Закономерности сорбционного распределения тяжелых металлов в почвах центрального черноземья 06. 01. 03 Агропочвоведение, агрофизика
жүктеу/скачать 2.92 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- АВТОРЕФЕРАТ
| Проект №1
На правах рукописи ГЛЕБОВА Илона ВячеславовнаЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИОННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ 06.01.03 - Агропочвоведение, агрофизика АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора сельскохозяйственных наукКурск – 2009 Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»
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. в _____ часов 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
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:
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:
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. 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 завит 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» Р 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
Для исследования фитотоксичности почв ЦЧ и реакций зерновых культур на загрязнение почв различными токсикантами (ТМ) использовали схему: Таблица 2 – Схема проведения биотест исследований
Эксперимент закладывали в четырех кратной повторности. Климат Курской области умеренно – континентальный. Коэффициент континентальности климата (Кк) 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. 
жүктеу/скачать 2.92 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ис. 1. Распределение земель Курской области по типам почв