Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний науковий центр

“Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук

Агрогеохімічні закономірності міграції та акумуляції важких металів у зрошуваних ґрунтах

Захарова Марина Анатоліївна

УДК 631.67:631.416.8

06.01.03 - агрогрунтознавство і агрофізика

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис

Науковий керівник -

доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УААН Балюк Святослав Антонович, Національний науковий центр “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор Тихоненко Дмитро Григорович, Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва, проректор з навчальної роботи

доктор сільськогосподарських наук, професор Кізяков Юрій Євгенович, Кримський державний агротехнологічний університет, завідувач кафедри ґрунтознавства та охорони природи

Провідна установа - Інститут землеробства Української академії аграрних наук, лабораторія ґрунтознавства, м. Київ

Захист відбудеться “17” червня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 у Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий “15” травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат сільськогосподарських наук Павленко О.Ф.

Загальна характеристика роботи

важкий метал зрошуваний ґрунт

Актуальність теми. Надходження значних кількостей важких металів (ВМ) техногенного, в тому числі агрогенного, походження охоплює всі компоненти агроландшафтів. Біогеохімія металів, оптимальний вміст яких знаходиться в дуже вузькому діапазоні значень, тісно переплітається з їх агрохімією, що зумовлює необхідність агрогеохімічних підходів у дослідженнях закономірностей міграції й акумуляції ВМ. Зрошувані землі України (їх площа 2,5 млн. га) відігравали і надалі відіграватимуть важливу роль у забезпеченні країни продовольством, а зрошувані агроландшафти виступають осередком більш інтенсивних і потужних потоків речовин та енергії, через що міграція й акумуляція ВМ зазнають істотніших агрогенних змін. У зрошуваних ґрунтах істотно змінюються також іонно-сольовий склад ґрунтового розчину, спрямованість та інтенсивність ґрунтових процесів, швидкість антропогенної еволюції, посилюються процеси міграції, підвищується інтенсивність біологічного виносу елементів із ґрунтів при збільшенні врожаїв (С.А. Балюк, 1996; Г.В. Новікова, 1984; М.І. Полупан, 1992), що не може не впливати на динаміку ВМ. Все це обумовлює необхідність першочергового проведення агрогеохімічних досліджень саме у зрошуваних агроландшафтах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в лабораторії родючості зрошуваних і солонцевих ґрунтів Національного наукового центра “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”. Дослідження проводилися в межах НТП УААН на 1996-2000 рр. “Родючість ґрунтів. Розробити екологічно безпечні технології відтворення родючості та охорони ґрунтів”, з завдання 02.02 “Встановити закономірності розвитку ґрунтових процесів і режимів на зрошуваних і прилеглих до них землях, розробити діагностику їх стану й шляхи оптимізації” (№ ДР 0196U12537), та в 2001-2002 рр. НТП УААН “Родючість і охорона ґрунтів”, з завдання 02.03 “Розробити агроекологічну класифікацію і ресурсозберігаючі технології адаптивного управління родючістю зрошуваних, солонцевих і вилучених зі зрошення земель” (№ ДР 0101U006037).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження було встановлення агрогеохімічних закономірностей міграції й акумуляції важких металів у зрошуваних агроландшафтах з різним їх вмістом у системі “зрошувальні води - ґрунти - рослини”.

Для досягнення поставленої мети було вирішено такі задачі: 1) вивчити закономірності вмісту та динаміки ВМ у зрошувальних водах України; 2) установити агрогеохімічні закономірності вмісту та профільного розподілу металів у зрошуваних ґрунтах України, їх багаторічну динаміку; 3) з'ясувати вплив добрив на вміст ВМ у зрошуваних ґрунтах; розрахувати баланс елементів у зрошуваному агроландшафті та визначити ефективність застосування мікродобрив при дефіциті мікроелементів у ґрунті; 4) виявити закономірності вмісту ВМ у сільськогосподарських рослинах у залежності від їх концентрацій у ґрунті та зрошувальній воді.

Об'єкт досліджень: агрогеохімія важких металів у взаємопозв'язаних ланках системи “зрошувальна вода - ґрунт - рослина”.

Предмет досліджень: закономірності міграції й акумуляції важких металів у зрошуваних ґрунтах України.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтувалися на системному підході до розглянутої проблеми. Експериментальні дослідження передбачали проведення польових і мікропольових дослідів за існуючими методиками. Фізико-хімічні та хімічні аналізи ґрунтів, вод і рослин проводилися за атестованими та тимчасово допущеними до використання методиками з наступною статистичною обробкою даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичному й експериментальному обґрунтуванні необхідності проведення агрогеохімічних досліджень закономірностей міграції й акумуляції важких металів у системі “зрошувальна вода-ґрунт-рослина”. Установлено, що вміст ВМ у зрошувальних водах України обумовлюється переважно антропогенним чинником, який у деякій мірі нівелює природні зональні закономірності поширення металів. Виявлено закономірності зміни вмісту ВМ в орному шарі та їх грунтово-профільного розподілу у зрошуваних ґрунтах України, багаторічну динаміку металів і вплив застосування добрив на ці процеси. Уперше з'ясовано, що багаторічне зрошення водами 1 класу якості (за вмістом металів) та застосування добрив, не змінюючи істотно валовий вміст елементів, обумовлюють тенденцію підвищення вмісту кислоторозчинних і рухомих форм більшості ВМ. Розрахунки балансу металів при зрошенні якісними водами й застосуванні лише мінеральних добрив виявили його від'ємність для мікроелементів Zn, Co, Cu. Застосування мікродобрив в умовах дефіциту мікроелементів у ґрунті виявилося ефективним. Для профільного розподілу рухомих форм металів встановлено існування вилугуваного та акумулятивного шарів. Доведено, що агрогеохімічні закономірності міграції й акумуляції ВМ у системі “зрошувальна вода-ґрунт-рослина” обумовлені тісними взаємозв'язками та взаємозалежністю вмісту елементів в окремих ланках системи. Якість води та рівень забруднення ґрунту впливають на якість овочевих і зернових культур.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень використані при розробці відомчих нормативних документів “Якість води для зрошення. Екологічні критерії” (ВНД 33-5.5-02-97), “Охорона водних, ґрунтових та рослинних ресурсів від забруднення важкими металами в умовах зрошення” (ВНД 33-5.5-06-99), введених в дію наказами Держводгоспу України. Ці нормативи застосовуються при проектуванні й експлуатації зрошувальних систем, розробці технологій вирощування сільськогосподарських культур, проведенні еколого-меліоративного моніторингу зрошуваних земель. Результати досліджень знайшли відображення в інформаційному бюлетені “Аграрна наука - виробництву”. Пропонуємо враховувати балансові розрахунки ВМ при проведенні екологічної оцінки зрошуваних агроландшафтів і визначенні доцільності внесення мікроелементів для оптимізації живлення рослин. Доведено необхідність визначення вмісту рухомих форм ВМ при екологічних дослідженнях не тільки в орному, а й в більш глибоких шарах ґрунту, які за умов підвищення рівня підгрунтових вод, капілярного підйому, меліоративної плантажної оранки можуть виступати потенційним джерелом надходження металів у вищі шари ґрунту та в рослини, особливо в темно-каштанових ґрунтах.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведені польові досліди, аналізи водних, ґрунтових і рослинних зразків, зібрані та проаналізовані літературні і фондові матеріали з досліджуваних питань, проведені математична обробка, аналіз, узагальнення експериментального матеріалу, сформульовані висновки та пропозиції виробництву.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційного дослідження доповідалися, обговорювалися та були опубліковані в матеріалах V (м. Рівне, 1998 р.) і VI (м. Умань, 2002 р.) з'їздів ґрунтознавців та агрохіміків України, на наукових міжвідомчих та науково-практичних конференціях (м. Харків: ННЦ ІГА, 1997, 1998, 2001 рр.; ХНАУ ім. В.В. Докучаєва, 1998, 1999, 2001, 2002 рр.; ХНУ, 1999, 2002 рр.; м. Щелкіно, 1999 р.; м. Херсон, 1999 р.; м. Одеса, 1999 р.; м. Київ, ІГіМ, 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 28 наукових праць, у тому числі 12 статей у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, восьми розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку літератури, який налічує 247 найменувань (11 робіт іноземних авторів), додатків. Викладена на 224 сторінках комп'ютерного тексту, містить 134 сторінки власне тексту, 14 таблиць, 41 рисунок, три додатки.

Основний зміст роботи

Концептуальні підходи до оцінки екологічної ролі важких металів. Наводиться огляд літературних джерел з питань антропогенного впливу на закономірності вмісту та поширення ВМ у зрошувальних водах, зрошуваних ґрунтах і сільськогосподарських рослинах. Доводиться необхідність дослідження вмісту металів у компонентах агроландшафтів як показника їх екологічного стану. Узагальнюються результати комплексного вивчення змін валового вмісту ВМ у ґрунтах, їх форм, які відрізняються міграційною та транслокаційною здатністю, та грунтово-профільного розподілу елементів під впливом зрошення водами різної якості. Обґрунтовуються напрями та актуальність поглиблених досліджень агрогеохімічних закономірностей міграції й акумуляції важких металів у зрошуваних ґрунтах.

Об'єкти та методи досліджень. У системі “зрошувальна вода-ґрунт-рослина” вивчалися рівні вмісту ВМ, закономірності їх динаміки, міграції й акумуляції у зрошуваних агроландшафтах України, вплив на ці процеси різних доз добрив і локального забруднення. Використовувалися стаціонарний, порівняльно-географічний методи дослідження та метод “ключів-аналогів”. Дослідженнями було охоплено 12 стаціонарів у лісостеповій і степовій зонах: найбільш характерні для України зрошувані ґрунти - чорноземи типові, звичайні, південні та темно-каштанові ґрунти переважно середньо- і важкосуглинкові; зрошувальні води - річки, водосховища, канали, озера, ставки; сільськогосподарські культури - овочеві, зернові, кормові. І. Харківська область: 1) Мереф'янський (МС) з чорноземом типовим глибоким малогумусним важкосуглинковим - тривалий стаціонарний польовий дослід Інституту овочівництва і баштанництва УААН; варіанти: зрошення; зрошення + NPK 285 кг д. р. на 1 га; зрошення + NPK 205 кг/га + гній 15 т/га. У мікропольовому досліді (1997-2001 рр.) вивчали ефективність мікродобрив в умовах зрошення. Мікроелементи вносили у вигляді солей (сульфат цинку - 3 кг/га, сульфат міді - 3 кг/га, хлорид кобальту - 2 кг/га) у ґрунт безпосередньо та зі зрошувальною водою; застосовували передпосівну обробку насіння та позакореневе живлення рослин. Вирощували: 1997 р. - цибулю, 1998 р. - кукурудзу, 1999 р. - моркву, 2000 р. - столовий буряк, 2001 р. - капусту. Розмір ділянок - 1 м2, повторюваність варіантів триразова; 2) Граківське дослідне поле (ГДП) ННЦ “ІҐА ім. О.Н. Соколовського” з чорноземом типовим глибоким середньогумусним важкосуглинковим і легкоглинистим, зрошення водами ставка, тривалий стаціонарний польовий дослід з варіантами: богара, зрошення, зрошення + NPK 240 кг/га, зрошення + NPK 140 кг/га + гній 18 т/га; 3) Харківська овочева фабрика (ХОФ) з чорноземом типовим глибоким малогумусним середньосуглинковим - окраїна м. Харкова, зона локального забруднення, зрошення водами ставка; 4) Первомайський стаціонар (ПС) ННЦ “ІҐА ім. О.Н. Соколовського” з чорноземом звичайним глибоким середньогумусним важкосуглинковим, зрошення водами Берецького водосховища. ІІ. Дніпропетровська область: 1) Фрунзенський (ФС); 2) Дніпропетровський (ДС) - Дніпропетровська овочево-баштанницька дослідна станція; 3) Павлоградський (ПвС); 4) Нікопольський (НС) - територія Нікопольської Держсортодільниці з чорноземами звичайними середньоглибокими малогумусними середньо- та важкосуглинковими, зрошення водами озера ім. Леніна (ФС і ДС), річки Вовчої (ПвС) і Каховського водосховища (НС). ІІІ. Одеська область: 1) Кутузівський (КутС) ННЦ “ІҐА ім. О.Н. Соколовського” та ІЗПР УААН з чорноземом звичайним слабогумусованим важкосуглинковим, зрошення водами водосховища Сасик; варіанти: без зрошення, зрошення, зрошення + NPK + гній 18 т/га; 2) Калінінський (КС) ННЦ “ІҐА ім. О.Н. Соколовського” з чорноземом південним слабогумусованим важкосуглинковим, зрошення водами водосховища Сасик та річки Дунай; варіанти: без зрошення, зрошення. IV. Херсонська область: 1) Херсонський (ХС) - тривалий стаціонарний польовий дослід Інституту землеробства південних регіонів УААН з темно-каштановим солонцюватим середньосуглинковим ґрунтом, зрошення з Інгулецького каналу; варіанти: без зрошення, зрошення, зрошення + NPK 115 кг/га, зрошення + NPK 225 кг/га; 2) Асканія-Нова (АН) - дослідне господарство Інституту тваринництва степових районів “Асканія-Нова” з темно-каштановим залишково-слабосолонцюватим важкосуглинковим ґрунтом, зрошення водами Каховського водосховища.

Валовий вміст ВМ у ґрунті визначали рентгено-спектральним (на приладі СРН-25) та інверсійно-спектральним (ДФС-8) методами, рухомі та кислоторозчинні форми - атомно-абсорбційним методом на приладі С-115 відповідно в ацетатно-амонійній (CH3COONH4 з рН-4,8) та солянокислій (1 н НС1) витяжках; в опадах, у зрошувальних і лізиметричних водах, у рослинах - атомно-абсорбційним методом.

У ґрунті визначали також сольовий склад, вміст загального гумусу, карбонатів, гранулометричний склад за атестованими та тимчасово допущеними методиками. Математичне опрацювання здобутих даних проводили шляхом систематичного використання методів обчислювальної статистики за допомогою пакетів стандартних програм “Excel” та “Statistica”.

Природні умови районів досліджень. У зв'язку зі значною просторовою розгалуженістю досліджуваних стаціонарів наводиться характеристика їх природних умов із застосуванням порівняльно-географічного методу: описуються клімат, рельєф, рослинність, природні води, ґрунтотворні та підстилаючі породи, структура ґрунтового покриву, вплив господарської діяльності. Згідно з агрогрунтовим районуванням стаціонари МС, ХОФ і ГДП належать до Східнолісостепової височинної провінції (переважно чорноземів типових та опідзолених) лісостепової зони; ПС, ФС, ДС, ПвС, НС, КутС - до Північностепової підзони чорноземів звичайних степової зони; КС - до Південностепової підзони чорноземів південних Степової зони; ХС, АН - до Причорноморської провінції (каштанових солонцюватих і глейових ґрунтів подів) сухостепової зони. За агрокліматичним районуванням МС, ХОФ та ГДП належать до недостатньо вологої, теплої зони; ПС, ФС, ДС, ПвС, НС - до посушливої, дуже теплої зони; КутС, КС, ХС, АН - до дуже посушливої, помірно жаркої зони з м'якою зимою. Негативні природні фактори (недостатня кількість опадів, нестійкість атмосферного зволоження, тривалі бездощові періоди, невисока відносна вологість повітря за високих температур літніх місяців) обумовлюють середню та низьку забезпеченість сільськогосподарських рослин продуктивною вологою у весняно-літній період і свідчать про необхідність упровадження зрошення для створення більш сприятливого водного режиму.

Хімічний склад зрошувальних вод України та оцінка їх якості. У зрошувальних водах України (проаналізовано 130 проб), досліджуваних у вегетаційні періоди, відзначено підвищення мінералізації та величини рН з підсиленням аридизації від лісостепових до степових водойм уповільненого стоку, а також тенденцію деякого збільшення суми ВМ (табл.1). Загальне підвищення вмісту металів у природних водах України обумовлене антропогенним впливом, який у деякій мірі маскує природні зональні гідрохімічні особливості. Води деяких джерел зрошення під цим впливом стали обмежено придатними або ж не придатними для зрошення за вмістом в них ВМ (згідно з ВНД 33-5.5-06-99), хоча зрошувальні води більшості джерел відповідають вимогам якості. Річкові води та води великих водосховищ придатні для зрошення. Погіршення якості поливних вод, переважно через підвищення концентрацій Pb, Co, Cd, відзначене у водоймах безстічних та уповільненого стоку - ставках, озерах, каналах. Зрошувальна вода водних об'єктів, які знаходяться під впливом локального забруднення, за вмістом ВМ в усі терміни спостережень мала низьку якість - була обмежено придатною або ж не придатною для зрошення.

Після зарегулювання стоку невеликих річок у водоймах уповільненого стоку виникають умови для формування гідрохімічного режиму (за вмістом ВМ), більше подібного до режиму безстічних об'єктів, що може свідчити про підвищення ролі живлення ґрунтовими водами та впливу температури й сонячної радіації.

Таблиця 1

Вміст важких металів у зрошувальній воді водних об'єктів, мг/л

Похибки середніх щодо вмісту металів у поливних водах різних об'єктів не перевищують 30%, тобто процес формування складу вод за вмістом металів є досить постійним, регіональним і свідчить про високий ступінь їх стабільності в часі. Згідно з результатами статистичного опрацювання, в залежності від проточності, розміру та наближення до джерел забруднення, водні об'єкти поділяються за вмістом ВМ на дві групи: 1) проточні та водойми уповільненого стоку (річки великі та середні, великі природні озера та водосховища) - з якісною водою, придатною для зрошення; 2) середні та малі водойми безстічні та уповільненого стоку (водосховища на середніх і малих річках, ставки степової зони, канали), малі річки та водні об'єкти в зоні локального забруднення - з водою обмежено придатною або непридатною для зрошення. Результати дослідження дозволяють запропонувати, при подальшому вдосконаленні існуючих нормативів якості зрошувальних вод, врахування не тільки абсолютних концентрації ВМ, а й властивостей ґрунтів, поливної та зрошувальної норм.

Вплив зрошення на вміст важких металів у ґрунтах України. Валовий вміст ВМ в орному шарі ґрунтів стаціонарів, які не відчувають вплив локального забруднення, знаходиться в межах коливань місцевих кларків і не відрізняється більше, ніж удвічі, від їх середніх значень. Це свідчить про високий ступінь однорідності геохімічних ландшафтів (які вивчалися нами і прийняті за фонові) й однотипність біогеохімічних факторів міграції ВМ. За вмістом Zn, Fe, Mn та Cu досліджувані ґрунти майже не відрізнялися як від їх кларків, так і між собою, що пов'язане з істотним біогенним значенням цих елементів і як наслідок - з досить однорідним їх вмістом в орному шарі ґрунтів акумулятивного типу. Валовий вміст ВМ в орному шарі під впливом зрошення суттєво не змінився: середні значення вмісту металів у зрошуваних і богарних ґрунтах відрізнялися лише на 1-5%, що підтверджує існуючий погляд про відсутність істотних розбіжностей у валовому хімічному складі зрошуваних і незрошуваних ґрунтів (І.М. Гоголєв, 1990). Різна екологічна оцінка ролі зрошувальних вод у надходженні металів у ґрунти пов'язана з якістю вод, властивостями ґрунту та тривалістю зрошення.

Вміст рухомих форм ВМ в орному шарі досліджуваних ґрунтів характеризується істотним варіюванням граничних значень, що підтверджує думку про збільшення амплітуди коливань вмісту зі зменшенням концентрацій елементів (В.В. Добровольський, 1983). При зрошенні якісною водою середній вміст рухомих форм ВМ у ґрунтах (табл. 2) значно нижче встановлених для них гранично допустимих концентрацій (ГДК), мало відрізняється від місцевих кларків і від вмісту в незрошуваних аналогах.

Таблиця 2

Середній вміст рухомих форм важких металів у шарі 0-30 см зрошуваних ґрунтів, мг/кг ґрунту

У зрошуваних ґрунтах відзначено тенденцію підвищення середніх концентрацій більшості досліджуваних ВМ - у 1,1-1,5 раза, що обумовлено зміною іонно-сольового складу ґрунтового розчину при зрошенні і переходом існуючих резервів ВМ у більш рухому форму під впливом змін фізико-хімічних властивостей. Такі ж зміни у зрошуваних ґрунтах відбуваються і з основними елементами живлення - азотом, фосфором, калієм. Вміст їх валових форм при зрошенні практично не змінюється, а вміст рухомих форм збільшується (В.Ю Гончаренко, 1995; І.Д. Філіп'єв, 1989). Підвищення рухомості ВМ може бути пов'язане також з появою додаткового джерела їх надходження у ґрунт - зрошувальної води. Це дозволяє вважати, що їх вміст у зрошуваних ґрунтах обумовлюється поєднанням біологічного кругообігу, геохімічного виносу та агрогенного впливу. Категорія забруднення ґрунтів під впливом зрошення не змінюється і є допустимою (ZC=3-11). В умовах локального забруднення (ХОФ) і при зрошенні обмежено придатними (за вмістом ВМ) водами зміни вмісту металів у ґрунтах більш суттєві, навіть середні концентрації Zn, Cd, Cu істотно перевищують фоновий вміст, максимальні ж концентрації перевищують ГДК. При цьому за сумарним показником забруднення категорія змінюється з допустимої (для більшості стаціонарів) до помірно небезпечної і небезпечної (ZC=19-62).

Традиційно вважається, що ґрунти акумулятивного типу ґрунтотворення мають оптимальний вміст і співвідношення мікроелементів (В.А. Ковда, Н.Г. Зирін, 1973; Н.А. Протасова та ін. 1992). Разом з тим нами відзначено, що в орному шарі чорноземних і темно-каштанових ґрунтів, зрошуваних якісними водами, вміст рухомих форм Zn (за шкалою І. Г. Важеніна, 1976) відповідає низькій забезпеченості рослин, Co - середній, а Cu і Mn - коливається від низької до середньої. Традиційна точка зору виникла, скоріш за все, при вивченні валового вмісту мікроелементів, але при цьому не було враховано, що дані ґрунти характеризуються і високим вмістом органічних речовин, які при нейтральній і лужній реакції ґрунтового розчину значно обмежують рухомість елементів. Комплексна оцінка вмісту у шарі 0-30 см рухомих форм ВМ і як забруднювачів, і як мікроелементів не дозволяє характеризувати ситуацію як безпечну через недостатню забезпеченість рослин мікроелементами. Адже здоров'я населення залежить і від вмісту мікроелементів у продовольстві, отже, використання мікродобрив для підвищення надходження мікроелементів у рослини є доцільним як профілактичний захід проти деяких захворювань. Тому необхідним є подальше дослідження вмісту рухомих сполук ВМ у ґрунтах і застосування агромеліоративних та агротехнологічних заходів для оптимізації їх вмісту. Дослідження зонально-ландшафтних закономірностей змін вмісту рухомих форм ВМ у різних ґрунтах не дало достовірних результатів, оскільки варіабельність їх вмісту навіть у межах одного типу значна і перекриває відмінності вмісту елементів у різних типах ґрунтів.

Для вмісту кислоторозчинних форм ВМ в орному шарі зрошуваних ґрунтів характерною є незначна амплітуда коливань в межах одного об'єкта. В усіх ґрунтах концентрації металів близькі до фонового рівня, значно нижчі за існуючі ГДК. Найбільш поширеною є тенденція зміни вмісту кислоторозчинних форм ВМ під дією зрошення - збільшення їх концентрацій, причому в різних ґрунтах різною мірою. У зрошуваних ґрунтах, порівняно з їх незрошуваними аналогами, відзначено тенденцію підвищення вмісту Co, Mn, Fe, Zn, у більшості ґрунтів - Ni, Cd, Pb, у всіх досліджуваних ґрунтах - вмісту Cu. Підвищення вмісту ВМ в орному шарі ґрунтів можна пояснити як трансформацією їх рухомості при підвищенні вологості ґрунту в умовах зрошення, так і надходженням додаткових кількостей цих елементів зі зрошувальною водою у кількостях, які не призводять до помітних змін валового вмісту цих металів.

Закономірності профільного розподілу важких металів у зрошуваних ґрунтах. Профільний розподіл валового вмісту ВМ та їх кислоторозчинних форм в усіх досліджуваних ґрунтах можна характеризувати як рівномірно-акумулятивний (рис. 1а, 1б), з акумуляцією у верхніх більш гумусованих шарах і деяким зменшенням вмісту в перехідних. У цілому він залежить від типу ґрунтів та будови їх профілю. Подібність розподілу валового вмісту металів та їх кислоторозчинних форм у профілі чорноземних і темно-каштанових ґрунтів підтверджують статистичні дослідження (r = 0,6-0,9, рівень достовірності 0,05).

Зрошення якісними водами (за вмістом ВМ) викликає тенденцію зміни розподілу у шарі 0-50 см тільки деяких елементів (більшою мірою це стосується кислоторозчинних форм металів). Глибше за профілем не спостерігалися відмінності між богарними та зрошуваними ґрунтами, що цілком закономірно, адже на зволоження саме цього шару найчастіше розраховуються поливні норми зрошення. Щодо профільного розподілу рухомих форм більшості металів (рис. 1в), у зрошуваних ґрунтах встановлено існування вилугуваного й акумулятивного шарів та виявлено тенденцію зменшення грубизни першого й наближення другого до поверхні (від 150-200 см до 40-60 см) в ряду ґрунтів: чорнозем типовий - звичайний - південний - темно-каштановий. Це свідчить про можливу небезпеку капілярного та біологічного підйому металів у верхню частину профілю, особливо в темно-каштанових ґрунтах. Небезпечними можуть виявитися в них також підвищення рівня підґрунтових вод і застосування меліоративної плантажної оранки. Розподіл рухомих форм більшості ВМ у профілі досліджуваних ґрунтів на досить високому рівні корелює з профільним розподілом карбонатів, солей і змінами рН ґрунтового розчину (r = 0,7-0,9; рівень достовірності 0,05). Це свідчить про тенденцію акумуляції рухомих форм металів у шарі максимального вмісту карбонатів (у відповідності до їх педогеохімічної активності, за “правилом супроводження” В.А. Ковди, 1985), який може вважатися геохімічним бар'єром на шляху їх внутрішньоґрунтової міграції. Водночас існування шару з високими концентраціями рухомих форм ВМ може підтверджувати існуючу думку про можливість розчинення сполук ВМ у карбонатних горизонтах при рН більше 7,5 і при зменшенні вмісту органічних речовин, міцні зв'язки яких з металами значно знижують рухомість металів. Зрошення водами 1 класу якості викликає тенденції деякого підвищення концентрацій ВМ і більш рівномірного їх розподілу за профілем більшості досліджуваних ґрунтів. Максимальний вплив зрошення на профільний розподіл рухомих форм ВМ установлено в шарі 0-75 см. У більш глибоких шарах розподіл рухомих форм елементів визначається, скоріше за все, природними причинами. Використання обмежено придатних вод, забруднених ВМ в умовах високого техногенного навантаження на агроландшафти, викликає зміни характеру профільного розподілу і призводить до значного збагачення ґрунтів рухомими формами металів, особливо в шарі 0-30 см (рис. 1в).

Динаміка вмісту важких металів у зрошуваних ґрунтах. Для вивчення багаторічної динаміки вмісту та профільного розподілу ВМ були проаналізовані зразки ґрунтів різного терміну зрошення якісними водами, відібрані до початку зрошення (1967-1968 рр.) і по закінченні кожної з ротацій сівозміни в стаціонарних дослідах на МС і ГДП (до 1998-2000 рр.). Достовірних змін валового вмісту ВМ, які б мали характер тенденцій, в орному шарі зрошуваних ґрунтів (без удобрення) у багаторічній динаміці не було виявлено, а вміст кислоторозчинних форм багатьох елементів підвищився. Профільний розподіл валового вмісту та кислоторозчинних форм ВМ у тривало зрошуваних ґрунтах в цілому не змінив характер, який було відмічено до зрошення, але спостерігалися тенденції більшої диференціації шару 0-50 см за цими показниками і деякого перерозподілу в ньому валового заліза. При систематичному внесенні мінеральних добрив валовий вміст металів у ґрунті також майже не змінився, а за органо-мінеральної системи удобрення він підвищився не більше ніж на 5-6 %. Дещо сильнішим був вплив добрив на вміст кислоторозчинних форм ВМ (збільшення концентрації елементів в орному шарі ґрунтів у середньому в 1,1-1,3 раза), а також на їх профільний розподіл (підвищення концентрацій металів у шарі 0-100 см і посилення диференціації шару 0-50 см).

Рухомі форми ВМ зазнали найбільш істотних змін. Результати вивчення їх багаторічної динаміки у зрошуваних ґрунтах без удобрення дозволяють виділити декілька етапів: 1) підвищення вмісту металів (відмічене по закінченні перших чотирьох років зрошення), пов'язане зі змінами іонно-сольового складу ґрунтового розчину з початком зрошення і з підвищенням рухомості ВМ в умовах додаткового зволоження; 2) стабілізація концентрацій (відмічена по закінченні 8 та 12 років зрошення), яка збігається в часі зі стабілізацією іонно-сольового складу ґрунтового розчину та з формуванням нової динамічної рівноваги; 3) деяке зниження вмісту металів за відносної стабільності їх концентрацій (відмічене з 16 і до 30 років зрошення), яке може пояснюватися посиленням міграції (водної та біологічної) з орного шару та підвищенням рН ґрунтового розчину з 6,6 до 7,3-7,4 за 30-річний термін зрошення, що сприяють змінам концентрацій металів. При внесенні добрив відмічені ті ж тенденції (рис. 2), але ступінь виразності та період їх спостереження можуть змінюватися. Такі тенденції, за відносно стабільного валового вмісту металів, свідчать, що на вміст їх рухомих форм більше впливають зміни стану ґрунтів і процесів у них при зрошенні та застосуванні добрив, ніж додаткове надходження металів зі зрошувальною водою та добривами.

Підвищення вмісту металів у початковий період зрошення якісними водами не створює загрози перевищення ГДК і забруднення рослин. Багаторічна динаміка мікроелементів (марганцю, цинку, міді) свідчить про необхідність їх додаткового внесення. Відзначено також зміни профільного розподілу рухомих форм ВМ у тривало зрошуваних ґрунтах, порівняно з початковим: рівномірніший розподіл у шарі 0-75 см, більша вираженість акумулятивного шару 150-200 см, що може пояснюватися створенням більш однорідних умов для рухомості за зрошення в шарі 0-75 см, посиленням водної міграції рухомих форм елементів з верхніх шарів та їх акумуляцією в нижніх, збагачених карбонатами шарах.

Рис.2. Багаторічна динаміка суми вмісту рухомих форм важких металів (без Mn) в орному шарі чорнозему типового Мереф'янського стаціонару

Вплив застосування добрив на вміст ВМ в умовах зрошення вивчався також при порівнянні різних варіантів у тривалих дослідах на точно задокументованих фонах. Не було виявлено істотних змін валового вмісту елементів (+5-6 % за 30 років) у ґрунтах МС, ГДП, КутС, ХС при застосуванні різних доз добрив (140-285 кг/га NPK, 15-18 т/га гною). Це можна пояснити тим, що в цих стаціонарах основними формами мінеральних добрив були аміачна селітра, гранульований суперфосфат, калійна сіль, які при науково обґрунтованих дозах застосування відносно безпечні з точки зору додаткового надходження ВМ у ґрунти. Одноразове надходження металів з органічними добривами не перевищувало n10-1 - n10-2% їх валового вмісту в орному шарі ґрунту, тому навіть у багаторічній динаміці вони істотно не змінювали початковий рівень вмісту ВМ. У більшій мірі застосування добрив впливало на кислоторозчинні і рухомі форми ВМ: вміст більшості елементів підвищувався в середньому в 1,1-1,8 раза, що не призводило до перевищення ГДК. Це дозволяє зробити висновок про відсутність небезпеки накопичення ВМ у ґрунтах і рослинах при зрошенні якісними водами та тривалому (30-річному) застосуванні вказаних форм добрив.

За чотири роки дослідження сезонної динаміки рухомих форм металів виявилися значні коливання концентрацій ВМ у весняний період, їх залежність від гідротермічних умов осінньо-зимово-весняного періоду: надлишок вологи на фоні низьких температур підвищував рухомість багатьох ВМ, нестача вологи при підвищених температурах в цей період знижувала її. В осінній період спостеріалась відносна стабільність: концентрації металів близькі до середніх багаторічних (температура і кількість опадів майже не впливали на них). У профільному розподілі найменша диференціація верхнього, 0-100 см шару ґрунту була характерною для весни, до осені вона збільшувалася.

Агрогеохімічні закономірності змін вмісту важких металів у зрошуваних агроландшафтах. Якість зрошувальних вод та ступінь забруднення зрошуваних ґрунтів цілком закономірно впливають на концентрації ВМ у сільськогосподарських рослинах і на якість рослин. Елементи, які забруднюють зрошувальну воду та зрошувані ґрунти, можуть накопичуватись у сільськогосподарській продукції в кількостях, які дорівнюють або перевищують ГДК, що свідчить про необхідність постійного контролю за вмістом ВМ в усіх компонентах системи “зрошувальна вода - зрошуваний ґрунт - рослини”. Як показав аналіз рослин (зернових, кормових, овочевих), вміст металів у них значно коливається і залежить не тільки від забруднення ґрунтів, зрошувальних вод, а й від хімічних властивостей елементів і фізіологічних особливостей культур, які можуть послаблювати або посилювати надходження металів у рослини. Вміст ВМ у кормових культурах в усіх стаціонарах був нижче максимально допустимих рівнів (МДР), незважаючи на якість зрошувальної води та ступінь забруднення ґрунтів. Умови вирощування в більшій мірі впливали на якість основної продукції зернових культур. Зрошення обмежено придатними та непридатними водами погіршувало якість зернових культур: концентрації Pb, Cd в зерні ячменю, Pb, Cd, Ni в зерні озимої пшениці перевищували гранично допустимі. Ступінь забруднення агроландшафту мав найбільший вплив на якість овочевих культур (табл. 3): вміст Pb, Cd, Ni та Со в овочах ХОФ перевищував ГДК, вони ставали не придатними для вживання.

Визначення рослинно-ґрунтових коефіцієнтів і рядів біологічного поглинання дозволило виявити як видові відмінності в накопиченні ВМ, так і особливості біогенної міграції елементів та їх зміни під впливом локального забруднення. У кормових культурах надходження ВМ у товарну продукцію, їх співвідношення більшою мірою залежали від видових особливостей рослин, у зернових і овочевих культурах - від ступеня забруднення компонентів агроландшафту, техногенної міграції елементів, які змінюють особливості надходження елементів у рослини в межах одного типу ґрунтів.

Таблиця 3

Вміст важких металів в овочевих культурах зі зрошуваних угідь,

мг/кг сирої речовини

Баланс ВМ, ураховуючи як їх природне, так і агрогенне надходження, почали обчислювати лише в останні роки (М.М. Овчаренко, 1997; Н.А. Черних та ін. 1999). Ці розрахунки дозволяють дещо змінити оцінку небезпеки забруднення ґрунтів ВМ добривами, однак зрошувані агроландшафти цими дослідженнями майже не охоплені. Нами розраховано (табл. 4) баланс ВМ для зрошуваних чорноземів типових МС, у якому враховувалося надходження металів з опадами, зрошувальними водами, мінеральними, органічними добривами та їх винос лізиметричним стоком, з урожаєм овочевих культур.

Таблиця 4

Баланс важких металів у зрошуваному чорноземі типовому

(Мереф'янський стаціонар), г/га за рік

Прибуткові статті за рівнем значущості в загальному балансі створюють такий ряд: органічні добрива >> опади ~ зрошувальна вода > мінеральні добрива (за винятком заліза та марганцю). При аналізі від'ємних статей балансу відзначено, що головною статтею виносу ВМ з ґрунтів є міграція їх з інфільтраційною водою. Лізиметричний стік виносить з орного шару зрошуваних ґрунтів в 1,5-10 разів більше кадмію, нікелю, кобальту, марганцю, міді та хрому, ніж овочі. Ураховуючи це, можна стверджувати, що міграція ВМ особливо активно відбувається з рідкою фазою. Було виявлено, що при зрошенні та застосуванні лише мінеральних добрив виникають передумови створення дефіциту мікроелементів у ґрунтах. Надходження металів з традиційними видами органічних добрив набагато перевищувало їх внесення у ґрунти в складі домішок до мінеральних добрив і було в декілька разів більше виносу з урожаєм і лізиметричним стоком. Але це, як свідчать наші попередні дослідження, не істотно підвищувало концентрації кислоторозчинних і рухомих форм ВМ у ґрунтах, що може пояснюватись їх надходженням у вигляді комплексних малорухомих сполук з органічними речовинами добрив. Це дозволяє стверджувати, що застосування традиційних форм мінеральних та органічних добрив, яке базується на наукових розробках, при зрошенні якісними водами не становить небезпеки забруднення ВМ ґрунтів та агроландшафтів у цілому.

Результати дослідження вмісту рухомих форм ВМ у ґрунтах стаціонарів і балансові розрахунки виявили необхідність додаткового внесення мікроелементів для оптимізації живлення рослин. На чорноземі типовому МС було проведено мікропольовий дослід з вирощуванням овочевих культур в умовах низької та середньої забезпеченості рослин мікроелементами. Визначено також вміст мікроелементів у зрошувальній воді річки Мжа, розраховано надходження елементів у ґрунти зі зрошувальною нормою і встановлено, що їх вміст у воді досить низький, тому зрошення не підвищує забезпеченість ними рослин. Дослід довів ефективність внесення мікродобрив (Zn, Cu, Co) під усі культури, в тому числі зі зрошувальною водою. Найбільш ефективним, з достовірним збільшенням врожаю, виявилося застосування половинних доз цих мікроелементів: внесення зі зрошувальною водою за два поливи; комбіноване застосування половинних доз - в ґрунт і позакореневе підживлення; в ґрунт і внесення зі зрошувальною водою. Висока ефективність застосування мікродобрив відзначена для кукурудзи. Це пояснюється її підвищеною чутливістю до нестачі рухомих форм цинку в ґрунтах: вміст цього елемента в усі строки спостережень знаходився на критично низькому рівні. Для столового буряку, моркви та капусти ефективність застосування мікродобрив була дещо нижчою: ці культури середньочутливі до дефіциту цинку та міді. Дослідженнями вмісту мікроелементів у культурах, які вирощувались у мікропольовому досліді, не встановлено істотної різниці між варіантами, тобто покращання мікроелементного живлення обумовлює передусім підвищення врожаю овочевих культур.

Висновки

У дисертаційній роботі здійснено теоретичне узагальнення агрогеохімічних закономірностей міграції й акумуляції ВМ у зрошуваних ґрунтах і наведено нове вирішення питань поєднання біогеохімії металів з їх агрохімією шляхом встановлення змін їх вмісту в ланках системи “зрошувальна вода-ґрунт-рослина” різних агрогрунтових зон. Результати дослідження мають значення для оцінки процесів міграції та акумуляції ВМ у зрошуваних агроландшафтах, для прогнозування їх змін та управління ними.

1. Виявлено загальне збільшення концентрацій ВМ у зрошувальних водах України, обумовлене антропогенним чинником, який у деякій мірі нівелює природні зональні закономірності поширення металів. При цьому відмічено тенденцію підвищення вмісту ВМ у зрошувальних водах з посиленням аридизації і збільшенням їх мінералізації від лісостепових до степових джерел зрошення, а також диференціацію (за вмістом ВМ) водних об'єктів у залежності від їх проточності, розміру та наближеності до джерел забруднення.

2. Установлено закономірності зміни вмісту ВМ в орному шарі зрошуваних ґрунтів:

· валовий вміст металів у ґрунтах майже не відрізняється від кларків і знаходиться в межах природного варіювання; істотного впливу зрошення на цей показник не відмічено;

· у більшості ґрунтів середній вміст рухомих форм ВМ знаходиться на фоновому рівні, значно нижчому за ГДК, мікроелементів (Zn, Cu, Co) - на низькому та середньому рівнях забезпеченості рослин. При зрошенні якісними водами у шарі ґрунтів 0-30 см відзначено тенденцію підвищення концентрацій більшості ВМ у середньому в 1,1-1,5 раза, але вони залишаються близько фонового рівня. В умовах локального забруднення, при зрошенні обмежено придатними водами концентрації металів значно вищі фонових, максимальні можуть перевищувати ГДК;

· вміст кислоторозчинних форм ВМ близький до фонового рівня, нижчий за ГДК. Зі зрошенням водами 1 класу виникає тенденція деякого підвищення концентрацій більшості елементів, яка проявляється в різних ґрунтах різною мірою.

3. Виявлено закономірності міграції й акумуляції ВМ за профілем зрошуваних ґрунтів:

· профільний розподіл валового вмісту ВМ та їх кислоторозчинних форм в усіх зрошуваних ґрунтах рівномірно-акумулятивний з більш вираженою акумуляцією в гумусованих шарах, зменшенням вмісту в перехідних, збільшенням у ґрунтотворній породі і в цілому залежить від типу ґрунтів та будови їх профілю. Зрошення водами 1 класу, яке істотно не впливає на розподіл валового вмісту металів, викликає тенденцію зміни міграції й акумуляції кислоторозчинних форм деяких елементів, які обмежуються шаром 0-50 см;

· для ґрунтово-профільного розподілу рухомих форм більшості ВМ встановлено існування вилугуваного та акумулятивного шарів. У ряду зональних ґрунтів від чорноземів типових до темно-каштанових ґрунтів виявлено тенденцію значного зменшення грубизни вилугуваного шару та наближення акумулятивного шару (зі значними концентраціями рухомих форм ВМ) до поверхні. Зі зрошенням якісними водами виникають тенденції деякого збільшення концентрацій елементів і більш рівномірного їх розподілу за профілем більшості ґрунтів, з максимальним проявом у шарі 0-75 см. Використання обмежено придатних вод (за вмістом металів) для зрошення, в умовах високого техногенного навантаження викликає значне збагачення ґрунтового профілю їх рухомими формами та зміну характеру профільного розподілу.

4. Установлено закономірності багаторічної динаміки вмісту та профільного розподілу ВМ у ґрунтах при зрошенні якісними водами:

· змін валового вмісту ВМ в орному шарі зрошуваних ґрунтів (без удобрення) не виявлено, концентрації кислоторозчинних форм металів у деякій мірі підвищуються; зміни профільного розподілу обмежуються шаром 0-50 см (до зрошення розподіл ВМ був більш рівномірним), перерозподіл у профілі під впливом зрошення виявлено лише для заліза;

· у багаторічній динаміці вмісту рухомих форм ВМ виявлено декілька етапів: 1) підвищення вмісту рухомих форм із початком зрошення, яке не створює загрози перевищення ГДК; 2) стабілізація концентрацій; 3) деяке зниження вмісту металів за відносної стабільності їх концентрацій. Багаторічна динаміка рухомих форм мікроелементів свідчить про необхідність їх додаткового внесення в ґрунти. Тривале зрошення істотно не змінювало характер ґрунтово-профільного розподілу рухомих форм ВМ, однак виникла тенденція більш рівномірного розподілу елементів у верхніх шарах.

5. Установлено закономірності динаміки вмісту ВМ у ґрунтах при зрошенні водами 1 класу якості (за вмістом металів) і при застосуванні добрив:

· валовий вміст ВМ, їх профільний розподіл у ґрунтах практично не змінилися: середній вміст металів у ґрунтах при тривалому внесенні добрив у науково обґрунтованих дозах відрізнявся від початкового рівня на 5-6%, що дозволяє зробити висновок про безпечне багаторічне застосування тих форм добрив, які вивчалися;

· за тривалого (15-30 років) внесення добрив в орному шарі ґрунтів виникає тенденція підвищення концентрацій рухомих форм більшості елементів, яка не створює загрози погіршення якості сільськогосподарської продукції;

· під впливом застосування добрив відзначено деяке збільшення концентрацій кислоторозчинних форм більшості елементів у шарі 0-30 см. Ця тенденція має відмінності прояву в ґрунтах, які відрізняються ступенем зміни стану та процесів у них при зрошенні і застосуванні добрив.

6. Розраховано баланс ВМ для зрошуваних агроландшафтів і виявлено, що при зрошенні якісними водами та застосуванні лише мінеральних добрив виникають передумови створення в ґрунтах дефіциту мікроелементів (Zn, Cu, Co). Установлено, що тривале застосування традиційних форм мінеральних і органічних добрив, поливи придатними для зрошення водами не створюють небезпеки забруднення ґрунтів металами.

7. Виявлено агрогеохімічні закономірності міграції й акумуляції ВМ у системі “зрошувальна вода-ґрунт-рослина”, які обумовлені взаємозв'язками та взаємозалежностями вмісту ВМ в окремих компонентах цієї системи. Вміст металів у рослинах значно коливається і залежить від забруднення ґрунтів, якості зрош...