Влияние г. Ижевска на почвенный покров пригородной зоны и способы восстановления его агроэкологического состояния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»

АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра Экологии и рационального природопользования

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Сельскохозяйственная экология»

на тему: «Влияние г. Ижевска на почвенный покров пригородной зоны и способы восстановления его агроэкологического состояния»

Тюмень, 2015



Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Типы и виды деградации пригородных почв, оценка степени деградации

1.2 Способы рекультивации загрязненных почв

2. Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследования

2.1.2 Рельеф

2.1.3 Почвенный покров

2.2 Методы исследования

3. Результаты исследований

3.1 Характеристика г. Ижевска, как источника химического загрязнения почв пригородной зоны

3.2 Технологические приёмы рекультивации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами

Выводы

Список литературы



Введение

Урбанизация оказывает большое влияние на окружающую среду и, в том числе, на почвенный покров. Особенно значительные изменения произошли в населенных пунктах и примыкающих к ним территориям, где в результате массового строительства, выбросов предприятий, транспорта, накопления на ограниченной территории значительного количества различных по происхождению и свойствам отходов сформировались искусственные экосистемы - природно-антропогенные комплексы, для которых характерно нарушение естественных связей между их различными компонентами, замена естественного режима функционирования на искусственно обусловленный. Это специфическое сочетание природного и техногенного процессов получило название технопедогенеза (Глазовская, 1986).

Природно-антропогенные комплексы являются целостной системой, которой характерно специфическое взаимодействие всех природных и антропогенных компонентов окружающей среды, из которых почва является базовой составляющей, обеспечивающей продуктивность системы и её биоразнообразие. Благодаря своим биогеохимическим свойствам и огромной площади активной поверхности тонкодисперсной части, почва выполняет важные средообразующие функции, изменяет химический состав подземных вод, поставляет и регулирует содержание СО2, О2, N в воздухе, является хорошим поглотительным барьером газовых примесей, в том числе от автотранспорта, ТЭЦ, заводов и т.д. Природно-антропогенные комплексы формируются в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем. Они обладают меньшей средоформирующей ценностью, нарушенностью биокруговорота, сокращением биоразнообразия как по составу, так и по структурно-функциональным характеристикам.

Цель работы - изучить техногенное влияние г. Ижевска на почвенный покров его пригородной зоны.

Задачи исследований:

1. Установить характер и степень техногенного воздействия г.Ижевска на агрохимические свойства почв пригородной зоны и содержания в них тяжелых металлов

2.Выявить действие различных удобрений и мелиорантов на агрохимические свойства дерново-подзолистых почв, загрязнённых свинцом и кадмием, и на урожайность сельскохозяйственных культур.



1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Типы и виды деградации пригородных почв, оценка степени деградации

Для определения масштабов воздействия на окружающую среду техногенеза, для выработки эффективных мер по сдерживанию деградационных процессов и разработки способов рекультивации нарушенных почв, необходимо выявить основные факторы, вызывающие деградацию земель на этой территории, определить виды нарушенных почв, площади их распространения и степень деградации. В разных ситуациях изменения свойств почв проявляются в разных формах, и с неодинаковой степенью выраженности. Все они получили название «деградация почв». Под деградацией почв следует понимать природный процесс ухудшения свойств почв. Позднее, в понятие «деградация почв», разные авторы стали вкладывать любые изменения, приведшие к ухудшению их свойств, и, в конечном итоге, к снижению плодородия почв (Ивлев, Дербенцева, 2002).

Наиболее четко определение деградации почв дано в «Методических рекомендациях по выявлению деградированных и загрязненных земель» (утв. в 1995 году) - деградация почв представляет собой совокупность процессов, приводящих к изменению функций почвы как элементу природной среды, количественному и качественному ухудшению ее свойств и режимов, снижению природно-хозяйственной значимости земель.

Техногенные воздействия на почву в настоящее время чрезвычайно разнообразны. Техногенез обусловлен как прямым, так и опосредованным воздействием человека на почвы и факторы почвообразования. Разные антропогенные факторы взывают развитие разных форм деградации почв, при этом один и тот же вид деградации почв порой может возникать под воздействием разных антропогенных факторов (Ивлев, Дербенцева, 2002). Производным техногенеза являются рекультивированные, загрязненные, сконструированные, антропогенно-преобразованные почвы и агроземы, а также «техногенные поверхностные образования», составляющие обширную группу мало изученных почвоподобных тел.

Антропогенное воздействие на почвенный покров пригородных территорий менее значительное, чем на городские почвы, тем не менее, и они испытывают чрезмерную технологическую нагрузку, связанную как с ежегодным увеличением количества выбросов от индустриальных центров, так и в следствии с интенсификацией сельскохозяйственного производства в этой зоне. Избыточное антропогенное воздействие может стать основной причиной развития деградационных процессов в почвах пригородных территорий.

Выделяются следующие наиболее существенные типы деградации почв и земель с учетом их природы, реальной встречаемости и природно-хозяйственной значимости последствий (Методические рекомендации…, 1995):

- технологическая (эксплуатационная) деградация, в т.ч.:

а) нарушения; б) физическая (земледельческая) деградация; в) агроистощение;

- эрозия, в т.ч.:

а) водная; б) ветровая;

- засоление, в т.ч.:

а) собственно засоление; б) осолонцевание;

- заболачивание.

В почвах пригородных территорий наибольшее распространение из типов деградаций получила технологическая деградация и эрозия.

Под технологической (эксплуатационной) деградацией понимается ухудшение свойств почв в результате избыточных технологических нагрузок при всех видах землепользования, разрушающих почвенный покров, ухудшающих его физическое состояние и агрономические характеристики почв, приводящих к потере природно-хозяйственной значимости земель. Сюда же относится техногенное загрязнение почв различными поллютантами.

Различают следующие виды деградации почв: физическая, химическая и биологическая.

К физической деградации относится (Черников, 2001):

· поверхностное коркообразование и уплотнение;

· повышение плотности и сопротивления обработке;

· снижение эластичности почвы;

· снижение водно - и воздухоемкости, водо- и воздухопроницаемости;

· уплотнение почвы и затрудненность развития корневых систем растений;

· водный дисбаланс, ведущий к ухудшению дренирования, почвенной засухе, избыточному поверхностному стоку.

К биологической деградации почв относится (Черников, 2001):

· снижение самоочищающей способности почв;

· падение численности, плотности и видового разнообразия почвенных микробиоценозов;

· снижение ферментативной активности и выделения углекислоты;

· снижения уровня биопродуктивности и ухудшения качества получаемой продукции;

· поступление в почву различных патогенов, приводящих к резкому ухудшению санитарно-гигиенической обстановки.

К химической деградации почв относится (Ивлев, Дербенцева, 2002):

· изменяется кислотность - щелочность почв, т.е. реакция среды почвенного раствора;

· изменяется окислительно-восстановительный режим в сторону ухудшения окислительного;

· уменьшается количество элементов питания растений в почвах;

· повышается концентрация токсичных для растений веществ (пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.).

При оценке деградированных почв и земель наряду с видом их деградации необходимо определять степень деградации. От этого зависит очередность, интенсивность рекультивационных работ и технология их проведения.

Под степенью деградации почв и земель понимается характеристика их состояния, отражающая ухудшение качества их состава и свойств. Крайней степенью деградации является уничтожение почвенного покрова. Для характеристики состояния почв при каждом конкретном типе деградации выделяются основные диагностические специфические показатели и дополнительные, дающие дополнительную, уточняющую информацию для оценки состояния почв, выяснения причин деградации, а также характеризующие последствия деградации. Набор параметров зависит от типа деградации, природных условий и т.д. Многие показатели представляют собой характеристики свойств почв в абсолютном выражении. В ряде случаев необходимо применять сравнительные или относительные показатели, характеризующие отличие свойства относительно некоего оптимального "эталонного" состояния, соответствующего нулевому уровню потери природно-хозяйственной значимости земель, а также показатели, характеризующие скорость изменения состояния или скорость деградационных процессов.

Степень деградации почв и земель по каждому диагностическому (в т.ч. дополнительному) показателю характеризуется пятью уровнями:

0 - недеградированные (ненарушенные);

1 - слабодеградированные;

2 - среднедеградированные;

3 - сильнодеградированные;

4 - очень сильнодеградированные (разрушенные), в том числе уничтожение почвенного покрова.

Определение степени деградации почв и земель производится согласно Методике определения размеров ущерба от деградации почв и земель, утвержденной Минприроды России 11.07.94 г. и Роскомземом 08.07.94 г.

1.2 Способы рекультивации загрязненных почв

К настоящему времени разработано много способов восстановления плодородия почв, загрязненных тяжелыми металлами. На практике они зависят от степени загрязнения почвенного покрова и варьируют от подбора сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязнению, до снятия загрязненного слоя и замены его чистым незагрязненным грунтом.

В зависимости от методов, используемых при рекультивации почв загрязненных ТМ, все способы подразделяются на четыре группы: механические, химические, физико-химические и биологические.

Механические способы

В некоторых случаях загрязнение почвенного покрова достигает уровня, при котором применение других методов рекультивации неэффективно или экономически неоправданно в качестве крайней меры предлагается создание нового пахотного горизонта как за счет плантажной вспашки, обеспечивающей захоронение загрязненного слоя на глубине 40 - 50 см и выворачивание на поверхность подпахотного незагрязненного, так и путем создания насыпной толщи за счет почвы, привезенной с незагрязненной территории. Также возможно снятие загрязненного слоя и нанесение на его поверхности слоя плодородного почвогрунта или торфянопесчаной смеси. Положительными сторонами этого способа является оперативность проведения ре-культивационных работ (в течение одного вегетационного периода) и возможность достижения кардинальных изменений уровня загрязнения. Отрицательными сторонами является очень высокая стоимость выполнения работ и появлением но-вых проблем по утилизации загрязненного грунта и поиска источника чистого плодородного почвогрунта (Дабахов, 2005).

Химические способы

Первое направление химической мелиорации заключается в существенном снижении фитотоксичности большинства тяжелых металлов в результате образования в почве труднорастворимых солей. Доказано, что Pb-фосфаты способны контролировать растворимость свинца в некарбонатных почвах, тем самым свинец инактивируется и теряет токсичность. Растворимость фосфата свинца составляет 1,0*10-34.

Обогащение почв растворимыми соединениями ортофосфорной кислоты, с одной стороны, повышает содержание в почве фосфора, улучшая тем самым ее плодородие, с другой - способствует образованию нерастворимых соединений тяжелых металлов. Внесение 3 т однозамещенного фосфата кальция в кислые почвы по эффекту детоксикации свинца соответствуют внесению от 1 до 4 т CaCO3 на 1 га.

К уменьшению концентрации свинца в растворе приводит внесение в загрязненные свинцом почвы гидроксилапатита Ca5(PO4)3OH. Ион ортофосфата образует труднорастворимые фазы с такими токсичными металлами как кадмий, цинк и свинец. Данный прием наиболее эффективен при сильном загрязнении почв, так как для образования нерастворимого осадка нужна определенная концентрация, обеспечивающая образование насыщенного раствора соли того металла, осаждения которого необходимо добиться.

Исследования, проведенные в Пермской области по ремедиации почвы, загрязненной тяжелыми металлами, с применением магнийаммонийфосфата в качестве мелиоранта - стабилизатора также показали его высокую эффективность. Уменьшилась доля подвижных форм свинца с 49 до 29 %, меди с 42 до 25 % и цинка с 51 до 33 % (Вольхин, 2010).

Следующий химический способ рекультивации почв, загрязненных ТМ, основан на антагонизме ионов. При изучении минерального питания растений исследователи установили, что, повышая в питательном растворе концентрацию одного иона, можно наблюдать снижение или увеличение поглощения растением других ионов. В случае, когда один ион подавляет поглощение другого, говорят об антагонизме. Он чаще всего проявляется между элементами - химическими аналогами, т.е. способными конкурировать за одни и те же участки поглощения ионов на корнях растений. Такой антагонизм возможен между кальцием и строн-цием, между кадмием и цинком, между калием и цезием и т.д. Естественно, что, зная это, можно регулировать поступление ионов в растения, уменьшая накопление токсичных элементов

Третье направление химической мелиорации почв, загрязненных ТМ, основано на образовании растворимых в воде соединений с ТМ и вымывании их из корнеобитаемого слоя. В. Г. Фуллер с соавторами (1976) провели количественную оценку миграции некоторых потенциально вредных элементов через различные типы почв, промывая их водой, раствором кислоты и солей Al и Fe. Они установили, что очистить почву от тяжелых металлов интенсивным промыванием водой нельзя. Промывание почвы слабым растром серной кислоты способствовало вымыванию катионов тяжелых металлов, но одновременно и значительному возрастанию потерь биогенных элементов, таких, как калий, кальций, магний, фосфор. При вымывании раствором солей алюминия и железа все тяжелые металлы были более подвижны, чем в случае использования серной кислоты. Тяжелые металлы могут быть удалены из почвы, если ее перед промыванием обработать химическим соединением, которое при хорошей растворимости обеспечивало бы обменные реакции между поглощенными металлами и катионом этого соединения, а анион его способствовал бы лучшему транспорту вытесненных ионов по почвенному профилю. Таким веществом может быть кальциевая селитра. Она отлично растворяется, причем кальций вступает в обменные реакции, а нитратный ион должен способствовать вымыванию металлов.

Физико-химические способы

Одним из способов мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, является известкование. Известкование - это прием мелиорации кислых почв, т.е. он не универсален и носит зональный характер. Защитное действие извести на почвах, обладающих ярко выраженной фитотоксичностью, обусловленной повышенным содержанием тяжелых металлов, проявляется в результате комплекса позитивных изменений химических, физических и биологических свойств почв. Во-первых, известкование увеличивает поглотительную способность почв, изменяет состав поглощенных оснований в твердой фазе почвы: водород и обменный алюминий в значительной степени замещаются кальцием. Происходит нейтрализация среды, образование в почвенном растворе гидроксидов большинства тяжелых металлов и их хемосорбция почвенно-поглощающим комплексом. Во-вторых, нейтральная или близкая к ней реакция почвенной среды активизирует деятельность бактериальной микрофлоры, при этом существенно возрастает биомасса микроорганизмов, усиливающая процесс биологического поглощения металлов и снижающая их подвижность. В-третьих, известкование обогащает почву кальцием, коагулирует почвенные коллоиды, укрепляет почвенные агрегаты, улучшает структуру почвы, активизирует окисление и тем самым снижает подвижность ряда элементов, таких, как железо, марганец и других. Растение, выращенные на произвесткованных почвах, содержат существенно меньше тяжелых металлов, чем растения контрольных вариантов. Исследованиями Л. А. Лебедевой (1997) показана возможность использования извести и торфа для мелиорации дерново-подзолистых почв, загрязненных кадмием. Внесение извести давало больший мелиоративный эффект. Доза извести, рассчитанная по 1 Нг, снижала содержание кадмия, но не всегда позволяла получить экологически безопасную продукцию. Отмечено также, что наибольшая вероятность получения незагрязненной растительной продукции возможна при рН = 7 (Лебедева, 1997). При загрязнении почвы свинцом доза извести, рассчитанная по 1 Нг, снижала содержание Pb во всех вариантах, но качество продукции зависело от культуры, концентрации свинца в почве и ее гранулометрического состава (Лебедева, 1997).

Относительно доз внесения известьсодержащих материалов существует две точки зрения. Одна из них сводится к тому, что для практических целей достаточно нейтрализовать обменную кислотность. Согласно другой, необходимо более глубокое подщелачивание до полной нейтрализации гидролитической кислотности. Разумеется, полная нейтрализация гидролитической кислотности обеспечивает больший эффект, однако по экономическим соображениям достижение его не всегда может быть оправдана (Ильин, 1991). М. Петровска считает, что отрицательные последствия загрязнения почв трудно ликвидировать применением высоких доз извести. По ее данным, при внесении извести в дозе 30 т/га содержание в кормовых травах Zn, Cd и Cu уменьшилось по сравнению с контролем, но осталось выше ПДК. Применение извести в дозах 4,4 и 5 т/га не обеспечивает значительного снижения подвижности тяжелых металлов.

Известкование, как прием снижения фитотоксичности металлов, не универсален. Например, хром и молибден в нейтральных и слабощелочных почвах более подвижны, чем в кислых (Алексеев, 1987). В ряде исследований показано, что при известковании подвижность Cd в почве не уменьшается, но при этом его содержание растениях снижается. Подобные данные имеются и в отношении свинца (Минеев, 2003).

Существуют способы инактивации тяжелых металлов с использованием органических веществ. Внесение в почву гуминовых кислот приводит к значительной иммобилизации металлов, причем наиболее сильно - в малогумусовой почве. В исследованиях Д. В. Ладонина (1997) особенностей взаимодействия препаратов гуминовых кислот с медью, цинком, свинцом и кадмием установлено, что в наибольшей степени гуминовыми кислотами поглощаются катионы свинца, в наименьшей - кадмия.

Другим, не менее распространенным способом физико-химической мелиорации техногеннозагрязненных почв, является внесение органических удобрений. Органическое вещество выступает как хороший адсорбент катионов и анионов, повышает буферность почв, понижает концентрацию солей в почвенном растворе. Все это способствует снижению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов, препятствует их поступлению в растения, Поскольку органические удобрения (торф, навоз) экологически относительно безопасны, некоторые авторы для детоксикации тяжелых металлов рекомендуют применять их в повышенных дозах. Наибольший эффект да?т внесение в почву очень высоких доз (до 25% по объему почвы) сапропеля или навоза. Для снижения подвижности тяжелых металлов и ограничению их поступления в растения имеются рекомендации по внесению не менее 100 т/га органических удобрений, преимущественно торфа.

Более дорогой путь снижения подвижности тяжелых металлов заключается в применении для этих целей ионообменных смол, полистирола и т.д. Смолы используют в кислотной форме, либо в форме, насыщенной ионами кальция, калия, магния или их смесью, и вносят в почву в виде гранул или порошка в количестве, зависящем от содержания тяжелых металлов. Установлено, что внесение полистироловых смол улучшило условия роста растений за счет снижения токсического действия тяжелых металлов, привело к ускорению их развития и повышению урожайности (Павлихина, 1990).

Биологические способы

Эти способы подразделяются на несколько видов:

1. Самовосстановление (восстановление плодородия почв под действием природных почвообразовательных процессов). Участок с нарушенными почвами оставляется под паром, на нём не проводят никаких обработок, он постепенно зарастает сорной травянистой растительностью, которая постепенно вытесняется зональной растительностью. Положительной стороной этого способа является низкая стоимость рекультивации. Отрицательными сторонами являются: во-первых, очень длительный период восстановления плодородия (более 10 лет); во-вторых, из оборота на длительный срок выводятся ценные с.-х. угодья; в-третьих, происходит постепенное зарастание участка древесно-кустарниковой растительностью; в-четвертых, не пригоден для сильно загрязненных почв. Этот способ является самым распространенным на практике, хотя официально не узаконен и не рекомендуется к использованию.

2. Фитомелиорация. Этот вид рекультивации заслуживает особого внимания. Подразделяется на две разновидности: 1) при фитомелиорации основной упор сделан на растения; 2) основной упор сделан на микроорганизмы.

В настоящее время существуют рекомендации по очистке почв от тяжелых металлов с использованием растений-аккумуляторов. Этот способ рекомендуется применять в коммунальном хозяйстве для рекультивации загрязненных почв, в горнодобывающей промышленности, в химической промышленности для утилизации загрязненных шламов и осадков. Способ включает выращивание культурных растений-аккумуляторов на рекультивированных почвах с соблюдением агротехники к возделываемой культуре и с использованием побуждающего вещества - закислителя почвы, сбор частей растений-аккумуляторов, в которых накоплен тяжелый металл. Дополнительно выращивают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву, а через электроды, размещенные в прикорневой зоне растений-аккумуляторов или подсоединенные к самим растениям-аккумуляторам, подают положительный или отрицательный потенциал от 1 до 1000 В. Способ позволяет рекультивировать почву быстрее в 5-15 раз, при этом повышается плодородие. Рекультивация почв загрязненных тяжелыми металлами также возможно при использовании микроорганизмов. Исследования бельгийских специалистов показали, что микоризные грибы в почвах, загрязненных тяжелыми металлами, приобретают устойчивость к действию этих опасных токсикантов. Микориза, поглощая большое количество тяжелых металлов из почвы защищает таким образом древесные породы от их отрицательного воздействия. Имеются данные по изучению влияния внесения грибного мицелия, являющегося отходом производства антибиотиков, а также биосорбента, полученного на его основе. Показано, что применение биосорбента и мицелия даже при высоком уровне загрязнения обеспечивает получение соломы и зерна ячменя удовлеворительного качества.

Переход тяжелых металлов из почвы в растительные организмы является начальным и наиболее значимым звеном их миграции по пищевым цепям. Интенсивность процесса определяется химическими свойствами и физико-химическим состоянием элементов, свойствами почв и биологическими особенностями растений, а также условиями их выращивания. В последнее время в сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется внедрению современных средств защиты растений, позволяющих поддерживать стабильность агроценозов. Их применение направлено на увеличение урожая и усиление устойчивости растений к биотическим и абиотическим факторам (Степанок, 2003). Одним из таких приёмов - предпосевная обработка семян яровой пшеницы микробиологическим препаратом бисолбисан. Установлено, что этот препарат не только способствовал формированию большей продуктивности яровой пшеницы, но и уменьшил фитотоксичный эффект от повышенного содержания кадмия в почве.

Сельскохозяйственные угодья, расположенные в пригородной зоне, играют особую роль, как для самого города, так и для сельского хозяйства региона (района, области, республики). Именно в этой зоне производится значительная часть овощных, кормовых культур и картофеля, в ней расположены наиболее окультуренные и интенсивно используемые почвы. Однако под действием техногенеза они постепенно утрачивают свою производительную способность, подвергаются химическому загрязнению и механическому нарушению, вплоть до полной деградации почвенного и растительного покрова. Особую опасность вызывают тяжелые металлы, содержащиеся в загрязненных почвах, так как они накапливаются в растениях, а потом по пищевой цепочке попадают в организм животных и человека и вызывают различные заболевания. Площадь таких деградированных земель ежегодно только увеличивается. Сельскохозяйственное использование земель, загрязненных тяжелыми металлами, запрещено действующим законодательством и требует проведения рекультивационных работ.

Для рекультивации почв, загрязненных ТМ, на практике используются различные методы: механические, химические, физико-химические и биологические. Каждый из них имеет свои положительные и отрицательные особенности. Одни из них имеют очень высокую стоимость, другие низкую эффективность, третьи приемлемы только на строго определенных почвах.

К сожалению, в настоящее время, отсутствует универсальный высокоэффективный способ рекультивации загрязненных почв, пригодный для всех тяжелых металлов, уровней их загрязнения, различных почвенно-климатических условий Российской Федерации. Поэтому научные исследования по поиску новых способов рекультивации загрязненных почв и адаптации уже известных способов к конкретным почвенно-климатическим особенностям регионов имеет высокую степень актуальности и практической значимости.



2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1 Объекты исследования

деградация почва загрязнение рекультивация

Основным объектом исследований в данной работе выбраны дерново-подзолистые суглинистые почвы, загрязненные тяжелыми металлами.

Дерново-подзолистые почвы имеют наибольшее распространение на территории восточно-европейской части Нечерноземной зоны РФ, их общая площадь составляет около 55 %, в том числе в Удмуртской Республике 68 % (Ковриго, 2004). Именно они, в первую очередь, подвергаются интенсивному техногенному воздействию в пригородной зоне населенных пунктов.

При распашке дерново-подзолистых почв происходит перемешивание гумусового горизонта с подзолистым, а иногда и с верхней частью иллювиального горизонта, в результате чего образуется пахотный слой мощностью 20 - 30 см. Содержание гумуса в пахотном слое снижается до 1,1…2,8 %, ухудшается его структура (уменьшается количество агрономически ценных агрегатов). Дерново-подзолистые почвы имеют неблагоприятные агрохимические и агрофизические свойства и в целом характеризуются невысоким потенциальным плодородием.

Нахождение этих почв в пригородной зоне крупных населенных пунктов накладывает на них определенный отпечаток, вызванный дополнительным техногенным воздействием города. По характеру этого воздействия на свойства почвы, его можно подразделить на три вида: механическое, химическое и биологическое.

Наибольшую опасность для экологического состояния пригородной территории представляет химическое воздействие и, в первую очередь, загрязнение почв тяжелыми металлами.

В качестве изучаемых загрязнителей дерново-подзолистых почв тяжелыми металлами выбраны свинец и кадмий.

Результаты исследований, полученные в Удмуртской Республике, можно распространять на почвы, загрязненные этими поллютантами, расположенные на территории европейской части Нечерноземной зоны РФ, так как Удмуртия является типичным регионом в данной зоне.

2.1.1 Климатические условия

Климат Удмуртской Республики умерено-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой и довольно жарким кротким летом. Территория республики подразделяется на три агроклиматических района: Северный, Центральный и Южный, каждый из которых имеет свои климатические особенности.

Северный агроклиматический район - прохладный, влажный; занимает северную Зачепецкую часть республики. Гидротермический коэффициент района - 1,4, продолжительность безморозного периода - 104 - 112 дней.

Центральный агроклиматический район - умерено теплый, умерено влажный. Северной его границей служит изолиния сумм температур выше +10°С - 1700°, а южной - 1900°. Гидротермический коэффициент района - 1,3, продолжительность безморозного периода - 114 - 122 дня.

Южный агроклиматический район - теплый, незначительно засушливый. В этом районе два подрайона: а) теплый, с неустойчивым увлажнением; южная его граница проходит по изолинии сумм температур выше +10°С - 2000°. Годовое количество осадков в подрайоне 520-540 мм, гидротермический коэффициент 1,1- 1,2, продолжительность безморозного периода 120-130 дней. Климат подрайона имеет показатели близкие к показателям, характеризующим территорию северной лесостепи; б) более т?плый, менее влажный подрайон лесостепной части Удмуртии. По обеспеченности теплом он занимает первое место, а по увлажнению последнее место в республике. Годовое количество осадков в подрайоне 500 -520 мм, гидротермический коэффициент около 1,0, а в некоторые годы ниже; продолжительность безморозного периода 130-137 дней.

Климатические условия Удмуртской Республики в целом благоприятны для возделывания всех сельскохозяйственных культур, включенных в Госреестр. Однако, в связи с различной теплообеспеченностью территории, необходимо использовать различные их сорта по скороспелости для различных агроклиматических районов с учетом складывающихся конкретных погодных условий вегетационного периода.

2.1.2 Рельеф

Рельеф республики представляет собой увалистую равнину с хорошо развитой овражно-балочной сетью. Увалистая равнинная поверхность Удмуртии имеет общее понижение с севера на юг и с востока на запад. Территория севернее линии Красногорье - Старые Зятцы - Якшур-Бодья - Шаркан расположена в пределах Верхне-Камской возвышенности с абсолютными отметками высот 200 - 300 метров. Рельеф здесь наиболее сложный, что обуславливает частую смену почв. Остальная территория более выровненная, увалы имеют пологие склоны и меньшую высоту (100-200 метров). Некоторой сложностью рельефа в южной половине Удмуртии отличается прикамская зона, называемая Сарапульской возвышенностью, а также междуречная площадь Вятки и Ижа, называемая Можгинской возвышенностью. Наиболее пониженными площадями являются: центральная территория республики с распространенными здесь флювиогляциальными (золовыми) песчаными и супесчаными отложениями, а также аллювиальные равнины Чепцы, Камы, Ижа, Кильмези и Валы.

Высокая распаханность территории, увалистый рельеф, преобладание склонов крутизной 2 - 6°, а местами до 10° и более, способствует развитию плоскостной и линейной водной эрозии. В зоне распространения легких почв, сформировавшихся на флювиогляциальных песках и супесях, проявляется ветровая эрозия.

Рельеф, в сочетании с особенностями почвообразующих пород, оказал в Удмуртии большое, а чаще решающее влияние на формирование почвенного покрова.

2.1.3 Почвенный покров

Сплошная облесенность в прошлом, промывной тип водного режима и преобладание бескарбонатных почвообразующих пород обусловило широкое распространение на территории республики подзолистого процесса Согласно Почвенно-географического районирования основная земельная площадь Удмуртской Республики отнесена к Вятско-Камской провинции южно-таежной подзоны дерново-подзолистых почв, а южные ее районы - к Предуральской провинции серых лесных почв северной лесостепи.

В Удмуртии основными типами почв являются дерново-подзолистые (преобладают), серые лесные оподзоленные и дерново-карбонатные. Главные особенности географического распространения почв: в северной и центрально-восточной частях республики среди преобладающих дерново-подзолистых суглинистых почв повсеместно встречаются дерново-карбонатные и серые лесные оподзоленные почвы; в центрально-западной части преобладают дерново-подзолистые песчаные и супесчаные, а в южной - серые лесные оподзоленные, дерново-карбонатные и местами дерново-подзолистые почвы. Кроме этих почв на всей территории республики встречаются пойменные дерновые аллювиально-слоистые и зернистые, овражно-балочные почвы и небольшие площади дерново-глеевых, болотных и болотно-подзолистых почв.

Почвенно-климатические условия Удмуртской Республики в целом благоприятны для возделывания всех сельскохозяйственных культур, включенных в Госреестр, и поэтому имеется возможность при проведении рекультивационных работ эффективно использовать фитомелиорацию, необходимо лишь для разных агроклиматических районов подбирать соответствующие культуры и сорта по скороспелости.

Большую роль в формировании почвенного покрова играют почвообразующие породы, именно они определяют минералогический и химический состав почв, их физические и физико-химические свойства.

В Удмуртской Республике наибольшее распространение получили следующие почвообразующие породы: флювиогляциальные пески и супеси, красновато-бурые и желто-бурые глины и суглинки, пермские карбонатные глины, аллювиальные и делювиальные отложения.

Характеристика почвенного покрова по основным направлениям магистралей от столицы Удмуртии г. Ижевска

Якшур-Бодьинское направление

В основном здесь распространены дерново-подзолистые почвы лёгкого механического состава (пески, суглинки). Но встречаются тяжелосуглинистые и глинистые разновидности. По своим агрохимическим показателям они характеризуются повышенной кислотностью, низким содержанием подвижных форм питательных веществ (фосфора, калия), низкой гумусированностью.

Песчаные почвы -- самые бедные питательными веществами. В них мало гумуса, фосфора и калия. Они рыхлые, плохо удерживают влагу и питательные вещества.

На пониженных участках, ближе к поймам рек Иж и Малый Иж, встречаются значительные площади заболоченных почв, в том числе торфяников.

Участки, расположенные в низине, как правило, имеют близко к поверхности почвы грунтовые воды, которые не позволяют растениям нормально развиваться из-за повреждений корневой системы. В воде, без воздуха корни загнивают, растения гибнут. На такие участки приходится завозить плодородную почву, песок, глину, навоз (в зависимости от типа почв), чтобы поднять грунт.

Воткинское направление

К северо-востоку от Ижевска рельеф местности более спокойный, изредка встречаются склоны крутизной 5-7°. Почвенный покров представлен дерново-подзолистыми почвами в основном лёгкого механического состава. В пойме рек Кама, Сива, Позимь распространены аллювиальные суглинистые почвы. Они также нуждаются во внесении органических и минеральных удобрений.

Если в старых садах почвы хорошо гумусированы, с высоким содержанием фосфора и других элементов питания, то новые участки малоплодородные, бедны питательными веществами. В них недостаточно азота, фосфора, калия. Они кислые, что затрудняет усваивание питательных веществ.

Гольянско -- Сарапульское направление

Здесь наибольшее распространение получили дерново-подзолистые суглинистые почвы, но встречаются серые лесные, а также дерново-карбонатные.

Серые лесные почвы распространены, как правило, в средних и нижних частях пологих склонов увалов. Их основным отличием от дерново-подзолистых почв является более высокое содержание гумуса, лучшая оструктуренность. Но, вследствие залегания по низким элементам рельефа, они зачастую переувлажнены, особенно в осеннее -- весенний периоды. Поэтому необходимы мероприятия по отводу избыточной влаги.

Дерново-карбонатные почвы залегают на повышенных элементах рельефа, на перегибах склонов увалов, холмообразным повышениям. Характеризуются красновато-бурым цветом пахотного слоя, комковато-зернистой структурой. Выходы известковых коренных пород встречается редко и на малых площадях. По механическому составу они в основном тяжелосуглинистые и глинистые.

На крутых склонах, чтобы вода не стекала в низины, и питательные вещества не вымывались из почвы во время дождей, полива и снеготаяния, устраивают горизонтальные террасы.

В пойме реки Камы широко распространены аллювиальные почвы, среди которых встречаются как пойменные болотные, так и пойменные дерновые разновидности.

Можгинское направление

Почвенный покров в южном направлении от Ижевска довольно разнообразен и представлен различными почвами. В основном это дерново-подзолистые суглинистые почвы, но по сравнению с северной частью Удмуртии здесь большее распространение получили серые лесные почвы. Данные почвы содержат больше гумуса и питательных веществ, менее кислые, лучше оструктурены.

На участках этого района встречаются тяжелосуглинистые и глинистые почвы. Они богаты минеральными веществами, обладают хорошей вязкостью, но плохо пропускают воду и воздух, что препятствует нормальной работе микроорганизмов, тормозит рост и развитие растений. Помимо внесения органических удобрений, речного песка, древесных опилок необходимо постоянное рыхление пахотного слоя.

Встречаются здесь и пойменные почвы, некоторые из которых в значительной степени переувлажнены.

Увинское направление

К западу от Ижевска широкое распространение получили дерново-подзолистые почвы супесчаного и песчаного механического состава. Нередко встречаются и заболоченные участки. Дерново-подзолистые супесчаные почвы очень бедны элементами минерального питания (фосфор, калий, азот), микроэлементами, в них мало гумуса, имеют повышенную кислотность. Они рыхлые, плохо удерживают влагу и питательные вещества, которые легко вымываются из почвы

2.2 Методы исследования

Для определения направления и масштабов проявления техногенного воздействия крупного индустриального центра на почвенный покров его пригородной зоны, в 2010 году специалистами отдела экологии и природопользования ГНУ Удмуртский НИИСХ проведено почвенно-экологическое обследование: 1) г. Ижевска; 2) его 30-и км пригородной территории.

Почвенно-экологическое обследование г. Ижевска и его пригородной зоны проведено в течение июля и августа. Выбор этих месяцев обусловлен тем, что, во-первых, в этот период на поверхности почвы и растений содержалось максимальное количество тяжелых металлов; во-вторых, наблюдалась максимальная дифференциация почв по продуктивности, что позволило их сравнить по показателям биологической урожайности.

Для изучения почвенного покрова г. Ижевска были отобраны территории, расположенные в различных частях города и подвергнувшиеся различной степени техногенеза. На этих территориях выбраны типичные участки, где были заложены почвенные полуразрезы на глубину 75 см. На периферии города, там, где это было возможно, заложены дублирующие полуразрезы на ненарушенных (фоновых) почвах. Во всех полуразрезах описаны морфологические признаки, отобраны почвенные образцы и растительные пробы, в которых определены агрохимические показатели и содержание в них Pb и Cd.

Изучение пригородной зоны проведено с помощью ключевых площадок. Площадки размещались на типичных участках, расположенных в радиальном направлении по лучам, направленным от окраины г. Ижевска в южном, северном, западном, восточном, юго-восточном, северо-западном и северо-восточном направлениях в радиусе до 30 км от города. На каждом радиальном направлении ключевые площадки размещались на следующем расстоянии от черты города: 250 м; 500 м; 1 км; 2 км; 3 км; 4 км; 5 км; 10 км; 15 км; 20 км; 25 км; 30 км. Для исключения дополнительного влияния на почвенный покров автотрасс, ключевые площадки располагались от них на расстоянии не менее 200 метров. Размер ключевой площадки составлял 10 Ч 10 метров. На каждой ключевой площадке заложен почвенный полуразрез на глубину до 75 см, на химический анализ отобран растительный образец и смешанный образец почвы из слоя 0 - 20 см, состоящий из пяти индивидуальных проб (отобранных методом конверта), определен видовой состав растительности и её продуктивность.

Закладка полуразрезов позволила выявить основные разновидности почв и техногенных поверхностных образований г. Ижевска и его пригородной зоны, их морфологические особенности; химический анализ почвенных образцов позволил определить их агрохимические, агрофизические показатели, степень загрязнения Pb и Cd.

Опыт заложен в полиэтиленовых сосудах ёмкостью 1,5 литра, в которых размещен пахотный слой незагрязнённой дерново-подзолистой суглинистой почвы массой 1 кг абс. сух. почвы. Подготовка почвы и набивка сосудов проведена по методике закладки вегетационного опыта, предложенной А. В. Соколовым (1975). Загрязнение почвы проведено ацетатом свинца в дозе 250 мг/кг д. в. (РЬ) и сульфатом кадмия в дозе 5 мг/кг металла.

Таблица 2.1 - Схема опыта

Мелиорант	Уровень доз внесения мелиорантов
	без загрязнения	фон (контроль)	1 уровень	2 уровень	3 уровень	4 уровень
Фосфоритная мука т/га	без загрязнения и мелиоран-тов	Загрязне-ние 250 мг д.в./кг РЬ + 5 мг д.в./кг Cd	0,5	1,0	1,5	2,0
Известняковая мука т/га			4	8	12	16
Цеолит т/га			50	100	150	200
Сульфид натрия кг д.в./га			60	90	120	150
Суперфосфат кг д.в./га			60	90	120	150
Низинный торф т/га			50	100	150	200
Гумат натрия кг/га			10	15	20	25



3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Характеристика г. Ижевска, как источника химического загрязнения почв пригородной зоны

Город Ижевск является крупным индустриальным центром Приволжского Федерального округа, столицей Удмуртской Республики. Его территория составляет 333,2 км2, в нeм проживает 645 тыс. человек. Ведущими отраслями промышленности являются теплоэнергетика, черная металлургия и машиностроение. Ежегодный выброс промышленными предприятиями г. Ижевска в атмосферу загрязняющих веществ в виде пыли с каждым годом возрастал и составлял в 1999 г. 5-10 тыс. т, в 2003 г. - 21,612 тыс. т, а в 2012 г. - 172,477 тыс. т. (Государственный доклад, 2000, 2004, 2012).

Автотранспорт является одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха и вредных физических воздействий на окружающую природную среду города. На 01.01.2012 г. общее количество транспортных средств, состоящих на учете в городе Ижевске, составило 185 225 единиц (табл. 2). Выбросы от автотранспорта за 2012 г. составили 125,2 тыс. т, что больше на 83,9 тыс. т. в сравнении с 1999 г. (Государственный доклад, 2000, 2012).

Удельный выброс на одного жителя города Ижевска в 2012 году составил 461 кг, в том числе:

* от стационарных - 267 кг;

* от передвижных - 194 кг.

Основными загрязнителями атмосферного воздуха являются:

* ОАО «Ижсталь» - 9,014 тыс. т;

* ТЭЦ-2 - 8,888 тыс. т;

* ТЭЦ-1 -0,443 тыс. т;

* ОАО «Буммаш» - 1,053 тыс. т;

* ФГУП «Ижевский механический завод» - 0,488 тыс. т;

* ОАО «Редуктор» - 0,323 тыс. т;

* ОАО «Ижмаш» - 0,697 тыс. т.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы от стационарных источников вносят предприятия:

* теплоэнергетики (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2) - 34,0 %;

* черной металлургии - 35,8 %;

* машиностроение - 26,2 %;

* прочие - 4,0 %.

Наибольшую опасность из выбросов автотранспорта и стационарных

источников представляют тяжелые металлы (Государственный доклад, 2012).

Установлено, что почвенный покров пригородном территории представлен почвами разной степени деградации: слабой, средней, сильной и очень сильной. Степень и вид техногенного воздействия определялось следующими факторами: 1) удаленностью от города, других населённых пунктов, автодорог и прочих коммуникаций; 2) розой ветров; 3) видом угодий; 4) характером использования территории.

Содержание валовых форм свинца и кадмия в почвенном покрове пригородной зоны г. Ижевска, в большинстве случаев, не превышаю средний и повышенный уровень и, в первую очередь, определялось гранулометрическим составом и гумусированностью почв. Тем не менее город Ижевск» а также промышленные и с.-х. предприятия, расположенные за его чертой, способствовали значительному локальному химическому загрязнению почвенного покрова тяжелыми металлами. Был выявлен целый ряд участков с аномально высоким уровнем загрязнения. Такие участки, как правило, располагались на полях утилизированного птичьего помета и свиного навоза(ключевые участки №1 и №2), осадков сточных вод (ключевая площадка № 4), на местах снегохранилищ, свалок бытовых и промышленных отходов (ключевая площадка № 3). Все это свидетельствует о серьезности данной проблемы, как для населения, так и для производственников, на территории которых расположены данные загрязненные участки.

Разработка технологических приёмов рекультивации почв, загрязнённых ТМ проводилось с помощью опытов, в ходе которых было установлено влияние тяжелых металлов, мелиорантов и удобрений на агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами не оказало математически достоверного влияния на почвенную кислотность и сумму обменных оснований. Влияние мелиорантов и удобрений на эти показатели определялись химическим составом. Наибольшее действие, закономерно, оказала известняковая мука, она во всех случаях обусловила значительный сдвиг кислотно-щелочного баланса в щелочную сторону (доза 8 т/га - на 0,70 - 1,23 ед. рНKCL, доза 12 т/га - на 1.21 - 1.34ед. рНKCL) и резкое увеличение суммы обменных оснований (доза 8 т/га - на 5,2 - 7,4 моль/100 г почвы; доза 12 т/га - на 8,2 - 9,1 моль/100 г почвы). Изменение физико-химических показателей загрязнённой почвы под действием других мелиорантов происходило в пределах математической ошибки, исключение составила фосфоритная мука, которая, в большинстве случаев, математически достоверно увеличила сумму обменных оснований (доза 1 т/га - на 1,51 - 2,47 моль/100 г почвы; доза 1,5 т/га - на 2,51 - 4,39 моль/100 г почвы). Это положительное действие фосфоритной муки обусловлено химическим составом мелиоранта (содержанием в нем повышенного количества кальция).

Влияние изучаемых тяжелых металлов, мелиорантов и удобрений на химические свойства почвы также зависело от их химического состава и дозы внесения. Загрязнение почвы нитратом свинца и сульфидом кадмия не оказало математически достоверного влияния на содержание в ней элементов минерального питания. Исключение составил нитратный азот, содержание которого в почве увеличилось на 9,8 мг/кг под действием загрязнения её нитратом свинца. Превышение над абсолютным контролем (незагрязнённой почвой) сохранилось до уборки викоовсяной смеси и оно составило 7,2 мг/кг.

На содержание подвижного фосфора в почве наибольшее влияние оказало внесение фосфорсодержащих мелиорантов и удобрений, таких как фосфоритная мука и суперфосфат. Наиболее значительное действие на этот показатель оказала фосфоритная мука, доза внесения 1 т/га увеличила его в 2,0 - 3,2 раза, доза 1,5 т/га - в 2,5 - 5,4 раза. Действие суперфосфата было выражено значительно слабее, только доза внесения 120 кг д.в./га математически достоверно увеличила содержание подвижного фосфора в загрязнённой почве. Единственным мелиорантом, достоверно увеличившим содержание обменного калия в почве, оказался цеолит. Это связано с тем, что этот мелиорант уже содержит в своем составе достаточно большое количество калия (320 мг/кг). Увеличение этого показателя при внесении цеолита в дозе 50 т/га составило 8-16 мг/кг почвы, в дозе 100 т/га 24-36 мг/кг.

Для дерново-подзолистых почв особое значение имеет содержание в них органического вещества. Именно оно определяет уровень плодородия почв и их способность противостоять неблагоприятным изменениям окружающей среды, в том числе техногенному загрязнению почв тяжелыми металлами (буферную способность). В наших опытах повышение буферной способности с помощью непосредственного внесения органического вещества изучалось на примере внесения высоких доз торфа. В опытах подтвердилась высокая эффективность этого агроприёма, внесение торфа в дозе 100 т/га обеспечило достоверное увеличение содержания органического вещества в почве на 0,71-1,20 абс. % (47-87 относит. %). Внесение торфа в дозе 50 т/га так же увеличило этот показатель, но на меньшую величину -- на 0,29-0,69 абс. % (19-50 относит. %) и математически доказывалось только в опыте с кадмием во второй срок определения. Из других мелиорантов наибольшее влияние на содержание органического вещества оказали суперфосфат, фосфоритная мука и цеолит, но они обуславливали повышение этого показателя, в большинстве случаев, только на уровне положительной тенденции.

Наиболее объективным показателем изменения плодородия почвы под

влиянием изучаемых факторов выступает урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых в опыте. Повышение урожайности культур и их качества является конечным и главным свидетельством эффективности агроприемов.

Таблица 3.1 - Влияние ТМ, мелиорантов и удобрений на урожайность ячменя, кг/м2

Вариант	Свинец	Кадмий
	Урожай- ность	отклонение от фона (контроль)	Урожайность,	отклонение от фона (контроль)
	, т/га	кг/м2	%	кг/м2	кг/м2	%
1.Незагрязнённая почва (абсолютный контроль)	0,162	-	-	0,157	-	-
2.Почва без мелиорантов + ТМ - фон (контроль)	0,154	-	-	0,148	-	-
3.Фон+ фосфоритная мука 1 т/га	0,169	0,015	10	0,173	0,025	17
4.Фон+фосфоритная мука 1,5 т/га	0,174	0,020	13	0,176	0,028	19
5.Фон+ суперфосфат 90 кг д.в /га	0,17	0,016	10	0,178	0,030	21
6.Фон+ суперфосфат 120 кг д.в/га	0,178	0,024	16	0,185	0,037	25
7.Фон+ сульфид натрия 90 кг д.в/га	0,164	0,010	7	0,165	0,017	12
8.Фон+ сульфид натрия 120 кг д.в /га	0,168	0,014	9	0,167	0,019	13
9.Фон+ известь 8 т/га	0,165	0,011	7	0,168	0,020	14
10.Фон+ известь 12 т/га	0,17	0,016	11	0,174	0,026	18
11.Фон+ торф 50 т/га	0,172	0,018	12	0,179	0,031	21
12.Фон+ торф 100 т/га	0,185	0,031	20	0,196	0,048	33
13.Фон+ цеолит 50 т/га	0,171	0,017	11	0,179	0,031	21
14.Фон+ цеолит 100 т/га	0,178	0,024	16	0,188	0,040	27
НСР05	-	0,015	10	-	0,022	15

Данные таблицы 3.1 свидетельствуют, что все изучаемые мелиоранты и удобрения, внесённые для снижения степени подвижности свинца, оказали положительное действие на урожайность викоовсяной смеси, однако степень их влияния на этот показатель сильно различалась. Наибольшее действие оказало внесение торфа в дозе 100 т/га, он обеспечил математически достоверную прибавку - 20-30 % сухого вещества. Высокая эффективность повышенных доз внесения торфа обусловлена его положительным влиянием на целый комплекс агрофизических и агрохимических свойств почвы. Второе место по повышению урожайности заняло внесение цеолита в дозе 100 т/га (на 16-27 %), что связано с его уникальными сорбционными свойствами и повышенным содержанием в нём калия, фосфора и ряда микроэлементов. Положительное влияние цеолита на свойства почвы и урожайность с.-х. культур проявляется, в первую очередь, на низкогумусированных дерново-подзолистых почвах, где он выполняет некоторые функции гумуса. Математически достоверную прибавку зерна ячменя обеспечило также последействие внесения в 2011 году обеих доз суперфосфата, фосфоритной муки и известняковой муки в дозе 12 т/га.