Дипломная работа: Изучение эффективности различных приемов химической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью
Поступление ТМ в растения обусловлено влиянием множества факторов, важнейшими из которых являются: свойства почв и динамика почвенных процессов, химические свойства металлов, состояние и трансформация их соединений, физиологические особенности растений (Н.А. Черных, 1999).
1.1.4 Токсикологическое действие меди на растения, животных, человека
Действие ТМ на живые организмы зачастую скрыто, но они передаются по трофическим цепям с выраженным кумулятивным эффектом, поэтому проявления токсичности могут возникать неожиданно на отдельных уровнях трофических цепей. Токсичность ТМ для живых организмов определяется как свойствами и уровнем концентраций самих элементов, так и их миграционной способностью в различных компонентах экосистемы, а также степенью накопления в органах и тканях.
По мнению Б.А. Ягодина (1995), для комплексной оценки воздействия для каждого химического элемента необходимо различать четыре уровня концентрации:
дефицит элемента, когда организм страдает от его недостатка;
оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма;
терпимые концентрации, когда депрессия организма лишь начинает проявляться;
губительные для данного организма.
Медь относится к группе жизненно необходимых для живых организмов элементов. В организме человека она образует комплексы с аминами и соединениями серы, способствует синтезу гемоглобина крови, ускоряет формирование эритроцитов, восстановление костной ткани, усиливает действие инсулина, препятствует распаду гликогена в печени, способствует синтезу витаминов В1, С, Р, РР и Е (О.А. Соколов, В.А. Черников, 1990). Но при высоких уровнях содержания этот элемент обладает широким спектром токсического действия. Ионы меди способны блокировать SH-группы белков, в особенности ферментов. Острая интоксикация ионами Cu2+ сопровождается выраженным гемолизом эритроцитов. Интоксикации соединениями меди могут сопутствовать аутоиммунные реакции и нарушение метаболизма моноаминов (В.И. Артамонов, 1996).
Избыток меди оказывает вредное воздействие на организм теплокровных. Попадание значительных количеств меди или ее соединений с пищей может вызвать тяжелое отравление, которое будет сопровождаться схваткообразными болями в животе, тошнотой, приступами кашля, раздражением слизистых. По утверждению А.Л. Бандмана (1988), медь относится к группе высокотоксичных металлов, способных вызывать острое отравление человека и животных, и обладающих широким спектром токсического действия с многообразными клиническими проявлениями.
1.2 Адсорбционная способность почв по отношению к меди
Исследования по определению адсорбционной способности почвы проводились на кафедре агроэкологии-агрохимии-почвоведения.
Одним из важных аспектов данной проблемы являлось определение емкости поглощения и установления того предела, при котором ТМ нейтрализуются за счет собственной емкости поглощения почвы, без применения химических мелиорантов.
В итоге проведенных экспериментов были получены следующие результаты.
Чернозем выщелоченный обладает достаточно высокой поглотительной способностью по отношению к меди. Предельная поглотительная способность его по отношению к меди, которая нейтрализуется за счет собственной емкости поглощения баз применения химических мелиорантов, составила 19 г/кг. Такую высокую поглотительную способность чернозема выщелоченного можно объяснить значительным содержанием органического вещества (гумуса). По данным А.П. Козаченко (1999) оно в большинстве случаев превышает 6% в относительном исчислении и 150 т/га при определение запаса в пахотном слое 0-20см.
Большое значение имеет кислотность (щелочность) почв. В среде с pH выше 6 единиц большинство ТМ находиться в форме труднорастворимых гидроокисей. В этом случае концентрация в почвенном растворе и токсичность ТМ резко снижается (Т.В. Тетюева, 1999).
1.3 Приемы реабилитации почв, загрязненных медью
Выработка критериев для оценки степени деградации и токсичности почвенного покрова, а также разработка приемов восстановления плодородия загрязненных ТМ почв, являются в настоящее время весьма актуальными задачами. В целом все приемы снижения токсичности почв, содержащих большие количества ТМ, можно подразделить на предупредительные и приемы по ликвидации уже существующего загрязнения. Основное мероприятие по защите почв и растений от загрязнения ТМ - это предотвращение загрязнения, которое базируется на совершенствовании технологий производства, создании замкнутых технологических систем, а также на контроле за внесением в почву отходов промышленности в качестве удобрений и мелиорантов. Широкое применение сточных промышленных вод для орошения сельскохозяйственных угодий ставит задачу очистки этих вод от ТМ.
Меры по ликвидации уже существующего загрязнения подразумевают использование материалов и веществ, связывающих ТМ в недоступной для растений форме и способствующих повышению плодородия почв (извести, органических удобрений, цеолитов, синтетических смол и др.), применение агротехнических приемов, приводящих к удалению металлов из верхних корнеобитаемых слоев почвы, а также возделывание на загрязненных почвах сельскохозяйственных культур, способных накапливать металлы в количествах, не превышающих их предельно-допустимые уровни.
Подвижность ТМ и доступность их для растений в значительной степени контролируются такими свойствами почв как кислотно-щелочные условия, окислительно-восстановительные режимы, содержание гумуса, гранулометрический состав и связанная с ними емкость поглощения.
При планировании мероприятий по восстановлению почв конкретной территории необходимо учитывать ее положение в окружающем ландшафте, а также неоднородность, как почвенного покрова, так и загрязнения. При этом следует иметь ввиду также тот факт, что максимальное количество ТМ аккумулируется в верхних наиболее плодородных горизонтах почв.
Итак, реабилитация почв, загрязненных ТМ, предусматривает следующие мероприятия (В.Т. Граковский и др., 1994):
1. Выбор способа использования загрязненных земель, который предусматривает перепрофилирование отраслей сельскохозяйственного производства, смену угодий, подбор севооборотов, а также отдельных сельскохозяйственных культур с целью максимального снижения поступления ТМ в товарную продукцию. При этом эффект санации достигается за счет того, что одни культуры выносят металлы из почвы сильнее, другие - слабее, одни используются в пищу непосредственно, другие - после переработки, третьи - вообще не пищевые. Так, на почвах, загрязненных ТМ выше ПДК, нельзя выращивать салат, шпинат, укроп, лук, петрушку, а также кормовые культуры. Эти земли можно использовать для производства зерна, семян, под технические и плодовые культуры.
2. Приемы фитосанации загрязненных почв, которые основываются на способности отдельных растений поглощать из почвы значительное количество ТМ. После выращивания биомасса таких культур подвергается утилизации и захоронению.
3. Перемещение и удаление загрязнителей из верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в нижележащие. Для этого применяют глубокую (на 30 см и более) или плантажную вспашку в сочетании с внесением органических удобрений, что позволяет удалить загрязненный верхний слой почвы за пределы корнеобитаемого горизонта. На участках, где загрязнение почвы достигает высокой и чрезвычайно высокой опасности добиться эффекта санации возможно только путем удаления верхнего загрязненного слоя скрепером, грейдером, бульдозером и др. Однако могут возникнуть проблемы, связанные со снижением плодородия почв и с захоронением загрязненного почвогрунта.
В случае равномерного распределения ТМ по всей глубине плодородного слоя почвы применяют очень дорогостоящий прием, заключающийся в переводе содержаний ТМ в подвижную форму (изменение кислотности, добавление солей, комплексообразователей) и их промывке в более глубокие горизонты, где они становятся недоступными для корневой системы растений. Однако в результате такой санации почв возможно загрязнение других природных объектов, в частности подземных и поверхностных вод.
4. Дезактивация ТМ, загрязняющих почву, путем их перевода в недоступное для растений состояние. Этот прием способствует снижению поступления ТМ, как в растения, так и в природные воды. Он называется агрохимической мелиорацией, самым распространенным способом которой, по определению А.П. Козаченко, О.Р. Камеристовой и др. (2000), является известкование. Это создание нейтральной или слабощелочной среды, способствующей образованию труднорастворимых и малотоксичных солей (например, CuCO3). На выщелоченных и оподзоленных черноземах дозы известковых удобрений, как правило, рассчитываются по величине гидролитической кислотности.
При химической мелиорации загрязненных ТМ почв можно применять любые известковые удобрения с учетом активно действующего вещества в них, а также при обязательном контроле за содержанием токсичных примесей.
Внесение органических удобрений.
Применение органических удобрений (торфонавозных компостов, навоза, сидератов, соломы), увеличивающих запасы органического вещества в почве, ее буферную способность и емкость поглощения, является эффективным средством снижения подвижности большинства ТМ. Наибольший эффект дает использование торфокомпостов. При загрязнении почв ТМ органические удобрения применяют в максимально возможных дозах с учетом потребности сельскохозяйственных культур в азоте, чтобы не происходило избыточного накопления нитратов в растительной продукции.
Применение фосфорных удобрений.
Взаимодействие в почве ТМ с фосфат-ионами в большинстве случаев приводит к снижению их подвижности вследствие образования труднорастворимых соединений. Эффективность применения фосфорных удобрений зависит от содержания металлов в почве и реакции среды. Так, фосфоритную муку целесообразно применять на почвах с pH<5,8 в дозах от 300 до1000 кг/га P2O5, а суперфосфата - 120-150 кг/га с учетом обеспеченности почвы фосфором, планируемых урожаев и выноса (М.М. Овчаренко, 1997).
Из агротехнических мероприятий еще эффективно применение природных сорбентов (вермикулита, монтморилонита, глауконита и др.) и всех других веществ, после обработки которыми ТМ почвы переходят в труднорастворимое состояние (например, угольной и серной кислотами). Установлено, что природные цеолиты - гидроалюмосиликаты (вермикулит и монтморилонит) благодаря высокой адсорбционной способности переводят ТМ в малоподвижное состояние (В.А. Большаков и др., 1993).
В последние годы появились исследования, посвященные изучению закрепления металлов в почве и снижения их фитотоксичности с помощью микроорганизмов, способных сорбировать данные ТМ. Однако, имеющиеся данные еще достаточно противоречивы и на данном этапе не могут служить базой для широкого применения микроорганизмов в целях мелиорации загрязненных тяжелыми металлами почв.
1.4 Биологические и морфологические особенности диагностических культур
Яровая пшеница (Tritikum aestivum)
Семейство мятликовых - Poaceae.
Род - Tritikum.
Корневая система мочковатая, слабо развита. В глубину уходит до 1 метра. Основная масса корней находится в пахотном слое почвы.
Стебель - грубая соломина, полая, высотой более 1 м. На стебле имеется от 4 до 7 междоузлий.
Листья ланцетно-линейной формы, широкие.
Колос состоит из колосового стержня, на котором имеются уступы. На уступах сидят колоски. Колосок состоит из двух колосковых чешуй и от двух до пяти цветков.
Цветок состоит из двух цветковых чешуй, пестика с двухлопастным рыльцем и из трех тычинок. Кроме того, в нижней части цветка имеется белая пленочка, которая называется лодикуле.
Во время роста и развития пшеница проходит следующие фазы:
всходы;
кущение;
фаза выхода в трубку;
фаза колошения;
цветение;
созревание (молочная спелость, восковая спелость, полная спелость);
Прорастание семян яровой пшеницы возможно уже при температуре 1-20С, жизнеспособные всходы появляются при 5-70С, наиболее благоприятная температура для прорастания 12-150С. Всходы переносят непродолжительные заморозки до - 100С. Благоприятная температура для роста и развития от 18 до 250С. Температура выше 300С и сухие ветра неблагоприятно сказываются на растениях и ведут к снижению урожайности и качества зерна. Сумма активных температур за период всходы-созревание составляет 1500-17500С.
Яровая пшеница - влаголюбивая культура. Для прорастания семян требуется 55-65% воды от массы семени мягкой пшеницы и 70-80% от массы семени твердой пшеницы. Наиболее благоприятна для растений влажность почвы в пределах 70-75% наименьшей влагоемкости. Транспирационный коэффициент 400-500.
К почве яровая пшеница весьма требовательна, предпочитает плодородные почвы, насыщенные питательными веществами. Хорошие урожаи ее можно получать на почвах слабокислых и нейтральных (pH 6,0-7,5). При кислой pH пшеница выпадает из травостоя. Лучше всего растет на уплотненных почвах (1,1-1,2 г/см3), но пахотный слой должен быть глубоким.
Вегетационный период мягкой пшеницы 85-105 дней, твердой пшеницы - 110-115 дней.
Ячмень (Hordeum vulgare)
Семейство мятликовых - Poaceae.
Род - Hordeum.
Ботаническая характеристика такая же, как у пшеницы.
Ячмень - культура умеренных температур. Семена начинают прорастать при температуре 1-30С, но всходы будут изреженные. Ранние и дружные всходы появляются при температуре 5-70С. Оптимальная температура для прорастания 15-200С. Всходы выдерживают кратковременные заморозки до - 6-80С. Благоприятная температура для роста и развития от 17 до 240С. Температуры выше 400С ячмень переносит лучше, чем пшеница и овес. Для полного развития ячменя требуется сумма активных температур 1000-15000С для скороспелых сортов и 1800-20000С для позднеспелых.
Среди ранних яровых зерновых ячмень - самая засухоустойчивая культура. Для прорастания семян требуется 45-70% влаги от массы семени. Если влажность почвы не ни же 65-75% наименьшей влагоемкости, то ячмень развивается хорошо. Транспирационный коэффициент 350-403.
Ячмень возделывается на различных почвах, однако лучшими для него являются плодородные структурные почвы с нейтральной реакцией (pH 6,5-7,5), насыщенные калием и фосфором.
Ячмень самая скороспелая культура, длительность вегетационного периода 60-110 дней.
Овес (Avena sativa)
Семейство мятликовых - Poaceae.
Род - Avena.
Ботаническое строение как у яровой пшеницы.
Овес - сравнительно холодостойкая культура. Семена начинают прорастать при температуре 2-30С, благоприятная температура 80С. Всходы переносят заморозки до - 8…-100С. Благоприятная температура для роста и развития 18-220С. Высокую температуру (более 35-400С) овес переносит хуже, чем пшеница и ячмень. Он подвергается “запалам” и “захватам" при температуре 38-400С, паралич устьиц у него наступает через 4-5 часов, тогда как у пшеницы через 5-10 часов, у ячменя вообще через 25-30 часов. Сумма активных температур от всходов до созревания составляет для раннеспелых сортов 1000-15000С, для среднеспелых - 1350-16500С и для позднеспелых - 1500-18000.
Овес более влаголюбив, чем пшеница и ячмень. Для прорастания семян необходимо 65% от массы семени. Влажность почвы при высеве должна быть не менее 60% полной влагоемкости. Транспирационный коэффициент 474.
К почвам овес не требователен, может произрастать и давать неплохие урожаи на супесчаных, суглинистых, глинистых и торфяных почвах. Овес выносит повышенную кислотность почвы, его можно возделывать на кислых почвах (pH 5-6) и при освоении торфяников. Солонцеватые почвы для данной культуры непригодны.
Длительность вегетационного периода в зависимости от почвенно-климатических условий и сорта составляет 80-125 дней. Овес созревает позднее, чем пшеница и ячмень.
2. Условия проведения опыта
2.1 Характеристика климатических и погодных условий
Климат является одним из важнейших факторов в процессах почвообразования. Северная лесостепь представляет собой Зауральскую холмистую равнину. По биоклиматическим показателям территория лесостепного Зауралья подразделяется на подзоны: умеренно влажную северную, периодически засушливую центральную и полузасушливую южную. Красноармейский район Челябинской области относится к подзоне Центральной, которая является главной почвенной базой земледелия региона.
Климат данной подзоны характеризуется периодической засушливостью и четко выраженной континентальностью климата. По многолетним данным ряда метеостанций средняя температура самого холодного месяца (января) составляет -18,60, а самого теплого (июля) +170, то есть годовые колебания среднемесячных температур равны 35,60. Континентальность климата проявляется и в резком переходе по времени года положительных температур в отрицательные и, наоборот, отрицательных в положительные, в многократном возврате холодов в весенний и раннелетний период.
