Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Закономерности сорбционного распределения тяжелых металлов в почвах Центрального Черноземья

Глебова Илона Вячеславовна

06.01.03 - Агропочвоведение, агрофизика

Курск - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова».

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Жукова Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Проценко Елена Петровна;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Степанова Лидия Павловна;

доктор сельскохозяйственных наук Азаров Владимир Борисович.

Ведущая организация: Московский государственный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева.

Защита состоится 18.12.2009 г. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.040.01 при ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова» по адресу: 305021, г.Курск, ул. К. Маркса, 70.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова».

Автореферат разослан: 2009 г. и размещен на сайте www.vak.ru

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций доктор сельскохозяйственных наук, профессор Э.В. Засорина.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Плодородная почва является важнейшим ресурсом развития человеческой цивилизации. Сельскохозяйственное использование земель тесно взаимосвязано с активно возрастающим влиянием человека на почву, развитием процессов почвообразования и эволюцией почвенного плодородия. Антропогенное воздействие на естественный почвообразовательный процесс является важной и основной особенностью современного почвообразования.

Человечество заменяет природный биоценоз агроценозом, нарушая исторически сложившееся динамическое равновесие между почвой и растительным покровом, формирует новую, культурную, экологическую систему - агробиогеоценоз, в котором ведущим фактором регулирования взаимосвязи между почвой и растениями становится хозяйственная деятельность. В агробиогеоценозе постоянное активное воздействие на почвообразовательные процессы оказывают сельскохозяйственная деятельность человека и климатические условия. В пахотном горизонте под воздействием интенсивных факторов земледелия происходят глубокие изменения генетического, химического и агрофизического характера.

Воздействуя на почву в процессе окультуривания, обеспечивая оптимальные условия для получения стабильно высоких урожаев современный АПК преобразует элементарные ландшафты в высокопродуктивные регулируемые агропедоценозы, требующие комплексного исследования, т.к. интенсивная антропогенная нагрузка на природные ресурсы вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнения. Устойчивость агропедоценоза определяется способностью почвы выполнять свои агрохимические функции, определяющиеся степенью буферности все нарастающему техногенному воздействию.

На современном этапе развития культурных агропедоценозов наиболее актуальная стоит проблема изучения загрязнения почв Центрального Черноземья и растениеводческой продукции тяжелыми металлами, а также исследование фитотоксичности почв ЦЧ и реакций зерновых культур на загрязнение почв такими токсикантами некоторых тяжелых металлов.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с плановыми научными исследованиями Курской государственной сельскохозяйственной академии в рамках научного направления по теме 10, раздел 10.4 «Гетерогенное распределение ионов тяжёлых металлов в природных средах» на 2000-2005 гг. (Решение научно-технического Совета академии, протокол № 1 от 26.02.2001г.), решением Ученого совета академии (протокол № 11 от 28.10.2003г.) и приказом № 452-Л от 13.09.2004г. на 2004-2008 гг.

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является изучение проблем загрязнения почв ЦЧ тяжелыми металлами (ТМ), определение сорбционного распределения тяжелых металлов в пахотном горизонте черноземных и серых лесных почв лесостепи Центрального Черноземья на примере Курской области, разработка практических рекомендаций для учета их трансформации, а также синергетического и антагонистического взаимного влияния двухвалентных форм ТМ на токсические свойства почвенных сред. Исследование фитотоксичности почв агроэкосистем всех типов почв Курской области на некоторые зерновые культуры.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести мониторинг содержания подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Zn, Mn, Pb, Co, Cd, Ni) в почвах районов Курской области.

2. Осуществить агрохимическую оценку содержания кадмия, свинца, кобальта и никеля в соответствии от основных свойств изучаемых почв.

3. Изучить трансформацию ТМ в почвенных средах и их синергетический и антагонистический характер.

4. Установить степень буферности почвенных сред по сравнению с минералами монтмориллонитовой группы.

5. Определить индекс токсичности ТМ в почвах исследуемых районов.

6. Выявить продуктивность некоторых зерновых культур при естественном повышении доз ТМ до 2,0-2,5 ПДК.

Научная новизна работы. В работе впервые в условиях Центрального Черноземья изучена проблема загрязнения почв Центрального Черноземья тяжелыми металлами (Cu, Zn, Mn, Pb, Co, Cd, Ni), проведено исследование фитотоксичности почв ЦЧ и реакций зерновых культур на загрязнение почв такими токсикантами-металлами, проведен комплексный анализ синергетико-антагонистического взаимовлияния ТМ на многофазные полидисперсные почвенные системы всех типов почв Курской области и произведен расчет влияния сорбционных процессов минеральной части почвы на буферную емкость почв. Разработан новый методический подход к оценке токсичности почв на тест-объектах злаковых культур в зависимости от потенциального плодородия и фитотоксичности ТМ для почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Состояние баланса тяжелых металлов в почвах исследуемых районов Курской области.

2. Интенсивность распределения ТМ в почвенных системах в зависимости от агрохимического состава почв и территориального расположения исследуемых сельскохозяйственных земель районов Курской области.

3. Наличие корреляционных зависимостей между совокупностью синергетических и антагонистических переходов и агрохимическими показателями почв исследуемых районов Курской области.

4. Зависимость между содержанием ТМ и минеральной частью исследуемых почв.

5. Уровень геохимической аккумуляции ТМ (кобальта, никеля, кадмия и свинца) минеральной частью почв исследуемых районов.

6. Миграционные параметры элементов ТМ в пределах гумусного горизонта, уровень их доступности и планирования качества растениеводческой продукции.

Практическая значимость. Результаты работы позволяют расширить научную базу в области агропочвоведения и аспектов агрофизического исследования особенностей почвенного плодородия, трансформации ТМ в почвах исследуемых районов Курской области в процессе антропогенного использования агропедоценозов.

Установленные корреляционные зависимости позволяют прогнозировать количество ТМ в почвах, а, следовательно, регулировать доступность их растениям. Разработанные элементы научной базы формируют основу дифференцированной системы агротехнических мероприятий АПК. Материалы диссертационной работы могут быть использованы в педагогической практике по агропочвоведению и других учебных сельскохозяйственных дисциплин агротехнологического профиля.

Личный вклад автора. Диссертантом выполнен больший объем экспериментальных исследований, проведены необходимые расчеты, обработка результатов и их анализ, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и практические рекомендации.

Апробация работы. Полученные результаты научных исследований докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Агроэкологические проблемы Центрального Черноземья» (Курск, 2004), всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития сельского хозяйства Центрального Черноземья» (Курск, 2005), всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития аграрного сектора региона» (Курск, 2006), всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» (Курск, 2007), всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Курск, 2009), Международном Экологическом Форуме «Современные экологические проблемы провинции» (Курск, 1995), Международной научно-практической и учебно-методической конференции «Наука и образование - возрождение сельского хозяйства в России в XXI веке» (Брянск, 2000), Международных научно-практических конференциях: «Актуальные вопросы современного земледелия в ЦЧЗ» (Курск, 2000), «Агроэкологические проблемы современности» (Курск, 2001), «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004), «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, 2005), «Теоретические и прикладные проблемы социально правовых, медико-биологических, технико-экономических сфер жизни общества» (Курск, 2007), «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» (Курск, 2008), «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск, 2009), научно-практических конференциях: «Актуальные вопросы современного земледелия в ЦЧЗ» (Курск, 2000, 2001), «Вопросы современного земледелия в Центральном Черноземье» (Курск, 2003), «Плодородие почв и устойчивость земледелия в Центральном Черноземье» (Курск, 2004). Основные положения работы опубликованы в рецензируемых журналах «Проблемы региональной экологии», «Аграрная наука», «Известия ТСХА» и монографиях. Предложения производству внедрены в АПК Курской области.

Структура и объем работы. Работа изложена на 402 страницах основного текста и 78 страницах приложения, состоит из 5 глав, содержит 34 рисунков, 39 таблицы, список литературы включает 328 источников, в том числе 74 зарубежных наименования.

загрязнение почва зерновой металл

Проблема распределения и трансформации ионов тяжелых металлов в почвах Центрального Черноземья (по обзору литературных источников).

На основе анализа отечественной и зарубежной литературы, рассмотрено содержание ТМ в почве различно от каждого региона и зависит от основных свойств почв: гранулометрического состава, количество и качество гумуса, от реакции среды, генезиса, а также от количества в почве органических веществ, биологического круговорота элементов. Содержание микроэлементов в почве в большинстве своем наследуется от материнских почвообразующих пород. Формы нахождения и локализация микроэлементов - металлов в почве зависят от их химических форм, унаследованных от материнской породы, либо от тех, в которых они поступают в почву. Естественным источником содержания ТМ в почвенных горизонтах являются горные породы, на продуктах выветривания которых, формируется почвенный покров регионов. Содержание микроэлементов в материнских породах определяет валовые запасы их в почвах. Исследования подтверждают, что для растений значительно важнее наличие подвижных форм микроэлементов в почвах, в отличие от их валового содержания. Их уровень определяется типом почвы, характером материнских пород, произрастающей растительностью и микробиологической активностью почвы. Состояние почвы в целом и ее отдельные физико-химические свойства определяются в значительной мере геохимическим фоном и содержанием ТМ. Отрицательное влияние ТМ на почву зависит от их подвижности, т.е. растворимости. Если они труднодоступны для растений, т.е. прочно связаны с составными частями почвы, то их отрицательное влияние незначительно. Водорастворимые соединения ТМ являются наиболее токсичными для растений, т.к. именно эта группа соединений поглощается растениями, прежде всего. Благодаря буферности почв, водорастворимые соединения металлов могут быть переведены в труднорастворимые. Однако буферная способность почв не беспредельна. Разными авторами отмечается определенная закономерность влияния отдельных почвенных условий на содержание различных микроэлементов. Так, кислотность почвы увеличивает подвижность большинства металлов (Мn, Сu, В, Zn). Высокая кислотность (рН = 4,8), низкое содержание органического вещества способствует высокому содержанию подвижных соединений металлов в кислой дерново-подзолистой загрязненной почве: для свинца - 42-67 %, для кадмия - 90-96%, для цинка - 57-71%, для меди 40-62% от общего содержания. В тех же условиях, для чернозема, количество подвижных соединений меньше и составляет: - 20-42%, 44-48%, 46-65% и 20-37%, соответственно. Механизмы связывания ТМ в почве многообразны. В почвенных растворах ТМ находятся в двух фазах - твердой и жидкой. Большая часть ТМ находится в твердой фазе и в соединении с минералами почв образует различные группы соединений. Распределение ТМ в твердой фазе почв не одинаково: так, в обломочных частицах твердой фазы почв (полевых шпатах, кварцах, слюдах), ТМ закрепляются в кристаллических структурах обломочных минералов. Поэтому легкий гранулометрический состав почв, как правило, сопровождается низким уровнем концентрации металлов. Концентрация металлов в глинистых минералах выше, чем в обломочных минералах, благодаря адсорбционной способности глинистых минералов. Поэтому, почвы тяжелого гранулометрического состава имеют более высокие уровни концентрации металлов, т.к. ионы металлов, фиксированные высокодисперсными частицами, закреплены менее прочно, чем в обломочных минералах. ТМ во взвешенном веществе могут быть в форме минеральных соединений (гидроксидов), т.к. гидроксиды железа поглощают тяжелые металлы более активно, чем глинистые минералы и почвенное органическое вещество. Однако одной из наиболее важных форм является миграция микроэлементов в жидкой фазе т.к. большинство металлов попадает в почву в форме растворимых соединений или в виде суспензий и фактически все взаимодействия между металлами и компонентами почвы происходят на границе жидкой и твердой фаз. Органическое вещество почвы может действовать как важный регулятор подвижности микроэлементов в почвах. В состав органического вещества почвы входят несколько компонентов фракций: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумус. Гуминовые кислоты могут образовывать как воднорастворимые, так и нерастворимые комплексы с ионами и гидратированными оксидами металлов. При этом следует отметить, что комплексы металлов с гуминовыми кислотами более устойчивы, чем комплексы с фульвокислотами, поэтому последние лучше растворимы и более подвижны, а значит, более доступны для растений, чем аккумулированные гуминовой кислотой. По исследованиям многих авторов преобладающая часть ТМ (более 63% от исходного количества) связана с водорастворимым органическим веществом. Кроме того, органические вещества способны накапливать ионы металлов, являясь временным резервуаром, в который на некоторое время выводятся из миграции значительная часть массы ТМ. Устойчивость металлоорганических комплексов не постоянна и меняется в зависимости от рН и некоторых других факторов среды, но может быть представлена в виде следующего ряда:

Hg>Pb>Cu>Ni>Co> Fe>Cd>Zn>Mn>Sr.

Вопрос о том, в каких условиях собственные соединения микроэлементов присутствуют в почвах, остается до сих пор открытым. Возможно, металлы находятся в почвах в виде самостоятельных твердофазных соединений (оксиды, карбонаты, фосфаты, сульфиды и др.), либо они не образуют отдельных твердых фаз осадков, а адсорбированы основными почвенными компонентами (минералами, гумусом, оксидами железа, марганца и алюминия). Только при содержании в почвах больших количеств ТМ, они будут осаждаться в виде самостоятельных твердофазных соединений.

Почвенно-климатические условия и методика исследования.

Объектом исследований закономерности распределения ТМ являлись образцы почв и зерновые культуры агробиоценозов Центрального Черноземья. Исследования проводили в 2000-2006 гг. и 2008-2009 гг.

При выполнении почвенного пробоотбора пользовались почвенной картой Курской области. Пробоотбор проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб», ГОСТ 17.4.4.02-84 «Почвы. Методы отбора и пробоподготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»

Рис. 1. Распределение земель Курской области по типам почв

В работе применен метод определения содержания подвижных форм ТМ атомно-абсорбционным спектрофотометрическим методом электротермической атомизации пробы применительно к прибору ААС ЭА «Квант-Z ЭТА», известные методики физических и химических анализов почвы. Химический эксперимент выполнялся на кафедре неорганической и аналитической химии КГСХА, а физико-химический в лабораториях Экспериментально-испытательного центра ГОУ ВПО КГУ и Испытательной лаборатории по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГУ ГСАС «Курская». По общепринятым формулам рассчитаны коэффициенты корреляции (r), стандартная ошибка коэффициента корреляции (Sr).

Обработка экспериментальных данных, расчеты, построение функциональных графических моделей, позволяющих оценить изменения в концентрациях ионов ТМ под воздействием ряда физико-химических факторов почв, выполнены с помощью программного обеспечения Excel 2000, StatSoft Statistica v 6.0 и Mathcad 2001i Professional.

Схема эксперимента включала в себя взятие почвенных проб агропедоценозов после скашивания зерновых культур.

Схема лабораторного эксперимента включала в себя довнесение различных доз ПДК ионов ТМ для каждого района пробоотбора различных типов почв.

Таблица 1 - Схема проведения лабораторного эксперимента

№ п/п	Вариант эксперимента	Концентрации вводимого стандартного раствора, содержащего ионы ТМ
		Ссо, мг/мл	СNi, мг/мл	СCd, мг/мл	СPb, мг/мл
1	Ссо<ПДК на 50%	2,5
2	Ссо<ПДК на 80%	4,0
3	Ссо=ПДК	5,0
4	Ссо>ПДК на 150%	7,5
5	Ссо>ПДК на 200%	10,0
6	СNi<ПДК на 50%		2,0
7	СNi<ПДК на 80%		3,2
8	СNi=ПДК		4,0
9	СNi>ПДК на 150%		6,0
10	СNi>ПДК на 200%		8,0
11	СCd<ПДК на 50%			0,5
12	СCd<ПДК на 80%			0,8
13	СCd=ПДК			1,0
14	СCd>ПДК на 150%			1,5
15	СCd>ПДК на 200%			2,0
16	СPb<ПДК на 50%				3,0
17	СPb<ПДК на 80%				4,8
18	СPb=ПДК				6,0
19	СPb>ПДК на 150%				9,0
20	СPb>ПДК на 200%				12,0

Для исследования фитотоксичности почв ЦЧ и реакций зерновых культур на загрязнение почв различными токсикантами (ТМ) использовали схему.

Таблица 2 - Схема проведения биотест исследований

№ п/п	Вариант эксперимента	Концентрации вводимого стандартного раствора, содержащего ионы ТМ
		Vсо, мл (Тр-ра=0,012 мг/мл)	VNi,мл (Тр-ра=0,012 мг/мл)	VCd, мл (Тр-ра=0,0224 мг/мл)	VPb, мл(Тр-ра=0,0414 мг/мл)
I. Почвы лесные темно-серые
0	Н2О(дист.)	-
1*	Спочв. выт.	-
1	Ссо=ПДК	4
2	Ссо>ПДК на 150%	6
3	Ссо>ПДК на 200%	8
4	СNi=ПДК		2,64
5	СNi>ПДК на 150%		3,96
6	СNi>ПДК на 200%		5,28
7	СCd=ПДК			0,44
8	СCd>ПДК на 150%			0,66
9	СCd>ПДК на 200%			0,88
10	СPb=ПДК				0,91
11	СPb>ПДК на 150%				1,37
12	СPb>ПДК на 200%				1,82
II. Почвы серые лесные
1*	Спочв. выт.	-
1	Ссо=ПДК	4
2	Ссо>ПДК на 150%	6
3	Ссо>ПДК на 200%	8
4	СNi=ПДК		2,56
5	СNi>ПДК на 150%		3,84
6	СNi>ПДК на 200%		5,12
7	СCd=ПДК			0,43
8	СCd>ПДК на 150%			0,65
9	СCd>ПДК на 200%			0,86
10	СPb=ПДК				1,26
11	СPb>ПДК на 150%				1,89
12	СPb>ПДК на 200%				2,52
III. Черноземы оподзоленные
1*	Спочв. выт.	-
1	Ссо=ПДК	3,99
2	Ссо>ПДК на 150%	5,99
3	Ссо>ПДК на 200%	7,98
4	СNi=ПДК		2,25
5	СNi>ПДК на 150%		3,38
6	СNi>ПДК на 200%		4,4
7	СCd=ПДК			0,43
8	СCd>ПДК на 150%			0.65
9	СCd>ПДК на 200%			0,86
10	СPb=ПДК				1,26
11	СPb>ПДК на 150%				1,89
12	СPb>ПДК на 200%				2,52
IV. Черноземы выщелоченные
1*	Спочв. выт.	-
1	Ссо=ПДК	3,98
2	Ссо>ПДК на 150%	5,97
3	Ссо>ПДК на 200%	7,96
4	СNi=ПДК		2,52
5	СNi>ПДК на 150%		3,78
6	СNi>ПДК на 200%		5,04
7	СCd=ПДК			0,43
8	СCd>ПДК на 150%			0.645
9	СCd>ПДК на 200%			0,860
10	СPb=ПДК				1,184
11	СPb>ПДК на 150%				1,776
12	СPb>ПДК на 200%				2,368
V. Типичные черноземы и типично-карбонатные
1*	Спочв. выт.	-
1	Ссо=ПДК	3.65
2	Ссо>ПДК на 150%	5,47
3	Ссо>ПДК на 200%	7,3
4	СNi=ПДК		3,27
5	СNi>ПДК на 150%		4,816
6	СNi>ПДК на 200%		6,42
7	СCd=ПДК			0,43
8	СCd>ПДК на 150%			0,65
9	СCd>ПДК на 200%			0,86
10	СPb=ПДК				1,13
11	СPb>ПДК на 150%				1,79
12	СPb>ПДК на 200%				2,38

Эксперимент закладывали в четырех кратной повторности.

Климат Курской области умеренно - континентальный. Коэффициент континентальности климата (К_к) варьирует от 155 до 165, возрастая с северо-запада на юго-восток. Сельскохозяйственная продуктивность климата (СПК) достигает 92 - 93 баллов на западе области и снижается до 77 - 78 на востоке. В области солнечное продолжительное лето сменяется относительно холодной зимой с устойчивым снежным покровом.

Рис. 2. Температура воздуха, осадки, направление ветра на территории Курской области.

Солнечная радиация является практически единственным источником тепловой энергии почти всех природных процессов. Лучистая энергия солнца доходит до земли в виде прямой и рассеянной радиации. В природе оба вида солнечной радиации действуют одновременно как суммарная радиация. Количество приходящей к земле радиации зависит от географической широты пункта, высоты солнца, облачности и прозрачности атмосферы. Широта пункта определяет продолжительность дня и соответственно возможную продолжительность дня и ночи для широты Курска. В день зимнего солнцестояния (22 декабря) продолжительность дня составляет 8 ч, а в день летнего солнцестояния (22 июня) - 17 ч.

Продолжительность солнечного сияния за год составляет 1793 часа. Средняя продолжительность за день с солнцем в среднем 6,9 часа, число дней без солнца - 108.

Приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет за год 4806 МДж/м², это возможный приход радиации при отсутствии облачности и в случае чистого атмосферного воздуха. Облачность уменьшает поступление прямой солнечной радиации примерно на 60 - 63 %, в результате на горизонтальную поверхность поступает обычно около 1890 МДж/м².

Доля рассеянной солнечной радиации возрастает с уменьшением высоты Солнца и уменьшением облачности. По расчетам, при безоблачном небе к земле должно поступить 1340 МДж/м² в год рассеянной солнечной радиации, обычно же облачность увеличивает ее долю до 2000 МДж/м² в год. В годовом ходе максимум суммарной радиации наблюдается в июне - 628 МДж/м², а минимум в декабре - 50 МДж/м². Радиационный баланс в Курске в сумме за год составляет 2700 МДж/м². В годовом ходе максимум радиационного баланса наблюдается в июне и составляет 344 МДж/м², минимум - в декабре - январе и составляет - 21 - 25 МДж/м² соответственно.

Курская область одна из наиболее благоприятных областей по условиям увлажнения. Примерно половина ее территории (северо-западная часть) имеет коэффициенты увлажнения (КУ), превышающие 1,0 (на крайнем северо-западе области - до 1,05 - 1,08). К юго-востоку и востоку увлажнение заметно ослабевает, КУ на границе с Белгородской областью снижаются до 0,90, на границе с Воронежской областью местами - до 0,85.Вероятность влажных лет - 30 - 40 %, полузасушливых - 25 - 35 %.

По количеству осадков территория области относится к зоне умеренного увлажнения. Среднее годовое количество осадков колеблется в пределах 558 - 634 мм. Две трети осадков (от годовой суммы) выпадает в жидком виде, а одна треть - в виде снега (табл. 3).

Таблица 3 - Норма осадков в мм по Курской области за 2004-2007 гг.

Станции	Месяцы	Сумма за год
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Фатеж	40	32	35	41	46	71	80	63	49	43	48	50	598
Курск	42	33	37	42	52	72	76	55	51	43	52	55	610

Рис. 3. Температура воздуха, осадки, направление ветра на территории Курской области

В зимний период образуется устойчивый снежный покров, продолжительность которого по многолетним данным составляет 123 дня, средняя высота к концу зимы составляет 22 - 28 см, наибольшая 63 - 65 см. Средняя плотность снежного покрова составляет 0,26 г/см³.

Запас воды в снежном покрове в среднем составляет 77 мм, наибольший запас составляет 188 мм, а наименьший - 23 мм. Мощный снежный покров предохраняет почву от промерзания. Наиболее быстрое таяние снега наблюдается на южных, юго-восточных и юго-западных склонах, которые сильнее прогреваются солнцем. Поэтому эрозия от талых вод проявляется особенно сильно на южных склонах.

Температура воздуха является одним из важнейших элементов климата. По теплообеспеченности область уступает большинству регионов зоны. В годовом ходе температуры выделяют 4 периода. Безморозный период определяется как период среднесуточных температур воздуха более 0 °С и длится 220 - 235 дней. Этот период начинается в конце марта и заканчивается в конце первой декады ноября.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Норма температуры в °С по Курской области за 2004^_2007 гг.

Однако за безморозный период чаще принято считать период от конца и начала заморозков, и он в Курской области составляет 145 - 160 дней. Вегетационный период, это период с температурой выше 5 °С (8...13.04 - 18...27.10), равняется 180 - 195 дням. Период активной вегетации, это период с температурой выше 10 °С (24...29.04 - 23...28.09), равняется 140 - 155 дней.

Средняя месячная температура воздуха самого теплого месяца июля колеблется в пределах от + 18,3 до 19,1 °С, а самого холодного месяца - января от -8,0 до - 9,3 °С. Многолетняя норма среднемесячных температур за год колеблется от + 5,1 до + 6,2 °С.

Ветровой режим мало меняется на территории области. В теплый период (апрель - сентябрь) преобладают северо-западные, западные и северо-восточные ветры, а в холодный период (октябрь - март) наряду с западными и юго-западными ветрами довольно часто наблюдаются и юго-восточные. В среднем за год преобладающим является западное направление ветра. Среднегодовая скорость ветра около 4,0 м/с. Число дней с сильным ветром более 15 м/с колеблется от 9 до 18 дней.

По теплообеспеченности и влагообеспеченности на территории Курской области можно выделить 2 агроклиматических района, которые отличаются друг от друга, как количеством выпадающих осадков, так и суммой среднесуточных температур выше 10 °С.

Агроклиматический район I - северная часть области, куда входят следующие административные районы: северная часть Хомутовского, Курского, Солнцевского, Льговского и Горшеченского, полностью входят Железногорский, Поныровский, Фатежский, Конышевский, Золотухинский, Щигровский, Черемисиновский, Советский и большая часть Тимского района.

Сумма среднесуточных температур (сумма активных температур) за период активной вегетации растений колеблется в пределах 2250 - 2325 °С. Сумма осадков за этот период составляет 280 - 300 мм. Гидротермический коэффициент 1,1 - 1,3 [173].

Агроклиматический район ЙЙ - вся остальная территория. Сумма среднесуточных температур за период активной вегетации растений колеблется в пределах 2400 - 2550 °С. Сумма осадков за этот период составляет 270 - 300 мм. Гидротермический коэффициент равен 1,1 - 1,3, что определяет слабозасушливые условия.

В первом агроклиматическом районе условия обеспечения сельскохозяйственных культур влагой более благоприятны, а обеспечения теплом менее благоприятны, чем во втором агроклиматическом районе.

Для сельского хозяйства области опасны поздние весенние и ранние осенние заморозки, приводящие к частичной или полной гибели растений. Степень опасности заморозка для растений различна и зависит от времени наступления интенсивности и длительности его, а также от культуры, сорта и состояния самого растения, причем пределы температуры при начале повреждения пропашных культур колеблются от 0 до - 4 °С, а для зерновых от - 1 до - 10 °С. Поздние весенние заморозки возможны в области до конца мая, а ранние осенние -- в середине сентября.

Частые оттепели зимой приводят к почти ежегодному образованию притертой ледяной корки. В среднем за многолетний период около 20 % посевов озимых культур покрываются ледяной коркой толщиной 6 - 8 мм на склонах северной и 2 - 3 мм на южной экспозиции.

К неблагоприятным метеорологическим явлениям, наносящим значительный ущерб сельскохозяйственному производству, относятся засухи и суховеи.

Суховеи средней интенсивности (при запасах продуктивной влаги в пахотном слое до 10 мм, а в метровом слое меньше 50 - 60 мм) в вегетационный период бывают почти ежегодно (95 - 100 %). Интенсивные суховеи продолжительностью 2 - 3, а иногда 3 - 9 дней бывают от 2 до 6 раз в 10 лет. Наиболее часто засухи и суховеи в области бывают в течение 1 - 2 дней и отмечаются в июне, июле, причем во втором агроклиматическом районе продолжительность их на 1 - 2 дня в месяц больше. Потребность растений во влаге в различные фазы развития различна. Наибольшая потребность наблюдается в период наиболее интенсивного роста вегетативной массы и формирования репродуктивных органов.

Количество продуктивной влаги, которую могут использовать растения, выражается в мм водного столба. В начале вегетации запасы продуктивной влаги на зяби в первом агроклиматическом районе области составляют 150 - 220 мм в метровом слое почвы, во втором 150 - 175 мм.

В течение лета запасы почвенной влаги постепенно убывают, доходя до минимума. В осенний период запасы влаги начинают постепенно расти, и при переходе температуры воздуха через + 5 °С составляют на озимых культурах 150 - 175 мм в западных районах и 100 - 125 мм на остальной части области, за исключением песчаных почв. В отдельные засушливые годы запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в вегетационный период могут понижаться до 50 - 100 мм.

Потребность озимых в воде за период от возобновления вегетации до созревания составляет 295 - 325 мм, яровой пшеницы 335 - 355 мм. Фактические ресурсы влаги за вегетационный период составляют 265.

Сопоставляя потребность культуры во влаге с фактическими ресурсами, получаем влагообеспеченность посевов (в процентах от оптимальной), которая для зерновых культур составляет 85 - 105 %.

Многолетний опыт земледелия территории области выработал средние многолетние сроки посева основных сельскохозяйственных культур.

Результаты исследований и обсуждение. Рассматриваются и обсуждаются результаты экспериментальных исследований.

Многие тяжелые металлы являются одновременно и микроэлементами и поэтому их избыток или недостаток приводит к снижению урожайности культурных растений, ухудшению качества сельскохозяйственной продукции. Поступление ТМ-микроэлементов осуществляется в системе почвы-растения-животные-человек. Проведение исследований на обширной территории Курской области было также обусловлено выявлением участков с повышенным содержанием микроэлементов в почвах, что дает возможность регулировать уровень их содержания в целях получения полноценной сельскохозяйственной продукции и исключения эндемических заболеваний животныхи человека.

По данным Черных, Милащенко, Ладонина в труде «Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами», (1999) ПДК подвижных форм Сd составляет 1,0 мг/кг, а Со, Ni, Pb соответственно 5,0, 4,0 и 6,0 мг/мл. Проанализировав экологическую ситуацию Курской области важно отметить, что за последние годы существенно изменились показатели кислотности почв, т.к. эффективность системы удобрений в условиях современного земледелия и направленность почвенных процессов существенно усилила подкисление почв и как результат этого повышение содержания ТМ в почвенном растворе в почвенных средах. Влиянию современного подкисления или вторичной кислотности подвержены все почвы Курской области, причем черноземы в большей степени, чем серые лесные почвы.

Во всех случаях пахотный горизонт, обладая специфическими признаками и свойствами (структура, сложение, окраска, биохимические свойства и др.), отличается от исходных генетических горизонтов особенно при высокой окультуренности (В.Д. Муха, 2004). Пахотный слой первым принимает на себя всю силу происходящих во внешней среде изменений и при этом наиболее активно изменяется адекватно новым условиям ландшафта, отражая особенности современного естественно-антропогенного или культурного почвообразования.

В морфологическом отношении пахотный слой представляет собой диагностический горизонт окультуренной почвы и имеет свой состав.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Содержание Cu (II), Zn(II), Mn (II) в серых лесных почвах Конышевского, Хомутовского, Дмитриевского, Поныровского, Рыльского, Железногорского и Фатежского районов Курской области.

Так, фоновое содержание тяжелых металлов в серых лесных почвах Курской области соответствует данным рисунка 4-9.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Содержание Pb(II), Co(II), Cd(II), Ni(II) в серых лесных почвах Конышевского, Хомутовского, Дмитриевского, Поныровского, Рыльского, Железногорского и Фатежского районов Курской области.

Почва имеет ведущее значение в образовании циклов миграции тяжелых металлов в биосфере. Именно почва является тем порталом, в котором происходит мобилизация металлов и образование различных миграционных форм. Значительная реакционная поверхность минерального вещества почвы, наличие почвенных растворов и органического вещества, в котором избирательно сосредоточены значительные их количества, насыщенность микроорганизмами, мезофауной и корнями высших растений создают сложнейшую систему трансформации соединений тяжелых металлов с органическим веществом.

Почва состоит из тонкодисперсных частиц, являющихся важнейшим фактором, регулирующим поступление ТМ в растения. Взаимодействие ТМ с органическим веществом идет по пути образования солей гумусовых кислот и вовлечения металлов в комплексные соединения. В результате взаимодействия ТМ с органическим веществом почв происходит образование малоподвижных комплексных соединений, которые соответственно малодоступны растениям. Т.о., происходит инактивация поступающих в почву токсичных ТМ. Поэтому уровень прочности связей «ТМ - органическое вещество» активно влияет на самоочищающую и саморегулирующую способность почв.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Содержание Cu (II), Zn(II), Mn (II) в серых лесных почвах Курского, Пристенского, Мантуровского, Медвенского, Черемисиновского, Советского, Касторенского, Льговского, Беловского, Большесолдатского, Коренского районов Курской области.

Помимо органического вещества в почве имеется минералогическая основа, которую составляют глинные высокодисперсные минералы, из которых наибольшее значение для обменных функций ППК составляют каолиниты, монтмориллониты и вермикулиты.

Важную роль в ионообменной поглотительной способности почв принадлежит высокодисперсным оксидным формам металлов. В глинистых фракциях они могут существовать, также как и коллоидно-дисперсные формы кремнезема, в аморфном и окристаллизованном состояниях.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Содержание Pb(II), Co(II), Cd(II), Ni(II) в серых лесных почвах Курского, Пристенского, Мантуровского, Медвенского, Черемисиновского, Советского, Касторенского, Льговского, Беловского, Большесолдатского, Коренского районов Курской области

При совместной коагуляции коллоидные оксиды железа и кремния образуют коагели lSiO₂mFe₂O₃nAl₂O₃, состав и свойства которых зависят от условий почвообразования: коагели кислых почв обогащены SiO₂, нейтральных - оксидами Fe и Al. От содержания кремнезема и полуторных окислов зависят величины ЕКО и ЕАО. Помимо перечисленных минеральных компонентов, в почвах идентифицированы кислородсодержащие соединения: железа, алюминия, кремния, титана.

Органическая часть ППК представлена, главным образом, гумусовыми веществами, промежуточными продуктами разложения органических веществ и неспецифическими соединениями различного характера. Состав органического вещества почв, структура его важнейших компонентов наиболее полно рассмотрены в работах Д.С. Орлова.

Необходимо отметить, что ППК с точки зрения почвоведения, не смотря на всю свою сложность, рассматривался как обычный однородный ионообменник, характеризующийся определенными значениями ЕКО, ЕАО и селективности обмена. Значение ЕКО часто используют в качестве одного из показателей принадлежности почв к тому или иному генетическому типу, а значения констант обмена или адсорбции - главным образом при моделировании явлений имеющих геохимическое или практическое значение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Содержание Cu (II), Zn(II), Mn (II) в серых лесных почвах Тимского, Солнцевского, Обоянского, Горшеченского, Щигровского, Золотухинского, Глушковского, Курчатовского, Суджанского, Октябрьского районов Курской области.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Содержание Pb(II), Co(II), Cd(II), Ni(II)в серых лесных почвах Тимского, Солнцевского, Обоянского, Горшеченского, Щигровского, Золотухинского, Глушковского, Курчатовского, Суджанского, Октябрьского районов Курской области.

При мониторинге загрязнения почв тяжелыми металлами наиболее широко используются системы последовательного химического фракционирования. В настоящее время принцип селективности реагентов по отношению к конкретным фазам-носителям ТМ заменяется наиболее общим принципом действия.

Взаимосвязь ТМ и химических свойств почв разносторонняя. Выявлена зависимость поглощения ТМ от состава и свойств почв. В свою очередь поглощение метала почвами сопровождается изменением рН среды, питательного режима, состояния микробиоценоза и биологической активностью почв. Особое значение придается участию органического вещества в этих процессах. Однако нередко поглотительная способность почвенных органических веществ в отношении металлов оценивается либо на основе удерживания металлов отдельными препаратами органических веществ, выделенных из почв, либо на основе сопоставления количеств металлов, поглощенных почвами, различающимися по содержанию и по качеству органических веществ. При этом принимается во внимание эффект совместного действия различных металлов (синергизм и антагонизм). Однако последствия загрязнения определяются не только концентрацией металлов, но и их сочетанием и соотношением.

Эксперименты проведены на основе вегетационного опыта, в котором использовали образец верхнего слоя почвы (0-20 см).

Был определен ряд показателей гумусного состояния исследуемых почв. Общее содержание С_орг определено по бихроматной окисляемости по Тюрину, Н и С определены в быстром токе кислорода на анализаторе [3] с последующим расчетом их атомных отношений, С_гк и С_фк - методом Тюрина в модификации Пономаревой-Плотниковой [4].

При искусственном загрязнении проб серых лесных почв ТМ. Полученный разброс данных по каждому варианту опыта составляет около 10 % и свидетельствует об удовлетворительной воспроизводимости условий постановки эксперимента в исследуемых вариантах. Выявлена разная степень увеличения содержания отдельных элементов. При такой дозе внесения элемента общее содержание ТМ увеличилось по сравнению с исходным в 6-8 раз.

В загрязненных почвах увеличилась подвижность ионов металлов. В контрольном варианте доля подвижных соединений составляет 1-4 % от общего содержания металла. Т.е., почти на 96-99 % металла прочно закреплены почвенными компонентами. При увеличении уровня нагрузки наблюдается последовательное уменьшение относительного содержания прочно связанных форм и повышение доли потенциально подвижных соединений металлов. При внесении металла содержание его составляет 12-18%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Зависимость распределения ионов подвижных форм ТМ в окультуренном слое серых лесных почв.

Состояние микрокомпонентов в гетерогенных системах, можно выразить с помощью химического потенциала растворенных веществ. При Р=const и Т= const уравнение изотермы распределения микрокомпонента в гетерогенной системе «твердая фаза-жидкость» имеет следующий вид [2]:

, , , (1)

где К - константа распределения, и выражается следующим образом

;

- молярная концентрация компонентов в твердой фазе, - молярная концентрация компонентов в жидкой фазе,- значение химического потенциала твердой фазы (осадка почвенного раствора),- значение химического потенциала жидкой фазы, С = 1 моль/л, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура.

Уравнение (1) можно рассматривать как уравнение изотермы распределения микрокомпонента в гетерогенной системе «твердая фаза-жидкость» и оно справедливо для гетерогенной системы, состоящей из двух и более несмешивающихся жидкостей. Физический смысл уравнения (1) заключается в том, что при постоянных значениях температуры и давлении в гетерогенной системе микрокомпонент в обеих фазах находится состоянии термодинамического равновесия и между ними соблюдается прямая зависимость.

Константа же распределения (К) является характеристической постоянной величиной для иона-микрокомпонента в гетерогенной системе. Конечно, в сложных гетерогенных системах, характеризующихся многообразием механизмов, микрокомпоненты е всегда образуют с осадком истинные растворы, следовательно, не всегда достигается истинное термодинамическое равновесие. В этих случаях может происходить самопроизвольное перерастворение, перекристаллизация и в конце концов достигается истинное термодинамическое равновесие. В таком случае уравнение (1) соблюдается.

Из уравнения (1) вытекает следствие, установленное Л. Гендерсоном и Ф. Кречеком [3]:

[2]

Используя (1) и (2) получаем:

, [3]

где D - коэффициент кристаллизации (или соосаждения), а - масса микрокомпонента в системе, в - масса макрокомпонента в системе, х - масса микрокомпонента осадке, у - масса макрокомпонента в осадке, - объем твердой фазы (осадка), - объем жидкой фазы, - масса осадка,- его плотность,- концентрация макрокомпонента в растворе.

Из уравнения [3] можно устанавливать связь между константой распределения (К) и коэффициентом кристаллизации (D):

[4]

Для твердой фазы отношение определяется стехиометрическим соотношением массы макрокомпонента к массе всего осадка и является величиной постоянной. Плотность осадка () и концентрация макрокомпонента () для гетерогенной системы «осадок -раствор» - также величина постоянная.

Уравнение (2) называют уравнением Хлопина, так как В.Г. Хлопин применил его к процессам соосаждения, а коэффициент D выражает соотношение масс микрокомпонента и макрокомпонента в осадке и в равновесном растворе. Если D1, то микрокомпонент больше концентрируется в осадке, чем в растворе. Если D=1, то масса микрокомпонента и макрокомпонента в осадке в осадке и растворе равны. Если D1, то микрокомпонент больше концентрируется в растворе, чем в осадке. Т.о., при D1 микрокомпонент поглощается осадком-осадка сорбция, а готовый осадок выполняет роль сорбента.

Из уравнения (1) модно получить так называемую «сорбционную форму» уравнения изотермы распределения микрокомпонента:

;;;;; (5)

где S - масса микрокомпонента, приходящаяся на единицу массы осадка, - концентрация микрокомпонента в растворе, - коэффициент распределения (или константа сорбции),Х - масса микрокомпонента в осадке,- масса осадка,- его плотность.

Н межфазное распределение микрокомпонента в процессе сорбции существенное влияние оказывает химический состав анализируемой системы [4]. Т.о., с помощью уравнений (1-3) можно произвести описание различными формами линейных изотерм гетерогенного распределения микрокомпонента и установить количественную связь между константами этих уравнений: термодинамической константой распределения, коэффициентом соосаждения и коэффициентом сорбции.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Зависимость распределения ионов подвижных форм ТМ в окультуренном слое серых лесных почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Зависимость содержания кадмия в черноземе типичном от различных концентраций вносимых ТМ в пределах 2 ПДК на примере почв Алехинского заповедника.

Для чернозема типичного характерно значительное увеличение содержания монтмориллонита под воздействием сельс...