CC BY
18СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 631.445.25:631.41:631.879.3:663.551.6:631.95.003.12
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ СПИРТОВОЙ БАРДЫ НА СОСТАВ, СВОЙСТВА И УСТОЙЧИВОСТЬ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ К ПРЯМЫМ, НЕЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Горшкова А.С., бакалавр 3 курса направления подготовки 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», Елизаров Н.А., магистрант 2 курса направления подготовки 35.04.04 «Агрономия», кружок НИРС «Экология почвы». Научный руководитель: д.с.-х.н., профессор Степанова Л.П. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
Ежегодно на предприятиях спиртовой отрасли РФ в виде отходов спиртового производства образуется около 10 миллионов тонн барды. Реализация жидкой барды на большинстве предприятий практически сведена к минимуму. Зачастую ее сливают в реки и овраги, в лучшем случае в пруды - накопители, создавая сложную экологическую ситуацию прилегающих территорий. Сброс неполно очищенных, промышленных и коммунальных сточных вод, поступление дренажного стока сельскохозяйственных угодий приводит к загрязнению рек, водоёмов и орошаемых земель, что отражается на сильном загрязнении ила донных отложений и загрязнения аллювиальных почв. Таким образом, деградационные изменения почв, как средства сельскохозяйственного производства обусловливают потери плодородия почв и продуктивности земель, деградацию почвы, как исторически сложившегося тела, то есть уменьшение её надёжности, эластичности и долговечности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Серая лесная, спиртовая барда, тяжёлые металлы, коэффициент концентрации, суммарный коэффициент накопления, органическое вещество, подвижный фосфор, обменный калий.
ABSTRACT
Every year at the enterprises of the alcohol industry of the Russian Federation in the form of alcohol production waste is formed about 10 million tons of bard. The implementation of liquid bard at most enterprises is practically reduced to a minimum. Often it is drained into rivers and ravines, at best into storage ponds, creating a difficult ecological situation in the surrounding areas. The discharge of incompletely treated, industrial and municipal wastewater, the inflow of drainage runoff from agricultural land leads to pollution of rivers, reservoirs and irrigated lands, which is reflected in the strong contamination of silt of bottom sediments and pollution of alluvial soils. Thus, soil degradation changes as means of agricultural production cause losses of soil fertility and land productivity, soil degradation as a historically formed body, that is, a decrease in its reliability, elasticity and durability.
KEYWORDS
Gray forest, alcohol bard, heavy metals, concentration coefficient, total accumulation coefficient, organic matter, mobile phosphorus, exchange potassium.
Введение. Разнообразие природно-климатических и почвенных условий России обусловливает проблему рационального использования земельных ресурсов с учётом
специфических особенностей почвенного покрова, как на региональном, так и на федеральном уровнях административного управления [2, 4, 11].
В настоящее время в условиях интенсивных антропогенных воздействий на почву происходит уничтожение почвенного покрова на значительных территориях, загрязнение почв, ухудшение их свойств, а продолжающееся сокращение сельскохозяйственных земель в результате отчуждения и деградационных процессов создаёт опасную эколого-экономическую ситуацию [3, 8, 12].
Одним из главных направлений улучшения сложившейся ситуации является создание экологически устойчивой системы землепользования, так как почвы являются фильтром для поступающих в экологическую систему соединений, токсикантов, местом их аккумуляции и важнейшим фактором их трансформации. Это вызывает необходимость детального изучения агроэкологической оценки систем землепользования и разработки дифференцированных мероприятий, обеспечивающих воспроизводство плодородия почв, рост урожаев и экологическую устойчивость пахотных земель [5, 6, 10].
Повсеместное загрязнение почв химическими веществами отходов различного происхождения привело к уменьшению почвенного плодородия, увеличению токсикоза почв, ухудшению качества сельскохозяйственной продукции [1, 7, 9].
В связи с этим, особую актуальность представляют исследования, раскрывающие количественные и качественные показатели степени антропогенных воздействий на гумусовые (пахотные) горизонты почв земель сельскохозяйственного назначения и характер их преобразованности.
Цель исследований: установить влияние антропогенных воздействий (слива спиртовой барды) на состав и свойства серых лесных почв земель сельскохозяйственного назначения.
При этом решению подлежат следующие задачи:
1. Оценить степень вреда, причинённого серым лесным почвам сельскохозяйственных земель, в результате неконтролируемого слива отходов спиртового производства (спиртовая барда).
2. Установить степень изменения показателей плодородия пахотного слоя серых лесных почв земель сельскохозяйственного назначения по величине рН солевой вытяжки; содержанию органического вещества; степени обеспеченности доступными формами Р205, К20 и N-N03 в связи с разливом на поверхности почв спиртовой барды.
3. Показать характер изменения количества подвижных форм тяжёлых металлов (Со, Мп, Си, N1, РЬ, 7п) в пахотном слое серой лесной почвы и степени их накопления и подвижности под действием разлива отходов спиртового производства на поверхности почвы.
4. Определить экономический ущерб, нанесенный серым лесным почвам земель сельскохозяйственного назначения несанкционированным размещением отходов производства (спиртовой барды).
Объекты и методы исследования: в условиях серых лесных среднесуглинистых почв земель сельскохозяйственного назначения были проведены исследования по оценке характера изменения состава и свойств почв под влиянием неконтролируемого слива спиртовой барды.
Химический состав спиртовой барды: сухой остаток - 3,7%, рН - 4,3, массовая доля питательных веществ в пересчете на сухое вещество, мг/кг: азот общий -3900, фосфор общий (Р2О5) - 686, калий общий (К2О) - 1230.
Отбор образцов почв на землях сельскохозяйственного назначения, подвергающихся негативному воздействию антропогенеза, для установления степени их антропогенной преобразованности проводили в соответствии с требованиями ГОСТов:
- Определение рН солевой вытяжки выполняли по ГОСТ 26483-85-Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение её рН по методу ЦИНАО.
- Количество органического вещества измеряли по ГОСТ 26213-91-Почвы. Метод определения органического вещества.
- Содержание подвижных соединений обменного калия и подвижного фосфора выполняли по ГОСТ Р 54650-2011-Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.
- Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложений методами атомно-эмиссионной и атомно-адсорбционной спектрометрии для определения марганца и никеля (подвижные формы), М-МВИ-80-2008.
- Методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства для кобальта, меди, цинка и свинца (подвижные формы), ЦИНАО, Москва, 1992 г.
- Определение степени загрязнения тяжёлыми металлами проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.06-86; ГОСТ 17.4.3.03-85; методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий от 10.03.1992; М.1982 ЦИНАО 157с.; М. Гидрометиздат, 1981с.45-73; ГОСТ 17.4.1.02-83; ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 17.4.4.02-84; ГОСТ 28168-89; ГОСТ 17.4.1.03-84; ГОСТ 17.4.2.01-81;
- Отбор почвенных образцов осуществляли согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб». Для отбора проб почвы использовали лопату копательную остроконечную «ГОСТ 19596-87».
Расчет экономического ущерба от загрязнения выполняли согласно методике в ред. Приказа Минприроды России от 25.04.2014 № 194.
Результаты и обсуждение: проведенные исследования последствий неконтролируемого слива спиртовой барды на земли сельскохозяйственного назначения на изменение состава и свойств черноземных почв показали значительные отклонения в показателях агрохимического состояния и содержании тяжёлых металлов в пахотном горизонте почвы ненарушенного земельного участка и загрязненных почв (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние спиртовой барды на изменение физико-химических свойств
серой лесной среднесуглинистой почвы 0-20см)
Варианты опыта рНке! Гумус, % Р2О5 К2О N-N03
мг/кг
Фон (без внесения отходов) 5,30 4,77 100,5 630,0 24,4
Пробная площадка 1 6,62 5,10 90,3 6867 26,0
Степень изменения показателя + 1,32 +0,33 -10,2 +6237 + 1,6
Пробная площадка 2 7,45 5,26 102,3 10416 95,1
Степень изменения показателя +2,15 +0,49 + 1,8 +9786 +70,7
Пробная площадка 3 7,59 5,88 100,3 12090 84,1
Степень изменения показателя +2,29 + 1,11 -0,2 +11460 +59,7
Показатели, характеризующие агрохимическую оценку состояния плодородия верхнего 0-20 см гумусового слоя почвы, убедительно доказали влияние спиртовых отходов на изменение физико-химических свойств серой лесной почвы и ухудшение уровня плодородия почвы. Так, установлено резкое, в 10-19 раз, увеличение концентрации обменных катионов калия, если в пахотном горизонте почвы ненарушенного участка содержание обменного калия составило 630 мг/кг, то количество обменного калия в пахотных горизонтах почв пробных площадок колебалось от 6867 до 12090 мг/кг. При этом высокие концентрации обменных катионов калия в почве могут оказывать токсикологическое действие на растения и почвенную биоту, а также диспергирующее действие на коллоидное состояние почвы, что приводит к разрушению структурных агрегатов почвы, обусловливает пептизацию почвенных коллоидов, вытеснение ионов кальция из поглощающего комплекса.
Высокая концентрация обменного калия является причиной заплывания и уплотнения почвы, образования корки, снижения водопроницаемости, а также ухудшения водного и воздушного режима почвы и, как следствие - снижения плодородной силы и производительной способности почвы.
Содержание подвижных форм фосфора в пахотном горизонте серой лесной почвы под воздействием спиртовой барды изменяется незначительно, если в контрольной пробе почвы количество подвижного фосфора составило 100,5 мг/кг, то при воздействии спиртовой барды его количество колебалось в пределах 90,3-102,3 мг/кг.
Показано изменение концентрации нитратного азота в пахотном горизонте почвы под действием слива спиртовой барды, так, количество нитратов возрастало в 3-4 раза в сравнении с его содержанием в пахотном горизонте незагрязненных почв, или с 24,4 до 95,1 мг/кг.
Действие спиртовой барды на содержание органических веществ (гумуса) в почвах было незначительным, но обусловило увеличение гумуса на 0,33 - 1,11%, так показатели гумусированности почвы изменялись в пределах от 4,77% в ненарушенной контрольной почве, до 5,10 - 5,88%, в пахотном горизонте серой лесной почвы земельного участка со сливом в него спиртовой барды.
Установленное снижение кислотности в пахотном горизонте серой лесной почвы с рН 5,3 ед. в ненарушенном земельном участке до рН 6,62-7,59 ед. опытных пробных площадок нарушенной территории, является следствием повышения концентрации, как ионов калия, так и ионов натрия, содержащихся в используемых отходах производства и оказывающих подщелачивающее действие на почву.
Исследованиями не установлено превышения предельно допустимых концентраций количества подвижных форм анализируемых тяжёлых металлов в пахотном слое серой лесной почвы при воздействии спиртовой барды (табл. 2). При этом установлено изменение степени подвижности и количества подвижных форм тяжёлых металлов в почве в сравнении с их концентрацией в контрольной (фоновой) почве.
Таблица 2 - Влияние спиртовой барды на изменение подвижности и накопления _тяжёлых металлов в серой лесной среднесуглинистой почве (0-20см)_
Варианты опыта Mn ^ № Pb Zn Zc
мг/кг
Фон 0,6 5,35 0,12 1,02 0,03 0,84
Пробная площадка 1 1,7 45,74 0,74 3,01 1,52 5,54 72,82
Кс 2,9 8,55 6,16 2,95 50,67 6,59
Пробная площадка 2 2,05 40,97 0,70 2,85 1,21 6,50 62,77
Кс 3,42 7,66 5,83 2,79 40,33 7,74
Пробная площадка 3 1,45 56,54 0,78 3,22 1,40 5,20 70,44
Кс 2,42 10,5 6,5 3,16 46,67 6,19
По всем исследуемым металлам установлено превышение их содержания в сравнении с контрольной или фоновой почвой. Так, коэффициент концентрации, отражающий интенсивность загрязнения почвы металлами, для кобальта в почвах пробных площадок изменялся в пределах 2,4-3,4 ед., для марганца коэффициент его накопления в пахотном слое под действием спиртовой барды возрастал до 7,7-10,5 единиц, для меди коэффициент его концентрации возрастал до 6,5 единиц в сравнении с контрольной пробой. Концентрация никеля в почве, загрязненной отходами спиртовой барды, превышала содержание никеля в контрольной почве в 2,8-
3,2 раза. Действие спиртовой барды привело к увеличению концентрации свинца, количество которого возросло в 17-50,7 раза в сравнении с фоном, а количество подвижного цинка превышало в 6-8 раз концентрацию этого металла в контрольной ненарушенной почве. Следует отметить, что резкое увеличение концентрации подвижных, то есть миграционно-способных форм тяжёлых металлов в гумусовом слое серой лесной почвы под действием неконтролируемого слива спиртовых отходов, обусловило значительное увеличение суммарного коэффициента накопления исследуемых форм тяжёлых металлов в почве до 62,77 - 72,82 ед. в сравнении с незагрязненной почвой, которые могут поглощаться растениями и вовлекаться в миграционные потоки и загрязнять прилегающие водоёмы и грунтовые воды.
Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжёлые металлы. Размеры поступления тяжёлых металлов в агроландшафт определяется в основном характером человеческой деятельности. Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами вызывает тревогу, потому что оно многопланово: снижается продуктивность растений, нарушаются естественные фитоценозы, идет деструкция потенциала фитомассы, ухудшается качество среды обитания человека, включая качество продукции и продуктов питания.
Поскольку почва является важным фактором, регулирующим поступление тяжёлых металлов в растения, то особую роль приобретает оценка уровней безопасного загрязнения почв тяжёлыми металлами, исходя из недопустимости превышения порога адаптационной возможности наиболее чувствительных групп населения (детей) и экологической адаптационной способности почвы. При этом допустимые уровни загрязнения почвы тяжёлыми металлами не должны приводить к нарушению времени и скорости самоочищающей способности почвы.
Оценка опасности степени загрязнения почвы химическими веществами проводится с учетом следующих общих закономерностей:
- опасность загрязнения тем выше, чем больше фактическое содержание компонентов загрязнения почвы, превышающих ПДК.
- опасность загрязнений тем выше, чем выше класс опасности контролируемого вещества.
- опасность загрязнения тем больше, чем меньше буферная способность почвы.
Исследованиями установлено, что развитие деградационных изменений почвы
при несанкционированном сливе отходов спиртового производства на серых лесных почвах земель сельскохозяйственного назначения приводит к закономерному изменению концентрации тяжёлых металлов. Так, для никеля (№), меди (Си), свинца (РЬ), цинка (7п), кобальта (Со), марганца (Мп) превышения фонового содержания достигали 2,42-50,67 раза в сравнении с фоновым содержанием, так превышение количества кобальта в почвах нарушенных участков достигало 2,4-3,4 раза; для марганца величина превышения составила 7,7-10,5 раза; для никеля отношение концентрации токсичного металла к его фоновому содержанию составило 2,8-3,2 раза, что отражает величину коэффициента аномальности, для подвижных форм меди величина коэффициента аномальности достигала 5,8-6,5 единиц. Превышение содержания подвижных форм свинца и цинка в сравнении с их фоновым содержанием колебалось в пределах 40,3-50,7 ед. для свинца, а для цинка величина превышения достигала 6,2-7,7 ед. Установлено значительное превышение содержание нитратного азота в верхнем слое почве нарушенных участков, которое достигало 59,7-70,7 ед. в сравнении с контрольной фоновой почвой.
Для всех тяжёлых металлов характерна способность к образованию комплексных соединений с гумусовыми веществами почвы, с разными величинами молекулярной массы, в зависимости от качественного состава органического вещества. Можно предположить, что на разных этапах деградационных изменений почвы образуются органоминеральные комплексы разной степени прочности и подвижности.
Таким образом, по полученным данным можно сделать вывод, что эволюция почвы и ее преобразование в условиях развития деградационных процессов, а также формирование плодородия почвы происходит в условиях синергитических и альтернативных путей возникновения свойств почвы и перевод почвы в менее стабильное состояние, которое приводит к интенсивной деградации почвы.
Расчет экономического ущерба от загрязнения пахотного слоя серой лесной почвы в результате несанкционированного размещения отходов спиртового производства (спиртовой барды) и развития природно-антропогенных деградационных изменений показал, что исчисление вреда, нанесенного почвам, выполненный согласно методике (в ред. Приказа Минприроды России от 25.04.2014 № 194), достигало 6667200 руб.
УЩзагр = СЗ х S х Кг x Кисх х Тх, где
УЩзагр - размер вреда (руб.);
СЗ - степень загрязнения, которая зависит от соотношения фактического содержания нго загрязняющего вещества в почве к нормативу качества окружающей среды для почв;
S - площадь загрязненного участка (кв. м);
Кг - показатель в зависимости от глубины загрязнения или порчи почв, равен=1;
Кисх - показатель в зависимости от категории земель и целевого назначения, на которой расположен загрязненный участок, равен=1,6 ед;
Тх - такса для исчисления размера вреда, причиненного почвам как объекту окружающей среды, при загрязнении почв, равна 500 руб/м2;
УЩзагр=6 х 1 х 1389м2 х 1,6 х 500 руб/м2 = 6667200 руб.
Таким образом, изменение плодородия серых лесных почв в результате антропогенного воздействия, вызванного несанкционированным вывозом и размещением отходов спиртового производства на землях сельскохозяйственного назначения, приводит не только к накоплению тяжёлых металлов и уменьшению экологической устойчивости почвы, и как следствие, снижению урожая, но и наносит экономический ущерб, требующий значительных затрат на воспроизводство утраченного плодородия и получение запланированного урожая.
В связи с размещением отходов спиртового производства (спиртовой барды) на серых лесных почвах сельскохозяйственных земель произошло образование элементарного геохимического агроландшафта с выраженными усилением процессов оподзоливания, изменением окислительно-восстановительных условий, миграцией органоминеральных соединений, изменением микробиологического состояния почвы, что представляет реальную опасность в волновом распространении загрязняющих веществ в горизонтальном и вертикальном направлениях, как в почвах нарушенных территорий, так и на прилегающих к ним почвенным ареалам.
Нарушение геохимических барьеров, характерных для профиля серых лесных почв, обусловленное размещением отходов спиртового производства, создает экологическую напряженность исследуемых территорий и требует контроля изменения показателей, характеризующих экологическое состояние ландшафтов в сезонной динамике от весны к лету и осени, и от осени - к зиме и весне, так как знание таких изменений позволяет более точно прогнозировать изменение физико-химических и агрохимических свойств почв в течение года и позволит более точно прогнозировать оценку степени влияния отходов на плодородие почвы и степень ее эволюционных изменений.
Выводы:
1. Доказано значительное превышение содержание нитратного азота в гумусовом слое серой лесной почвы, нарушенной воздействием слива спиртовой барды: количество нитратов возрастало с 24,4 до 95,1 мг/кг, содержание гумуса увеличилось на 0,33-1,11% в сравнении с их содержанием в пахотном горизонте незагрязненных почв, а степень кислотности снижалась от рН 5,3 до рН 7,59 под действием спиртовой барды.
2. Установлены превышения фонового или контрольного содержания подвижных форм тяжёлых металлов при загрязнении гумусового слоя серых лесных почв отходами спиртового производства таких металлов, как никель (Ni), медь (Cu), свинец (Pb), цинк (Zn), кобальт (Co) под действием спиртовой барды в 2,4-50,7 раз.
3. Высокий уровень значений величины суммарного накопления тяжёлых металлов в почвах нарушенных земельных участков под действием спиртовой барды изменялся в пределах 62,8-72,8 ед., что определяет высокий уровень деградационного изменения почвы и снижение её производительной способности.
4. Максимальный уровень значения коэффициента суммарного накопления тяжёлых металлов определяет возникновение высокого уровня токсичности тяжёлых металлов и проявления их губительного канцерогенного, мутагенного, ингибирующего действия на организмы и снижение плодородия почвы.
5. Изменение плодородия серых лесных почв в результате антропогенного воздействия, вызванного несанкционированным сливом спиртовой барды на землях сельскохозяйственного назначения, наносит значительный экономический ущерб в размере 6667200 рублей, требующий значительных затрат на воспроизводство утраченного плодородия и получение запланированного урожая.
Библиография:
1. Глазунов Г.П., Панкова Т.И., Брескина Г.М. Влияние степени антропогенной нагрузки на отдельные компоненты органического вещества почвы // Успехи современной науки. 2016 № 9. С.179-182.
2. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв: Учебник. М.: Изд-во Моск. ун-та; Наука, 2015. 364 с.
3. Елизаров Н.А. Влияние антропогенных воздействий на изменение показателей плодородия аллювиальных почв // Научный журнал молодых ученых. №2(19), Июнь 2020. С. 38-42.
4. Экогеохимия ландшафтов: Учебное пособие / И.С. Кауричев [ и др.]. Орел: Орёл ГАУ, 2014. С. 49-51.
5. Кирейчева Л.В., Лентяева Е.А. Восстановление антропогенно деградированных почв земель сельскохозяйственного назначения // Агрохимический вестник. 2016. № 5. С. 2-6.
6. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: Методическое руководство / Под ред. В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 794 с.
7. Полякова Н.В., Платонычева Ю.Н., Володина Е.Н. Особенности почвообразования в серых лесных почвах под влиянием антропогенного фактора // Плодородие. 2011. №4 (61). С.32-34.
8. Размахнина М.А. Влияние антропогенных факторов на загрязнение почв // Международный журнал экспериментального образования. 2015. №12-2. С. 293-296.
9. Савич В.И. Физико-химические основы плодородия почв. М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2013. 431 с.
10. Савич В.И., Никиточкин Д.Н., Гукалов В.Н. Оптимизация свойств почв в период интенсивного ведения сельскохозяйственного производства и загрязнения среды. М.: ВНИИА, 2014. 470 с.
11. Состояние плодородия антропогенно-измененных серо-лесных почв и его эколого-экономическая оценка / Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, Е.А. Коренькова, А.В. Писарева // Вестник РУДН серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2015. № 3. С. 105-114.
12. Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Писарева А.В. Геохимическая характеристика антропогенно-преобразованных ландшафтов // Агрохимия. 2016. № 10. С. 96-103.
