Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Подвижность тяжелых металлов в черноземных карбонатных почвах и способы ее оценки

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Подвижность тяжелых металлов в черноземных карбонатных почвах и способы ее оценки"

РГ& од / % МОП «и

На правах рукописи

Никитюк Наталья Викторовна

ПОДВИЖНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЧЕРНОЗЕМНЫХ КАРБОНАТНЫХ ПОЧВАХ И СПОСОБЫ ЕЕ ОЦЕНКИ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение 06.01.04 - агрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Краснодар 1998

Работа выполнена на кафедре земледелия и мелиорации Донского государственного аграрного университета в период с 1994 по 1997 гг.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор,

В.П. Калиниченко

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор, Е.В. Тонконоженко доктор сельскохозяйственных наук, профессор, В.А. Большаков

Ведущая организация: Южный научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по землеустройству ("ЮжНИИгипрозем")

Защита диссертации состоитсяЗ^*3-^ 1998 г. в часов

в ауд.на заседании диссертационного совета Д 120.23.03 в Кубанском государственном аграрном университете по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат с.-х. наук профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях, вследствие антропогенного воздействия, сохранить почву в нативном состоянии практически невозможно. Поэтому нормирование содержания тяжелых металлов (ТМ), имея широкий диапазон возможных вариантов, предполагает подходы, обеспечивающие удовлетворительное решение задачи ограничения загрязнения почвы в почвенно-экологическом и агрохимическом аспектах. Послужить этому могут данные об активности биоценоза, позволяющие сделать заключение о его самозащитной способности и о подвижности соединений ТМ (в том числе микроэлементов), которые дают общее представление о самоочищающей способности абиотической части почвы.

Поэтому весьма актуален выбор надежных методов определения запаса подвижных форм ТМ в черноземных карбонатных почвах Ростовской Области. Выбор адекватных методов оценки позволит установить степень негативного воздействия ТМ на микробиологическую активность почвы и устойчивость растений, произрастающих на почвах, подверженных "техногенному стрессу".

Цель и задачи исследований. Целью исследований явилась характеристика методик определения запаса подвижных форм ТМ и микроэлементов черноземов Ростовской области и изучение роли генетических особенностей этих почв при обосновании подходов к нормированию содержания ТМ.

Задачи исследований:

1. Выполнить сравнительную оценку методов определения подвижных форм ТМ в черноземных карбонатных почвах Ростовской области.

2. Оценить приемлемость стандартного метода извлечения подвижных форм ТМ ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) рН 4,8 при определении их содержания в черноземных карбонатных почвах.

3. Выбрать методику определения подвижных форм ТМ адекватную объекту изучения - чернозему обыкновенному карбонатному.

Научная новизна работы. Вскрыты процессы вторичного осаждения ТМ при извлечении их подвижных форм стандартным экстрагентом - ААБ рН 4,8 из черноземных карбонатных почв. Реализован дифференцированный подход к оценке подвижности, и, как следствие, токсичности ТМ в черноземных карбонатных почвах, заключающийся в использовании системы вытяжек с целью выбора наиболее приемлемой для определения уровня подвижных форм ТМ как в почвах с фоновым содержанием металлов, так и в почвах, подверженных техногенезу.

Практическая значимость. Прадложено использование вытяжки "аце-татно-аммонийный буферный раствор + 1% ЭДТА" для характеристики запаса подвижных форм ТМ и микроэлементов в черноземе обыкновенном карбонатном.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены: на II Всероссийском съезде почвоведов России (г. Санкт-Петербург,

1996); на международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (г. Москва, 1997); на IV международной конференции по биогеохимии тяжелых элементов (калифорнийский университет, Беркли,

1997); на VII ежегодном международном съезде европейского общества токсикологии и химии окружающей среды (Амстердам, 1997). По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы

за рубежом.

Объем и содержание работы. Диссертация изложена на 143 страни цах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов предложений. Работа содержит 16 таблиц, 89 рисунков. Список литера туры включает 134 наименования, в т.ч. 24 иностранных автора.

X. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Объекты исследований

Объектами исследований являлись черноземы обыкновенные карбо латные иго-западной части Ростовской области. Для этого были выбран: почвы стационарных реперных участков проектно-изыскательного центр (ПИЦАХС) "Ростовский". Для лабораторных и вегетационных опытов был отобрана почва в учебно-опытном хозяйстве "Донское" ДонГАУ.

Приводим краткую характеристику объектов исследований:

1. Учхоз "Донское" Октябрьского района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый, мощный на лессовидных суглинках;

2. Заповедник учхоза "Донское" Октябрьского района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый, мощный на лессовидных суглинках;

3. ОПХ ВНИИ "Сорго" Зерноградского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, среднемощный на лессовидных суглинках;

4. Колхоз "Краснокутский" Веселовского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, маломощный на лессовидных суглинках;

5. Колхоз "Равнополье" Куйбышевский район - чернозем южный, среднемощный на лессовидных суглинках;

6. Колхоз "Ленинское знаня" Азовского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, маломощный на лессовидных суглинках;

7. Колхоз "Родина" Матвеево-Курганского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, среднемощный на лессовидных суглинках;

8. Совхоз "Советский Дон" Усть-Донецкого района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый мощный на лессовидных суглинках.

1.2 Методика исследований

При проведении исследований нами, применительно к. исследуемы почвам, была модифицирована схема вытяжек, предложенная Г.А. Соловь евым (1991).

1) 1 н. НС1;

2) ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) с рН 4,8;

3) 1%-ный раствор ЭДТА в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4,8

Окончательное определение количественного содержания проводи

лось на атомно-абсорбционном спектрофотометре в пламени ацети лен-воздух.

При изучении влияния различных форм ТМ на ферментативную актив ность почв при разных уровнях загрязнения в исследуемую почву (чер нозем обыкновенный карбонатный) вносили соли Си, Zn, РЬ и Сс1 по еле

дующей схеме:

1) контроль; 2) 1 ПДК; 3) 2 ПДК; 4) 5 ПДК; 5) 10 ПДК.

При изучении поступления Си, 2п и РЬ из почвы в растения (яровой ячмень "Одесский 100") был заложен вегетационно-полевой опыт, в исследуемую почву вносились соли ТМ в форме ацетатов. Методика опыта основана на назначении концентраций элементов-загрязнителей исходя из их фонового содержания: Си и 2п по подвижным формам, извлекаемых ААБ (Си = 0,1 мг/кг, 7.П = 0,3 мг/кг) РЪ по валовому содержанию (РЬ -22 мг/кг). Первый опытный вариант количественно соответствовал зарубежным ПДК изучаемых металлов по подвижной форме, последний уровень загрязнения соответствовал зарубежным ПДК по валовым формам. Эксперимент был проведен по следующей схеме:

1) ЗОф.Си + 80ф.2п + 1ф.РЬ

2) ЮОф.Си + 150ф.гп + 1, 5ф. РЬ

3) бООф.Си + 150ф.гп + 1,5ф.РЬ

4)1000ф.Си + ЮООф.гп + 5ф.РЬ

5) контроль.

Минерализацию проб растений проводили методом сухого озоления согласно ГОСТ 26657-85. После этого проводили кислотную экстракцию ГМ (гп, Си, РЬ) из золы стандартным методом.

II. ПРОЦЕССЫ ВТОРИЧНОГО ОСАЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЧЕРНОЗЕМЕ ОБЫКНОВЕННОМ КАРБОНАТНОМ

Проведенные нами исследования показали, что не всегда наблюда-этся связь между содержанием подвижных форм ТМ в почвах агроценозов л загрязнением сельскохозяйственной продукции. Одной из причин такого несоответствия может быть недостаточная приемлемость метода, когда определение содержания подвижных форм ТМ согласно стандартным методикам в конкретной почве без учета ее особенностей может в опреде-пенных случаях привести к необъективной оценке загрязнения.

В связи с этим целью наших исследований была оценка экстрагиру-ощей способности ацетатно-аммонийной вытяжки при определении запаса подвижных форм ТМ в черноземе обыкновенном карбонатном. Данная вытяжка на карбонатных почвах не отражает весь запас подвижных соединений ТМ в почве и не учитывает возможных процессов вторичного осаж-цения, происходящих при их экстракции.

На основании изложенных представлений об эффектах, происходящих а почвенных системах при изучении их загрязнения, нами была сделана юпытка количественно оценить процессы вторичного осаждения путем сравнения величины извлечения из почвы подвижных форм ТМ (гп, Си, РЬ, Мп, N1) ААБ с рН 4,8 в статических и динамических условиях.

Для этого проведен эксперимент, при постановке которого использованы два почвенных объекта исследования. Первый объект (контроль) - чернозем обыкновенный карбонатный с фоновым содержанием ТМ. Второй эбъект - чернозем обыкновенный карбонатный с высоким уровнем загрязнения Си, гп, РЬ.

Результаты представлены в таблицах 1,2 и на рис. 1-4.

Как видно из данных табл. 1-2 первая вытяжка извлекает из 1арбонатных почв наибольшее количество 2п, Си, Мп, N1, РЬ как из

Таблица 1

Десорбция тяжелых металлов из чернозема обыкновенного карбонатного

N ВЫ- КОНТРОЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ

ки динамические условия, иг/кг статические условия, мг/кг

йп Си РЬ Мп N1 йп Си РЬ Мп Ш

1 1,5 0,32 1,30 10,0 1,10 1,00 0,25 1,10 7,6 1,0

2 0,5 0,26 0,60 4,5 0,40 0,60 0,16 0,70 5,8 0,4

3 0,5 0,20 0,40 4,6 0,30 0,70 0,10 0,40 6,6 0,2

4 0,2 0,20 0,20 3,5 0,20 0,20 0,10 0,20 6,0 0,2

5 0,5 0,20 0,20 3,8 0,06 0,10 0,10 0,30 5,2 0,4

б 0,4 0,16 0,10 4,3 0,30 0,26 0,06 0,10 2,7 0,4

7 0,3 0,10 0,40 4,4 0,30 0,10 0,10 0,20 2,4 0,2

8 0,3 0,06 0,10 3,7 0,06 0,10 0,10 0,20 1,9 0,2

9 0,3 0,20 0,20 4,3 0,13 0,10 0,12 0,10 1,4 0,2

10 0,4 . 0,06 0,10 4,2 0,20 0,10 0,10 0,10 1,1 0,1

11 0,4 0,01 0,06 4,4 0,10 0,10 0 0,20 1,0 0,1

12 0,3 0,01 0,10 2,9 0,10 0,10 0 0,08 1,0 0,1

ИТОГО 5,5 1,66 3,51 54,6 3,25 3,46 1,19 3,68 42,7 3,6

Таблица 2

Десорбция тяжелых металлов из чернозема обыкновенного карбонатного

ЗАГРЯЗНЕННЫЙ ТМ ОБРАЗЕЦ

тяж- динамические условия, мг/кг статические условия, мг/кг

гп Си РЬ 2п Си РЬ

1 86,78 9,1 37,83 83,5 8,9 61,4

2 39,52 3,9 15,95 49,7 3,4 24,9

3 34,85 4,4 6,90 29,8 2,2 14,9

4 12,08 2Д 6,64 17,9 1,9 11,1

5 8,10 2,1 7,20 12,8 1,9 10,1

6 8,40 2/1 3,10 8,6 1,7 8,6

7 6,60 2,3 6,40 16,5 1,8 8,7

8 5,40 2,4 2,00 11,7 1,8 8,2

9 4,70 2,6 3,24 6,9 1,6 6,3

10 6,13 2,7 1,30 7,9 1,7 7,7

11 4,30 2,7 1,30 4,4 1,7 7,2

12 2,90 2,9 0,80 4,0 1,2 6,9

ИТОГО 219,76 39,3 92,66 253,7 29,8 176,0

Рис. 1. Динамика Си. Контрольный образец

■Ряд-П

Рис. 2. Статика Си. Контрольный образец

-РЯД1)

Рис.3. Дйнамика. Си. Загрязненная почва.

-Ряд1

смпчгиэсог^сото*-N вытяжки

Рис. 4. Статика. Си. Загрязненная почва.

-Ряд!

почвы контрольного образца с фоновым содержанием элементов, так и из почвы с высоким содержанием 2п, Си, РЬ. В дальнейшем их содержание снижается, особенно сильно в статических условиях. Особенно наглядно это отображают изотермы десорбции Си (рис. 1-4). В статических условиях изотерма десорбции ближе подходит к оси абсцисс. В динамических условиях изотерма имеет вид ломаной линии и отображает, с нашей точки зрения, десорбцию легкорастворимых форм элементов. В некоторых случаях последние вытяжки цикла извлекают примерно равные количества металлов и изотерма десорбции переходит в прямую линию. Это указывает на то, что последние вытяжки растворяют более прочно сорбированные ППК формы металлов.

Так как ацетатно-аммонийный буфер широко используется в практике изучения текущих почвенно-агрохимических свойств, а результаты исследований, полученные с применением этого экстрагента, не всегда корректны, по нашему мнению представляется необходимым выбор метода определения уровня подвижных форм ТМ, адекватного свойствам чернозема обыкновенного карбонатного.

iii. трансформация тяжелых металлов в черноземе обыкновенном карбонатном

В условиях степной зоны почвообразования процессы трансформации ТМ имеют ряд специфических особенностей, обусловливающих их подвижность и доступность растениям. Особенности почвенной биогеоценоти-ческой системы могут быть охарактеризованы соотношением и взаимодействием химических форм металлов в почве. В связи с этим основное внимание было сосредоточено на изучении динамики трансформации форм Си, Йп, РЬ, Сс1 в почве посредством нескольких вытяжек, различающихся экстрагирующей способностью.

В нашем эксперименте количественные содержания Си в вытяжках существенно различались. Данные представлены в табл. 3.

Для оценки применимости вытяжек на черноземных карбонатных почвах была сделана попытка оценить их экстрагирующую способность при помощи статистического анализа. Этот подход основывался на возможности с достаточно высокой точностью установить количественную зависимость между извлечением ТМ вытяжками и связыванием металлов различными почвенными компонентами.

Между количеством ионов Си в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА И содержанием гумуса установлена обратная корреляционная зависимость (г = -0,7). Это указывает, по-видимому, на достаточно прочную фиксацию Си органическим веществом (рис. 5). Прямая корреляционная зависимость (г = 0,7) получена между содержанием Си в вытяжке и суммой поглощенных оснований. На основе представленных результатов можно предположить, что вытяжкой ААБ + 1% ЭДТА десорбировались обменные формы элемента, связанные с минеральной частью ППК.

Количество Си в вытяжке 1 н. НС1 было меньше - 7,8-8,1 мг/кг. Наблюдается обратная зависимость количеств Си, извлекаемых 1 н. НС1 с содержанием гумуса (г = -0,51), суммой поглощенных оснований (г = -0,57) и содержанием в почве Р2О5 (г = -0,55). Вероятно данная вытяжка извлекает прочно сорбированные формы Си, с чем и связан знак

Содержание ТМ в почвах стационарных участков

Таблица 3

N стационарного участка

Экстрагенты

ААБ рН 4,8

1 н. НС1

ААБ РН 4,8+ 1% ЭДТА

Си

1 0,25 8,10 13,50

2 0,25 7 ,80 13,60

3 0,15 7,10 13,00

4 0,60 7,80 15,10

5 0,23 7,80 14,20

6 0,25 8,00 13,90

7 0,25 8,20 14,00

8 0,15 7 ,90 14,40

2п

1 0,50 10,00 6,50

2 0,25 5,60 6,20

3 0,10 5,30 4,10

4 0,15 10,00 12,50

5 0,09 6,10 6,40

6 0,25 6,00 6,90

7 0,25 10,00 13,00

8 0,25 20,00 29,50

РЬ

1 0,45 2,50 6,10

2 1,06 2,59 7,05

3 1,12 2,94 7,44

4 0,46 2,78 6,82

5 1,71 3,01 9,70

б 1,34 2,31 7,85

7 2,07 3,85 11,75

8 1,26 2,37 7,42

Сс1

1 0,10 0,20 0,50

2 0 20 0,20 0,80

3 0 10 0,30 0,60

4 0,10 0,30 0,65

5 0,25 0,50 0,90

б 0,25 0,30 0,70

7 0,40 0,35 0,90

8 0,30 0,25 0,80

Рис. 5. Зависимость извлечения Си ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве гумуса

0,8 ■ 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

г

1,1 1,12 1,14 1,16 1,18

ААБ+1%ЭДТА, 1д иЛкг

1,2

0,8 -, -«-_

0,7 ♦

*

о> 0,5 - ♦ ♦ 'Л

о 0,4

Е 0.3

& 0,2

0,1 -

0 1

0,5 1

ААБ+1%ЭДТА

♦ Ряд1

Рис. 6. Зависимость содержания в ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве гумуса

♦ Ряд1 I

1,5

Рис. 7. Зависимость содержания РЬ в ААБ рН 4,8 от содержания подвижного фосфора

-о,1 о 0,1

Р205,1д мг\кг

♦ РЯД1 I

0,2 0,3

Рис. 8. Зависимость содержания Сс1 в ААБ рН 4,8 от содержания в почве подвижного фосфора

-0,8

-0,6 -0,4

1д мг\кг

-0,2

Рис. 9. Зависимость содержания Сс1 в ААБ рН4,8 от - содержания в почве К20

♦ РЯД1

а

О)

-0,8

-0,6 -0,4

1д мг\кг

-0,2

■с

5

-0,3

-0.05

[♦РядТ]

Рис.10. Зависимость содерания Сс1 в ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве подвижного фосфора

♦ Рид'

корреляционной зависимости.

По сравнению с вытяжками ААБ + 1% ЭДТА и 1 н. НС1 ацетатно-ам-монийный буфер показал слабую экстрагирующую способность. Количество Си в этой вытяжке находилось в пределах: 0,15-0,60 мг/кг.

Количество 2п, извлекаемого ААБ с рН 4,8 составило 0,17-0,25 мг/кг (табл. 3).

Количество йп в вытяжке 1 н. НС1, характеризующей потенциальный запас элемента в почве, составило 5,6-20,0 мг/кг. Количество йп, извлекаемого ААБ + 1% ЭДТА, составило 6,3-29,5 мг/кг. Между количеством йп в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА и содержанием гумуса наблюдается сильная корреляционная зависимость (г = 0,8), (рис. 6). Такая же зависимость (г = 0,8) прослеживается и с карбонатами.

Вытяжка ААБ с рН 4,8, извлекающая металлы в первую очередь из жидкой фазы почвы, показала довольно высокую экстрагирующую способность по отношению к РЬ в сравнении с солянокислой вытяжкой. Если при экстракции йп и Си 1н. НС1 извлекала в 20-30 раз больше элементов, чем ацетатно-аммонийная вытяжка, то по РЬ экстракция составила: ААБ с рН 4,8 = 0,45 - 1,71 мг/кг; 1 н. НС1 = 2,3 - 3,0 мг/кг.

Известно, что существует определенная зависимость между содержанием в почве ТМ и фосфатным режимом, поэтому нами изучена количественная зависимость между количеством извлекаемого РЬ и содержанием подвижного фосфора. Корреляционная зависимость между содержанием РЬ в вытяжке ААБ рН 4,8 и содержанием подвижного фосфора (г = 0,7), (рис. 7). Расчет корреляции дает основание полагать, что формы фосфатов РЬ в исследуемых почвах характеризуются как легкорастворимые. Количество РЬ в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА (6,1 - 9,7 мг/кг) связано сильной корреляционной зависимостью с суммой поглощенных оснований (г =0,6). В таком случае можно предположить наличие обменных форм РЬ. Количество РЬ в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА (6,1 - 9,7 мг/кг) связано сильной корреляционной зависимостью с суммой поглощенных оснований (г = 0,6). В связи с чем можно предположить наличие обменных форм РЬ.

Количество Сс1 в вытяжке ААБ с рН 4,8 составило 0,1-0,4 мг/кг и довольно тесно коррелирует с содержанием подвижного фосфора (г = 0,8), (рис. 8), содержанием подвижного калия (г = 0,6), (рис. 9), и суммой поглощенных оснований (г = 0,6). Вероятно, что последнее обусловливает способность Сй занимать обменные позиции в минеральной части ППК.

Количество ей в вытяжке 1 н. НС1 находилось почти в тех же пределах, что и в случае использования вытяжки ААБ - 0,2-0,5 мг/кг.

Экстракция Сс1 ААБ + 1% ЭДТА, как и по другим металлам, показала количественное преобладание металла, перешедшего в данную вытяжку -0,6-1,0 мг/кг. Здесь наблюдается довольно тесная корреляционная зависимость с содержанием подвижного фосфора (г = 0,6), (рис. 10). Этот факт дает основание полагать, что ионы С<3, как и РЬ, склонны к образованию легкорастворимых фосфатов. В исследуемых почвах с фоновым содержанием С<3 наблюдается слабая зависимость между содержанием в почве карбонатов и количеством экстрагируемого элемента: ААБ рН 4,8 (г = 0,4); ААБ рН 4,8 + 1% ЭДТА (г = 0,5).

iv. влияние тяжелых металлов на микробиологическую активность чернозема обыкновенного карбонатного При изучении влияния ТМ на микробиологическую активность чернозема обыкновенного карбонатного при различных уровнях загрязнения определяли целлюлозоразлагающую и уреазную активность почвы. Загрязненную ТМ (Си, Йп, РЬ, Сс1) почву компостировали в сосудах и определяли указанные виды микробиологическую активность через 30 и 45 дней инкубации.

Результаты исследований показали, что как через 30, так и через 40 дней инкубации загрязнение чернозема ТМ приводит к существенному

Таблица 4

Извлечение ТМ различными экстрагентами из чернозема обыкновенного карбонатного

1 Варианты| Вал 1 1 ААБ Г 1 1 н.НС1 1 1 | ААБ |

опыта | 1 | рН 4,8 1 1 I | + 1% ЭДТА | | 1

Си

Контроль 46,1 0,1 8,2 13,5

1 ПДК 167,5 10,9 24,9 26,8

2 ПДК 297,2 21,9 51,3 56,7

5 ПДК 489,2 58,3 175,0 168,3

10 ПДК 1042,5 81,7 гп 296,7 302,6

Контроль 48,3 0,2 6,0 6,5

1 ПДК 417,9 16,5 58,3 46,4

2 ПДК 745,5 31,3 102,2 98,6

5 ПДК 1142,0 71,4 482,5 460,0

10 ПДК 3056,5 160,0 РЬ 1033,0 987,0

Контроль 25,0 1,1 2,7 8,7

1 ПДК 72,2 7,8 20,3 37,6

2 ПДК 145,8 12,3 77,0 78,6

5 ПДК 533,2 25,6 156,6 327 ,4

10 ПДК 1026,5 50,0 Сс1 192,2 415,9

Контроль 4,6 0,15 0,2 .0,5

1 ПДК 5,3 0,3 0,5 0,8

2 ПДК 11,6 0,7 1,3 1,4

5 ПДК 21,6 1,9 2,9 3,3

10 ПДК 43,1 2,7 5,2 5,8

снижению активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов. В случае

внесения РЬ и Сй в возрастающих дозах целлюлозолитическая способ-

ность почвы уменьшается постепенно. При внесении Си и гп уже в варианте загрязнения уровня 1 ПДК установлено резкое падение скорости распада клетчатки в срок наблюдения 30 и 45 дней.

Согласно данным нашего эксперимента, для оценки ингибирующего

действия металлов на интенсивность разложения льняного полотна можно предложить ряд: РЬ < Сй < Си < 2п. Отличие полученного нами убывающего ряда токсичности от общепринятого, вероятно, связано как с особенностями поведения ТМ в черноземе обыкновенном карбонатном, так и с возможной противоречивостью действующих ПДК, не учитывающих генезис почвы.

С использованием статистических процедур нами установлено достоверное снижение активности уреазы при уровне загрязнения 5 ПДК и 10 ПДК гп, РЬ, Си. При компостировании почвы с внесением С<1 происходило усиление расщепления мочевины. По-видимому, в данном случае Сс1 стимулирует, возможно косвенно, биохимические процессы преобразования органической части почвы.

В процессе эксперимента нами не отмечено явления адаптации микроорганизмов на протяжении всего эксперимента, что обусловлено, по-видимому, самой моделью эксперимента, отличающейся от условий, свойственных агроландшафту.

Существенный спад микробиологической активности чернозема обыкновенного карбонатного наблюдается с внесением Си в количестве 5 ПДК.

Установлены корреляционные зависимости между микробиологической активностью почвы и содержанием Си в вытяжках. Этот факт дает основание предположить, что запасы Си, извлекаемые из почвы вытяжками оказывают ингибирующее воздействие на почвенные микроорганизмы. Более тесная связь с активностью целлюлозоразлагающих микроорганизмов наблюдается с вытяжкой ААБ + 1% ЭДТА (г = -0,98), с активностью фермента азотного обмена г = -0,91.

Действие гп уже в варианте 1 ПДК существенно снизило целлюлозо-литическую способность и уреазную активность почвы.

Согласно данным табл. 4 количество извлекаемого Zn очень тесно коррелирует с целлюлозолитической способностью и уреазной активностью почвы по всем исследуемым вытяжкам, что может служить подтверждением его высокой токсичности.

Подобные статистические зависимости прослеживаются и по действию РЬ как на целлюлозоразлагающую способность, так и на уреазную активность чернозема обыкновенного карбонатного.

Целлюлозоразрушающая активность почвы характеризуется тесной корреляционной зависимостью с содержанием С(3 по всем исследуемым экс-трагентам.

v. поступление тяжелых металлов в растения

Основываясь на представлениях о протекании загрязнения в природных биогеоценотических системах, был проведен вегетационный опыт в котором изучалось действие полиметального загрязнения на развитие ярового ячменя. Уровни искусственного загрязнения почвы были назначены в четырех градациях. Минимальная градация загрязнения количественно соответствовала отечественным ПДК по подвижным формам изучаемых металлов (Си, гп., РЬ), последняя, максимальная из примененных в эксперименте - зарубежным ПДК этих элементов по валовым формам. В эксперименте установлена обратная зависимость между содержанием ме-

- 13 -

таллов в растениях ячменя и величиной урожая.

Полученные данные позволяют сделать заключение о различных проявлениях механизмов защитных физиологических барьеров ячменя (табл. 5).

Как видно из данных табл. 5, при экстракции Си из почвенного образца контрольного варианта, наблюдается ее количественное преобладание в вытяжке 1н. HCl, характеризующей потенциальный запас этого элемента в почве. С увеличением концентрации Си в модельной почвенной системе наблюдается возрастание количеств Си в вытяжке ААБ +1% ЭДТА. На уровне градаций, превышающих отечественные ПДК по валовым формам (3-й и 4-й варианты), содержание Си в вытяжках было ниже зарубежных и отечественных ПДК по валовым формам, но более чем в 20 раз превышало отечественные ПДК подвижной Си. Видимо, вносимая в почву в виде сухого порошка ацетатов Си, не будучи еще полностью сорбированной почвой при растворении попадает непосредственно в почвенный раствор, что обусловливает ее высокие концентрации в вытяжках. Ацетатно-аммонийная вытяжка, характеризующаяся меньшей экстрагирующей способностью относительно двух других, на уровне загрязнения, близком к зарубежным ПДК, извлекла количество Си в 2 раза большее значения ПДК.

Таблица 5

Поступление металлов из почвы в растения, нг/кг

Вариант | Содержание в почве |Содержание в растениях

опыта |-1-1-1----

| ААБ рН 4,8 ¡1 н. НС1|ААБ+1%ЭДТА| солома | зерно

__I___I_!_1-!-:-

Си

Контроль 0,6 7,8 4,7 4,0 3,9

1 0,8 10,0 7,5 23,8 8,1

2 0,4 15,7 19,5 21,2 6,7

3 3,1 59,9 40,1 24,6 4,7

4 6,7 75,2 72,0 22,8 5,0

Zn

Контроль 1,9 5,6 8,0 41,4 22,5

1 4,6 36,8 40,0 47,5 44,6

11,0 47,2 34,4 64,8 41,9

3 33 ,8 66,3 49,7 74,9 34,8

4 62,1 80,6 77,9 143,3 33,7

РЬ

Контроль 2,9 2,6 7,0 2,6 0,55

1 5,1 34,3 27,2 2,5 0,55

2 15,9 62,1 33,7 4,6 0,58

3 35,7 91,6 60,7 6,7 0,67

4 54,0 157,5 93,8 14,3 1,40

По накоплению Си растениями нельзя однозначно сказать, что уровни содержания металла в зерне и соломе возрастают пропорционально градациям загрязнения Си почвы. Это обусловлено, по-видимому, бу-

ферными свойствами почвы по отношению к техногенному загрязнению ТМ, а также действием защитных физиологических барьеров растений.

Особенности поведения Си в растениях связаны, по-видимому, с тем, что Си участвует во многих важных физиологических процессах.

. В результате математической обработки установлены некоторые зависимости между содержанием Си в растениях ячменя и ее содержанием в исследуемых почвенных вытяжках. Между количеством Си, извлекаемой ацетатно-аммонийным буфером, и ее содержанием в растениях ячменя наблюдается слабая корреляционная зависимость (г = 0,30). При сопоставлении данных о накоплении Си растениями и количествами Си, извлекаемыми вытяжками 1 н. НС1 и ААБ + 1% ЭДТА, можно отметить, что зависимости были сходными статистически (г = 0,40).

Столь слабая зависимость связана с незначительным варьированием количеств Си в растениях ячменя в вариантах опыта.

При изучении степени влияния накапливаемых растениями количеств Си на их морфо-биометрические показатели применение математико-ста-тистических методов позволило установить достоверное угнетение роста и развития. Высота растений: изменение сопряженности на 76 % обусловлено действием избыточных ионов Си в растениях (г = -0,87), длина колоса - на 79 % (г = -0,89), число колосков в колосе - на 85 % (г = -0,92), число зерен в колосе - на 69 % (г = -0,83); масса зерна изменяется под действием избыточных количеств Си в растениях - на 66 % (г = -0,81); масса соломы: на 56 % (г = -0,75).

Изучение поведения гп в системе почва - растение позволило установить, что с увеличением содержания гп в почве стабильно увеличивается его количество по всему ряду исследуемых вытяжек (табл. 5).

Содержание йп в соломе ячменя характеризуется стабильным преобладанием над его количеством в зерне. Согласно данным выполненной нами статистической обработки, различия между содержанием гп в соломе в контрольном и первом опытном варианте находятся в пределах случайных колебаний на 5% и 1% уровнях значимости. Установленная высокая достоверность столь малых различий может быть объяснена действием защитного биологического механизма, препятствующего потоку металлов в растения. Одним из вариантов осмысления может быть предположение, что отечественные ПДК несколько заниженные.

Распределение %п в зерне ячменя имеет аналогию с Си, но различия между содержанием металла В зерне и соломе не столь велики, как в отношении Си. Вариабельность содержания гп в зерне, не связанную с градациями загрязнения почвы по вариантам опыта, полагаем возможным отнести на счет вариабельности поведения системы "поллютанты - почва - растение - репродуктивные органы" в связи с разнообразием свойств изучаемых экосистем.

По результатам математической обработки количество гп, извлекаемого ацетатно-аммонийным буфером, и его содержание в растениях ячменя характеризуется сильной корреляционной зависимостью (г = 0,93). Зависимости между количеством 2п в вытяжках 1н. НС1, ААБ + 1% ЭДТА и его накоплением в растениях тоже характеризуются как сильные (г = 0,90 и г = 0,94 соответственно). Вероятно, в изучаемой модельной системе гп легкодоступен растениям в силу того, что металл был вне-

сен в почву в виде сухих легкорастворимых солей, и, прежде чем он был сорбирован почвой при растворении во время полива, интенсивно поглощался растениями. В то же время можно вести речь о надежности биологического барьера на границе корни - стебель поскольку возрастание концентраций Ъп в соломе ячменя далеко непропорционально концентрациям металла, созданным искусственно в модельной системе. В отношении последнего варианта опыта следует отметить ослабление действия защитного механизма. Здесь содержание йп в соломе резко превысило этот показатель предыдущего варианта.

Накопление Ъп растениями ячменя влечет за со^ой ингибирование роста и развития, что выявлено при сопоставлении количества металла в растениях и соответствующих морфо-биометрических показателей. Получены тесные зависимости, знак которых свидетельствует о том, что увеличение содержания 2п в растении приводит к ингибированию развития последних: высоты растений - на 81% обусловлено накоплением (г = -0,90), уменьшение длины колоса - на 64% (г = -0,80), уменьшение числа колосков в колосе - на 64% (г = -0,80), число зерен в колосе - на 64% - (г = -0,80), масса зерна - на 81% (г = -0,90), масса солокы - на 92% (г = -0,96).

Содержание РЬ во веек исследуемых почвенных вытяжках возрастает пропорционально градациям его внесения в почву. Поскольку в настоящее время гигиенические нормативы содержания подвижных форм РЬ не разработаны, оценивать полученные результаты несколько затруднительно по сравнению с Си и гп. В то же время, рассматривая отечественные ПДК валового содержания в почве, следует отметить превышение этого норматива в случае экстракции РЬ ацетатно-аммонийным буфером из почвенных образцов четвертого варианта, где производилось внесение уксуснокислого РЬ в количестве 5 фонов по валовому содержанию, характерному для чернозема обыкновенного карбонатного. По данным вытяжки ААБ рН 4,8 + 1% ЭДТА превышение норматива наблюдается уже на третьем варианте (2,5 фона), а по солянокислой - даже на втором (1,5 фона). Солянокислая вытяжка на четвертом варианте извлекла количество РЬ в 1,5 раза превышающее зарубежные ПДК по валовым формам. Таким образом относительно подвижности РЬ по результатам экстракции можно предположить, что в изучаемых условиях металл доступен растениям в значительных количествах. Это можно подтвердить результатами определения содержания РЬ в растениях ячменя.

Уровни содержания РЬ в соломе ячменя возрастают прямопропорцио-нально заданным в опыте вариантам градаций загрязнения почвы. Этот факт можно объяснить двумя причинами: во-первых, возможно, меньшей, по сравнению с Си и 2п, буферной способностью исследуемой почвы по отношению к техногенному РЬ, и во-вторых, что вероятнее, - недостаточной способностью ризосферных барьеров переводить формы РЬ> поступающего в растения, в малоподвижные соединения. Разработанные отечественные ПДК ТМ в сельскохозяйственной продукции допускают содержание РЬ в зерне 0,3 мг/кг. На контрольном варианте содержание РЬ в зерне ярового ячменя составило 0,55 мг/кг. Если предположить, что имеющиеся гигиенические нормативы сильно занижены, адекватно оценить данную ситуацию очень сложно. Уровни содержания РЬ в зерне характе-

ризуются варьированием, непропорциональным принятым в опыте количественными градациями вносимого в почву РЬ. Особенности накопления РЬ в зерне ячменя можно отнести к подтверждению установленных фактов о существовании защитных биологических барьеров, препятствующих избыточному поступлению токсикантов в репродуктивные органы. Стандартная статистическая процедура дала НСР05 между средними третьего и четвертого опытного варианта указывающую на ослабление на последнем уровне загрязнения действия защитного биологического барьера "стебель - репродуктивные органы", препятствующего потоку токсикантов.

Содержание РЪ в растениях ячменя характеризуется тесными корреляционными зависимостями по всем исследуемым почвенным вытяжкам: ацетатно-аммонийный буфер (г = 0,95), ацетатно-аммонийный буфер с 1% ЭДТА (г = 0,95) и солянокислая вытяжка (г = 0,95).

В данном случае можно предположить, что наряду с достаточной подвижностью РЬ в самом растении, элемент довольно легко поступает в растение из всех извлекаемых почвенными вытяжками форм несмотря на их различную экстрагирующую способность. Полученные статистические зависимости свидетельствуют, что механизм, препятствующий избыточному поступлению РЬ в растения, срабатывает недостаточно. Об этом свидетельствуют полученные зависимости по ингибированию роста и развития растений. Факториальный признак (содержание РЬ в растении) обусловливает изменчивость результативных признаков: высоты растений -на 45% (г = -0,70), длина колоса на - 44% (г = -0,66), уменьшение числа колосков в колосе - на 34% (г = -0,58), числа зерен в колосе -на 46% (г = - 0,68), массы зерна - на 50% (г = -0,71), массы соломы - на 79% (г = - 0,89) .

ВЫВОДЫ

1. Изучение экстрагирующей способности ААБ рН 4,8 ТМ из чернозема обыкновенного карбонатного позволило установить наличие процессов вторичного осаждения металлов на почвенных коллоидах.

2. Характеристика запаса подвижных форм ТМ в черноземных почвах возможна с использованием вытяжки ААБ + 1% ЭДТА. Количество ТМ, извлекаемых этой вытяжкой, характеризуется корреляционными зависимостями среднего и высокого уровня с агрохимическими показателями почв. Количество Zn, извлекаемое этой вытяжкой, тесно коррелирует с содержанием гумуса (г= 0,8), количество Сс1 в вытяжке характеризуется средней корреляционной зависимостью с содержанием подвижного фосфора (г= 0,5), РЬ и Си - с суммой поглощенных оснований (г= 0,6 и г= 0,7 соответственно).

3. Согласно полученным экспериментальным данным вытяжка ААБ + 1% ЭДТА часто характеризуется более высокой экстрагирующей способностью по сравнению с ААБ рН 4,8 и 1н. НС1. При этом получены тесные корреляционные зависимости между содержанием металлов в вытяжке и их количеством в растениях (по 2п г = 0,94; по РЬ г = 0,95), что свидетельствует о доступности растениям запаса металлов, извлекаемого этой вытяжкой.

4. Количество металлов в вытяжке 1н. НС1 часто характеризуется отрицательными корреляционными зависимостями с агрохимическими пока-

зателями почвы: например, количество Си в 1н. НС1 имеет отрицательную корреляционную зависимость с гумусом (г= -0,51), с суммой поглощенных оснований (г= -0,57), с количеством подвижного фосфора (г= -0,55), что свидетельствует об извлечении вытяжкой металла из проч-носвязакных 1ШК соединений. Это дает основание полагать о неадекватности данного экстрагента объекту исследований. В то же время значительная часть экстрагента идет на разрушение карбонатов, что, в свою очередь, снижает селективные свойства вытяжки на черноземных карбонатных почвах.

5. Количества Си и 2п, определяемые вытяжкой ААБ рН 4,8 в черноземных почвах, изученных на стационарных участках, не имеют корреляционной зависимости с агрохимическими показателями почв. Последнее подтверждает слабую экстрагирующую способность вытяжки ААБ рН 4,8.

6. В модельном эксперименте, в котором изучалась микробиологическая активность чернозема обыкновенного карбонатного при различных уровнях загрязнения ТМ, в течение всего периода наблюдения (30...45 дней) отмечалось стабильное ингибирование микробиологической активности почвы. За период наблюдений не отмечалось явления адаптации почвенных микроорганизмов к загрязнению почвы ТМ. Снижение целлюло-зоразлагающей активности под действием высоких доз Си составило 54%, уреазной активности 60% по сравнению с контролем; целлюлозоразлагаю-щей активности при внесении йп - 99%, максимальное угнетение фермента уреазы - 63%. Максимальное снижение целлюлозоразлагающей активности под действием РЬ составила 34%, уреазы - 54%. Под действием С<3 максимальное снижение целлюлозоразлагающей активности составило 41%, уреазной активности - 58%.

7. При сравнении равных доз металлов по токсичности в отношении действия на микробиологическую активность чернозема обыкновенного карбонатного установлен следующий ряд: гп > Си > С<3 > РЪ.

8. При выращивании ярового ячменя на искусственно загрязненной почве йп, Си, РЬ (в вегетационном опыте) ингибирующее влияние металлов проявилось в снижении биологической продуктивности растений: по массе зерна - на 51,0%, по массе соломы - на 26,5%.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ

При определении запаса подвижных форм тяжелых металлов и микроэлементов в черноземе обыкновенном карбонатном предлагается использовать вытяжку ААБ рН 4,8 + 1% ЗДТА.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Характеристика содержания ТМ в черноземе обыкновенном карбонатном в Ростовской области // Мелиорация антропогенных ландшафтов. т.1. Экономические проблемы урбанизированных территорий.- Новочеркасск: НИМИ,1995.-С.65-709 (в соавторстве).

2. Процессы вторичного осаждения тяжелых металлов в черноземе обыкновенном карбонатном. //Тез. докл. XI съезда общества почвоведов.- С-Петербург, 1996.-С.373-374 (в соавторстве).

3. Действие тяжелых металлов на биологическую активность черно-

зема обыкновенного карбонатного // Мелиорация антропогенных ландшафтов. т.3.-Новочеркасск: НИМИ.-1997.-С.105-108 (в соавторстве).

4. Исследование процессов вторичного осаждения тяжелых металлов в черноземе обыкновенном карбонатном. // Мелиорация антропогенных ландшафтов, т.3.-Новочеркасск: НИМИ.-1997.-С.57-63 (в соавторстве).

5. Особенности методического обеспечения определения подвижных форм тяжелых металлов на карбонатных почвах // Тез. докл. междунар. конф. " Проблемы антропогенного почвообразования ". т.З, М., 1997.-С.202-204 (в соавторстве).

6. Динамика содержания тяжелых металлов в почвах агроландшафтов Ростовской области //Тез. докл. межрегиональной научно-практической конф. молодых ученых и специалистов. Часть 1. Воронеж, 1997.-С.235-237.

7. Особенности распределения тяжелых металлов в почвах черноземной зоны Ростовской области //Тез. докл. международной научной практической конференции "Растительные ресурсы и биотехнология В АПК". Владикавказ, 1998.-С.14 (в соавторстве).

8. Biologikal Activity of chernosem under the heavy metals contamination. // Fourth International Conference on the Biogeochemist-ry of Trace Elements, University of California, Berkeley, 1997 (в соавторстве).

9. Heavy metal second precipitation in carbonate chernozem/ Seventh of Environmental Toxicology and Chemistry.RAI Congress Centre, Amsterdam, 1997 (в соавторстве).

10. Peculiarities of heavy metals mobility investigation in carbonate chernozem // Fourth International Conference on the Bioge-ochemistry of Trace Elements, University of California, Berkeley, 1997 (в соавторстве).

11. Heavy metals transformation in chernozem soil of Rostov area // International conf. " Problems of antropogenic soil formation". Moscow, 1997. V. 4. P.184-186 (в соавторстве).