Геохимия марганца и хрома в агроландшафтах Ростовской области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.23, кандидат географических наук Заболотная, Ольга Николаевна

• Заболотная, Ольга Николаевна
• кандидат географических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат географических наук Заболотная, Ольга Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

I ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ, ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ МИГРАЦИЮ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ И ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯКТУРА ТЕРРИТОРИИ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Эколого-географическое положение территории области.

1.2. Природные факторы, контролирующие миграцию элементов.

1.2.1. Геологическое строение территории Ростовской области.

1.2.2. Почвообразующие породы области.

1.2.3. Рельеф территории области.

1.2.4. Климатические условия территории области.

1.2.5. Гидрографическая сеть области. t 1.2.6. Естественная растительность области.

1.3. Почвенный покров территории области.

1.4. Ландшафтно-геохимическая структура территории.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА И

ХРОМА В БИОСФЕРЕ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ.

2.1. Марганец и хром в почвообразующих породах и почвах.

2.2. Марганец и хром в гидросфере.

2.3. Марганец и хром в растительности.

2.4. Биологическое значение марганца и хрома.

2.5. Факторы миграции микроэлементов в ландшафтах.

ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАРГАНЦА И ХРОМА В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

1 3.1. Определение естественного педогеохимического фона.

3.2. Распределение марганца и хрома в различных генетических типах почв полевых неорошаемых ландшафтов.

3.3. Распределение марганца и хрома в почвенном покрове орошаемых ландшафтов и ландшафтов многолетних насаждений.

3.4. Радиальная дифференциация марганца и хрома в почвах Ростовской области.

3.5. Латеральная дифференциация марганца и хрома.

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАРГАНЦА И ХРОМА В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ ОБЛАСТИ.

4.1. Видовая дифференциация сельскохозяйственных растений по содержанию марганца и хрома.

4.1.1. Распределение марганца и хрома в зерновых культурах.

4.1.2. Распределение марганца и хрома в кормовых травах.

4.1.3. Распределение марганца и хрома в овощах и фруктах.

4.2. Особенности биоаккумуляции микроэлементов в сельскохозяйственных культурах.

4.3. Проявление дефицита МпиСгв сельскохозяйственных культурах.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АГРОЛАНДШАФТОВ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ МАРГАНЦЕМ И ХРОМОМ.

5.1. Загрязнение почвенного покрова области.

5.2. Загрязнение сельскохозяйственных культур.

5.3. Нормирование марганца и хрома в агроландшафтах Ростовской области.

ГЛАВА 6. БАЛАНС МИГРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЭЛЕМЕНТОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геохимия марганца и хрома в агроландшафтах Ростовской области»

Актуальность темы.

В настоящее время, в связи с интенсивным развитием промышленности, транспорта, широким использованием минеральных удобрений в сельском хозяйстве, одним из актуальных вопросов геохимии стало определение безопасных содержаний химических элементов в почвах, почвоподстилающих породах и растительности, выполненное не на глобальном и региональном уровнях, а для локальных участков с определенными закономерностями, сложившимися в экономическом развитии. В связи с этим, Ростовская область - равнинная территория с длительной и сложной геохимической историей - представляет собой очень интересный объект для изучения, являясь, с одной стороны, одним из крупнейших аграрных регионов страны, характеризующимся высокопроизводительным сельским хозяйством, а с другой - зоной развитой индустрии с интенсивным техногенным воздействие на среду. Сельскохозяйственные площади области представлены, в основном, пахотными угодьями, окружающими промышленные центры. Добыча каменного угля в зоне открытого Донбасса, предприятия металлургической, химической, машиностроительной промышленностей, Новочеркасская ГРЭС, наряду с интенсивной химизацией сельского хозяйства являются основными поставщиками микроэлементов, зачастую не характерных, с точки зрения геохимии, для почв и почвоматеринских пород области. В данных условиях выяснение характера распределения и явлений дефицита или избытка микроэлементов в почвенном и растительном покровах Ростовской области является актуальной научной задачей.

В настоящее время особенно возрос интерес к тяжелым металлам, обладающим, с одной стороны, токсическим действием, а с другой -являющихся необходимым условием для обеспечения нормальной жизнедеятельности живых организмов. Поэтому представляется интересным оценить содержание в почвах и растительности Ростовской области таких тяжелых металлов, как марганец и хром, важность которых для жизнедеятельности организмов несомненна, а миграция в щелочных условиях степи затруднена. Изменение условий среды (орошение, внесение удобрений) способствует переходу элементов в легкодоступное для растений состояние, что может привести к накоплению марганца и хрома в сельскохозяйственных культурах и, в конечном итоге, представлять опасность для человека. Поэтому одной из актуальнейших задач является изучение распределения марганца и хрома в различных типах агроландшафтов Ростовской области, а также количественная оценка геохимических потоков металлов с целью последующего использования полученных данных в природоохранных и сельскохозяйственных мероприятиях.

Цель работы.

Изучение геохимических закономерностей распределения Мп и Сг в почвах и сельскохозяйственных культурах Ростовской области.

Основные задачи исследований:

- изучить поведение Мп и Сг в различных генетических типах почв и группах сельскохозяйственных растений, установить закономерности радиального и латерального распределения элементов;

- дать эколого-геохимическую характеристику почвенного покрова территории Ростовской области, а также оценку выращиваемой на нем сельскохозяйственной продукции с точки зрения безопасности употребления в пищу;

- определить региональные предельно допустимые концентрации Мп и Сг в почвах агроландшафтов на основе санитарно-гигиенического нормирования содержаний элементов в сельскохозяйственных культурах;

- дать количественную оценку привноса - выноса металлов в агроландшафтах области.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, собранные при проведении комплексных полевых эколого-геохимических работ, выполненных коллективом кафедры геоэкологии и прикладной геохимии геолого-географического факультета РГУ под руководством профессора Закруткина В. Е. в 1994 - 2002 годах. Автор принимала непосредственное участие в полевых исследованиях на территории Ростовской области, подготовке проб к анализам, а также в статистической обработке результатов анализов. Автором изучена, проанализирована и использована в работе обширная ретроспективная информация по изучаемой проблеме, а также фондовые материалы Южного государственного унитарного геологического предприятия «Южгеология».

В результате полевых работ было отобрано 2366 педогеохимических проб, в том числе 48 по почвенным разрезам, и 1960 - биогеохимических проб. Химические анализы проб почв и растительности на содержание Мп и Сг были выполнены в Бронницкой геолого-геохимической экспедиции Института минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов (ИМГРЭ) методом атомно-абсобционной спектрофотометрии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Научной конференции аспирантов и соискателей РГУ (Ростов-на-Дону, 1997), II Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (ТомПИ, Томск, 6-11 апреля 1998 г.), открытом Конкурсе на лучшую научную работу студентов и аспирантов по проблемам экологии «Экология - Безопасность - Жизнь» в Вузах г. Ростова-на-Дону и Ростовской области (Ростов-на-Дону, май 1999 г.), I Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (ст. Мелиховская Ростовской обл., 25 - 29 сентября 1999 г.), III Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр»

ТомПИ, Томск, 9-14 апреля 1999 г.), II Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 21-23 октября 1999 г.), II Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (г. Аксай Ростовской обл., 24 -28 сентября 2ООО г.), III Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» (г. Аксай Ростовской обл., 26 - 30 сентября 2001 г.), III Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 7-9 февраля 2002 г.), IV Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 4-6 февраля 2004 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Научная новизна работы.

• на основе результатов атомно-абсорбционной спектрофотометрии произведена оценка содержания Мп и Сг в почвах и растительности Ростовской области и установлены закономерности распределения этих элементов в различных генетических типах почв и группах сельскохозяйственных растений;

• определены региональные предельно допустимые концентрации Мп и Сг для конкретных типов почв и сельскохозяйственных культур;

• путем балансовых расчетов дана количественная оценка привноса - выноса этих элементов в различных типах агроландшафтов.

Практическая ценность работы.

- Материалы исследований могут быть использованы при мониторинге и экологической оценке состояния агроландшафтов природоохранными и научными организациями;

- Полученные результаты позволят сельскохозяйственным предприятиям внести корректировки в схемы внесения удобрений и оптимизации севооборотов;

- Данные исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов геоэкологического профиля, а также при преподавании дисциплин по экологии, географии почв и охране окружающей среды. Основные защищаемые положения:

• анализ геохимических параметров распределения марганца и хрома в почвах позволяет ранжировать ландшафты по уровню агрогенного преобразования следующим образом: сады и виноградники > орошаемые > полевые богарные;

• физико-химические свойства почв Ростовской области обусловили низкую подвижность Мп и, следовательно, повлекли за собой частое проявление дефицита этого элемента в сельскохозяйственных культурах. Сг в незначительных количествах накапливается во всех культурах;

• биогеохимический подход к определению региональных предельно допустимых концентраций Мп и Сг требует уменьшения значений нормативных содержаний этих элементов по сравнению с общепринятыми значениями, в связи с возможным ухудшением качества сельскохозяйственной продукции;

• в почвах полевых богарных ландшафтов сложился отрицательный баланс Мп и Сг за счет выноса этих элементов с поверхностным стоком.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем работы составляет 163 страницы. Текст сопровождается 20 таблицами, 24 рисунками. Список использованной литературы содержит 178 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Ростовском государственном университете под руководством доктора геолого-минералогических наук профессора Закруткина В.Е., которому автор приносит глубокую благодарность за помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор выражает свою признательность за оказанную помощь и консультации при работе над диссертацией кандидату географических наук Шишкиной Д.Ю., доктору географических наук профессору Хаванскому А.Д. Автор считает свои долгом поблагодарить доктора географических наук ИГ РАН Кочурова Б.И. за проявленное внимание и научные консультации. Автор также глубоко признательна Райко Е.А. и Заболотной Т.М. за поддержку и практические советы при оформлении диссертации.

Заключение диссертации по теме «Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов», Заболотная, Ольга Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований установлено:

1. Для различных генетических типов почв богарных ландшафтов Ростовской области установлено пониженное содержание Мп по сравнению с природным фоном; значения содержаний Сг сопоставимы с фоновыми значениями концентраций. По содержанию Мп и Сг почвы малоконтрастны;

2. Подвижные формы Мп и Сг прочно закрепляются в высокогумусных карбонатных почвах области. Достоверная корреляционная связь между подвижными и валовыми формами металлов отсутствует. По общепринятым нормативам почвы в отношении Мп оцениваются как недостаточно обеспеченные элементом для нормального развития растений;

3. Параметры и закономерности распределения Мп и Сг в почвах орошаемых ландшафтах и ландшафтах многолетних насаждений отличаются от фоновых характеристик и закономерностей распределения элементов в почвах полевых богарных ландшафтов. Различие проявляется в увеличении концентраций валового Сг, подвижных форм Мп, увеличении вариабельности обоих элементов, а также в усилении их миграционной способности. Причина заключается в повышенной агрогенной нагрузке на ландшафт (орошение и обработка многолетних насаждений металлсодержащими пестицидами в борьбе с болезнями растений);

4. Распределение элементов по почвенным профилям характеризуется уменьшением содержаний Мп и увеличением содержаний Сг с глубиной. Такое распределение не зависит от типа почвы и характерно как для черноземных, так и для каштановых почв. В общих чертах распределение подвижных форм Мп и Сг по профилю почвы повторяет распределение валовых и зависит от содержания в почве органического вещества, глинистых частиц, а также от концентрации элементов в почвообразующих породах;

5. В сельскохозяйственных культурах Ростовской области увеличение концентраций Мп и Сг идет в следующей последовательности: подсолнечник и зернобобовые - зерновые культуры - кормовые трав. Такое распределение Мп и Сг зависит от видовых особенностей растений и от общего количества подвижных и валовых форм элементов в почвах. Содержание Мп и Сг в овощах варьируется в широких пределах и зависит от того, какая часть растения непосредственно идет в пищу человеку и животным: корнеплоды (в частности свекла) содержат максимальное количество элементов, так как корневая система является основным «депо» для накопления микроэлементов. Плоды содержат гораздо меньшие количества Мп и Сг, листья занимают промежуточное положение, в связи с тем, что они накапливают микроэлементы не только поступающие по корневой системе, но и аккумулируют тяжелые металлы, попадающие на поверхность листьев с пылью и атмосферными осадками;

6. Для всех зерновых культур, фруктов и овощей области, за исключением корнеплодов и листовых овощей, характерен дефицит Мп. Наиболее необеспеченной зерновой культурой является пшеница. Кормовые травы, листовые овощи (капуста) и корнеплоды накапливают Мп, о чем свидетельствует повышение коэффициента биологического поглощения и переход металла в группу элементов сильного накопления. Дефицит Сг сельскохозяйственные культуры области не ощущают;

7. Эколого-геохимическая оценка почв Ростовской области, проведенная на основании существующих ПДК, позволяет говорить о том, что содержание валовых и подвижных форм Мп не превышает установленных нормативов. Для Сг загрязнение почв можно оценить как локальное и невысокое по уровню. Все сельскохозяйственные культуры не загрязнены Мп, а в случае Сг содержания элемента в сельскохозяйственной продукции очень далеки от уровня токсичности для растений;

8. На основании существующих нормативов на содержание элементов в овощах, крупах и хлебе общепринятые ПДК Мп и Сг в почвах требуют корректировки. Предложенные региональные ПДК, разработанные на основе методики профессора Закруткина В.Е. для конкретной сельскохозяйственной культуры и типа почвы, адекватно отражают эколого-геохимическую ситуацию в области и позволяют выделить почвы, неблагополучные с точки зрения «чистоты» выращиваемой сельскохозяйственной продукции;

9. В почвах полевых богарных ландшафтов Ростовской области складывается отрицательный баланс Мп и Сг, вследствие выноса элемента поверхностными водами и сельскохозяйственной продукцией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Заболотная, Ольга Николаевна, 2005 год

1. Агеев В.Н., Вальков В.Ф., Чешев А.С., Цвылев Е.М. Экологические аспекты плодородия почв Ростовской области. Ростов-на-Дону: Изд. СКНЦВШ, 1996.-168 с.

2. Агафонов Е.В. Тяжелые металлы в черноземах Ростовской области // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах. Материалы научно-практической конференции. М.: 1994. - С. 22 - 26.

3. Айвазян А.Д., Касимов Н.С. О геохимической специализации растений // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1979, № 3. - С. 42 - 47.

4. Акимцев В.В., Болдырева А.В., Голубев С.Н., Кудрявцев М.Н. и др. Содержание микроэлементов в почвах Ростовской области // Микроэлементы и радиоактивность почв. Ростов-на-Дону: ИРУ, 1962. -С. 38-41.

5. Акимцев В.В., Кудрявцев М.И., Кулешов Г.Т., Руденская К.В., Садименко П.А. Содержание некоторых микроэлементов в почвах Ростовской области и их географическое распределение // Роль микроэлементов в сельском хозяйстве. М., 1961. - С. 21 - 31.

6. Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. М.: Недра, 1990-142 с.

7. Алексеенко В.А., Алексеенко Вал. Ап., Черкашина И.Ф. Тяжелые металлы в ландшафтах Ростовской области (атлас карт). Ростов-на-Дону, 1989.-42 с.

8. Атлас Ростовской области. М.: ГУГК, 1973. - 33 с.

9. Ахтырцев Б.П., Ахтырцев А.Б., Яблонских JI.A. Тяжелые металлы в почвах ландшафтов Среднерусской степи и их миграция // Тяжелыеметаллы в окружающей среде. Материалы Международного Симпозиума. Пущино: ОНТИ-НЦБИ, 1997. - С. 15 - 23.

10. Ахтырцев Б.П., Ахтырцев А.Б., Яблонских JI.A. Тяжелые металлы и радионуклиды в гидроморфных почвах лесостепи Русской равнины и их профильное распределение // Почвоведение. 1999, №4.-С. 435-444.

11. Балюк С.А., Головина Л.П., Носоненко А.А. Тяжелые металлы в орошаемом земледелии Украины // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах. Материалы научно-практической конференции. -М., 1994.-С. 66-71.

12. Башкин В.Н. Экологически оптимальная биопродуктивность ландшафтов // География и природные ресурсы. 1991, № 3. - С. 15-22.

13. Белоголова Г.А., Матяшенко Г.В., Зарипов Р.Х. Биогеохимическая характеристика природных и техногенных экосистем Южного Прибайкалья // Экология. 2000, № 4. - С. 263 - 269.

14. Бессонов О.А., Белова С.А., Водолазкин Д.И., Кикина О.Г. и др. Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистеме Нижнего Дона. Ростов-на-Дону: ИРУ, 1991. - 112 с.

15. Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976. - 248 с.

16. Беус А.А., Григорян С.В. Геохимические методы поисков и разведки месторождений твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1975. -280 с.

17. Брукс P.P. Биологические методы поисков полезных ископаемых. -М., 1986.-245 с.

18. Бугреева М.Н. Эколого-геохимические циклы Мп в подземных водах района Воронежского водохранилища // Экологический вестник Черноземья. Вып. 5. Воронеж: Изд. МП «Менеджер», 1997. -С. 35-37.20