Ивлев А.М., Дербенцева А.М. Деградированные почвы и их рекультивация

Подождите немного. Документ загружается.

4.2.3.Ухудшение режима питания растений в почвах

Основными элементами питания растений в почвах являются такие

биофилы как фосфор, калий, азот, сера, магний. Для нормального развития

растений важную роль играют и элементы - стимуляторы роста. Это в основном

микроэлементы, такие как: марганец, бор, молибден, медь и др.

Содержание химических элементов питания растений (биофилов) в

почвах всегда должно быть выше потребностей растений. Химических

элементов, стимуляторов роста растений, наоборот, должно ниже потребностей

растений.

В почвах под дикорастущей флорой, нарушение этих «нормативов» вызывает

некоторые отклонение в процессах роста и развития растений. В итоге это

можно выразится в виде эндемий (эндемических заболеваний), или в развитии

новых форм растений (формовое разнообразие).

Сельскохозяйственные культуры, при подобных нарушениях в их

питании, резко снижают урожайность. У некоторых видов

сельскохозяйственных растений не образуются плоды (зерна, клубни,

корнеплоды и т. п.).

Ухудшение питания растений вызывается несколькими причинами:

-уменьшением в почвах общего запаса элементов питания растений

(биологическая деградация);

-переходом элементов питания растений, в трудно растворимые формы,

недоступные для растений;

-выносом химических элементов из верхних, корнеобитаемых горизонтов, в

нижние, и даже за пределы почвенного профиля.

С урожаем растений из почв отчуждаются все зольные элементы и азот.

Количество их зависит от видового состава растений (табл.4). Так зольность

сои составляет 4-5 %, пшеницы - 1,7, картофеля - 0,9.

Таблица 4

Зольность культурных растений (%).

Культуры Зольность Культуры Зольност

Горох 2,4 Сахарная свекла (корни) 2,8

Чина 3,2 Льняное семя 3,5

Чечевица 2,8 Кукуруза 1,5

Бобы 3,5 Пшеница 1,7

Люпин 3,5 Просо 3,0

Фасоль 3,2 Соя 4,5

Вика 2,7 Рожь 1,8

Ботва картофеля 3,1 Солома проса 6,3

Клубни картофеля 0,9 Солома ржи 4,1

Сахарная свекла (ботва) 15,3 Мякина ржи 7,7

Мякина проса 12,0

Общий вынос химических элементов с единицы площади зависит от

массы урожая и вида сельскохозяйственной культуры. Так, пшеница при

урожае в 40 ц/га выносит 680 кг зольных элементов, в том числе 340 кг/га Р

,120-180 кг/га К

О. Соя, при урожае 30 ц/га выносит 1500 кг зольных элементов

. Основная часть вносимого в почву фосфора, в составе удобрения,

закрепляется в них в виде труднорастворимых форм, недоступных для

растений..

Явления осаждения фосфатов кальция, железа и алюминия проявляются

повсеместно в почвах агроландшафтов. В.А. Ковда ( 1974), это явление назвал

“фосфатизацией суши”

В труднорастворимые соединения, недоступные для растений,

связываются и другие химические элементы питания растений. Например, сера

образует нерастворимое сернистое железо (FeS).

Некоторые химические элементы, и среди них биофилы, переходят в

газообразное состояние, и улетучиваются из почвы. Например, сера образует

газообразный сероводород (Н

S) и улетучивается в атмосферу. Тоже

происходит с азотом, который улетучивается в виде газообразного аммиака

(NH

). В результате почвы обедняются важными элементами питания растений,

какими являются сера и азот.

4.2.4.Повышение концентрации токсичных для растений веществ

Концентрация токсичных веществ в почвах повышается разными

путями:через атмосферу (рис.5), со сточными водами, с техногенными

геохимическими потоками, при внесении в почву минеральных удобрений, при

внесении в почву гербицидов и пестицидов.

едп

тие

Зоны осаждения химических веществ, выпадающих в газообразном виде, в виде аэрозолей и

в пылеобразном (сажа), К

, К

,К

– концентрации осажденных на почвы веществ

Рис. 5. Ареалы рассеяния веществ, разносимых воздушным путем.

4.2.5. Загрязнение почв тяжелыми металлами

К тяжелым металлам сегодня относят химические элементы, которые

даже в малых количествах вызывают нарушение процессов метаболизма в

организмах. К числу тяжелых металлов отнесены 15 химических элементов.

Это в основном микроэлементы и редкие рассеянные: Hg (ртуть), Cd (кадмий),

Pb (свинец), Cu (медь), Zn (цинк), J (иод), Se (селен), F (фтор), CI (хлор), Cr

(хром), Ni (никель), As (мышьяк), Ag (серебро), Sn, (олово) Sb (сурьма). Иногда

негативное вляние на организмы оказывают и некоторые макроэлементы,

особенно Fe, AI, Na.

Исходя из положения о том, что химические элементы выполняют

разнообразную физиологическую роль в процессах развития живых организмов

и растений, следует говорить не о токсичности элементов, а о токсичных

уровнях их содержания в природных объектах.

Следует иметь в виду, что в настоящее время нет однозначного научного

определения понятию "тяжелые металлы". Это скорее бытовое понятие. В

список "тяжелых металлов" включены не только металлы, но и галогены (J, F,

Cl). Но главная неопределенность состоит в том, что многие из этих "тяжелых

металлов" играют разную физиологическую роль в жизни живых организмов.

Так, цинк, медь, железо в малых количествах являются не токсикантами, а

наоборот, стимуляторами роста. Поэтому при накоплении в почвах этих

химических элементов, следует говорить не просто о "загрязнении почв

тяжелыми металлами", а об их количестве, оказывающем отрицательное

воздействие на живые организмы. Для этого введено наиболее удобное для

этого понятие "о предельно допустимых концентрациях" (ПДК).

Выше приведено понятие "о степени опасности" химических веществ и

выделено их три класса.

- К первому классу высоко опасных веществ отнесены мышьяк, кадмий,

ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бензо(а)пирен.

- Ко второму классу умеренно опасных веществ отнесены бор, кобальт,

никель, молибден, медь, сурьма, хром.

- К третьему классу мало опасных химических веществ отнесены барий,

ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон.

Во всех, без исключения, почвах встречаются более 90 химических

элементов, включая и так называемые тяжелые металлы. Но токсикантами

могут оказаться любые из этих 90 элементов. Все зависит от их

количественного содержания. Микроэлементы (тяжелые металлы - медь, цинк

и др.) в малых количествах являются стимуляторами роста и развития

растений, а в повышенных количествах они оказываются токсикантами.

Многие химические элементы становятся токсикантами в количествах,

превышающих величину их ПДК, когда они отрицательно воздействуют на

организмы и, в первую очередь, на растения.

В разных природных объектах (почвах, природных водах и т.п.) величины

ПДК, для одного и того же химического элемента, разные. При содержаниях

выше величины ПДК, наиболее токсичными являются ртуть, кадмий, мышьяк,

цинк, свинец (табл.5). Опасность химического элемента в почвах

обуславливается еще и времением его полуудаления (выщелачивания и т.п.).

Так,для цинка это время составляет 70 - 510 лет, для кадмия -13- 110 лет,для

меди - 310 - 1500 лет, для свинца -- 740 - 5900 лет (Г.С. Фомин, А.Г. Фомин,

2001).

Таблица 5

Фоновое содержание тяжелых

металлов и мышьяка в почвах (мг/кг)

Почвы Zn Cd Pb Hg Cu Co Ni As

Дерново-подзолистые песчаные

и супесчаные

28 0,05 6 0,05 8 3 6 1,5

Дерново-подзолистые

суглинистые и глинистые

45 0,12 15 0,10 15 10 30 2,2

Серые лесные 60 0,20 16 0,15 18 12 35 2,6

Черноземы 8 0,24 20 0,20 25 15 45 5,6

Каштановые 54 0,16 16 0,15 20 12 35 5,2

В повышенных концентрациях токсичными могут быть и типичные

биофилы, такие как азот и сера. Двухвалентное железо токсично в любых

количествах.

Повышенные концентрации тяжелых металлов в почвах могут быть

кратковременными, и постоянными. Долго живущие в почвах тяжелые

металлы, т.е плохо растворимые, даже при разовом внесении, могут длительное

время оказывать негативное воздействие на развитие растений.

Накопление в почвах химических элементов, особенно тяжелых

металлов, приводят к химическому загрязнению почв. Один и тот же

химический элемент (тяжелый металл), загрязнителем может быть в разных

почвах в разных концентрациях. В настоящее время в разных регионах

довольно заметно проявилось загрязнение почв свинцом. Наиболее высокое

оно в почвах Приморского края (23,7%), особенно вокруг городов Владивосток,

Дальнегорск, Рудная Пристань. Вокруг города Москвы и в Свердловской

области свинцом загрязнено 20% почв, в Новгородской и Иркутской - !!%.

Почвы, богатые органическим веществом, загрязняются медленнее, и в

меньшей степени, чем мало гумусированные. Так, 5 мг/кг кадмия на бедных

дерново-подзолистых почвах являются токсичными для растений. На

окультуренных же, дерново - подзолистых почвах, кадмий токсичен только при

содержании 50 мг/кг. Цинк, в дерново-подзолистых почвах, токсичен при 50

мг/кг, а в черноземе – только при 500 мг/кг. Отсюда ясно, что для каждой

почвы, как и для каждой сельскохозяйственной культуры, свойственны свои

величины ПДК каждого химического элемента.

Степень воздействия химических элементов на живые организмы

определяется не только величиной ПДК химического элемента, но и его

свойствами.

Свойства химических элементов проявляются в их физиологической

роли, Физиологическая роль различных химических элементов разная, и она

может быть как положительной, так и отрицательной. Один и тот же

химический элемент неодинаково воздействует на живые организмы.

Все химические элементы, в зависимости от их физиологической роли в

жизни живых организмов, разделяются на органогены и примеси.

Органогены разделяются на две группы:

-абсолютные органогены (или биофилы), это элементы, без которых живые

организмы не развиваются: О, Н, С, N, Мg, К, S, Р;

-специальные органогены - необходимые только некоторым организмам: Са, Si,

Сu, Fe, Мn, Nа, В, V, I.

-Примеси – не нужны живым организмам, но «захватываются» ими.

-Среди примесей выделяют экологические и абсолютные. Абсолютные

совершенно не нужны живым организмам, а экологические «захватываются» на

рудных выходах.

Таблица 6

Показатели уровня загрязнения почв химическими веществами

Величины ПДК в мг элемента в кг почвы

Уровни загрязнения

Элемент

Допустимы

Низкий Средний Высоки

Очень

высокий

Неорганические соединения

Cd < ПДК от ПДК о 3 3-5 5-20 >20

Pb < ПДК от ПДК до 125 125-250 250-600 >600

Hg < ПДК от ПДК до 3 3-5 5-10 >10

As < ПДК от ПДК до 20 20—30 30-50 >50

Zn < ПДК от ПДК до 500 500-1500 До 3000 >3000

Cu < ПДК от ПДК до 200 200-300 300-500 >500

Co < ПДК от ПДК до 50 50-150 150-300 >300

Ni < ПДК от ПДК до 150 150-300 300-500 >500

Mo < ПДК от ПДК до 40 40-100 100-200 >200

Sn < ПДК от ПДК до 20 20-50 50-300 >300

Ba < ПДК от ПДК до 200 200-400 До2000 >2000

Cr < ПДК от ПДК до 250 250-500 500-800 >800

W < ПДК от ПДК до 225 225-300 300-350 >350

F < ПДК от ПДК до 15 15-25 25-50 >50

Степень и характер загрязненности почв химическими элементами

оценивется их величиной ПДК. В настоящее время выделяется 5 уровней

загрязнения почв (табл.6).

4.2.6. Загрязнение почв биоцидами

К биоцидам относятся химические вещества, уничтожающие (или

угнетающие развитие) сорной растительности, или жизнь паразитов.

Химические вещества, уничтожающие сорняки называются гербицидами

(герби – трава, циди – убивать).

Химические вещества, применяемые для уничтожения вирусов, как

источников заболеваний сельскохозяйственных растений, называют

пестицидами (пестис – зараза, циди – убивать).

Химические вещества, используемые для уничтожения насекомых,

вредителей растениеводства, называют инсектицидами (инсектум – насекомые,

циди – убивать).

Все эти вещества, т.е. гербициды, пестициды и инсектициды имеют

общее название - «биоциды».

Биоциды применяют для уничтожения сорной растительности, вредных

насекомых или вирусов в разных количествах, и в разное время. Ими

опрыскивают или только почвы, или почвы и посевы, или обрабатывают семена

перед их высевом в почву.

Опрыскивание почв или посевов проводят или с воздуха (при помощи

самолетов), или наземным способом (опрыскивателями, распылением и т.п.).

При использовании биоцидов необходимо строго соблюдать технику

безопасности, направленную на защиту людей и животных.

В настоящее время в сельском хозяйстве применяют три вида

органических соединений типа инсектицидов, пестицидов и гербицидов (табл.

7).

Таблица 7

Биоциды и величины их ПДК

Биоциды ПДК, мг/кг почвы

1. Хлорорганические инсектициды:

а)ДДТ и его метаболиты 1,0

б) полихлорпинен /ПХП/ 0,5

в) полихлоркамерон /ПКХ/ 0,5

г) гексахлорциклотексан /ГХЦТ/ 1,0

2. Фосфорорганические пестициды:

а) метафос 2,0

б) карбофос 2,0

в) монурон 5,0

3. Фосфорорганические гербициды:

а) 2,4 -Д 0,2

б) атразин 0,5

в) симазин 0,5

г) прометрин 0,5

В России наибольшее количество пестицидов применяется в

Краснодарском и Ставропольском краях и в Башкирии. Несколько меньше

пестицидов применяется в центральных районах России. Всего в России в

настоящее время вносится в почвы в среднем 50 тыс. тонн.

Биоциды, как органические соединения, являются устойчивыми к

разложению. Они долгое время сохраняются в почвах в неизменном виде, что

приводит к их накоплению, в количествах выше ПДК. В результате почвы

оказываются загрязненными. Но главное воздействие биоцидов проявляется на

живых организмах и растениях, развитие которых может не только угнетаться,

но и чревато заболеваниями. Конечной цепью в этих процессах может

оказаться человек.

В сельском хозяйстве применяются разнообразные ядохимикаты (табл. 8)

Таблица 8

Ядохимикаты, применяемые на посевах риса в Приморском крае

Сроки

применения

Препарат Классифик

ация по

действию

Мероприятия

Норма

расхода

кг/га

Гранозан 1,5-2 За месяц до

посева

Фентиурам

Фунгицид

Протравливание

семян

Апрель-май Ордрам Гербицид Опрыскивание почвы 7

Сатурн Гербицид Против сорняков 8-10

Фаза3-5 лис Далапон Опрыскивание почв 20

Пропанид 20 Период

всхода,1-3

листа у риса

Ронстар +

пропанид

Гербицид

Против злаковых и

некоторых

двудомных

2 +5

2,4 – Д 3-5

Базагран 2-4

Фаза

кущения

2 М-4

Гербицид

Опрыскивание

сорняков

1,3-2

Хлорофос 2 Июнь-июль

Метафос .

Инсектиц

Авиа обработка

0,75

.Цинеб 80% Август

.Рицид П 50%

Фунгицид

Предупреждение и

подавление эпифито

1-2

Вегетации Медный купор Альгицид появления водорос 10-12

Уборочный

период

.Хлорат магния Десикант Предуборочное

подсушивание риса

30-50

кг/га

Биоциды, как возможные загрязнители почв, по степени своего

воздействия разделяются на группы, составляющие 3 класса опасности

пестицидов (табл. 9).

При применении биоцидов в растениеводстве, необходимо учитывать их

характеристику, так как они могут явиться загрязнителями почв. Исходя из

этого, следует планировать агротехнику, применяемую для возделывания

сельскохозяйственных культур.

Таблица 9.

Классификация биоцидов, как возможных загрязнителей почвы

(по М.С. Соколову, 1976)

Классы опасности Соединения

I класс: Сильнотоксичные

(инсектициды,зооциды,протрав

и-тели)

Гранозан > ГХПГ, гептахлор > тиодан >

цирам, метафос, севин > линдан, фосфид

цинка > карбатион, ДНОК, ТМТД, ПХП >

ПХК

II класс: Среднетоксичные Атразин, симазин, ПХФ, 2,4-Д, 2-9 КМ,

метилмеркаптофос>гардона, карбин,

трефлан, нитрафен, тиозон, цидиан > ИФК,

ДДВФ, карбофос, сойфос, хлорофос

>купрозан, монурон, прометрин, фосфамид,

фозалон > пирамин, тиллам, ТХА,

трихлорметафос, фталофос

III класс: Слаботоксичные

гербициды и фунгициды

Хлор-ИФК, эфирсульфонат, арезин,

менурон, метилнитрофос, семерон>антио,

культан>кератан, поликарбацид, далапон,

диурон, купроцин, солан > дактал, ДМХ,

дихлорэтан, тедион, фигон,цинеб > фталан,

дентахлорнитробензол

4.2.7. Загрязнение почв нефтепродуктами.

В период интенсивного развития промышленности и транспорта,

повысилось производство и использование нефтепродуктов. Нефтепродукты

транспортируются на огромные расстояния. Сегодня в России функционирует

более 200 тысяч километров магистральных и 350 тысяч километров

промысловых трубопроводов. Для нефтепродуктов повсеместно создаются

нефтехранилища, из которых происходит их утечка. Это связано с авариями из

- за износа емкостей, а также с нарушением технологии хранения и

эксплуатации нефтехранилищ и транспортирующих систем.

Нефтепродукты попадают в почвы, в природные воды, загрязняя их.В

настоящее время теряется до 1,5% объема добытой нефти. Эти потери

попадают в почвы, в реки и другие водоемы, приводя к их загрязнению.

Загрязненность почв нефтепродуктами нередко достигает 10 кг/м

(при ПДК=

о.1 мг/кг почвы), а в водоемах - до 20 мг/л (при ПДК = 0,05 мг/л). При

содержании в почве нефтепродуктов около 300 мг/кг, она становится

субстратом, на котором биота или угнетается, или погибает.

Разлив сырой нефти приводит к образованию на поверхности почв

битуминозных солончаков, к цементации поверхности почв, их гудронизации, к

отакыриванию.

Нефть и нефтепродукты вызывают подщелачивание почв, их

осолонцевание, гибель почвенной мезофауны.

Загрязнение почв сырой нефтью и нефтепродуктами происходит в зоне

действия нефтепромыслов, на территориях нефтехранилищ, на заправочных

станциях, а также в зоне производственных предприятий, сжигающих

нефтепродукты. Последние выбрасывают в атмосферу большое количество

сажи, сернистых соединений, которые в итоге попадают в почву и в природные

воды, загрязняя их.

Наиболее интенсивно загрязняются нефтепродуктами в районах добычи

нефти: Западная Сибирь, Башкирия, северный Кавказ, Татария, Среднее и

Нижнее Поволжье, республика Коми, северный Сахалин.

4.2.8. Загрязнение почв радионуклидами

Под радионуклидом понимается химический элемент, способный

излучать (ионизировать) электроны из электрически нейтральных атомов и

молекул. Это недолго живущие изотопы, спонтанно излучающие электроны.

Процесс излучения электронов называется ионизирующей радиацией.

Различают излучение электромагнитное (рентгеновские лучи) и

корпускулярное (поток нейтронов, протонов, альфа - и бета лучи)

По классификации М.А. Глазовской (1979) , радионуклиды входят в

группу активных загрязнителей почв. Наибольшую опасность представляют

долгоживущие радионуклиды: Sr

(стронций), Ru

106

(рутений), J

120

(йод), Сs

137

(цезий), Се

144

(церий), Ra

226

(радий), Th

232

(торий), U

238

(уран), Pu

239

(плутоний).

Ионизирующая радиация способна проникать в живые ткани и воздействовать

на них, вызывая различные изменения: мутации, лучевую болезнь и др.

Изменения в живых организмах наступают даже при небольших

превышениях величин фоновой, естественной, радиации (табл. 10). Эта

радиация вызывает ионизацию, или излучение электронов, непосредственно в

живом организме.

Степень воздействия ионизации на живые организмы зависит от

величины его индивидуальной радио чувствительности. Превышение этой

величины может вызвать не только заболевание, но и серьезные генетические

изменения, в виде мутаций.

Среди радиоактивных элементов в почвах наиболее распространены

такие элементы: К

, С

, Н

, CI

. В почвах, формирующихся на изверженных

породах, могут встречаться уран, торий, актиний. В почвах, развивающихся на

породах, богатых полевыми шпатами и слюдами, отмечается повышенное

содержание К

. А такие элементы, как С

, Н

накапливаются в основном в

органическом веществе.

Фоновые величины радиоактивных веществ в почвах, как и в других

природных объектах, не велики, и не представляют угрозы для живых

организмов (табл. 10). Однако, под воздействием антропогенных факторов,

концентрации их могут резко повышаться.

На состояние радиоактивности окружающей среды, включая почвы,

оказывают такие виды хозяйственной деятельности человека как добыча,

переработка, транспортировка и использование руд, содержащих

радиоактивные изотопы. Но наибольшую угрозу для живых организмов,

природных вод и почв представляют аварийные выбросы радионуклидов

атомными электростанциями, а также производство радиоактивных веществ.

Особенно опасны испытания атомного оружия, не говоря уже о его

применении.

Таблица 10

Естественные (фоновые) величины радиоактивных

элементов в земной коре (Бк/кг). Данные FRg Federal Ministry of Interior.

Annual Reporton Environ mental Radioactivity. –Bonn. – 1983

Объекты К

Ро

210

226

232

238

Почвы 40-1000 10-40 40 - - -

Верхние горизонты

почв

- 20 10-200 - - -

Кора выветривания 700 - - 200 40 40

Изверженные породы 300-1000 - 20-200 - 40-600 20-

100

Осадочные породы 100 - 20 - 10 20

После взрыва ядерного оружия, период выпадения продуктов

радиоактивного распада может растягиваться на несколько лет. В настоящее

время 15% Европейской части России загрязнено цезием -127, как результат

аварии на Чернобыльской АЭС. На Южном Урале, от трех аварий на заводах,

загрязнено 23 тысячи квадратных километров.

Источником радионуклидов могут быть не только урановые руды и

продукты их переработки, но и другое минеральное сырье, и даже бурые угли.

Сравним: 1 кг урановой руды содержит – 1,1 кБк U

235

+ 21,6 кБк Th

230

+ 21,8

кБк Ra

226

+ 1 кБк Ra

231

. А 1 кг бурого угля содержит – 37 Бк U

238

+ 18,5 Бк Ra

226

+ 26 Бк Рb

210

+ 30Бк Ро

210

+ 18,5 Бк Th

232

+ 7,5 Бк Th

228

+ 130 Бк К

Радиоактивному загрязнению обычно подвергаются одновременно все

природные объекты (почвы, воды, растения и т.п.). Поэтому радиоактивное

загрязнение представляет угрозу прежде всего для всех живых организмов.

Экологические последствия радиоактивных загрязнений разнообразны в своем

проявлении. Они захватывают обычно большие территории, и могут носить

глобальный характер (табл. 11).

Самой благоприятной средой поглощения радиоактивных химических

элементов является почва. Она выступает как мощный природный сорбент.

Поглощение осуществляется глинистыми минералами типа монтмориллонита,

которыми богаты многие почвы, а также почвенными коллоидами и

органическим веществом почв, особенно гумусом. Экспериментально показано,

что спустя 36 лет, в 20 сантиметровом слое почвы сохранилось 70%

радионуклидов.

Чем богаче почва этими компонентами, тем активнее, и тем в большем

количестве, она поглощает радионуклиды. Такие почвы быстро загрязняются

радионуклидами.. Наиболее интенсивно почвы поглощают стронций (Sr

) и