Тяжелые металлы в системе почва - растение

Содержание

Введение. .4

Глава 1. Тяжелые металлы  в системе почва - растение (Литературный обзор)........................................................................................………………….. 7

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Условия проведения исследований.............................................………….31

2.2. Метеорологические  условия проведения исследований...................…….32

2.3. Объекты исследований............................................................……………..34

2.4. Методы исследований...........................................................……………….36

Глава 3. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на мобилизацию подвижных питательных  веществ

3.1. Роль отдельных  элементов в жизни растений................................……….38

3.2. Влияние уровней загрязнения  почвы тяжелыми металлами на

мобилизацию подвижных  форм азота...........................................46

3.3. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

мобилизацию подвижного фосфора............................................. 57

3.4. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

мобилизацию подвижного калия................................................ .66

Глава 4. Особенности поступления  азота, фосфора и калия в растения в зависимости от уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами.....................................................................………………..72

4.1. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

содержание азота в  растениях яровой пшеницы.............................. …73

4.2. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

содержание фосфора  в растениях яровой пшеницы..........................76

4.3. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

содержание калия в  растениях яровой пшеницы.............................78

4.4. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на содержание азота, фосфора  и калия в растениях сахарной  свеклы...............................................................................…………………79

Глава 5. Влияние уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами на урожайность и вынос азота, фосфора и калия сельскохозяйственными культурами

5.1. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

урожайность сельскохозяйственных культур..................................83

5.2. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на вынос азота, фосфора и  калия сельскохозяйственными культурами..........................................................................………………... 89

5.2.1. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами на

вынос азота, фосфора  и калия растениями яровой пшеницы............... 89

5.2.2. Влияние уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами  на

вынос азота, фосфора  и калия растениями сахарной свеклы...............94

Глава 6. Экологическая и экономическая оценка возделывания сельскохозяйственных культур на почвах загрязненных тяжелыми металлами.....................................................................…………………………98

Выводы..................................................................................………………….. 102

Рекомендации производству.........................................................…………… 106

Библиографический список использованной литературы.....................…… 107

Приложения

 

ВВЕДЕНИЕ

Главным доминирующим процессом в биосфере является круговорот химических элементов. Производственно - бытовая деятельность человека в XX веке приобрела геологический масштаб. На Земле не остается территорий, которые в той или иной степени не подвергались бы антропогенному загрязнению химическими элементами. Объемы и темпы техногенного загрязнения окружающей среды настолько возросли, что требуют все большего внимания ученых и общественности.

Особую актуальность приобрело загрязнение почв. Именно почвенный покров в конечном итоге  принимает на себя давление потока промышленных и коммунальных выбросов и отходов, выполняя роль буфера и детоксиканта. Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды, углеводороды и другие химические загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух. В почве многие химические вещества претерпевают глубокие изменения.

Среди всех химических загрязнений  микроэлементы следует рассматривать, как имеющие особое экологическое, биологическое и здравоохранительное  значение.  Эта группа  активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «тяжелые металлы» во многом совпадает с понятием микроэлементы. Повышение концентраций элементов в почве термин «микроэлементы» не пригоден, в таких случаях применяют термин «тяжелые металлы».

Деление на микроэлементы  и «тяжелые металлы» весьма относительно, так как все необходимые элементы в повышенных дозах становятся токсичными, а некоторые токсичные металлы  в ультрамикроколичествах могут  быть полезны для растений. Повышенное количество тяжелых металлов в почве ингибирует процесс нитрификации, снижает фиксацию молекулярного азота бобовыми культурами, подавляет активность уреазы, фосфатаз и общую биологическую активность почвы. А это может существенно влиять на метаболизм в растениях, а, следовательно, и на качество урожая (Минеев, 1984).

Проблема загрязнения  почв и растений тяжелыми металлами  в настоящее время привлекает к себе всеобщее внимание. Это определяется тем, что с одной стороны, повышенное содержание в продуктах урожая тяжелых металлов вредно для человека и животных, и во многом может, определять пригодность или не пригодность продуктов растениеводства в качестве источника пищи или кормов. С другой стороны, загрязнение почвы тяжелыми металлами может на долгие годы сделать ее не пригодной для производства доброкачественной продукции.

В связи с этим необходимо всестороннее изучение влияния тяжелых  металлов не только на продуктивность сельскохозяйственных культур и  качество урожая, но и на мобилизацию основных макроэлементов в почве и растениях.

Цель данной работы установить влияние различных уровней загрязнения  почв тяжелыми металлами (кадмием, медью, никелем, цинком) на мобилизацию подвижных  питательных веществ, характер поступления  и вынос  основных  элементов биофилов  (азота,   фосфора,   калия) сельскохозяйственными культурами.

Для достижения поставленной цели намечено решение следующих  задач: 1. Установить влияние уровней  загрязнения почв тяжелыми металлами  на мобилизацию подвижных форм питательных веществ. 2. Выявить влияние уровней загрязнения почв тяжелыми металлами на продуктивность изучаемых сельскохозяйственных культур. 3. Изучить возможность влияния различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами на поступление в растения основных макроэлементов - азота, фосфора и калия, и вынос их с урожайностью.

Впервые изучено влияние  техногенного загрязнения на питательный  режим чернозема выщелоченного  колочной степи Алтайского края. Установлены  наиболее вероятные состояния содержания и динамики азота

обменного аммония, подвижного фосфора и подвижного калия в  почве в зависимости от уровней  загрязнения почвы тяжелыми металлами. Выявлены критические уровни загрязнения  почвы тяжелыми металлами (в т.ч. медью и цинком) на содержание и  вынос азота, фосфора и калия растениями яровой пшеницы и сахарной свеклы и их продуктивность.  Установлено, что сахарная свекла и яровая пшеница по-разному реагировали на уровни элементов загрязнителей почвы.

Защищаемые положения  диссертационной работы: 1. Существуют критические уровни загрязнения почвы тяжелыми металлами, которые влияют на содержание в почве подвижных форм азота, фосфора и калия. Разные тяжелые металлы оказывают различное влияние на процессы мобилизации в почве подвижных питательных веществ. 2. Невысокий уровень загрязнения почвы медью и цинком стимулирует рост и развитие растений и повышает их продуктивность, а при более высоком уровне загрязнения этими элементами в два раза выше предельно - допустимой концентрации (ПДК), происходит угнетение растений и снижение их продуктивности. 3. Содержание тяжелых металлов в почве выше 0,5 ПДК никеля, кадмия и меди выше 1,0 ПДК, и цинка выше 2,0 ПДК, влияют на условия поступления в растения и вынос основных элементов питания азота, фосфора и калия сельскохозяйственными культурами с единицей продукции.

Практическая значимость работы: полученный материал может  быть взят за основу для установления критических уровней загрязнения  почвы тяжелыми металлами, которые  оказывают негативное влияние на мобилизацию основных макроэлементов (азота, фосфора и калия) в почве, продуктивность сельскохозяйственных культур и вынос азота, фосфора и калия с урожаем. Результаты исследований будут использованы в учебном процессе по курсу «Агрохимия» в Алтайском государственном аграрном университете.

 

ГЛАВА 1. Тяжелые  металлы в системе почва —  растение

(Литературный обзор)

Высокие темпы развития общественного производства, рост народонаселения  планеты, огромные масштабы потребления  возобновимых и невозобновимых природных  ресурсов определяют основные тесно связанные между собой факторы антропогенного воздействия на окружающую природную среду.

В большинстве случаев  антропогенное воздействие на окружающую природную среду неблагоприятно для общества и живой природы. К явлениям загрязнения окружающей природной среды, безусловно, относится все то, что связано с поступлением в среду вредных веществ, т.е. таких веществ, которые оказывают непосредственное отрицательное воздействие на человека и биосферу.

О.Ф. Балацкий, Л.Г. Мельник  и А.Ф. Яковлев (1984) выделили несколько видов загрязнения: механическое, химическое, физическое, радиационное и биологическое.

Чаще всего по их словам загрязнением считают лишь поступление, привнесенное в среду, нахождение в  ней различных агентов. Но в природе  существует естественный фон вещества или энергии. В каждом районе Земли он может быть различным, причем не всегда оптимальным. Таким образом, поступление в окружающую среду одних и тех же количеств веществ в районах, где естественный фон, например, ниже оптимального уровня, может улучшать условия жизни и, разумеется, не должен расцениваться как загрязнение. В других местах, где естественный уровень находится на пределе оптимума, подобное изменение условий окружающей среды ухудшит ее качество и должно расцениваться как загрязнение.

Таким образом, под загрязнением следует понимать аналогичное изменение  свойств окружающей среды, приводящее к ухудшению функций среды  по отношению к человеческому  обществу.

Во второй половине двадцатого века объемы и темпы техногенного загрязнения окружающей среды настолько возросли, что требуют все большего внимания ученых и общественности.

Особую актуальность приобрело загрязнение почв. Именно почвенный покров в конечном итоге  принимает на себя давление потока промышленных и коммунальных выбросов и отходов, выполняя важнейшую роль буфера и детоксиканта.  Почва аккумулирует тяжелые  металлы,  пестициды, углеводороды, другие загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух.

Особенно сильное техногенное давление испытывают почвы в районах расположения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспортных артерий (Ковда, 1985).

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелыми металлами, по-видимому, практически вечно.  Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозией и дефляцией.

К тяжелым металлам относится  более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет более 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвующих в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелые металлы" во многом совпадает с понятием "микроэлементы". Для повышенных концентраций элементов термин "микроэлементы" не пригоден. В таких случаях применяют термин "тяжелые металлы" (ТМ). Таким образом , под термином "тяжелые металлы", подразумевают такие элементы, как свинец, молибден, марганец, кобальт, цинк, кадмий, никель и др. (Ильин, Степанова, 1982).

Важной особенностью металлов является то, что они относятся  к классу неспецифических веществ, то есть в отличие от специфических  загрязнителей, как пестициды, чуждых геохимическому фону, металлы в фоновых концентрациях присутствуют в различных компонентах экосистем. Нарушение этой "нормы" вызывает не только прямое токсичное воздействие, но и отдаленные последствия в виде воспроизводства и биопродуктивности организмов, то есть проявляется на уровне популяций и поколений. Еще одно отличие микроэлементов от многих загрязняющих веществ состоит в том, что при миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения и не включаются в процессы самоочищения.

У элементов группы тяжелых металлов (ТМ) очень узок оптимальный и безвредный интервал концентрации - в этом их опасность.

Известно, что тяжелые  металлы оказывают влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Причем, положительное влияние  на урожайность ТМ оказывают, если они присутствуют в достаточно малых концентрациях, увеличение концентрации ТМ в почве приводит к снижению урожая. Кроме того, один и тот же элемент (ТМ), в одной и той же концентрации, но в разных почвах неодинаково влияет на урожайность.

Наличие микроэлементов в почве в усвояемой форме для растений -необходимое условие выращивания высоких урожаев культур.

Почвы содержат неодинаковое количество элементов; нормальное, избыточное и недостаточное. Это зависит  от состава материнских пород, растительности,   степени   окультуренности   почв   и   поступления микроэлементов извне в виде различных органических и минеральных удобрений и осадков.