Экологическая оценка состояния микроэлементов в почвах поймы Средней Оби тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Воробьева, Татьяна Ермолаевна

• Воробьева, Татьяна Ермолаевна
• кандидат биологических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Воробьева, Татьяна Ермолаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Условия формирования аллювиальных почв Средней Оби

1.1.1. Геологическое строение долины и поймы р. Оби

1.1.2. Гидрологический режим

1.1.3. Геоморфологическое строение

1.1.4. Почвенный покров

1.1.5. Растительность

1.2. Методы исследования

ГЛАВА 2. СОДЕРЖАНИЕ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И 29 ФОРМЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ ПОЙМЫ СРЕДНЕЙ ОБИ

2.1. Микроэлементы биофилы (Mn, Си, Zn, Со, Мо, В, Sr)

2.2. Высоко токсичные загрязнители (Pb, Cd)

2.3. Связь содержания микроэлементов с географической ши- 106 ротой местности и геоморфологическими элементами поймы

ГЛАВА 3. ЗАПАСЫ И ДОСТУПНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 118 РАСТЕНИЯМ

ГЛАВА 4.СОДЕРЖАНИЕ И СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ

МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЛУГОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОЙМЫ 127 СРЕДНЕЙ ОБИ

4.1. Микроэлементы биофилы (Mn, Си, Zn, Со, Mo, Sr)

4.2. Высоко токсичные загрязнители (Pb, Cd) 141 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147 ВЫВОДЫ 151 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 153 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экологическая оценка состояния микроэлементов в почвах поймы Средней Оби»

Актуальность темы.

На протяжении всего нынешнего столетия, особенно во второй его половине, произошли резкие региональные и глобальные изменения природной среды в результате все возрастающей деятельности человека, формы которой плохо вписываются в естественные циклы перераспределения вещества в биосфере (Мотузова, 1988). Эти изменения грозят не только необратимыми преобразованиями главных компонентов жизнеподдерживающих систем, но и порождением новых неизвестных доселе процессов, враждебных современным биологическим сообществам. Для корректной оценки происходящих процессов, определения меры трансформированности естественных ландшафтов и разработки путей экологически оптимального управления ими необходимы знания о поведении химических элементов в экосистемах. Не исключена возможность включения высоких концентраций целого ряда химических элементов в пищевую цепь, а почва и растение являются важнейшим звеном миграционной цепи химических элементов. Среди них микроэлементы рассматриваются как имеющие особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Кондрахин, 1989; Мотузова, 1999). К середине текущего столетия биохимиками и физиологами были получены экспериментальные доказательства участия микроэлементов в важнейших ферментативных и обменных процессах в живых организмах, в том числе и человека. Будучи составной частью ферментов, витаминов, гормонов, микроэлементы направляют и регулируют ход этих процессов, обеспечивая растениям и животным нормальный рост и развитие. Как избыток, так и недостаток микроэлементов в питании приводит к нарушению обмена веществ и тяжелым заболеваниям

Ковальский, 1974; Школьник, 1974).

Эпохальное значение в учении о микроэлементах имели работы В. И. Вернадского, показавшего тесную химическую связь между составом организмов и окружающей средой, роль биопроцессов в круговороте веществ в биосфере и земной коре.

Особенно плодотворное развитие идеи В. И. Вернадского получили в работах А. П. Виноградова (1952, 1957). Исключительное значение для понимания биохимической роли элементов имеет отмеченная А. П. Виноградовым общая закономерность уменьшения содержания металлов в организмах по мере их эволюции от низших форм к высшим. При всем многообразии их составов у разных групп растений и животных выявляется прямая зависимость тех и других от состава среды обитания. Изучение закономерностей распространения и поведения атомов различных элементов в ландшафте позволяет разрабатывать вопросы биогеохимического районирования и геохимической экологии, а также решать практические вопросы правильного размещения и применения удобрений в растениеводстве, использования минеральных подкормок в животноводстве, проведения оздоровительных мероприятий среди населения.

Как справедливо считает В. В. Ковальский (1971; 1974; 1982; 1991), основным инструментом влияния химизма среды на растения, животных и человека служат пищевые цепи, объединяющие в единую систему миграции элементов растительный и животный мир конкретных участков земной поверхности. Заслуга В. В. Ковальского состоит в обосновании представлений о пороговом действии определенных концентраций химических элементов в среде питания организмов, ниже и выше которых нормальная регуляция физиологических процессов и гомеостатических функций нарушается.

Наземные биоценозы поставляют человечеству более 90% продуктов питания. Основной базой и средством производства служит почвенный покров. Продукты питания и корма для животных не должны содержать токсические концентрации химических элементов (Химия тяж. мет., 1985; Воробьев и др., 1990; Кеннет, 1993; Алексеенко, 1997).

Особую актуальность в этой связи приобретает разработка и внедрение систем мониторинга биогеохимического фона почвенного покрова пойменных ландшафтов р. Оби, отличающихся повышенной динамичностью в пространстве и во времени (Хромых, Костенко, Огородников, 2000) и играющих важную роль, как в глобальном перераспределении химических элементов, так и в производстве сельскохозяйственной продукции.

Экологические нарушения биогеохимического фона почв поймы р. Оби могут явиться одной из причин возникновения целого ряда эндемических заболеваний животных и человека.

Принципиальное значение в решении данной проблемы имеют вопросы о формах нахождения микроэлементов в почвах, определяющих их миграционную способность и возможность поступления в пищевую цепь (Ковальский, Андрианова, 1970; Ковальский, Раецкая, Грачева, 1971; Ковальский, 1974, 1982 Алексеенко, 1997).

Несмотря на большое количество проведенных работ по изучению свойств почвенного и растительного покровов поймы Средней Оби (Изерская, 1979; 1981, 1984, 1986; Славнина, Пашнева, Кахаткина и др., 1981; Добровольский, Афанасьева, Балабко и др., 1984; Славнина, Кахаткина, Иванова и др., 1986; Изерская и др., 1990; Шепелев, Шепелева, 1995), вопросы состояния микроэлементов остаются до настоящего времени слабо изученными.

Целью данной работы является изучение форм и закономерностей распределения физиологически важных для живых организмов элементов (марганца, цинка, меди, кобальта, бора, молибдена, стронция) и элементов, относящихся к особо опасным загрязнителям (кадмия, свинца) в почвах поймы Средней Оби. В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Определить общее содержание физиологически важных в питании растений элементов (Мп, Си, Со, В, Мо, вг) и особо опасных загрязнителей (Сс1, РЬ) в аллювиальных почвах.

2. Изучить формы соединений Мп, 2г\, Си, Со, Бг, РЬ, Сс1, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, рН 4,8; 1н НС1, вытяжкой Тамма, вытяжкой Гримма, водорастворимого В, Мо в оксалатной вытяжке, рН 3,3.

3. Выявить основные закономерности профильного и географического распределения микроэлементов в аллювиальных почвах.

4. Оценить доступность микроэлементов растениям, как фактора, лимитирующего оптимизацию питательного режима аллювиальных почв.

5. Определить уровни содержания и сбалансированности микроэлементов в луговой растительности поймы Средней Оби.

Научная новизна: Впервые для аллювиальных почв Средней Оби изучены формы и закономерности профильного распределения физиологически важных микроэлементов - Мп, Си, Ъп, Со, В, Мо, элементов-загрязнителей - Сс1, РЬ. Выявлены широтные особенности содержания и распределения микроэлементов в почвах поймы Средней Оби. Впервые для данного региона были получены данные о содержании и закономерностях распределения в аллювиальных почвах общих и подвижных форм Эг.

Защищаемые положения.

1. Закономерности распределения форм микроэлементов определяются географической широтой территории, типом геоморфологического элемента поймы и зависящими от них гранулометрическим составом, содержанием гумуса.

2. Основная часть изученных микроэлементов, содержащихся в аллювиальных почвах поймы Средней Оби, представлена труднодоступными растениям формами соединений.

3. Аллювиальные почвы южного отрезка поймы Средней Оби сбалансированы по микроэлементному составу питательного режима растений. Почвы северного отрезка имеют дисбаланс по марганцу.

Практическая значимость: Результаты исследований внедрены в Государственном комитете земельных ресурсов, Государственном комитете по охране окружающей Среды Томской области и послужили основой для создания сети мониторинга пойменных почв Средней Оби.

Апробация работы: Основные положения диссертации доложены на научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы районов нового освоения Западной Сибири» (1989); 11 Всесоюзной конференции «Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине» (Самарканд, 1990); 3-м съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000); международной научной конференции «Современные проблемы почвоведения в Сибири», посвященной 70-летию образования кафедры почвоведения Томского государственного университета (Томск, 2000).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы: Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 14 рисунков, состоит их введения, 4 глав, заключения, выводов, приложений. Список литературы включает 280 наименований, из них 70 на иностранных языках.

Заключение диссертации по теме «Экология», Воробьева, Татьяна Ермолаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение уровней содержания и форм микроэлементов в пойменных ландшафтах - необходимый элемент экологического мониторинга земельных ресурсов.

В настоящее время существует множество публикаций по проблемам мониторинга окружающей среды, разработаны международные и региональные программы системы мониторинга территорий. С их использованием созданы программные, правовые и нормативные документы, подтверждающие необходимость проведения мониторинга окружающей среды. К ним относятся Международная программа по окружающей среде ЮНЕСКО "Человек и биосфера" (MAB), Международная Конвенция «Об оценке воздействия на окружающую среду в трансграничном контексте» (принята странами-членами Европейской Экономической Комиссии ООН 25.02.91, Финляндия), Закон Российской Федерации "Об охране окружающей природной Среды", "Земельный Кодекс Российской Федерации". С целью объединения разрозненных систем мониторинга различных компонентов природной среды вышло постановление Совета Министров-Правительства Российской Федерации от 24 ноября 1993 г. № 1229 "О создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГ-СЭМ). Разработаны «Концепция информационной системы Минприроды России», утвержденная приказом Минприроды России №2 от 6 января 1995г.,

Технические предложения на создание системы мониторинга земель России». На региональном уровне в Томской области основанием для проведения работ по мониторингу земель является постановление Главы администрации Томской области «О программе мониторинга земель Томской области» № 160 от 18.05.93г.

Принципы и методы почвенно-химического мониторинга изложены в работах Д. С. Орлова, Л. А. Воробьевой (1982), Г. В. Добровольского, и др.(1983), ,Г. В. Мотузовой (1988), М.А.Глазовской, Н.С. Касимова и др. (1989), Д. С. Орлова и др. (1989), А. И. Обухова, А. А. Поповой (1992) и др. Однако, теоретические разработки в области мониторинга почв создавались в основном для территории водораздельных пространств. Для пойменных экосистем конкретные рекомендации пока не разработаны.

Формирование микроэлементного состава аллювиальных почв тесно связано с деятельностью реки и влиянием территории ее водосборного пространства. Поэтому в пойменных почвах содержится информация не только о состоянии поймы, но и о состоянии территории водосбора. Аллювиальные почвы наряду с донными отложениями, которые М.А.Глазовская, Н.С.Касимов и др. (1989) считают наиболее информативным объектом для расшифровки особенностей миграции и концентрации химических элементов, должны быть предметом наиболее пристального внимания при разработке систем регионального и локального мониторинга.

С этих позиций выбранные нами для проведения исследований ключевые участки пригодны и для целей мониторинга. В основном они позволяют решить проблему фонового регионального мониторинга аллювиальных почв. Для этих целей в рамках областной программы «Мониторинга земель Томской области» создана сеть мониторинга пойменных почв, в основу которой положе

Следует еще раз отметить, что работы по изучению форм микроэлементов в почвах поймы Средней Оби проводятся впервые. Это самый первый, необходимый этап фонового мониторинга.

Результаты, изложенные в настоящей работе, внедрены в Государственном комитете земельных ресурсов и Государственном комитете по охране окружающей среды Томской области. Они послужили основой для создания сети мониторинга пойменных почв Средней Оби.

При выполнении работ по мониторингу должны решаться задачи, включающие в себя изучение почвенного покрова пойм притоков р. Оби, выявление влияния гидрохимического состава паводковых вод и ее притоков на пойменные почвы, изучение связей микроэлементного состава вод с почвами водораздельных пространств.

В рамках выполнения работ по мониторингу аллювиальных почв планируются ежегодные наблюдения за следующими параметрами:

• Содержание гумуса, легкогидролизуемого азота, подвижного фосфора, калия, кальция, магния, величины гидролитической кислотности, рН, емкости катионного обмена.

• Содержание общих и подвижных форм цинка, меди, марганца, кобальта, бора, свинца, кадмия, стронция, молибдена, а также их содержание в растительности.

Исследование этих вопросов дает возможность прогнозировать устойчивость и изменчивость геохимического фона пойменных ландшафтов, разрабатывать рекомендации по оптимизации природной среды и сохранению плодородия аллювиальных почв

Автор глубоко благодарен научному руководителю, кандидату биологи

150 ческих наук Любови Антоновне Изерской, коллективу лаборатории почвоведе ния НИИ биологии и биофизики, кафедры почвоведения Томского госуниверси тета, кандидату географических наук Валерию Спиридоновичу Хромых за цен ные консультации при выполнении данной работы.