекс устойчивости больше единицы. При увеличении индекса устойчивости запас прочности системы увеличивается. Влияние изменения одних параметров может значительно отличаться от влияния других, поэтому расчет индекса устойчивости позволяет определить те параметры системы, которые для нее наиболее опасные.

Выбор данных параметров проводится с учетом анализа чувствительности к техногенному воздействию. Анализ чувствительности почв к загрязнению ТМ является важной задачей экологического почвоведения, способствующий развитию теории устойчивости почв. Математический аппарат позволяет провести анализ на количественном уровне. В математическом моделировании показателем чувствительности переменной отклика к соответствующему параметру служит величина , которая определяется по формуле:

5 -^М (9)

где SJ - чувствительность параметра, ] - соответствующий параметр.

Чувствительность параметра считается слабой, если < 0,3, средней - если 0,3 < 5, < 1 и сильной в случае > 1 (Пачепский, 1990).

Согласно (9), нами установлено, что наиболее чувствительными параметрами моделей являются показатель сродства ТМ с поверхностью почвенных частиц (для первой модели) и непрочно связанные соединения ТМ в почве (для второй и третьей моделей), которые были использованы при расчете индекса экологической устойчивости почв к загрязнению.

Таким образом, составлены математические модели, основанные на нелинейных дифференциальных уравнениях. В моделях учтены обратная отрицательная связь, выражающая зависимость количества поглощенных почвой ТМ от их концентрации в почвенном растворе и положительная обратная связь, учитывающая процесс увеличения непрочно связанных соединений, а также влияние ТМ на микроорганизмы и растения и внесение мелиорантов с целью уменьшения влияния техногенной нагрузки. Предложенные модели можно применять как инструмент количественного и качественного анализа почвенных процессов, загрязненных ТМ и оценки устойчивости почвы. Кроме рассмотренных нелинейных связей, в формировании механизма устойчивости экосистемы участвуют различные сложные взаимодействия между почвой и биоценозом, роль которых невозможно оценить в рамках одной серии математических моделей.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЧЕРНОЗЕМОВ НИЖНЕГО ДОНА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Математические модели могут быть использованы для любых ТМ, в работе приведен анализ наиболее распространенных металлов-загрязнителей (Си, РЬ, в почвах Нижнего Дона.

На основании первой математической модели был проведен анализ экологической устойчивости черноземов Нижнего Дона. Рассматриваемые пахотные почвы являются незагрязненными, т.к. не испытывают непосредственного давления техногенеза. Они представлены черноземами обыкновенными тяжелосуглинистыми и черноземами южными различного гранулометрического состава.

Проведен сравнительный анализ индекса экологической устойчивости исследуемых почв к поглощению ТМ в зависимости ог гранулометрического состава и содержание гумуса (табл. 1).

Гранулометрический состав, описываемый содержанием физической глины и наличием ила, является одним из факторов, предопределяющим степень устойчивости почв. Взаимовлияние процентного количества физической глины и гумуса на показатель устойчивости почв на примере Си показан на рисунке 2.

Таблица 1

Индекс экологической устойчивости черноземов Нижнего Дона к поглощению Си, РЬ и Ъъ (пашня, слой 0-20 см)_____

Показатели Чернозем обыкновен- Чернозем южный Чернозем южный Чернозем южный

ный тяжело- тяжело- средне- супесчаный

суглинистьи суглинистыи суглшгастыи

Физическая глина, % 48,1 53,9 31,4 12,4

Ил, % 28,6 31,0 19,1 8,0

Гумус, % 4,2 3,9 3,5 3,5

Си

Максимальная адсорбция, ., мМ/ 100 г почвы 23,9 24,7 21,8 19,2

Показатель сродства ТМ с

поверхностью почвенных частиц, ¡с, л/Мм 66,0 70,8 51,6 35,0

Индекс экологической устойчивости почв 7 8 5 3

РЬ

Максимальная адсорбция, , мМ/ 100 г почвы 14,9 14,6 15,7 16,6

Показатель сродства, л/Мм 50,3 54,2 38,5 25,0

Индекс экологической устойчивости почв 11 12 9 6

Ъп

Максимальная адсорбция, -5.. ,,,, мМ/ 100 г почвы 13,9 14,3 12,8 11,5

Показатель сродства,*, л/Мм 4,4 4,6 3,8 3,1

Индекс экологической устойчивости почв 5 6 4 3

Согласно распределению кривых показателя устойчивости почв, для Си н РЬ увеличение количества гумуса и физической глины приводит к увеличению показателя устойчивости. Чернозем южный тяжелосуглинистый как система обладает наибольшим запасом прочности по сравнению с другими рассматриваемыми почвами. Близкие значения индекса устойчивости прослеживается и для чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого, который также обладает большой

дисперсностью (физ. глины 48,1%, ила 28,6%) и содержанием гумуса 4,2%. В пределах рассматриваемого региона наименьшей устойчивостью обладают черноземы южные супесчаные и при загрязнении ТМ представляют наибольшую опасность для сопредельных систем.

Устойчивость почв к загрязнению металлами представляет следующий убывающий ряд: РЬ > Си > ¿п. Поглощение Си и РЬ в почвах протекает значительно более интенсивно, чем /п (Минкина, 2008), что отражается на более низком индексе устойчивости относительно Ъл для всех рассматриваемых почв.

Таким образом, почвы Нижнего Дона обладают достаточным запасом прочности по отношению к загрязнению Си, РЬ, 7м, количественное значение которого находиться в диапазоне от 3 до 12.

Показатели устойчивости к возможному интенсивному загрязнению Си, РЬ, 1п исследуемых почв уменьшается в ряду: чернозем южный тяжелосуглинистый > чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый > чернозем южный среднесуглинистый > чернозем южный супесчаный.

О 10 20 30 40 50

Фтпческая г шил °о

- 10

Фишче«гдя г :шш>. о о

Гуму<. » <

Рисунок 2. Зависимость показателя устойчивости черноземов по отношению к Си от количества физической глины и гумуса

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОСИСТЕМНЫХ ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ

Исследование соединений ТМ в почве дает возможность в общих чертах оценить уровень поступления их в микроорганизмы и растения и степени опасности при возможном загрязнении. Численность бактерий характеризует состояние редуцентов в экосистеме. Установлено (рис. 3), что загрязнение Си, РЬ и Хп снижает экологическую устойчивость чернозема обыкновенного и, как правило, уменьшает численность бактерий и актиномицетов в почве (по данным Колесникова С.И., 2000 г.). Характер изменения числеиности микроорганизмов зависит от природы элемента, его концентрации в почве и степени устойчивости почвы к загрязнению ТМ.

Для оценки масштабов и темпов мобилизации, поступивших в почву ТМ, необходим комплексный подход: исследование взаимосвязи между состоянием ТМ в почве, их накоплением в растениях. Разработанный индекс устойчивости почв к загрязнению ТМ позволяет изучать закономерности поступления ТМ в растения.

В качестве критерия оценки количества металлов, перешедших из почвы в растения, нами принят коэффициент накопления (КН). Он рассчитывается как отношение содержания элемента в сухой массе растений к содержанию его подвижных форм в почве (Брукс, 1996). Для более полной информации КН рассчитан по содержанию всей группы непрочно связанных соединений, так как именно они доступны растениям.

2.3 6.4

Индекс устойчивости

Рисунок 3. Взаимосвязь численности бактерий и актиномицетов с показателем экологической устойчивости почв по отношению к загрязнению Си, РЬ, 7л\

В таблице 2 представлены данные, полученные в условиях вегетационного опыта, при котором исследовалось поступление Си, РЬ и '¿п в яровой ячмень сорта «Одесский-100» при внесении их почву (Минкина, 2008) и рассчитанный при этих условиях показатель устойчивости почв на основе представленной модели поглощения и трансформации ТМ в почве.

Одним из критериев экологической оценки почвы является количество и качество растительной продукции. В этом случае экологическая устойчивость почвы может быть охарактеризована с помощью показателя устойчивости, учитывающий вынос ТМ растениями.

Таблица 2

Содержание и коэффициент накопления (КН) Си, 2п, РЬ органами ячменя при их внесении в почву и показатель экологической устойчивости чернозема обыкновенного к загрязнению ТМ __ __

Дозы внесения Содержание ТМ в Индекс экологической

металла, мг/кг органах ярового КН устойчивости почв к

ячменя, мг/кг непрочно связанным

Зерно Солома Зерно Солома соединениям ТМ

Си

Без внесения 1,0 1,2 0,4 0,5 9,3

3 1,9 2,0 0.4 0,5 7,2

10 2,6 2,0 0,4 0,2 6,1

55 7,5 4,7 0,4 0,2 4.0

100 9,1 7,7 0,3 0,2 3,2

РЬ

Без внесения 0,5 1,2 0,2 0.4 12,8

6 0,5 1,0 0,1 0,3 9,9

25 0,7 2,2 0,2 0,4 10,1

32 1,7 2,7 0,2 0,3 8,3

100 3,9 4,7 0,1 0,1 6,8

2п

Без внесения 24,5 20,4 3,5 2,9 6,4

23 26,5 47,4 1,4 2,4 3,5

50 42,2 54.4 1,0 1,3 1,6

100 69,9 77,9 1,0 1,1 1,4

300 88,4 107,9 0,8 1,0 1,3

Проведенный регрессионный анализ показывает значительное изменение содержания ТМ в орг анах ярового ячменя (зерно и солома) (У, мг/кг) в зависимости от показателя экологической устойчивости (Х2,ед.) и ог дозы внесения ТМ ( X,, мг/кг). Так для Си (10) получена зависимость:

У, =4,72 + 0,76-Х,-0,371-Х, К2 = 0,98; £, = 0,49; Е2 = 0,43 где коэффициент эластичности соответствующей переменной,

показывающий, на сколько процентов (от средней) изменится в среднем У при увеличении только Х] на 1%. Коэффициент эластичности рассчитывается по

формуле Е] = Ь] ■ (х)/у) (Кремер, 2002).

Аналогично Си были получены зависимости для Ъп (11) и РЬ (12)

(11) (12)

У2 = 114,48 + 0,9-X, -6,18-Х,

Я2 =0,97; Е, =0,91; Ег =0,17

У2 = 1,42 + 0,04 • X, - 0,02 • Хг

Я2 = 0,98; Я, = 0,53; Ег = 0,07

Таким образом, иами установлено, что уменьшение индекса экологической устойчивости на 1 единицу приводит к увеличению содержания ТМ в яровом ячмене на 0,37; 6,18; 0,02 мг/кг для Си, 2п и РЬ соответственно.

Система почва-растительность рассматривается с использованием индекса экологической устойчивости почв, который позволяет провести оценку степени опасности и определить диапазон загрязнения (табл.3).

Таблица 3

Шкала экологического нормирования на основе индекса экологической устойчивости

Степень устойчивости почв к загрязнению ТМ индекс экологической устойчивости почв по отношению к металлу

Си РЬ гп

Высокая >6 >9 >4

Средняя От 6 до 4 9-6 4-2

Низкая От 4 до 1 6-1 2- 1

Не устойчивая < 1 < 1 < 1

---------1------^--... — ' VIII XX ХЧ/^ЛЧГАЛ. ШУ11ЛЦГ1Г1 XIV

С.И.Колесников (Колесников и др., 2000) предлагает использовать интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Если значения ИПБС уменьшаются менее чем на 5 %, то почва выполняет свои экологические функции нормально, при снижении значений ИПБС на 5-10% происходит нарушение информационных экофункций, на 10-25 % — биохимических, физико-химических, химических и целостных, более чем на 25 % — физических. Сравнение предложенных градаций экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ с результатами расчета ИПБС показало их хорошее соответствие (рис. 4). В 10 5 9

о 40 80 1 2СП 160

11ПБС. мг/кг

Рисунок 4. Взаимосвязь показателя устойчивости и содержания Си в почве По горизонтали цветом выделены градации загрязненности почв на основе ИПБС , а по вертикали цветом выделены градации экологической устойчивости экосистемы к загрязнению ТМ.

Незагрязненные Слабозагрязненные Среднезагрязненные !

Высокая степень устойчивости Средняя степень устойчивости Низкая степень устойчивости

Это доказывает адекватность разработанной модели и позволяет использовать показатель устойчивости почв для количественной и качественной характеристики экологической устойчивости почвы к загрязнению ТМ.

ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОЧВ, ПРИЛЕГАЮЩИХ К НОВОЧЕРКАССКОЙ ГРЭС, НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

С целью оценки степени информативности и чувствительности индекса экологической устойчивости и определения целесообразности ее использования в целях мониторинга и диагностики загрязнения почв и экосистем ТМ был проведен расчет показателей экологической устойчивости почв, прилегающих к

Новочеркасской ГРЭС. го^п

Мониторинговые площадки расположены в 0-20 км зоне от Нч! РЭС и

представлены следующими почвами:

1.Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках, площадки: №1-1 км на северо-восток, №2 -1,5 км на север, №3 - 1,2 км на северо-запад, №4 - 1,6 км на север-запад, №5-15 км на северо-запад, №6 - 20 км на северо-запад.

2. Аллювиально-луговая карбонатная слабогумусированная песчаная на аллювиальных отложениях, площадка: №7 - 3 км на юго-запад.

3. Лугово-черноземная пойменная среднегумусная легкоглинистая на аллювиальных отложениях, площадка: №8 - 2,7 км на юго-запад

4. Лугово-черноземная среднемощная среднегумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках, площадки: №9 - 2,0 км на северо-северо-запад, №10 - 5 км на северо-запад

В процессе анализа принимается, что почвы площадок №5, №6 относительно незагрязненные, в связи с чем они отражают свойства контрольных почв, так как большинство почв мониторинговых площадок относится к черноземам. При этом учитываются особенности аллювиально-луговой карбонатной слабогумусированной песчаной почвы (№7), для которой характерен легкий гранулометрический состав с низкой емкостью катионного обмена (ЕКО), и лугово-черноземной пойменной среднегумусной легкоглинистой почвы (№8) с высокой ЕКО. По линии «генерального направления», северо-западного, определенного в соответствии с розой ветров, расположены площадки №3, №4, №5 №6, № 10.

В результате исследования второй математической модели были получены результаты, позволяющие оценить устойчивость почв при существующих техногенных воздействиях. Повышение количества непрочно связанных соединении ТМ в почве влечет за собой снижение устойчивост и почв к загрязнению (табл. 4).

Максимальный индекс устойчивости относительно Си, РЬ и /п наблюдается на площадках №5 и №6 (чернозем обыкновенный), которые наиболее удалены от источника загрязнения, и №8 (лугово-черноземная почва), расположенная на расстояние 2,7 в юго-западном направлении от источника загрязнения. В связи с чем,

можно отметить, что запас прочности к загрязнению ГМ для лугово-черноземных почв выше, чем для черноземов.

Таблица 4

Экологическая устойчивость почв мониторинговых площадок к загрязнению Си. РЬ и Ъа

Почва № Общее содержание Непрочно Индекс

площадки, ТМ в почве, мг/кг связанные экологической

расстояние (км) и соединения ТМ в почве, % от общего устойчивости почв

направление содержания

от НчГРЭС Си РЬ Ъп Си РЬ гп Си РЬ 2п

Чо 1. 1,0 СВ 51,1 41,0 105,9 28,2 35,6 40,8 3,5 5,4 1,6

2. 1,5 С 39,0 32,0 92,0 26,4 38,8 26,4 4,9 5,2 3.7

3. 1,2 СЗ 60,0 61,0 140,0 36,0 40,3 42,3 2,2 5,0 и

4. 1,6 СЗ 75,0 65.0 108,0 32,4 33.1 39,8 2,8 5,6 1,7

5. 15,0 СЗ 36,9 25,0 79,7 19,5 19,6 13,3 5,4 9,1 4,8

6. 20,0 СЗ 37,0 37,0 72,1 13,5 32,2 11,1 6,2 5,9 5,1

Ая 7. 3,0 ЮЗ 44,9 21,0 78,9 24,7 21,9 38,4 2,5 6,2 1,1

Л-Ч 8. 2,7 ЮЗ 51,1 28,0 99,0 18,2 24,3 28,9 5,8 9,8 4,0 1

9. 2,0 ССЗ 59,0 60,9 116,1 34,6 34,8 38,4 3,2 5,8 2,0

10. 5,0 СЗ 58,9 42,9 112,9 33,1 25,4 34,9 3,8 7,3 2,8

При этом необходимо выделить площадку №7 (аллювиально-луговая почва), расположенную также в юго-западном направлении практически на том же расстоянии, что и площадка №8, но при этом имеет индекс устойчивости значительно меньше, что характеризует данные почвы как наименее устойчивые к загрязнению.

По мере приближения к иегочнику загрязнения устойчивость почв снижаются (рис. 5). При этом территории, расположенные по розе ветров, имеют тенденцию к снижению индекса устойчивости почв практически в 2-3 раза при загрязнении Си и РЬ, и до 4,6 раз при загрязнении '¿п по сравнению с показателями условно незагрязненных территорий.

1,2 1,6 5 15 20

>"да.иеыыо(ть от источника загрязнения, км

Рисунок 5. Зависимость индекса экологической устойчивости почв от расстояния до источника загрязнения по линии генерального С-3 направления

Наименьшие значения экологической устойчивости почв определены для площадок №3 и №4, которые расположены по направлению розы ветров. Следует отметить меньшую устойчивость рассматриваемых почв по отношению к '¿п по

сравнению с Си и РЬ.

В целом, все мониторинговые площадки имеют показатель устойчивости больше 1. Это дает основание полагать, что на сегодняшний день имеется определенный запас устойчивости почв к загрязнению исследуемыми металлами, но пределы ее приближаются к критическим значениям, что достаточно четко прослеживается по площадкам, расположенным по направлению розы ветров. Таким образом, возможности почвы не беспредельны.

При непрерывных техногенных нагрузках может произойти потеря устойчивости почв, накопление подвижных соединений ТМ, разрушение органического вещества почвы с переходом ТМ в почвенный раствор, деградация этих почв и выведение из сельскохозяйственного использования.

Для того чтобы получить объективное представление об экологической ситуации на территориях зоны влияния НчГРЭС, был проведен анализ устойчивости системы почва-растительность, отражающий взаимосвязь показателя устойчивости почв к загрязнению ТМ и содержания металлов в естественной травянистой растительности изучаемых территорий. Существует зависимость накопления Си, 7л\ и РЬ в естественной травянистой растительности от уровня техногенной нагрузки и рассчитанного нами индекса устойчивости почв к загрязнению ТМ (рис. 6).

16 -14 -12 10 6 6 4 2 0

□Содержание Си, иг/кг | а Индекс экологической устойчивости

1,2СЗ 1,6 СЗ 15СЗ 20 СЗ

Расстояние от источника загрязнения, км

Рисунок 6. Взаимосвязь индекса экологической устойчивости почв мониторинговых площадок к загрязнению Си и содержанием Си в естественной травянистой растительности (мг/кг)

Предложенные модели позволяют прогнозировать валовое накопление ТМ в исследуемых почвах Нижнего Дона (рис. 7). Согласно выполненному по моделям прогнозу прослеживается монотонное возрастание валового содержания Си в почвах при текущей техногенной нагрузке. При этом наблюдается хорошее соответствие теоретических и расчетных данных. Это свидетельствует о достаточной адекватности моделей фактическим данным и возможности практического применения моделей для прогноза накопления ТМ в почвах.

о

я ^

Й! 1—4

5»*

г-[

О 3

о

и

о оа «тс »

о с; ^ О К

РЗ аз

юо-

90 ЕО 70-

воза-

40

зо 20-ю-

гшю 2002 2004 200» 2003 2018

Время, год д анные эксперж шенг я теоретические данные

Рисунок 7. Динамика накопления Си в почве, находящейся на расстоянии 1,2 км в С-3 направлении от НчГРЭС, в течение 11 лет поступления металла в почву с аэрозольными выбросами предприятия

Анализ расчетов, полученных по моделям (табл. 5) демонстрирует согласие теоретических и эмпирических оценок не только средних значений, но и пределов изменения непрочно связанных соединений ТМ в почвах, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС. Они свидетельствуют о том, что предложенная модель позволяет адекватно оценивать возможный уровень непрочно связанных соединений ТМ в данных исследуемом диапазоне экологических условий.

Таблица 5.

Эмпирические и теоретические данные по содержанию непрочно связанных соединений Си в почвах, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС (2000-2011 гг.)

Почва № площадки, расстояние (км) и направление от НчГРЭС Эксперимент Модель

п среднее минимум-максимум среднее минимум-максимум

Чо 1. 1,0 СВ 12 15 13-17 19 12-23

2. 1,5 С 12 11 9-16 16 9-18

3. 1,2 СЗ 12 23 20-27 24 19-28

4. 1,6 СЗ 12 25 23-28 28 22-31

5. 15,0 СЗ 12 7 6-8 10 5-11

6. 20,0 СЗ 12 5 4-5 6 4-7

А„ 7. 3,0 ЮЗ 12 12 9-13 15 8-18

Л-Ч 8. 2,7 ЮЗ 12 10 8-12 11 7-14

9. 2,0 ССЗ 12 21 19-23 25 20-25

10. 5,0 СЗ 12 20 | 17-21 18 15-22

Проведен анализ чувствительности второй модели к изменению параметра с (9), численно равный доле непрочно связанных соединений ТМ в почвах Новочеркасской ГРЭС (табл. 6).

Таблица 6

Анализ чувствительности модели к изменению количества непрочно связанных

соединений ТМ в почве

Почвы Чувствительность почв к изменению непрочно связанных соединений ТМ

среднее область изменения

Лугово-черноземная пойменная легкоглинистая 1,0 1,1-1,2

Лугово-черноземная тяжелосуг линистая на лессовидных суглинках 1Д 1,1-1,3

Чернозем обыкновенный карбонатный тяжелосуглинистый 1,3 1,1-1,5

Аллювиально-луговая песчаная 1,4 1,1-1,8

Данные свидетельствуют о сильной чувствительности лугово-черноземной пойменной легкоглинистой и лугово-черноземной тяжелосуглинистой на лессовидных суглинках почвах к изменению непрочно связанных соединении ТМ. Наибольшей чувствительностью обладают чернозем обыкновенный карбонатный тяжелосуглинистый и аллювиалыю-луговая песчаная почвы.

ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ПРИЕМОВ РЕМЕДИАЦИИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ, КАЧЕСТВО И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИИ

Применение сорбентов позволяет уменьшить количество непрочно связанных соединений металлов и соответственно повысить индекс экологической устойчивости почв. Для анализа тенденции изменения индекса устойчивости были выбраны навоз (активен в комплексообразовании металлов с разной степенью прочности), мел (активен в специфической сорбции и осадкообразовании металла) и глауконит (активен в обменном поглощении и фиксации металла), расчет проводился по третьей модели.

На основе третьей модели рассмотрено влияние сорбентов на изменение экологической устойчивости почв. Внесение сорбентов способствует повышению индекса устойчивости (табл.7). При раздельном внесении сорбентов в ряду: мел > глауконит > навоз. Совместное внесение сорбентов приводит к наибольшему увеличению устойчивости почв, особенно при внесении мела с навозом. Предположительно их совместное действие обусловлено прочным связыванием металлов карбонатами путем хемосорбции и образования труднорастворимых соединений 7п и РЬ, и дополнительным закреплением их в форме комплексных соединений при внесении органического вещества.

Таблица 7

Влияние сорбентов на экологическую устойчивость системы почва-растение к загрязнению /,п и РЬ___

Варианты Общее количество металла в почве, мг/кг Доля НС в почве, % Содержание в зерне ячменя, мг/кг Индекс экологической устойчивости

гп РЬ Ъп РЬ гп РЬ 2п РЬ

1 Без внесения металла 67 28 12 12 23,0 0,3 5 11

2 Металл (Ме) 352 100 36 42 65,4 2,5 2 4

3 Ме + глауконит 2,0 кг/м2 344 108 7 16 51,4 1,84 5 10

4 Ме + навоз 5,0 кг/м2 353 106 10 24 55,7 1,72 5 8

5 Ме + глауконит 2,0 кг/м2+ 5,0 навоз 352 111 13 17 49,9 1,74 5 9

6 Ме + мел 2,5 кг/м2 345 101 10 12 45,2 1,33 5 10

7 Ме + мел 5 кг/м2 344 103 9 17 44,3 1 1,38 5 9

8 Ме + мел 2,5 кг/м2 + навоз 5,0 кг/м2 353 110 5 16 48,4 0,96 5 9

9 Ме + мел 5 кг/м2 + навоз 54,0 кг/м2 353 104 6 11 41,4 0,54 5 10

В результате индекс устойчивости в загрязненных почвах повышается до уровня, свойственного незагрязненным почвам, а по цинку оказывается даже выше его. Это приводит к снижению гранслокации 2п и РЬ в яровой ячмень, что положительно отражается на продуктивности растений (рис.8). Эффект зависит от вида мелиоранта, наиболее заметен при внесении мела с навозом.

.а 260

II

Варианты внесения мелиорантов, кг I

Рисунок 8. Влияние приемов ремедиации на урожайность ячменя при внесении 2п (нумерация вариантов соответствует таблице 7)

ВЫВОДЫ

1. Построена серия математических моделей, описывающих нелинейные обратные связи в системе элементарных химических соединений почвы с учетом влияния ТМ на растения. Математические модели позволяют провести на количественном уровне исследование экологической устойчивости почв к техногенной нагрузке, т.е. способности почв ограничивать отрицательное воздействие поллютантов на окружающую среду. Это проявляется как стабильность существования равновесия между прочно связанными соединениями и непрочно связанными соединениями тяжелых металлов.

2. В качестве основного критерия экологической устойчивости системы предложен индекс устойчивости почв. Возрастание значения индекса устойчивости характеризует отдаленность системы от критического состояния. Система устойчиво функционирует только тогда, когда индекс устойчивости больше единицы. Индекс устойчивости определяется как отношение критических значений сродства ТМ к поверхности почвепных частиц или доли непрочно связанных соединений ТМ в почве к их реальным значениям.

3. Разработана шкала экологического нормирования, согласно которой черноземы Нижнего Дона обладают средней степенью экологической устойчивости, индекс устойчивости находится в диапазонах от 3 до 8 по отношению к загрязнению Си, от 6 до 12- к загрязнению РЬ и от 2 до 6 - к загрязнению 2п.

4. Гранулометрический состав оказывает существенное влияние на индекс устойчивости, который уменьшается в ряду: чернозем тяжелосуглинистый > чернозем обыкновенный > чернозем среднесуглинистый > чернозем супесчаный. Устойчивость исследуемых почв к загрязнению металлами представляет следующий убывающий ряд: РЬ > Си >

5. Проведен сравнительный анализ индекса экологической устойчивости и численности микроорганизмов в почве. При снижении индекса экологической устойчивости по Си с 9 до 3, по РЬ с 13 до 7 по гп с 6 до 1 приводит к снижению численности бактерий на 16,6; 14,1; 13,8 млн/г почвы соответственно.

6. Индекс экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ дает хорошее соответствие с оценкой степени загрязнения почв по величине интегрального показателя загрязнения биологического состояния почвы по С.И. Колесникову (2002). Это подтверждает адекватность разработанной модели и позволяет использовать индекс устойчивости почв для количественной и качественной характеристики экологической устойчивости почвы к загрязнению ТМ.

7. Рассмотрено изменение индекса экологической устойчивости и поступления ТМ в растения на примере ярового ячменя в вегетационном опыте и естественной травяной растительности в окрестностях Новочеркасской ГРЭС. Уменьшение индекса экологической устойчивости на 1 единицу приводит к увеличению содержания ТМ в яровом ячмене на 0,37; 6,18; 0,02 мг/кг для Си, 7л и РЬ соответственно.

8. Наблюдается уменьшение индекса устойчивости почв, прилегающих к НчГРЭС, к техногенной нагрузке по мере приближения к источнику загрязнения, особенно, по линии преобладающего направления розы ветров. При этом индекс устойчивости для Си уменьшился в 3 раза, для РЬ в 2 раза, а для Ъъ примерно в 5 раз. Индекс устойчивости почв мониторинговых площадок варьирует в пределах 2-6 для Си, 5-9 для РЬ и 1-5 для 2п. По экологической устойчивости к

загрязнению TM почвы окрестностей Новочеркасской ГРЭС составляют следующий убывающий ряд: лугово-черноземная пойменная легкоглинистая > лугово-черноземная тяжелосуглинистая > чернозем обыкновенный карбонатный тяжелосуглинистый > аллювиалыю-луговая песчаная. 9. На основе математической модели установлена тесная взаимосвязь между индексом экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ, составом и дозой различных сорбентов, внесенных в загрязненную почву. При раздельном внесении сорбентов наибольшее повышение индекса экологической устойчивости почв как в случае загрязнения цинком, так и свинцом, прослеживается в виде ряда: мел > глауконит > навоз. При совместном внесении наиболее эффективным является комбинация мел+навоз, при которой отмечается наибольший рост индекса экологической устойчивости почв.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в изданиях, из перечня ВАК РФ:

1. Бакоев, С. Ю. Компьютерная программа «ION-2» для расчета ассоциат-ионного равновесия в почвенном растворе. [Текст] / Ендовицкий А.П., Калиниченко В.П. И Плодородие. - 2009. - № 6. - С. 22-23. (70%).

2. Бакоев, С. Ю. Термодинамическое обоснование рециклинга фосфогипса в черноземе. [Текст] / Мищенко H.A., Ендовицкий А.П., Калиниченко В.П. // Плодородие. - 2010. - № 1. - С. 11-13. (70%).

3. Бакоев, С. Ю. Устойчивость почв Нижнего Дона к загрязнению тяжелыми металлами [Электронный ресурс] / Минкина Т.М., Гетманцева Л.В, Калиниченко В.П. // Научный журнал КубГАУ. - 2011. - № 72(08), 10 с.(80%).- Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/archive.asp?n=72&id=68.

4. Бакоев, С.Ю. Сравнительный анализ двух методов последовательного фракционирования при модельном загрязнении почвы тяжелыми металлами [Текст] / Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Назаренко О.Г., Манджиева С.С., Бакоев С.Ю. // Плодородие,- 2011,- № 6.- С. 43-45. (50%)

Работы, опубликованные в других изданиях:

5. Бакоев, С. Ю. Некоторые аспекты математики в агрономии. [Текст] /С.Ю.Бакоев// Материалы международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития агрономической науки» - ДонГАУ. - Персиановский, 2007. -С. 43-45.

6. Бакоев, С. Ю. Анализ и синтез математических моделей факторов, влияющих на формирование структуры почвенного покрова. [Текст] / С.Ю. Бакоев, Е.В. Радевич, С.Н. Полевой // Материалы V Всероссийского съезда почвоведов им. В.В. Докучаева. - Ростиздат, Ростов-на-Дону, 2008 г. - С. 487.

7. Бакоев, С. 10. Регрессионная модель пространственного варьирования параметров почвенного покрова аридной зоны. [Текст] /A.B. Акопян, С.Ю.Бакоев// Материалы научно-практической конференции «Проблемы мониторинга и сохранения плодородия почв мелиорированных земель» - ФГНУ «РосНИИПМ»- Новочеркасск, 2009.-С. 111-112.

8. Бакоев, С. Ю. Математическое моделирование ассоциации и активности ионов кадмия и свинца в почвенных растворах. [Текст] / А.П. Ендовицкий, В.П. Калиниченко, В.Б. Ильин, A.A. Иваненко, С.Ю.Бакоев// Материалы научно-практической конференции «Проблемы мониторинга и сохранения плодородия почв мелиорированных земель» - ФГНУ «РосНИИПМ»- Новочеркасск, 2009. - С. 116-117.

9. Бакоев, С. Ю. Оценка устойчивости СПП в связи с поступлением ТМ. [Текст] /С.Ю. Бакосв '// Материалы международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и бизнеса для обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации» - ДонГАУ. - Персиановский, 2010. - С. 85-86. ^

10. Бакоев, С. Ю. Взаимосвязь накопления тяжёлых металлов естествешюи травянистой растительностью с биофильностью химических элементов. [Текст] /

B.А.Чаплыгин, Т.М. Минкина, С.Ю. Бакоев, Н.И. Борисенко, С.С. Манджиева // Материалы VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектромеггрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН(Азов, 2011).Азов, 2011. С. 169-170.

11 Бакоев, С. Ю. Методы последовательного фракционирования для извлечения тяжелых металлов из загрязненной почвы. [Текст] / М.В. Бурачевская, Т.М. Минкина,

C.С. Манджиева, С.Ю. Бакоев, С.Н. Сушкова.// Материалы VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН(Азов, 2011).Азов, 2011. С. 180-181.

12 Бакоев, С. Ю. Рециклинг веществ в почве и его биосферный эффект. 11екст| / 1J.11. Калиниченко, А.П. Ендовицкий, Н.А. Мищенко, Е.В. Громыко, В.В. Черненко, С.Ю. Бакоев, Е.В. Радевич, А.Ю. Карева, В.В. Серенко, Т.М. Минкина // Материалы VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спекгрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН(Азов, 2011).Азов, 2011. С. 77-78.

13 Бакоев, С. Ю. Использование мелиорантов для предотвращения загрязнения растений цинком и свинцом [Электронный ресурс] / С.С. Манджиева, Т.М. Минкина, С.Н. Сушкова, О.Г. Назаренко, С.Ю. Бакоев, Е.М. Антоненко // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд./ Рос. науч.- исслед. ин-т проблем мелиорации,- Электрон, журн,- Новочеркасск: РосНИИПМ, 2011.-№3(03).- 16с,- Режим доступа: http://\vww.rosш¡pm-sm.ru/archive?n-37&ld-49.

14. Бакоев, С. Ю. Анализ методов устойчивости почв. [Текст] / С.Ю. Бакоев, Л.В. Гетманцева // Материалы Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве» - ДонГАУ. - Персиановский, 2011. - С. 3-6.

15 Бакоев С Ю. Накопление тяжелых металлов в системе почва-растения в условиях загрязнения [Электронный ресурс] / Т.М.Минкина, Е.М.Антоненко, С.Ю.Бакоев, М Ю Бурачевская, В.А.Чаплыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд./ Рос. науч.- исслед. ин-т проблем мелиорации,-Электрон. журн,- Новочеркасск: РосНИИПМ, 2011.- №4(04).- 17с.- Режим доступа:

Ьнр:/М™\у.го8Ппрт-5т.ги/агсЫуе?п=57&1с)=68.

Бакоев Сирождин Юсуфович

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ НИЖНЕГО ДОНА К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано а печать 11.04.12 Печать оперативная. Объем 1 усл. ют. л. Тираж 100 это Заказ № 67 Издательско-полиграфическое предприятие ООО "МП Книга", г. Ростов-на-Дону, Таганрогское шоссе, 106

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бакоев, Сирождин Юсуфович, Ростов-на-Дону

61 12-3/1138

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАКОЕВ СИРОЖДИН ЮСУФОВИЧ

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ почв НИЖНЕГО ДОНА К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ

МЕТАЛЛАМИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03.02.08 - экология (биологические науки) 03.02.13 - почвоведение

Научные руководители:

д-р. биол. наук, профессор Калиниченко В.П. д-р. биол.наук, профессор Минкина Т.М.

Ростов-на-Дону - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Оценка устойчивости почв к нагрузкам различной природы

(Литературный обзор)...............................................................................................10

Глава 2. Анализ устойчивости почвы на основе нелинейных моделей трансформации тяжелых металлов..........................................................................35

2.1 Нелинейная модель поглощения тяжелых металлов..................................46

2. 2. Нелинейная модель поглощения и трансформации тяжелых металлов. 56

2.3. Нелинейная модель с учетом мелиорантов, способствующих

уменьшению отрицательного действия ТМ......................................................61

Глава 3. Анализ устойчивости черноземов Нижнего Дона на основе математической модели поглощения и трансформации тяжелых металлов в почве............................................................................................................................67

3.1. Структура почвенного покрова Нижнего Дона.........................................68

3.2. Условия почвообразования..........................................................................69

3.3. Металлы в техногенно загрязненных ландшафтах региона.....................75

3.4. Устойчивость почв Нижнего Дона к загрязнению тяжелыми металлами

................................................................................................................................80

Глава 4. Оценка экосистемных функций почвы на основе экологического индекса устойчивости...............................................................................................88

4.1. Влияние тяжелых металлов на численность бактерий в почве................89

4.2. Оценка накопления тяжелых металлов в растениях..................................91

4.3. Сравнение оценок экологической функции почв....................................100

Глава 5. Сравнительный анализ устойчивости почв, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС, на основе математической модели поглощения и трансформации Си, РЬ и Ъ\....................................................................................105

5.1 Анализ источников техногенного загрязнения.........................................106

5.2. Экологическая устойчивость почв, прилегающих к Новочеркасской

ГРЭС....................................................................................................................108

5.3 Анализ чувствительности параметров моделей........................................121

Глава 6. Влияние приемов ремедиации на индекс экологической устойчивости

почв...........................................................................................................................124

Глава 7. Количественная и качественная оценка влияния карбонатности на

соединения ТМ в почвах на основе компьютерных программ...........................130

Выводы.....................................................................................................................140

Литература................................................................................................................143

Введение

Актуальность исследований.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) за последнее столетие стало серьезной проблемой, по последствиям сопоставимой с глобальными природными явлениями. Постоянно возрастающее воздействие человека на окружающую среду не соизмеряется с ее устойчивостью, и возникают нарушения протекания естественных природных процессов. Специфическая способность почв поглощать поступившие из техногенных источников загрязнения металлами и распределять их между компонентами почвы имеет решающее значение в формировании экологической обстановки на планете.

Согласно одному из определений, загрязнение почвы - это «изменение химического состава почвы в результате антропогенной деятельности, способное вызвать ухудшение ее качества» (ГОСТ 17.4.1.03-84). ГОСТ определяет, что загрязнение вызывает ухудшение качества самой почвы как природного объекта, а также ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Загрязняющие вещества, попавшие в почву, могут сохраняться в ней десятки, и даже сотни лет, постепенно поступая в воздух, воду и биокосные объекты. В результате особо актуальной является проблема оценки степени устойчивости почв к загрязнению ТМ.

Методологической основой оценки устойчивости почв, то есть их способности нейтрализовать отрицательные эффекты воздействия различных техногенных веществ, является анализ свойств и режимов почв, контролирующих процессы трансформации, накопления и выноса веществ в почвенном профиле, степень подвижности токсичных ТМ (Глазовская, 1997).

Анализ состояния исследований по оценке устойчивости почв показывает, что работы по этому вопросу ведутся по двум направлениям.

К первому направлению относится разработка принципов оценки устойчивости, основанная на выборе комплекса наиболее важных параметров,

оценке каждого из них по бальной системе и использование суммы баллов в качестве количественного показателя почв (Ильин, 1995; Колесников, 2000). Полученные количественные показатели используются для сравнения почв по устойчивости к внешним воздействиям и составления карт устойчивости почв.

Второе направление связано с построением и исследованием математических моделей, описывающих протекающие в почве процессы и отображающие механизмы ее устойчивости. В этом случае становится возможным использование математических методов анализа устойчивости. Препятствием на пути этого метода являются трудности разработки моделей, имеющих уровень адекватности описываемым ими почвенным системам, позволяющий получить модели достаточно высокой аппроксимирующей способности. Это обусловлено, с одной стороны, недостаточной изученностью законов функционирования почв и нехваткой информации для экспериментального обеспечения моделей, с другой стороны, слабой проработкой математических инструментов для рассматриваемого сложного объекта с выраженной динамикой.

Работа выполнена в рамках второго направления, с учетом того, что почва относится к иерархическим системам, и возникновение процессов каждого иерархического уровня ведет к усложнению системы почвенных соединений химических элементов соответствующей категории. В качестве наименьшей структурной единицы, характеризующей свойства почвы как природного объекта может быть выделена элементарная система соединений химических элементов.

Структура и функционирование элементарной системы химических элементов почвы обеспечивает ее экологическую устойчивость, т.е. способность почв ограничивать отрицательное воздействие поллютантов на окружающую среду, которая проявляется как стабильность существования равновесия между прочно связанными соединениями (ПС) и непрочно связанными (НС) соединениями химического элемента. Те и другие формы

соединений находятся в динамическом взаимодействии. Взаимосвязь обеспечивается реакциями, которые создают перераспределяющиеся потоки веществ и энергии. Интенсивность и варьирование таких потоков обеспечивает гетерогенность составляющих почвенной элементарной системы соединений химических элементов, многообразие реакций в которых они принимают участие, нелинейность отклика системы на внешнее воздействие, наличие в системе отрицательных и положительных обратных связей.

Цель и задачи исследований.

Целью данной работы является разработка приемов оценки экологической устойчивости почв к загрязнению ТМ на основе использования методов теории нелинейных динамических систем.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Разработать математические модели формирования экологической устойчивости почв к воздействию ТМ на основании процессов поглощения и трансформации ТМ почвами, отражающих нелинейные обратные связи в элементарной системе соединений металлов, а также учитывающие влияние ТМ на микроорганизмы и растительность.

2. Определить экологическую устойчивость почв Нижнего Дона (агроценозов и почв окрестностей Новочеркасской ГРЭС) к загрязнению Си, РЬ, Хп на основе предложенных математических моделей.

3. Дать оценку экосистемных функций почвы на основе предложенных математических моделей.

4. Изучить влияние методов ремедиации загрязненных почв на экологическую устойчивость почв к загрязнению, качество и продуктивность растений.

Объекты и методы исследования.

Объектами исследования являются верхние гумусовые горизонты чернозема южного карбонатного среднемощного тяжелосуглинистого на желто-бурых структурных глинах; чернозема южного среднемощного среднесуглинистого на желто-бурых лессовидных суглинках; чернозема южного среднемощного супесчаного на песках (Шолоховский и Миллеровский районы Ростовской области); чернозёма обыкновенного карбонатного среднегумусного тяжелосуглинистого (Октябрьский район, Ростовская область), а также почв, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС (НчГРЭС).

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы: метод математического моделирования; методы теории нелинейных динамических систем; методы математической статистики. Данные о физических и химических свойствах почв получены по общепринятым в почвоведении методам (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Общее содержание ТМ изучалось ренгенфлуоресцентным методом. На основе применения параллельных и последовательных экстракций ТМ из почв (комбинированная схемы фракционирования) по методу Т.М. Минкиной (2008) извлекались ПС и НС соединения ТМ в почвах с последующим анализом на атомно-абсорбционном спектрофотометре.

Научная новизна.

Впервые представлен анализ устойчивости черноземов Нижнего Дона, проведенный путем построения серии постепенно усложняющихся математических моделей поглощения и трансформации ТМ. На основе представленных моделей проведен качественный анализ влияния показателей сродства ТМ и непрочно связанных соединений ТМ в почве на устойчивость системы почва-растение к загрязнению, влияние ТМ на микроорганизмы. Введены индексы экологической устойчивости к поглощению почвой ТМ, характеризующие изменения в количестве непрочно связанных соединений

ТМ, составе микроорганизмов и растительности. Показана информативность разработанных моделей оценки экологической устойчивости почв в условиях естественного и искусственного загрязнения почв. Предложена шкала экологического нормирования загрязнения черноземов обыкновенных ТМ по степени изменения индекса экологической устойчивости почв.

Практическая значимость.

Модели, разработанные для почв Нижнего Дона, могут быть использованы для широкого спектра почв при разных уровнях техногенной нагрузки. Данные модели позволяют проводить расчет устойчивости почв к загрязнению ТМ, действия ТМ на свойства почв и качество растений. Данные показатели могут быть использованы научными, производственными и природоохранными организациями при мониторинге почв, оценке воздействия ТМ на состояние почв и растений, экологическом нормировании загрязнения почв и определении предельно допустимой техногенной нагрузки, разработке и оценке способов восстановления загрязненных почв.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях «Состояние и перспективы развития агрономической науки» (Персиановский, 2007), V Всероссийском Съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); научно-практической конференции «Проблемы мониторинга и сохранения плодородия почв мелиорированных земель» (Новочеркасск, 2009), VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых Научно-образовательных центров России и Международную школу молодых ученых ЮНЦ РАН (Азов, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, определенных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах печатного текста. Состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы. Содержит 18 таблиц и 36 рисунков. Список литературы включает 200 источников, из них 40 на иностранных языках.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ РН 5.5349.2011, ГК № 16.740.11.0054, ГК № 16.740.11.0528, ГК № 16.740.11.0232.

Глава 1. Оценка устойчивости почв к нагрузкам различной природы (Литературный обзор)

На современном этапе развития общества и научного осмысления им собственного предназначения вопрос от перехода антропоцентрического мировоззрения к природоохранному становится все актуальнее. В результате развития народного хозяйства общество столкнулось с рядом все нарастающих проблем, связанных с сохранением и созданием высокоплодородных почв. Только за период 1972-1988 гг. общие потери продуктивных земель в результате эрозии, переуплотнения, отчуждения составили в странах СНГ не менее 15-20 млн. га (Биологические ресурсы..., 1988). Большинство освоенных почв (особенно чернозёмы) за последние 50-100 лет потеряли 30-40 % запасов гумуса (Ковда, 1989). Экономически безопасное использование и сохранение плодородия и экономических функций почв является решением проблемы оптимизации природопользования.

Одним из аспектов решения данной проблемы является оценка устойчивости почвы, которая рассматривается как подсистема в общей устойчивости экосистем биосферы. Проблема устойчивости относительно новая. Сам термин пришел из техники, и первые аналогии рассмотрения данного вопроса связаны с учением о сопротивлении материалов. В дальнейшем проблема устойчивости стала рассматриваться в различных областях науки.

Анализ проблемы устойчивости систем развивается в почвоведении. Это связанно с использованием земельных ресурсов, сохранения их ресурсовоспроизводящих и средовоспроизводящих функций. С другой стороны, произошло изменение представления об экосистемах как стабильном природном образовании, которому свойственно лишь функционирование без значительного изменения состояния. К.С. Холинг обозначил четыре определяющих свойства экосистемы, требующих ее дальнейшего изучения:

- части экологической системы связаны друг с другом избирательно;

- события неоднородны в пространстве, этим определяется, сколь интенсивными будут воздействия и где они произойдут;

- резкие изменения в поведении обычны для многих экосистем;

- изменчивость, а не постоянство - характеристика экологических систем, которая вносит вклад в их живучесть и способность к самоконтролю и самовосстановлению.

Дальнейший этап развития природопользования и землепользования требует определения устойчивости почв и почвенного покрова. При изучении проблемы устойчивости экосистем вообще и почв в частности сталкиваемся с тесной взаимосвязью их компонентов, сложностью и нелинейностью процессов, что предполагает четкое определение и характер функционирование системы.

Устойчивость - это термин, охватывающий довольно широкий диапазон понятий. Обзор определений устойчивости, применяемых в экологии, приведен в работах Орианса (Опале, 1975):

1) устойчивость или константность как отсутствие значительных изменений во времени;

2) устойчивость к возмущениям как способность возвращаться после нарушения в исходное состояние после нарушения;

3) устойчивость как быстрота возврата в исходное состояние после нарушения;

4) устойчивость колебаний;

5) устойчивость траектории движения;

6) устойчивость как пределы допустимых возмущений.

К изучению понятия «устойчивость» подходили с разных сторон. С одной стороны устойчивость системы рассматривают, как способность возвращаться после возмущения в исходное состояние (Арманд, 1983). С другой стороны, устойчивость характеризуют, как способность системы поглощать возмущения до определенной критической точки, при достижении которой возмущение

выбрасывает систему за границу области устойчивости в совершенно новый режим поведения (Холинг, 1978).

В дальнейших исследованиях эти подходы влились в общее понятие устойчивость, как механизмы реализации устойчивости системы, разделившиеся на две категории - упругость и пластичность (Росновский, Копысов, 2002). Упругость - свойство почвы полностью возвращаться в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия.

Пластичность - способность почвы накапливать результаты внешних воздействий, не изменяя при этом кардинально свою структурно-функциональную организацию. Н.Б.Хитров (2002) предложил для характеристики устойчивости почв выделить два вида: резистентную и регенерационную. Под резистентной устойчивостью понимается способно�