Екологічна оцінка впливу сорбент-меліорантів на агрохімічні показники родючості при детоксикації важких металів в ґрунті

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Значний техногенний пресинг на навколишнє середовище сприяє глобальному характеру забруднення важкими металами (ВМ). Надходячи у ґрунт в надлишкових кількостях ВМ здатні змінювати його властивості, що в першу чергу відбивається на біологічних та біохімічних процесах, і вже потім, як наслідок, призводе до зміни вмісту рухомих форм елементів мінерального живлення рослин, тобто до втрати родючості. Для детоксикації ВМ в техногенно забруднених чорноземах звичайних запропоновано багато методів [1-3], але найбільший ефект спостерігається при поєднанні внесення сорбент-меліорантів, з вирощуванням сільськогосподарської культури-фітостабілізатора, толерантної до дії цих токсикантів. Тому метою роботи була екологічна оцінка впливу сорбент-меліоранів на агрохімічні показники родючості, насамперед, на рухомість макроелементів, при хімічній детоксикації ВМ в ґрунті.

Дослідження проводились протягом 2003-2005 рр. на Ерастівській дослідній станції Інституту зернового господарства УААН. Ґрунт чорнозем звичайний малогумусний важкосуглинковий, з наступними агрохімічними показниками: вміст гумусу (за І.В. Тюріним) 3,54,0%, загального азоту 0,200,23%, фосфору 0,100,12%, валовий вміст калію 2,02,3%. Кількість легкогідролізованого азоту (за І.В. Тюріним і М.М. Кононовою) 10,0 11,4 мг на 100 г сухого ґрунту при можливості поповнення його доступних форм за рахунок нітрифікаційної здатності (за Кравковим) 2,42,8 мг на 100 г ґрунту. Вміст рухомих форм фосфору в орному шарі становить 8,89,8 мг, калію 14,315,4 мг у 100 г ґрунту (метод Ф.В. Чирикова). Валовий вміст мікроелементів такий: Zn 38,840,4; Mn 473,0484,0; Cu 12,514,2; Co 8,08,3; Fe 835,0845,0; Pb 32,433,1; Cd 0,380,39 мг/кг ґрунту і відповідно рухомих форм, що складають невеликий відсоток від валових: рухомого Zn 0,961,20; Cu 0,130,15; Co 0,420,48; Mn 57,563,8; Fe 27,628,0; Pb 0,050,10; Cd 0,100,11 мг/кг. Реакція ґрунтового розчину близька до нейтральної (рН 6,75).

В орному шарі ґрунту моделювали дуже небезпечний рівень забруднення ВМ (за В.Б. Ільїним, 1995) у 5 ГДК. Аерогенне забруднення ґрунту здійснювали шляхом обприскування водним розчином нітратних солей Cd, Pb і Zn з наступною заробкою в ґрунт під передпосівну культивацію. У мікропольовому досліді як культуру-фітостабілізатор використовували просо сорту Миронівське 51 [4], а як меліоранти органо-мінеральні добрива (ОМД) (1,5 ц/га), крейду (1,5 ц/га), біогумус (1,0 ц/га), K2S та K2CO3 з розрахунку в 1,5 раза більше необхідної кількості для повного хімічного зв'язування катіонів ВМ2+ у ґрунті. Технологія вирощування проса загальноприйнята для зони. Площа ділянки складала 1 м2, ширина захисних смуг 1,0 м, повторність досліду чотириразова. Буферну здатність ґрунту визначали згідно методики В.Б.Ільїна [5]. Зміну агрохімічних показників родючості чорнозему звичайного вивчали за методами: вміст амонійного азоту - за Неслером колориметрично; нітратного азоту - спектрофотометрично; рухомих форм фосфору і калію - за Чириковим; ступінь рухомості фосфатів - за Карпінським і Замятіною; рухомих форм ВМ - у витягу ААБ рН 4,8 на атомно-абсорбційному спектрофотометрі.

Математична обробка експериментальних даних здійснювалась методами дисперсійного та регреcійного аналізів згідно з методиками Б.А. Доспєхова (1985) та Г.Ф.Лакіна (1990) з використанням пакета Excel-97.

Вміст в ґрунті рухомих форм ВМ визначався буферною здатністю чорнозему звичайного, дією сорбент-меліорантів та виносом рослинами, який залежав від ступеня толерантності сільськогосподарської культури. Просо сорту Миронівське 51 - сильний фітостабілізатор, тому винос ВМ істотно не впливав на рівень рухомості цих токсикантів в ґрунті [4]. Буферна здатність ґрунту, яка відображає його екологічний потенціал інактивації катіонів ВМ2+, за сумою балів: вміст гумусу - 4,0 (3,5 балів), фізичної глини - 57,0 % (15 балів), R2O5 - 5,5 (7 балів), карбонатів - 0,4 (1,5 балів), рН - 6,75 (10 балів) відповідала підвищеному ступеню буферності (37 балів).

Внесені меліоранти зв'язували рухомі форми ВМ і тим самим перешкоджали їх поглинанню кореневою системою рослин (таблиця 1). Серед вивчаємих сорбент-меліорантів найбільш ефективними виявились K2CO3 та K2S, які знижували вміст рухомого Pb2+ в ґрунті в середньому на 58 %, Cd - 64 %, Zn - 61 % в порівнянні до забруднених варіантів, а найменш ефективним внесення крейди, що пояснюється її недостатньою кількістю для повного зв'язування ВМ2+. При визначенні дози внесення крейди було б доцільно користуватися методикою розрахунку K2CO3 та K2S, тобто брати еквівалентно до рівня забруднення. ОМД, принцип дії яких міститься в зв'язуванні рухомих форм ВМ органічною складовою і використанням рослинами, як додаткового джерела живлення мінеральної складової цих добрив, проте, як і біогумус, займали середню позицію, вміст рухомого Cd знижувався до 49 %, Pb - 41 %, Zn - 43 %.

Забруднення ґрунту ВМ порушувало співвідношення між N-NH4 та N-NO3, що пов'язано з інтенсивністю мікробіологічних процесів мобілізації та іммобілізації цього елементу. Крім того збільшення N-NH4 на 11,1-25,6 % в порівнянні з контролем 5,1 мг/100 г ґрунту може бути наслідком витіснення катіонами ВМ2+ необмінно закріпленого NH4+ із ГПК (таблиця 2). Не дивлячись на інгібування процесу нітрифікації кількість нітратів на забруднених ВМ варіантах в нашому випадку не зменшувалась тому що, по-перше, активність бактерій денітрифікаторів Pseudomonas, Micrococcus та інш., пригнічувалась ще в більшій мірі, а, по-друге, кількістю аніона, який надійшов з нітратною формою забруднювача ВМ(NO3)2. Так, з розрахунку на 1 м2 надходило на варіант з Cd - 5,9 г, Pb - 33,6 г, Zn - 335,8 г NO3-. В порівнянні із значенням на контролі 1,83 мг/100 г ґрунту, вміст N-NO3 збільшувався до 26 %. Протягом всього періоду вегетації спостерігалось інтенсивне поглинання азотмістячих сполук кореневою системою рослин, і, як наслідок, збільшення вмісту цього елементу в рослинах, відомо що білковий азот виконує захисну функцію, а саме: бере участь в детоксикації ВМ в рослинній тканині.

Внесення меліорантів сприяло зменшенню амонійного та нітратного азоту в ґрунті порівняно до показників забруднених варіантів. В найбільшій мірі це відзначалось при внесенні K2CO3, K2S та біогумусу, не дивлячись на те, що останній містить в своєму складі 9 % обмінного азоту.

екологічний ґрунт техногенний катіон

Таблиця 1 - Вміст рухомих форм ВМ в орному шарі при застосуванні сорбент-меліорантів (середнє за 2003-2005 рр.), мг/кг ґрунту

Таблиця 2 - Агрохімічні показники родючості чорнозему звичайного, середнє 2003-2005 рр.

Можна припустити, що таке зменшення N-NH4 пояснюється нездатністю ВМ2+ витісняти необмінно закріплений N-NH4 із ГПК за рахунок зв'язування їх катіонів в першому випадку в слабко розчинні карбонати і сульфіди, а в другому - в складні органічні комплекси. Стосовно азотмістячих сполук були встановлені залежності зменшення рухомості N-NH4 та N-NO3 при усуненні токсичного впливу ВМ2+, які задовільно описувались рівняннями регресії:

N-NO3=0,009Cdпф2-0,042Cdпф+1,811, R2=0,858; (1)

N-NO3=9E-07Pbпф3+4E-05Pbпф2-0,005 Pbпф+1,829, R2=0,981; (2)

N-NO3=3Е-05Znпф2+0,003Znпф+1,853, R2=0,858; (3)

N-NH4=-0,025Cdпф3+0,327Cdпф2-0,955Cdпф+5,214, R2=0,831; (4)

N-NH4=4E-06Pbпф3-0,03Pbпф+5,11, R2=0,964; (5)

N-NH4=1E-07Znпф3-0,024Znпф+5,133, R2=0,984; (6)

де N-NH4 - вміст амонійного азоту в ґрунті, мг/100 г ґрунту;N-NO3 - вміст нітратного азоту в ґрунті, мг/100 г ґрунту; Cdпф - вміст рухомого кадмію в ґрунті, мг/кг; Pbпф - вміст рухомого свинцю в ґрунті, мг/кг; Znпф - вміст рухомого цинку в ґрунті, мг/кг.

Забруднення ґрунту ВМ сприяло зниженню, як рухомого фосфору на 14,0-15,0 % (метод Чирикова), так і ступеня рухомості фосфатів на 10,6-16,2 % (метод Карпинського і Зам'ятіної) порівняно із значенням контрольного варіанту 10,0 мг/100 г ґрунту і 0,07 мг/ л ґрунтового розчину (див. таблицю 2). Зменшення кількості Р2О5 пояснювалось природною буферною здатністю чорнозему звичайного переводити ВМ в малорухомий стан, за рахунок закріплення педогенними фосфатами.

Практично всі фосфати ВМ є нерозчинними або слабко розчинними в воді та ґрунтовому розчині сполуками отже саме це пояснює зменшення їх вмісту в забрудненому ґрунті. При детоксикації забрудненого ВМ ґрунту спостерігалась тенденція збільшення рухомих форм фосфору і ступеня рухомості фосфатів до рівня контрольного варіанту. На варіантах із внесенням біогумусу та ОМД, це пояснюється їх хімічним складом до якого входе Р2О5 (біогумус - 1,3 %, ОМД - 13,5 %) і утворенням кінетичних сполук, в наслідок чого фосфати ґрунту менше зв'язують ВМ, відбувається мобілізація потенційно доступного рослинам фосфору. На варіантах з CaCO3, K2CO3 і K2S відбувається зв'язування ВМ в важкорозчинні сполуки ВМСО3 та ВМS, К+ використовується рослиною, Са бере участь в утворенні гуматів і підвищує стійкість ґрунтових колоїдів, а збільшення Р2О5 пояснюється підкислюючою дією аніону NO3- та підвищенням активності фосформобілізуючих бактерій. Процес збільшення рухомого фосфору в ґрунті при усуненні надлишку катіонів ВМ2+ задовільно описувався рівнянням регресії:

Р2О5=0,004Cdпф3-0,071Cdпф2+0,107Cdпф+9,976, R2=0,878; (7)

Р2О5=-8E-06Pbпф3-0,02Pbпф+9,994, R2=0,931; (8)

Р2О5=-6Е-05Znпф2+0,005Znпф+9,9922, R2=0,931; (9)

де Р2О5 - вміст рухомого фосфору в ґрунті, мг/100 г ґрунту.

Вивчаємий в досліді чорнозем звичайний містив 14,4-15,3 мг/100 г ґрунту рухомого калію (див. таблицю 2). В ряді активності металів катіони Cd2+ Pb2+ i Zn2+ більш активні чим К+ і можуть витискати його з ГПК. Цим і пояснюється збільшення рухомого калію в середньому на 5 % в ґрунті забруднених ВМ варіантів. Вміст рухомого калію на забруднених ділянках визначався хімічними властивостями (іонний радіус, здатність до комплексоутворення) та кількістю метала-токсиканта, що надійшов до ґрунту. Внесення сорбент-меліорантів, які містять в своєму складі К+ (K2CO3, K2S) сприяло збільшенню вмісту обмінного калію, в той час як біогумус та органічна складова ОМД - закріпленню цього макроелемента в необмінні форми, крім того цей процес посилювався при підсиханні ґрунту за рахунок адсорбції його на поверхні ґрунтових колоїдів.

В умовах Північного Степу України, клімат якого характеризується частими та тривалими засухами протягом вегетації різке зменшення рухомого калію в ґрунті може викликати дисбаланс в системі мінерального живлення в критичний період росту рослин, що особливо сильно проявляється на техногенно забруднених ґрунтах і призводе до втрати врожаю та зниженню якості продукції.

Висновки.

1. Встановлено токсичну дію катіонів ВМ2+ на агрохімічні показники родючості ґрунту, а саме: збільшення амонійних та нітратних форм азоту, рухомих форм калію; зниження вмісту мінеральних форм фосфору та ступеня рухомості фосфатів в ґрунтовому розчині.

2. Виявлено стабілізуючий ефект від за стосування сорбент-меліорантів для детоксикації ВМ в ґрунті, який проявлявся в зменшенні нітратів та підвищенні вмісту рухомих фосфатів.

3. Отримано рівняння регресії збільшення рухомого фосфору та, навпаки, зменшення рухомості N-NH4 та N-NO3 при усуненні токсичного впливу ВМ2+.

Література

1. Байдина Н.Л. Инактивация тяжелых металлов гумусом и цеолитами в техногенно загрязненной почве // Почвоведение. - 1994. № 9. - С. 121125.

2. Васильев А.Н., Мартыненко А.И. Современные подходы к решению проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000. № 5. - С. 4753.

3. Пат. 55960 А Україна, МКИ С 09 К 17/02. Спосіб зниження рухомих форм важких металів в техногенно забрудненому ґрунті: Пат. 55960 А. Україна, МКИ С 09 К 17/02 / С.М.Крамарьов; С.І.Нейковський; Т.Ф.Яковищина. - Бюл. № 4; Заявл. 15.08.2002; Опубл. 15.04.2003. - 3 с.

4. Яковишина Т.Ф. Детоксикация загрязненных тяжелыми металлами черноземов обыкновенных северной Степи Украины: Дис. … канд. с.-х. наук: 03.00.16. - Днепропетровск, - 2006. - 226 с.

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

Размещено на Allbest.ru