Возможности чернозема выщелоченного Кубани в инактивации особо опасных тяжелых металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности чернозема выщелоченного Кубани в инактивировации особо опасных тяжелых металлов

Тяжёлые металлы относятся к наиболее опасным загрязняющим веществам и поэтому изучение их поведения в почвах, оценка защитных возможностей почв является важной экологической проблемой.

Кадмий и свинец относятся к группе приоритетных загрязнителей почв и продукции растениеводства. Опасность для живых организмов обусловлена тем, что эти элементы имеют тенденцию к биоаккумулированию, т.е. накоплению их в биологическом организме. Долговременное воздействие кадмия связано для человека с дисфункцией почек, может вести к болезни легкого, приводить к дефектам костей, сердечно-сосудистым заболеваниям.

Главный источник поступления кадмия в организм человека - продовольствие. Для кадмия характерно сродство с зерновыми культурами, он активно поглощается растениями из почвы.

Свинец, накапливаясь в организме, может частично замещать кальций в костном скелете, вызывает различные расстройства нервной и репродуктивной системы, почек, ведет к нарушению нейрофизиологических функций детей, снижению умственного развития.

В Краснодарском крае общая заболеваемость детей за последние 10 лет увеличилась на 8,1%. Одной из главных причин является низкое качество продуктов питания, накопление тяжелых металлов в продовольственном сырье.

Предельно допустимые концентрации в зерне, мг/кг: для кадмия - 0,1 (детское питание - 0,03); для свинца - 0,3 (детское питание - 0,1) [1]

При действии на растения кадмий может вызывать угнетение роста, торможение фотосинтеза, хлороз листьев. Кадмий может замещать цинк в составе ферментных систем, приводя к торможению многих энзимотических реакций, нарушению проницаемости мембран. [2]. Исследования многих авторов, и наши в том числе, показывают, что при малых концентрациях в почве элемент может активно поглощаться растениями до значений опасных для человека и животных, в частности, кадмий, свинец. Это обусловлено, прежде всего, физико-химическими свойствами почв, поэтому ведущими учёными предлагается при оценке земель сельскохозяйственного назначения принимать во внимание в первую очередь способность почвы инактивировать загрязнители [3]. На сегодняшний день наиболее адекватным показателем, характеризующим эту способность, является буферная ёмкость почв по отношению к тяжёлым металлам [4-6]. В инактивации избыточных ионов ТМ участвуют, преимущественно: гумусовые кислоты, физическая глина, полуторные оксиды, карбонаты [7]. Важным фактором, влияющим на содержание и состояние ТМ в почве, являются погодные условия, применяемые агротехнологии. Биологическая доступность тяжёлых металлов обусловлена комплексом взаимосвязанных процессов в почве, находящихся в динамическом равновесии (рис. 1).

чернозем выщелоченный металл инактивация

Рисунок 1 - Факторы, влияющие на подвижность тяжелых металлов в почве

По данным ряда исследований, длительное внесение минеральных удобрений в дерново-подзолистую почву способствовало увеличению подвижности кадмия и свинца в почве и накоплению их в вегетативной массе и зерне овса и ржи [8].

Мониторинговые исследования в земледелии Краснодарского края, проводимые с 1993 г., выявили тенденцию к накоплению свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы [9].

Влияние минерального питания на поступление в растения кадмия и свинца на почвах Кубани изучено недостаточно, в некоторых работах приводятся сведения противоположного характера [10-13].

Целью наших исследований являлось определение влияния различных параметров применения удобрений, средств защиты растений и способов обработки почвы на содержание и состояние соединений кадмия и свинца в чернозёме выщелоченном Западного Предкавказья.

Условия и методика проведения исследований

Исследования проводились на 11-польном зернотравяно-пропашном севообороте в рамках стационарного многофакторного длительного опыта, заложенного на опытном поле КубГАУ (г. Краснодар) в 1991г.. Почва - чернозем выщелоченный слабогумусный сверхмощный легкоглинистый.

Черноземы выщелоченные Западного Предкавказья обладают высоким потенциальным плодородием, но имеют тяжелый гранулометрический состав с количеством физической глины от 61 до 64%, ила - от 37 до 40% при полном отсутствии фракции песка. Содержание гумуса в пахотном слое - 2,9-3,4%, подвижных фосфатов - 18-20 мг/100 г, обменного калия - 20-30 мг/100 г почвы, минерального азота - 0,9-1,1 мг/100 г почвы, активная кислотность - 6,6-6,9 рН.

Климат района проведения исследований характеризуется мягкой непродолжительной зимой, длительным безморозным периодом (185-225 дней), неустойчивым увлажнением. Среднегодовое количество осадков составляет 644 мм, из которых около 360 мм выпадает в период с апреля по октябрь [14].

Стационарный многофакторный длительный опыт представлен следующими факторами:

А - плодородие почвы, В - система удобрения, С - система защиты растений , Д - система основной обработки почвы.

В опыте на основе существующих нормативных показателей запланировано четыре уровня плодородия чернозема выщелоченного внесением в почву при А₁ - 200 кг/га Р₂О₅ и 200 т/га подстилочного навоза. Для создания фона А₂ доза удобрений удваивалась, фона А₃ - утраивалась, А₀ - естественный фон.

При описании результатов исследований приняты условные названия четырёх базовых технологий: 000 - контроль; 111 - беспестицидная; 222 - экологически допустимая; 333 - интенсивная. В таблице 1 представлена система удобрения в звене севооборота.

Таблица №1- Система удобрения в звене зернотравяно-пропашного севооборота.

Четвертым фактором, изучаемым в опыте, является система основной обработки почвы: Д₁ - безотвальная (почвозащитная), Д₂ - рекомендуемая (применяемая) и Д₃ - отвальная с глубоким рыхлением почвы до 70 см дважды в ротацию (табл. №2).

Таблица №2 - Способы основной обработки почвы в севообороте

Анализ почвенных и растительных образцов на содержание тяжёлых металлов проводился атомно-абсорбционным методом согласно ГОСТам [15]. Степень подвижности (щ,%) тяжёлых металлов (ТМ) в почве вычисляли из соотношения подвижной фракции металла к его кислоторастворимой форме. Коэффициенты захвата металлов растениями рассчитывали из отношения среднего содержания элемента в растительной пробе к содержанию его подвижной формы в почве.

Результаты и их обсуждение.

Результаты исследования почвенных образцов на содержание кислоторастворимых форм (КФ) кадмия и свинца представлены в таблице №3

Таблица3. Динамика содержания кислоторастворимых форм кадмия и свинца в пахотном слое чернозема выщелоченного, мг/кг (обработка почвы - Д₂)

Содержание кислоторастворимых форм соединений кадмия значительно ниже ПДК. Однако, наблюдается увеличение содержания кадмия в 2009г. (~ на 30%).

Содержание КФ свинца составляет в среднем 0,75 от ПДК, что указывает на умеренную опасность возможного загрязнения почвы. В 2008 г. содержание кадмия и свинца ниже, что можно объяснить различной глубиной слоя: 2007(кукуруза) - слой 0-30 см; 2008 (озимая пшеница) - 0 - 20 см; 2009 (сахарная свёкла) - 0- 30 см.

Содержание подвижных форм кадмия и свинца значительно ниже ПДК (табл. №4).

Таблица 4. Динамика содержания подвижных форм кадмия и свинца в пахотном слое чернозема выщелоченного, мг/кг ( обработка почвы - Д₂).

Сравнивая содержание подвижных форм кадмия и свинца с содержанием их кислоторастворимых форм, можно сделать вывод о большей подвижности кадмия. Более чёткое представление о подвижности соединений ТМ даёт степень подвижности (табл. 5).

Таблица 5. Степень подвижности кадмия и свинца в пахотном слое чернозема выщелоченного ( щ,%), ( обработка почвы - Д₂)

Степень подвижности кадмия почти на порядок выше, чем у свинца. В условиях интенсивной технологии подвижность кадмия повышается. На подвижность свинца технологии существенного влияния не оказывают.

Рассмотрим влияние различных факторов на степень подвижности тяжелых металлов в почве.

1. Влияние способов обработки почвы на степень подвижности показано на рисунках 2 и 3. Отвальный способ обработки почвы Д₃ способствует увеличению подвижности соединений, как кадмия, так и свинца. Глубокое рыхление почвы (Д₃) способствует повышению степени подвижности свинца в 1,5-2 раза по сравнению с безотвальной обработкой почв (Д₁) (рис. 3).

Рисунок 2 - Влияние способа обработки почвы на степень подвижности кадмия в слое 0-20 см. (Краснодар, 2008 г., культура - озимая пшеница)

Рисунок 3 -. Влияние способа обработки почвы на степень подвижности свинца в слое 0-20 см. (Краснодар, 2008 г., культура - озимая пшеница)

2. Влияние уровня плодородия и минерального питания на степень подвижности кадмия и свинца (рис. 4 и 5).

Рисунок 4. - Влияние плодородия почвы и минерального питания на степень подвижности кадмия в слое 0-20 см. (Краснодар, 2008 г., культура - озимая пшеница, обработка почвы - рекомендуемая).

Наименьшая степень подвижности кадмия и свинца отмечена в условиях экологически допустимой технологии (вар. 222). Интенсивная технология (вар. 333) вызывает снижение подвижности только свинца (рис. 5).

Рисунок 5 - Влияние плодородия почвы и минерального питания на степень подвижности свинца в слое 0-20 см. (Краснодар, 2008 г., культура - озимая пшеница, обработка почвы - рекомендуемая).

2.1. Влияние внесения навоза на степень подвижности кадмия и свинца. Внесение навоза при отсутствии других технологий (вариант 200) способствует незначительному снижению подвижности кадмия на 1,5%, и повышению степени подвижности свинца в 2,5 раза. Использование наряду с навозом минеральных удобрений и системы защиты растений способствует снижению степени подвижности свинца и кадмия (вариант 222).

2.2. Влияние внесения минеральных удобрений на степень подвижности кадмия и свинца. Использование минеральных удобрений повышает степень подвижности кадмия на 5-8 % только на фоне использования навоза и системы защиты растений (варианты 111 и 131; 200 и 220). Степень подвижности свинца в почве возрастает с внесением NPK на 40 % (вар. 000 и 020; 111 и 131).

2.3. Влияние системы защиты растений на степень подвижности кадмия и свинца. Это влияние является косвенным, поскольку препараты для защиты растений вносятся непосредственно на растения, и изменяют их способность поглощать элементы питания из почвы. Для кадмия существенное повышение степени подвижности металла в почве на 25-30 % наблюдается при использовании средств защиты растений только при совместном использовании удобрений и навоза в вариантах 111 и 113, и 200 и 202. Степень подвижности свинца в почве возрастает на 40-50 % в вариантах 000 и 002, 111 и 131; и снижается на 20-50 % в вариантах с экологически допустимой технологией (200 и 202, 220 и 222).

Растениям доступны подвижные формы соединений кадмия и свинца, которые относятся к ультрамикроэлементам [13]. По мере роста и развития озимой пшеницы изменяется накопление этих элементов в вегетативной массе растений (табл. 6).

Таблица 6. Содержание кадмия и свинца в зелёной массе озимой пшеницы в различные фазы развития, мг/кг (обработка почвы - Д₂)

Содержание кадмия в почве значительно меньше (примерно в 10 раз), чем свинца, однако в зерне озимой пшеницы его количество приближается к ПДК для питания взрослого населения в условиях рекомендуемой обработки почвы и превышает ПДК для детского питания (рис.6).

Рисунок 6 - Влияние способа обработки почвы на содержание кадмия в зерне пшеницы. (2007).

При использовании отвального способа обработки почвы (Д₃) наблюдается превышение ПДК на всех вариантах опыта, в условиях безотвального способа ПДК превышено в вариантах повышенных (222) и высоких (333) доз удобрений.

Содержание свинца в зерне пшеницы ниже ПДК для питания взрослого человека (рис. 7).

Рисунок 7 - Влияние способа обработки почвы на содержание свинца в зерне пшеницы. (2007).

Для озимой пшеницы сорта «Нота» был рассчитан коэффициент использования подвижных форм тяжелых металлов в почве К_изв. (табл. 7) за период 2006-2008 гг.

Таблица 7 -Коэффициенты использования общего запаса подвижных форм свинца и кадмия в почве озимой пшеницей (зерно) (обработка почвы Д₂)

Коэффициенты использования кадмия растениями озимой пшеницы варьируются от 2,2 до 7,3, и достигают наибольших значений при экологически допустимой агротехнологии (222). Отбор проб почвы проводился в апреле месяце ежегодно в исследуемый период, использовались одинаковые дозы удобрений и навоза, поэтому на существенные различия по коэффициентам использования Cd оказывают влияние антропогенные условия, в частности уровень осадков. В 2006 и 2008 гг. среднемесячный уровень осадков составлял соответственно 47,2 мм и 59,4 мм; 2007 год был засушливым - в среднем в пересчете на месяц 37,5 мм. Повышенный уровень осадков существенно увеличивает способность растений извлекать кадмий из почвы, особенно в вариантах с высокими дозами удобрений 222 и 333 (табл. 7).

Коэффициенты использования свинца растениями озимой пшеницы варьируются от 0,29 до 1,8. Погодные условия и применяемые агротехнологии не оказали существенного влияния на величину коэффициента использования. В 2006 году коэффициент использования Pb снижается с увеличением доз удобрений, в 2008 г. возрастает. В засушливый 2007 год применяемые агротехнолгии не оказывают влияния на извлечение свинца озимой пшеницей, но в этом году в вариантах 000 и 222 коэффициенты использования наибольшие за исследуемый период.

Коэффициенты использования растениями озимой пшеницы свинца из почвы ниже, чем кадмия в 5-10 раз.

Заключение

Чернозем выщелоченный Западного Предкавказья обладает возможностью инактивировать соединения свинца в большей степени, чем кадмия. Выявлена избирательная способность растений озимой пшеницы извлекать кадмий из почвы (К_изв. (Cd) = 2-7%, К_изв.(Pb) = 0,3-1,8%). Выращенная зерновая продукция по содержанию свинца и кадмия не пригодна для детского питания.

Список литературы

1. Мошкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Накопление тяжелых металлов растениями ячменя на черноземе и каштановой почве // Агрохимия 2009 № 10. С. 53-63

2. Ильин В.Б. К оценке массопотока тяжелых металлов в системе почва-сельскохозяйственная культура // Агрохимия. 2006. № 3 С. 52-59

3. Цветнов Е.В., Щеглов А.И., Цветнова О.Б. «Права природы» и стоимость земель сельскохозяйственного назначения как основа устойчивого аграрного природопользования // Экология России на пути к инновациям: Межвузовский сборник научных трудов. 2009. Вып.1, С. 17-40.

4. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам. Агрохимия. 1995. №10. С. 109-113.

5. Добровольский В.В. Биосферные циклы тяжёлых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение. 1997. №4. С.431 - 441.

6. Ильин В.Б. Буферные свойства почвы и допустимый уровень её загрязнения тяжелыми металлами // Агрохимия. 1997. № 11. С. 65-70

7. Белоусов В.С., Цеолит-содержащие породы Краснодарского края в качестве инактиваторов тяжелых металлов в почве // Агрохимия 2006. № 4. С.78-83

8. Кураков В.И., Минаева О.А., Александрова Л.В. Влияние длительного применения удобрений на содержание тяжелых металлов в выщелоченном чернозёме и продукции зерно-свекловичного севооборота // Агрохимия 2006. № 11. С. 59-65

9. Гайдукова Н.Г., Кошеленко Н.А., Сидорова И.И., Шабанова И.В. Влияние агрохимических средств земледелия на содержание свинца и кадмия в черноземе выщелоченном и озимой пшенице Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2007. В. 5(9). С. 88-94

10. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Лобанова Е.С. Загрязнение тяжелыми металлами и металлоидами почв. Г. Пермь // Агрохимия. 2009. № 4. С. 60-68

11. Соловьев Г.А., Голубев М.В. Влияние минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях // Агрохимия. 1981. № 11 С. 114-119

12. Карпова Е.А. Влияние длительного применения минеральных удобрений на состояние железа и тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах // Почвоведение. 2006. № 9. С. 1059-1067

13. Шеуджен А.Х., Лебедовский И.А. Новые подходы к агроэкологической оценке загрязнения почв тяжелыми металлами // Сборник трудов КубГАУ. Энтузиасты аграрной науки. В. 5. С.603-615.

14. Малюга Н.Г., Кравцов А.М., Загорулько А.В. Программа и методика проведения опыта //Агроэкологический мониторинг в земледелии Краснодарского края. Труды КубГАУ. 2008. В. 431(459). С.6 - 14

15. Сборник методик по определению тяжелых металлов в почвах, тепличных грунтах и продукции растениеводства под ред. М.М. Овчаренко, А.В. Кузнецова - М.: Изд-во Минсельхозпрод России, 1998. -с. 41-42

Размещено на Allbest.ru