Влияние почвенного покрова Подмосковного угольного бассейна на развитие растительных культур Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 502.7

Э.М. Соколов д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), С.А. Камахина, асп., (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА НА РАЗВИТИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КУЛЬТУР

Рассмотрено влияние тяжелых металлов на растительные культуры Подмосковного угольного бассейна.

Ключевые слова: рН, кислотность, тяжёлые металлы, миграция, рекультивация.

Сельскохозяйственные угодья Тульской области занимают 1740 тыс. га (2001), или 68 % общей площади региона. Пашня занимает 1465 тыс. га (84 % сельхозугодий). В структуре посевных площадей 54 % приходится на зерновые. [7, 9].

Несмотря на это, большое количество земель остаются не пригодными для сельского хозяйства и являются источниками загрязнения территории. На территории Тульской области находится большое количество горных выработок, земли которых могут быть восстановлены и использованы для выращивания сельскохозяйственных культур. Кислые почвы составляют 1,7 млн га, или 88 %. В связи с резким уменьшением объемов внесения органических удобрений темпы снижения содержания гумуса в почве значительно возросли.

Рекультивация поможет восстановить нарушенные земли. Она основана на двух этапах: биологическом и техническом. Применение данных схем формирования отвалов позволит намного улучшить грунтосмеси на поверхности спланированных площадей, что значительно повысит эффективность работ по рекультивации. Мертвые зоны почти полностью исчезнут [1,6].

Выбросы с карьерных отвалов, имеющие низкий уровень рН, попадая на прилегающие территории, разрушают плодородие почв, вследствие чего вокруг разработки формируется техногенная пустыня. Происходит нарушение равновесия окружающей среды.

В подготовленных пробах породной массы на основе рентгеноф-люоресцентного метода анализа определялось количественное содержание исследуемых тяжелых металлов. Затем та же проба выдерживалась в разбавленной серной кислоте с заданным уровнем рН до момента прекращения роста концентрации тяжелых металлов в растворе, что свидетельствовало о полной экстракции растворимых в данных условиях соединений этих элементов. Определение концентрации тяжелых металлов в экстракте проводилось атомно-асорбционным методом, обладающим разрешающей

521

способностью, позволяющей отслеживать динамику процесса выделения металлосодержащих соединений из породной массы, знание которой необходимо при теоретических исследованиях воздействия карьерных отвалов на состояние окружающей среды. [2,8]

На следующем этапе эксперимента раствор серной кислоты, содержащий пробу породной массы, фильтровался, фильтрат исследовался на содержание в нем растворенных химических соединений (в том числе тяжелых металлов), а оставшаяся на фильтре твердая фаза промывалась би-дистиллированной водой, выпаривалась до воздушно-сухого состояния и взвешивалась. После этого экстрагированная проба породной массы подвергалась повторному рентгенофлюоресцентному анализу для определения в ней остаточного содержания тяжелых металлов. [3,4,5,6]

Такая методика эксперимента позволяет определять как абсолютное, так и относительное количество экстрагируемых в данных условиях соединений тяжелых металлов из исследуемой пробы породной массы. По указанной методике были исследованы пробы породной массы, отобранные на 8 карьерах. Результаты таких исследований по отвалу одного из карьеров приведены в табл.1.

Анализ полученных данных показывает, что при воздействии на породную массу серной кислоты с концентрацией 50 % не наблюдается существенной экстракции таких элементов, как марганец, железо, хром, никель, цинк и мышьяк. То есть эти элементы в породной массе находятся практически в нерастворимых в серной кислоте формах.

Следовательно, в настоящее время на большинстве карьерных отвалов Подмосковного бассейна тяжелые металлы практически не экстрагируются из породных отвалов и не попадают на прилегающие к отвалам территории.

Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм человека и животных. По разным данным с ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и 20.. .40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Таблица 1

Результаты исследования процесса экстракции тяжелых металлов серной кислотой из породной массы участка 8 Кропотовского Кимовского разреза

Металл Исходная проба Концентрация Н2804

50 % 10 % 1 %

Время экстракции, мин

20 40 60 20 40 60 100

Содержание ТМ, мг/кг

8г 65,6 24,52 38,2 24,71 41,17 47,31 37,15 53,68

РЬ 107,0 84,07 104,0 69,14 105,5 97,84 66,79 75,36

Аз 25,2 18,98 23,01 16,44 21,66 21,19 17,06 17,45

Zn 23,3 10,22 13,65 15,18 17,67 13,67 12,35 10,15

N1 12,9 14,5 15,17 14,27 16,80 17,76 16,97 15,74

Ее 3,161 2,305 2,83 2,191 3,858 3,531 2,663 2,842

Мп 29,2 41,77 43,93 68,97 23,38 18,09 40,74 42,8

Сг 60,1 73,19 66,41 52,36 64,69 68,44 52,16 60,15

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий - стебли и листья, и, наконец, последний - органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции. Уровень накопления ТМ разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании ТМ в почвах наглядно иллюстрируется данными, представленными в табл. 2 [8].

Однако не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано с условиями произрастания растений и их генетической спецификой. Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве содержали различное количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растений может стать основой генетико-селекционных исследований с целью созда-

ния сортов с повышенными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ.

Таблица 2

Содержание свинца и цинка в огородных культурах, выращенных на техногенно загрязненной почве, мг/кг сырой массы

Культура (орган растения) 2п РЬ

Томат (плод) 2,2 0,08

Капуста белокочанная(кочан) 3,6 0,11

Картофель (клубень) 6,1 0,15

Морковь (корнеплод) 8,5 0,21

Свекла(корнеплод) 14,8 0,28

Однако не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано с условиями произрастания растений и их генетической спецификой. Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве, содержали различное количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растений может стать основой генетико-селекционных исследований с целью создания сортов с повышенными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ.

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению ТМ, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп: 1) Сё, сб, ЯЬ -элементы интенсивного поглощения; 2) 7п, Мо, С^ РЬ, аб, Со - средней степени поглощения; 3) Мп, №, Сг - слабого поглощения; 4) 8е, Бе, Ва, Те - элементы, труднодоступные растениям.

Влияние токсичных концентраций ТМ на растения приведено в табл.3, а на здоровье человека и животных - в табл.4.

Как было отмечено выше, породные отвалы являются мощным источником подкисления прилегающих территорий.

В кислых почвах железо, алюминий и марганец находятся в формах доступных растениям, а их концентрация достигает токсического уровня. При этом затруднено поступление в растения фосфора, калия, серы, кальция, магния, молибдена. На кислой почве может наблюдаться повышенный выпад растений без внешних причин - вымочка, гибель от мороза, развитие болезней и вредителей.

Таблица 3

Влияние токсичных концентраций некоторых тяжелых

металлов на растения

Элемент Концентрация в почве, мг/кг Реакция растений на повышенные концентрации ТМ

РЬ 100...500 Ингибирование дыхания и подавление процесса фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение качества растениеводческой продукции. Внешние симптомы -появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва

Сё 1...13 Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и фиксации СО2, торможение фотосинтеза, ингибирование биологического восстановления NО2 до NО, затруднение поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы - задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.

140.250 Хлороз молодых листьев

Сг 200.500 Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной части, повреждение корневой системы, хлороз молодых листьев, резкое снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро- и микроэлементов (К, Р, Бе, Мп, Си, В и др.).

N1 30.100* Подавление процессов фотосинтеза и транспирации, появление признаков хлороза

Щелочные почвы, губительные практически для всех видов культурных растений, представлены 10 % проб.

В следствие эксперимента следует, что на данных нарушенных территориях необходимо периодически проводить рекультивацию для восстановления плодородия почв.

Таблица 4

Влияние загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами на здоровье человека и животных

Элемент Характерные заболевания при высоких концентрациях ТМ в организме

РЬ Повышение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, рост общей заболеваемости, изменения в легких детей, поражения органов кроветворения, нервной и сердечно-сосудистой системы, печени, почек, нарушения течения беременности, родов, менструального цикла, мертворождаемости, , врожденных уродств. Угнетение активности многих ферментов, нарушение процессов метаболизма

еа Нарушения функций почек, ингибирование синтеза ДНК, белков и нуклеиновых кислот, снижение активности ферментов, замедление поступления и обмена других микроэлементов (ги, Си, Бе, Бе), что может вызывать их дефицит в организме

ги Изменение морфологического состава крови, злокачественные образования, лучевые болезни; у животных - снижение прироста живой массы, депрессия в поведении, возможность абортов

Си Рак органов дыхания

Сг Изменение иммунологической реакции организма, снижение ре-паративных процессов в клетках, ингибирование ферментов, поражение печени

N1 Нарушение синтеза белка, РНК и ДНК, развитие выраженных повреждений во многих органах и тканях

В качестве интегрального показателя изменения свойств почв под влиянием карьерных разработок можно принять их основные агрохимические показатели: содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия, кислотность почвы.

Основные нормативные показатели химических свойств отвальных пород по данным водной вытяжки по шурфам № 1 - 8 приведены в табл. 5, 6.

Таблица 5

Участок Кропотовский 7

№ п/п Показатели Значение Среднее значение

1 Водородный показатель, рН 2,57...7,0 4,52

2 Бикарбонаты, НСО3 1,6-6,2 3,55

3 Содержание сульфатов в пересчете на ионы Б О 4 " 80,57.656,67 2,27.18,52 246,48 6,95

4 Содержание хлоридов в пересчете на С1- 7,1. 1593,95 0,2.44,90 221,87 6,25

Таблица 6

Участок Кропотовский 8

№ п/п Показатели Значение Среднее значение

1 Водородный показатель, рН 4,1...6,74 5,18

2 Бикарбонаты, НСО3 0,6...3,4 1,4

3 Содержание сульфатов в пересчете на ионы Б О 42- 40,37.411,29 1.14.11,6 293,80 8,28

4 Содержание хлоридов в пересчете на С1- 10,65.1100,5 0,3.31,0 204,3 5,75

По данным табл. 5, 6 виден большой разброс химический свойств отвальных пород. Таким образом, и в настоящее время в породах происходят различные химические процессы, которые негативно влияют на окружающую среду.

Для определения характера пород вскрышной толщи, их пригодности к дальнейшему биологическому освоению были использованы агрохимические анализы, (по архивным данным), выполненные Плавской агрохимлабораторией (табл.7, 8).

По классификации грунтосмеси на участках Кропотовский 7 и 8 относятся ко II группе грунтов (индифферентные), пригодных для залужения.

Водно-физическая характеристика этих почв в основном неблагоприятная. После интенсивных дождей они уплотняются, образуют на поверхности корку, которая препятствует прорастанию растений, нарушает газообмен, препятствует фильтрации и способствует интенсивному испарению влаги.

Таблица 7

Участок Кропотовский 7

№ п/п Показатели Значения на глубинах

0,6 м 0,6...1,2 м 1,2...1,8 м

1 Содержание фосфора Р2О5 2,2 0,8 1,9

2 Содержание калия К2О 1,0 1,8 1,7

3 Содержание алюминия А1 - - 0,13 1,17

4 Содержание железа Бе - - -

5 Обменная кислотность - - 0,22

Авторами тоже были проведены агрохимические исследования почв. Результаты исследования содержания в пробах почв подвижных форм фосфора, калия и железа показывают значительный разброс этих

показателей, но в общем (за некоторыми исключениями) их содержание находится в пределах значений характерных для естественных и различной степени окультуренности почв данного района Тульской области (табл. 9).

Таблица 8

Участок Кропотовский 8

№ Показатели Значения на глубинах

п/п 0,6 м 0,6.. .1,2 м

1 Содержание фосфора Р2О5 2,2 0,7

2 Содержание калия К2О 1,0 1,8

3 Содержание алюминия А1 9,45 85,05 3.36 30,2

4 Содержание железа Бе - 0,38 10,6

5 Обменная кислотность 9,6 13,8

Повышенная кислотность почв подавляет деятельность полезных бактерий, которые участвуют в разложении навоза, торфа, компостов и других местных удобрений и высвобождают в доступную растениям форму находящиеся в них питательные вещества. На кислых почвах плохо развиваются клубеньковые бактерии (обитающие на корнях бобовых растений), гибнут в таких почвах и живущие вблизи корней бактерии, усваивающие азот воздуха и накапливающие его в почве.

Для выражения степени кислотности почвы пользуются показателем рН, величина которого колеблется в разных почвах в пределах от 3,5 до 8,0...8,5. Сильнокислые почвы имеют величину рН 3,5...4,0, кислые — 4,0...5,0, слабокислые — 5,0.6,0, нейтральные — 6,0.7,0, щелочные — 7,0.8,0, сильнощелочные — 8,0.8,5.

Овощные культуры по-разному реагируют на кислотность почвы. Большинство из них лучше растет и развивается на почвах с реакцией, близкой к нейтральной. По требованиям к кислотности почвы овощные культуры можно разделить на три группы: первая — рН от 7 до 7,5 (артишок, капуста кочанная и цветная, морковь, свекла, сельдерей, салат, лук репчатый, спаржа, петрушка); вторая — рН от 6 до 7 (фасоль, баклажаны, чеснок, капуста листовая, брюссельская, редис, кабачки, свекла листовая, репа, томаты, лук-шнитт, лук-шалот, лук-порей, дыня мускатная, цикорий, огурцы, хрен, шпинат, ревень); третья — рН от 5 до 6 (тыква, картофель, пастернак, щавель).

Для устранения избыточной кислотности почв проводят их известкование. Наиболее широко распространено известкование молотым известняком (известковая мука). Качество всех известковых материалов оценивается по тонине дробления. Чем тоньше помол или дробление, тем быстрее будет нейтрализоваться кислотность почвы. Известковая мука I

класса (есть в продаже) должна иметь влажность до 1,5 %, содержать не больше 5% частиц диаметром свыше 1 мм и до 70 % диаметром менее 0,25 мм. Гашеная известь, или пушонка, также используемая для известкования, образуется в результате гашения жженой извести (полученной при обжиге твердых известняков) водой перед внесением в почву. Это тонкий рассыпающийся порошок, хорошо растворимый в воде и быстро нейтрализующий кислотность почвы. Имеющаяся в продаже доломитовая мука содержит до 16 % влаги, действует медленнее, чем известь, не требующая размола. В ее составе, кроме углекислого кальция, содержитсяу глекислый магний, внесение которого в почву, особенно супесчаную и песчаную, оказывает положительное действие на повышение урожая многих овощных культур - огурца, томата, перца и др. Хорошим материалом для известкования является мел после тонкого размола или очень мелкого дробления.

Таблица 9 Кимовский разрез __

N п/п Место отбора пробы рН А1 Р205 К20 Ее

1 Участок 7 Кропотковский. Блок 1, проба 1 6,2 0 42 51 23

2 Участок 7 Кропотковский. Блок 1, проба 2 7,3 0 105 72 20

3 Участок 7 Кропотковский. Блок 1, проба 3 7,4 0 76 53 19

4 Участок 7 Кропотковский. Блок 1, проба 4 7,6 0 84 66 23

5 Участок 7 Кропотковский. Блок 1, проба 5 5,2 0,018 46 43 24

6 Участок 8 Кропотковский. Блок 1, проба 1 2,5 2,41 28 41 46

7 Участок 8 Кропотковский. Блок 1, проба 2 2,7 3,03 23 23 51

8 Участок 8 Кропотковский. Блок 1, проба 3 4,6 0,69 31 41 35

9 Участок 8 Кропотковский. Блок 1, проба 4 6,7 0 43 53 28

10 Участок 8 Кропотковский. Блок 1, проба 5 2,6 2,96 19 29 56

В процессе проведения технического этапа рекультивации нарушается структура, воздушный и водный режимы почвы, происходит потеря питательных веществ. Поэтому, авторами предусматриваются меры по восстановлению структуры почв, ее физико-химических и биологических свойств.

Для улучшения физико-химических, агротехнических свойств почвы и обогащения её органическим веществом проектом предусматривается посев однолетних и многолетних трав, которые являются важным средством окультуривания почв на современном уровне развития земледелия.

Рекомендуется посев многолетних трав, относящихся к виду рыхло-кустовых злаков (тимофеевка луговая, овсяница луговая). Эти травы относительно малотребовательны к почвам, обладают достаточной зимостойкостью, имеют хорошо развитую корневую систему и дают большое количество зеленой массы.

Состав травосмеси в проекте принят следующим викоовсяная смесь - 3,3 ц/га; тимофеевка луговая - 0,06 ц/га. Такой состав травосмеси обеспечит более высокий урожай зеленой массы и окажет благоприятное влияние на почву.

Список литературы

1. Методические указания по проектированию рекультивации нарушенных земель на действующих и проектируемых предприятиях угольной промышленности. Пермь ВНИИОСуголь. 1991. 143 с.

2. Технологические решения по рекультивации нарушенных земель при ликвидации шахт и разрезов (отраслевой нормативно-методический документ) Киев: УкрНИИпроект. 1995. 210 с.

3. ГОСТ17.4.2.03-86 «Охрана природы. Почвы. Паспорт почв».

4. ГОСТ 17.5.1.03-86 «Охрана природы. Земли».

5. ГОСТ17.5.3.05-84 «Рекультивация земель».

6. В.С. Эскин. «Рекультивация земель нарушенных открытыми разработками». М.: Недра 1975. 184 с.

7. Региональный доклад «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Тульской области в 2000 году». Тула: ФГУ «ЦГСЭН в Тульской области», 2001. 55 с.

8. Савинова Л.Н., Голополосова Т.В. Влияние плодородия почвы на устойчивость к воздействию тяжелых металлов // Тульский экологический бюллетень. 2000. Тула, 2001, С. 141-143.

9. Соколов Э.М., Еганов В.М., Самарцев И.Т., Коряков А.Е. Экологическая обстановка и здоровье населения Тульской области / Э.М. Соколов [и др.]. Тула: ТулГУ, 2000, 126 с.

E. M. Sokolov, S.A. Kamakhina

INFLUENCE OF THE SOIL COVER OF COAL BASIN SITUATED NEAR MOSCOW ON DEVELOPMENT OF VEGETATIVE CULTURES

Influence of heavy metals on vegetative cultures of coal basin Situated near Moscow is considered.

Key words: pH, acidity, heavy metals, migration,recultivation.

Получено 14.12.11