Екотоксикологічна оцінка мінеральних добрив при використанні їх на темно-сірих лісових грунтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Екотоксикологічна оцінка мінеральних добрив при використанні їх на темно-сірих лісових грунтах

Шевчук І.В., старший викладач кафедри екології ( Національний університет водного господарства та природокористування)

Сьогодні актуальне питання забруднення грунтів та сільськогосподарської продукції важкими металами не тільки як наслідок забруднення від підприємств і автотранспорту, але і від використання добрив, як мінеральних так і органічних.

Today aktual'ne question of contamination of soils and agricultural product by heavy metals not only as a result of contamination from enterprises and motor transport But also from the use of fertilizers, as mineral so organic.

Мінеральні добрива, як обов'язкова складова сучасних агротехнологій, за чисельними дослідженнями не мають чітко виражених токсичних властивостей, але до складу багатьох їх видів входять компоненти (важкі метали, радіонукліди), яким характерна здатність міграції по ланцюгам живлення, викликаючи в окремих випадках токсичні ефекти як відносно ґрунтової біоти, сільськогосподарських культур, тварин так і здоров'я людини.

У відповідності з чим (ДЕСТ 17.4.3.06. - 86) передбачає проведення оцінки у відношенні до конкретної забруднюючої речовини або хімічного елементу, джерелом надходження якої може бути добриво. Слід відмітити, що згідно рекомендацій Всесвітньої організації охорони здоров'я всі мінеральні добрива поділяють на чотири класи небезпечності: І клас - особливо небезпечні; ІІ клас - небезпечні; ІІІ - помірно небезпечні; VІ клас - мало небезпечні. Загальна оцінка мінеральних добрив повинна передбачати встановлення груп хімічних елементів, виходячи з рівня їх інтегральної небезпечності. Першочерговий контроль необхідно здійснювати за елементами І класу небезпечності: Cd, Pb, As, F, Zn. При необхідності визначають елементи, що відносять до ІІ класу небезпечності: Сu, Ni, Co та інші, до ІІІ класу малонебезпечних відносяться: Mn, Ba, W та інші. Бажано при оцінці впливу добрив на агроекологічний стан ґрунтів здійснювати прогноз ризику їх застосування, який базується на визначенні часу досягнення критичної концентрації у ґрунті елементу, що підлягає оцінці.

Час досягнення критичної концентрації токсикантів у ґрунті (Тк) оцінюється як відношення можливого додаткового надходження токсичних елементів із добривом (А) до фактичного (Ф):

органічний мінеральний добриво лісовий

Тк = А/Ф, роки (1)

При цьому надходження токсичних елементів у ґрунт із добривом визначається за формулою:

, де (2)

Ф - фактичне надходження токсичних елементів з добрив у ґрунт, мг/га; d - доза добрив за діючою речовиною, кг/га; q1 -вміст діючої речовини в добриві, %; q2 - вміст токсичного елементу у добриві, мг/кг;

За величиною часу досягнення критичної концентрації біологічно активних елементів у ґрунті (Тк) оцінку рекомендується проводити за наступною градацією: 10 років клас небезпечності - високо небезпечний; 10 - 30 - небезпечний; 31 - 100 - помірно небезпечний; 100 років - мало небезпечний рівень .Доцільно також при порівнянні варіантів удобрення при польових дослідженнях проводити розрахунок надходжень важких металів із добрив у поверхневі води. Ці дані, включаючи ГДК, на нашу думку є критеріями небезпеки забруднення агроландшафтів токсичними елементами.

Кількість важких металів у ґрунті знаходиться у прямій залежності від вмісту гумусу. Встановлено, що у гумусі є до 20 - 25 % загального вмісту Zn, Cu, Co, Mo. Значно менше в гумусі нагромаджуються Mn і Bа (біля 5% від загального вмісту) .Нагромадження важких металів у ґрунті призводить до збільшення їх концентрації в рослинах, зниження врожайності сільськогосподарських культур, а також до часткової або повної втрати родючості ґрунту. Основним джерелом надходження до ґрунту важких металів є промислові викиди, продукти згоряння палива й засоби хімізації сільського господарства. Важкі метали потрапляють на поля при внесенні пестицидів і добрив разом із стічними водами, а фтор і кадмій - при внесенні суперфосфату. Важкі метали в мінеральних добривах є природними домішками, що містяться в агрорудах. Найбільш небезпечними як за набором, так і за концентрацією домішок важких металів є фосфорні добрива, а також добрива, які отримують при використанні ортофосфорної кислоти (амофоси, т.д.).

За даними H.Schroeder, J. Balassa, в США простий суперфосфат є джерелом кадмію, що входить до складу цього добрива. Серед елементів, що містяться в простому суперфосфаті, J. Caro називає такі важкі метали як кадмій (50 - 170 мг/ кг), хром ( 66 - 242 мг /кг), кобальт ( 0 - 90 мг / кг), мідь ( 4 - 79 мг /кг), свинець ( 7 - 92 мг /кг), нікель ( 7 - 32 мг /кг), ванадій ( 70_180 мг /кг), цинк ( 50 - 1430 мг/ кг).

Використання фунгіцидів є також дуже небезпечним, оскільки з ним до ґрунту потрапляють найбільш мобільні форми токсичних елементів, які мігрують по профілю і переносяться з поверхневим стоком, що сприяє частковому забрудненню ґрунтових вод і відкритих водойм. Продукти техногенезу, які надходять до ґрунту, призводять до нагромадження техногенних елементів і змінюють рН середовища, руйнують грунтово _ вбирний комплекс. Порушення хімічної рівноваги природної системи змінює властивості ґрунтів. Слід відмітити токсичність важких металів при сумісній їх дії на живі організми в ґрунті. Розподіл мікроелементів за ґрунтовими профілями визначається особливостями ґрунтоутворення. Відомо, що різні типи ґрунтів в природних умовах можуть відрізнятися за вмістом важких металів у десятки і сотні разів. Для ґрунтів із різним гранулометричним складом і вмістом органічної речовини рівень вмісту важких металів - різний.

Органічні добрива, подібно до органічної речовини ґрунту, адсорбують і утримують у поглинутому стані більшість важких металів. Внесення органічних добрив у великих дозах, зелені добрива, пташиний послід і т.д., знижують вміст кадмію й фтору у рослинах, а також токсичність хрому й інших важких металів. Оптимізація мінерального живлення рослин шляхом регулювання складу і доз добрив також понижує токсичну дію окремих елементів.

Максимальний вміст важких металів, за винятком нікелю, спостерігається на слабозмитих ґрунтах, мінімальний вміст елементів виявлено на незмитих ґрунтах, материнські породи яких містять найменше важких металів, а також на сильно змитих (мідь і цинк) та середньо-змитих (кадмій) темно - сірих лісових ґрунтах.

Аналіз даних, наведених у таблиці 1, свідчить про відсутність антропогенної складової, її середні значення вмісту важких металів автор рекомендує як фонові величини для сірих лісових ґрунтів Західного Лісостепу. Дещо інші показники фонового вмісту валових форм важких металів для сірих лісових ґрунтів наведені в таблиці 1.

Як видно із таблиці, фоновий уміст важких металів у сірих лісових ґрунтах складає: Pb - 16,0; Zn - 60,0; Cu - 18,0; Co - 12,0; Ni - 35 мг/кг, що значно вище наведених даних, отриманих у дослідженнях. Проведені нами дослідження вмісту важких металів у сірих лісових ґрунтах свідчать, що вміст валових форм Pb, Cd, Zn, Ni, Cu, Co, Mn у генетичних горизонтах на варіантах польового досліду виявили підвищений їх вміст у верхніх горизонтах Hd He. Аналіз даних розподілу важких металів за ґрунтовими профілями визначається особливостями ґрунтоутворення , і в першу чергу накопиченням гумусу.

Дані досліджень багатьох учених (Д.Ж. Берегиня; О.В. Макєєва; М.Г. Сеничкіна; П.А. Власюк; М.Н. Карась; А.П. Аникіна; Н.І. Степанова; Ю.Д. Іванова) показують, що вміст рухомих форм важких металів у ґрунті піддається сезонному коливанню - відновними умовами в ґрунті, змінами характеру та інтенсивності мікробіологічної діяльності, вологості ґрунту, розмірів споживання їх сільськогосподарськими культурами. На вміст рухомих форм елементів досить відчутно впливають: валовий вміст, процеси ґрунтоутворення та мінералогічний склад материнських порід. Встановлено, що кількість рухомих форм елементів збільшується з підвищенням окультуреності ґрунту.

Дослідження впливу мінеральних та органічних добрив на накопичення в ґрунті важких металів, проведені нами в 1997 - 2006 роках, показали що внесення добрив на протязі тривалого часу не супроводжуються значним зростанням вмісту важких металів в сірих лісових ґрунтах. Так, вміст свинцю, елементу І класу небезпечності в сірому лісовому ґрунті, по профілю 0-80 см коливався в межах: на варіанті без добрив від 2,9 мг/кг до 3,9 мг/кг; на варіанті N60 Р60 К60 від 2,0 мг/кг до 3,9 мг/кг; на варіанті з внесенням 40 т/га гною від 2,0 мг/кг до 2,8 мг/кг; на варіанті N10 + 1 т соломи + 1 т гірчиці від 2 мг/кг до 3,9 мг/кг.

А в період з 2004-2006 рр. ці дані змінилися в такому напрямку: на варіанті без добрив від 2,1 мг/кг до 3,6 мг/кг. При внесенні мінеральних добрив від 2,2 мг/кг до 3,0 мг/кг; при застосуванні органічних добрив від 2 мг/кг до 2,8 мг/кг, а от при внесенні органо-мінеральної суміші ці показники становили від 2,4 мг/кг до 3,4 мг/кг.

Вміст цинку ( I клас небезпечності) коливався за роки досліджень так: від 5,9 мг/кг до 10,1 мг/кг на варіанті без добрив; від 8,3 мг/кг до 10,1 мг/кг на варіанті при внесенні NPK; змінювався вміст від 6,0 мг/кг до 11,1 мг/кг, якщо вносити органічні добрива і від 7,9 мг/кг до 11,9 мг/кг при додаванні органо-мінеральної суміші.

Ці показники дещо змінилися за останній час (2004-2006 рр.) і становили: на контролі 0 від 5,8 мг/кг до 9,5 мг/кг, на мінеральних добривах від 7,1 до 11 мг/кг; на 40 т/га гною - від 7 мг/кг до 12 мг/кг, і на мінеральних добривах плюс сидерати від 6,9 мг/кг до 11 мг/кг.

А от значення кадмію (теж I клас небезпечності ) мали такі показники за 1996-1999 рр.:

1-й варіант - від 0,55 мг/кг до 0,12 мг/кг;2-й варіант - від 0,09 мг/кг до 0,15 мг/кг; 3-й варіант - від 0,056 мг/кг до 0,14 мг/кг; 4-й варіант - від 0,13 мг/кг до 0,24 мг/кг.

За 2004-2006 рр. отримали такі результати наших досліджень:

1-й варіант - від 0,03 мг/кг до 0,11 мг/кг; 2-й варіант - від 0,01 мг/кг до 0,13 мг/кг;3-й варіант - від 0,05 мг/кг до 0,14 мг/кг; 4-й варіант - від 0,1 мг/кг до 0,24 мг/кг.

Також визначали вміст Cu (II клас небезпечності). Результати досліджень мають такі значення за 1996-1999 рр.:

контроль - від 4 мг/кг до 6,5 мг/кг; внесення мінеральних добрив - від 4,6 мг/кг до 6,3 мг/кг; внесення органічних добрив - від 4,1 мг/кг до 6,1 мг/кг; внесення мінеральних добрив із соломою - від 4,2 мг/кг до 6,3 мг/кг.

В 2004 - 2006 рр. ми отримали такі результати:

контроль - від 4 мг/кг до 7,1 мг/кг; внесення мінеральних добрив - від 5 мг/кг до 7,9 мг/кг; внесення органічних добрив - від 4,9 мг/кг до 8,1 мг/кг; внесення мінеральних добрив із соломою - від 4,2 мг/кг до 6 мг/кг. Як показав аналіз отриманих даних, вміст важких металів, що досліджувалися значних змін не зазнав. Відомо, що підвищений вміст важких металів у ґрунтах та низька їх родючість зумовлює підвищену міграцію металів по ланцюгам живлення, що спричиняє нагромадження їх в рослинах, тваринах і в організмі людини. Проведені дослідження свідчать, що вирощування сільськогосподарських культур на грунтах з підвищеним вмістом важких металів може супроводжуватися понаднормативним їх накопиченням у рослинницькій продукції. Так, в дослідах Пузенко Д.М. встановлено, що при вмісті в грунтах валових і рухомих форм понад ГДК (в 2-3 рази) слід очікувати понаднормативне надходження металів до сільськогосподарської продукції (табл. 4.). Результати досліджень таблиці 4 свідчать про значне перевищення зоотехнічних норм вмісту насамперед Mn (у кормових буряках у 5-8 разів, у віко-вівсяній суміші у 2-3 рази). Перевищення цих норм встановлено також і для Cr. Вони менш суттєві, аніж для Mn і становлять: у віко-вівсяній суміші у 1,1-5,5 разів, у кормових буряках у 1,7-2,4 рази). Аналогічні результати по накопиченню важких металів рослинами отримані в дослідженнях. За даними цих досліджень вміст важких металів у грунті і надземній частині рослин (пирій повзучий, ромашка аптечна, молочай болотний), відібраних з території звалища і прилеглих ділянок більший, порівняно з їх кількістю у зразках грунту і у рослинах, відібраних з територій природнього фону. На думку Баб'як Н.М. (2004), підвищеному вмісту важких металів у рослинах безумовно сприяв високий вміст рухомих форм цих елементів у грунті. Так, при зростанні вмісту Cd в грунті із 0,03 (природній фон) до 0,32-0,14 мг/кг (на території звалища і 500 м від нього) мало місце збільшення його надходження до рослин із 0,01 до 0,18 і 0,05 мг/кг відповідно. Аналогічні закономірності характерні і для інших важких металів. Поряд з цим слід зазначити, що вміст Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Mn у надземній масі дикоростучих рослин як на території звалища так і на прилеглій території не досягав рівня токсичності.

Заслуговує на увагу аналіз даних по вмісту важких металів у рослинницькій продукції отриманий нами впродовж 1997-2005 років (табл. 6.). Як видно із таблиць у найбільших кількостях до сільськогосподарських культур сівозміни надходять Mn, Zn, Cu, Pb. При цьому вміст Mn коливався: у бульбах картоплі від 1,2 до 6,04 мг/кг; сіні багаторічних трав від 36,5 до 94,3 мг/кг; соломі озимої пшениці від 2,02 до 94,3 мг/кг; коренеплодах цукрових буряків від 12,4 до 29,99 мг/кг; соломі ячменя від 1,07 до 60,6 мг/кг.

Таблиця 1. Середній вміст важких металів в темно - сірих лісових ґрунтах західного Лісостепу, мг/кг

Таблиця 2. Фоновий вміст валових форм токсичних елементів у ґрунтах різного типу

Таблиця 3

Вміст важких металів у сільськогосподарських культурах вирощених на грунтах з високим вмістом їх валових і рухомих форм, (мг/кг -1)

Примітка: грунти зазнають забруднення внаслідок викидів ВАТ «Миколаївцементу»

Таблиця 4. Вміст важких металів у дерново-слабопідзолистому грунті та сухій надземній масі рослин, мг/кг (середнє за 2001-2003 рр)

Примітка: чисельник - вміст важких металів у грунті, знаменник - вміст важких металів у рослинах

Вміст Zn коливався: у бульбах картоплі від 2,27 до 2,75 мг/кг; сіні багаторічних трав від 6,66 до 19,55 мг/кг; соломі озимої пшениці від 4,37 до 6,66 мг/кг; коренеплодах цукрових буряків від 1,32 до 2,11 мг/кг; соломі ячменя від 5,09 до 9,4 мг/кг. Cu накопичувався у сільськогосподарських культурах у незначних кількостях. Його вміст не перевищував: у бульбах картоплі 3,44 мг/кг; сіні багаторічних трав 7,09 мг/кг; соломі озимої пшениці 1,82 мг/кг; коренеплодах цукрових буряків 1,29 мг/кг; соломі ячменя 9,09 мг/кг.

Вміст Pb у рослинах був незначним і не перевищував значень 1,42 мг/кг. Слід відмітити, що найвищий вміст важких металів має місце на варіантах досліду де вносилися мінеральні добрива в нормі N60 Р60 К60 та органічні 40 т/га гною. Перевищення вмісту важких металів на цих варіантах сягало до 2 разів у порівнянні із контролем де добрива не вносилися протягом тривалого часу.

Низьким вмістом важких металів характеризується сільськогосподарська продукція тримана на варіанті N10 на 1 т соломи + гірчиці. Встановлено також, що вміст Mn, Zn, Cu, Pb у сільськогосподарській продукції на всіх варіантах досліду за роки досліджень не досягав рівня токсичності.

З метою агроекологічної оцінки застосування органічних та мінеральних добрив при вирощуванні сільськогосподарських культур на темно - сірих лісових грунтах нами проведена експертна оцінка щодо можливості нагромадження важких металів у грунті вище допустимих рівнів при застосуванні добрив на варіантах досліду. Оцінку здійснювали за встановленими показниками часу досягнення його критичної концентрації (Тк) за формулою 1. Результати розрахунків прогнозу ризику здійснювали по Zn - елементу І класу небезпеки та Cu - елементу ІІ класу небезпеки. Названі елементи у найбільших кількостях надходять не лише до сільськогосподарських культур, але і до поверхневих вод із агроландшафтів (табл.6). Із таблиці видно, що за розрахунками час досягнення у грунті критичної концентрації Zn при внесенні 40 т/га гною під сільськогосподарські культури складає 19,3 роки, що за методикою дозволяє оцінити цей варіант удобрення як небезпечний. При застосуванні N10 + на 1 т соломи + гірчиці час досягнення у грунті критичної концентрації по Zn складає 38,6 роки, що дозволяє оцінити цей варіант удобрення як помірний. По міді порівняння варіантів удобрення показало, що за часом досягнення у грунті критичної концентрації цього елементу всі варіанти з внесенням мінеральних, органічних добрив відносяться до малонебезпечних. Однак слід відмітити, що агроекологічні переваги має варіант удобрення N10 + на 1 т соломи + гірчиці, на якому час досягнення критичної концентрації Cu сягає понад 5 тис. років.

Таблиця 5. Вміст важких металів у сільськогосподарській продукції, мг/кг (середнє за 1997-2005 р.р.)1

Таблиця 6. Прогноз ризику застосування органічних та мінеральних добрив по варіантах досліду 2

Примітка2: згідно методики В.П. Патика, Н.А. Макаренко, В.А. Жилкін , час критичної концентрації токсикантів складає: <10 - високо небезпечний; 10-30 - небезпечний; 31-100 - помірно небезпечний; > 100 - мало небезпечний.

Примітка1: М - середнє арифметичне; +- m - помилка середнього арифметичного; ev,% - коефіцієнт варіації; min - мінімальне значення показника; max - максимальне значення показника; n - загальне число визначень (n=27) по кожному елементу і варіанту.

Размещено на Allbest.ru