Комплексная оценка фиторемедиационной способности ряда сельскохозяйственных культур для восстановления загрязненных тяжелыми металлами почв

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Комплексная оценка фиторемедиационной способности ряда сельскохозяйственных культур для восстановления загрязненных тяжелыми металлами почв

Введение

Объект исследования: технические культуры рапса, проса и льна в процессе роста на почвах, загрязненных свинцом и кадмием.

Целью настоящего проекта является изучение возможности использования сельскохозяйственных культур в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами в качестве фитоэкстрактора или фитостабилизатора.

В процессе работы применен методрентгенофлуоресцентного анализа (РФА), который позволяет анализировать содержание различных химических элементов от серы до урана в образцах различной природы (почвы, растений). Данный метод позволяет проводить анализ образцов без сложной и длительной пробоподготовки за одно измерение.

В ходе работы были составлены модельные системы по тяжелым металлам (ТМ) «почва-свинец», «почва-кадмий», «почва-кадмий-свинец» в пределах 1 ПДК и 2-3 ПДК для выращивания рапса, проса и льна. Также были определены валовые концентрации химических элементов в созданных модельных системах до выращивания культур.

В результате выполнения работы предложен один из возможных путей удаления тяжелых металлов из загрязненных почв, контроля экологической безопасности почвенного покрова, а также возможность оценки фиторемедиационной способности растений.

Представлена количественная оценка содержания микро- и макроэлементов в дерново-подзолистой почве, а также в модельных композициях на ее основе. Проведены стендовые исследования по выращиванию ярового рапса, проса и льна на предложенных смесях. Показано, что различные концентрации кадмия и свинца оказывают различное влияние на всхожесть семян и динамику роста растений. Увеличение концентрации тяжелых металлов в почве снижает процент всхожести семян. Всхожесть семян на чистой дерново-подзолистой почве самая высокая - 80 %. Проведена оценка степени экологической безопасности почв до и после выращивания ярового рапса, проса и льна. В некоторых случаях выращивание технического рапса, льна и проса позволило снизить суммарный показатель загрязнения почвы в 3,1 раза. Показано, что при выращиваниитехнических культурметаллы интенсивно поглощаются и в значительной степени накапливаются в надземных органах растений, после уборки фитомассызначительно снижается уровень опасности загрязнения почвы. Таким образом, вынос химических элементов из почвы с техническими культурами способствует ее самоочищению.

Зарегистрирован информационный ресурс «Сельскохозяйственные культуры для восстановления загрязненных тяжелыми металлами почв» в научно-инженерном республиканском унитарном предприятии «Институт прикладных программных систем». Регистрационное свидетельство № 4341815691 от 04.06.2018.

Полученные результаты исследования дадут возможность расширить спектр оптимальных культур для фиторемедиации почв, загрязненных свинцом и кадмием.

Важную барьерную роль на пути миграции химических элементов, кроме почвенного покрова, выполняют различные с/х культуры и растения. Растительный покров, накапливая в своих органах полютанты, выводит избыточные массы металлов из миграционного потока в депонирующие среды. Поэтому химический анализ почвенного и растительного покрова является основной частью биогеохимических исследований агроэкосистем. Создание устойчивых агросоциокомплексов предполагает получение качественной сельскохозяйственной продукции при условии минимизации антропогенного воздействия на окружающую природную среду, и прежде всего - почву, на которую значительную антропогенную нагрузку оказывает загрязнение тяжелыми металлами. Все это позволит создать условия для безопасной жизнедеятельности и строго регламентировать выращивание с/х культур разного назначения, а также проводить работы по дезактивации почв ипослужит основой для биомониторинга и фиторемедиации нарушенных экосистем.

Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, развитие транспорта и активизация добычи полезных ископаемых неизбежно приводят к загрязнению природных экосистем тяжелыми металлами. При этом одним из основных объектов загрязнения является почва. В результате загрязнения снижается качество почв и ценность сельскохозяйственных угодий. Одним из наиболее серьезных аспектов этой проблемы является то, что поступившие в почву тяжелые металлы и продукты их трансформации поглощаются растениями и накапливаются в них в концентрациях, опасных для здоровья человека и животных.

В настоящее время в индустриально развитых странах активно развиваются экономичные и мягкие технологии ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, в основе которых лежит способность специально подобранных видов высших растений и ассоциированной с ними микробиоты поглощать и аккумулировать в своей биомассе тяжелые металлы в количествах, значительно превышающих их содержание в среде произрастания.

Впоследствии загрязненная биомасса удаляется и утилизируется. В настоящее время в мире идентифицировано около 400 видов растений-гипераккумуляторов различных металлов из 22 семейств, использование которых в качестве фиторемедиантов вызывает у исследователей большой интерес.

В области фиторемедиации работают научные коллективы во многих странах мира, в том числе России. В работахЧерных H.A., Минеева В.Г., Буравцева В.Н., Крыловой Н.П., Постникова Д.А., Мальцева В.Г., Павловской В.А., Brooks R., Ghosh М. и др. изложены основы фиторемедиации и изучена фиторемедиационная способность ряда растений. Вместе с тем, при изучении процессов фиторемедиации затрагивается большой круг вопросов, касающихся поведения тяжелых металлов в системе почва-растение, что усиливает актуальность исследований по данной тематике[1-10].

Таким образом, предложенная тематика является актуальной и вписывается в международные тенденции охраны окружающей среды.

1. Литературный обзор

1.1 Почва как депонирующая среда техногенных загрязнителей

Почва-это весьма специфический компонент биосферы, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшая судьба зависит от ее химических и физических свойств. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы. Хорошо известна глобально-экологическая роль почвы как природного фильтра для разного рода техногенных загрязнителей, среди которых особое место занимают тяжелые металлы (Аржанова, 1977; Алексеев, 1987; Ильин, 1991). Почвы, в силу своих природных свойств, способны накапливать значительные количества загрязняющих веществ[11-12]. Известно большое число примеров прямых антропогенных, а также опосредованных человеком воздействий окружающей среды на почву, способствующих ее загрязнению. Будучи частью всех наземных экосистем, почва активно участвует во многих важных процессах преобразования веществ. Когда происходит количественное изменение долгое время державшихся на одном уровне факторов окружающей среды или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву, могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменят систему ценотических взаимоотношений между ними. Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы: I класс (высоко опасные) - As, Cd, Hg, Se, Pb, F, бенз(а)пирен, Zn; II класс (умеренно опасные) - B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr; III класс (мало опасные) - Ba, V, W, Mn, Sr, ацетофенон. Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и по территориальному размаху явлениями, среди которых:

– широкомасштабное территориальное (глобальное) загрязнение почвы, вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, не поддающихся более детальной идентификации

– территориально ограниченное загрязнение, причиной которого является в большинстве случаев более или менее известное небольшое число ограниченных по своему территориальному влиянию источников

– локальное узкоограниченное загрязнение почвы с кратко- или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы [13-19].

1.2 Фиторемедиационные способности сельскохозяйственных культур

Ранее проведена оценка фиторемедиационной способности зерновых культур (овес, яровой и озимый ячмень, озимая пшеница, тритикале, просо) к загрязнению почвы тяжелыми металлами по коэффициентам биологического поглощения и транслокации. Установлено, что только просо можно использовать для фитостабилизации почвы.

Кроме того, остается актуальным вопросом пригодность выбранной территории для безопасной жизнедеятельности населения, ведь, например, в Украине под обустройство агросоциокомплексов, как правило, отводят земли подверженные сильному антропогенному воздействию с уровнем техногенной нагрузки по тяжелым металлам в 1,5-3,0 ПДК, что соответствует слабому и среднему уровням загрязнения по В.Б. Ильину (1995). Поэтому возникает необходимость в подборе сельскохозяйственных культур устойчивых к загрязнению тяжелыми металлами. Следует отметить, что в условиях низкого и среднего уровня загрязнения важное значение приобретает фитостабилизация - выращивание культур, которые не выносят токсиканты из почвы и, соответственно, не накапливают их в своей биомассе. При высоком уровне загрязнения используют фитоэкстракцию - очистку почвы за счет поглощения катионов тяжелых металлов корневой системой с последующим накоплением их в надземной части растений. Наиболее перспективными фитоэкстракторами будут являться растения с высокими значениями коэффициентов биологического поглощения и транслокации, а также базипетальным распределением химических элементов по органам, в то время как основным требованием фитостабилизации является акропетальное распределение токсикантов, что при наличии высокого геохимического барьера и защитных механизмов самого растения позволит получатькачественную продукцию растениеводства, соответствующую санитарно-гигиеническим нормам с содержанием тяжелых металлов в товарной части впределах ПДК. Однако, известно, что степень толерантности к тяжелым металлам сильно варьирует не только у разных сельскохозяйственных культур, но даже по сортам в пределах отдельно взятой культуры.

Анализ фиторемедиационной способности по отношению к тяжелым металлам был проведен у зерновых (овес, яровой и озимый ячмень, озимая пшеница, тритикале, просо), как наиболее распространенных культур. Микрополевые опыты проводили в пятипольном зернопаропропашном севообороте с уровнем техногенной нагрузки в 5 ПДК по Cd, Pb и Zn, которые вносили в почву в виде водных растворов нитратных солей весной под предпосевную культивацию. Также в различных регионах проводилась оценка способности к фиторемедиации рапса [20-34].

1.3 Коэффициент биологического поглощения

Для оценки фиторемедиационного потенциала сельскохозяйственных культур определяли коэффициент биологического поглощения, который рассчитывали, как отношение содержания тяжелого металла в растении к его валовому содержанию в почве, и транслокационный коэффициент - отношение содержания тяжелого металла в надземной части к его содержанию в корневой системе, что показывает распределение токсиканта по органам растения. Согласно классификации W.J. Fitz иW.W. Wenzel (2002) интерес для фитоэкстракции представляют растения, у которых эти коэффициенты выше единицы. Напротив, для фитостабилизации следует выбирать сильныедеконцентраторы по А.Л. Ковалевскому (1973).

Как показали результаты исследований, коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов из почвы у выше перечисленных культур увеличивался в ряде: «просо < озимые зерновые < яровые зерновые». Высокоурожайные сорта, хорошо отзывчивые на повышение уровня минерального питания, были более чувствительны и к токсическому действию тяжелых металлов, что отражалось на морфо-биологических показателях и проявлялось в виде более интенсивного накопления их в товарной части [35-47].

1.4 Особенности выращивания рапса

25 % территории РБ загрязнено радионуклидами, тяжелыми металлами и, как следствие, исключено из с/х оборота. Показано, что рапс наиболее перспективная культура для выращивания в РБ, которая не боится загрязненных радионуклидами и тяжелыми металлами почв. Согласно предварительным данным, выведенные ранее из сельхозоборота земли, потенциально могут быть использованы в качестве угодий для выращивания сырья, используемого при производстве биотоплива, в частности, на основе технического рапса. Кроме того, Республика сможет получить значительную экономическую выгоду, поскольку производственных мощностей Беларуси будет достаточно не только для «закрытия» внутреннего потребления, но и для потенциального экспорта излишков биотоплива в страны ЕС[48-49].

Избыточное содержание тяжелых металлов в почвах отрицательно сказывается на росте и развитии сельскохозяйственных растений, ухудшает качество продукции. Последнее происходит главным образом не за счет изменения химического состава, а в результате избыточного накопления тяжелых металлов. Между содержанием тяжелых металлов в почве и выращиваемой на ней культуре существует прямая, но далеко не адекватная связь: и на сильнозагрязненной, но обладающей высокими защитными способностями почве, возможно получение гигиенически приемлемого урожая.

При избыточном поступлении тяжелых металлов через корни в растения работают защитные механизмы неспецифической природы. Они ограничивают проникновение тяжелых металлов в надземные органы, в метаболические центры клеток. По отношению к различным тяжелым металлам защитные возможности растения проявляются неодинаково: свинец в основном задерживается уже в корнях, цезий сравнительно легко проникает в надземные органы [50-52].

1.5 Особенности выращивания льна

В целом по республике площадь почв, пригодных под лен, составляет 28,1% от общей площади пахотных земель. По областям она колеблется от 38,9 % -37,9% в Гродненской и Могилевской до 8,0 %-8,7 % в Брестской и Гомельской, по районам - от 40 % -50% во многих районах Гродненской, Могилевской, Витебской и Минской областей до практически полного отсутствия в большинстве районов Брестской и Гомельской областей. Культивированию льна в Беларуси планируют уделить большое внимание, а в ближайшее время будет разработана программа по комплексному развитию льноводческой отрасли Беларуси и России. Для Беларуси лен - стратегический продукт. Производство сырья и готовых льняных изделий экономически эффективно и сравнимо по доходности с выращиванием сахарной свеклы, поэтому развитию отрасли уделяется особое внимание, отметил М.Русый. Принято решение с целью обеспечения льноводов страны собственными семенами создать в регионах шесть центров льноводства, и один из них - в Институте льна НАН. в 2018-2019 годах все они должны начать работать, чтобы обеспечить потребности внутреннего рынка и экспортировать льносемена [53].

1.6 Особенности выращивания проса

Просо - одна из основных крупяных культур в мире. Этот яровой злак ценится за высокие вкусовые качества зерна (пшенной крупы).Культура имеет стебли манжетной формы с большим количеством узлов, разветвляющихся от корня. Соцветие метельчатое, каждый колосок располагает двумя цветками - двуполый и бесполый. Колос растения с одной стороны выпуклый, с другой - приплюснутый. Плодами растения является зерно круглой или продолговатой формы. Оно засухоустойчиво, является культурой короткого светового дня, отличается быстрой вегетацией. Благодаря этим свойствам на юге России его часто высевают как пожнивную культуру (промежуточную культуру, которая возделывается после уборки другого вида зерновых в этом же году). Выращивание проса выгодно в тех районах, где другие зерновые страдают от засухи. Просо жаростойко, формирует хороший урожай даже при высоких температурах. Этот злак является страховой культурой: даже в наиболее неблагоприятные годы он дает урожайность от 10 ц/га. Если же соблюдены приемы агротехники, густота посева оптимальная, то урожайность составит 15-17 ц/га.

Селекционная работа по созданию сортов проса в Беларуси начата в 2000 году. В итоге созданы и включены в госреестр 13 отечественных сортов проса для производства пшена, зернофуража и зеленых кормов. Потенциальная урожайность белорусских сортов проса достигает 69 ц/га зерна и 188 ц/га сухого вещества.

Просо возделывают надерново-подзолистых суглинистых и супесчаных почвах, а также на низинных старопахотных торфяниках. Оптимальные агротехнические показатели: рН = 5,5-7,0, содержание гумуса - не менее 1,6 %, доступного фосфора и обменного калия - не менее 150 мг/кг почвы[54-57].

1.7 Биоаккумуляция химических элементов

Несмотря на существенную изменчивость в способности различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию. Так, например, по степени накопления выделяется несколько групп элементов:

1) Cd, Cs, Rb - поглощаются легко,

2) Zn, Mo, Сu, Pb, Ag, As, Co - средняя степень поглощения,

3) Mn, Ni, Li,Cr, Be, Sb - слабо поглощаются,

4) Se, Fe, Zn, Ba, Те - трудно доступны растениям.

Необходимо отметить, что в процессе вегетации во всех наземных органах растений содержание тяжелых металлов снижается к моменту созревания не менее чем в два раза. Возможно, это результат «ростового разбавления», т. е. снижение концентрации элементов за счет нарастания биомассы и оттока элементов в подземные органы, особенно у многолетников[58-59].

Выделяют три типа взаимодействия тяжелых металлов, макро- и микроэлементов при поглощении их растениями:

а) антагонистическое, связанное, в основном, с внесением кальция на подвижность ТМ;

б) синергическое, которое устойчиво проявляется в дуэтах цинк-медь, кадмий-калий;

в) комплексное, которое состоит в том, что негативный эффект одного-двух элементов усиливается за счет их суммарного взаимодействия. При комплексном воздействии токсичность тяжелых металлов возрастает, поэтому величина допустимого интервала должна сокращаться для каждого рассматриваемого элемента на 20 % - 30 %.

Для более объективной оценки влияния тяжелых металлов в условиях агроценоза вводится несколько дополнительных показателей:

– коэффициент экологической безопасности;

– коэффициент подвижности тяжелых металлов в почвах;

– «цинковый эквивалент».

1.8 Коэффициент экологической безопасности (КЭБ)

Коэффициент экологической безопасности (КЭБ) - это отношение показателя ПДК для почвы к валовому содержанию металла в этой почве.

Коэффициент экологической безопасности всегда выше на легких по гранулометрическому составу почвах и почвах с малой буферной способностью. Авторы считают, что коэффициент экологической безопасности должен составлять для дерново-подзолистых, серых лесных почв ПДК/Стм> 2,0. Если такое условие не удовлетворяется, то нельзя гарантировать получение чистой продукции. Определение коэффициента подвижности ТМ в различных типах почв дает реальное представление о его миграционной способности в пределах сельскохозяйственных угодий и предложен на основе всесторонних мониторинговых определений. ПДК свинца для почвы - 30,0мг/кг, показатель транслокационный - 35,0.

Для кадмия ОДК - 0,5-2,0мг/кг.

Для свинца ОДК_32-130мг/кг.

В обоих случаях класс опасности -первый [60-68].

Целью работы является изучение возможности использования сельскохозяйственных культур в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами в качестве фитоэкстрактора или фитостабилизатора.

2. Материалы и методы исследования

2.1 Характеристика объекта исследования, пробоотбор и пробоподготовка

Были созданы почвенные композиции на основе дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы с добавлением солей тяжелых металлов: сульфата кадмия и азотнокислого свинца в различных соотношениях 1 ПДК и 2-3 ПДК.

1) Почва 100 % + ил 0 % (2 образца)

2) Почва 90 % + 1ПДК кадмия % (3 образца)

3) Почва 90 % + 1 ПДК свинца(3 образца)

4) Почва 90%+1 ПДК кадмия и свинца (3 образца)

Итого было создано 12 образцов для дальнейших стендовых наблюдений.

Далее были подготовлены по три емкости с каждой из предложенных выше почвенных композиций - всего 36. Каждая емкость имела объем 1,14 дм3. Площадь для посева соответственно равна 0,143 м2.

Для учета общего накопления тяжелых металлов в растениях в системе «почва-растение» был выбран яровой рапс, просо и лен. Нормы высева для данной культуры снижены до 80 семян на 1 м2, таким образом, в каждую подготовленную емкость было посеяно по 9 семян, так как более плотный посев мог привести к вытягиванию и ослаблению наземной части растений.

1) Почва 100 % + 0 % (3 образца)

2) Почва 90 % + 2-3ПДК кадмия (3 образца)

3) Почва 90 % + 2-3 ПДК свинца (3 образца)

4) Почва 90%+2-3 ПДК кадмия и свинца (3 образца)

Из каждой композиции были отобраны пробы почвы для дальнейшей пробоподготовкии исследования методом РФА по методике МВИ. МН 4092.2011. Взятую для анализа почву доводили до воздушно-сухого состояния, для этого рассыпали ее тонким слоем на большом листе бумаги, удалили корни, растительные остатки, затем почву оставили на три дня в сухом помещении, не содержащем в воздухе паров кислот и газов, не допуская попадания на нее прямых солнечных лучей.

Почвенные образцы измельчались и просеивались через сито с размером ячейки в 1 мм. Почву, не прошедшую через сито, вновь измельчали в ступке и просеивали.

Указанную навеску (0,3000 г ± 0,0001 г) почвенных композиций, обрабатывали раствором для формирования таблетки, и затем помещали в пресс-форму. Прессовали при давлении 5-7 тонн в таблетки диаметром 10 мм, которые помещались в пакеты из кальки, маркировались и в дальнейшем анализировались на содержание микроэлементов методом рентгенофлуоресцентного анализа на приборе марки РФА-СЕР-01 производства фирмы ElvaX (Украина) с использованием методики выполнения измерений МВИ. МН4092-2011, утвержденной Белорусским государственным институтом метрологии.

2.2 Характеристика методов исследования

Рентгенофлуоресцентный метод определения содержания химических элементов

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) является одним из множества современных физико-химических методов измерений и широко используется для качественного, полуколичественного и количественного определения элементного состава веществ. Метод РФА основан на измерении энергий (длин волн в спектрометрах с волновой дисперсией) и интенсивностей спектральных линий, эмитированных при вторичной рентгеновской эмиссии. Первичный поток квантов от рентгеновской трубки облучает образец, заставляя каждый элемент этого образца испускать вторичные рентгеновские кванты, которые имеют свойственный лишь этому элементу набор энергий (основа для качественного определения состава) и интенсивность потока вторичного выхода, зависящую от содержания этого элемента в пробе (основа для количественного анализа). Главной задачей количественного РФА является вычисление содержания измеряемого элемента из интенсивностей спектральных линий (аналитических сигналов) всех элементов образца. Эта аналитическая зависимость усложнена влиянием матричных эффектов, т.е. поглощением, или, наоборот, усилением характеристической вторичной эмиссии измеряемого элемента другими элементами матрицы. Суть анализа заключается в разложении исследуемого рентгеновского спектра на спектральные модели чистых элементов, при этом параметры моделей позволяют судить об интенсивности спектральных линий, а те в свою очередь позволяют вычислить концентрации элементов [60-64].Спектрометр ElvaX позволяет определить элементы от серы (атомный номер 16) до урана (атомный номер 92). Время измерения пробы составляет 5-10 мин. Допустимая погрешность до 30%.

Оценка опасности загрязнения почвы химическими элементами

Уровень химического загрязнения почвенных композиций находили путем сопоставления содержания валовых форм химических элементов в загрязненной почве с установленными в Республике Беларусь предельно допустимыми и ориентировочно допустимыми концентрациями (ПДК и ОДК соответственно). Кроме того, полученные концентрации сравнивались с кларковыми значениями, характерными для почв региона исследований. Для интегральной оценки загрязнения почвенных композиций химическими элементами был использован суммарный показатель загрязнения Zc, который рассчитывается по формуле 1:

сельскохозяйственный фиторемедиационный почвенный

(1)

где Zс - суммарный показатель кратности превышения норматива ПДК/ОДК или значения фоновой концентрации (при отсутствии установленного норматива ПДК/ОДК);

Кс - коэффициент, рассчитанный как отношение содержания химического вещества в землях, на исследуемой территории к нормативу ПДК/ОДК, при его отсутствии - к значению фоновой концентрации;

n - число учитываемых химических веществ, концентрация которых превышает нормативы ПДК/ОДК или значение фоновой концентрации.

Коэффициент концентрации химического вещества (Кс) определяется отнесением его реального содержания в почве (С) к его ПДК/ОДК или значению фоновой концентрации (Сф) (при отсутствии установленного норматива ПДК/ОДК) (формула 2):

Кс = С / ПДК / ОДК(Сф). (2)

Степень опасности загрязнения почвенных композиций оценивалась по четырехступенчатой шкале:

– допустимая - < 16 единиц;

– умеренно опасная - 16-32 единицы;

– опасная - 32-128 единиц;

– чрезвычайно опасная - > 128 единиц.

Интенсивность биологического поглощения элементов, их потенциальная доступность, оценивалась с помощью коэффициента биологического накопления
(формула 3):

(3)

где Ср - содержание элемента в золе растений;

Сп - валовое содержание элемента в почве.

Величина биологического поглощения определялась по градации (таблица 1), предложенной А.И. Перельманом.

Таблица 1 - Шкала оценки интенсивности накопления элементов по величине КБП (Перельман, Касимов, 1999)

Величина биологического поглощения	Значение КБП
Энергично накопляемые	10-100
Сильно накопляемые	1-10
Слабого накопления или среднего захвата	0,1-1,0
Слабого захвата	0,01-0,1
Очень слабого захвата	0,001-0,01

3. Результаты и обсуждения

3.1 Валовое содержание химических элементов в исходных почвенных композициях

Важным показателем загрязнения почв является валовое содержание химических элементов, которое характеризует степень опасности загрязнения почвы и позволяет осуществлять контроль над загрязнением. При проведении количественного анализа исследуемых почвенных композиций в качестве удобрения было выявлено, что во всех образцах содержится 13 химических элементов, представляющих наибольшую экологическую опасность: As, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Ti, Zn, Zr(согласно Директиве 86/278/ЕЕС от 12 июня 1986 г.).

Кадмий (Cd). Кларк кадмия в земной коре составляет 0,13 мг/кг, средняя фоновая концентрация для Республики Беларусь - 0,1 мг/кг. ПДК в почве Cd составляет 0,5 мг/кг. Основная зона концентрации кадмия - это верхний двадцатисантиметровый слой почвы.

В окружающую среду кадмий чаще всего поступает со стоками горнодобывающей, обогатительной и электролизной промышленностей, в твердых отходах и стоках предприятий, перерабатывающих бумажную массу, бывшую в употреблении, газеты и другую макулатуру для изготовления из нее упаковочного картона, а также при использовании фосфатных удобрений. Последнее приводит к широкому распространению кадмия и загрязнению им окружающей среды в глобальном масштабе.

Свинец (Pb). Кларк свинца в почвах мира составляет 10 мг/кг, а среднее содержание в почвах Республики Беларусь - 12 мг/кг. Уровень ПДК по свинцу для почв равен 32,0 мг/кг. К основным источникам загрязнения почв свинцом относится автотранспорт из-за применения тетраэтилсвинца как антидетонатора в моторном топливе и цветная металлургия, при этом 11% от общих выбросов свинца - это производство железа, стали, ферросплавов, а также в результате поступления соединений свинца с других территорий.

Создание устойчивых агросоциокомплексов предполагает получение качественной сельскохозяйственной продукции при условии минимизации антропогенного воздействия на окружающую природную среду, и прежде всего - почву,на которую значительную антропогенную нагрузку оказывает загрязнение тяжелыми металлами. Кроме того остается актуальным вопросом пригодность выбранной территории для безопасной жизнедеятельности населения, ведь в РБ под обустройство агросоциокомплексов, как правило, отводят земли подверженные сильному антропогенному воздействию с уровнем техногенной нагрузки по тяжелым металлам в до3,0 ПДК, что соответствует слабому и среднему уровням загрязнения. Поэтому возникает необходимость в подборе сельскохозяйственных культур устойчивых к загрязнению тяжелыми металлами.

В почвенных композициях определены химические элементы 30 наименований.

Условно чистая почва характеризуется наличием кадмия 14,1 мкг/г и свинца 7,0 мкг/г.

Почвенная композиция с 1 ПДК по кадмию характеризуется наличием кадмия 148,1 мкг/г и свинца 13,6 мкг/г.

Почвенная композиция с 3 ПДК по кадмию характеризуется наличием кадмия 770,2 мкг/г и свинца 13,6 мкг/г.

Почвенная композиция с 1 ПДК по свинцу характеризуется наличием кадмия 15,1 мкг/г и свинца 57,5 мкг/г.

Почвенная композиция с 3 ПДК по свинцу характеризуется наличием кадмия 13,5 мкг/г и свинца 157,6 мкг/г.

Почвенная композиция с 3 ПДК по свинцу и кадмию характеризуется наличием кадмия 251 мкг/г и свинца 60,0 мкг/г.

Концентрации тяжелых металлов в почвенных композициях, которые применялись в стендовом опыте, находятся в пределах 1-3 ПДК. Всего было подготовлено 36 емкостей для получения фитомассы рапса, льна и проса.

Результаты рентгенофлуоресцентного анализа почвенных композиций для стендовых исследований представлены в таблицах 2-7.

Таблица 2 - Концентрация элементов в пробе № 1 чистая почва В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	5.2981	±1.64820
As	0.2122	±0.13891
Ba	857.6762	±133.77000
Bi	6.2952	±2.19540
Br	81.7874	±6.64600
Ca	29267.0900	±676.20000
Cd	14.1478	±2.57350
Cl	17779.9200	±2663.70000
Co	23.5182	±3.67790
Cr	29.6995	±10.02400
Cu	25.5399	±3.68640
Fe	10904.7500	±85.16400
K	7056.5810	±355.56000
Mn	518.0173	±26.23800
Ni	36.3518	±7.78970
Pb	7.0246	±0.78922
Rb	315.8461	±12.96400
S	17632.4100	±3393.40000
Sn	9.3593	±1.82000
Sr	66.6649	±2.43160
Ti	1304.9470	±72.72200
V	135.9622	±43.48100
Zn	24.3214	±2.20300
Zr	166.7791	±3.33060

Таблица 3 - Концентрация элементов в пробе № 2 почва обработанная раствором кадмия (кадмий 1 ПДК) В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	8.0925	±3.72200
As	0.8915	±0.30380
Ba	1273.2298	±151.37000
Bi	4.1973	±1.39920
Br	86.5748	±10.19800
Ca	35587.2000	±899.24000
Cd	148.2479	±23.98400
Cl	21934.5500	±3842.70000
Co	29.1168	±4.02920
Cr	41.8592	±8.13700
Cu	32.2161	±4.07320
Fe	13859.5500	±101.08000
Hg	2.6036	±0.57738
K	8449.2840	±277.84000
Mn	557.8758	±29.10300
Mo	10.5411	±2.21950
Ni	30.4698	±10.67800
Pb	13.6187	±1.08150
Rb	175.3153	±8.83370
S	18647.8900	±3870.30000
Sb	5.5710	±2.19340
Se	0.5849	±0.52909
Sn	14.5834	±2.73290
Sr	71.5293	±2.47880
Ti	1480.4810	±51.68600
U	5.6144	±0.91643
V	201.1731	±75.61000
Zn	30.1129	±2.41270
Zr	227.0214	±5.74050

Таблица 4 - Концентрация элементов в пробе №3 почва обработанная раствором кадмия (кадмий 3 ПДК) В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	17.0073	±2.91200
As	0.6845	±0.27688
Ba	1258.2434	±131.56000
Bi	7.3183	±2.32720
Br	166.0644	±9.33200
Ca	42622.8000	±803.11000
Cd	770.2177	±19.69600
Cl	22344.8600	±2939.70000
Co	29.1168	±4.02920
Cr	41.8592	±8.13700
Cu	32.2161	±4.07320
Fe	13859.5500	±101.08000
Hg	2.6036	±0.57738
K	8449.2840	±277.84000
Mn	557.8758	±29.10300
Mo	10.5411	±2.21950
Ni	70.4698	±10.67800
Pb	13.6187	±1.08150
Rb	145.3153	±8.83370
S	23647.8900	±3870.30000
Sb	10.5710	±3.19340
Se	0.5849	±0.52909
Sn	1.5834	±0.73297
Sr	71.5293	±2.47880
Ti	1480.4810	±51.68600
U	3.6144	±0.91643
V	381.1731	±71.61000
Zn	30.1129	±2.41270
Zr	197.0214	±1.74050

Таблица 5 - Концентрация элементов в пробе №4 почва обработанная раствором свинца (свинец 3 ПДК) В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	13.8311	±2.16500
As	0.8891	±0.24050
Ba	725.3802	±106.55000
Br	109.4853	±9.31410
Ca	42052.8800	±644.97000
Cd	13.5165	±4.41780
Ce	5.4287	±2.83650
Cl	20372.8100	±1754.10000
Co	29.7713	±5.65320
Cr	236.7591	±29.84600
Cu	33.6459	±4.19360
Fe	14423.3700	±114.21600
Hg	1.8611	±0.81200
K	8387.9230	±169.20200
Mn	490.1596	±29.90700
Mo	9.2973	±2.78340
Ni	63.8211	±15.17800
Pb	157.5932	±5.13450
Rb	223.1913	±8.39500
S	26958.6000	±4834.00000
Sb	6.1500	±2.46940
Se	1.7824	±0.65280
Sn	18.1983	±2.74380
Sr	70.3314	±3.53590
Ti	1637.3120	±68.73100
U	6.0738	±1.49370
V	230.7419	±60.65000
Zn	38.5970	±3.16090
Zr	200.9433	±3.76180

Таблица 6 - Концентрация элементов в пробе №5 почва обработанная раствором свинца (свинец 1 ПДК) В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	10.5311	±2.17500
As	1.0891	±0.34250
Ba	623.3400	±106.55000
Br	149.4933	±8.41710
Ca	45055.7300	±784.98000
Cd	15.1115	±2.51080
Ce	6.7283	±3.23220
Cl	21772.2700	±2757.70000
Co	42.9632	±4.65390
Cr	141.4242	±26.71500
Cu	36.1598	±4.10310
Fe	15417.3200	±94.74600
Hg	2.7283	±0.57205
K	8887.6220	±319.72000
Mn	482.9062	±23.70200
Mo	8.1129	±1.85040
Ni	55.4138	±10.50500
Pb	57.5029	±2.11450
Rb	132.7194	±8.32500
S	32058.6000	±4284.00000
Sb	6.2600	±2.48750
Se	0.6764	±0.56280
Sn	7.5450	±1.62780
Sr	71.3724	±2.35390
Ti	1547.4952	±61.14000
U	3.0778	±0.47673
V	350.4937	±73.95000
Zn	31.5970	±3.46010
Zr	153.9232	±3.77190

Таблица 7 - Концентрация элементов в пробе №6 почва обработанная раствором кадмия и свинца В мг/кг

Элемент	Конц.	Ср.Стат.Погр.
Ag	16.5688	±2.77000
As	1.3550	±0.34129
Ba	1244.0445	±109.92000
Bi	6.5003	±3.05900
Br	154.4876	±8.68150
Ca	48266.2300	±824.30000
Cd	251.0824	±12.81200
Cl	25414.6500	±3023.30000
Co	32.3712	±3.40720
Cr	104.0945	±30.42600
Cu	38.0982	±4.27440
Fe	15815.8800	±97.36100
Hg	1.4002	±0.53374
K	9117.4310	±357.79000
Mn	586.4804	±26.50400
Mo	7.7893	±1.83590
Ni	58.6522	±9.40530
Pb	59.9435	±2.18870
Rb	207.4674	±9.62760
S	28057.7500	±4063.90000
Sb	8.0546	±2.86770
Se	1.0774	±0.72272
Sn	22.4770	±0.88817
Sr	77.2794	±2.48510
Ti	1628.6011	±47.91500
U	1.1094	±0.49072
V	381.8819	±69.08500
Zn	32.2266	±2.40720
Zr	138.2636	±1.51430

Как видно из данных, представленных в таблицах 2-7, существенных различий в валовом содержании металлов в почвенных композициях, за исключением концентраций свинца и кадмия, не имеется. Таким образом, влияние на рост и развитие растений, выращенных в ходе стендовых исследований, оказывали только Cdи Pb.

3.2 Определение коэффициентов биологического поглощения для культур: рапс, просо, лен при различных уровнях загрязнения почв

Результаты расчетов коэффициентов биологического поглощения тяжелых металлов дляфитомасс рапса, льна и проса, выращенных на почвах с различной степенью загрязненности свинцом и кадмием, представлены в таблицах 8-10.

Таблица 8 - Коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов для рапса, выращенного на почвах с различной степенью загрязненности

Растение	КБП
	As	Cd	Co	Cu	Fe	Mn	Pb	Sn	Sr	Zn	Zr
рапс, выращенный на чистой почве	-	0,0301	-	0,3068	0,0288	0,0437	0,3144	0,9633	0,2990	1,6642	0,0223
рапс, выращенный на почве с 1 ПДК по Cd	0,1685	0,012	-	0,1588	0,0264	0,0544	0,1441	0,5699	0,4444	0,9857	0,0482
рапс, выращенный на почве с 3 ПДК по Pb	0,191	0,0541	-	0,1842	0,0258	0,0612	0,0624	0,8857	0,4357	0,8912	0,0498
рапс, выращенный на почве с 1 ПДК по Pb	-	0,0640	-	0,3889	0,0186	0,0414	0,0624	1,0006	0,3380	1,1392	0,0273
рапс, выращенный на почве с 3 ПДК по Cd	0,4118	0,0056	-	0,2563	0,0307	0,0608	0,1262	0,8882	0,4085	1,15	0,0442
рапс, выращенный на почве с 3 ПДК по Cd и Pb	0,3015	0,0085	-	0,2527	0,0144	0,041	0,0912	0,7111	0,03401	1,2091	0,0764

Таблица 9 - Коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов для льна, выращенного на почвах с различной степенью загрязненности

Растение	КБП
	As	Cd	Co	Cu	Fe	Mn	Pb	Sn	Sr	Zn	Zr
лён, выращенный на чистой почве	-	0,0452	0,0192	0,3378	0,0139	0,0352	0,1394	0,5691	0,1618	1,4938	0,0105
лён, выращенный на почве с 1 ПДК по Cd	0,1797	0,026	0,0489	0,3281	0,0365	0,0820	0,1412	0,5342	0,2611	1,4500	0,042
лён, выращенный на почве с 3 ПДК по Pb	0,1348	0,0348	0,0772	0,1807	0,0274	0,0633	0,039	0,4780	0,2028	0,601	0,488
лён, выращенный на почве с 1 ПДК по Pb	-	0,0327	-	0,5278	0,0066	0,0725	0,0402	0,4343	0,1901	1,9303	0,0199
лён, выращенный на почве с 3 ПДК по Cd	0,4967	0,0074	0,0276	0,1750	0,0319	0,0610	0,0615	0,4929	0,2554	0,916	0,0609
лён, выращенный на почве с 3 ПДК по Cd и Pb	-	0,0058	0,1552	0,1771	0,0116	0,0273	0,0162	0,4053	0,2139	1,0242	0,0333

Таблица 10 - Коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов для проса, выращенного на почвах с различной степенью загрязненности

<...

Растение	КБП
	As	Cd	Co	Cu	Fe	Mn	Pb	Sn	Sr	Zn	Zr
просо, выращенное на чистой почве	-	0,0452	0,0192	0,3378	0,0139	0,0352	0,1394	0,5691	0,1618	1,4938	0,0105

Подобные документы

• Характеристика почвенного покрова и определение действительно возможной урожайности сельскохозяйственных культур ОАО "ПТФ Молодежная" Первомайского района Алтайского края

  Общие сведения о хозяйстве: структура земельных угодий, урожайность основных сельскохозяйственных культур. Характеристика факторов почвообразования и плодородия пахотных почв. Расчет возможной урожайности культур по почвенно-климатическим факторам.
  
  курсовая работа [130,5 K], добавлен 06.05.2014
  

• Защита сельскохозяйственных культур от вредителей

  Значение в защите растений пространственной изоляции и подбора устойчивых к вредителям сортов сельскохозяйственных культур. Капустная совка и капустная белянка: меры борьбы. Группы животных, в которых есть вредители сельскохозяйственных культур.
  
  контрольная работа [2,7 M], добавлен 27.09.2009
  

• Основные положения бонитировки почв

  Расчет баллов бонитета почв по признакам. Определение среднегеометрического почвенного балла, общего балла агропроизводственной группы, степени корреляции совокупного почвенного балла с урожайностью сельскохозяйственных культур по 10-ти землепользованиям.
  
  курсовая работа [204,9 K], добавлен 14.01.2016
  

• Возделывание пшеницы по минимальной технологий

  Методика планирования производственных процессов по механизации возделывания сельскохозяйственных культур. Обзор современных технологий по возделыванию пшеницы. Анализ себестоимости сельскохозяйственных культур предприятия на примере ООО "Сагайское".
  
  курсовая работа [543,9 K], добавлен 02.05.2016
  

• Состояние растительного и почвенного покрова

  Деградация лесов и растительности. Изменение видового состава растений. Функции леса, эксплуатационные и деградированные леса. Изучение состояния растительного и почвенного покрова, исследования почв. Ухудшение плодородия, дефляция и эрозия почв.
  
  реферат [277,9 K], добавлен 20.07.2010
  

• Азотные удобрения и их роль в повышении урожайности сельскохозяйственных культур на каштановых почвах

  Агрохимическая характеристика почв Забайкалья. Динамика содержания азота в почвах, его роль в питании растений. Влияние азотных удобрений на урожайность и качество сельскохозяйственных культур. Экологические аспекты применения различных удобрений.
  
  курсовая работа [127,4 K], добавлен 21.12.2014
  

• Агроэкологическая оценка, типизация и использование земель предприятия на примере участка землепользования Раменского района Московской области

  Агроэкологическая характеристика геоморфологических условий. Агроэкологическая оценка литологических условий. Главные требования сельскохозяйственных культур, агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур, предполагаемых для возделывания.
  
  курсовая работа [35,2 K], добавлен 20.03.2014
  

• Применение удобрений в севообороте хозяйства

  Характеристика почвенного покрова поля и климатических условий. Биологические особенности минерального питания сельскохозяйственных культур. Технология внесения известкующего удобрения для поддерживающего известкования. Количественное состояние гумуса.
  
  курсовая работа [60,4 K], добавлен 14.06.2015
  

• Агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур. Агробиоценотические основы земледелия

  Понятие агроэкологической оценки сельскохозяйственных культур, ее сущность и особенности, направления и характеристика, порядок и основные стадии проведения. Сущность и структура агробиоценоза, его основные компоненты и трофические связи между ними.
  
  контрольная работа [31,9 K], добавлен 03.05.2009
  

• Осушительная мелиорация сельскохозяйственных земель

  Понятие мелиорации сельскохозяйственных земель. Ее цель заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почв, получении оптимального урожая определенных сельскохозяйственных культур. Рассмотрение методов и способов осушения исследуемого объекта.
  
  курсовая работа [79,6 K], добавлен 03.02.2011
  

• Анализ технологии возделывания сельскохозяйственных культур в кооперативе "Маяк"

  Оценка пригодности агроландшафта для возделывания сельскохозяйственных культур и их рационального использования. Сорняки, болезни, вредители растений, меры борьбы с ними. Первичная обработка урожая и хранение продукции. Сортовые и посевные качества семян.
  
  отчет по практике [64,7 K], добавлен 02.02.2015
  

• Проектирование системы удобрения сельскохозяйственных культур в севообороте №3 СП им. Калинина ООО ПК "Дон"

  Обоснование применения органических и минеральных удобрений. Рекомендации по химической мелиорации почв. Проектирование системы удобрения сельскохозяйственных культур севооборота. Определение агроэкономической эффективности применения удобрений.
  
  курсовая работа [76,3 K], добавлен 06.11.2011
  

• Роль экологических факторов в формировании качества урожая сельскохозяйственных культур

  Классификация факторов, влияющих на урожайность сельскохозяйственных культур. Роль антропогенного воздействия на развитие растений. Специфика трудностей выращивания культур при избытке или недостатке влаги. Действие засоления почвы. Биотические факторы.
  
  реферат [24,3 K], добавлен 24.05.2015
  

• Плодородие почвы

  Особенности плодородия почв Башкортостана. Оптимальные параметры состава, свойств земли. Факторы, лимитирующие плодородие грунта. Факторы продуктивности фитоценозов и урожайности сельскохозяйственных культур. Методики исследования плодородия почв.
  
  реферат [38,4 K], добавлен 07.12.2008
  

• Организация территории при орошении сельскохозяйственных культур дождеванием

  Характеристика природных условий Усть-Удинского района. Планирование потребных в хозяйстве мелиораций. Режим орошения сельскохозяйственных культур. Проектирование оросительной сети для полива дождеванием. Разработка систем защитных лесных насаждений.
  
  курсовая работа [196,2 K], добавлен 16.06.2010
  

• Влияние почвенного плодородия на продуктивность лесообразующих пород

  Факторы и процессы почвообразования, структура почвенного покрова объекта исследований, основные типы почв. Детальная характеристика почвенных контуров, их соотношение на исследуемой территории. Оценка плодородия почв и его лесоводческое значение.
  
  курсовая работа [93,1 K], добавлен 12.11.2010
  

• Проектирование режима орошения сельскохозяйственных культур в Мелеузовском районе

  Общая характеристика дождевания. Природно-климатические условия Мелеузовского муниципального района. Расчет режима орошения сельскохозяйственных культур в севообороте. Сроки и продолжительность поливов. Экономическое обоснование размещения полей.
  
  курсовая работа [63,2 K], добавлен 17.08.2013
  

• Почвенный покров Армизонского района и его агрономическая оценка

  Изучение почвенного покрова страны. Характеристика почвенного покрова и почв. Краткая характеристика процессов почвообразования. Составление агропроизводственной группировки почв. Мероприятия по улучшению плодородия. Размещение и специализация хозяйств.
  
  курсовая работа [62,0 K], добавлен 19.07.2011
  

• Агроэкологическое состояние почвенного покрова ООО "Агро-Союз" Ровенского района и пути его стабилизации

  Агроэкологическая оценка почв пашни и определение мероприятий по стабилизации ее состояния (защита от эрозии, окультуривание, улучшение гумусной обработки). Проведение бонитировки сельскохозяйственных территорий и почв с целью планирования урожайности.
  
  курсовая работа [69,2 K], добавлен 13.06.2010
  

• Машины для посева сельскохозяйственных культур

  Агротехнические требования к посеву. Способы посева сельскохозяйственных культур. Классификация посевных машин по способу посева, назначению, по соединению с трактором. Типы высевающих аппаратов. Семяпроводы и сошники. Недостатки и достоинства сошников.
  
  презентация [1,2 M], добавлен 25.12.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам