CC BY
29
УДК 631.81.033; 631.82; 631.8
ОСОБЕННОСТИ ВЕДЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА НА ТЕРРИТОРИЯХ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЭКОТОКСИКАНТАМИ
Н. В. Криушин, канд. с.- х. наук; З. А. Кирасиров, канд. с.-х. наук ГНУ Пензенский НИИСХ, т. 8 (41-61) 2-14-25, e-mail: penznish@sura. ru
В статье предложен комплекс мероприятий, позволяющий уменьшить ущерб для сельскохозяйственного производства при его ведении в условиях антропогенного загрязнения почвенного покрова.
Ключевые слова: радионуклиды, тяжелые металлы, накопление экотоксикантов, мероприятия по снижению содержания экотоксикантов.
Активное освоение атомной энергии в различных отраслях народного хозяйства, в первую очередь ядерной энергетики, привело к необходимости проведения исследований в области сельскохозяйственной радиологии и охраны окружающих земель. Вследствие эксплуатации АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла, а также при возникновении аварийных ситуаций часть продуктов деления и нейтронной активации может поступать в биосферу.
Выпадение радиоактивных аэрозолей «твердой» или «влажной» формы на поверхность растений приводит к накоплению в их надземной массе оседающих радионуклидов. Радиоактивные вещества могут поступать также и из почвы через корневую систему растений. При этом значительна роль таких факторов, как климатические условия и типы почв.
Кроме того, развитие промышленности в районах интенсивного земледелия, применение химических средств в сельском хозяйстве образовали антропогенные потоки экотоксических веществ, отличающиеся от природных очень высокой степенью их концентрации.
Особую группу загрязнителей представляют тяжелые металлы (ТМ), сохраняющиеся в почве длительное время и поступающие в разные органы растений. Рост концентрации ТМ в окружающей среде способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистем, передвижению по трофической цепи. Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом, канцерогенным действием. К их числу относятся кадмий, свинец и др.
В настоящее время почва является основным источником поступления радионуклидов и тяжелых металлов в сельскохозяйственную продукцию. Как сложная многофазная система, почва оказывает значительное влияние на миграцию экотоксикан-
тов. С одной стороны, происходит их сорбция твердой фазой почвы, с другой - идут процессы перераспределения в более глубокие слои [1].
Основным радионуклидом, загрязняющим продукцию, выращиваемую в Пензенской области, является цезий-137. Цезий-137 закрепляется в почве преимущественно по типу необменного поглощения и прочно фиксируется ее твердой фазой.
На территории Пензенской области 92 % пашни по механическому составу представлено почвами глинистыми и тяжелосуглинистыми. Основная площадь занята выщелоченными черноземами (около 75 %). Миграция радионуклидов на этих почвах протекает медленно, и основная доля радионуклидов находится в слое 0...20 см. На затопленных участках (например, в поймах) миграция радионуклидов происходит более интенсивно, цезий - 137 проникает до глубины 30 см и более. Кроме того, хозяйственная деятельность человека, в частности перепашка угодий, приводит к достаточно равномерному распределению радионуклидов в пределах пахотного слоя, а вспашка с оборотом пласта обуславливает перемещение радионуклидов в глубь почвы.
О влиянии минеральных, органических удобрений и известкования на превращения форм ТМ в почве можно судить по коэффициенту их подвижности, который представляет отношение подвижной формы элемента к валовой. Наибольший коэффициент отмечен у кадмия - от 12 до 19 %, свинца - 7...10 и цинка 5...7 %. Применение минеральных удобрений снижает подвижность ТМ в 1,2 + 1,5 раза.
На накопления радионуклидов и ТМ сельскохозяйственными растениями из почв влияют физико-химические характеристики токсикантов, свойства почв, биологические особенности растений и агротехника возделывания культур [2].
Наибольшее поступление изотопов отмечено у зернобобовых культур (горох, вика), бобовых трав (клевер), затем в нисходящем порядке идут корнеплоды и клубнеплоды (столовая свекла, картофель), злаковые зерновые (овес, пшеница, ячмень) и злаковые травы. Доступность растениям радионуклидов повышается с уменьшением в почве физической глины, ила, органического вещества, обменных катионов, емкости поглощения, некоторых минералов [3].
Растения, поглощающие больше калия, накапливают в своих органах больше радиоцезия.
В условиях промышленного производства возможно одновременное загрязнение окружающей среды не только радионуклидами, но и тяжелыми металлами. Среди таких элементов наибольший интерес представляют такие ТМ, как РЬ, С^ 2п и др. ввиду их высокой токсичности и способности накапливаться в растениях в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК).
Фитотоксическое действие ТМ выражается в снижении урожая, угнетении развития растений, интенсивности хлорозов.
Выявлены различия в устойчивости растений к тяжелым металлам. В частности, растения томатов устойчивы к высоким концентрациям кадмия (вплоть до 10 мг/г), а картофель отличает высокая чувствительность к РЬ. Устойчивость растений к одному металлу, как правило, не распространяется на другие [4].
Накопление ТМ в растениях не пропорционально их содержанию в почве. Так, с увеличением ТМ в почве от 1 до 7,5 ПДК поступление РЬ в корнеплоды свеклы возрастает в 4,4 раза; С^ 2п и Си - в 2,8; 2,0 и 1,5 раза, соответственно. Для других культур аналогичные значения несколько ниже: от 1,2 раза для РЬ (пшеница (зерно)) до 2,6 раз для Cd (картофель (клубни)) [5].
По степени накопления ТМ в продукции растениеводства сельскохозяйственные культуры, в зависимости от их видовых особенностей, можно расположить в следующие нисходящие ряды [6]:
РЬ: конопля > донник > суданка > гречиха > бобы = горох > просо > овес > ячмень > морковь > лук = капуста = кабачки;
Cd: донник > суданка > овес > гречиха = конопля > просо > ячмень = бобы > горох
> лук = капуста >морковь > кабачки;
2п: бобы > горох > конопля > донник > ячмень > гречиха > просо > суданка > овес
> капуста > морковь > лук > кабачки;
Си: бобы > просо > донник > гречиха > горох > ячмень > конопля > овес > суданка > морковь = капуста > лук > кабачки
Система ведения растениеводства на загрязненных территориях должна включать комплекс мероприятий, направленных на получение относительно «чистой» продукции, которые подразделяются на организационные, агротехнические, агрохимические и технологические.
К организационным мероприятиям можно отнести:
- проведение инвентаризации угодий по плотности загрязнения радионуклидами и тяжелыми металлами и составление соответствующих картограмм;
- прогнозирование содержания радионуклидов и ТМ в урожае;
- инвентаризацию угодий в соответствии с результатами прогноза и определение площадей, где возможно выращивание культур различного использования: на продовольственные цели, для производства кормов, для получения семенного материала, на техническую переработку;
- изменение структуры посевных площадей.
В связи с тем, что основным радионуклидом, загрязняющим продукцию, выращиваемую в области, является цезий - 137, предлагается методика прогноза по этому радионуклиду.
Кроме того, все мероприятия, направленные на снижение содержания радиоцезия в продукции, могут вызвать снижение поступления в растения и других загрязнителей.
Предлагается использовать коэффициент перехода после определения абсолютной радиоактивности пахотного слоя почвы (0...20 см) в Бк /кг:
кп _ Цезий-137 в урожае, Бк/кг
К''цезия-137 _ Цезий-137 в почве, Бк/кг.
В основу этого метода прогноза заложены фактические результаты полевых определений уровня загрязнения почвы и растений. Применение этого метода прогнозирования рационально, так как коэффициент перехода (Кп) можно определить для различных сельскохозяйственных культур заранее. Содержание цезия-137 в урожае растений можно рассчитать по формуле
Ар _ КП,
цезия-137
■ Ап,
где Ар - загрязнение урожая, Бк/кг;
Ап - удельная активность почвы, Бк/кг; КПцезия -137 - коэффициент перехода. Для выщелоченного чернозема Пензенской области, который занимает более
Значения параметров полиномиальных уравнений для различных культур и экотоксикантов
Культура ТМ Параметры уравнений
А В С бп*
Пшеница (зерно) РЬ -7,76 • 10-6 6,87- 10-3 0,471 7,43- 10-2
Сс1 5,78- 10-5 1,4- 10-3 0,269 1,3- 10-3
гп -4,81- 10-3 0,55 24,31 3,51- 10-2
Просо (зерно) РЬ -2,57- 10-4 2,28- 10-2 0,292 2,35- 10-2
СС -6,83- 10-5 1,1- 10-2 3,97- 10-2 0,132
гп -1,27- 10-3 0,447 17,95 6,90- 10-2
Вика (сено) РЬ -4,57- 10-4 4,29- 10-2 2,07 3,3- 10-2
СС 3,1- 10-4 1,81- 10-2 0,247 7,61- 10-2
гп 9,25- 10-3 -0,121 22,16 3,76- 10-2
Картофель (клубни) РЬ -1,80- 10-4 2,75- 10-2 0,318 5,22- 10-2
СС -3,23- 10-4 3,26- 10-2 4,80 8,39- 10-2
гп -1,63- 10-3 0,245 2,21 1,43- 10-2
Гречиха (зерно) РЬ -6,72- 10-4 5,17- 10-2 0,322 3,18- 10-2
СС -6,70- 10-5 1,05- 10-2 0,044 4,07- 10-2
гп -2,12- 10-3 0,46 19,15 7,82- 10-2
*бп - среднеквадратичное отклонение теор<
75 % площади, получены следующие коэффициенты перехода цезия - 137 из почвы в урожай сельскохозяйственных культур: овес (солома - 0,09, зерно - 0,03); конопля (листья - 0,09, стебли - 0,001); картофель (ботва - 0,08, клубни очищенные -0,01, кожура - 0,03); рожь озимая (солома -0,03, зерно - 0,02), пшеница (солома -0,05, зерно - 0,03); горох (солома - 0,04, зерно - 0,02); кукуруза (вегетационная масса - 0,03); сено естественных угодий -2,05. Этими прогнозными коэффициентами перехода можно пользоваться для определения вероятного содержания цезия -137 в урожае данной культуры на данном поле. Следует, однако, отметить, что с течением времени значения этих коэффициентов нуждаются в корректировке, т. к. происходит процесс так называемого «старения» радионуклидов.
Для прогноза экологической чистоты сельскохозяйственных культур, возделываемых на загрязненных черноземах, были составлены уравнения зависимости содержания ТМ в урожае от уровня концентрации их в почве [7].
В общем виде полученные уравнения представляют собой полином 2-й степени:
у=Ах2 + Вх + С,
где х - значение суммарного индекса загрязнения почвы гп;
у - содержание элемента в фитомассе, мг/кг;
А, В, и С - параметры уравнения, которые зависят от вида ТМ и сельскохозяйственной культуры.
ской кривой от экспериментальной
Значения параметров представлены в таблице.
Особенности минерального питания, разная продолжительность вегетационного периода, характер распределения корневых систем в почве, различия в продуктивности и другие биологические особенности растений влияют на накопление радионуклидов и тяжелых металлов разными видами и сортами сельскохозяйственных культур. Межвидовые различия в накоплении радиоактивных веществ и ТМ могут достигать 20...50 раз, сортовые составляют 1,5...5 раз, в то время как трудоемкие агротехнические и агрохимические мероприятия дают эффект в 1,1...4,5 раза [8,9].
Накопление ТМ и РВ в растениях представляет следующий ряд: корни > листья > стебли > корнеплоды > семена > клубни. Поэтому для выращивания на загрязненных почвах надо выбирать вид с наименьшим загрязнением потребляемой части растений.
Если по экономическим или каким -либо другим причинам нецелесообразно комплексное окультуривание отдельных загрязненных полей, на них следует размещать технические культуры: лен, коноплю, клещевину, картофель для переработки на крахмал или спирт, сахарную свеклу на сахар, подсолнечник на масло, а также эфиромасличные растения для получения растительных масел или сырья для парфюмерной промышленности. В отдельных случаях эти участки можно отводить под семеноводство, особенно под семенники овощных или кормовых культур.
В современных условиях перспективно введение новых культур и сортов, устойчивых к токсическим уровням и мало накапливающих загрязняющие вещества. До сих пор чаще обсуждали вопросы вертикальной адаптации растений, обусловленной реконструкцией генотипов. Сейчас же надо вернуться к горизонтальной адаптации, которая обеспечивается подгонкой генотипов (культур, сортов, гибридов) к природно-экологическим нишам. Она может быть обеспечена научно обоснованным размещением культур по территориям в зависимости от плотности радиоактивного и химического загрязнения [10].
Агротехнические приемы. Наибольшие возможности ограничить поступление загрязнителей в рацион человека заложены в звене «почва - растение». Существенное значение при этом имеет перераспределение токсикантов по профилю почвы в момент механической обработки.
При полном заглублении вспашка с оборотом пласта в 10 раз снижает поступление цезия - 137 и ТМ в растения при нахождении токсических веществ в слое почвы 0...5 см. Эффективно использование двухъярусных плугов при коренном улучшении лугов и пастбищ с последующим высевом при перезалужении травосмесей с минимальным накоплением вредных элементов. Подбор травосмесей производится из районированных злаковых трав, обеспечивающих наивысшую продуктивность травостоя.
Агрохимические мероприятия. Для получения гигиенически полноценной продукции необходимо использовать феномен «биологического разведения», заключающийся в распределении токсических элементов в большом объеме органического вещества за счет создания условий для лучшего роста растений.
Следовательно, применяя удобрения с примесями ТМ или выращивая растения на загрязненных почвах, необходимо стремиться к созданию оптимальных условий для роста. Тогда продукция с этих полей по удельному содержанию вредных элементов будет сопоставима с полученной на чистых почвах. Но если условия для роста растений окажутся неблагоприятными, концентрация радиоактивных веществ и ТМ в продукции с загрязненных почв может существенно возрасти при внесении минеральных удобрений, особенно азотных.
Отсюда следует, что гигиенически полноценную продукцию легче получить на почвах, обеспечивающих быстрый рост растений, т. е. на почвах высокого плодо-
родия, обладающих оптимальной кислотностью, достаточно большой емкостью поглощения катионов, хорошо насыщенных основаниями, а также содержащих все необходимые для минерального питания растений элементы в оптимальных количествах.
Технологические приемы. Первичная очистка и промывка убранной плодоовощной и технической продукции включает в себя общепринятые способы отмывания в воде овощей и фруктов, очистки картофеля от кожуры, срезание головок у корнеплодов, удаление кроющих листьев капусты и др. Использование этих приемов приводит к снижению загрязнения продуктов от 2 до 10 и более раз. Дальнейшая переработка овощей и фруктов (квашение, маринование и т. п.) приводит к дополнительному снижению содержания вредных веществ в продуктах. При этом рассолы, маринады, отвары, в которые они переходят, использовать не рекомендуется.
Переработка на крахмал, сахар, спирт, масла позволяет получить чистую продукцию из загрязненного сырья.
С точки зрения экологии следует прекратить дальнейшее разрушение элементов ландшафта, сократить применение удобрений, гербицидов и инсектицидов в результате последовательного применения методов интегрированной защиты растений. Вводить виды культурных растений, поставляющих энергию, применять такую технологию производства, которая позволила бы использовать аграрно-экономическую систему без ущерба для экологии. Рекомендации к практическому внедрению любых приемов, направленных на ограничение поступления радионуклидов и ТМ из почвы в растения, должны учитывать экономическую эффективность и санитарно-гигиеническую значимость этих мероприятий.
Литература
1. Воин, М. И. Возможности снижения экологической опасности экотоксикантов в сельском хозяйстве / М. И. Воин // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 5. - С. 38-40.
2. Кирейчева, Л. В. Толерантность сельскохозяйственных культур к загрязнению черноземов тяжелыми металлами / Л. В. Ки-рейчева, Ю. А. Мажайский, А. В. Ильинский // Аграрная наука. - 2003. - № 8. - С. 19-20.
3. Сельскохозяйственная радиоэкология // Под ред. Р. М. Алексахина, Н. А. Кор-неева. - М.: Экология, 1992. - 400 с.
4. Сниг, О. П. Интенсификация возделывания полевых культур и морфологиче-
ские основы устойчивости растений / О. П. Сниг, Н. Г. Ракипов. - М.: Агропром-издат, 1987. - 56 с.
5. Криушин, Н. В. Экологическая оценка накопления ТМ в урожае сельскохозяйственных культур / Н. В. Криушин, З. А. Кирасиров // Информационный лист № 54-09703. - Пенза, 2003.
6. Кузин, Е. Н. Экологическая оценка накопления тяжелых металлов в урожае сельскохозяйственных растений разного видового состава / Е. Н. Кузин, Н. В. Криушин, З. А. Кирасиров // Проблемы плодородия почв на современном этапе развития: сборник трудов. - Пенза, 2002. - С. 170-172.
7. Криушин, Н. В. К вопросу о прогнозировании поступления тяжелых металлов в урожай сельхозкультур / Н. В. Криушин, З. А. Кирасиров, П. А. Салмин // Экология и безопасность жизнедеятельности: сборник материалов IV Международной научно-практической конференции. - Пенза: РИО
ПГСХА, 2004. - С. 74-75.
8. Гулякин, И. В. Накопление цезия-137 в урожае в зависимости от видовых особенностей растений / И. В. Гулякин, Е. В. Юдин-цева, Л. И. Горина // Агрохимия. - 1975. -№ 7. - С. 121-129.
9. Криушин, Н. В. К вопросу о влиянии межсортовых различий сельскохозяйственных культур на поступление экотоксикантов в продукцию растениеводства / Н. В. Кри-ушин, З. А. Кирасиров // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем». -Пенза, 2003. - С. 86-88.
10. Обухов, А. И. Научные основы разработки предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в почве / А. И. Обухов, И. Г. Бабаева, А. В. Гринь // Тяжелые металлы в окружающей среде. - М., 1980. -С. 20-28.
