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.

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.

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 ΙΙ – 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.

Рис. 5. Содержание Cu (II), Zn(II), Mn (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.

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.

.

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

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.

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.

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%.

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:

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 D1, 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 D1, то микрокомпонент больше концентрируется в растворе, чем в осадке. Т.о., при D1 микрокомпонент поглощается осадком-осадка сорбция, а готовый осадок выполняет роль сорбента.

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

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.


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

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

Рис. 14. Сорбционные свойства монтмориллонитов и др. составляющих минерального состава черноземов по отношению к вносимым концентрациям ТМ и содержанию кадмия.

Сельскохозяйственное использование и окультуривание дерново-среднеподзолистой и суглинистой почвы приводят к появлению монтмориллонита и гидратации слюдистых минералов с образованием смешанослойной фазы гидрослюда-монтмориллонит, что способствует увеличению емкости

Степень обогащения органического вещества металлами, как правило, зависит от вида металла. В условиях проведения эксперимента значительная часть никеля вошла в состав органического вещества.

Было установлено, что при внесении ТМ доля их соединений в составе органического вещества повысилась до 6 % от общего содержания металлов. Известно, размер ионов металлов влияет на интенсивность их удерживания органическими веществами. По мнению Пинского, тяжелые металлы, удерживаемые серыми лесными почвами, образуют внешнесферные или неустойчивые внутрисферные органноминеральные комплексные соединения по хелатному типу. В загрязненных почвах нашего эксперимента на долю органоминеральных соединений приходится до половины содержания металлов в составе органического вещества. В то время как в незагрязненных почвах их доля не превышает 10 %.

Обращает на себя внимание, что при загрязнении почв содержание кадмия в форме потенциально подвижных соединений оказалось даже выше, чем в составе соединений, прочно связанных с органическим веществом. Это может быть частично и артефактом, обусловленным переходом в почвенную вытяжку не только органоминеральных соединений циркония, но и ионов металла, удерживаемых аморфными соединениями алюминия и марганца, т.к. их не удалось полностью удалить при предварительной подготовке почв, в связи с чем необходимо учитывать, что двух валентные металлы накапливаются во фракциях, связанных с полуторными оксидами.

В контрольном варианте содержание ТМ колеблется в пределах 1-2 %. Степень увеличения содержания потенциально подвижных соединений в загрязненных почвах зависит не только от вида и дозы металла, но и от способа его внесения. Это подтверждается работами Минкиной Т.М., подобную закономерность наблюдали Ладонин и Марголина для гуминовых кислот чернозема обыкновенного и дерново-подзолистой почвы, Ванг и Хуанг для гуминовых и фульвокислот, выделенных из компоста.

Вполне можно было бы ожидать, что при формировании потенциально подвижных соединений металлов повлияет вытеснение и замена обменных ионов кальция и магния в ППК, где основным носителем обменных позиций является органическое вещество, однако ранее выполненные исследования показали, что с ростом дозы металлов относительное количество их обменных форм меняется незначительно. Поэтому полагаем, что образование потенциально подвижных органо-минеральных соединений в загрязненных почвах может быть результатом непосредственного взаимодействия металла с органическими веществами серых лесных почв. Теоретически предполагаются различные механизмы их взаимодействия: образования комплексов монодентантных и бидентантных, внутрисферных и внешнесферных, которые обладают различной устойчивостью. Так, внешнесферные менее устойчивы по сравнению с внутрисферными. Вполне допустимо, что под влиянием ионов металлов могут происходить нарушения в структуре молекул гумусовых кислот, разрыв связей между конституционными атомами, создание новых центров для образования новых подвижных органоминеральных комплексов. К увеличению их содержания может привести и активизация микробиологической деятельности, обусловленная стимулирующим действием относительно невысоких доз внесенного металла.

При дальнейшем исследовании загрязненных проб серых лесных почв цирконием был поставлен эксперимент по биотестированию на предмет биотоксического воздействия металла. Внесение доз ТМ соответсвовал схеме эксперимента серой лесной почвы усредненного типа. В ходе исследования неожиданно было установлено яркое антитоксикологическое действие ТМ на энергию прорастания ячменя - Hordeum sativum Lessen. Рассматривая такие показатели как способность прорастания и лабораторная всхожесть биотест-культур при внесении различных доз циркония обнаружили не менее интересные зависимости и устойчивый рост процента всех показателей.

Рис. 14 Схема вегетации районированного сорта ячменя в Курской области.