Загрязнение почв: источники, состав, воздействие на растения и отдаленные последствия

652500,Кемеровская область
г.Ленинск-Кузнецкий
пр. Дзержинского, 29
МОУ "Гимназия №12"
8(38456) 7-40-38
E-mail:gimnazia@mail.kmr.ru

К началу учебного пособия

1.6.3.Загрязнение почв: источники, состав, воздействие на растения и отдаленные последствия
    Разнородные вещества, загрязняющие природную среду, могут воздействовать либо непосредственно на организм растений, либо косвенным путем, изменяя условия их произрастания, в частности вызывая нарушение почвенного питания. Загрязнение почв может происходить за счет разного рода выбросов (твердые отходы ,дымовые газы и пр.) и в результате целенаправленного внесения химических веществ (пестициды, минеральные удобрения, структур образователи, осадок сточных вод). Промышленные отходы, поступающие в огромных объемах в природную среду, являются одним из основных источников загрязнения почв. Вместе с ними в почву попадает большое количество разнородных химических веществ, некоторые из них (свинец, фтор, кадмий, соединения ртути, никель, цинк) обладают способностью накапливаться в пищевых цепях и поэтому представляют опасность для здоровья человека. В почвах области содержание свинца, кадмия, стронция выше ПДК в 2-10 раз. Накопление в почве нежелательных веществ может происходить также вследствие оседания из загрязненной промышленными и транспортными выбросами атмосферы различных примесей в виде твердых частиц и растворенных в воде солей и газов, а также за счет поглощения почвой газообразных примесей из атмосферы.
    Целый ряд исследований посвящен изучению роли в почвенных процессах сернистых соединений, входящих в состав загрязненной атмосферы. Адсорбированные атмосферной влагой окислы серы превращаются в кислоты и выпадают на землю в виде "кислых дождей". Повышение кислотности атмосферных осадков отмечается во многих районах земного шара, особенно часты они в районах с развитой промышленностью, в том числе и в Кузбассе. Влияние таких осадков на растения проявляется главным образом косвенным путем через изменения химических и биологических свойств почвы. В некоторых случаях сера, перешедшая в доступную для растений форму, оказывает благотворное влияние на рост сельскохозяйственных культур. Однако чаще всего попавшие в почву сернистые соединения путем связывания с почвенными частицами, имеющими щелочную реакцию, превращаются в труднорастворимые сульфиты. В результате уменьшается запас доступных для растений питательных веществ, увеличивается кислотность почвы, в них накапливается грубый гумус. Кроме того, ухудшаются Физические свойства почв: они уплотняются, снижается их водоудерживающая способность, на поверхности почвы образуется корка. На песчаных почвах с небольшой емкостью катионного поглощения сернистые соединения вызывают подкисление верхних слоев почвы, ускорение вымывания питательных веществ, в особенности кальция, магния, марганца и высвобождение из глинистых фракций ионов алюминия, оказывающих токсическое воздействие на растения.
Изменение свойств почв, в свою очередь, ведет к нарушению нового режима и деятельности отдельных микроорганизмов. Особенно ярко этот процесс проявляется в лесных почвах с кислой реакцией среды.
    В отдельных районах начинает проявляться отрицательное влияние этого фактора на рост растений (например, хвойных пород в лесах) и с течением времени оно, по-видимому, будет возрастать. Под воздействием кислых осадков могут происходить физиологические изменения в растениях.
    Некоторые исследователи относятся с критичностью к категорическим утверждениям о роли кислых атмосферных осадков в снижении приростов лесов. Однако и они признают, что нельзя оставить без внимания факт поступления в почву значительного (10-20 кг/га в год) количества серы из загрязненного воздуха. Признано необходимым усилить изучение кругооборота серы в лесных экосистемах с учетом влияния происходящих в почвах процессов на состав поверхностного стока, воды водоприемников и условия обитания рыб. Это объясняется тем, что высвобожденные из глинистых минералов под влиянием кислых атмосферных осадков ионы алюминия попадают в водоёмы, вызывая их загрязнение.
    Проводятся исследования и по выявлению влияния кислых атмосферных осадков на жизнь сельскохозяйственных растений. По имеющимся данным, дождевание фасоли водой с повышенной кислотностью (рН 2-3,5) привело к резкому увеличению видимого фотосинтеза. Интенсивность дыхания при этом возросла в незначительной мере. Было обнаружено уменьшение размеров клеток в листьях опытных растений, сокращение межклеточного пространства и уменьшение размеров крахмальных зерен.
    Состав опадающих на поверхности почвы твердых частиц определяется спецификой производста. В Кузбассе наиболее часто встречается насыщение почвы катионами щелочных металлов, а также железа, марганца, меди, цинка, никеля, кобальта, свинца, ртути и анионами различных кислот - сульфатов, сульфитов, хлоридов и фторидов.
    Тяжёлые металлы не перемещаются по почвенному профилю, а накапливаются, в основном, в верхних слоях почвы. Например, на расстоянии 1,5 км от источника загрязнения содержание свинца в верхнем 20-сантиметровом слое почвы составляло 40мг/кг, на глубине 35-40см - 63, 95-100 - 92 мг/кг. Отрицательное действие содержащихся в пылевых частицах тяжелых металлов в значительной степени зависит от свойств почв. На легких почвах они легче поглощаются растениями и причиняют им больший на тяжёлых, богатых гумусом и органическими веществами почвах. Длительная эмиссия пыли, дождевых червей. На расстоянии 600м от завода в пахотном слое почвы совсем отсутствуют черви, на расстоянии 1,5 км их насчитывали 33 дождевых червя на 100л пахотной почвы (в почве, не испытывающей воздействия эмиссии, количество их составило 63 шт. на 100л почвы).
    Исследования свидетельствуют о возможности накопления в почве токсических веществ, в частности тяжелых металлов, при длительном использовании в качестве удобрений осадков сточных вод, что в конечном счёте может вызвать ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Некоторые содержащиеся в осадках металлы относятся к микроэлементам, необходимым для роста растений, отрицательное действие их проявляется только в том случае, если они вносятся в почву в избыточном количестве. Другие (кадмий, свинец, цинк), обладающие способностью к постепенному накапливанию в организме людей и животных, представляют большую опасность даже в невысоких концентрациях. В ряде опытов прослеживается тенденция к нарастанию содержания некоторых химических элементов, создающих угрозу для здоровья человека и животных, по мере увеличения доз осадка. В этом процессе определенную роль играют такие факторы, как состав сточных вод, свойства почвы, климатические условия и другие.
Загрязнение почвы металлами приводит к утрате её плодородия, к ухудшению роста естественной растительности (в некоторых случаях к её полному отмиранию), к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
    Доступность тяжёлых металлов для растений зависит от кислотности почвы, содержания в ней органического вещества, емкости катионного поглощения и механического состава. С увеличением уровня кислотности почв возрастает фитотоксическое действие металлов. Внесение органических удобрений (навоз, растительные остатки) может снизить доступность тяжёлых металлов для растений в результате образования хелатов и других комплексных соединений.
.   Проводятся исследования по определению критических уровней накопления в растениях потенциально токсических элементов, то есть минимальных концентраций этих элементов в растительных тканях, способных вызывать снижение урожайности. В песчаной культуре на ячмене с различной концентрацией токсических элементов определены верхние критические уровни их накопления (в ч/млн.) на сухой вес, равные для серебра - 4, золота - 20, бора - 80, бария - 500, берилия - 0,6, кадмия - 15, кобальта - 6, хрома - 10, меди - 20, ртути- 3, цинка - 4, молибдена - 135, никеля - 26, свинца - 35, селена - 30, олова - 63, ванадия - 2, цинка - 290.
    Эти данные могут служить в качестве пороговых исходных для оценки степени загрязнения почв нежелательными веществами при условии использования в качестве тестового растения ячменя.
    По имеющимся данным, при содержании цинка в растениях кукурузы свыше 400 ч/млн, урожай снижается на 20 %.
    Овощные культуры отличаются большей чувствительностью к тяжелым металлам, чем луговые травы. Среди первых особенно сильно реагируют на повышенное содержание металлов в почве свекла, салат и томаты.
    При выращивании зерновых культур в сосудах, заполненных почвой из шахтных отвалов с высоким содержанием тяжёлых металлов, по убывающей устойчивости к последним, растения распределялись следующим образом: рожь-овёс-ячмень.
    В виду опасности накопления в пищевых цепях, наибольший интерес у исследователей вызывают свинец, ртуть, кадмий и мышьяк. Многие работы посвящены изучению особенностей накопления этих металлов в растениях в зависимости от содержания в почве.
    По данным опытов В.П.Ковды и др., проводимых в условиях песчаной культуры с внесением пороговых для почв концентраций ртути - 25 мкг/кг и свинца 25 мг/кг и превышающих пороговые в 2-20 раз, растения овса до определенного уровня загрязнения почв растут и разбиваются нормально. По мере увеличения концентрации металлов (для свинца начиная с дозы 100 мг/кг) изменяется внешний вид растений. При экстремальных дозах металлов растения погибают через три недели с начала опытов. Содержание металлов в компонентах биомассы в порядке убывания распределилось следующим образом: корни - надземная часть - зерно.
    Выявлена пропорциональная зависимость между содержанием свинца в почве и накоплением его в растениях. При дозе 50 мг/кг я листьях салата накапливается в 17, а при дозе 100 мг/кг в 32 раза больше свинца, чем в контроле.
    Для сравнения интересно привести данные о поглощении растениями из почвы свинца при отсутствии загрязнения этим металлом. Большинство пищевых растений содержит в среднем 2-3 мг/кг свинца. Максимальное количество свинца обнаружено в листьях репы и в кабачках - соответственно 16,2 и 22,4 мг/кг, минимальное в семенах бобовых культур (меньше 0,5 мг/кг).
    Свинец оказывает различное действие на растения в зависимости от того, в какой форме он присутствует в почве, как это показали опыты с пшеницей при внесении углекислого и уксуснокислого свинца. Различное действие этих двух солей свинца в одинаковых концентрациях предположительно связывают с неодинаковой их доступностью для растений и с различным влиянием на кислотность почв. Особенности процесса накопления металлов растениями в условиях усиливающегося загрязнения природной среды позволяют понять исследования, выполненные в биогеохимических провинциях. Изучение распределения свинца в растениях на участках с аномально высоким содержанием этого металла показало, что свинец концентрируется в основном на поверхности корней и только при высоких концентрациях поступает в листья. Высокой чувствительностью к свинцу обладают: из зерновых - ячмень, овес и особенно пшеница, из овощных - картофель. Под влиянием свинца снижается урожай картофеля и содержание крахмала в клубнях.
    Наибольшую опасность для здоровья человека при внесении в почву отходов представляет кадмий, так как этот металл относительно быстро поглощается растениями и не оказывает на них токсического действия при обычно встречающихся концентрациях. Таким образом, кадмий может накапливаться в растениях и поступать в звенья пищевой цепи более быстро, чем свинец или цинк, которые не поглощаются растениями в больших количествах. Симптомы интоксикации кадмием растений проявляются в виде постепенных изменений окраски верхушки листьев и черешков от красно-бурой до пурпурной, сопровождающихся скручиванием листьев и появлением интенсивного окрашивания жилок листьев, хлорозами и опадением листьев.
Во многих исследованиях изучали влияние различных уровней загрязнения почв кадмием на рост растений. По имеющимся данным, высокое содержание в почве кадмия (5 ч/млн) вызывает торможение роста шпината и снижение урожайности (на 54%) по Сравнению с контролем (незагрязнённые почвы). При уровне 500 ч/млн наблюдается преждевременное отмирание растений. - Выявлены различия в устойчивости растений к кадмию в зависимости от их видовой принадлежности. Обнаружено снижение роста чувствительных к кадмию растений (шпинат) по мере возрастания уровня этого металла в почве от 5 до 15 мкг/г, у устойчивых растений (томат) ухудшение роста не отмечено вплоть до концентрации 100 мкг/г.
     Неодинаково проходит и процесс накопления кадмия в тканях растений. В опытах по выращиванию кукурузы, турнепса, свеклы фасоли и томатов на питательном растворе с содержанием кадмия 0,1 мкг/мл растения фасоли накапливали 9, свеклы - 200 мкг/г кадмия.
    Возможность накопления кадмия в почве иол сельскохозяйственными культурами до фитотоксичного уровня невелика, однако при существующем уровне загрязнения почв имеется реальная опасность накопления кадмия в продовольственных культурах до уровней, представляющих опасность для здоровья человека. Для растений, способных накапливать кадмий, эта опасность возникает при концентрации его в почвенном растворе 0,05 мкг/мл или при содержании в почве в количестве 5 мкг/г.
    Путем расчётов определяли поступление кадмия в организм человека с продуктами питания. Оказалось, что на зерновые и крупяные культуры приходится 25,6% суточной допустимой дозы кадмия, равной 70 мкг; на овощи-26%, фрукты-10%. Поданным исследований выполненных в США и Канаде, в организм современного человека поступает от 50 до 100 мкг кадмия в сутки. Дальнейшее увеличение этого количества представляет реальную угрозу для здоровья человека в связи с чем необходимо введение строгого контроля за содержанием этого металла в отходах, используемых для удобрения полей.
    Снизить токсичное действие тяжёлых металлов на растения на участках с сильным загрязнением почв позволяет внесение в почву различных веществ, изменяющих реакцию почвенной среды и способствующих переходу тяжёлых металлов в недоступные или труднодоступные для растений соединения. Наиболее распространенный приём - известкование. По данным вегетационных опытов, внесение извести в дозах 1,2 и 4 г/кг в загрязнённую почву улучшает рост злаковых культур и снижает содержание в них тяжёлых металлов. Рост овса увеличивается в 6, ржи - в 4 раза (по сравнению с контролем). Наряду с известью определенную роль в снижении доступности тяжёлых металлов для растений играет внесение торфа и минеральных удобрений. Так, путём внесения фосфорных удобрений удается снизить содержание кадмия в растения шпината и кукурузы на 53%, торфа и извести - на 75-83%, Высокое удержание в почве органического вещества также приводит к снижению доступности тяжёлых металлов для растений.