Использование осадка сточных вод - (реферат)

Знание природных концентраций тяжелых металлов в почвах и растениях дает возможность судить о состоянии чистоты или загрязненности и принимать меры, направленные на сохранение почвенного плодородия и качества растениеводческой продукции. В. П. Цемко с соавторами (1980) предлагает следующую группировку почв по степени загрязнения: к слабо загрязненным относятся почвы с содержанием элемента от 2 до 10 кларков, к средне - от 10 до 30 кларков, к сильно - свыше 30 кларков.

Известно, что техногенное загрязнение оказывает влияние не только на биоту почв, но и на их физические, физико-химические и химические свойства. Почвы в неодинаковой степени инактивируют поступающие элементы - токсиканты, а наличие разных форм токсикантов в почве затрудняет выбор той из них, которая была бы наиболее пригодной для целей нормирования (Ильин В. Б. , 1985; Важенин И. Г. , 1985; Зырин Н. Г. , Каплунова Е. В. , 1985; Кочуров Б. И. , Зайцев В. Я. , 1987).

По мнению Н. Г. Зырина (1985), в условиях кислой неокультуренной дерново-подзолистой почвы уровень кадмия в 2, 5 мг/кг (10 раз больше фонового), цинка - 125 мг/кг (5раз больше фонового) уже можно считать опасным. Этими авторами выявлено также пороговое значение содержания тяжелых металлов в почве, приводящее к их накоплению в растениях, в количестве выше, чем ПДК. Для свинца - 150, кадмия - 0, 2, цинка - 85 мг/кг для неокультуренной дерново-подзолистой почвы.

Соответственно, для дерново-подзолистой окультуренной - свинца -650, кобальта 2, 5, цинка - 80; для типичного чернозема: кобальта - 5, 0, цинка - 115 мг/кг. В исследованиях Р. И. Первухиной (1983) была дана оценка трансформации соединений техногенных металлов в почве и доступность их для растений. Результаты эксперимента показали, что внесение кадмия в составе пыли металлургического предприятия снижает урожайность ячменя на дерново-подзолистой неокультуренной почве при содержании кадмия 10 мг/кг, на слабоокультуренной - 20 мг/кг. Экспериментальными исследованиями, проведенными на кафедре коммунальной гигиены Днепропетровского медицинского института установлено, что повышенное содержание химических веществ в почве существенно влияет на самоочищение почвы. Уровень предельной концентрации по железу - до 5000 мг/кг, марганцу - 1000 мг/кг. В растениях, выращенных в зоне действия промышленных выбросов, содержание железа в зерне - до 300 мг/кг или в 2 раза больше;

содержание железа в свекле колебалось от 465 до 705 мг/кг, это в 8, 2-12, 4% больше, чем в контроле (Шелюг М. Я. , 1983).

На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же концентрациях оказывают на растения различное действие. Это обусловлено разной кинетикой и превращением этих веществ в почве. В опытах с суглинистой почвой, торфом и черноземом внесение ртути в дозе 10 мг/кг практически не вызывало изменений в элементном составе зерновых. Внесение той же дозы в песчаную почву и супесчаный суглинок привело к накоплению ртути в соломе пшеницы до 5, 7 мг/кг сухой массы и невызреванию овса (Покровская С. Ф. , 1987).

Работами Зимакова И. Е. (1979) было исследовано действие нитрата ртути на опесчаненной дерново-подзолистой почве на горох, кукурузу, овес, рожь и пшеницу, доза внесения в расчете на металл 0, 1; 1; 10 мг/кг почвы. Наибольшая концентрация ртути наблюдалась через 30 дней, затем несколько снизилась, оставаясь в среднем постоянной, но при этом превышала фон в 5.... 10 раз. Закономерное накопление кадмия растениями в зависимости от основных почвенных факторов характеризуется схемой, предложенной в работе (Рэуце К. , Кырстя С. , 1986).

    Низкое Содержание кадмия
    Увеличение
    PH
    Снижение
    Высокое содержание кадмия
    Увеличение
    Содержание глины
    Снижение
    Увеличение
    Содержание гумуса
    Снижение
    Увеличение
    Щелочные удобрения физиологически кислые
    Снижение

Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием складывается из нескольких составляющих. Во-первых, это атмосферное поступление. В промышленно-развитых районах в среднем в год выпадает 0, 2.... 9кг/км2 кадмия (Петрухин В. А. , 1986). Второй источник поступлений - осадки городских сточных вод. Обширная информация по данному вопросу предоставлена в ряде работ (Покровская С. Ф. , 1981; Гольдфарб Л. Л. , Туровский Н. С. , Беляев С. Д. , 1983; Касатиков В. А. , 1984; Алексеев Ю. В, 1987).

И, наконец, третий источник - это минеральные удобрения. Так, в ФРГ со средними дозами фосфорных удобрений в год поступает 3.... 5 г кадмия на 1га (Sauerbeck D. , 1980). В связи с этим фермы-производители приняли решение о введении нормы на содержание кадмия в удобрениях, которая составляет 90 мг/кг (Stadelmann F. X. , 1983).

Однако, оценивая минеральные фосфорные удобрения и ОСВ как потенциальный источник загрязнения тяжелыми металлами Г. А. Соловьев и А. В. Голубев (1981) подчеркивали, что необходимо исходить из их мобильности и доступности растениям. Она зависит как от рН почвы, содержания органического вещества и сопутствующих элементов, в частности, кальция, цинка, формы кадмия. Среди процессов, играющих важную роль в поступлении кадмия в растения, является диффузия. Чем ниже рН почвенного раствора, тем выше коэффициент диффузии кадмия.

Насыщение почв ионами H+приводит к увеличению диффузии по сравнению с естественными почвами, но внесение кальция снижает подвижность его в почвах (Алексеев А. А. , Зырин Н. Г. , 1980). Исследованиями (Klein-Landenkoff U. , 1986) было доказано, что внесение ОСВ в качестве органического удобрения показало защитные механизмы почвы. Этому способствовало внесение известковых удобрений. Доза 85-170 ц/га снижала поступление кадмия в растения на 20-30%. Другие авторы (Bidwell A. M. , Dowdy R. H. , 1987) отмечали, что внесение в 15 см слой почвы до 25, 2 кг/га кадмия в составе осадков сточных вод (в течение 3-х лет) повысило содержание данного элемента в зерне до 5, 18 мг/кг. Однако, другими исследователями не отмечалось негативное действие кадмия, содержащегося в осадках сточных вод. Так, 39-летние исследования не выявили существенных изменений в химическом составе растений (Wedder M. D. , 1987).

Тяжелые металлы находятся в почве в различной форме. Они могут включаться в твердую фазу почвы, находиться в виде свободных ионов в почвенных растворах, в виде растворимых органоминеральных комплексов или адсорбированными на коллоидных частицах. Сульфокислоты образуют растворимые хелаты металлов в широком диапазоне рН, увеличивая, таким образом, их растворимость. Эти комплексы, обычно, более стабильны, чем аналогичные комплексы гуминовых кислот (Kieken L. , 1983), которые также играют роль депонента тяжелых металлов. Поступление тяжелых металлов в растения зависит от многих факторов. Имеются данные, позволяющие вывести определенную закономерность между накоплением и принадлежностью к семейству, биологическими особенностями вида, сорта. По данным Kuboi T. , Noguchi A. (1986), наиболее устойчивыми к накоплению кадмия оказались бобовые. Умеренно накапливали этот ион злаковые, лилейные, тыквенные и зонтичные. Большие концентрации кадмия отмечались у крестоцветных, пасленовых, сложноцветных, маревых. Однако, такое деление оказалось довольно условным. Испытание разных доз кадмия (от 1 до 300 мг/кг субстрата) показало, что внутри каждой группы каждого семейства наблюдается устойчивость к данному элементу. Турнепс не проявлял признаков токсикоза даже при максимальной дозе, в то время как репа уже при 30 мг/кг проявляла признаки токсикоза. М. С. Паниным (1980) предложен несколько иной подход к данной проблеме, но основывающийся опять-таки на способности накопления того или иного элемента растениями. По его данным, по среднему уровню накопления определенного элемента в теле растения по отношению к разным ионам разные семейства можно расположить так: Со сложноцветные, злаковые, лебедовые, розоцветные, бобовые; Си сложноцветные, злаковые, лебедовые, бобовые, розоцветные, крестоцветные; Mo бобовые, злаки, сложноцветные, крестоцветные, гречишные.

По реакции сельскохозяйственных растений к различным металлам существует также и сортовая специфичность, которая закреплена генетически.

Исследованиями Brune H. (1984) было показано, что 10 сортов салата, выращиваемых в песке при одинаковой концентрации кадмия в питательной среде, равной 0, 1 мг/л, накапливали разное количество кадмия - 0, 4 до 26 мг/кг. У растений в условиях загрязнения интенсивно работают механизмы защиты, которые предохраняют до определенного момента надземные органы от поступления избыточного количества тяжелых металлов (Ильин В. Б. , Степанова М. Д. , 1980). При всем этом действие токсикантов при высокой их концентрации может все же усиленно проникать в растения. Однако степень накопления в различных частях растений будет различная (Ильин В. Б. , Гармаш Г. А. ,1981).

Наиболее сильно идет накопление свинца в корневой системе, причем количество ионов металла может превышать контроль более, чем в 7 раз. В меньшей степени его накапливают листья и репродуктивные части растений. Это объяснимо тем, что в процессах метаболизма в растениях образуются разнообразные органические соединения с хелатирующими свойствами. При проникновении ионов тяжелых металлов в корни происходит их связывание и, как следствие, снижение подвижности. Таким образом, имеющиеся научные материалы отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, насколько сложна данная проблема. В мире идет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества осадков городских сточных вод–продуктов жизнедеятельности человека, а так же других видов отходов городского коммунального хозяйства. Имеющиеся литературные данные по вопросам использования ОСВ в качестве удобрений нельзя автоматически переносить не наши почвенно-климатические условия, а по отдельным разделам, например, влияние ОСВ на состав почвенных растворов и т. д. материалов практически не имеется. С учетом вышеизложенного, целью наших исследований было изучить возможности использования осадков сточных вод г. Курска в качестве удобрений.

    Глава 2. Методика и условия проведения исследований.
    2. 1 Методика исследований

Исследования проводились на опытном поле Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И. И. Иванова в 1996-1998г. г. Почва темно-серая лесная среднесуглинистая.

Полевые исследования проводились по следующей схеме (табл. 1) Таблица 1

    1. Схема проведения опыта:
    Контроль (без удобрений, без ОСВ)
    20 т/га ОСВ
    20 т/га ОСВ + N30P30K30
    20 т/га ОСВ + N60P60K60
    20 т/га ОСВ + 5 т/га извести
    N60P60K60

В полевых опытах размещение вариантов было рендомизированным методом. Повторность опыта шестикратная. Размер делянок 1, 0 м х 1, 0 м = 1 м2. В исследованиях использовали методики, принятые в опытах по растениеводству, земледелию, почвоведению и агрохимии.

    Перед закладкой опыта проводили анализ почвы:
    а) Содержание гумуса в почве – по Тюрину;
    б) рН солевой вытяжки – потенциометрическим методом;
    в) Гидролитическая кислотность (Нг) – по Каппену;

г) Сумма обменных оснований (Sосн. ) – по Каппену-Гильковицу; д) Степень насыщения основаниями – расчетным способом (Практикум по агрохимии, 1987); е) Подвижные: фосфор (Р2О5) и калий (К2О) – по Чирикову;

    ж) Общий азот – по Къельдалю;
    и) Азот щелочногидролизуемый – по Корнфилду

Все перечисленные выше методы описаны в следующих учебных пособиях и практикумах: “Агрохимические методы исследования почв” (1965); “Практикум по почвоведению” (И. С. Кауричев, 1973); “Руководство по химическому анализу почв” (Е. В. Аринушкина, 1970); “Практикум по агрохимии” (Л. В. Петербургский, 1968; А. С. Радов и др. , 1985; Б. А. Ягодин и др. , 1987).

Тяжелые металлы в ОСВ и почве (цинк, медь, никель, кобальт, хром, свинец), а также в растениеводческой продукции (кадмий, свинец, цинк, медь, ртуть, мышьяк) определяли по Е. Сенделу, 1996г.

Доза внесения ОСВ и минеральных удобрений подобраны таким образом, чтобы не допустить загрязнения почвы тяжелыми металлами и из расчета поддержания бездефицитного баланса гумуса. Возделывались сельскохозяйственные культуры со следующим чередованием их в звене севооборота: 1) клевер; 2) озимая пшеница; 3) кукуруза.

Осадка сточных вод было внесено 20 т/га, минеральных удобрений из расчета N30P30K30 и N60P60K60 в зависимости от варианта опыта и извести –5 т/га. Осадок сточных вод, минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, хлористый калий), известь вносили по квадратам, весной вручную под перекопку лопатой на глубину 30 см. Норма высева озимой пшеницы– 5 млн. всхожих зерен на 1 га; кукурузы – из расчета 70 тыс. растений на 1 га и клевера – 15 кг на 1 га. Для клевера красного определяли высоту растений и урожайность. Определяемая структура урожая зерновых –высота растений, продуктивная кустистость, длина колоса, число колосков и зерен в колосе, масса 1000 семян, масса надземной и незерновой части. Анализы проводили в фазу восковой спелости зерна по среднему образцу, взятому в течение одного дня с двух рядков длиной 55, 5 см в местах по диагонали делянки (с 1 кв. метра) в двух несмежных повторениях.

По кукурузе определяли высоту растений, длину, количество и массу початков на одно растение перед уборкой в двух несмежных повторностях, для чего отбирали на двух средних рядках подряд 20 растений.

Технологические и физиологические качества зерна озимой пшеницы (натура, стекловидность, масса 1000 зерен, количество сырой клейковины и массовую долю влаги) определяли согласно методике, рекомендованной Госкомиссией по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур.

Изучали не только действие ОСВ в год внесения, но и его последствие в течение двух лет.

В период вегетации проводили ручную прополку и рыхление междурядий у кукурузы. Для определения элементов структуры урожая по зерновым отбирали пробные снопы. Учет урожая– весовым методом.

Сорта и гибриды, высеваемые в опыте: клевер красный – Макаровский местный; озимая пшеница – Мироновская 808; кукуруза – Коллективный 181 (приложение 2). Экспериментальные исследования проводили на кафедре неорганической и аналитической химии и межфакультетской химической лаборатории Курской ГСХА, государственной станции агрохимической службы “Курская”, а также испытательной химико-технологической лаборатории Курского центра стандартизации, метрологии и сертификации.

Полученные экспериментальные данные во всех опытах обработаны методом дисперсионного анализа на ЭВМ.

    2. 2 Условия проведения опытов
    2. 2. 1 Краткая характеристика почвенных условий

Курская область расположена на западе Центрального Черноземья и относится к Средне-Русской провинции лесостепной зоны, для которой характерны два типа почв: черноземы и серые лесные почвы. Почвенный покров повсеместно сформировался на лессовидных отложениях суглинистых по гранулометрическому составу и богатых основными элементами питания. Физические и химические свойства лессовидных пород способствуют образованию на них плодородных почв. В области Черноземы занимают 1460 тыс. га или 74%, а серые лесные почвы – 482 тыс. га или 24, 5% (Муха В. Д. и др. , 1992). На долю светло-серых лесных почв на территории области приходится 3, 6%, а серые и темно-серые лесные почвы занимают 10, 4 и 10, 6% соответственно. Поскольку исследования проводились на темно-серой лесной почве, то остановимся на ее характеристике более подробно.

По своим физическим и химическим свойствам и уровню плодородия серые лесные почвы значительно отличаются от черноземов. Они имеют повышенную кислотность и нуждаются в известковании. Пахотный слой имеет распыленную структуру, поэтому при увлажнении почвы заплывают и при высыхании на поверхности образуют корку. Период физической спелости у них значительно короче, чем у черноземов, что создает дополнительные организационные трудности при их обработке. Среди лесных почв лучшими и наиболее распространенными на территории области являются темно-серые лесные. По своему строению, свойствам и плодородию темно-серые лесные почвы стоят близко к черноземам оподзоленным. Гумусовый горизонт темно-серых лесных почв значительно мощнее, чем у серых и колеблется от 40 до 60 см. Гумуса в пахотном слое темно-серых лесных почв содержится 3-5%, фосфором и калием растения на этих почвах обеспечены средне, а азотом недостаточно. Они пригодны для возделывания всех полевых культур, районированных в зоне (Д. А. Лепнев, 1968).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5