Способ контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментной нагрузки на пахотные мелиорированные земли пойменного агроландшафта Российский патент 2024 года по МПК G01N33/24 A01G20/20 

Предлагаемое изобретение относится к области экологии, в частности геоэкологии, а также к комплексной мелиорации агроландшафта, и может быть использовано для определения и контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментной нагрузки на пойменные участки пахотных мелиорированных земель, подвергающихся затоплениям в периоды весеннего половодья.

На фоне природных ландшафтов пойменные земли расположены по всей территории России и занимают площадь около 50 млн. га. В Нечерноземной зоне РФ пойменные земли составляют 3% от общей площади. В связи с этим их интенсивное использование в сельскохозяйственном производстве имеет большое значение. При этом для всех пойменных почв почвообразующей породой является наилок, выпадающий на поверхности поймы во время ее затопления (Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов. М.: КДУ, 2009. - 720 с.). Изучение и всесторонний контроль, оценка химического состава паводковых седиментов является важной эколого-мелиоративной задачей, поскольку они, помимо питательных элементов, являются источником поступления в пойменные агроландшафты различных загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов (ТМ) и мышьяка, в повышенных концентрациях негативно влияющих на растения (активизация окислительного стресса под действием тяжелых металлов, нарушение физиологических процессов: фотосинтез, дыхание, рост). При этом в патентной документации не выявлены способы контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов и определения седиментной нагрузки на мелиорируемые пахотные земли.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ (Пыленок П.И. Влияние седиментации на качество аллювиальной почвы в пойме реки Ока. Агрофизика, 2020 г., №4,с 7-13.), в котором для исследований выбран луговой участок поймы реки, на нем перед половодьем размещают пластиковые ворсистые маты размером 0,12 м, имитирующие травяной покров исследуемой поверхности. После завершения половодья маты снимают, высушивают наилок до воздушно-сухого состояния, извлекают седименты из ворсистой поверхности матов, имитирующей травяной покров, взвешивают и определяют качественный и количественный состав в них тяжелых металлов кроме свинца, кадмия и мышьяка, только для фракций менее 20 мкм.

Недостатками известного способа являются неточность в определении содержания тяжелых металлов в седиментах, невозможность дать объективную сравнительную оценку загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов и отсутствие оценки суммарного поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе ежегодной седиментной нагрузки на пойменные участки пахотных земель.

Устранить указанные недостатки позволяет способ контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментной нагрузки на пахотные мелиорированные земли пойменного агроландшафта, включающий выбор подконтрольного участка исследуемой поймы, размещение на нем перед половодьем пластиковых ворсистых матов, имитирующих покров исследуемой поверхности, снятие матов после завершения половодья, высушивание наилка до воздушно-сухого состояния, извлечение седиментов из ворсистой поверхности матов, взвешивание и определение качественного и количественного состава в них тяжелых металлов, в котором на выбранном пахотном участке поймы размещают маты с ворсистой поверхностью, имитирующей пахотный почвенный покров, 4 шт./га размером 0,14 м² - 0,2×0,7 м на расстоянии 40 м друг от друга в плане по диагонали участка, при этом располагая маты длинной стороной вдоль диагонали, а после схода воды, снятия матов, высушивания и извлечения наилка взвешивают и перемешивают седименты со всех матов и, не разделяя их на фракции, в средней пробе определяют качественное и количественное содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в седиментах, рассчитывают коэффициент их концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в седименте к региональному почвенному фону, а также суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов в подстилающую аллювиальную пахотную почву при ежегодном половодье.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что с помощью пластиковых матов, имитирующих пахотный почвенный покров, 4 шт./га размером 0,14 м² - 0,2×0,7 м, устанавливаемых перед половодьем на пахотных пойменных участках на расстоянии друг от друга 40 м длинной стороной по диагонали участка, определяют общее поступление седиментов в период половодья, качественное и количественное содержание в них тяжелый металлов и мышьяка, рассчитывают коэффициент их концентрации для объективной сравнительной оценки загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов, а также их реальное количество, поступающее с паводковыми седиментами на территорию исследуемого агроландшафта при ежегодном половодье.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема поступления седиментов на каждый из 4-х матов в результате половодья и среднее их количество, т/га; на фиг.2 - представлен график-схема коэффициентов концентрации каждого из элементов в составе ежегодной седиментной нагрузки; на фиг.3 - график-схема поступления каждого элемента в аллювиальную пахотную почву в составе седиментов при ежегодном половодье, г/га.

Способ осуществляют следующим образом:

Для исследований выбирают участок пахотной мелиорированной земли пойменного агроландшафта, возможно с предполагаемой наиболее высокой антропогенной нагрузкой (промышленной и сельскохозяйственной и др.). На площади 1 га размещают 4 пластиковых мата с имитирующей пахотный почвенный покров поверхностью размером 0,14 м² (0,2×0,7 м) на расстоянии 40 м друг от друга по диагонали участка. Седиментам свойственна неравномерность распространения, наименьшая седиментная нагрузка приходится на естественные сенокосы, на пашне она выше, чем на лугах, за счет привнесения в пойму дополнительных материалов с пахотных земель, поэтому площадь матов больше, чем для луговой почвы, оптимальна как для исследований, так и экономически, и технологически. Следует отметить, что пойма делится на три основных геоморфологических элемента: прирусловая, центральная и притеррасная части, поэтому маты располагают по диагонали участка, при этом длинной стороной по диагонали участка, с тем, чтобы оптимально захватить все три зоны и возможные изменения рельефа. Фиксацию матов на рельефе осуществляют с помощью металлических скоб длиной не менее 250 мм. После схода воды маты снимают с поверхности почвы, высушивают наилок до воздушно-сухого состояния, извлекают из ворсистой поверхности мата встряхиванием и/или чисткой пластиковым скребком, взвешивают, тщательно перемешивают весь наилок и, не разделяя его на фракции, в средней пробе определяют качественное и количественное содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в седиментах. Затем для объективной сравнительной оценки загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов рассчитывают коэффициент их концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в седименте к региональному почвенному фону. Региональный почвенный фон - это экспериментально определенное содержание тяжелых металлов и мышьяка в материнской почвообразующей породе данного региона. Суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов в подстилающую аллювиальную пахотную почву при ежегодном половодье рассчитывают исходя из общего поступления седиментов и концентрации в них каждого элемента.

Пример реального осуществления предлагаемого способа.

Предлагаемый способ контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментной нагрузки осуществляли на пахотных мелиорированных землях пойменного агроландшафта в условиях весеннего половодья р. Ока в Рязанской области.

Для исследований был выбран участок территории в центральной части поймы р. Ока, подверженной высокой антропогенной нагрузке, к главным источникам которой относятся областной центр Рязанского региона с развитой нефтеперерабатывающей, энергетической и металлургической промышленностью.

На участке в 1 га перед половодьем размещали 4 пластиковых мата с имитирующей пахотный почвенный покров поверхностью на расстоянии 40 м друг от друга по диагонали участка. Размер мата 0,14 м² (0,2×0,7 м) достаточен для исследований, целесообразен экономически и удобен для транспортировки и установки. Маты на поверхности почвы размещали длинной стороной по диагонали участка и фиксировали на рельефе с помощью металлических скоб длиной 250 мм. После схода воды маты снимали с поверхности почвы, высушивали наилок до воздушно-сухого состояния, извлекали из ворсистой поверхности мата встряхиванием и пластиковым скребком и взвешивали сухой наилок с каждого мата. На фиг. 1 представлена схема поступления седиментов на каждый из 4-х матов в результате половодья и среднее их количество (фиг. 1). Масса седиментов на данном участке агроландшафта интерполяцией в т/га варьировалась от 10,1 до 23,6 т/га. Разница в поступлении связана с перепадами рельефа на данной территории. Среднее значение седиментной нагрузки на участок пойменного агроландшафта составило 15,8 т/га.

После тщательного перемешивания седиментов со всех матов, не разделяя их на фракции, среднюю пробу седиментов отправляли в лабораторию для определения качественного и количественного содержания валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в седиментах. Затем для объективной сравнительной оценки загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов, рассчитывали коэффициент их концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в седименте к региональному почвенному фону (фиг. 2). Суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка с седиментами в подстилающую аллювиальную пахотную почву при ежегодном половодье рассчитывали исходя из общего поступления седиментов и концентрации в них каждого элемента (фиг. 3). Анализ проб паводковых седиментов на содержание поллютантов выполняли в специализированной лаборатории по стандартным методикам определения содержания химических показателей. Для седиментов: валовое содержание меди, цинка, свинца, кадмия, никеля, хрома, ртути - по Методике выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложениях методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии. СП., 2008; мышьяка - МУ по определению мышьяка в почвах фотометрическим методом. МСХ. ЦИНАО, 1993.

Результаты проведенных исследований приведены в таблице 1. Сравнительная оценка содержания валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в паводковых седиментах.

Анализ результатов определения содержания валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в паводковых седиментах показал, что из рассмотренных поллютантов в паводковых седиментах наблюдаемого участка более активно концентрируются (К_с(фон)) кадмий, ртуть, цинк, мышьяк, никель и свинец, а медь и хром накапливаются менее активно.

Следует отметить, что в соответствии с ГОСТ Р 17.4.1.02-83 кадмий, цинк, ртуть, свинец и мышьяк относятся к первому классу опасности химических веществ, а никель, медь и хром - ко второму классу опасности химических веществ.

Проведенными исследованиями была экспериментально установлена величина седиментной нагрузки в результате половодья на пахотные мелиорированные земли участка пойменного агроландшафта, расположенного в центральной части поймы р. Ока, и определен следующий убывающий ряд элементов в ее составе т/га в год: Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>As>Cd>Hg (фиг. 3). В конечном итоге, это свидетельствует о необходимости организации и проведения маршрутных агроэкологических наблюдений за содержанием тяжелых металлов и мышьяка в паводковых седиментах.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с большей точностью определять содержание тяжелых металлов и мышьяка в седиментах, дать объективную сравнительную оценку ежегодного загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов, определить суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе ежегодной седиментной нагрузки на пойменные участки пахотных земель и по результатам предложить профилактические мероприятия по снижению доступности токсикантов для растений (известкование, внесение органических удобрений, и т.п.).

Изобретение относится к области экологии, в частности геоэкологии, а также к комплексной мелиорации агроландшафта. Способ включает выбор подконтрольного участка исследуемой поймы, размещение на нем перед половодьем пластиковых ворсистых матов, имитирующих покров исследуемой поверхности, снятие матов после завершения половодья, высушивание наилка до воздушно-сухого состояния, извлечение седиментов из ворсистой поверхности матов, взвешивание и определение качественного и количественного состава в них тяжелых металлов. На выбранном участке поймы размещают маты с ворсистой поверхностью, имитирующей пахотный почвенный покров, 4 шт./га размером 0,14 м² - 0,2×0,7 м на расстоянии 40 м друг от друга в плане по диагонали участка, располагая маты длинной стороной вдоль диагонали. После схода воды, снятия матов, высушивания и извлечения наилка взвешивают и перемешивают седименты со всех матов и, не разделяя их на фракции, в средней пробе определяют качественное и количественное содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в седиментах. Рассчитывают коэффициент их концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в седименте к региональному почвенному фону, а также суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов в подстилающую аллювиальную пахотную почву при ежегодном половодье. Способ позволяет с большей точностью определять содержание тяжелых металлов и мышьяка в седиментах, дать объективную сравнительную оценку ежегодного загрязнения аллювиальной пахотной почвы валовыми формами тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов, определять суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе ежегодной седиментной нагрузки на пойменные участки пахотных земель и по результатам предлагать профилактические мероприятия по снижению доступности токсикантов для растений. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ контроля поступления тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментной нагрузки на пахотные мелиорированные земли пойменного агроландшафта, включающий выбор подконтрольного участка исследуемой поймы, размещение на нем перед половодьем пластиковых ворсистых матов, имитирующих покров исследуемой поверхности, снятие матов после завершения половодья, высушивание наилка до воздушно-сухого состояния, извлечение седиментов из ворсистой поверхности матов, взвешивание и определение качественного и количественного состава в них тяжелых металлов, отличающийся тем, что на выбранном участке поймы размещают маты с ворсистой поверхностью, имитирующей пахотный почвенный покров, 4 шт./га размером 0,14 м² - 0,2×0,7 м на расстоянии 40 м друг от друга в плане по диагонали участка, при этом располагая маты длинной стороной вдоль диагонали, а после схода воды, снятия матов, высушивания и извлечения наилка взвешивают и перемешивают седименты со всех матов и, не разделяя их на фракции, в средней пробе определяют качественное и количественное содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в седиментах, рассчитывают коэффициент их концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в седименте к региональному почвенному фону, а также суммарное поступление тяжелых металлов и мышьяка в составе седиментов в подстилающую аллювиальную пахотную почву при ежегодном половодье.