Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТОВ НА СОСТОЯНИЕ КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТОВ НА СОСТОЯНИЕ КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ"

л-тоз

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.З.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На ПрЭДВХ ру!СЭ!№СН

МУСТАФА МОАВАД АБДЕЯЬ ТАВАБА АБУЗИД

УДК 505.55/21/,-6Э1

ВЛИЯНИЕ М Е ЛИОРА! 1ТО 3 ИЛ СОСТОЯНИЕ КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА -РАСТЕНИЕ

Сиецнтыюстк - 05.0057 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

м о г: I! я л I а '> О

?stfoT8 гаполкена на ^афвдре химия почв факультета почвоведения Московского государственного у ниве роит эта rit, !i. В, Ломоносова,

Яаучжгй руководятед^s кандидат биологических наук4 докэнг А.йв Обухов

i

Официальные оппонелгл доктор сельскохозяйственных наук З.А„ Большаков кандидат биологических наук А»Вд Сердикове '

Ведущее учрехдекиез ЦИИАО

Эазита состоится К Э " ùKfflfiUgJj 1990 г. s 15^2 часов э ауд„ '¿-3. не а$еедекии специализированного совета К 053.05,16 з КВ' ми* SL В, Ломоносове о вдрао! I!S899( Москва, Леагора, МП, фахулиег почвовед;""" ""'¡шй соэег.

-зчо ознакомиться в библиотека факультета

■< _"_1990 г.

■ .-ь участие в обсуждения диссертации на ого совета по почвоведению s Москоз-на автореферат г двух экземплярах, тщ s" "печать^ , .„v.^ направлять по адресу: Москва, 119899» !'ГУа факультет глиоведевия, Учений совет

— учении секрегаръ специализированного со* , Г.£» Мотуаове

Актуальность темы. Техногенное вегрязнание ¡тяжелыми металлами (ТН) почв приводит к накоплению 5 них элементов в количествах, в десятки и сотни раз превыиавдих фоновый уровень, Значд- ' зальная доля соединений ТН, постулащих б почву, остается при втои мобильной, может потребляться растениям, затеи по пищевым цепям поступать в организм животных и человека. Поэтому актуальной задачей почвоведения является ивучениз скорости трансформации соединения ТН, и в первую очередь кадмия, в почве и в связи о этим поступление в ксрхе и продукты питания.

Необходимость исследования поведения тяжелых металлов в системе почва-растение связана с увеличением промышленного производства и потребления цветных металлов, применением в сельском хозяйстве осадков сточных вод и угрозой локального загрязнения почв.и других сопредельных сред (растений, природных вод и др.)» Практический и теоретический интерес представляв? изучение состояния кадмия в сероземных почвах, формы соединений згого метел-па ь почвах к та трансформация во времени, действие яовшпенвых концентраций элемента на почвы и растения. Мало изучен вопрос восстановления плодородия почв, загрязненных кадмием и влияние различных мелиорантов на его состояние в системе почва-растение.

Изучение вышеупомянутых вопросов актуально как в теоретическом отношении, поскольку расширяв? границы познания состояния кадмия в сиогеие почва-растение, так и в прикладном, поскольку для рационального и безопасного использования почв с повышенным содержанием кадмия необходимы хорошие и надежные сведения о формах соединений металла в почве, их трансформации во времени, а также надежные критерии подбора наиболее подходящих мелиорантов, пригодных для вырветвсвия сельскохозяйственных культур в критерии оценки двт«»''*»''^ггг'чгт'мг? продуякии«

ЦЕНТРАЛЬНАЯ 1 ¿¡.М'ЧНАЙ БИБЛИОТЕКА , ,,>~ч.. сольскохоз академии

!

Целт. Г'^отп: Изучить влияние излиорамов на состояние кадмия в системе почва-растение. Основные задачи исследования: I. Изучить влияние повьшенных концентраций кадмия на его состоя: ние в системе почва-растение. 2. Выявить концентрации кадмия,; г;ри которых начинаются отрицательные последствия не лочва^ и растениях, уточнить показатели для определения ДДК в сероземах. 3. Изучить роль различных мелиорантов (навоз, отходы хлопкоочистительной промышленное™, цеолиты) яа состояние кадмия в системе почва-растение. 4, Изучить формы соединений кадмия в сероземах и влияние мелиорантов на формы соединений металла.

Научная левизне. Получены новые сведения о состоянии кад-

о

мия в сероземах, формах соединений и их трансформации. Исследовано влияние различных мелиорантов на состояние кадмия в системе почва-растение, выявлены критические концентрации хедмин в сероземах, приводящие к поступлению его "в растения выше ПДК.-Ойосновая механизм фиксации кадмия в сероземах и влияние мелиорирующих веществ на повышение устойчивости почв и растений к кадмию. Ранее на сероземах таких исследований не проводилось.

Практическая значимость. Полученные результаты могут выть использованы для повышения устойчивости почв, растений к загряз нении кадмием. Установленные верхние критические уровни кадмия в серозеыах могут использоваться при разработке ЛДК этого метал ла, оценки степени загрязнения почв и качества получаемой продукции.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях кафедры химии почв факультета-почвоведения ЫГУ (19Б7-1990 гг), работа рекоиендована к защите 21 мая 1990 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано две работы, и структ^г-а реЗстн. диссертация состоит из введения

четырех глав, занлшения, выводов, научно-практических рекомендаций* приложения, Работа Еклшват страниц машинописного текста, имеет таблиц и . рисунков. Список литературы вклю-_ чает наименований, из них . работ на иностранных языках.

Глава I. СОДЕРЖАНИЕ, ФОРМЫ СОЕДИНЕНИЙ КАДМИЙ В ПОЧВАХ,■ ШЕЬМ Ш1ШЯ ЕГО Фктоюкданоста , На основе современных литературных источников дается обзор о.содержании и формах. соединений кадмия в почвах, источниках его поступления в почву, детально рассмотрены техногенные источники поступления кадмия в почву, механизмы трансформации соединений элементе в почвах и его поступление в растения, Б зависимости от состава и овойств почв, уровня загрязнения их кадмием обсуждаются возможные «эры по снижению отрицательных последствий загрязнения окружающей среды кадмием*

Глава П. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для исследований были зэяты образцы почв' серозема типичного из гумусового горизонта, глубина 0-20 см (Узбекская ССР). Исследованная почва имеет щелочную среду, рН=8,2 , высокое содержание кврбонатов (19,5 %), низкое содержание гумуса (1,4 и невысокую емкость поглощения (10,6 мг-эквДОО г). Содержание частиц<0,01 мм - 32,5 5& и <:0,001 мм - 12,5 Все зто свидетельствует о тичности почв и принадлежности ее к сероземам,

Исследования проводили в лабораторных условиях путем постановки вегетационных опытов кетодом получения проростков. Проростки культур (оаимая шенида, кукуруза, салат) выразиввли в полиэтиленовых сосудах*, в которые помещали около I кг почвы. Предварительно в почгы вносили кедиий в гиде его водорзетворы-

у г" соли Со(Л'03)2. Е почву вносили следупцив дозы кадмия: контроль, I, 5, 1С, 20! 50 и 100 кг/кг (в пересчете ка влемзит), ;

Естаотьеккое ссдеряакпе кадям в почве Скло невысокий - 0,2 мг/кг. Посла внесения кадмия в почву ее инкуСировалк в течение неделя, псдддрхивали влажность около 60 % от голевой влагоемкости! После инкубирования в почву рисалшвали одинаковое количество семян. "Повюрность опыта трехкратная. Контролем служила почва с естественный содержанием яедмия. Проростки убирали после достижения биомассы, достаточной для аналитического определения в ней кадмия. Сопряженно отСиралк образцы почв для исследования форм соединений кадиия.

В качестве органических мелиорантов вами испытаны навоз крупного рогатого скота и русифицированные отходи хлопковой промышленности. Из минеральных мелиорантов - цеолит (клиноптил-лолит), Сероземы имели низкое содержание гумуса и невысокую емкость поглощения, поэтому дозы мелиорантов били сравнительно большак (из расчета 100 т-га), т.к. в почву вносили также высокие доаы кадмия.

В сероземах, как в естественных, так и загрязненных кадмием, с добавками мелиорантов определены различные формы соединения кадкия с помощью следувдцс экстрагентов: бидистиллированнал вода с рН 6,0 (водорастворимые форда), ацетат и о-аююнийиый буферной раствор с рНе!(,8 (подвианые формы, доступные для растений), I н НК05 (кислоторастворимые формы) (Методические реко-кекдеции....... 1961).

Биомасса растений зысудию^есь, взвиеиззлась и озотялесь "кгкрак" способом (хлорная и азотная кислоты при нагревании). Хекечксе определение кад^г.п в растворах прогедчно методом атои-

но-абсорбционясй спехтрофотоивтрии на спектрофотометре "Пернин-Эльмер", иодель 403. Ниэкиа концентрации кадмии в растворах определял» с учетом неоелективтя понах с помощь» дейтариевого корректора фока. При содержании кадмия в годных вдтяжках ниже предела обнаружения использовали метод концентрирования раствора лутам выпаривания и перевода осадка г иеньший объем,

Б образцах почв определяли совершение органичэокого вещества по методу Тюрина, еикосяь катионного обмена - по методу Боб-ко-Аокинази, карбонатов - ацидометричеоким методом, величину рН водной вытяжки - потенциометричеоким методом (стеклянный электрод), количество обменного кальция и магния - по общепринятым методикам {Армнушкина, 1570; Агрохимические методы 19?5).

Для обоснования мвхвнизда действия мелиорантов и изучения сорбционной способности сероземов была исследовала сорационная способность его х кадмии в статических условиях. Образцы почв я мелиорантов обрабатывали раствором водорастворимой азотнокислой соли кадмия с различной концентрацией (0, 1« 2, 6, 10* £0» 50, 50 и 100 мнг/мл) в соотношении 1:10, взбалтывали X ч и отстаивали в течение суток. Надоеадочную жидкость фильтровали через мембранный {ильтр о диаметром лор 0,254),50 мки и определяли в ней содержание кадмия. Сопряженно в полученном растворе определяли рН. Количество поглощенного кадмия вычисляли по раа-нооти между оодаржекием кадмия в исходном и равновесном растворах.

Для идентификации возможных форм соединения недкия в потшах на теоретические диаграммы растворимости кэдкик ъ эогис/мсст;: от рН наносили реальны» результаты и дагзли оценку исдгисс-ти или различна рэсччти г зкге ¡".¿почта.

Глава Ш. ЕЖШЕ ШМОШТОВ «А СОСТСШЕ КАДМИЯ

3 СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ " ; I

E1.I. Водорзстюркиые формы соединений кадмия в сероземах.

Естественный уровень содержаний водораотворммих фор]/ соединений 'кедмия в сероземах очень мел, и в денных почвах Спя ниже 0,005 мгУкг. Внесение кадмия а сероземную почву в виде хорошо растворимой его ооли лишь незначительно повышает этот уро-

" - t ■

векь, Только лииь при очень высоких дозах внесения кадмия в ¿ерозеи (>•100 ыг/кг) этот уровень в водной вытявке будет cpeS-

'ниц о ПДК кадмия для питьевых вод. При средних дозах внеоенкя *

кадккя в гкугау (>10 иг/кг) уровень его содержания в водной ы-тякке был на пределе его определения. Увеличение дозы внесент (степени загрязнения) привело к увеличению уровня водорастворимого кадмия в сероземах. Серозем содержал достаточно высокое количество карбонатов кальция, поэтому pH равновесного растворе при добавлении азотнокислого кадмия в почву практически ва менялся. Поэтому повышение концентрации нельзя оОьяокить за счет подкксленки почв.

Полученные результаты позрмяют сделать важный вывод, при загрязнении серозеков даже высокими концентрациями кадмия, -его водная миграция будет очень ограничена, а содержание элемента. в водной вытяжке не будет превышать ПДК элемента для вод* Это подчеркивает Сольад» сороцнонную способность серозема по отношению к кадки». Механизм- сорбции по всей видимости будет равшч-ным в зонда;ыости от уровня концентрации кадмия в почвах.

Кадмий с анионами почкнкего рестюра кокет образовывать различные труднорестворимае соединения (гидрокеиды, карбонаты,

фосфаты). Однако эти возможности, вероятно, реализуются не всегда, С помощью диаграмм растворимости различных соединений кадмия в зависимости от рй сделана попытка оценить возможные его соединения в вещной вытяжке серозема (рис. I).

Уровень содержания кадмия в водкой вытяжке серозема с контрольного варианта (почва с естественным содержанием кадмия) находился ниже уровня растворимости ..известных труднорастворимых соединений кадмия (карбонатов, фосфатов). Добавление кадмия в, серозе мы в дозах 1-10 мг/кг практически не изменило отмеченной картины (рис, I). Только добавление кадмия в серозем в достаточно боль тих дозах (20-100 мг/кг) увеличило уровень, его содержания в водной вытяжке, экспериментальные данные содержания кадмия в водной вытяжке при этих дозах практически совпадают с кривой растворимое ти'карбоната кадмия. По всей видимости, при высокой степени загрязнения сероземов кадмием {вше £0-300 мг/кг) кадмий может осаждаться в виде карбоната, а уровень его концентрации в водной вытяжке очевидно бурег регулироваться произведением растворимости карбоната кадмия. Оксиды и гидроксиды этого металла достаточно хорошо растворимы и не могут существовать в этих почвах.

В естественных сероземах н в сероземах, загрязненных не высо ними дозами (до 10 мг/кг), кадмий фиксируется каким-то другим механизмом, по крайней мере его уровень в водной вытяжке не определяется произведением растворимости возможных трудаораствори-мых соединений этого металла (карбонатов, фосфатов). Большинство органических лигандов образуют с кадмием более прочные связи, чем неорганические анионы . 1977) тькипа^ви, 1овЫйь

197б| Горбатов, 1963 и др.), причем устойчивость металлгумусо-вых комплексов увеличивается с рост»! рН и уменьшается при воз-

pi?.станки ионной с к ль: раствора (Schnitr.or, 1966). Крате обраро-пцчкп труднйрастворпмьх соединений о неорг&ничэскими и оргашчес-

t

к:п:я лига^ами кадмий макет адсорбироваться почвой и ее кшшвдн- f ■гш.in. Механизмы тахоГ*. адсорбции тайке могут быть различными . ilaif-более вероятна хемосорбция металла на поверхности карбонатных

I

•частиц серозема по реакции:

Сс£+ + СаС03^г ЫС03(адс.) + Ca2+ При более высоких концентрациях добавленного к сероземам кадмия, когда возмогло вся поверхность карбонатов покрыта хемосорби-рованньи карбонатом кадмия, очевидно начинается осаждение кадмия в в:ще твердой фазы карбоната кад.шл по реакции;

* сА2+ + H2co3^cdco3(T.fl.) + 2Н*, что было показано ранее ка диаграмме растворимости соединений кадмия (рис. I). Процессы, описываемые показанными вше уравнениями, наблюдал МакВрайд (Me Bride, 1980),Горбатов B.C. (1983). ,

Теоретической предпосылкой влияния мелиорантов на состояние кадмия в почвах также должны быть сорбционные процессы. Добавление органических веществ (навоз, гушфтцировандае отходы хлопковой прсмшленности} и цеолиты к загрязненной почве хорошо подтвердило это предположение.

При малых дозах снесения -.кадмия в почву его растворимость при применении мелиорантов практически не изменилась, оставаясь также шэкоГ., как и в почвах без применения мелиорантов (рис. 2). Незначительное снижение ссдержадая водорастворимого кадмия при применении мелиорантов наблюдалось начиная с дозы 20 мг/кг, оно стало более резким при догах 50-100 мг/кг кадмия. Причем при высока дозах кадмия белее элективно снижало ■ содержание водорастворимого кадмия з сероземе органическое вещество, чем цеолит (рис.2). Гр.с кадмпя в сероземе г.р:: добавлении мел'оралгээ дако

с cd, да/кг

Рис, 1 Диаграммы рбстворимостй соединений кадмия в зависимости от ffi раствора

^ контроле

-1Й -

пр.': его дозах была ¡же*} раствоздаости наименее раствори-

йк сеедккенкй (рис. I).

Это р&з псд'ГЕерггдает вксхаэашое ранее предположение, что добасло.чме адсорбциош^кк компонентов ес загрязненной почве ■ позытет ее адсорбционную емкость, причем это ощутимо сказалась только при высоких концентрации тадаия. При низкое концентрациях, как уке Скло отмечено выше, адсорбционных центров в почве было достаточно, чтобы с определенной силой ¡'держать весь добавленный кад-ий. Добавление мелиорантов в этом случае практически на оказало ^¡какого действия. Таким образом имеются реальные возможности снизать миграционную способность кадмия в сильнозагрязненньк сероземах (концентрация вшо 50 мг/кг} -при помощи внесения различных мелиорантов, повышающих адсорбционную способность почв, такта как навоз, цеолиты,

Ш.2 Подвижные и ки сл оторастворимые $ормы соединений кадмия в почвах

Как показали полученные результаты (рис. 3), количество подвижного кадмия С&цетатно-аммонийный буферный раствор с рй=4,8) в загрязнении сероземах высокое (около 50-60 % от его валового количества) . Отмеченное обстоятельство указывает на относительно слабую степень закрепления кадаия почвой и его большую доступность для растет;?.. По всей видимости большая часть хемосорбированного

карбонатами кальция освобождается и переходит в раствор г.цетатно-а'^ок'.^.кого буфера.

Вне сек: о метагрантов (цеолитов, навоза) практически но оказало суаестэ-лгного влияния на вкход кадмия в раствор при низких догг.-; загрязнения и нсвъхокое уменьшение содер:кщг.:я кадмия отмечено -.■л.-ьло для навоза при в:: секта -ровнях загрязнения серозема кад-

мием (рис. 3). '¡Аналогичные закономерности получены и для кисло-торасгворимьк форм соединений кадмия (рис. 4).

Внесение мелиорирующих веществ в почвы для других тяжелых • металлов (например, свинца) было более офреаягекым (Поповнчвва, 1988), так подвижность свища стяжалась ш 30-50 %, Зто подчеркивает с одной сторош б<&шуо подвижность кадмия по сравнению с другими тяжелыми металлами, следовательно и польщу» его опасность при одновременном загрязнении почв многими тяжелши металлами, и с другой стороны трудность подбора комплекса мероприятий по уменьшению отрицательных последствий при загрязнении почв кадмием. Б таких случаях приоритет в направлении исследований должен быть отдан изучению состояния кадоия в почвах.

SL3 Влияние загрязнения почв кадмием я мелиорантов на биомассу растений

Реакция растений на загрязнение почв кадмием и влияние мелиорантов при этом - это наиболее интегральный показатель состояния кадмия в системе почва-растения.' Несомненно, что реакция растений (poet, развитие, биомасса, накопление кадмия) будет в сильной степени зависеть от физиологических особенностей самих растений. Кадмий не является жизненно необходимым элементом для растений (ло крайней мере в настоящее время это не доказано), поэтому накопление этого элемента л избыточных количествах приводят к угнетении росте растений, снижении урожая, нарушение физиологических процессов и,самое главное, поступлению его а продукцию гыве ЮТ.

Значимое снижение фитомассы проростков озимой пшеницы на сероземе происходило начиная с дозы 10 иг/кг. При доз? 50-100 иг/кг этот эффект настолько ярко ьыранен, что {итомесса проростков

уменьшилась относительно контроля почти но 50 В лкт-з^отуро принято считать эффект действия тяяелых металлов достоверным! когда биомассе (урожай) уменьшается как шшкчум на 10 При током : подходе значимое снижение {итомассы проростков озимой лщятда наСл»)-далось при содержании кадмия 5 ыг/кг. Влияние мелиорантов практически не оказало существенного влияния на отрицательный эффект от кадмия, хотя общая фитомеооа проростков при внесении мелиорш-тов, кек и следовало ожидать, несколько ¡возросла, особе),но при внесении навозе. Значимое снижение биомассы проростков от действий кадмия при внесении мелиорантов тшсяе имело место при ыг/кг кадмия.

Наиболее чувствительной культурой к тяжелым металлам является салат. Это хорошо подтверждается также при выращивании салата на сероземах« загрязненных кадмием. Деке при низких догах кадмия (I ur/кг) на почвах Cea применения мелиорантов салат развивался очень слабо по сравнению с почвой контрольного варианта.

Более высокие дош квдадп приводили к еще большему угнетению салата, с возрастом угиетеадий аффект от кадмия еще больше усилился и растения практически погибли, получить необходимую биомассу даже для определения кадмия во удалось. Применение мелиорантов значительно улучшило состояние салата. Причем мелиоранты органической природы (вазоз, гуияфицированные отходи от переработки хлопка) улучшали состояние'салата лучше, чем неорганические (цволиди).

Значимое СЕижеаие фитой*сси салата при применении мелиорантов отмечено ври дозе 10 мг/кг кадмия. Кукуруза, как более устойчивая культура к тнжэлым металлам произрастала на gcex исследсЕан-ных дозах кадмия ва исклоченкек дозы 100 иг/*г, где проростки кукурузы были настолько слабы, что после всходс~ сразу i« погиба-ян. Снижение 4«томасси проростков кукурузы ва почве -чесаам

мелиорантов наблвдалось уже при дозе 5 мг/кг, а при дозе кадмия 50 кг/кг фитоиасса упала по сравнению о контролем на 50 Наиболее благоприятное воздействие на развитие кукурузы охезод навоз и гуинфицированные отходы от хлопка. Тек снижение фитомеосы проростков кукурузы проявилось при дозе кадмия 20- мг/кг, а при ислоль-зомкии тумюфмвдрованних отходов хлопка и цеолита при дозе 10*-мг/кг.

Таким ооразом, полученные данные подтверждают вышесказанное, что рост и развитие культур на загрязненных почвах является хорошим интегральным показателем действия тяжелых металлов. Как и следовало ожидать, предельная доза кадмия, вызывающая снижение урожая будет зависеть от особенностей культур. Для салата эта дозе Силе около I мг/кг почв, для озимой яешницц и кукурузы - 5 мг/кг. Это не противоречит ранее проведенным исследованиям по влиянию кадмия на рост и развитие сельскохозяйственных культур на других лочвех (Первунина, 1960; Черных, 1986). Применяемые иэлиоранты, особенно органической природы, не только снизили подвижность кадмия в сероземах, но также улучшили условия произрастания и питания сельоксхоэайственних культур, повысили устойчивость культур к кадии».

Влияние загрязнения почв кадмием к мелиорантов на поотупление влемеата в растения

При оценке ущербе от загрязнения почв тяжелыми металлами важно не столько влияние элемента на урожай, как на качество продукции и в первую очередь на поступление элементе в растения. Кеибояьщеч количестве кадмия поступало в растения салата (рис, 5) даяе при минимальной дозе внесения кадмия '(I мг/кг) в растения евг.птв поступало 2,5> мг/кг гэдмия, Для кадмия характерен очень

7 » » ï» ï*

A—* C<

- w-

ьысокиИ .иоаффициент накопления растениями, в пересчете на суху» массу содержание его в растениях бывает даже в несколько раз выше, чем в почвах»

С увеличением содержания кадмия в почве его количество в растениях рвано воараотает, при достижении определенных значений о росток хоицентревд» в почве поступление в реотекия значительно замедляется, растения при дозах втих испытывают сильное угнетение и гибнут, Погашенное оодержанив подвижных форм соединений кадмия в почве приводит к нарушению Слокирупцих механизмов у растений (Ильин, 1960) и ивбыточному поступлению элемента в различные органы раотений.

Тек при высоких доазх кадмия (IDO мг/кг) даже при внесении мелиорантов, как органической, так и минеральной природы, поступление кал мин бшо в 50-Ю раз выше, чем не контрольном варианте. 1 Высоким поступлением кадмия отличатся также кукуруза и оо-

ч

лома озимой пшеницы (проростки, рис. 6). Критический уровень по поступление элемента в вти растения при дозе кадмия в почве 5-10 кг/кг. Как и в случае о влиянием мелиорантов на подвижность хадаия в почвах, их заметное действие на поступление в растения проивлп-етсл гвкжо толадо на высоких доаах кадмия (рис, 5, 6), 8то в йеной-то степени еще раз подтверждает предположение о двух рваных механизмах фиксации кадмия почвой и почвенными компонентами.

Несмотря не эффективность применяемых мелиорантов на снижение подвижности кадмия в оероаемах и поступление его в реотения, в сильно загрязненных почвах не удаезоя достичь получения растительной продукции с содержанием кадмия нижа критических величин. Превышение ПДК кадмия в растениях салата неступило уже при валовой содержании кадмия I мг/кг, а в кукурузе и проростках озимой пивкицы при дсао 5-Ю мг/кг. Полученные величин« ПДК кадмия для

Культура. От va» ялтвц*

fui . ÎÎ.IIWTÏIIlMlHt ItKHIII il МСТИВ»

Яш tree I Яулурузв

сероземов, если учитывать наиболее чувствительный показатель -поступление элемента в наиболее чувствительную культуру, практически не отличатся от ПДК втого металла для лочв с кислой и слабокислой реакцией (Обухов, Ефремова, 1987),

Для нормирования содержания тяжелых металлов в почвах я разработки ПДК в почвах предложено испольвовать целый ряд показателей: количество н качество растительной продукции (поступление элемента в растения), миграционный воадуштый (переход в воздух), миграционный водный (переход в почвекао-груктовые воды) и обце-санитерный (влияние на самоочицашую способность почвы и почвенный микробиоценоа ) (Методические рекомендации ..... 1976),

Б* конечном итоге для определения ЦЦН берут наиболее чувствительный. Исходя ив напих исследований для сероэемоц оо слабощелоч ной реакцией наибольшей чувствительность!» обладает реакция растений на кадмий, причем количество н качество растительной продукции обладает одинаковой отзывчивостью аа уровни кадмия в почвах.

При определении уровня вагряаяания сероземов наряду с количеством элемента-загрязнителя г почве необходимо в первую' очередь у(и

тыватв и поступление его в растения. ____

При рекультивации почв, вагряэненных тяжелыми металлами, тек же необходимо мокать пути о ниже кия поступления кадмия и других тяжелых металлов в растения ми подбират» о ельскохс э л йсгвеаныв культуры, устойчивые к кадии», прк невовможност* подборе выращивать технические кулыурм (хлопок в др.).

Глава 1У. ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТОВ НА СОРБЦИЮ-ДЕСОРБЦИЮ КАДШ ПОЧВАМИ

Для обоснования поведения кадмий в системе почва-растение и действия мелиорантов была научена сорбциовнея способность почв по отношение к кадмию. Хек было отмечено вьнге, оорбционная способ яость почв обусловлена их о остевой к свойствам, а также свойствами вносимых мелиорантов. Серозем хорошо оорбировйл кадмий даже при добавлении 10 нт/ж' раствора кедмия к серозему (соотношение почва:раствор 1:10), кадмий практически полностью сорбировался из растворе, его концентрация в равновесном растворе была ва уровне обнаружения его доотаточво чувствительным методом етомно-абсорб-цяоквого анализа (0,01-0,02 мг/л), т.е. при этом уровне концентрации процент сорбции был близок к 100 (рио. 7).

Следует также отметить, что добавление мелиорантов не изменяет адсорбционной способности кадмия до концентрации исходного раствора 10 мг/л, и только при более высоких концентрациях исходного раствора кадмия неблсдается увеличение адсорбции кадмия при добавлении мелиорантов к серозему. Различия в адоорбции металла между сероземом с навозом и цеолитом по-видимому не значимы. Хотя при относительно высокой концентрации исходного раствора кадмия (100 мг/л) адсорбция серозема о добавлением цеолите несколько была выше* чем о навозом. Результаты, полученные по адсорбции кадмия сероземом и сероземом с добавками мелиорантов,еще раз подтверждают два механизма поглощения элемента в зависимости от уровня его концентрации в почве.

По всей видимости, адсорбция кьдмия яри высоких уровнях концентрации была бы еще больней, если бы ве было значительного подкис лени я почв в результате гидролиза добавленной соли кадмия к почве. Как иввестно, адсорбция кадмия при подкис лени и почв удень-

шаатся. В цело« для кадмия характерна предпочтительная адсорбция в интервале ытфоконцвнтраиий и заметное уманьшенкс поглощения по мере заполнения ионами кадмия почвеввото погдовтшаго комплекса. Так при - увеличении исходных концентраций кадмия в 100 раз процент адсорбции кадмия изменялся от 100 до 70.

Как ухе отмечалось вше, уменьшение адсорбируеыости с ростом концентрации и разделение изотерм на два части можно объяснить наличием на поверхности адсорбеква двух типов сорбпионных мест, отличающихся рваной энергией сорбции. Одна группа мест характеризуется селективным поглощением кадмия, и эти места заполняются в первую очередь (специфическая адсорбция). Этому типу адсорбции соответствует 1-ый участок изотермы адсорбции кадмия сероземом (включая исходную концентрацию кадмия 10 мг/л).

Со мере заполнения мест, селективно адсорбирующих кадмий, идет адсорбция металлов на местах с меньшей анергией с гязи.у Пинский; Ц9ВД, 1962)« Горбатов В.С, (1985), ивучея адсорбцию с ей нш и кадмия черноземами и сероземами, также выделяли два типа обменяв центров, неравноценных по отношению к тяжелым метвллаы. Д.Л. Пинский (1980, 1982) предполагал, что первый тип наиболее селективных к тяжелым металлам центров обусловлен наличием органического вещества почв. Точка перегиба графиков изотерм адсорбции определяет максимальное количества тяжелых металлов, связанных специфически.

Расчеты показывает, что 'специфически адсорбируемый кадмий занимает очень небольшую долю (меньше I У) от обцей емкости кбти-онного обмена почв. Кривая адсорбции кадмия сероземом удовлетворительно описывается равнением Фрейндлиха. Количественную оцекчу слзцк5ической адсорбции в усредненном виде дает ксэ4£кци«нт Я-уравнения СфвЕвдшха, гаректеризувзй весь диапазон ¡■.сн'^ектрйсил

- м-

нв первом участке изотермы (т.е. внлшая исходную концентрацию 10 мг/л кадмия). В почвах происходит конкуренция аа адсорбционные места среди как тяжелых металлов, так я катионов поглощаедего комплекса. Для сероземов, черноземов и других почв, где в качестве обменного катиона преобладает кальций, важный является изучение коэффициента селективности обмена кадмии или других тяжелых металлов на кальций. По данным Д.Л.Пинского (1982), В.С.ГорОатове (1983) наибольший коэффициент селективности свойственен свинцу.

Высокий коэффициент селективности свинца показывает его конкурирующее преобладание за адсорбционные места при одновременном загрязнении почв тяжелыми металлами. Коэффициент селективности кадмия уменьшается о увеличением его исходной концентрации в растворе. Интересно отметить, что исходная концентрация кадмия в 10 мг/л является той границей, где коэффициент селективности кедмий-кальций равняется практически единице, т.е. при этой уровне концентраций начинает преобладать реакция эквивалентного обмене кадмия с кальцием, или наступает другой тип механизме адсорбции.

Совместное поступление свинца, пинка, кадмия в серозем не только ухудшает общую экологическую обстановку (комплексное воздействие тяжелых металлов на рост и развитие растений, угнетение микрофлоры и др.), но к влияет не распределение металлов нему жидкой и твердой фазами почвц, сдвигая равновесие в сторону десорбции и перехода в почвенный раствор наиболее мобильных металлов и что наиболее опасно - кадмия.

С увеличением степени загрязнения почв по мере заполнения мест, специфически вдсорбирущвх тяжелые металлы, следует ожидшь ослабления прочности связи тяжелых металлов с ввердыми фазами почв и усиление конкуренции зе ионообменные адсорбционные места со стороны катионов целочно-веис. ,ьних металлов.

При этой степени загрязнения особенно эффективны долины ; оыть мелиоранты, действуадие как дополнительные ионообменные центры и селективно адсорбирующие тяжелые металлы. Это и нашло подтверждение при изучении влияния мелиорантов на состояние кадмия в системе почва-растение на примере аагряэнения сероаеиов и внесения навозе, цеолитов, 17инфицированных отходов хлопчатника.

- ~

O+Q

выводи

J, Кадмий, поступивший в сероземную почэу, интенсивно фиксируется «ю, в сгащчгских условиях при соотношении почва ; расгвор 1 : JQ и концентрации элемента до 10 Mi/a кадмий поглощается сероземом практически на 100%. Кон* центрация кадмия в равновесном растворе при низких уровнях его содер*

манил была значительно ниже растворимости карбонита или фосфата кадмия. По* видимому основным механизмом поглощения кадмия при низких уровнях кон* центрации является смци^ическде ибсорбцил. При высоки* уровня* концентраций добавляемого кадмия в ¿¿радо«*! (100 мл/л и выше) eto равновесная концентра* ция совпадает с растворимостью карбаната кадмия л вероятно поглощение идет на карбонат* кальция в результате хемосорбции tuu образования труднорсствори* мого соединения карбоната кадмия.

Прочная фиксация кадмия сероземом характерна только при его невысоком содержании а почве* При загрязнении серозема кадмием последний находится в хорошо доступной для рвспний форм* сочинений or ¿адового коли«

чества переходит о et^mrno»аммонийный буфер с рН 4„8) и способен интенсивно мигрировать из почвы в сопредельные среды (псчвенн&грунтовые воды, растения}.

А Внесение в загрязненные сероземы мелиорантов {навощ *умифициро$«н-мых отходов хлопчатнику иеолиfa) снижает содержание водорастворимых и под* еихнъгл {доступных для растений) форм соединений кодмия только при высоких уровнях кадмия в почвах, и практически не оковывает л<м**гного влияния на под* аижносгь элйм^кга при низком уровне его содержания в сероземах,

4, Растения» произрастающие на сероземах» захрязненных кадмием являются чувствительными показателями загрязнения почв згил мегомом, даже при не^на* чигвлдеых уровнях содержания каймил в сероземах (1 ме/кг) наиболее чу ветви* тельные к металлу сельскохозяйственные культуры (салат) испытывают угнетение рос та. снижают биомассу и накапливают кадмий выше ЛДК

Мете чувствительные культуры (кукуруза* озимая пшеница) снижают Сио» массу при более высоких уровнях карниз в почве (аъиае 20 мг/Ktно уже накап* лиоают его в биомассе <tыше ПДК при содержании в почве выше б ме/кг.

6. Применение мелиорантов fraeoja, цеолита} улучшает условия произрвсгв» я ид растений при высоких концентрациях кадмия g сероземе снижает £i0 подвижность и поступление « продукцию, но полностью не защищает поступление кадмия {содержим ни&е ПДЮ в наиболее чувствительные сельскохозяйственные культу-

pbt и к н?нвд^ыv куямур*, его содержали* « почве выше Юмг/кг,

6. Для получения "чистой**'(содержание кадмия ниже ПДЮ сельскохозяйственной продукции hú сероземах^ эогрязнлнпых каДчиод и снижения миграции металла наиболее аффективными мероприятиями являются лодбор селйскохомйст* венных культур, устойчивых к ¿тему злементу, выращиеанне технических культур* цветов, е также применение мвлиорентоо*

Ofo

- да -

ШЧКО-ПРАШЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Для разработки системы мероприятий по восстановлении плодородия почв, Еагрязненвых кадмием, необходимо учитывать степень загрязнения почв. При низком уровне загрязнения сероземов (содержание валового жедмия в почва 5 мг/кг) рекомендуется подбор сельскохозяйственных культур, не накапливающих кадмий, и комплекс мероприятий по снижении поступления кадмия в растения (применение мелиорантов органическое и минеральной природы, торфо-навозные компооты, цеолиты). При среднем* уровне загрязнения сероземов кадмием (5-10 кг/н?) могут выращиваться только высокоустойчивые к кадмию культуры о обязательным применением комплекса мероприятий по снижению поступления кадмия s растения. При очень высокой степени загрязнения почв кадмием (10-100 мг/кг) должно бмть исклшанс выращивание культур для продовольственных целей, при этом необходима дополнительные исоледования к разработки по рекультившии таких почв. Возможно использование почв для выравнивания технических культур, оеменников многолетних трав, овощей, саженцев плодовых и ягодных культур, цветоводства или использования для несельскохозяйственных целей, ___

Подписано в печать 4,09.S0r. Заказ 626 Формат 60x90/16 Тираж 120

Москва. Типография ЩСШШ