|
Інститут грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН
МОШНИК ЛЮДМИЛА ІВАНІВНА
УДК 631.416.8:504.53.06
ВАЖКІ МЕТАЛИ У ЗРОШУВАНИХ ГРУНТАХ ДОНБАСУ:
РІВНІ ВМІСТУ, ПРОЦЕСИ МІГРАЦІЇ, ТРАНСФОРМАЦІЇ І
ТРАНСЛОКАЦІЇ, ПРИЙОМИ ДЕТОКСИКАЦІЇ
06.01.03 - агрогрунтознавство і агрофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук
Харків - 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського Української академії аграрних наук
Захист відбудеться “31“ січня 2001 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 в Інституті грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.
Автореферат розісланий “30“ грудня 2000 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Павленко О.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Складна екологічна ситуація, що склалася в Донбасі, викликає необхідність постійного моніторингу за станом компонентів біосфери. Особливої уваги заслуговують зрошувані землі Донецької області, для поливу більшості яких використовуються забруднені важкими металами (ВМ) мінералізовані води другого та третього класів (відповідно обмежено придатні та непридатні для зрошення). До того ж службами моніторингу навколишнього середовища контроль грунтово-меліоративного стану зрошуваних земель проводиться окремо від контролю агроекологічного стану. З цих причин відсутня комплексна оцінка еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області, не вивчено закономірності міграції, трансформації та транслокації ВМ у системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”, не розроблено прийоми детоксикації забруднених вод і грунтів. Вивчення цих питань є дуже актуальним для умов Донбасу і має велике науково-практичне значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках науково-технічної програми на 1996-2000 рр. “Родючість грунтів. Розробити екологічно безпечні технології відтворення родючості та охорони грунтів”, підпрограми ”Технологія оптимізації сучасного грунтоутворювального процесу” та “Охорона грунтів від ерозії та техногенної деградації” (номер держреєстрації 03.04-МВ/30-96), а також за договором № 70 з Державним комітетом України з водного господарства “Розробити та впровадити заходи по забезпеченню охорони зрошуваних земель Донбасу від засолення, осолонцювання, підтоплення та забруднення токсичними сполуками” (1998-2000 рр., номер держреєстрації 0193U032884). Роль дисертанта полягала у проведенні польових, аналітичних і камеральних робіт, у підготовці та написанні наукових звітів.
Мета і задачі дослідження. Основна мета - дати комплексну оцінку еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області, встановити закономірності міграції, трансформації та транслокації ВМ у системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”, розробити заходи з детоксикації забруднених вод і грунтів.
Досягнення мети здійснювалося вирішенням таких задач: 1) удосконалити існуючу методику грунтово-меліоративного обстеження зрошуваних земель і на її основі дати комплексну оцінку еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області; 2) встановити закономірності профільного розподілу ВМ у зрошуваних грунтах, їх сезонної та багаторічної динаміки, міграції, трансформації та транслокації у системі “вода - грунт - рослина”; 3) розробити статистичні моделі залежності вмісту ВМ у сільськогосподарській продукції від якості води та рівня забруднення грунту; 4) з’ясувати кількісний розподіл ВМ між твердою і рідкою фазами грунту та їх компонентами; 5) визначити ефективність різних прийомів детоксикації забруднених ВМ зрошувальних вод і грунтів.
Об’єктом дослідження є ВМ у взаємопов’язаній системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”.
Предметом досліджень є рівні вмісту ВМ у зрошуваних грунтах, зрошувальних водах і рослинах Донбасу, міграція, трансформація та транслокація, прийоми детоксикації.
Методи дослідження. Розробка проблеми поєднувала теоретичні та експериментальні дослідження на основі системного підходу. Дослідження проводилися в умовах польових, модельно-вегетаційних і модельно-лабораторних дослідів. При еколого-агромеліоративному обстеженні зрошуваних земель використовувався вдосконалений нами метод “ключів-аналогів”. Польові та модельно-вегетаційні досліди проводилися згідно з існуючими методиками, фізико-хімічні та хімічні аналізи грунтів, вод, рослин і меліорантів - за атестованими та тимчасово допущеними методиками.
Наукова новизна одержаних результатів. 1. За результатами проведеного за вдосконаленою методикою обстеження зрошуваних земель Донецької області та узагальнення фондових матеріалів вперше дано комплексну оцінку еколого-агромеліоративного їх стану з виділенням на картографічній основі трьох груп: із задовільним, небезпечним та дуже небезпечним (кризовим) станом. Встановлено взаємозв’язок між вмістом ВМ у системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”. 2. Виявлено закономірності міграції і транслокації ВМ у системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”, що полягають у впливі рівня забруднення грунту та якості води на профільний розподіл металів, їх сезонну й багаторічну динаміку, надходження у рослини. 3. Встановлено особливості трансформації і кількісного розподілу ВМ між фазами та компонентами грунту: рідкою (грунтовий розчин) і твердою (грунтовий вбирний комплекс, мулиста фракція, гумінові і фульвокислоти). При цьому значно більша кількість металів зв’язана з твердою фазою грунту. 4. Встановлено можливість використання адсорбентів і промивок грунту водами різної якості для детоксикації забруднених металами зрошувальних вод і грунтів. Оціночними критеріями ефективності цих прийомів є вміст ВМ у грунтовому розчині і водній витяжці та якість продукції.
Практичне значення одержаних результатів. 1. За результатами проведеного еколого-агромеліоративного обстеження складено картосхеми якості зрошувальних вод, вмісту ВМ у грунтах, комплексного стану зрошуваних земель Донецької області, які передано Держводгоспу України, Донецькому держуправлінню екологічної безпеки, Донецькій гідрогеолого-меліоративній експедиції (ГГМЕ), обласному управлінню меліорації та водного господарства для практичного використання при розробці меліоративного кадастру, проведенні моніторингу зрошуваних земель, плануванні агромеліоративних заходів, прогнозуванні стану та грошовій оцінці земель, що підтверджується відповідними довідками. Результати досліджень мають значення і для інших промислових регіонів з аналогічними умовами. 2. Запропоновано прийоми детоксикації забруднених ВМ зрошувальних вод і грунтів з використанням адсорбентів, у тому числі кальцій- і залізовмісних відходів промислового виробництва Донецької області, а також промивки різними водами. 3. Результати досліджень використані при розробці відомчого нормативного документа “Охорона водних, грунтових та рослинних ресурсів від забруднення важкими металами в умовах зрошення” (ВНД 33-5.5-06), введеного в дію наказом Держводгоспу України. Ним слід керуватися при проектуванні та експлуатації зрошувальних систем, при проведенні моніторингу зрошуваних земель, при оцінці та прогнозуванні їх стану. 4. Результати досліджень використані при підготовці “Рекомендацій з охорони та підвищення родючості зрошуваних земель Донецької області” і знайшли відображення в інформаційному бюлетені “Аграрна наука - виробництву”.
Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та задач досліджень, у проведенні польових, лабораторних і модельно-вегетаційних дослідів, у виконанні основного обсягу аналітичних робіт, в ознайомленні та критичному аналізі наукової літератури з досліджуваних питань, в узагальненні, аналізі та математичній обробці експериментального матеріалу, в апробації результатів, у визначенні наукової новизни та практичної цінності роботи. Положення, що виносяться на захист, і висновки сформульовані і обгрунтовані особисто автором.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на V з’їзді грунтознавців та агрохіміків України (м. Рівне, 1998 р.), на наукових міжвідомчих та науково-практичних конференціях (м. Харків, 1997, 1998, 1999 рр.; м. Щелкіно, 1999 р.; м. Одеса, 1999 р.).
Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 12 наукових праць.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку літератури, який налічує 278 найменувань (20 робіт іноземних авторів), додатків. Робота викладена на 317 сторінках, містить 147 сторінок тексту, 50 таблиць і 32 рисунки, а також 24 таблиці та 15 рисунків додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Важкі метали як фактор дії на стан водних джерел, грунтів і рослин
Надано огляд літературних джерел з питань впливу техногенного забруднення на екологічний стан грунтів, на хімічний склад зрошувальних вод і на якість продукції, оцінки ступеня їх забруднення, вивчення процесів трансформації та транслокації ВМ, прийомів детоксикації забруднених зрошувальних вод і грунтів. Висвітлено недостатньо вирішені проблеми стосовно оцінки стану зрошуваних земель Донбасу, обгрунтовано напрямки та доцільність проведення досліджень.
Об’єкти та методи досліджень
Еколого-агромеліоративне обстеження зрошуваних земель Донецької області проводилося за вдосконаленим нами методом “ключів-аналогів” (були включені еколого-токсикологічні показники); при цьому одночасно вивчалася взаємопов’язана система “вода - грунт - рослина”. Дослідженнями було охоплено 18 адміністративних районів і 7 місцевих зон області, 46 господарств, в яких закладено 94 ключові площадки.
Питання поліелементного забруднення чорнозему звичайного важкими металами та прийомів його детоксикації вивчали у польових дослідах, закладених на стаціонарі Донецького інституту агропромислового виробництва (с. Піски Ясинуватського району). Схема дрібноділянкового досліду №1 та дози меліорантів (т/га) при його закладці: 1) контроль; 2) гній, 100.0; 3) плантажна оранка на 75 см + гній, 100.0; 4) фосфогіпс, 7.9; 5) крейдяний шлам содового комбінату, розкладений сірчаною кислотою, 7.5; 6) крейдяний шлам фенольного заводу, 4.6; 7) кальцій- і залізовмісний шлам Харцизького сталедротяного заводу (СДЗ), 15.6; 8) залізний купорос, 2.3; 9) забруднення свинцем (Pb) і кадмієм (Cd) до рівня трьох гранично допустимих концентрацій (ГДК); 10) залізо-марганцевий шлам металургійного заводу, 15.0. Площа ділянки - 4 м2, повторність варіантів шестиразова. Дози меліорантів при закладці досліду визначалися за показниками солонцюватості грунту, а в подальші роки - виходячи із запланованої зрошувальної норми і солонцюючої дії води. Зрошувальна норма в 1998 р. для кукурудзи складала 1200 м3/га, в 1999 р. для кормового буряку - 1600 м3/га. Pb і Cd вносили у формі оцтовокислої та сірчанокислої солей у дозах відповідно 90 і 9 мг/кг.
Схема мікроділянкового досліду № 2: 1) контроль (не забруднений ВМ грунт; рекомендований режим поливів мінералізованою водою) ; 2) фон (грунт, забруднений Zn, Pb, Co, Cu, Cr, Cd, Ni; рекомендований режим поливів мінералізованою водою); 3) фон + промивний режим поливів мінералізованою водою; 4) фон + промивний режим поливів мінералізованою та прісною водою; 5) вар. № 4 + торф екраном під шар 0-25 см (100 т/га); 6) вар. № 5 + плантажна оранка на 75 см; 7) вар. № 6 + шлам СДЗ (50 т/га) + залізний купорос (18 т/га). Дози ВМ (мг/кг): Zn - 100, Pb - 100, Co - 50, Cu - 100, Cr - 200, Cd - 24, Ni - 100. Метали вносили у вигляді солей: сульфатів цинку і міді, ацетату свинцю, хлориду кобальту, калію хромовокислого, нітрату кадмію, ацетату та оксиду нікелю. Площа ділянки - 0,5 м2. Повторність досліду чотириразова. При закладці досліду стінки ділянок ізолювали поліетиленовою плівкою.
У модельно-вегетаційному досліді №1 вивчали ефективність промивки чорнозему звичайного від ВМ дистильованою, підкисленою до рН-3 і меліорованою водами, а також зв’язування металів у малодоступні для рослин форми адсорбентами: червоним шламом (3 г/кг грунту), керамзитом (3 г/кг), цеолітом (3 г/кг), крейдою (3 г/кг), сапропелем (15 г/кг), криптогуміном (15 г/кг), біомосом (1,5 г/кг), активованим вугіллям (1,5 г/кг). Грунт усіх варіантів забруднили Pb і Cd у формі ацетату свинцю та сульфату кадмію до рівнів 2, 7, 10 ГДК їх валового вмісту. Грунт промивали подачею води безнапірно зверху, трьома тактами. Загальна норма - 675 мм.
У модельно-вегетаційному досліді № 5 вивчали ефективність зв’язування ВМ у грунті різними дозами адсорбентів: цеолітом, вермикулітом, керамзитом - 8, 16, 32 г/кг грунту; активованим вугіллям, червоним шламом - 4, 8, 16 г/кг; торфом - 16, 32, 64 г/кг. Грунт усіх варіантів забруднили до високого рівня (мг/кг): Pb - 100, Cd - 24, Cr - 200, Co - 50, Ni - 100. Тест-культурами були кукурудза, редиска, озима пшениця.
У модельно-вегетаційному досліді № 2 визначали вплив зрошення водами різної якості на накопичення металів у грунті та їх транслокацію у рослини салату. В досліді № 3 вивчали надходження ВМ у зелену масу салату із різних генетичних горизонтів грунту: Н/к (0-25 см), Нрк (25-40 см), НРк (40-70 см), Рhк (70-110 см), Рк (110-150 см). У досліді №4 виявляли вплив різних рівнів забруднення грунту Pb і Cd на трансформацію металів та транслокацію їх у зелену масу кропу. Грунт забруднювали Pb і Cd як окремо, так і сумісно до 3, 5, 10, 15, 20 ГДК. Свинець вносили у формі ацетату, кадмій - сульфату. Дози Pb становили 65, 125, 275, 425, 575 мг/кг, Cd - 10, 20, 45, 75, 90 мг/кг. Повторність варіантів модельно-вегетаційних дослідів триразова.
У модельно-лабораторному досліді № 1 вивчали можливість очищення зрошувальної води від ВМ за допомогою адсорбентів. Вода № 1 - мінералізована, додатково забруднена Pb, Co, Cd, Ni, Cr; доза адсорбентів - 20 г/л (співвідношення вода : адсорбент - 50:1). Вода № 2 - дистильована, забруднена Pb, Cd, Ni; при цьому концентрацію солей металів збільшили у два рази, а дози адсорбентів зменшили у два рази. Адсорбенти змішували з водою і відстоювали протягом доби, а потім фільтрували й аналізували інфільтрат.
У модельно-лабораторному досліді № 2 вивчали розподіл Zn, Pb, Co, Cu, Cr, Cd і Ni між різними фазами та компонентами чорнозему звичайного з мікроділянкового досліду № 2. При цьому використовували метод послідовної екстракції металів: їх визначали у грунтовому розчині, у твердій фазі грунту: у водній витяжці, у складі катіонів вбирного комплексу, у фракціях гумінових (ГК) і фульвокислот (ФК), у мулистій фракції.
Валовий вміст ВМ у грунті визначали рентгено-спектральним (на приладі СРН-25) та інверсійно-спектральним (ДФС-8) методами, рухомі форми - атомно-абсорбційним методом на приладі с-115 в ацетатно-амонійній (СH3COONH4 з рН-4.8), солянокислій (1н Hcl) та водній витяжках, у зрошувальних водах і рослинах - атомно-абсорбційним методом.
У грунті визначали також сольовий склад, загальний гумус і його груповий та фракційний склад, карбонати, рухомі форми азоту, фосфору та калію, гранулометричний склад згідно атестованих й тимчасово допущених методик. Математичну обробку проводили за допомогою пакета програм “Statistica”, дисперсійного та кластерного аналізів.
Природні та антропогенні умови району досліджень
У розділі описуються фізико-географічне положення, клімат, рельєф, геологічна будова, гідрографія, гідрогеологія, рослинний покрив, грунтотворні породи, грунтовий покрив району досліджень. Як антропогенні умови розглядається вплив викидів промислових підприємств, автотранспорту і стічних вод на стан навколишнього середовища. За грунтово-екологічним районуванням України (Полупан, Соловей, 1997) Донецька область відноситься до степової зони, північно-степової підзони чорноземів звичайних, зимово-холодної фації, Донецької провінції. Згідно з районуванням, розробленим Інститутом гідротехніки і меліорації УААН, Донецька область належить до зони недостатнього і нестійкого зволоження (коефіцієнт зволоження 0,45-0,55), дефіцит якого компенсується зрошенням. Зрошення впливає на вміст металів у грунтах і рослинах, на міграцію їх в системі “вода - грунт - рослина”, але в Донбасі значну роль у забрудненні компонентів біосфери відіграють й інші фактори техногенного походження.
Еколого-агромеліоративний стан зрошуваних земель Донецької області
Хімічний склад та іригаційна оцінка зрошувальних вод. Донецька область має численні водні джерела зрошення (понад 500), склад яких формується за рахунок природних вод і (значною мірою) недоочищених стічних вод промислових підприємств. Мінералізація поливних вод змінюється від 0,3-1,0 до 2,0-4,0 г/л солей. Тип солей прісних вод - гідрокарбонатно-кальцієвий або сульфатно-гідрокарбонатний магнієво-кальцієвий. З підвищенням мінералізації хімізм солей змінюється на більш токсичний хлоридно-сульфатний магнієво-натрієвий або сульфатно-натрієвий. Оцінка зрошувальних вод, згідно з ДСТУ 2730 (за небезпекою засолення, осолонцювання та підлуження грунту) показала, що водами першого класу (придатними для зрошення) поливається 15-20 % території, другого (обмежено придатними) - 60-70%, третього (непридатними) - 15-20 %.
Оцінка вод за вмістом ВМ, згідно з ВНД 33-5.5-06, свідчить, що прісні води, як правило, характеризуються низьким рівнем вмісту металів (сума ВМ 0,09-0,16 мг/л) і належать до першого класу. З підвищенням мінералізації сумарна їх кількість зростає до 0,20-0,62 мг/л, але цей зв’зок може порушуватися викидами промислових підприємств і автотранспорту, стічними водами. Пріоритетними забруднювачами вод виступають Pb, Cd і Co. За результатами досліджень складено картосхему якості води за вмістом ВМ. При цьому водами першого класу зрошується 10% площі, другого - 65% і третього - 25%.
Вміст рухомих форм важких металів у зрошуваних грунтах. Проведеними дослідженнями встановлено, що тривалість зрошення та якість води впливають на стан і хімічні властивості грунтів. Просторова та профільна неоднорідність розподілу ВМ обумовлена різними джерелами їх надходження - зрошувальними водами, викидами промислових підприємств і автотранспорту. Нами складено картосхему забруднення грунтів Донецької області рухомою формою ВМ (шари 0-
50, 0-100 см). Встановлено, що якість води впливає на вміст металів у грунті. Площам, зрошуваним водами першого класу, як правило, відповідають площі з допустимою категорією забруднення - сумарний показник забруднення Zc <16,0 (5% від загальної площі зрошення), водами другого класу - з помірно небезпечною категорією - Zc = 16,1-32,0 (50%) і водами третього класу - з небезпечною категорією - Zc = 32,1-128,0 (45%). Цей зв’язок апроксимується відповідними рівняннями регресії з коефіцієнтами кореляції від 0,50 до 0,67. Однак він може порушуватися атмосферним забрудненням через викиди промислових підприємств і транспорту.
Зрошення посилює міграцію ВМ, обумовлює перерозподіл їх по профілю й акумуляцію в нижніх шарах грунту. Вміст металів у незрошуваних грунтах, як правило, нижчий.
Пріоритетними забруднювачами грунтів, як і вод, виступають Pb, Cd, Co, Ni, вміст яких при зрошенні водами третього класу перевищує фон відповідно в 10-23, 4-6, 7-15, 3-6 разів. За вмістом Pb і Cd складено картосхеми, їх контури в основному пристосовані до контурів якості води.
Рівні вмісту важких металів у сільськогосподарських рослинах. Вміст ВМ у зрошувальних водах і зрошуваних грунтах впливає на якість сільськогосподарської продукції. При зрошенні водами першого класу вміст металів у рослинах, як правило, не перевищує допустимого рівня, а з погіршенням якості води (другий і третій класи) транслокація посилюється, і кількість ВМ перевищує ГДК і максимально допустимий рівень (МДР) у два-шість разів. Особливої уваги заслуговує якість овочевої продукції та картоплі. При зрошенні водами другого-третього класів накопичення токсичних елементів (Pb, Cd, Cr) перевищувало ГДК у бульбах картоплі, в томатах, моркві, кабачках та столових буряках у 1,2-3,5 рази. Розроблено статистичні моделі залежності вмісту ВМ у рослинах від якості зрошувальної води та рівня забруднення грунту з коефіцієнтами кореляції 0,77-0,93, які дозволяють оцінити та прогнозувати забруднення сільськогосподарської продукції в умовах зрошення і техногенного навантаження.
Оцінка еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель. На основі проведеного нами обстеження та узагальнення фондових матеріалів вперше дано комплексну оцінку еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області, складено картосхему з виділенням трьох груп земель (рис. 1). Землі першої групи займають площу 21 тис. га (10,5% від загальної площі зрошення) і характеризуються задовільним станом. Для зрошення використовуються, як правило, води першого класу. Шар грунту 0-50 см незасолений і неосолонцьований; забруднення ВМ на рівні допустимої категорії (Zc <16,0). Продукція не забруднена, але в локальних зонах вміст Pb i Cd може перевищувати ГДК через атмосферне забруднення.
Землі другої групи займають площу 123 тис. га (61,5%) і характеризуються небезпечним станом. Для зрошення використовуються, як правило, води другого класу. Шар 0-50 см засолений нижче слабкого ступеня, осолонцьований на рівні слабкого ступеня; забруднення ВМ на рівні допустимої та помірно небезпечної категорій (Zc =10-30). Продукція забруднена ВМ на рівні ГДК та вище.
Землі третьої групи з дуже небезпечним (кризовим) станом займають площу 56 тис. га (28%).
Для зрошення використовуються, як правило, води третього класу. Шар 0-50 см засолений до слабкого ступеня, осолонцьований у слабкій та середній мірі; забруднений ВМ на рівні помірно небезпечної та небезпечної категорій (Zc =17-45). Продукція забруднена ВМ на рівні ГДК і значно вище (в 1,5-4,5 рази). Для кожної групи земель запропоновано комплексні заходи з охорони та підвищення їх родючості.
Міграція, трансформація та транслокація
важких металів у системі “зрошувальна вода - грунт - рослина”
Профільний розподіл і динаміка рухомої форми важких металів у незрошуваному, виведеному зі зрошення та зрошуваному грунтах. Вивчено особливості глибокопрофільного розподілу рухомої форми ВМ у незрошуваному чорноземі звичайному і в аналогічному чорноземі, виведеному зі зрошення після 30 років поливів водою другого-третього класів. Зрошення забрудненою водою підвищило вміст рухомої форми металів, обумовило перерозподіл їх по профілю й акумуляцію на глибині промочування грунту (250-275 см). У незрошуваному грунті метали акумулюються на глибині 125-150 см, а в нижній частині профілю вміст їх дещо знижується. В обох грунтах найбільш небезпечними елементами є Pb, cd, Cr, вміст яких перевищує фон у 4-14 разів. У незрошуваному та виведеному зі зрошення грунтах сезонна та багаторічна динаміка рухомої форми ВМ характеризується сезонно зворотним типом з тенденцією зниження їх вмісту у два останні посушливі роки (1998-1999). Загальною тенденцією є деяке зменшення вмісту Zn, Fe, Ni, Co, Cd від весни до осені, а до весни наступного року він знову підвищується, але неповністю до вихідного рівня. У зрошуваному грунті в шарі 0-50 см від весни до осені внаслідок привнесення з поливною водою вміст рухомої форми металів зростає, а в зимово-весняний період під впливом інфільтрації атмосферних опадів вони мігрують униз і накопичуються у шарі 50-100 см і глибше.
Вплив різних рівнів забруднення грунту свинцем і кадмієм на транслокацію їх у біомасу кропу. У модельно-вегетаційному досліді № 4 встановлено залежність вмісту рухомих форм Pb i Cd від рівня забруднення грунту. Концентрація рухомих форм, які вилучаються витяжками CH3COONH4 і HCl, підвищується прямо пропорційно збільшенню їх валового вмісту (рис. 2). При цьому у витяжку 1н HCl переходить 83-92% Pb i 87-98% Cd, а у витяжку CH3COONH4 з рН-4,8 - 27-45% Cd і 8-14% Pb від валового вмісту. Cd виявився більш рухомим, ніж Pb, що пов’язано з міцнішим закріпленням останнього в грунті.
На накопичення ВМ у кропі впливають рівень забруднення грунту та фізіологічні особливості рослини (захисні механізми - бар’єри). При забрудненні грунту Pb і Cd до 3-10 ГДК вміст їх у кропі підвищується, а потім спрацьовує захисний бар’єр і транслокація знижується (рис. 3). При високих концентраціях (15 ГДК) бар’єр перестає функціонувати і вміст металів починає збільшуватися. При цьому Сd накопичувався у кропі з більшою інтенсивністю, ніж Pb. Зниження врожаю відмічалося на варіанті з одночасним внесенням Pb i Cd в дозі по 20 ГДК. Спостерігався також вплив забруднення грунту Pb i Cd на транслокацію інших металів, що пов’язано з процесами антагонізму та синергізму іонів. Антагонізм відмічався між Pb і Mn, Pb і Zn, Pb і Co, Pb і Cu, Pb і Ni, Pb і Fe; Cd і Zn, Cd і Co, Cd і Ni, Cd і Cu, Cd і Fe. Таким чином, рівень забруднення грунту впливає на вміст рухомих форм металів, продуктивність рослин та якість продукції.
 
Транслокація важких металів у біомасу салату, вирощену на грунті різних генетичних горизонтів. Вирощування салату на грунті різних генетичних горизонтів довело, що зі збільшенням глибини горизонтів вміст металів у зеленій масі підвищується. Отже, забруднені нижні шари грунту можуть бути джерелом ВМ для рослин з глибокою кореневою системою. Це слід враховувати при розробці структури посівних площ, підборі культур, плануванні комплексних заходів, зокрема при проведенні плантажної оранки.
Вплив якості зрошувальної води на вміст металів у грунті та рослинах. При поливах чорнозему звичайного водою різної якості (придатною, обмежено придатною та не придатною за вмістом Pb i Cd) підвищення вмісту рухомих форм (витяжка CH3COONH4) Pb, Cd і суми металів (Zn, Mn, Fe, Cu, Ni, Co, Pb, Cd) у грунті відбувається до певного рівня, а потім вони трансформуються в менш рухомі форми (рис. 4). З погіршенням якості води вміст металів у зеленій масі салату зростає, особливо при зрошенні водою з максимальним рівнем забруднення. При цьому вміст Pb і Cd перевищував ГДК у 2,8-8,7 рази. Встановлено прямий, але нелінійний зв’язок між вмістом ВМ у зрошувальній воді, грунті та зеленій масі салату.
Вміст важких металів у різних фазах і компонентах грунту. У модельному досліді встановлено кількісний розподіл ВМ між різними фазами та компонентами чорнозему звичайного з високим рівнем забруднення. Більша частина валового вмісту представлена Fe (92%), Zn, Mn, Cu, Ni - по 1-2%, Pb, Cd - по 0,3-0,4%. У грунтовому розчині міститься найбільш рухома та доступна рослинам форма металів. Сумарна їх кількість при зволоженні грунту до найменшої вологоємності (НВ) дистильованою водою становить лише 0,0001% від валового вмісту, однак концентрація токсичних Pb, Cd і Со за показниками іригаційної оцінки значно перевищує допустимі значення для вод першого класу. Це свідчить про те, що навіть незначна частина металів, яка переходить у грунтовий розчин, може згубно впливати на рослини. Кислотні (1н НCl, CH3COONH4 з рН-4,8) та водна витяжки вилучають різну кількість ВМ: 1н НCl - 50-60% Pb i Cd, CH3COONH4 з рН-4,8 - 13% Pb і 22% Cd, водна витяжка - 0,045% Cu, 0,030% Pb і 0,020% Cd, а найменше всіма екстрагентами вилучалося Fe (до 1,3%).
Рис. 4 - Вплив якості води на вміст металів у грунті та зеленій
масі салату (модельно-вегетаційний дослід № 2)
Виділення з твердої фази грунту ВМ, які входять у вбирний комплекс (витяжка CH3COONH4 з рН-6,5), показало, що найбільше в ньому концентрується Cd (30% від валового вмісту) і Pb (10-15%). У мулистій фракції міститься 45% металів від валового вмісту у грунті. Валового заліза в 1 кг мулу в 1,5 рази більше, ніж в 1 кг твердої фази грунту, а інших металів - значно менше: Mn, Zn, Ni, Pb i Cd - в 3-6 разів, Сu і Со - в 10-12 разів. Вміст рухомої форми Fe, Mn, Cu, Co i Ni в цій фракції значно вищий, а Zn i Cd - нижчий, ніж у всій твердій фазі грунту.
У незрошуваному грунті та у зрошуваному протягом 30 років забрудненою Pb, Cd i Co водою з гуміновими і фульвокислотами зв’язано менше металів, ніж з мінеральною частиною, за винятком Pb (в розрахунку на одиницю ваги). В обох грунтах більша частина ВМ знаходиться в ГК: у незрошуваному грунті у 3,2 рази більше, ніж в ФК, а у зрошуваному - тільки у 1,5 рази. При цьому значна їх частина зв’язана з фракціями 2 (ГК, зв’язані з кальцієм) і 3 (ГК, зв’язані з глинними мінералами й нерухомими полуторними окисами) гумінових кислот і фракцією 1а фульвокислот (ФК вільні і пов’язані з рухомими полуторними окисами).
Прийоми детоксикації зрошувальних вод і зрошуваних грунтів
Використання адсорбентів для очищення зрошувальної води від важких металів. У модельно-лабораторному досліді обробка адсорбентами зрошувальної води, поліелементно забрудненої ВМ до високих рівнів, знижувала сумарну кількість металів на 24-87% (мінералізована вода) і 41-99% (штучно забруднена дистильована вода). Найбільш ефективними виявилися катіоніт КУ-2, вермикуліт, червоний шлам, сірчанокислий залізо-кальцієвий шлам, залізний купорос, торф, сапропель, криптогумін (табл. 1). Головним чином сорбувалися Co, Ni, Pb, Cd, a Zn, Fe i Mn, навпаки, десорбувалися з речовин, що вивчалися. Більш високий ефект адсорбції металів у забрудненій дистильованій воді пояснюється двома причинами: по-перше, мінералізована вода поліелементно забруднена, по-друге, вона засолена і адсорбція солей натрію, магнію та кальцію знижує ефект поглинання ВМ.
Таблиця 1
Ефективність адсорбції металів у мінералізованій воді
Прийоми детоксикації забруднених грунтів. Ефективність прийомів детоксикації забруднених грунтів (промивки, адсорбенти, вирощування культур з великою біомасою) вивчали у модельно-вегетаційних і польових дослідах. Моделювання промивок різними водами (дистильованою, підкисленою, меліорованою розкладеною до СаSO4 крейдою і суспензованою крейдою) в нормі на заміщення 3 НВ грунтового розчину (модельно-вегетаційний дослід № 1) показало високий ефект видалення простих токсичних солей, розсолення та розсолонцювання грунту, а ефект вимивання ВМ був незначним. При забрудненні грунту до 2-10 ГДК вимилося лише 0,10-0,40% валового вмісту Pb i 0,02-0,10% Cd (в основному водорозчинна форма металів). При цьому накопичення Pb у продукції знизилося: в листі редиски - на 10-26%, в коренеплодах - на 34-49%, в зеленій масі гороху - на 51-71%. У мікроділянковому досліді № 2 на фоні високого поліелементного забруднення промивні поливи з підвищенням норми поливу на 50% (на заміщення 1,5 НВ грунтового розчину) знизили вміст рухомої форми металів (буферна витяжка) у шарі 0-25 см на 24-38%, тобто ефект був вищий, ніж у модельно-вегетаційному досліді, що пов’язано зі способом промивки та більш високим рівнем забруднення грунту.
У модельно-вегетаційному досліді №1 внесення у грунт сапропелю, червоного шламу, крейди, цеоліту, криптогуміну, активованого вугілля та біомосу знизило вміст рухомої форми ВМ всього на 3-21%. Однак одним з головних критеріїв оцінки ефективності адсорбентів є якість продукції. Так, вміст Pb в коренеплодах редиски знизився на 46-68%, в зеленій масі гороху - на 38-71%. Продукція була гігієнічно чистою щодо цього металу. Накопичення Сd на варіантах з адсорбентами зменшилося на 44-73%.
У модельно-вегетаційному досліді № 5 встановлено, що вміст рухомої форми Pb, Cd, Ni, Cu (буферна витяжка) на варіантах з адсорбентами знизився незначною мірою, а кількість Zn, Co, Fe i Mn навіть підвищилася внаслідок десорбції їх з окремих речовин. Однак адсорбенти активно поглинали метали, які вилучаються водною витяжкою (11-57%). Внаслідок адсорбції водорозчинної легкодоступної рослинам форми металів вміст їх у зеленій масі кукурудзи та пшениці знизився на 18-44%. Підвищення доз речовин значно не посилювало ефект адсорбції металів і є економічно недоцільним.
У польовому досліді № 1 при зрошенні чорнозему звичайного мінералізованою водою третього класу кальцієві та залізо-кальцієві меліоранти з відходів промисловості, а також плантажна оранка послабляли розвиток процесу осолонцювання грунту, але були малоефективними у зниженні рухомості ВМ (буферна витяжка). Однак на варіантах з гноєм, фосфогіпсом, карбонатно- та залізо-кальцієвими шламами транслокація металів у зелену масу кукурудзи й коренеплоди буряку зменшилася на 16-52%.
При вирощуванні кормового буряку в польовому досліді № 1 із шару 0-25 см в розрахунку на 1 кг сухого грунту при врожаї коренеплодів 500 ц/га і гички 220 ц/га було винесено 0.040 мг Pb, 0.014 мг Co, 0.012 мг Ni, 0.0014 мг Cd. Для детоксикації грунту до фонового рівня щодо Pb необхідно 58 таких врожаїв, Cd - 35, Co - 22, Ni - 17. При цьому продукція може використовуватися на корм, якщо вміст ВМ не перевищує МДУ.
Таким чином, проведені дослідження показали, що головними критеріями ефективності заходів, що вивчалися, є вміст ВМ у грунтовому розчині, водній витяжці та якість продукції.
Висновки
В дисертації наведено теоретичне обгрунтування й нове вирішення проблеми закономірностей поведінки металів у системі “вода - грунт - рослина”, що полягає у встановленні рівнів вмісту ВМ у зрошуваних грунтах, зрошувальних водах і рослинах Донбасу, в комплексній оцінці еколого-агромеліоративного стану земель, в розробці заходів з детоксикації забруднених вод, грунтів та зменшення надходження металів у рослини. Результати досліджень мають значення й для інших промислових регіонів з аналогічними умовами.
- Удосконалено методику грунтово-меліоративного обстеження зрошуваних земель (включено еколого-токсикологічні показники: вміст ВМ у зрошувальних водах, грунтах і рослинах). Обгрунтовано необхідність одночасного вивчення взаємопов’язаної системи “зрошувальна вода - грунт - рослина”, що дозволяє адекватно оцінити еколого-агромеліоративний стан зрошуваних земель.
- Встановлено рівні вмісту ВМ у зрошувальних водах, зрошуваних грунтах і рослинах Донецької області. Зрошувальні води за концентрацією металів відносяться до трьох класів: придатних, обмежено придатних та непридатних. При цьому водами першого класу поливається 10% території, 2 класу - 65%, 3 класу - 25%. Пріоритетними забруднювачами вод виступають Pb, Cd і Co. Рівень вмісту ВМ у кореневмісному шарі чорноземів звичайних при поливах водою 1 класу, як правило, відповідає допустимій категорії забруднення. Зрошення водами другого-третього класів підвищує вміст металів, і рівень забруднення грунту підвищується до помірно небезпечної та небезпечної категорій. Концентрація металів у богарних грунтах, як правило, нижче. Розроблено статистичні моделі залежності накопичення ВМ у продукції зернових, кормових та овочевих культур від вмісту їх в зрошувальних водах та грунтах з коефіцієнтами кореляції 0,7-0,9.
- Дано комплексну оцінку еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель Донецької області з виділенням на картографічній основі трьох груп: із задовільним, небезпечним і дуже небезпечним (кризовим) станом. Для кожної групи земель запропоновано комплексні організаційні, інженерно-меліоративні, агромеліоративні та агротехнічні заходи.
- Встановлено закономірності профільного розподілу рухомої форми ВМ у зрошуваних грунтах: вимивання з верхнього орного шару грунту і накопичення в нижніх шарах при зрошенні водами 1 класу; підвищення вмісту і рівномірний їх розподіл в середній частині 1,5-3,0-метрового профілю й акумуляція в нижній при зрошенні водами 2-3 класів.
- Виявлено особливості сезонної та багаторічної динаміки рухомої форми ВМ у грунті. Незрошуваному грунту та виведеному зі зрошення в річному циклі властивий сезонно зворотний тип режиму металів з тенденцією зниження рівня забруднення у два останні посушливі роки (1998-1999). У грунті, зрошуваному водами 2-3 класів, спостерігається режим сезонного (в поливний період) накопичення металів у шарі 0-50 см з наступним вилуговуванням їх у неполивний осіннє-зимово-весняний період в нижні шари. У річному циклі спостерігається незворотний тип накопичення рухомої форми ВМ, особливо при зрошенні водою третього класу.
- Встановлено особливості процесів трансформації ВМ у грунті в умовах зрошення та транслокації їх у рослини при різних рівнях забруднення води і грунту:
- при поливах водою 2-3 класів за вмістом Pb, Cd i Co накопичення рухомих форм цих металів в грунті відбувається до певного рівня, а потім вони трансформуються й акумулюються в менш рухомих формах. З погіршенням якості води транслокація ВМ у зелену масу салату посилюється. Встановлено прямий, але нелінійний зв’язок між вмістом ВМ у зрошувальній воді, грунті та зеленій масі салату. Виявлено, що рослини можуть вилучати метали не тільки з верхніх, але й із нижніх горизонтів грунту;
- з підвищенням рівня забруднення грунту Pb і Cd (в межах 3-20 ГДК за валовим вмістом) концентрація їх рухомих форм зростає, при цьому Pb більшою мірою, ніж Cd зв’язується грунтом. На накопичення металів у зеленій масі кропу впливає рівень забруднення грунту, процеси синергізму та антагонізму іонів, фізіологічні особливості культури (захисні бар’єри). На чорноземі звичайному достовірне зниження врожаю кропу відмічається тільки на варіанті з сумісним забрудненням грунту Pb і Cd в дозі 20 ГДК.
- Встановлено особливості кількісного розподілу ВМ між твердою і рідкою фазами та їх компонентами у зрошуваному чорноземі звичайному з високим рівнем забруднення:
- у грунтовому розчині міститься незначна кількість металів (0,0001% від валового вмісту в грунті). В ньому найбільше концентрується Pb, Cd, Co, Zn і найменше Fe. Абсолютно більша частина ВМ зв’язана з твердою фазою грунту. Кислотні та водна витяжки вилучають із твердої фази різну кількість металів: 1н HCl - 9% Ni, 16-30% Zn, Mn, Co і Cu, 50-60% Pb i Cd і тільки 0,2% Fe; CH3COONH4 - 1,2% Ni, 2-7% Zn, Mn, Co і Cu, 15% Pb, 32% Cd i 0,005% Fe. Водною витяжкою вилучається приблизно 0,0015% металів, менш за все Fe, Mn, Zn;
- у грунтовому вбирному комплексі найбільше міститься Cd (30% від загального його вмісту в грунті), дещо менше Pb (12%), на частку інших металів припадає 2-3%;
- у мулистій фракції знаходиться 45% металів від валового вмісту їх у грунті. Мул насичений Fe, а інших металів міститься значно менше. Концентрація рухомих форм Fe, Mn, Cu, Co, Ni в мулистій фракції вища, а Zn і Cd нижча, ніж у твердій фазі;
- у складі ГК і ФК гумусу чорнозему звичайного більше Pb і менше інших елементів, ніж у мінеральній компоненті грунту (в розрахунку на одиницю ваги гумусу та мінеральної частини). Більша частка ВМ зв’язана з ГК, однак у зрошуваному грунті в порівнянні з незрошуваним зростає вміст їх у ФК.
8. Встановлено можливість детоксикації забруднених ВМ вод і грунтів адсорбентами:
- для очищення мінералізованих вод, поліелементно забруднених ВМ до високого рівня, найбільш ефективними є катіоніт КУ-2, вермикуліт, кальціє- та залізовмісні шлами, торф, сапропель, криптогумін, які адсорбували 67-87% ВМ, головним чином Pb, Cd, Ni, Co. Менш токсичні Zn, Mn, Fe адсорбувалися в незначній кількості і навіть деякими речовинами десорбувались у розчин. При штучному забрудненні прісної води тільки Pb, Cd, Ni ефективність адсорбентів була більш високою, ніж при очищенні поліелементно забрудненої мінералізованої води;
- сапропель, шлам глиноземного заводу, цеоліт, криптогумін, активоване вугілля, біомос, внесені у грунт, більшою мірою знижували вміст металів, які вилучаються водною витяжкою (на 11-57%), ніж ацетатно-амонійним буферним розчином (на 3-21%). В результаті адсорбції більш доступної рослинам форми ВМ транслокація знизилася на 20-70%. Найбільш ефективними були цеоліт, торф та активоване вугілля. Підвищення доз вивчаємих речовин практично не посилювало ефект адсорбції металів і є економічно недоцільним;
- карбонатно-кальцієві та сірчанокислі кальцій- і залізовмісні меліоранти з відходів промисловості знижували ступінь солонцюватості грунту, однак були малоефективними у зменшенні вмісту рухомої форми ВМ (буферна витяжка). Разом з тим накопичення металів у кукурудзі та кормових буряках зменшилося на 16-52%, що пояснюється в основному зниженням їх вмісту в грунтовому розчині;
- плантаж у сполученні з внесенням гною є ефективним прийомом проти хімічної та агрофізичної солонцюватості грунту. Однак при цьому слід контролювати рівень вмісту ВМ у грунті та в рослинах.
9. У польовому досліді виявлено, що промивки грунту прісними та мінералізованими водами з розрахунку промивної норми на заміщення 1,5 НВ грунтового розчину сприяють розсоленню, розсолонцюванню грунту і зниженню вмісту рухомої форми ВМ в шарі 0-50 см на фоні високого поліелементного забруднення грунту на 24-38%.
10. Оціночними критеріями ефективності заходів з детоксикації грунтів є вміст ВМ у грунтовому розчині, водній витяжці та якість продукції. Водна витяжка і грунтовий розчин можуть бути також показниками ступеня забруднення грунту ВМ.
- Вирощування кормового буряку показало, що при врожаї коренеплодів 500 ц/га та гички 220 ц/га для детоксикації грунту до фонового рівня за вмістом Pb необхідно 58 таких врожаїв, Cd - 35, Co - 22, Ni - 17. Якщо вміст ВМ у коренеплодах не перевищує МДР, то їх можна використовувати на корм, у протилежному випадку - в технічних цілях.
пропозиції виробництву
- Гідрогеолого-меліоративним експедиціям Держводгоспу України та службам обласних управлінь меліорації і водного господарства для оцінки еколого-меліоративного стану зрошуваних земель рекомендується використовувати удосконалену нами методику ключового їх обстеження.
- Обласному управлінню сільського господарства, господарствам різних форм власності, службам Донецького обласного управління меліорації і водного господарства при плануванні комплексних заходів на зрошуваних землях пропонується використовувати “Рекомендації з охорони і підвищення родючості зрошуваних земель Донецької області” з додатком картосхем якості зрошувальних вод, забруднення грунтів металами, вмісту Pb i Cd, а також еколого-агромеліоративного стану зрошуваних земель області.
- Розроблений і введений у дію нормативний документ “Охорона водних, грунтових та рослинних ресурсів від забруднення важкими металами в умовах зрошення” (ВНД 33-5.5-06) службам Держводгоспу України використовувати при проведенні моніторингу зрошуваних земель, оцінці та прогнозуванні їх стану, проектуванні, експлуатації та реконструкції зрошувальних систем.
|
