Закономерности сорбционного распределения тяжелых металлов в почвах Центрального Черноземья (19.10.2009)

Автор: Глебова Илона Вячеславовна

Агроклиматический район ?? – 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.

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

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

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

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

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

При совместной коагуляции коллоидные оксиды железа и кремния образуют коагели lSiO2(mFe2O3(nAl2O3, состав и свойства которых зависят от условий почвообразования: коагели кислых почв обогащены SiO2, нейтральных – оксидами Fe и Al. От содержания кремнезема и полуторных окислов зависят величины ЕКО и ЕАО. Помимо перечисленных минеральных компонентов, в почвах идентифицированы кислородсодержащие соединения: железа, алюминия, кремния, титана.

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

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

?????????

1. 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 Сорг определено по бихроматной окисляемости по Тюрину, Н и С определены в быстром токе кислорода на анализаторе [3] с последующим расчетом их атомных отношений, Сгк и Сфк – 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.

- 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.


загрузка...