Содержание и формы соединений хрома в черноземе выщелоченном Западного Предкавказья в условиях агрогенеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание и формы соединений хрома в черноземе выщелоченном Западного Предкавказья в условиях агрогенеза

Введение

В условиях агрохимического мониторинга полей необходимо исследовать содержание и формы соединений не только макро-, мезо- и микроэлементов, но и уделять должное внимание количеству и трансформации ультрамикроэлементов в почве, одним из которых является хром.

Кларк хрома в земной коре равен 3·10^-2%, литосфере - 2·10^-2, почве - 2•10^-2, растениях - 5·10^-4, водах Мирового океана - 2·10^-9 %, речных водах - 1-2 мкг/л; биофильность - 8·10^-3, талассофильность - 2·10^-7, технофильность - 2·10⁸ [1, 5, 8].

Хром образует три оксида: CrO, обладающий свойствами оснований, Cr₂O₃ - амфотерный и CrO₃ - кислот. В почве этот элемент формирует комплексные ионы: Cr(OН)²⁺, CrO₄^2-, CrO₃^-. Высоко окисленные формы его менее стабильны, чем Cr³⁺. Гидроксид хрома [Cr(OН)₃] имеет амфотерный характер. Большая часть хрома в почвах присутствует в виде Cr³⁺, который образует оксиды с ионами железа. В кислой среде ион Cr³⁺ инертен, при рН 5,5 почти полностью выпадет в осадок. Ион Cr⁶⁺ крайне нестабилен и легко мобилизуется в кислых и щелочных почвах. Реакция среды определяет и интенсивность адсорбции хрома глинистыми минералами: с увеличением рН адсорбция Cr⁶⁺ уменьшается, Cr³⁺ - увеличивается. Органическое вещество почвы стимулирует восстановление Cr⁶⁺ до Cr³⁺ [12-14].

Содержание хрома в почвообразующих породах варьирует в очень широких пределах (таблица 1; [4, 16]).

Хром образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах, с которыми связано образование крупнейших месторождений этого элемента. В основных породах содержание хрома достигает лишь 170-200 мг/кг, еще меньше его в средних - 15-50 мг/кг и кислых породах - 4-25 мг/кг. В осадочных породах количество его варьирует от 5-16 мг/кг (известняки) до 80-120 мг/кг (глины). Промежуточное положение занимают песчаники (20-40 мг/кг) и сланцы (60-100 мг/кг).

Таблица 1 - Содержание хрома в магматических и осадочных горных породах, мг/кг

В почвообразующих породах Краснодарского края хром распространен довольно неравномерно (таблица 2; [11]).

Таблица 2 - Валовое содержание хрома в почвообразующих породах Краснодарского края, мг/кг

Наименьшее количество (8 мг/кг) хрома содержится в известняке, наибольшее (174 мг/кг) - в элювии глинистых сланцев. Пестрота в распределении этого элемента более выражена в почвообразующих породах предгорий и гор, чем равнинной части края. В предгорной и горной зонах богаты им элювий глинистых сланцев, глинистые известняки, третичные рудные глины, бедны - известняки, мергели, пески и легкие суглинки. Наблюдается определенная зависимость обеспеченности хромом осадочных пород от их механического состава. В среднем богаче им глинистые породы - лессовидные, аллювиальные, делювиальные [11].

Среднее содержание хрома в почвах мира составляет 200 мг/кг, при этом колебания в незагрязненных почвах весьма значительны - 2-1100 мг/кг [13,14,16]. Кларк хрома в почвах Российской Федерации и стран ближнего зарубежья составляет 1,9·10^-2 %. В почвах тундры его содержание колеблется в пределах 5·10^-4-2,3·10^-2 %, дерново-подзолистых - 2,2·10^-3-2,95·10^-2, серых лесных - 2,7·10^-3-7,6·10^-2, черноземах - 1,6·10^-2-6,3·10^-2, красноземах - 1·10^-2-2,6·10^-2, сероземах и каштановых почвах - 1,1·10^-2-5,7·10^-2 % [1, 5, 14].

Обширный аналитический материал, опубликованный Е.В. Тонконоженко [11], показывает прямую зависимость содержания хрома в почвах Краснодарского края от обеспеченности им почвообразующих пород. В то же время, как показывают его данные, почвообразование приводит к некоторому выравниванию количества хрома в почвах. В среднем в большинстве почв этого элемента содержится менее 60 мг/кг, больше его только в черноземах малогумусных, выщелоченных, горно-луговых почвах и солонцах луговых.

Формы, подвижность и миграция хрома в почве определяются: 1) содержанием и характером его соединений в почвообразующих породах; 2) составом и условиями формирования почвы, содержанием в ней глинистых минералов, свободных полуторооксидов железа и алюминия, реакцией среды, водным и окислительно-восстановительным режимом; 3) равновесием между органическими и минеральными соединениями элемента в системе «почва-растение» [6, 14].

Распределение хрома по почвенному профилю зависит от почвообразовательного процесса. Исследованиями И.Н. Любимовой [6] показано, что оно практически не зависит от содержания гумуса, а в большей степени обусловливается механическим составом, в частности, накопление элемента связано с наличием илистой фракции. В почвах дерново-подзолистой зоны в результате процесса оподзоливания происходит обеднение верхней части профиля тонкодисперсными частицами и соединениями полуторных оксидов, которые выносятся и концентрируются в иллювиальных горизонтах. Вместе с ними мигрирует и хром, поэтому содержание и распределение его в этих почвах идет параллельно изменению в них количества алюминия, железа и илистой фракции. Относительное содержание хрома в илистой фракции этих типов почв ниже всего в горизонте А₂, наибольшее - в горизонтах В и С. Распределение хрома по профилю каштановой и солонцовой почв равномерное. В лугово-глеевых и дерново-глеевых почвах, образовавшихся под травянистой растительностью, отмечается обогащение гумусовых горизонтов и закономерное уменьшение содержания хрома с глубиной. Такой характер распределения элемента в этих почвах объясняется его биогенной аккумуляцией [9, 14, 16]. Для бурых лесных и бурых псевдоподзолистых почв, образовавшихся под древесной растительностью, характерно уменьшение содержания хрома в верхних гумусовых горизонтах по сравнению с почвообразующей породой.

По профилям черноземов хром распределен довольно равномерно. Преобладающего накопления его в гумусово-аккумулятивном горизонте не наблюдается. Проиллюстрируем это на разрезе чернозема выщелоченного, сделанного Е.В. Тонконоженко (таблица 3; [11]).

Таблица 3 - Распределение хрома по профилю чернозема выщелоченного

В иллювиальном горизонте почвы хрома содержалось больше, чем в гумусово-аккумулятивном и почвообразующей породе. По-видимому, есть некоторое выщелачивание элемента из верхних слоев профиля почвы, в результате периодически промывного водного режима. Более высокое содержание в иллювиальном горизонте илистых частиц, полуторных оксидов алюминия и железа сопровождается аккумуляцией в нем хрома. Это подтверждает известный параллелизм в содержании железа и хрома в почвах [1, 6, 15].

Содержание хрома в поверхностном слое почвы возрастает в результате естественных (природных) и искусственных (антропогенных) процессов. К естественным относят извержение вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, морские соли, поднятые ветром, растительность. Поступление элемента этим путем мало влияет на валовое его содержание. Главным и наиболее существенным источником поступления хрома в почву являются промышленные отходы (гальванические осадки, отходы кожевенных заводов и производств, где хром используется в составе пигментов красителей) и осадки сточных вод. Он также поступает с пестицидами, химическими мелиорантами, органическими и в меньшей степени минеральными удобрениями, главным образом фосфорными. Отечественное фосфатное сырье является самым «обедненным» в отношении содержания хрома по сравнению с мировыми аналогами [13-15].

В почвах хром представлен следующими формами его соединений: 1) неподвижный; 2) прочносвязанный в составе первичных и частично вторичных глинистых минералов, с полуторными гидроксидами алюминия и железа; 3) обменносвязанный на поверхности полуторных оксидов и глинистых минералов; 4) связанный с органическим веществом почв; 5) водорастворимые соединения [6, 15].

Легкорастворимые и обменные формы хрома, появляющиеся спонтанно в результате биологических процессов, воздействия корневой системы, микроорганизмов, наличия в почвенном растворе органических кислот и углекислоты, - эфемерны. Сорбированные, вначале непрочно, ионы хрома образуют химические труднорастворимые соединения (хемосорбированное состояние) и со временем окклюдируются гидроксидами алюминия и железа, прочно фиксируются гумусом [6-14].

Хром относится к группе элементов среднего захвата и слабого накопления. Коэффициент биологического поглощения хрома равен единице [1, 8, 16]. Имеются данные о положительном влиянии этого элемента на физико-биохимические процессы [3] и продуктивность растений [2, 11, 16].

Цель исследований - оценка и прогноз состояния хромового статуса чернозема выщелоченного в условиях агрогенеза.

Методика. Исследования проводились после завершения третьей ротации 11-польного зерно-травяно-пропашного севооборота стационарного опыта кафедры агрохимии Кубанского госагроуниверситета учебного хозяйства «Кубань», расположенного в Центральной агроклиматической зоне Краснодарского края.

Почва опытного участка - чернозем выщелоченный слабогумусный сверхмощный легкоглинистый на лессовидных тяжелых суглинках. Основные агрохимические показатели, характеризующие хромовый статус почвы до закладки эксперимента (1981 г.), приведены в соответствующих таблицах данной статьи и опубликованных ранее работах [10, 11].

Для выявления действия системы удобрения севооборота на содержание хрома в почве с неудобренного и ежегодно удобряемого варианта (за три ротации севооборота было внесено N₁₇₄₀P₁₇₄₀K₁₁₆₀) с каждой повторности опыта отбирали почвенные образцы из пахотного 0-20 см и подпахотного 21-40 см слоя. Хром в почве определяли атомно-абсорбционным методом: валовое содержание - в растворе разложения почвы минеральными кислотами; кислоторастворимые - в 1 н НС1 вытяжке; подвижные - в вытяжке ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8; резервные - находили по разности между валовым количеством и кислоторастворимой формой.

Результаты исследований. Валовое содержание хрома в черноземе выщелоченном значительно ниже его кларка в земной коре, литосфере и почвах мира (таблица 4). В пахотном слое содержание этого элемента в 1981 г., т.е. до закладки опыта, составляло 70,5 мг/кг, подпахотном - 78,0 мг/кг. При этом в буферную вытяжку по обоим слоям переходило 0,01 мг/кг хрома, кислоторастворимую - 5,0 мг/кг. Кислотонерастворимого хрома в почве содержалось - 65,5 мг/кг в пахотном и 73,0 мг/кг - подпахотном слое.

Таблица 4 - Содержание хрома и формы его соединений в черноземе выщелоченном, мг/кг

После трех ротаций севооборота без применения удобрений содержание хрома в почве незначительно уменьшилось: в пахотном слое на 0,6 %, подпахотном - на 0,3 %. При этом количество подвижного хрома в почве осталось на прежнем уровне, а содержание кислоторастворимых и кислотонерастворимых соединений элемента несколько уменьшилось.

Систематическое внесение минеральных удобрений на поля севооборота способствовало очень незначительному увеличению валового содержания хрома и всех форм его соединений в почве. Наблюдаемая слабая тенденция накопления хрома в почве объясняется его поступлением в виде примесей с вносимыми на поля севооборота минеральными удобрениями и слабой биологической аккумуляцией.

Академик В.Г. Минеев [7] в своем выступлении на научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах» (М., 21-24 декабря 1992 г.) сказал: «Что же касается тяжелых металлов, то в химическом составе минеральных удобрений их нет. Они являются примесью, сопутствующими элементами, попадающими с сырьем или вследствие несовершенства технологических приемов их производства… В связи с высоким качеством российских агрохимических руд, минеральные удобрения отличаются низким содержанием тяжелых металлов. Поэтому с учетом доз применения, они с точки зрения загрязнения тяжелыми металлами, не представляют опасности».

Проведенные исследования подтверждают, что принятая система удобрений севооборота не ведет к антропогенному загрязнению почвы хромом. Содержание его в черноземе выщелоченном значительно ниже предельно допустимой концентрации (100 мг/кг) в почве.

Заключение

1. Валовое содержание хрома (70,1-78,3 мг/кг) в черноземе выщелоченном значительно ниже кларка почв мира (100 мг/кг). Доля подвижной, кислоторастворимой и кислотонерастворимой форм соединений элемента составляет соответственно 0,01; 7,09 и 92,9 % валового его содержания.

2. После трех ротаций 11-польного зерно-травяно-пропашного севооборота без внесения минеральных удобрений содержание хрома в черноземе выщелоченном не претерпело существенных изменений, даже в какой-то степени наметилась тенденция его уменьшения. Это свидетельствует об отсутствии серьезных природных источников поступления хрома в почву.

3. Научно-обоснованная система удобрения сельскохозяйственных культур не ведет к антропогенному загрязнению чернозема выщелоченного хромом. Вынос этого элемента с урожаями сельскохозяйственных культур севооборота компенсируется его поступлением в виде балласта с минеральными удобрениями.

Литература

почва соединение хром агрогенез

1. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А.П. Виноградов. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 238 с.

2. Dastur R.H. Исследования влияния микроэлементов на рост и урожай американского хлопчатника / R.H. Dastur, K. Singh // Сельское хозяйство зарубежом. 1955. №4. С. 54-62.

3. Добролюбский О.К. Влияние хрома, молибдена и вольфрама на содержание пигментов, фотосинтез и продуктивность виноградного растения / О.К. Добролюбский, В.Г. Страхов // Агрохимия, 1983. №3. С. 96-102.

4. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

5. Ковда В.А. Микроэлементы в почвах Советского Союза / В.А. Ковда, И.В. Якушевская, А.Н. Тюрюканов. - М.: МГУ, 1959. - 67 с.

6. Любимова И.Н. Содержание и формы соединений молибдена, ванадия и хрома в почвах / И.Н. Любимова / Содержание и формы соединений микроэлементов в почвах. - М.: Изд-во МГУ, 1979. С. 224-293.

7. Минеев В.Г. Проблема тяжелых металлов в современном земледелии / Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах / В.Г. Минеев. - М., 1994. - С. 5-11.

8. Перельман А.И. Геохимия / А.И. Перельман. - М.: Высшая школа, 1989. - 528 с.

9. Приходько Н.Н. Ванадий, хром, никель и свинец в почвах Притиссенской низменности и предгорий Закарпатья / Н.Н. Приходько // Агрохимия. 1977. №4. С. 95-100.

10. Суетов В.П. Влияние систематического применения удобрений на накопление тяжелых металлов в почвах Кубани / В.П. Суетов, Л.П. Леплявченко, В.П. Суетов / Тр. КубГАУ. 1997. Вып. 358(386). С. 54-61.

11. Тонконоженко Е.В. Хром в почвах и растениях Краснодарского края / Е.В. Тонконоженко / Тр. КубСХИ. 1974. Вып. 81(109). С. 51-58.

12. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение / Под ред. М.М. Овчаренко. - М.: ЦИНАО, 1997. - 290 с.

13. Черных Н.А. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах / Н.А. Черных, М.М. Овчаренко. - М.: Агроконсалт, 2002. - 200 с.

14. Шеуджен А.Х. Агробиогеохимия / А.Х. Шеуджен. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - 877 с.

15. Шеуджен А.Х. Агрохимия / А.Х. Шеуджен, В.Т. Куркаев, Н.С. Котляров. - Майкоп: Изд-во «Афиша», 2006. - 1075 с.

16. Шеуджен А.Х. Биогеохимия / А.Х. Шеуджен. - Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2003. - 1028 с.

References

1. Vinogradov A.P. Geokhimiya redkikh i rasseyannykh khimicheskikh elementov v pochvakh / A.P. Vinogradov. - M.: Izd-vo AN SSSR, 1957. - 238 s.

2. Dastur R.H. Issledovaniya vliyaniya mikroelementov na rost i urozhay amerikanskogo khlopchatnika / R.H. Dastur, K. Singh // Sel'skoye khozyaystvo zarubezhom. 1955. №4. S. 54-62.

3. Dobrolyubskiy O.K. Vliyaniye khroma, molibdena i vol'frama na soderzhaniye pigmentov, fotosintez i produktivnost' vinogradnogo rasteniya / O.K. Dobrolyubskiy, V.G. Strakhov // Agrokhimiya, 1983. №3. S. 96-102.

4. Kabata-Pendias A. Mikroelementy v pochvakh i rasteniyakh / A. Kabata-Pendias, KH. Pendias. - M.: Mir, 1989. - 439 s.

5. Kovda V.A. Mikroelementy v pochvakh Sovetskogo Soyuza / V.A. Kovda, I.V. Yakushevskaya, A.N. Tyuryukanov. - M.: MGU, 1959. - 67 s.

6. Lyubimova I.N. Soderzhaniye i formy soyedineniy molibdena, vanadiya i khroma v pochvakh / I.N. Lyubimova / Soderzhaniye i formy soyedineniy mikroelementov v pochvakh. - M.: Izd-vo MGU, 1979. S. 224-293.

7. Mineyev V.G. Problema tyazhelykh metallov v sovremennom zemledelii / Tyazhelyye metally i radionuklidy v agroekosistemakh / V.G. Mineyev. - M., 1994. - S. 5-11.

8. Perel'man A.I. Geokhimiya / A.I. Perel'man. - M.: Vysshaya shkola, 1989. - 528 s.

9. Prikhod'ko N.N. Vanadiy, khrom, nikel' i svinets v pochvakh Pritissenskoy nizmennosti i predgoriy Zakarpat'ya / N.N. Prikhod'ko // Agrokhimiya. 1977. №4. S. 95-100.

10. Suyetov V.P. Vliyaniye sistematicheskogo primeneniya udobreniy na nakopleniye tyazhelykh metallov v pochvakh Kubani / V.P. Suyetov, L.P. Leplyavchenko, V.P. Suyetov / Tr. KubGAU. 1997. Vyp. 358(386). S. 54-61.

11. Tonkonozhenko Ye.V. Khrom v pochvakh i rasteniyakh Krasnodarskogo kraya / Ye.V. Tonkonozhenko / Tr. KubSKHI. 1974. Vyp. 81(109). S. 51-58.

12. Tyazhelyye metally v sisteme pochva-rasteniye-udobreniye / Pod red. M.M. Ovcharenko. - M.: TSINAO, 1997. - 290 s.

13. Chernykh N.A. Tyazhelyye metally i radionuklidy v biogeotsenozakh / N.A. Chernykh, M.M. Ovcharenko. - M.: Agrokonsalt, 2002. - 200 s.

14. Sheudzhen A.KH. Agrobiogeokhimiya / A.KH. Sheudzhen. - Krasnodar: KubGAU, 2010. - 877 s.

15. Sheudzhen A.KH. Agrokhimiya / A.KH. Sheudzhen, V.T. Kurkayev, N.S. Kotlyarov. - Maykop: Izd-vo «Afisha», 2006. - 1075 s.

16. Sheudzhen A.KH. Biogeokhimiya / A.KH. Sheudzhen. - Maykop: GURIPP «Adygeya», 2003. - 1028 s.

Размещено на Allbest.ru