Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка содержания микроэлементов (Zn, Cu, Co, Mo, Cr, Ni) в агроэкосистемах лесостепной зоны юго-западной части ЦЧО

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка содержания микроэлементов (Zn, Cu, Co, Mo, Cr, Ni) в агроэкосистемах лесостепной зоны юго-западной части ЦЧО"

На правах рукописи /

ХИЖНЯК Роман Михайлович

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ (Хп, Си, Со, Мо, Сг, №) В АГРОЭКОСИСТЕМАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЮГО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЦЧО

Специальность: 03.02.08 - экология (биология)

2 9 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005567867

Москва 2015

005567867

Работа выполнена на кафедре природопользования и земельного кадастра ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель: Лукин Сергей Викторович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, директор ФГБУ «ЦАС «Белгородский»

Официальные оппонепты: Семенов Вячеслав Михайлович,

доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода ФГБУН «Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения» РАН;

Иванова Светлапа Евгеньевна,

кандидат биологических наук, вице-президент программы по Восточной Европе, Центральной Азии и Ближнему Востоку Международного института питания растений

Ведущая организация: ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет»

Защита состоится «26» мая 2015 г. в «17» часов «00» минут на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, тел. / факс: 8(499)976-21-84, e-mail: dissovei@timacad.rii

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и на сайте университета http: //ww w.t i го a cad. ш/.

Автореферат разослан апреля 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета

О.В. Селицкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди множества проблем, стоящих перед человечеством, охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности являются одними из самых важных. Интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенное изменение в биогеохимическом круговороте многих микроэлементов: изменились направления и темпы миграции, переместились зоны их выноса и накопления (Черных и др., 2001).

В современном земледелии низкая обеспеченность почв подвижными формами многих микроэлементов является одним из негативных факторов, отрицательно влияющих на урожайность и качество продукции сельскохозяйственных культур (Соколов и др., 2008; Лукин, 2011; Черников и др., 2013). В живых организмах они входят в состав ферментов, витаминов и других жизненно важных соединений. Дефицит микроэлементов в почве создает барьеры для поглощения растениями отдельных макроэлементов.

В то же время актуальной проблемой, связанной с процессами деградации окружающей среды, является загрязнение компонентов биосферы разными поллютантами, в том числе металлами (Щербаков, Васенёв, 1996). Практически все микроэлементы при их высокой концентрации могут стать токсичными для растений и человека. Оценка содержания микроэлементов в агроэкосистемах является важным звеном агроэкологического мониторинга, результаты которого используются для построения рациональных, экологически безопасных систем удобрения сельскохозяйственных культур в современном земледелии.

Цель и задачи исследования

Цель исследований заключалась в проведении экологической оценки содержания микроэлементов (2п, Си, Со, Мо, Сг, N1) в агроэкосистемах лесостепной зоны юго-западной части ЦЧО.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведена экологическая оценка содержания подвижных форм микроэлементов в пахотном слое почв на основе данных сплошного агрохимического обследования и локального мониторинга.

2. Изучены закономерности биогеохимической миграции микроэлементов в профиле пахотных почв.

3.Установлены размеры накопления микроэлементов в продукции дикорастущих и культурных растений.

4. Установлено содержание микроэлементов в органических и минеральных удобрениях, мелиорантах.

5. Изучены закономерности биологического круговорота микроэлементов в агроэкосистемах.

Объект исследования — агроэкосистемы Белгородской области, входящие в лесостепную зону юго-западной части ЦЧО.

Предмет исследования - закономерности распределения микроэлементов в агроэкосистемах.

Научная новизна. Впервые изучено содержание микроэлементов в различных органических удобрениях и мелиорантах, рассчитан баланс микроэлементов в агроэкосистемах. Уточнены фоновые уровни содержания микроэлементов в целинном и пахотном чернозёме выщелоченном. Установлены коэффициенты биологического поглощения микроэлементов дикорастущими и культурными растениями на чернозёме выщелоченном. Рассчитаны коэффициенты использования запасов подвижных форм микроэлементов пахотного слоя растениями подсолнечника, кукурузы и сои.

Практическая значимость работы. Исследования осуществлялись в рамках реализации Федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агро-ландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы и на период до 2012 года». Полученная информационная база содержания подвижных

соединений микроэлементов в почвах является основой для проектирования систем удобрения сельскохозяйственных культур в Белгородской области.

Научные труды, опубликованные на основе авторских исследований, широко применяются в учебных программах высших учебных заведений ЦЧО.

Защищаемые положения

1. Анализ количественных параметров биологического круговорота микроэлементов в агроэкосистемах.

2. Анализ результатов экологического мониторинга по содержанию микроэлементов в удобрениях, профиле целинных и пахотных почв, дикорастущих и культурных растениях.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены автором на Всероссийской научно-практической конференции «Информационно-технологическое обеспечение адаптивно-ландшафтных систем земледелия» (Курск, 2012), Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в образовании и науки» (Тамбов, 2013), Международной научно-практической конференции «Наука и образование: проблемы и перспективы развития» (Тамбов, 2014).

Личный вклад автора заключается в непосредственном проведении работ по мониторингу плодородия земель сельскохозяйственного назначения, анализе и обработке полученных данных, а также подготовке публикаций в научной литературе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего в себя 183 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 29 таблиц, 6 рисунков, 13 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ: ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, СОДЕРЖАНИЕ, НОРМИРОВАНИЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Проанализированы опубликованные результаты научных исследований, отражающие роль микроэлементов в жизни растений (Кедров-Зихман, 1957; Пейве, 1961; Школьник, 1974; Власюк, 1983; Ковда, 1985; Ягодин, 1993; Соколов и др., 2008 и др.). Рассмотрены закономерности распределения микроэлементов в почвах и их содержание в растениях (Виноградов, 1957; Ковальский, 1974; Алексеев, 1987; А. Кабата-Пендиас и др., 1991; Ильин, 1991; Черных и др., 1996; Протасова, Щербаков, 2003 и др.). Рассмотрены вопросы нормирования содержания микроэлементов в почвах и растениеводческой продукции (Обухов и др., 1980; Важенин, 1982; Лукин, 1999).

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Территория Белгородской области включает лесостепную (около 75% площади) и степную почвенные зоны. Площадь пахотных почв составляет 1651 тыс. га, в том числе чернозёмов выщелоченных, расположенных в лесостепной зоне, - более 420 тыс. га. Доля эродированной пашни в Белгородской области составляет 47,9%. В структуре пашни Центрально-Чернозёмных областей (ЦЧО) чернозёмы выщелоченные распространены на площади около 4 млн. га.

В работе использованы материалы сплошного агрохимического обследования пахотных почв. При проведении обследования одна объединенная почвенная проба, состоящая из 20-40 точечных проб, отбиралась из пахотного (025 см) слоя почвы с площади 20 га. Кроме того, использованы данные локаль-

ного агроэкологического мониторинга, который проводится на двадцати репер-ных участках лесостепной зоны в 2010-2014 гг. Они представляют собой поле или участок поля площадью 4-40 га. Почвенный покров реперных участков представлен чернозёмом выщелоченным (табл. 1). Согласно «Методическим указаниям по проведению локального мониторинга на реперных и контрольных участках» (2006) отбор проб почвы по слоям проводился через каждые 20 сантиметров до глубины одного метра из скважин.

Таблица 1

Изменение содержания органического вещества и величины рН по слоям почвенного профиля чернозёма выщелоченного реперных объектов

Слой почвы, см Органическое вещество, % рНкс1 РНБОпн.

0-20 5,3 5,3 6,4

21-40 4,9 5,5 6,6

41-60 4,1 6,0 7,0

61-80 3,3 6,4 7,4

81-100 3,0 6,7 7,6

Содержание в почве подвижных форм молибдена определялось по методу Григга (ГОСТ Р 50689-94), для экстракции использовался оксалатно-буферный раствор с рН 3,3. Определение содержания подвижных форм цинка проводилось по ГОСТ Р 50686-94, подвижных форм меди и кобальта - по ГОСТ Р 50683-94. Для извлечения подвижных форм цинка, меди, кобальта, хрома и никеля из почвы использовался ацетатно-аммонийный буферный раствор с рН 4,8. Валовое содержание микроэлементов в почве определялось методом атомно-эмиссионной спектрометрии в соответствии с М-МВИ-80-2008.

Определение содержания цинка, хрома, никеля, меди и кобальта в растениеводческой продукции проводилось в соответствии с ГОСТ 30692-2000 (корма растительные). Содержание молибдена определялось в соответствии с «Методическими указаниями по колориметрическому определению микроэлементов в кормах и растениях».

При статистической обработке данных использовались расчёты доверительного интервала для среднего значения (л+^з^) и коэффициента вариации (V, %) (Доспехов, 1979).

Для характеристики избирательного поглощения химических элементов сельскохозяйственными культурами используется коэффициент биологического поглощения (КБП), который рассчитывается как отношение содержания элемента в золе растения к его содержанию в пахотном слое почвы. Содержание золы в абсолютно сухом веществе семян подсолнечника составляет 2,5%, стеблей и корзинок подсолнечника - 5,1, зерна кукурузы - 1,5, соломы кукурузы - 7,3, зерна сои - 5,2, соломы сои - 5,6, степного разнотравья (заповедник «Белогорье» участок «Ямская степь») - 6,4%.

При расчете хозяйственного баланса микроэлементов в земледелии учитывалось их поступление с органическими и минеральными удобрениями, семенами. В расходной статье баланса учитывался вынос элементов с товарной частью урожая и потери в результате смыва почвы.

ГЛАВА 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ

Кларки валового содержания цинка, меди, кобальта, молибдена, хрома и никеля в почвах составляют соответственно 50, 20, 8, 2,6, 200 и 40 мг/кг (Виноградов, 1957). Фоновое валовое содержание в слое 10-20 см чернозёма выщелоченного заповедника «Белогорье» (участок «Ямская степь») цинка составляет 45,7, меди - 14,3, кобальта - 8,3, молибдена - 2,8, хрома - 22,6, никеля - 23,3 мг/г. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) для тяжелосуглинистых почв с рНкс^ 5,5 составляют: для цинка - 110, меди - 66, никеля - 40 мг/кг. Предельно допустимая концентрация (ПДК) трехвалентного хрома в почве равна 100 мг/кг, тогда как ПДК шестивалентного хрома - 0,05 мг/кг.

По результатам локального мониторинга установлено, что среднее валовое содержание цинка в пахотном слое чернозёма выщелоченного в среднем

составляет 37,1, меди - 13,8 мг/кг. С увеличением глубины почвенного профиля валовое содержание данных металлов достоверно снижалось. Таким образом, для цинка и меди характерно биофилыюе накопление в гумусовом горизонте. Валовое содержание цинка и меди в слое почвы 0-20 см было выше, чем в слое 81-100 см в 1,2 раза. Среднее валовое содержание в пахотном слое кобальта составляло 7,74, молибдена - 1,57, хрома - 21,0, никеля - 24,9 мг/кг. Статистически достоверных изменений в распределении данных элементов по глубине почвенного профиля не установлено. Запасы валового цинка в пахотном слое чернозёма выщелоченного составляли 111,3, меди - 41,4, кобальта - 23,3, молибдена - 4,7, никеля - 74,7, хрома - 63 кг/га (табл. 2).

Никель геохимически связан с кобальтом, поскольку их атомные массы очень близки. Чернозёмные почвы характеризуются достаточно постоянным отношением содержания в пахотном слое никеля к кобальту (№:Со), равным 3 (Протасова, Щербаков, 2003). В наших исследованиях соотношение №:Со по горизонтам почвенного профиля составляло 3,2-3,4. По валовому содержанию в пахотном слое исследуемой почвы микроэлементы образуют следующий убывающий ряд: 7п>№>Сг>Си>Со>Мо. Содержание всех изучаемых элементов в чернозёме выщелоченном было ниже кларков и их концентраций в заповедном чернозёме (за исключением никеля), а также существенно ниже значений ОДК иПДК.

По валовому содержанию микроэлементов в почвах пашни затруднительно определить их доступность растениям. Для оценки обеспеченности сельскохозяйственных культур микроэлементами в почве определяют концентрацию их подвижных форм.

Фоновое содержание подвижных форм цинка, меди, кобальта и молибдена в слое 10-20 см целинного чернозёма выщелоченного заповедника «Белого-рье» (участок «Ямская степь») составляет соответственно 0,75, 0,19, 0,14, и 0,09 мг/кг, что по современной оценочной шкале для пахотных почв соответствует

низкому уровню. Содержание подвижных форм никеля составляет 0,91, хрома - 0,54 мг/кг.

Таблица 2

Вариационно-статистические показатели содержания микроэлементов в чернозёме выщелоченном, мг/кг

Эле- Гори- Валовое содержание Содержание подвижных форм

мент зонт, см Цт V, % 1ип У,%

0-20 37Д±2,44 26,7-51,2 14,1 0,74±0,06 0,52-0,93 17,2

21-40 35,8±2,41 24,0-40,5 14,4 0,73±0,06 0,50-0,94 18,9

гп 41-60 33,9±2,40 20,6-43,3 15,1 0,68±0.07 0,44-0,90 20,3

61-80 31,8±2,26 19,7-38,3 15,2 0,63±0,07 0,40-0,93 25,1

81-100 30,7±1,82 20,5-36,1 12,7 0,63±0.08 0,40-0,93 26,8

0-20 13,8±0,34 12,7-14,8 5,3 0,110±0,004 0,10-0,12 7,1

21-40 13,4±0,36 12,0-14,7 5,8 0,110±0,005 0,09-0,12 9,1

Си 41-60 12,6±0,37 10,8-13,9 6,2 0,100+0,004 0,09-0,12 7,8

61-80 11,8±0,39 10,4-13,0 7Д 0,092±0,005 0,06-0,11 12,5

81-100 11,5±0,40 10,3-13,1 7,5 0,087±0,005 0,07-0,10 12,4

0-20 7,74±0,22 6,81-8,63 6,2 0,085±0,003 0,071-0,095 7,6

21-40 7,68±0,21 7,15-8,72 5,9 0,085±0,003 0,074-0,100 8,8

Со 41-60 7,49±0,33 6,26-8,56 9,4 0,084±0,004 0,073-0,099 9,6

61-80 7,30±0,38 6,07-8,83 11,2 0,078±0,006 0,046-0,097 15,3

81-100 7,24±0,44 5,80-9,27 13,0 0,074±0,004 0,055-0,087 12,7

0-20 1,57±0,11 1,23-2,01 15,2 0,200±0,015 0,132-0,238 15,6

21-40 1,58±0,11 1,26-2,10 15,1 0,201±0,009 0,156-0,238 9,9

Мо 41-60 1,54±0,12 1,20-2,11 16,9 0,200±0,016 0,135-0,256 17,5

61-80 1,50±0,16 0,96-2,43 22,9 0,177±0,018 0,095-0,225 21,2

81-100 1,44±0ДЗ 0,91-2,05 19,9 0,119±0,026 0,053-0,207 46,7

0-20 21,0±0.86 17,3-25,1 8,7 0,44±0,02 0,37-0,50 7,9

21-40 21,1±0,97 17,9-25,6 9,8 0,42+0,01 0,35-0,46 6,4

Сг 41-60 20,6±1,18 17,0-25,9 12,3 0,41±0,02 0,34-0,45 7,6

61-80 20,2±1,30 16,3-25,9 13,8 0,41±0,02 0,35-0,46 8,2

81-100 19,8±1,11 16,2-26,6 12,0 0,42±0,02 0.35-0,47 7,4

0-20 24,9±0,79 22,5-28,4 6,8 0,63±0,07 0,50-1,05 22,2

21-40 25,0±0,79 22,6-28,4 6,7 0,60±0,03 0,53-0,79 11,4

№ 41-60 24,6±0,91 21,2-27,4 7,9 0,59±0.04 0,51-0,84 14,2

61-80 23,6±1,02 20,5-27,6 9,3 0,54±0,04 0,34-0,71 16,1

81-100 23,2±1,25 19,8-28,9 11,6 0,50±0,04 0,40-0,72 15,3

По данным сплошного агроэкологического обследования, содержание подвижного цинка в почвах Белгородской области за последние годы снижалось. Средневзвешенное значение показателя составляло в 1990-1994 гг. - 1,44; в 1995-1999 гг. - 0,66; в 2000-2004 гг. - 0,51, в 2005-2009 гг. - 0,5 мг/кг. Только в 2010-2014 гг. наметилась слабая тенденция к повышению данного показателя до 0,53 мг/кг (рис. 1). Между средневзвешенным содержанием подвижных форм цинка и величиной рНКа по районам области обнаружена корреляционная связь (г=-0,64). С увеличением кислотности содержание подвижных форм цинка в почвах, как правило, возрастало. Наиболее низкая обеспеченность подвижным цинком была характерна для почв степной зоны области представленных чернозёмами обыкновенными (рис. 2).

оЙ

Ч

3 к £0

4 о

с

19901994

20052009

20102014

Годы обследования

Рис. 1 Динамика средневзвешенного содержания подвижных форм цинка в пахотных почвах Белгородской области

По результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 99,2% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами цинка, 94,1% - подвижными формами кобальта и 96,8% - подвижными формами меди. По данным локального мониторинга можно сделать вывод о средней обеспеченности под-

вижным молибденом (0.2 мг/'кг). Среди причин низкой обеспеченности пахотных чернозёмов подвижной медью, цинком и кобальтом можно выделить, по крайней мере, две. Во-первых, низкое фоновое содержание подвижных форм этих элементов в целинных почвах. Во-вторых, их отрицательный баланс в аг-роэкосистемах, вызванный низким уровнем использования органических удобрений, который наблюдался в Белгородской области на протяжении 1995-2008 гг. (Меленцова, 2007; Корнейко, 2008).

Условные обзначения

Подвижный цинк, мг«г

О -АО ■о »ФИО

Рис. 2. Картограмма содержания подвижных форм цинка в пахотных почвах Белгородской области (2010-2014 гг.)

ГТо результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 99,2% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами цинка, 94,1% - подвижными формами кобальта и 96,8% - подвижными формами меди. По данным локального мониторинга можно сделать вывод о средней обеспеченности подвижным молибденом

(0,2 мг/кг). Среди причин низкой обеспеченности пахотных чернозёмов подвижной медью, цинком и кобальтом можно выделить, по крайней мере, две. Во-первых, низкое фоновое содержание подвижных форм этих элементов в целинных почвах. Во-вторых, их отрицательный баланс в агроэкосистемах, вызванный низким уровнем использования органических удобрений, который наблюдался в Белгородской области на протяжении 1995-2008 гг. (Меленцова, 2007; Корнейко, 2008).

Содержание в пахотном слое подвижных форм хрома и никеля составляло соответственно 0,44 и 0,63 мг/кг, что ниже, чем в целинном чернозёме. Содержание подвижных форм цинка от валового количества элемента в пахотном слое почвы составляло 2,0, меди - 0,8, кобальта - 1,1, молибдена - 13,6, хрома -2,1, никеля - 2,5%. Запасы подвижных форм цинка в пахотном слое почвы составляют 2,22, меди - 0,33, кобальта - 0,26, молибдена - 0,6, хрома - 1,32, никеля —1,89 кг/га.

С увеличением глубины почвенного профиля чернозёма выщелоченного наблюдается тенденция снижения содержания подвижных форм цинка и хрома. Содержание подвижных форм меди, кобальта, молибдена и никеля в слое 81100 см было достоверно ниже, чем в пахотном слое. Одним из наиболее значимых параметров, определяющих закономерности распределения подвижных форм элементов по почвенному профилю, является значение рНКа почвенного раствора. В чернозёмах выщелоченных идет закономерная смена реакции среды с глубиной. На глубине 40-60 см (на границе горизонтов А и В) происходит резкое изменение значения величины рНка (с 5,5 до 6,0), что приводит к снижению подвижности большинства микроэлементов.

Для агроэколошческого нормирования содержания подвижных форм цинка в почвах установлен уровень предельно допустимой концентрации (ПДК), равный 23, меди - 3,0, кобальта - 5, никеля - 4, хрома (Сг3+) - 6 мг/кг. Пахотных почв с превышением данных ПДК на территории области никогда не выявлялось. Содержание подвижных форм молибдена в почве не нормируется.

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Микроэлементный состав растительного покрова конкретного региона является важным индикатором качества окружающей среды. В растительном покрове заповедника «Белогорье» участка «Ямская степь», представленном степным разнотравьем (до 45 видов на м2 с преобладанием ковыля, типчака, тонконога гребенчатого), содержание микроэлементов соответствует убывающему ряду: гп>Си>№>Сг>Мо>Со (табл. 3).

Таблица 3

Вариационно-статистические показатели содержания микроэлементов

в степном разнотравье, мг/кг абсолютно сухого вещества

Элементы 1ип V, %

7.п 27,7±0,36 26,5-28,7 2,8

Си 5,20±0,05 5,07-5,38 2,2

Со 0,122±0,003 0,103-0,135 5,8

Мо 0,221±0,005 0,202-0,239 4,6

№ 0,655±0,02 0,588-0,745 6,6

Сг 0,373±0,014 0,336-0,452 8,2

Из обследуемых культурных растений цинк в наибольших количествах накапливался в семенах подсолнечника (39,1 мг/кг) и зерне сои (34,4 мг/кг), а в зерне кукурузы его содержание составляло всего 16,9 мг/кг. Побочная продукция кукурузы содержала этого металла в 1,4 раза, сои - в 5,6, подсолнечника - в 3,3 раза меньше, чем основная продукция.

Медь наиболее сильно аккумулировалась в семенах подсолнечника (14,5 мг/кг) и зерне сои (11,7 мг/кг), а минимальное количество этого элемента отмечалось в зерне кукурузы (2,56 мг/кг). Побочная продукция подсолнечника содержала меди в 4,7 раза, сои - в 3,3 раза меньше, чем основная. Содержание меди в соломе кукурузы было в 1,7 раза выше, чем в зерне.

Для кобальта характерна тенденция к большему накоплению в побочной продукции изучаемых культур. Очень низким содержанием этого металла характеризовалось зерно кукурузы (0,044 мг/кг), а его содержание в зерне сои и семенах подсолнечника составляло 0,140 мг/кг.

Молибден наиболее сильно накапливался в зерне сои (0,691 мг/кг) и семенах подсолнечника (0,478 мг/кг). Содержание этого микроэлемента в основной продукции кукурузы, сои и подсолнечника было соответственно в 1,3, 3,3, 1,9 раза выше, чем в побочной.

Аномально высоким накоплением никеля отличалась соя. В зерне этой культуры его содержание составляло 5,15 мг/кг, что в 8,2 раза выше, чем в зерне кукурузы и в 5,9 раза выше, чем в семенах подсолнечника. Соя среди известных сельскохозяйственных культур занимает первое место по накоплению данного металла. В научной литературе отмечается, что содержание никеля в зерне сои составляет не менее 3 мг/кг (Мальцева и др., 2007). Основная продукция всех изучаемых культур содержала никеля больше, чем побочная.

Наиболее высокое содержание хрома установлено в семенах подсолнечника (0,457 мг/кг), наиболее низкое - в зерне кукурузы (0,216 мг/кг). В основной продукции подсолнечника и сои содержание хрома было выше, чем в побочной, а у кукурузы наблюдалась обратная зависимость. Зерно кукурузы характеризовалось наиболее низким содержанием всех изучаемых микроэлементов по сравнению с зерном сои и семенами подсолнечника (табл. 4).

В основной продукции изучаемых культур по убыванию концентрации микроэлементы образуют следующий ряд: 2п>Си>№>Мо>Сг>Со. В побочной продукции зависимость несколько иная: 2п>Си>№>Сг>Мо>Со. Если в основной продукции кукурузы, сои и подсолнечника содержание молибдена было выше, чем хрома, то в побочной - содержание хрома было выше, чем молибдена (также как в сене лугового разнотравья).

Таблица 4

Вариационно-статистические показатели содержания микроэлементов в сельскохозяйственных культурах, мг/кг абсолютно сухого вещества

С.-х. культура X ±1о5в х 1 1 V, %

Цинк

Кукуруза зерно 36,9±1,5 9,70-19,8 21,5

солома 11,8±1.7 2,73-14,2 34,8

Соя зерно 34,4±0,5 31,9-37,0 3,5

солома 6,12±0,34 5,39-9,10 12,8

Подсолнечник семена 39,1±2,6 25,3-45,7 16,4

стебли 11,9±1,2 5.33-14,30 24,7

Медь

Кукуруза зерно 2,56±0,39 1,63-3,94 27,5

солома 4,40±0,85 2,31-6,76 34,9

Соя зерно 11,7±0,4 8,30-12,9 7,7

солома 3,58±0,10 3,00-4,12 6,7

Подсолнечник семена 14,5±1,6 6.02-17,1 27,4

стебли 3,10±0,15 2,18-3,57 11,7

Кобальт

Кукуруза зерно 0,044±0,002 0,032-0,057 13,4

солома 0,148±0,013 0,090-0,200 22,1

Соя зерно 0,140±0,01 0,100-0,190 17,2

солома 0.190±0,025 0,080-0,250 30,5

Подсолнечник семена 0,140±0,01 0,100-0,200 17.1

стебли 0,156±0,024 0,036-0,250 37,2

Молибден

Кукуруза зерно 0,321±0,064 0,147-0,495 43,8

солома 0,250±0.040 0,119-0,346 35,0

Соя зерно 0,691±0.041 0,631-0,854 12,6

солома 0,211±0,040 0,083-0,340 41,0

Подсолнечник семена 0,478±0,027 0,391-0,547 12,0

стебли 0,255±0,054 0,062-0,364 45,5

Хром

Кукуруза зерно 0,216±0,011 0,171-0,290 11.9

солома 0,364±0,022 0,230-0,501 14,8

Соя зерно 0,420±0,011 0,369-0,451 5,6

солома 0,378±0,02б 0,312-0,430 14,9

Подсолнечник семена 0,457±0,016 0,391-0,512 8,5

стебли 0,422±0,016 0,340-0,500 9,1

Никель

Кукуруза зерно 0,630±0,070 0,202-0,780 26,1

солома 0,361±0,022 0,321-0,571 14,8

Соя зерно 5,15±0,34 4,53-7,22 15,2

солома 0,701±0,114 0,340-1,45 37.8

Подсолнечник семена 0,870±0,04 0,752-1,001 9.7

стебли 0,642±0,05 0,390-0,792 18,8

Коэффициент биологического поглощения для основной продукции изучаемых культур был выше, чем для побочной продукции, поскольку она имела существенно более высокую зольность. Высокие значения КБП зафиксированы для цинка - 2,9-42,2, меди - 4,36-42,0, молибдена - 1,2-13,6. Все эти микроэлементы можно отнести к группе накапливаемых в растениях элементов, поскольку величина КБП, как правило, была выше 1. Существенно ниже были значения данного коэффициента для никеля — 0,2-3,98, хрома - 0,24-0,87 и кобальта - 0,20-0,72 (табл. 5).

Коэффициенты использования (КИ) изучаемыми растениями запасов подвижных форм меди и цинка из пахотного слоя почвы были наиболее высокими и составляли соответственно 6,6-14,5% и 2,6-7,7%. КИ запасов подвижных форм кобальта находились в пределах 0,19-0,55, молибдена - 0,22-0,58, хрома - 0,09-0,3%. Наиболее высокие КИ этих металлов отмечались у растений кукурузы, а наиболее низкие - у растений сои. Наиболее высокий КИ запасов подвижного никеля был характерен для сои (0,38%), а для подсолнечника и кукурузы величина КИ составляла 0,3%.

Таблица 5

Среднее содержание микроэлементов в золе растений и коэффициенты

биологического поглощения

С.-х. культура \ Хп \ Си | Со I Мо 1 № | Сг

Среднее содержание микроэлементов в золе растений, мг/кг золы

Кукуруза зерно 1127 171 2,93 21,4 42,0 14,4

солома 162 60.3 2,03 3,42 4,93 4,99

Соя зерно 662 225 2,69 13,3 99,0 8,08

солома 109 63,9 3,39 3,77 12,5 6,75

Подсолнечник семена 1564 580 5,60 19Д 34,8 18,3

стебли 233 60,8 3,06 5,00 12,5 8,27

Степное разнотравье 433 81,3 1,91 3.45 10,2 5,83

КокШшиент биологического поглощения, (мг/кг золы) / (мг/кг почвы)

Кукуруза зерно 30,4 12,4 0,38 13,6 1,69 0,69

солома 4,4 4,36 0,26 2,18 0,20 0,24

Соя зерно 17,8 16,3 0,35 8,47 3,98 0,38

солома 2,9 4,63 0,44 2,40 0,50 0,32

Подсолнечник семена 42,2 42,0 0,72 12,2 1,40 0,87

стебли 6,3 4,41 0,40 3,18 0,50 0,39

Степное разнотравье 9,5 5,70 0,20 1,2 0,40 0,30

В соответствии с действующим техническим регламентом таможенного союза «О безопасности зерна» (ТР ТС 015/2011) содержание изучаемых микроэлементов в зерне и семенах подсолнечника, используемых в пищевых и кормовых целях, не регламентируется. Содержание микроэлементов в побочной продукции культур в среднем не превышало максимально допустимых уровней (МДУ), установленных для грубых кормов.

ГЛАВА 5. БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Одним из основных источников поступления микроэлементов в агроэко-системы традиционно являются органические удобрения (Обухов, Попова, 1992; Носовская и др., 2001; Долженко, 2002; Кудеяров, Семенов, 2014). Используемые в Белгородской области органические удобрения сильно отличаются по содержанию и соотношению макро- и микроэлементов. Чтобы внести с органическими удобрениями дозу азота 100 кг/га потребуется около 3,3 т компоста соломопомётного, 13,2 т навоза КРС или 47,6 т стоков навозных. С этим количеством органических удобрений будет внесено в почву соответственно: цинка - 888, 440 и 2632 г/га, меди - 498, 132, 392 г/га, кобальта - 5,8, 9,2, 6,9 г/га, молибдена - 6,1, 13,2, 3,2 г/га, никеля - 10, 64,3, 8,2 г/га, хрома - 9,1, 55,4, 3,1 г/га (табл. 6).

В течение 2010-2013 гг. в Белгородской области в среднем вносилось 3,95 т/га органических удобрений (в пересчете на навоз КРС), 100,4 кг д.в. /га минеральных удобрений, 0,31 т/га мелиоранта (дефеката). Наиболее распространенные минеральные удобрения содержат крайне мало микроэлементов. Содержание в аммиачной селитре цинка, меди, кобальта, молибдена, никеля и хрома составляет соответственно 5,93, 0,36, 0,26, 0,06, 0,31, 1,13 мг/кг, а в азофоске -4,29, 1,71, 0,18, 0,06, 0,89, 1,32 мг/кг.

Одним из основных видов деградации пахотных почв Белгородской области является водная эрозия. По оценкам И.С. Шатилова и др. (1990), ежегод-

но в области смывается 3235 тыс. т почвы (1,92 т/га), с которой теряются макро- и микроэлементы.

Таблица 6

Вариационно-статистические показатели содержания микроэлементов

в органических удобрениях, мг/кг

Элементы 1 1шг | V, %

Стоки навозные (2,22% сухого вещества)

гп 55,3±10,4 16.7-93,7 40.1

Си 8,24±1,54 3,96-15,26 40,0

Со 0,145±0.02 0,090-0,260 29,7

Мо 0.067±0,017 0,025-0,164 53.2

№ 0,172±0,035 0,049-0,292 43.1

Сг 0.066±0,016 0,040-0,132 51.1

Компост соломопомётный (56% сухого вещества)

7,п 269±46,6 143-485 37.1

Си 151±23,6 50,2-210 33.5

Со 1,76±0,26 0,850-2,85 31,3

Мо 1.85±0,52 0,260-3,52 59,7

№ 3.04±0,50 1,53-5,24 35,1

Сг 2,75±0,38 1,77-4,27 29.2

Навоз КРС (44% сухого вещества)

7м 33,3±7,5 15.2-62.3 48.2

Си 10,0±1,8 4,40-19,6 37.7

Со 0,697±0Д52 0,149-1,190 46,8

Мо 1,00±0,26 0,31-2,49 55,0

№ 4,87±1,32 1,04-9,92 58,0

Сг 4,20±0,66 1,74-7,70 33,7

Дефекат (87% сухого вещества)

гп 30.9±7,3 20,7-51,4 31,4

Си 8,40±2.4 2,10-12,5 40.1

Со 3,00±0,7 0,760-5,48 49,7

Мо 0.85±0,15 0,41-1,54 37,6

№ 8.24±2,54 1,70-16,1 66.1

Сг 11,8±2,5 3.60-21,4 45,9

Для количественной характеристики параметров биологического круговорота микроэлементов нами был рассчитан их баланс в агроэкосистемах Белгородской области. В среднем за 2010-2013 гг. ежегодные размеры поступления цинка в агроэкосистемы составили 145,6 г/га. Из этого количества с органическими удобрениями поступило 131,5 г/га (90,3%), а с минеральными - только 1,2 г/га (0,8%). Поступление цинка с мелиорантами составляло 9,6 г/га (6,6%), с семенами - 3,3 г/га (2,3%). С урожаем этого элемента выносилось в среднем

64,1 г/га (43,1% от общего расхода), а остальное количество - 84,5 г/га терялось со смытой почвой. Баланс цинка складывался с небольшим дефицитом (-3 г/га), интенсивность баланса составила 98% (табл. 7).

Таблица 7

Хозяйственный баланс микроэлементов в агроэкосистемах _Белгородской области за 2011-2013 гг._

Статьи баланса гп Си Со Мо N1 Сг

Приход, г/га органические удобрения 131,5 39.5 2,75 3,95 19,2 16,6

минеральные удобрения 1,2 0,3 0,05 0,01 0,3 0,2

мелиоранты 9,6 2,6 0,93 0,26 2,55 3,66

семена 3,3 0,5 0,05 0,04 0,14 0,04

всего 145,6 42,9 3,78 4,26 22,19 20,5

Расход, г/'га вынос урожаем 64,1 12,6 0,93 0,76 2,25 0,92

эрозионные потери почвы 84.5 Г 25,9 15,0 4,8 48,0 40,3

всего 148,6 38,5 15,93 5,56 50,25 41,22

Баланс, ±г/'га -3,0 4,4 -12,15 -1,3 -28,06 -20,72

Интенсивность баланса, % 98,0 111,4 23,7 76,6 44,2 49,7

Общие размеры поступления меди в агроэкосистемы оцениваются в 42,9 г/га, в том числе с органическими удобрениями - 39,5 г/га (92,1%), с минеральными - всего 0,3 г/га (0,7%), с мелиорантами - 2,6 г/га (6,1%), с семенами - 0,5 г/га (1,1%). Средние ежегодные размеры отчуждения меди из агроэкосистем составляют 38,5 г/га, в том числе: в результате смыва почвы - 25,9 г/га (67,3%), в результате выноса с хозяйственно ценной частью урожая - 12,6 г/га (32,7%). В целом баланс меди был положительным (4,4 г/га в год), величина интенсивности баланса составила 111,4%.

Основное поступление кобальта в агроэкосистемы происходило с органическими удобрениями - 2,75 г/га (72,8%) и мелиорантами - 0,93 г/га (24,6%), а с минеральными удобрениями и семенами поступало всего по 0,05 г/га (1,3%). Основные потери кобальта происходили со смытой почвой 15 г/га (94,2%), с урожаем выносилось всего 0,93 г/'га (5,8%) этого металла. В итоге баланс элемента складывался с большим дефицитом (-12,15 г/га), величина интенсивности баланса составила 23,7%.

Поступление молибдена с органическими удобрениями составляет 3,95 г/'га (92,7%), с мелиорантами - 0,26 г/га (6,1%), с семенами - 0,04 г/га (0,9%), а с

минеральными удобрениями - всего 0,01 г/га (0,3%). Основные потери этого металла происходили в результате развития эрозионных процессов - 4,8 г/га (86,3%), а с урожаем отчуждается в среднем 0,76 г/га (13,7%). Баланс молибдена формировался с дефицитом (-1,3 г/га), а величина интенсивности баланса составила 76,6%.

Никель поступал в агроэкосистемы в основном с органическими удобрениями 19,2 г/га (86,5%) и с мелиорантами - 2,55 г/га (11,5%). Поступление элемента с минеральными удобрениями составляло всего 0,3 г/га (1,4%), а с семенами - 0,14 г/га (0,6%). Отчуждение никеля из агроэкосистем происходило в основном со смытой почвой 48 г/га (95,5%) и в существенно меньшем количестве - 2,25 г/га (4,5%) - с урожаем. В целом баланс никеля складывался с дефицитом (-28,06 г/га). Величина интенсивности баланса составила 44,2%.

Основным источником поступления хрома являлись органические удобрения - 16,6 г/га (81%), мелиоранты - 3,66 г/га (17,9%). Поступление металла с минеральными удобрениями составляло 0,2 г/га (1%), с семенами - 0,04 г/га (0,1%). Со смытой почвой терялось 40,3 г/га (97,8%) элемента, а с отчуждаемой продукцией - 0,92 г/га (2,2%). Баланс формировался дефицитным (-20,72 г/га), при этом интенсивность баланса составила 49,7%.

ВЫВОДЫ

1. Среднее валовое содержание в пахотном слое чернозёмов выщелоченных лесостепной зоны ЦЧО цинка составляет 37,1, меди - 13,8, кобальта -7,74, молибдена - 1,57, никеля - 24,9, хрома - 21,0 мг/кг. С увеличением глубины почвенного профиля валовое содержание цинка и меди достоверно снижается, а кобальта, молибдена, никеля и хрома не изменяется. Превышения в почве ОДК и ПДК изучаемых металлов зафиксировано не было.

2. По результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 99,2% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой

обеспеченностью подвижными формами цинка, 94,1% - подвижными формами кобальта и 96,8% - подвижными формами меди. За период наблюдений с 1990-1994 гг. по 2010-2014 гг. величина средневзвешенного содержания подвижных форм цинка в пахотных почвах Белгородской области снизилась с 1,44 до 0,53 мг/кг.

3. По результатам локального мониторинга установлено, что чернозёмы выщелоченные имеют среднюю обеспеченность подвижным молибденом (среднее содержание 0,2 мг/кг). Среднее содержание подвижных форм никеля и хрома в пахотном слое составляет соответственно 0,63 и 0,44 мг/кг. Содержание подвижных форм меди, кобальта, молибдена и никеля в слое 81-100 см достоверно ниже, чем в пахотном слое, а содержание цинка и хрома достоверно не изменяется. Превышения ПДК подвижных форм микроэлементов не наблюдалось.

4. Наиболее низкое среднее содержание цинка, меди, никеля, молибдена, хрома и кобальта установлено в зерне кукурузы соответственно 16,9, 2,56, 0,63, 0,321, 0,216, 0,044 мг/кг. Наиболее высоким содержанием цинка (39,1 мг/кг), меди (14,5 мг/кг) и хрома (0,457 мг/кг) характеризовались семена подсолнечника, а никеля (5,15 мг/кг) и молибдена (0,691 мг/кг) -зерно сои. В зерне сои и семенах подсолнечника среднее содержание кобальта составляло 0,14 мг/кг.

5. Коэффициенты использования кукурузой, соей и подсолнечником запасов подвижных форм меди из пахотного слоя почвы составили 6,6-14,5, цинка - 2,6-7,7, кобальта - 0,19-0,55, молибдена - 0,22-0,58, хрома - 0,090,3%. Наиболее высокие КИ этих металлов отмечались у растений кукурузы, а наиболее низкие - у растений сои. Наиболее высокий КИ запасов подвижного никеля был характерен для сои (0,38%), а для подсолнечника и кукурузы величина КИ составляла 0,3%.

6. Коэффициент биологического поглощения изучаемыми культурами цинка был в пределах 2,9-42,2, меди - 4,36-42,0, молибдена - 1,2-13,6. Эти

микроэлементы молено отнести к группе накапливаемых в растениях. Существенно ниже были значения данного коэффициента для никеля -

0.2.3,98, хрома - 0,24-0,87 и кобальта - 0,20-0,72. Высокой способностью накапливать никель характеризуется соя. Величина КБП никеля для зерна сои составила 3,98. Коэффициент биологического поглощения для основной продукции культур был выше, чем для побочной продукции (за исключением КБП кобальта соломой сои).

7. Основным источником поступления изучаемых микроэлементов в агро-экоснстемы Белгородской области служат органические удобрения. За период с 2010 по 2013 гг. средняя доза внесения органических удобрений равнялась 3,95 т/га, и с ней в агроэкосистемы поступало 90,3% от общего количества цинка, 92,1% меди, 72,8% кобальта, 92,7% молибдена, 86,5% никеля, 81% хрома. Величина интенсивности баланса цинка составила 98,0, меди- 111,4, кобальта-23,7, молибдена - 76,6, никеля-44,2, хрома -49,7%.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

* - публикации в печатных изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК

1. * Лукин, C.B. Географические закономерности распределения микроэлементов в почвах Белгородской области / C.B. Лукин, P.M. Хижняк // Достижения науки и техники АПК. - 2012. - №5. - С. 55-58.

2. *Ероховец, М.А. Мониторинг плодородия чернозёмов степной зоны / М.А. Ероховец, P.M. Хижняк, A.B. Малыгин // Достижения науки и техники АПК.-2012,-№9.-С. 18-20.

3. * Хижняк, P.M. Кобальт в чернозёмах Белгородской области / P.M. Хижняк // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - №4. - С. 7-8.

4. *Хижняк, P.M. Молибден в пахотных чернозёмах Белгородской области / P.M. Хижняк // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - №8. -С. 36-37.

5. * Хижняк, P.M. Цинк в чернозёмах Белгородской области / P.M. Хижняк // Достижения науки и техники АПК. - 2014. - №4. - С. 29-32.

6. Лукин, C.B. Разработка и перспективы внедрения геоинформационных систем для обеспечения адаптивно-ландшафтного земледелия / C.B. Лукин, М.А. Ероховец, P.M. Хижняк, A.B. Малыгин / Информационно-технологическое обеспечение адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции, ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 11-13 сентября 2012 г., Курск. -Курск: ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2012.-С, 160-162.

7. Хижняк, P.M. Микроэлементы в пахотных почвах / P.M. Хижняк / Современные тенденции в образовании и науке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 октября 2013 г.: в 26 частях. Часть 2. - Тамбов: ООО "Консалтинговая компания Юком", 2013. - С. 147-148.

8. Экологическая оценка размеров поступления микроэлементов с органическими удобрениями / P.M. Хижняк,' Наука и образование: проблемы и перспективы развития: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 августа 2014 г.: в 5 частях. Часть 2. - Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. - С. 146-147.

9. Лукин, C.B. Экологическая оценка содержания меди в агроценозах лесостепной зоны Черноземья (на примере Белгородской области) / C.B. Лукин, P.M. Хижняк // Агроэкология. ~ 2014. - № 2. - С. 37-41.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Подписано в печать 3.04.2015 г. Формат 60x84 Усл.печ.л. 1,4. Тираж ЮОэкз. Заказ 160.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул.,44 Тел.(499) 977-00-12, 977-40-64