Динамика урожайности горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами

Загрязнение природной среды в результате хозяйственной деятельности обуславливает необходимость не только отслеживания источника загрязнений, но и моделирования поведения загрязняющих веществ в экологической системе, проведения целенаправленных исследований. В этом плане весьма значимой является система критериев для оценки состояния окружающей природной среды.

Анализ источников. Научные исследования этой проблемы обычно направлены на установление критических значений для отдельных компонентов экосистемы, которые определяют область ее нормальных состояний. Это предполагает установление предельно допустимых нагрузок, базирующихся на концепции устойчивости и принципах ранжирования нарушений экосистемы. Поэтому для определения величины показателей качества экосистемы У, соответствующих различным величинам антропогенной нагрузки X на нее, в экспериментах исследуются функции У = f (X). Для этого принято выполнять анализ дифференциальных производных функции У(Х). При этом первая производная качества экосистемы от антропогенной нагрузки, имеющая максимум, нормирует зону экологического кризиса. Очевидно, это критическая точка, характеризующая неустойчивое состояние экологической системы. Вторая производная качества экологической системы имеет максимум и минимум. При этом максимум можно рассматривать как критерий, нормирующий переход в зону экологического риска, а минимум - в зону экологического бедствия. Таким образом, основываясь на приведенных выше рассуждениях, авторы работы [1] предлагают выделить следующие уровни экологического состояния окружающей природной среды: нормальный (Н); рискованный (Р); кризисный (К) и бедственный (Б).

Каждому из уровней экологического состояния окружающей природной среды соответствуют определенные признаки потери экологического качества. На нормальном уровне функционирования экосистемы (Н), как правило, признаки угнетения естественных и антропогенных биоценозов отсутствуют.

Для рискованного уровня характерно заметное угнетение биоценозов, но при этом нет ограничений для производства сельскохозяйственной продукции, а признаки нарушений отдельных компонентов экосистемы носят обратимый характер.

На кризисном уровне биоценозы сильно угнетены. Производство сельскохозяйственной продукции неэффективно из-за низкого качества и пониженного плодородия почв, окружающая природная среда не справляется с антропогенными нагрузками, а ее нарушения носят необратимый характер.

Для бедственного уровня окружающей природной среды характерна невозможность длительного существования искусственных насаждений. Имеются противопоказания по использованию земель для производства сельскохозяйственной продукции, а нарушения компонентов экосистемы исключают самовосстановление природной среды в целом, так как биологическая продуктивность земель нулевая.

Переходя от концептуально расширенной трактовки этого положения конкретно к сельскохозяйственному производству, можно отметить, что высокие техногенные нагрузки на агроландшафты, способствующие загрязнению воздуха, воды и почвы приводят к снижению продуктивности агроценозов. Это проявляется в первую очередь в падении урожайности и ухудшении качества продукции. Поэтому при разработке экологического нормирования с позиции интересов агропромышленного комплекса целесообразно остановиться на уровнях качества экологической системы, проиллюстрированных на рис.1 а.

Рис. 1. Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от суммарного индекса загрязнения почвы

Для нормального уровня (Н) характерно то, что содержание экотоксикантов не превышает фоновых концентраций. При этом для получения планируемых урожаев сельскохозяйственных культур при хорошем его качестве необходимо разрабатывать научно обоснованные системы удобрений, направленные на повышение плодородия освоенных земель. Для повышения содержания гумуса или для снижения отрицательного баланса органического вещества необходимо применять местные удобрения (навоз, солому, компосты, сидераты и др.). При этом проводить эти мероприятия следует в системе адаптированных севооборотов, а также предусматривать регулирование водного режима почв. Причем регулирование водного режима следует рассматривать как обязательное мероприятие, осуществляемое с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных культур [2].

Особенностью антропогенного воздействия на окружающую среду является образование высокотоксичных продуктов. Их возникновение может быть связано как с накоплением природных соединений, обладающих токсичностью, так и с получением новых веществ, представляющих опасность для биосферы. В первом случае примером является загрязнение окружающей среды соединениями тяжелых металлов, а во втором - синтез пестицидов и других соединений, которые широко применяются в сельском хозяйстве для защиты растений [3, 4].

Результаты многочисленных исследований показывают, что подвижность тяжелых металлов возрастает в почвах с избыточным увлажнением. Это способствует усилению миграционной способности в системе почва-растения и их накоплению в растениеводческой продукции. По мнению автора работы [5] и др., рост концентрации ТМ в растениях с увеличением степени гидроморфизма почв объясняется возрастанием кислотности, ухудшением иных их свойства. Это в конечном счете приводит к снижению продуктивности растений, влияет на процессы поглощения ими токсикантов. урожайность овсяный загрязнение металл

Мелиоративная система, посредством которой осуществляется управление водным режимом, должна включать элементы, обеспечивающие сброс избыточной воды, а также подачу дополнительного количества ее в засушливые периоды. Для этой цели наиболее приемлемы осушительно-оросительные системы с применением дождевания, так как последнее оказывает влияние на водный режим верхнего 0,5-метрового слоя почвы при условии, что поливы проводятся без нарушений технологического регламента. Обязательным элементом мелиоративной системы также должны быть специальные водоохранные сооружения. В первую очередь они должны быть направлены на очистку сбросных загрязненных вод. В качестве таких сооружений могут применяться биологические каналы, пруды и отстойники, принципиальные схемы конструкций которых приведены в работе [6].

При допустимом уровне (Д) функционирования экосистемы проявляется токсическое действие микроэлементов и тяжелых металлов. Признаками этого являются снижение урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшение качества продукции. Уровень загрязнения почвы приближается к критической отметке, а содержание экотоксикантов в растениях достигло предельно допустимых концентраций.

В этой ситуации прежде всего следует выявить источники загрязнения и разработать систему мер по восстановлению нарушенного плодородия почв. Основные мероприятия по снижению или предотвращению загрязнения должны опираться на совершенствование технологии производства, создание замкнутых технологических систем.

Во многих литературных источниках было отмечено многообразие факторов, влияющих на продуктивность растений, - влага, тепло, элементы питания. В последнее время в научной и специальной литературе появились сведения о влиянии на нее экологической ситуации и, в частности, загрязнения среды обитания токсичными элементами 7, 8. Влияние тяжелых металлов (ТМ) на урожай неоднозначно. Некоторые элементы имеют весьма позитивное значение, но только в тех концентрациях, в которых они необходимы живым организмам. Они входят в состав ферментов, витаминов и других биологически активных веществ, влияют на процессы синтеза органических концентраций. Однако при превышении определенных концентраций они становятся токсичными. Причем токсичность тяжелых металлов существенно зависит от вида загрязнителя. Некоторые элементы практически не оказывают положительного влияния на жизнедеятельность растений, так как не являются жизненно необходимыми и даже в небольших концентрациях действуют на них угнетающе (кадмий, ртуть, свинец и некоторые другие) 5.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи проводились вегетационные опыты в условиях племсовхоза "Заднепровский" Оршанского района на примере горохо-овсяной смеси.

Значительный интерес с точки зрения как величины урожая сельскохозяйственных культур, так и его качества представляют данные по изучению влияния металлов на формирование репродуктивных органов растений. Схема опыта предусматривала следующие варианты: 1 - контроль - уровень загрязнения почвы (фон); 2 - загрязнение почвы 1 ОДК приоритетного загрязнителя (Рв, Сd, Сu, Zn); 3 - загрязнение почвы 2 ОДК приоритетного загрязнителя (Рв, Сd, Сu, Zn); 4 - загрязнение почвы 3 ОДК приоритетного загрязнителя (Рв, Сd, Сu, Zn); 5 - загрязнение почвы 4 ОДК приоритетного загрязнителя (Рв, Сd, Сu, Zn).

На всех пяти вариантах поддерживался оптимальный водно-воздушный режим путем проведения поливов животноводческими стоками. Контролируемыми показателями являлись почва, растения, вода.

В связи с тем что почва обычно загрязняется несколькими видами тяжелых металлов, для прогнозных расчетов мы пользовались суммарным индексом загрязнения ТМ 6:

(1)

Где ZC - суммарный индекс загрязнения ТМ; h - число определяемых металлов; КСi - коэффициент концентрации i - го металла, равный отношению содержания металла в почвах обследованной территории к фону или кларку.

Учитывая многофакторность процесса воздействия ТМ на урожай (причем эти факторы в различных сочетаниях действуют неоднозначно), для практических расчетов можно использовать эмпирические корреляционные зависимости от основных факторов воздействия ТМ на растения. В частности, как показывают наши исследования, представленные на рис.1, вполне удовлетворительно апроксимируется уравнением вида:

У = AZC2 + ВZC + C (2)

Где А, В и С - коэффициенты регрессии, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения эмпирических коэффициентов в уравнении регрессии

Элемент-загрязнитель	А	В	С	R2
Свинец	-0,0016	0,072	8,88	0,990
Кадмий	0,007	-0,267	7,85	0,996
Медь	-0,0058	0,669	-8,18	0,974
Цинк	-0,0015	0,051	6,80	0,980

Примечание: R2 - показатель достоверности аппроксимации

динамика урожайности сухого вещества горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами

Рис. 2. Динамика урожайности сухого вещества горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами

Анализируя данные рис. 2, можно отметить, что свинец и кадмий однозначно способствуют угнетению растений, тогда как медь и цинк в малых концентрациях дают прибавку урожая, хотя цинк относится к тяжелым металлам первого класса опасности.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами оказывает влияние и на качество урожая. Эта важная характеристика определяется концентрацией загрязнителей в растениях.

На рис. 2 приведены результаты нашего опыта по определению накопления тяжелых металлов в горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы. Эту закономерность с удовлетворительной точностью можно аппроксимировать уравнением вида:

Ср = А1ZC2+В1 ZC +С1 (3)

Где СР - концентрация тяжелых металлов в растениях, мг/кг; А1, В1 и с1 - коэффициенты регрессии для различных преобладающих загрязнителей, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Значения эмпирических коэффициентов в уравнении регрессии

Элемент-загрязнитель	А1	В1	С1	R2
Свинец	0,010	-0,65	19,24	0,670
Кадмий	0,012	0,07	1,36	0,978
Медь	-0,004	2,04	-28,31	0,983
Цинк	-0,362	49,41	-50,85	0,977

Примечание: R2 - показатель достоверности аппроксимации.

динамика накопления тяжелых металлов в растениях горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы

Рис. 3. Динамика накопления тяжелых металлов в растениях горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы

Как видно из приведенных данных, в целом выдерживается закономерность, представленная на рис. 3. C увеличением концентрации тяжелых металлов в почве нарушается саморегуляция поглощения загрязнителей растениями горохо-овсяной смеси. Растения успешно справляются с избытком ТМ только при относительно небольшой их концентрации, при содержании этих элементов (Pb, Cd, Cu, Zn) на уровне от одного до четырех ОДК происходит активное поглощение ионов тяжелых металлов.

Заключение

При возделывании культур на агроландшафтах с допустимым уровнем загрязнения необходимо организовать контроль над содержанием ТМ в продукции.

Так как наибольшую опасность представляют подвижные формы ТМ, то необходимо применение приемов, способных переводить их растворимые формы в трудно растворимые и недоступные для растений. При этом могут применяться различные приемы, адаптированные как к конкретным элементам-загрязнителям, так и к почвенным условиям.

Так, например, в нейтральной среде медь и никель становятся практически безвредными. При снижении кислотности почвенного раствора снижается растворимость и подвижность кадмия и свинца, уменьшается потребление их растениями. То же самое относится к цинку и мышьяку.

Орошение стоками свиноводческих комплексов способствует снижению кислотности почвы. По нашим наблюдениям, на оросительной системе РСУП СГЦ "Заднепровский" реакция почвенного раствора рН за период эксплуатации повысилась с 4,2-4,5 до 5,3-6,5. В этом плане полив стоками свиноводческого комплекса играет положительную роль и вполне может быть рекомендован в качестве профилактического мероприятия по снижению накопления тяжелых металлов в растениеводческой продукции и в целом отрицательного антропогенного воздействия на агроландшафт.

Однако при организации удобрительного орошения стоками следует иметь в виду, что орошаемая площадь должна быть тщательно спланирована для предотвращения аккумуляции поливной жидкости в микро понижениях, дабы исключить переувлажнение почвы. Поливы однолетних трав должны проводиться нормами, рекомендованными для допустимого уровня загрязнения почвы ТМ. Как правило, эти нормы на 17-25% ниже по сравнению с нормами для нормального уровня загрязнения почвы.

Одним из приемов, обеспечивающим получение экологически безопасной продукции на загрязненных землях, является применение биологических приемов. На допустимом уровне функционирования экосистемы следует выращивать толерантные сорта и культуры. При этом необходимо учитывать, что в основном наиболее загрязнены корни, затем листья, стебли, а потом семена. Загрязненные участки следует использовать только для выращивания семян, возделывать технические, а также культуры идущие в переработку.

При критическом уровне функционирования агроландшафта урожай резко снижается вплоть до полной гибели. Содержание тяжелых металлов на этом уровне превышает предельно допустимые концентрации. С позиций экологической безопасности правомочно ставить вопрос о сельскохозяйственном использовании таких земель без радикально проведенной рекультивации.

Литература

1. Оценка экологического состояния почвенно-земельных ресурсов и окружающей природной среды Московской области / под ред. Г. В. Добровольского, С. А. Шобы. - М.: МГУ, 2000. - 221 с. 2. Желязко, В. И. Эколого-мелиоративные основы орошения земель стоками свиноводческих комплексов: монография / В. И.Желязко. - Горки:БГСХА, 2003. - 168 с. 3. Попова, А. А. Влияние минеральных и органических удобрений на состояние тяжелых металлов в почвах / А. А. Попова // Агрохимия. - 1991. - № 3. - С. 62-67. 4. Авраменко, П. М. Закономерности накопления Pb, Zn и Cd в горохе / П. М. Авраменко, М. А. Шевелева, С. В. Лукин // Химия в сельском хозяйстве. Агрохимический вестник. - 1998. - № 2. - С. 16. 5. Головатый, С. Е. Тяжелые металлы в агроэкосистемах / С. Е. Головатый. - Минск, 2002. - 239 с. 6. Желязко, В. И. Повышение экологической безопасности мелиоративных систем с использованием сточных вод / В. И. Желязко, В. В. Копытовский // Акватерра: матер. УП-ой Междунар. специализированной выставки и науч.-практ. конф. 15-17 июля 2004 г. - СПб., 2004. - С. 63-65. 7. Биогеохимическая оценка современного состояния агроэкосистем Беларуси / С. Е. Головатый [и др.] // Природные ресурсы. - 2002. - № 1. - С. 88-95. 8. Черных, Н. А. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами / Н. А. Черных, Н. З. Милащенко, В. Ф. Ладонин. - М.: Агроконсалт, 1999. -176 с.

Динамика урожайности горохо-овсяной смеси в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами

Похожие статьи