Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

АГРОЭКОЛОГОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ S, ZN, MN, CU, CD, PB В ПОЧВАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОН (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "АГРОЭКОЛОГОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ S, ZN, MN, CU, CD, PB В ПОЧВАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОН (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)"

-зда

На правах рукописи

Г"

МЕЛЕНЦОВА Светлана Викторовна

АГРОЭКОЛОГОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ в, 7л, Мп, Си, са, РЬ В ПОЧВАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОН (на примере Белгородской области)

03.00.16 — экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2007

Работа выполнена в ФГОУ «Белгородский институт переподготовки и повышения квалификации кадров агробизнеса»

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Лукин Сергей Викторович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович доктор биологических наук, профессор Аканова Наталья Ивановна

Ведущее предприятие:

ГНУ «Белгородский научно-исследовательский институт сечьского хозяйства» Россельхозакадемии

Зашита диссертации состоится » мая 2007 г. в 15 ч 00 мин

на заседании диссертационного совета Д 220 043 03 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.Л.Тимирязева»

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К А Тимирязева

Автореферат разослан апреля 2007 г и опубликован в сети

Интернет на сайте ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К А Тимирязева \vww.timacad ги

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета Д 220 043 03 при ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К А Тимирязева. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу. 127550, Москва, ул Тимирязевская, д. 49, Ученый совет РГАУ-МСХА имени К А Тимирязева.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат сельскохозяйственных наук, >, ^

профессор г** в д Калинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уровень содержания мезо- и микроэлементов в почве во многом определяет урожайность, технологические качества и безопасность растениеводческой продукции. Производство экологически безопасной сельскохозяйственной продукции является не только одним из важнейших факторов экономической устойчивости страны, но и залогом здоровья нации в целом (Агроэкология, 2000).

В настоящее время неотъемлемой частью комплекса проблем, связанных с деградацией окружающей среды, стало загрязнение компонентов биосферы -различными токсикантами, в частности тяжелыми металлами (Щербаков, Васенев, 1996; Черных, Овчаренко, 2002). В России выявлено почв, загрязненных медью, свинцом, цинком и кадмием, соответственно 1416, 519, 326 и 184 тыс. га (Кузнецов, 1997). В то же время некомпенсированный вынос с растениеводческой продукцией некоторых необходимых растениям элементов приводит к снижению обеспеченности пахотных почв подвижными формами серы, цинка, марганца, меди и т. д. (Лукин, Авраменко, 2004; Панасин, Новикова, 2004).

Важность работ по организации информационно-методического обеспечения единой государственной системы наблюдений и контроля за состоянием уровня обеспеченности элементами питания агроэкосистем особенно возрастает в регионах с интенсивной хозяйственной деятельностью, к которым относится Белгородская область.

Цель исследования. Провести исследования и дать агроэкологическую оценку содержания элементов Б, 2а, Мп, Си, С<1, РЬ в почвах лесостепной и степной зон (на примере Белгородской области).

Задачи исследования.

1. Выявить основные мезо- и микроэлементы, наиболее значимые для агроэкологического состояния сельскохозяйственных земель Белгородской области и получения безопасной и качественной растениеводческой продукции.

2. Изучить основные закономерности внутрипрофильного и пространственного распределения в, 7!л, Мп, Си, С<1, РЬ в почвах лесостепной и степной зон.

3. Уточнить региональные кларки содержания изучаемых элементов в почвенном покрове области.

4. Составить карты-схемы содержания подвижных форм серы, цинка и марганца в пахотных почвах области.

5. Установить закономерности формирования-балан^рБ^^-Мпу-Си^-С^-—

РЬ в земледелии области. , ^

имени К.А. Тимирязева

11НБ имени Н.И. Железпова

Фонд наупныд лнте^турц

№ ОЧ-.

6. Дать агроэкологическую оценку современного содержания изучаемых элементов в почвах и растениеводческой продукции,

Научная новизна исследования Впервые, на основе масштабных почвенно-агрохимичеких и мониторинговых исследований установлены принципиальные закономерности профильного, территориального распределения Б, Хп, Мп, Си, Сс1, РЬ в пахотных почвах Белгородской области; составлены картограммы содержания подвижных форм серы, цинка и марганца в почвенном покрове области, рассчитаны балансы изучаемых элементов

Защищаемые положения.

1. В результате характерного для 90-х годов XX в снижения средних доз применяемых удобрений сложился отрицательный баланс Б, Си, Мп и произошло закономерное снижение содержания их подвижных форм в почвах Белгородской области

2. Содержание подвижных форм свинца и кадмия в основной части пахотных почв Белгородской области не представляет опасности для получения безопасной сечьскохозяйственной продукции

3 В распространении изучаемых элементов по территории области и профилю почв имеются определенные закономерности Географическое распределение по территории области во многом обуславливается гранулометрическим составом и кислотностью почв конкретного района В профильном распределении валовых форм элементов наблюдается закономерное уменьшение содержания с увеличением глубины почвенного профиля, а в распределении подвижных форм, как правило, выделяются два максимума, первый - в пахотном горизонте (0-20 см), второй — на глубине 80100 см

Практическая значимость. Результаты исстедования используются для оценки обеспеченности почв микроэлементами и расчета потребности растений в микроудобрениях при выращивании сельхозкутьтур в Белгородской области, а также при агроэкологической паспортизации полей региона Установленные региональные кларки содержания Ъл, Мп, Си, Сс1, РЬ рекомендуются в качестве фоновых концентраций при агроэкологических оценках почвенного покрова

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Международной конференции студентов и аспирантов «Еколопчш проблеми сталого розвитку агросфери в умовах реформування земельних вщносин та шляхи рацюнального використання I охорони земель» (Харьков, 2005), на Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредечьных странах» (Белгород, 2006), на научно-практической конференции «Земечьные ресурсы состояние и перспективы использования» (Ставрополь, 2006)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, приложений и библиографического списка. Текстовая часть работы занимает 136 страниц, 12 приложений, иллюстрирована 41 таблицей и 25 рисунками. Список цитируемой литературы насчитывает 185 наименований, в том числе 21 иностранный источник.

Степень личного участия. Автором обработан и проанализирован материал агрохимического обследования пахотных почв области, на основе которого составлены картосхемы обеспеченности почв микроэлементами, рассчитан баланс изучаемых элементов. Автор принимал личное участие при отборе почвенных образцов и их анализе в рамках программы по разработке «Красной книги почв Белгородской области».

Особую признательность и глубокую благодарность автор выражает своему научному руководителю — доктору с.-х. наук, профессору C.B. Лукину за всестороннюю поддержку, помощь и ценные научные консультации. За предоставленные первичные материалы автор признателен коллективу и лично директору Государственного центра агрохимической службы «Белгородский» заслуженному агроному России П.М. Авраменко.

УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Наиболее распространенные почвообразующие породы на территории области — лессовидные суглинки и глины. Лессы небольшой площадью выделены в крайней западной части области. По характеру почвенного покрова всю территорию области разделяют на зоны:

> Лесостепная зона (западный и центральный почвенный округ):

- Украинская почвенная провинция (около 25% территории). Здесь преобладают черноземы типичные (39% площади) и выщелоченные (27% площади). Они мощные и среднемощные, но малогумусные.

- Среднерусская лесостепная почвенная провинция. Здесь уменьшается доля типичных и выщелоченных черноземов (соответственно 27 и 22%), но возрастает доля оподзоленных черноземов и серых лесных почв. Они являются среднемощными средне- и малогумусными.

> Степная зона (юго-восточный почвенный округ):

- Среднерусская степная провинция. Почвенный покров в основном представлен черноземами обыкновенными среднемощными среднегумусными. Склоны северных экспозиций заняты черноземами типичными, а южных —

черноземами карбонатными и остаточно-карбонатными (Ахтырцев, Соловиченко, 1984)

Склоновые типы местности, ливневый характер выпадения осадков и высокая степень распаханности способствуют интенсивному развитию эрозионных процессов на территории области Склоны занимают более 72% общей площади, в том числе с крутизной более 3° - 30% Эродированные почвы составляют 53,6% общей площади области

В Белгородской области около 500 тыс га пашни с кислой реакцией среды Кислые почвы в основном представлены черноземами оподзоленными и выщелоченными, серыми и темно-серыми лесными почвами, которые преимущественно расположены в западных районах

Агроэкологическая оценка почв Белгородской области осуществлялась на основе анализа данных агрохимического обследования, проводимого с 1964 г Всего было проведено 7 циклов обследования, периодичность обследования составляет 5 лет При проведении сплошного обстедования одна объединенная почвенная проба (состоящая из 20-40 точечных проб) отбирается из пахотного (0-25 см) слоя с площади 20 га (элементарный участок)

Кроме того, агрохимической службой, начиная с 1998 г, осуществляется локальный агроэкологический мониторинг в соответствии с утвержденной методикой (Методические указания , 2003) Для его проведения в 20 районах области на пахотных почвах заложены реперные объекты, которые представляют собой поле или участок поля площадью 4-40 га Почвенный покров реперных участков в основном представлен черноземами типичными и выщелоченными, агрохимическая характеристика которых представлена в табл 1 На этих участках ежегодно проводится мониторинг за изменением основных показателей плодородия почв в метровом слое почвенного профиля, урожайности и качества сельскохозяйственных культур

В почвенных пробах определение подвижных форм цинка осуществлялось по ГОСТ Р 50686 - 94, подвижной меди - по ГОСТ Р 50683 - 94, подвижного марганца - по Р 50685 - 94, подвижной серы - по ГОСТ 26490 - 85, подвижных форм кадмия и свинца в соответствии с «Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в кормах и растениях и их подвижных соединений в почвах» (1993 г)

При выполнении работы по составлению картограмм использовались обобщенные данные по средневзвешенному содержанию элементов в хозяйствах и карта-схема границ землепользовании области масштаба 1 200000 Работа выполнялась в следующей последоватечьности На карте землепользовании в пределах каждого хозяйства отмечалось средневзвешенное содержание элемента Затем проводили цветовое оформление районов,

содержащих одинаковые, в пределах установленных градаций, количества картируемого показателя.

Таблица 1

Агрохимическая характеристике метрового слоя почв реперных участков

Глубина отбора, см РНсоя Нг, ммоль/ 100 г почвы Гумус, %

Чернозем типичный

0-20 5,7 2,9 4,85

20-40 5,9 2,4 4,58

40-60 6,8 1,3 3,14

60-80 7,1 0,6 2,19

80-100 7,2 0,4 1,58

Чернозем выщелоченный

0-20 5,4 3,2 4,56

20-40 5,7 2,6 3,89

40-60 6,1 1.6 3,20

60-80 6,6 1,1 2,21

80-100 6,8 0,8 1,79

Баланс элементов определялся по разности между суммарным количеством поступивших в систему и вынесенных из нее элементов; как источники поступления были учтены минеральные и органические удобрения, промышленные выбросы. Отчуждение элементов из почвы учитывалось по показателям выноса с основной и побочной продукцией сельскохозяйственных культур, смывом с верхним горизонтом почвы.

Для расчета содержания Б, 2п, Мп, Си, РЬ и Сс1 в минеральных, органических удобрениях за период 1984-2004 гг., использовались данные о содержании этих элементов во всем ассортименте средств химизации, среднегодовые данные по объему и площадям применения удобрений. Объемы вносимых удобрений по агрохимическим циклам представлены в табл. 2.

Таблица 2

Средние дозы вносимых удобрений в области по циклам агрохимического обследования

Циклы Годы Органические удобрения, т/га Минеральные удобрения, кг/га д.в.

фосфорные калийные азотные

IV 1984-1989 5,8 47,0 46,0 71,0

V 1990-1994 5,2 40,0 25,0 47,0

VI 1995-1999 2,4 12,0 3,0 22,0

VII 2000-2004 1,2 9,2 8,9 21,0

Хозяйственный вынос элементов с основной и побочной продукцией определялся традиционным способом, т.е. на основе структуры посевных

площадей, величины урожая, содержания элементов в растениях Остальные статьи баланса были установлены справочно, на основе работ многих исследователей в данной области Для оценки степени компенсации выноса определенного элемента его привносом в агроландшафт был рассчитан показатель интенсивности баланса, который определялся как процентное отношение прихода элемента к его расходу

Для характеристики избирательного поглощения химических элементов растениями был рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБГТ), который определяется как отношение содержания элемента в золе растения к его содержанию в пахотном слое почвы (Перельман, 1975) Содержание золы в абсолютно сухом веществе сельскохозяйственных растений составляло в корнеплодах сахарной свеклы - в среднем 2,7%, в ботве - 16,4%, в зерне и соломе озимой пшеницы - 2,2 и 6,9% соответственно, в зерне и соломе ячменя - 3,0 и 6,75%, в семенах и стеблях подсолнечника - 3,9 и 8,9%, в зеленой массе кукурузы - 5,9%

Для оценки экологического состояния почв в работу были включены данные, полученные в результате исследований в 2006 году в рамках проекта по созданию «Красной книги почв Белгородской области» Для почвенного исследования с целью составления указанного издания были выкопаны 48 разрезов эталонных, редких, окультуренных и деградированных почв глубиною до 2 м в различных районах области По эталонным почвам было составлено морфологическое описание признаков генетических горизонтов, определены химические и агрофизические свойства

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Агроэкологическая оценка содержания подвижных форм серы

За последние 15 лет содержание подвижной серы в почвах Белгородской области закономерно уменьшалось По данным сплошного агрохимического обследования, в VII цикле доля низкообеспеченных почв составила 88,0%, среднеобеспеченных и высокообеспеченных - 10,9 и 1,1% соответственно (табл 4) В этот период средневзвешенное содержание подвижной серы составило 3,47 мг/кг, что в 1,9 раза меньше, чем в 1990-1994 гг

По данным последнего цикла обследования в 2000-2004 гг - в наименьшей степени (0,86-1,90 мг/кг) были обеспечены подвижными формами серы почвы Старооскольского района, представленные выщелоченными черноземами и серыми лесными почвами, а также почвы Среднерусской лесостепной и степной провинций, где высока доля эродированных почв (Красногвардейский, Вейделевский, Ровеньский, Чернянский районы) (рис 1)

Рис. 1. Картограмма содержания подвижных форм серы в почвах пашни Белгородской области (2000-2004 гг.)

В наилучшей степени (5,37-6,00 мг/кг) обеспечены подвижными формами серы почвы Украинской почвенной провинции (Ракитянский и Борисовский районы)

Содержание подвижных форм серы, как высокоподвижного элемента, легко вымывающегося из пахотного слоя, в значительной степени зависит от степени эродированности территории, по данным, полученным в ходе создания «Красной книги почв» количество элемента на слабосмытых почвах составляет 1,3 мг/кг, на сильносмытых - элемента не обнаружено Современная агротехника, а также научно обоснованное внесение удобрений оказывают значительный положительный эффект на содержание подвижной серы, в результате чего высококультурные почвы колхоза им Фрунзе (чернозем типичный среднемощный) по содержанию подвижных форм серы относятся к категории высокобеспеченных, количество этемента в пахотном слое составляет 13,8 мг/кг (табл 5)

Существенное снижение обеспеченности почв подвижной серой подтверждают данные токального мониторинга (табл 6) Если в 1998 г содержание подвижной серы в среднем по профилю составляло 3,40±0,41 мг/кг, то к 2005 году произошло снижение данного показателя более чем в 3 раза - до 0,98±0,23 мг/кг

В метровом профиле почвы наиболее высокое содержание подвижных форм серы отмечается в пахотном слое (около 46% от общего количества), а наиболее низкое - в слое 20 80 см Содержание подвижной серы на глубине 80100 см несколько увеличивается по сравнению с количеством в слое 20-80 см Вероятная причина такого распределения подвижной серы - в вымывании этого элемента из пахотного слоя и накопление в стое 80-100 см, а возможно, и в более глубоких слоях почвы

Основной причиной, обуславливающей недостаточную обеспеченность почв области подвижной серой, является сложившийся отрицатетьный баланс элемента в агроценозах, возникший в результате снижением уровня применения удобрений, содержащих серу Интенсивность баланса элемента за период 1984-2004 гг снизилась с 59,0 до 12,8% (табл 7)

Агроэкологическая оценка содержания цинка

Средневзвешенное содержание валовых форм цинка в пахотном слое составило 44,0 мг/кг (табл 3) Наблюдаются существенные различия в содержании элемента в зависимости от механического состава и кислотности почв Так, в пахотном слое песчаных почв этот показатель составляет 24,9, в глинистых с рНсол < 5,5 - 41,4, в глинистых с рНсОЛ > 5,5 - 45,9 мг/кг,

установленные значения являются уточненными региональными кларками. На распределение металла также повлияла степень эродированности конкретной территории, так как отмечена корреляционная зависимость (г = 0,4) между концентрацией элемента и долей эродированных территорий.

Концентрация валовых форм цинка с увеличением глубины достоверно не изменялась, однако тенденция к уменьшению прослеживается достаточно четко (табл. 6).

Таблица 3

Средневзвешенное содержание химических элементов в пахотном слое

почвенных зон области, мг/кг (2000-2004 гг.)

Почвенные зоны Обслед. площадь, га Валовые формы Подвижные ( >ормы

Си Та РЬ са в Хп Мп

Лесостепная зона

Украинская почвенная провинция 234176 11,7 39,2 12,8 0,29 4,61 0,40 7,45

Среднерусская лесостепная провинция 575331 13,8 43,7 14,7 0,35 3,18 0,63 11,1

Степная зона

Среднерусская степная провинция 302990 14,5 45,4 14,3 0,36 3,14 0,41 9,32

В среднем по области 1112497 13,5 44,0 14,3 0,35 3,47 0,51 9,75

По данным последнего цикла агрохимического обследования установлено, что наиболее высоким содержанием валовых форм цинка (более 50 мг/кг) отличаются почвы Среднерусской лесостепной и степной провинций, сформированные на третичных глинах (Вейделевский, Волоконовский, Новооскольский районы). В наименьшей степени (34,8-35,1 мг/кг) обеспечены элементом пахотные почвы Украинской почвенной провинции (Краснояружский, Грайворонский, Ракитянский, Борисовский районы), где почвообразующими породами являются лессовидные суглинки, суглинистые и супесчаные аллювиально-делювиальные отложения (табл. 3).

Содержание подвижных форм цинка в пахотных почвах области весьма незначительно и в среднем по профилю составляет около 1,5% от его валового количества. По результатам обследования 2000-2004 гг., низкая обеспеченность подвижным цинком характерна для 99,1% пашни, средневзвешенное содержание подвижных форм цинка составляет 0,51 мг/кг, что в 2,7 раза меньше, чем в 1900-1994 гг. (рис. 2, табл. 4).

Количество подвижных форм цинка в пахотном слое целинных черноземов (0,78 мг/кг) на заповедном участке «Ямская степь» почти в 1,5 раза больше, чем в пахотных почвах региона (0,56 мг/кг), что можно объяснить интенсивным некомпенсированным выносом элемента с урожаем

сельскохозяйственных культур Высококультурные черноземы колхоза им Фрунзе отличаются наибольшим значением данного показателя (1,05 мг/кг) (табл 5)

Таблииа 4

Динамика обеспеченности подвижными формами элементов почв пашни Белгородской области по циклам агрохимического обследования, %

Циклы агрохимического обследования

Показатели V (1990-1994 гг) VI (1995-1999 гг) VII (2000-2004 гг)

Сера

Группировка почв низкое (<6,0) 49 4 70 0 88 0

по обеспеченности. среднее (6 0-12 0) 44 9 27 7 10.9

% высокое (>12 0) 5,70 2 30 1 10

Средневзвешенное содержание, мг/кг 6,60 5 47 3.47

Цинк

Группировка почв низкое (<2,0) 84,5 98 8 99,1

по обеспеченности, среднее (2 1-5 0) 13 6 1.10 0 90

% высокое (>5 0) 1,90 00 0,0

Средневзвешенное содержание, мг/кг 1,40 0 66 0,51

Марганец

Группировка почв низкое ("~10 0) 25,1 45,0 65,7

по обеспеченности, среднее (10,0-20,0 44,5 44,2 31.1

% высокое (>20 0) 30 4 10 8 3,20

Средневзвешенное содержание мг/кг 17 5 12 1 9 75

Таблица 5

Содержание подвижных форм элементов в черноземе типичном

(по данным «К расной книги почв») мг/кг

Почвы высокой Фоновые почвы Почвы низкого

Элементы культуры земледелия (колхоз им Фрунзе) (заповедный участок «Ямская степь») уровня плодородия (сильносмытые)

8 13 8 3,80 0,00

7л 1,05 0,78 0,58

Мп 12,0 12 2 5,07

Си 0,24 0 20 0,16

Сё 0,06 0 07 0,05

РЬ 1 15 1 32 1 23

В профильном распределении наблюдаются два максимума первый - в слое 0-20 см, что объясняется более низкими значениями рНсол в указанном слое, второй - на глубине 80-100 см в карбонатном горизонте Содержание подвижных форм цинка в стое почвы 80 — 100 см достоверно выше, чем в слое 20-60 см Считается, что более высокое содержание подвижных форм цинка в глубоких (карбонатных) горизонтах обусловлено образованием в щеточной среде растворимых цинкатов (Протасова, Щербаков, 2003) Отмеченная тенденция, к накоплению подвижных форм цинка в слое 80 - 100 см, также

косвенно свидетельствует о вымывании этого элемента из пахотного и подпахотного слоев почвы.

Значение рНС0Л в слое 80-100 см достоверно выше, чем в пахотном слое, -соответственно 7,1 и 5,6. Необходимо отметить, что в почвах реперных объектов (черноземах выщелоченных и типичных) на глубине 30-50 см происходит резкое изменение значения величины рНсоЛ (с 5,8 до 6,6). Таким образом, можно говорить о сформированном в профиле щелочном барьере на границе горизонтов А и В.

Нашими исследованиями установлено, что на глубине около 50 см происходит резкое снижение концентрации растворимых соединений в результате того, что щелочной барьер способствует переходу подвижных форм 2л, Мп, Си, РЬ и С<3 в неподвижные.

В целом с 1984 по 2004 гг. складывался отрицательный баланс цинка, однако если в 1984-1989 гг. поступление цинка в почву на 91,0% компенсировало его отчуждение с сельскохозяйственной продукцией и смывом почвы, то в 2000-2004 гг. - только на 56,7% (табл. 7).

Цинк можно отнести к группе сильно накапливаемых элементов, поскольку величина КБП находилась в переделах от 1 до 10 или даже выше. Элементы низкой интенсивности поглощения имеют величину КБП менее 1. Коэффициент биологического поглощения цинка для основной продукции изучаемых культур (озимой пшеницы, ячменя, подсолнечника) был существенно выше, чем для побочной, что может свидетельствовать о высокой биохимической значимости этого элемента и его необходимости для нормального развития репродуктивных частей растений (табл. 8,9).

Почвы Белгородской области не содержат цинк в токсичных для растений концентрациях (превышений ПДК и ОДК никогда не выявлялось), более того, содержание подвижных форм этого металла можно охарактеризовать как очень низкое.

Агроэкологическая оценка содержания марганца

В результате исследования было установлено, что региональный кларк элемента (среднее фоновое содержание валовых форм марганца в пахотном слое почв) составляет 361±40 мг/кг. Распределение элемента по профилю имеет равномерный характер, коэффициент вариации по слоям не превышает 18%, а содержание в нижних слоях (80-100 см) достоверно не отличается от концентрации валового марганца в пахотном слое (табл. 6).

По результатам обследования 2000-2004 гг., низкая обеспеченность подвижных форм марганца характерна для 65,7% пашни, средневзвешенное

содержание подвижного марганца составляет 9,75 мг/кг, что в 1,8 раза меньше, чем в 1900-1994 гг (см табл 4)

По данным сплошного агрохимического обследования установлено, что в настоящее время наиболее хорошо обеспечены подвижным марганцем (14,918,7 мг/кг) почвы Украинской и Среднерусской лесостепной провинций (Старооскольский, Ивнянский, Яковлевский, Шебекинский районы) Наиболее низкое содержание подвижных форм этого металла (5,63-6,78 мг/кг) характерно для почв крайней западной части лесостепной зоны (Борисовский, Ракитянский, Грайворонский районы), характеризующихся пониженным содержанием илистой фракции (см табл 3, рис 3)

Фактором, обусловливающим пространственную неоднородность в обеспеченности почв подвижными формами марганца, является интенсивное снижение количества данного элемента на более эродированных территориях На сильносмытых почвах содержание этого элемента более чем в 2 раза меньше, чем на слабосмытых почвах соответственно 5 07 и 12,07 мг/кг

Количество подвижных форм элемента в пахотном слое почв составляет только 2,4% от валового содержания марганца

В профильном распределении подвижных форм элемента наблюдаются два максимума в пахотном горизонте, а также в слое 80-100 см, где в щелочной среде может возрастать подвижность элемента, за счет образования комплексов с органическими лигандами и анионными комплексами (Тяжелые металлы 1997) На наш взгляд, отмеченная тенденция к накоплению подвижных форм марганца в слое 80-100 см косвенно свидетельствует о вымывании этого элемента из пахотного и подпахотного слоев почвы

С 1984 по 2004 гг складывался отрицательный баланс марганца, но если в 1984-1989 гг поступление элемента в почву на 36 5% компенсировало его отчуждение с сельскохозяйственной продукцией и смывом почвы, то в 20002004 гг - только на 13,4 (табл 7)

Марганец можно отнести к группе элементов сильного биологического поглощения, поскольку величина КБП находилась в переделах от 1 до 10 (табл 9) Коэффициент биологического поглощения марганца для основной продукции изучаемых культур был существенно выше, чем для побочной. Среднее содержание данного элемента также выше в основной продукции, чем в побочной, что подтверждает биохимические функции этого элемента

Можно констатировать, что почвы Белгородской области не содержат марганец в токсичных для растений концентрациях (превышений ПДК не выявлено), более того, содержание подвижных форм этого металла можно охарактеризовать как недостаточное

О 49 -среневзвешенное содержание подвижного цинк? мг/кг

Рис 2 Картограмма содержания подвижных форм цинка в мо шах п инни Белгородской об ысти (2000 2004 п )

|_ 6,89 -среневзвешенное содержаниеподвижного марганца, мг/кг

Рис. 3. Картограмма содержания подвижных форм марганца в почвах пашни Белгородской области (2000-2004 гг.)

Агроэкологическая оценка содержания меди

На основе данных сплошного агрохимического обследования уточнены региональные кларки элемента Так, средневзвешенное содержание валовых форм меди в пахотном слое пинистых почв с рНс,„ < 5,5 составило 12,8, а в глинистых с рНсол > 5,5 - 14,0 мг/кг Полученные данные подтверждают тот факт, что с увеличением кислотности почв количество валовых форм меди снижается, так как кислая среда способствует высвобождению элемента, и как результат - более интенсивному выносу его с урожаем растений

По данным реперных объектов было установлено, что содержание валовых форм меди в пахотном слое почв области составляет 13,0±0,98 мг/кг, что практически совпадает со средневзвешенным содержанием, установленным по результатам сплошного обследования (13,5 мг/кг) (табл 3, 6)

Таблица б

Содержание химических элементов в профиле почв реперных объектов, мг/кг

Гтубина отбора проб см Си | гп са РЬ ! Мп в

Валовое содержание

0-20 13,0±0,98 40,6±2 32 1 0,32±0,01 13,1±0,74 | нд н д

20 40 12,6±0,98 39,9±2,08 0 32±0,01 12,7±0,76 ' н д н д

40-60 12 0±1,04 39,5±2,13 |0,31±0 01 12,4±0,74 н д н д

60-80 1 11,4±1,03 38,8±2,16 0 31±0,01 12,6*0,80 н д н д

80-100 1 10,9±0,97 37 8±2,11 0,29±0,01 12 6±0,84 н д н д

0-100 12,0±0,98 39,3±2,12 1 0,31±0,01 12,7±0,75 нд н д

Содержание подвижных форм

0-20 '0,15^,01 0 62±0,12 0,08±0,007 1.09±0ДЗ '8,42±1.53 2 05±0,59

20-40 |0,12±0 01 0,41±0 06 1 0 07±0 01 1,09±0,17 6,92±1,30 0,81 ±0,3 8

40-60 'О 12±0 02 0 44±0 11 0 08±0 008 1 21±0 17 6 27*1,32 0 25±0,16 0 28±0 25

60-80 |0,20±0,04 0,59±0,13 0,07±0 012 0,09±0ДИ 1,47±0 17 1 68±0,23 7,53±1,49

80-100 0,29±0,06 0,72±0,14 8,35±1,46 1,03±0,58

0-100 |0,18±0,02 0,56±0,08 0,08±0,04 | 1,31±0,14 7,50±1,30 0,98±0,23

Наибольшим количеством валовых форм меди (более 15,0 мг/кг) характеризуются почвы Среднерусской тесостепной и степной провинций (Вейделевский, Волоконовский, Новооскольский районы), почвы которых имеют тяжелый гранулометрический состав Наименьшее содержание элемента (10,8-11,6 мг/кг) характерно для почв Украинской почвенной провинции (Борисовский, Грайворонский, Ивнянский, Ракитянский районы), в структуре почвообразующих пород которых преобладают лессы, суглинистые и супесчаные отложения, с более легким гранулометрическим составом (см табл 3) На распределение элемента по территории области оказала влияние степень смытости, так как установлена прямая корреляционная зависимость (г = 0,7) между концентрацией элемента и долей эродированных площадей

Содержание подвижных форм меди в пахотном слое заповедного участка «Ямская степь» несколько выше среднего содержания этого элемента на реперных объектах, а типичные черноземы высококультурных почв колхоза им. Фрунзе характеризуются наибольшей концентрацией подвижных форм меди (0,24 мг/кг) (табл. 5).

Содержание подвижных форм меди в пахотном слое почв реперных объектов в среднем составляет 0,13±0,02 мг/кг. Концентрация подвижных форм данного металла как амфотерного элемента увеличивается в щелочной среде (рН>7), в результате чего в профильном распределении максимальные значения приурочены к слою 80-100 см, а возможно, и ниже.

Расчеты баланса показали отрицательную динамику содержания меди в агроландшафтах области, а интенсивность в период 1984-2004 гг. снизилась с 69,7 до 37,0% (табл. 7).

Таблица 7

Баланс 8, Хп, Мп, Си, РЬ, Сё в агроландшафтах Белгородской области

Годы Приход, г/га пашни в год Расход, г/га пашни в год Баланс, + г/га в год Интенсивность баланса, %

Сера

1984-1989 18020 30550 -12500 59,0

1990-1994 13980 29760 -15800 47,0

1995-1999 3160 27940 -24800 11,3

2000-2004 3690 28860 -25200 12,8

Цинк

1984-1989 168 184 -16,6 91,0

1990-1994 158 181 -22,5 87,6

1995-1999 116 157 -41,4 73,6

2000-2004 98,3 173 -75,0 56,7

Марганец

1984-1989 311 849 -539 36,5

1990-1994 290 838 -550 34.5

1995-1999 158 797 -639 19,8

2000-2004 109 814 -704 13,4

Медь •

1984-1989 27,5 39,5 -12,0 69,7

1990-1994 25,1 39,5 -14,4 63,6

1995-1999 17,2 36,1 -18,9 47,7

2000-2004 13,6 37,8 -24,2 36,0

Кадмий

1984-1989 1,07 0,85 0,2 126

1990-1994 0,93 0,85 0,1 109

1995-1999 0,64 0,85 -0,2 81,0

2000-2004 0,62 0,85 -0,2 75,6

Свинец

1984-1989 26,4 28,2 -1,8 93,6

1990-1994 25,0 28,2 -3,2 88,6

1995-1999 23,4 27,6 -4,2 84,7

2000-2004 22,1 28.0 -5,9 79,0

Однако при отрицательном балансе, на основе токального мониторинга установлено, что содержание подвижной меди в период 1998-2005 гг не меняется Таким образом, корректная оценка динамики элемента требует дальнейших исследований

Основная продукция зерновых культур (озимой пшеницы, ячменя) и подсолнечника отличается повышенным содержанием меди по сравнению с побочной, так как данный элемент является стимулятором физиологических процессов, протекающих в репродуктивных органах растений (табл 8)

Медь можно охарактеризовать как элемент достаточно высокой интенсивности поглощения, величина КБП выше I (табл 9)

В целом почвы Белгородской области недостаточно обеспечены подвижной медью, а превышений ПДК и ОДК никогда не выявлялось.

Агроэкологическая оценка содержания кадмия

Средневзвешенное содержание валовых форм кадмия в зависимости от механического состава, кислотности изменяется незначительно и составляет в пахотном слое песчаных почв 0,31, в глинистых с рНсоЛ < 5,5 - 0,33, в глинистых с рНсол > 5,5 - 0,36 мг/кг, указанные значения являются уточненными региональными кларками

В результате образования комплексных соединений валового кадмия с органическим веществом пахотный слой почв характеризуется повышенной концентрацией данного элемента, с глубиной же общее содержание металла в почвенных профилях снижается (см табл 6)

Наибольшее средневзвешенное количество валового кадмия (более 0,60 мг/кг) приурочено к почвам Среднерусской лесостепной и степной провинций (Валуйский, Волоконовский районы) тяжелого гранулометрического состава, с высоким содержанием гумуса и глинистой фракции Соответственно наименьшие концентрации (менее 0,20 мг/кг) наблюдаются на почвах Украинской почвенной провинции с большей долей песчаной фракции и более кислой средой почвенного раствора (Борисовский, Грайворонский, Ракитянский районы)

На территориях с почвами разной степени смытости не выявлено определенной закономерности в содержании валового кадмия корреляционная зависимость между долей эродированной территории и содержанием элемента отсутствует

Данные локального мониторинга показывают, что среднее содержание подвижных форм кадмия в пахотных почвах области составляет 0,08±0,04 мг/кг (см табл 6)

Содержание химических элементов в сельскохозяйственных растениях, мг/кг абс. сух. вещ.

Таблица 8

Элементы Озимая пшеница Ячмень Сахарная свекла Подсолнечник Кукуруза на силос

зерно солома зерно солома корнеплоды ботва семена стебли зел. масса

Си 3,45±0,41 1,04±0,24 3,1 ±0,26 1,43±0,23 1,83±0,54 3,08±1,29 11,8±3,73 3,33±1,75 2,25±0,96

Ъп 25,9±2,56 8,82±3,21 27,4± 1,87 10,8±1,55 10,71:2,26 12,0±5,09 35,5±7,51 14,2±5,50 22,9±9,26

Мп 33,6±6,04 23,5±7,22 16,4±1,75 24,4±4,10 35,2±13,1 86,6±33,6 16,612,0 11,1±4,57 33,5±26,4

РЬ 0,40±0,07 0,49±0,08 0,34±0,08 0,64±0,15 0,42±0,14 0,34±0,09 0,42±0,10 0,58±0,10 0,56±0,23

С<3 0,051:0,01 0,06±0,01 0,04±0,01 0,05±0,01 0,04±0,01 0,08±0,01 0,04±0,02 0,07±0,01 0,05±0,02

Таблица 9

Коэффициент биологического поглощения химических элементов, (мг/кг золы раст.)/(мг/кг почвы)

Элементы Озимая пшеница Ячмень Сахарная свекла Подсолнечник Кукуруза на силос

зерно солома зерно солома корнеплоды ботва семена стебли зел. масса

Си 12,0 1,2 8,0 1,6 5,2 1,4 23,2 2,9 2,9

Ъп 29,0 3,1 22,5 3,9 9,8 1,8 22,4 3,9 9,5

Мп 4,3 0,9 1,5 1,0 3,6 1,5 1,2 0,3 1,6

РЬ 1,4 0,5 0,9 0,7 1,2 0,2 0,8 0,5 0,7

са 7,1 2,8 4,0 2,3 4,6 1,4 3,3 2,3 2,6

В период с 2001 по 2005 гг значимого изменения в содержании элемента в пахотных почвах не отмечено Содержание подвижных форм кадмия с глубиной почвенного профиля достоверно не изменялось и составляло 22,5-25,3% от валового количества

В целом с 1995 года на территории области складывается отрицательный баланс кадмия с интенсивностью менее 80% (см табл 7)

Кадмий можно охарактеризовать как элемент сильной интенсивности поглощения, так как величина коэффициента биологического поглощения (КБП) находится в пределах 1-10 (см табл 9) В результате того, что биологические фильтры препятствуют накоплению ионов токсичных металлов в репродуктивных органах растений, для основной продукции характерны более низкие концентрации кадмия, чем для побочной (см табл 8).

Пахотные почвы области не загрязнены кадмием, так как его содержание никогда не превышало ПДК и ОДК Сельскохозяйственная продукция, производимая в области, безопасна, так как превышений ПДК и МДУ этого токсичного металла не выявлялось

Агроэкологическая оценка содержания свинца

Содержание валового свинца достаточно сильно зависит от механического состава и в меньшей степени от кислотности почв В пахотном слое песчаных почв средневзвешенное содержание валовых форм свинца составляет 9,5, в глинистых с рНС0Л < 5,5 - 13,7, в глинистых с рНС01 > 5,5 - 14,7 мг/кг Установленные значения являются уточненными региональными кларками

Общее содержание свинца с увеличением глубины достоверно не изменялось, распределение элемента по горизонтам имеет однородный характер (варьирование не превышает 15%), однако тенденция к уменьшению в нижних слоях прослеживалась достаточно четко (см табл 6) Видимо, для данного элемента характерно биофильное накопление в гумусовом горизонте, так как значительное содержание гумуса способствует образованию нерастворимых гуматов ТМ

Для почв Украинской почвенной провинции (Борисовский, Грайворонский, Краснояружский, Ракитянский районы) характерно пониженное содержание валового свинца (менее 13 мг/кг) Низкий уровень содержания свинца в этом случае обусловлен небольшим содержанием элемента в почвообразующих породах (суглинистых и супесчаных аллювиально-делювиальных отложениях) Наибольшие концентрации элемента (16,6-17,2 мг/кг) приурочены к территориям Среднерусской лесостепной и степной провинций (Ровеньский, Новооскольский, Волоконовский районы), почвы которых отличаются высоким содержанием органического вещества и глинистых минералов, способствующих

сорбции свинца (см. табл. 3). Установлена прямая корреляционная зависимость (г = 0,3) между эродированностью территорий и содержанием валовых форм элемента.

Высококультурные типичные черноземы колхоза им. Фрунзе отличаются наименьшим содержанием подвижных форм свинца (1,15 мг/кг) по сравнению с фоновыми почвами и почвами низкого уровня плодородия. В профильном распределении элемента отчетливо проявляется накопление его на глубине 80100 см, а возможно, и ниже, в результате вымывания элемента из вышележащих слоев.

Исследования показали, что в области сложился отрицательный баланс свинца, интенсивность которого, по сравнению с другими элементами, высока и в 2000-2004 гг. составила 79,0% (см. табл. 7).

Свинец можно охарактеризовать как элемент низкой интенсивности поглощения, так как величина КБП была в основном менее 1. На территории области содержание свинца в почвах не превышает ПДК и ОДК, соответственно производимая продукция безопасна: значения концентраций металла в растениях гораздо ниже ПДК и МДУ.

ВЫВОДЫ

1. В результате исследований уточнены региональные кларки изучаемых элементов, в пахотном слое они составили для цинка — 44,0; для меди — 13,5; для кадмия — 0,35; для свинца — 14,3 мг/кг, для марганца - 361±40 мг/кг.

2. Содержание валовых форм цинка, меди, свинца и кадмия сильно зависит от механического состава и в меньшей степени - от кислотности почв. Песчаные почвы содержат цинка на 40%, кадмия — на 6%, свинца — на 31% меньше, чем глинистые с рНс0Л < 5,5. В свою очередь глинистые почвы с рНС0Л < 5,5 содержат цинка на 10%, меди — на 9%, кадмия — на 8%, свинца — на 7% меньше, чем глинистые почвы с рНс0Я >5,5.

3. По данным локального мониторинга установлено, что на черноземах выщелоченных и типичных валовое содержание меди и кадмия в слое 80-100 см достоверно ниже, чем в пахотном горизонте, а содержание цинка, марганца, свинца имеет тенденцию к уменьшению с увеличением глубины по профилю.

4. Распределение валовых форм меди, цинка, свинца и кадмия имеет географические закономерности. Повышенным содержанием исследуемых элементов отличаются почвы Среднерусской лесостепной и степной почвенной провинций (Волоконовский, Новооскольский, Вейделевский районы), сформированные на почвообразующих породах тяжелого гранулометрического состава — суглинках и глинах. Пониженные значения характерны для почв Украинской почвенной провинции (Борисовский, Грайворонский, Ракитянский

районы), сформированных на более легких породах - лессах и супесчаных отложениях Также, возможно, выявленная закономерность может быть обусловлена уменьшение кислотности почв и количества осадков (а следовательно, и размеров миграции ТМ из пахотного слоя) в восточных районах по сравнению с западными

5 На распределение подвижных форм серы, как наиболее активного мигранта, большое значение оказала степень эродированности территории Как результат этого, наиболее обеспеченными оказались районы с наименьшей долей сильносмытых почв - Ракитянский, Грайворонский, Борисовский

6 За период 1990-2004 гт отмечено резкое снижение содержания подвижных форм серы, цинка и марганца в почвах пашни Белгородской области По результатам сплошного обследования в 2000-2004 гг низкая обеспеченность подвижными формами серы характерна для 88,0%, подвижными формами цинка - 99,1%, подвижными формами марганца - 65,7% пахотных почв По данным локального мониторинга, установлена низкая обеспеченность пахотных почв подвижными формами меди

7 За период 1984-2004 гг резко ухудшился баланс изучаемых элементов В 2000-2004 гг интенсивность баланса серы составила 12,8%, цинка - 56,7%, марганца - 13,4%, меди - 36,0% Баланс высокотоксичных элементов (свинца и кадмия) также отрицателен, его интенсивность в 2000-2004 гт составила соответственно 75,6 и 79,0% Таким образом, расчеты баланса химических элементов в земледелии Белгородской области свидетельствуют о том, что необходимо дополнительное внесение органических, комплексных и минеральных удобрений с целью компенсации сложившегося отрицательного баланса элементов питания растений (серы, марганца, цинка и меди)

8 В профильном распределении подвижных форм элементов установлены два максимума первый - в пахотном слое, который характеризуется значениями рНоол почвенного раствора около 5,6, что способствует более интенсивному высвобождению элементов (цинка и марганца), второй — в слое 80-100 см с рНС01 около 7, в котором происходит образование подвижных форм амфотерных металлов На глубине 30-50 см отмечено снижение количества подвижных форм металлов вследствие их перехода в нерастворимое состояние на щелочном барьере при рНсоп 5,9-6,5

9 Микроэлементный статус растений может быть отнесен к экологически безопасному уровню, так как превышений МДУ и ПДК не выявлено В основной продукции содержание цинка, марганца и меди было выше, чем в побочной, для токсичных же элементов эта закономерность была обратной По величине коэффициента биологического поглощения для основной продукции озимой пшеницы, ячменя, сахарной свеклы и подсолнечника элементы можно расположить в следующий ряд цинк>медь>кадмий>марганец>свинец

10. По результатам обследования, проведенного в 2000-2004 гг., в Белгородской области не выявлено пахотных почв, содержащих цинк, марганец, медь, кадмий и свинец, в концентрациях, превышающих ОДК или ПДК.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Меленцова, C.B. Динамика микроэлементов в почвах Белгородской области. / С.В.Меленцова // Еколопчш проблеми сталого розвитку агросфери в умовах реформування земельних вщносин та шляхи рацюнального використання i охорони земель: Матер1али м1жнародно\" конференцй студентов та асшрантш. - Хармв, 4-7 жов. 2005 р. - Харшв, 2005. - С. 108-109.

2. Меленцова, C.B. Свинец в агроландшафтах Белгородской области / С .В .Меленцова, С.В.Лукин // Экология ЦЧО РФ. - 2005. - №2 (15). - С.134-135.

3. Лукин, C.B. Подвижная сера в почвах Белгородской области / С.В.Лукин, П.М.Авраменко, С.В.Меленцова // Белгородский агромир. - 2005. -№7(26).-С. 31-33.

4. Лукин, C.B. Динамика содержания подвижной серы в почвах Белгородской области / С.В.Лукин, С.В.Меленцова, П.М.Авраменко // Достижения науки и техники АПК. - 2006. - №2. - С. 21-22.

5. Лукин, C.B. Медь в агроландшафтах Белгородской области / С.ВЛукин, С.В.Меленцова // Достижения науки и техники АПК. - 2006. - №4. -С. 46-48.

6. Лукин, C.B. Динамика содержания подвижных форм цинка и марганца в пахотных почвах Белгородской области / С.В .Лукин, П,М.Авраменко, С.В.Меленцова // Агрохимия. - 2006. - №7. - С. 5-8.

7. Меленцова, C.B. Мониторинг содержания тяжелых металлов в агроэкосистемах / С.В.Меленцова, С.В.Лукин // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы II Междунар. науч. конф. - Белгород, 12-15 окт. 2006 г. - М.; Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. - С. 242-243.

8. Меленцова, C.B. Мониторинг микроэлементов в пахотных почвах Белгородской области / С.В.Меленцова, С.В.Лукин // Достижения науки и техники АПК. - 2006. - №10. - С. 29-30.

9. Лукин, C.B. Мониторинг микроэлементов в пахотных почвах Белгородской области / С.ВЛукин, С.В.Меленцова // Земельные ресурсы: состояние и перспективы использования: сб. науч. тр. - Ставрополь: АГРУС, 2006.-С. 145-147.

1,5 печ л

Зак 301

Тир 100 экз

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им К А Тимирязева 127550, Москва, ул Тимирязевская, 44

« J'-J