Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сезонная динамика и баланс тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Сезонная динамика и баланс тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве"

X). о ^ .аД

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

фахулыот почвоведения

На правах рукописи УДК 631.416.8

ПОПОВА АННА АНДРЕЕВНА

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА И БАЛАНС ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ

Специальность 03.00.27 - Почвоведение

Аотореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-1992 •

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель - кандида г биологических наук, доцент А.И.Обухов

Официальные оппоненты: 1. доктор сельскохозяйственных наук

В.А.Большаков 2. кандидат биологических наук Е, А.Лобанова

Ведущая организация - Московский педагогический государственный университет им. В.И./1енина

Защита состоится "/3 "ОЛТЯБ/ЬЯ 1992 г. в 15 час. _30 мин. в аудитории М-2 на заседании специализированного совета К.053.05.16 МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, В-234, МГУ. факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "2У" Обг^СтС^х9Э2Г,

Ученый секретарь специализированного совета

.В.Мотузова

...... • - Г:

Актуальность проблемы. Тяжелые металлы (ТМ) являются бак ним компонентом свойств почв и экологической среды, что оказывает влия-• нив на формирование урожая и е: о качество. Получение высоких урожаев с/х культур при комплексной мелиорации может изменить содержание микроэлементов о почве, нарушить их баланс в агроценозе. Балансовые расчеты, а также изучение сезонной динамики и пространственного варьирования содержания наиболее доступных для растений подвижных форм соединений металлов помогут правильно оценить обеспеченность с/х культур, животных и в конечном итоге человека микроэлементами, рационально использовать микроудобрения. Однако в связи с увеличением постумения ТМ в биосферу в результате хозяйственной деятельности человека актуальным является вопрос охраны окружающей среды. Мониторинг ТМ о почвах осуществляется как система из трех взаимосвязанных мероприятий: наблюдение за состоянием ТМ (приход, трансформация, отток), оценка этого состояния и составление прогноза. Кгждое из этих мероприятий базируется на статьях баланса ТМ в агроценозах. Разработка системы мониторинга вызывает необходимость среди многочисленных возможных показателей состояния ТМ в почвах определить наиболее чувствительные, которые на ранней стадии позволят выделить наиболее "слабый" сигнал, вызванный какими-либо антропогенными факторзми, на фоне "шума", т.е. природной вариации содержания элементов. Решение данной проблемы требует проведения детальных и сопряженных во времени и пространстве исследований о характере варьирования содержания подвижных форм соединений ТМ как одного из наиболее чувствитель-них'пикЕзатёлей состояние ГМ в почвах.

Целью работы являлось ' изучение сезонной динамики и пространственного варьирования тяжелых металлов о почвах и в почвенно-грунтовых водах, исследование параметров баланса тяжелых металлов в агроцонозах дерново-подзолистых почв.

Были поставлены следующие задачу:

1. Изучить сезонную динамику и пространственное варьирование содержания подвижных форм соединений ТМ о почвах и концентраций ТМ в почвенно-грунтовых водах. »

2. Исследовать закономерности распределения ТМ (подвижные формы соединений, валовое содержание) по профилю дерново-подзолистых окультуренных почз.

3. Определить содержание микроэлементных примесей а основных видах удобрений и мелиорантах, оценить их влияние на состояние

ТМ в почвах.

4. Оценить компоненты Баланса ТМ в почвах при интенсивном ведении сельского хозяйства. На основании балансовых расчетов дать прогноз возможного изменения состояния ТМ о дерново-подзолистых окультуренных почвах и предложить некоторые показатели для контроля за загрязнением почв ТМ при проведении экологического мониторинга.

Научная новизна. На основе многолетних полевых наблюдений впервые изучены сезонная динамика и пространственное варьирование содержания подвижных форм соединений ТМ рп, РЬ, Сс1, Си, Ре, Мп, N0 в дерново-подзолистых окультуренных почвах и концентраций ТМ и почвенно-грунтовых водах. Определены почвенные факторы, обуславливающие пространственное и временное варьирование ТМ в почвах и в почвенно-грунтовых водах. Исследованы характер и степень выраженности сезонной динамики в течение вегетационного периода по различным годам. Предложена методика определения микроэлементных примесей в удобрениях (минеральных, органических) и мелиорантах. Проведено комплексное исследование основных параметров баланса ТМ и агроценозах дерново-подзолистых почв. На основании балансовых расчетов дан прогноз возможного изменения состояния ТМ о почвах при существующей системе земледелия.

Практическое значение. Показана необходимость учета сезонной динамики и пространственного варьирования содержания подвижных Форм соединений ТМ в почвах и концентраций ТМ в почвенно-грунто-еых водах, как при оценке обеспеченности почв микроэлементами, так и при решении других почвенно-генетических проблем. На основании исследования параметров баланса ТМ в агроценозах рекомендованы показатели, необходимые для осуществления ранней диагностики и прогноза загрязнения почв ТМ при проведении мониторинга за состоянием с/хугодий.

Апробация рпИоты. Диссертация рассмотрена и рекомендована к . .идите на заседании кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ 9 декабря 1991 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на/^страницах машинописного текста, включает 19 таблиц, 21 рисунок. Она состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, приложения и списка литературы, который включает 205 названий (из них 47 зарубежных).

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объекта исследования были выбраны дерноео-сред-неподзолистые среднесуглинистые окультуренные почвы. расположенные на территории агробиостанции Чашниково, которая представляет типичный для Подмосковья сельскохозяйственный район с достаточно интенсивной системой земледелия.

Изучалось поведение следующих ТМ - РЬ, Сй, Су, Яе, Мп, N1.

Для изучения распределения ТМ по профилю дерново-подзолистой почвы из различных горизонтов в десятикратной повторности были отобраны пробы поча. В пробах определяли валовое содержание ТМ (после разложения смесью концентрированных кислот - НЫОз . НСЦ НЯ), содержание подвижных форм соединений (вытяжка ацетатно-аммо-.нийным буферным раствором с рН 4,8) [Методические рекомендации .... ШЧ^атакже-рНн^О.рНка.Сорг [Воробьева, 1978; Физико-химические методы1980].

Изучение сезонной динамики и пространственного варьирования подвижных форм соединений ТМ в почвах проходило а два этапа. На первом этапе с целью выбора пикета для проведения длительного мониторинга было изучено пространственное варьирование подвижных ТМ и некоторых общих свойств почв (гумус, рНко) на участке размером 10 га (250 х 400 м). На втором этапе в пределах этого участка был выбран однородный пикет размером 1 га (100 х 100 м), представленный одним почвенным контуром по содержанию подвижных ТМ. Ежемесячно с апреля по ноябрь в 25 точках этого участка из пахотного горизонта (0-20 см) отбирали смешанные образцы почв (каждый образец состоял из пяти индивидуальных проб с площади 1-2 м2) для определения влажности, рН(^о, рНкС1. содержания подвижных форм соединений ТМ. Параллельно в каждой точке пятью платиновыми электродами определяли ОВП и специальным датчиком -температуру почв. В 25 точках также было определено валовое содержание ТМ. В 1987 году на территории

Кирпичного поля (площадью 15 га) бил проведен искусственный дренаж. Ежемесячно аналогично почвам V3 16 дренажных колодцев отбирали пробы почвенно-грунтовых вод для определения рН, ОВП, концентраций ТМ. Наблюдение за изменением содержания подвижных ТМ в почвах и конценраций ТМ в почвенно-грунтовых водах продолжали в течение трех лет 1987,1988,1989 гг.

Так как прямое атомно-абсорбционное определение ТМ о незагрязненных объектах затруднено, применяли предварительное концентрирование методом упаривания: почвенно-грунтовых оод - в 40 раз, вытяжек из почв ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 -вЮрзз.

Изучение баланса ТМ в агроценозах дерново-подзолистых почв также проводили втечениеЗ-хлетвусловиях стандартного севооборота (Кирпичное поле) на пикете площадью 1 га. В первый год выращиваемой культурой был ячмень, во второй и третий - многолетние травы (вика и (вес).

В качестве источников поступления элементов о почву исследовались: органические (навоз) и минеральные (азотные, фосфорные, калийные) удобрения, мелиоранты (известь), атмосферные выпадения и посевной материал. Отчуждение металлов из почвы учитывали в результате вымывания с внутрилочвенным стоком и биологического выноса с основной и побочной продукцией сельскохозяйственных культур. Баланс ТМ в агроценозах рассчитывали по разности между суммарным количеством поступивших в систему и вынесенных из нее элементов.

Для наиболее полного извлечения ТМ проводили разложение извести, минеральных (мочевина, аммофос, простой суперфосфат, калийная селитра) и органических (навоз после озоления) удобрений смесью концентрированных кислот HNO3. HCL.HF. С учетом процента действующего .ещества, употребляемых доз и содержания металла было рассчитано кг личество ТМ, поступающих на 1 га пашни с удобрениями и мелиорантами.

Глобальное и региональное поступление ТМ с атмосферными вы-садиниями учитывали на основании анализа снежного покрова. Перед началом таяния снега с опытного пикета буром в трехкратной повторно-сти отбирались пробы снега на всю глубину снежного покрова. Отдельно анализировались растворимая и твердая фракции снега.

Для оценки поступления метаплов в агроценоз с посевным материалом были проанализированы ячмень, семена вики и овса.

Потери ТМ от выминзния с и н ф ил ьтрую щим и ся водами оценивали на основании состава почвенно-грунтовых вод и количества атмосферных осадков, просачивающихся через ррофиль почв (1/5 часть общего количества осадков, выпавших в бесснежный период).

Биологический вынос микроэлементов с сельскохозяйственной продукцией определяли исходя ип величины урожая и содержания ТМ в растениях. В концо вегетационного периода из 25 точек пикета площадью 1 га отбирали образцы рггтений. Содержание ТМ в растениях и семенах определяли после минерализации анализируемого материала методом сухого озоления.

Содержание ТМ в объектах окружающей среды определяли методом атомно-абсор(зционной спектрофотометрии на приборе фирмы "Перкин-Эльмер", .иодель 403. Для исключения неселективных помех при определении Zn, Pb, Cd, NI использовали дейтериевый корректор фона.

Для обработки результатов исследований были применены методы. математичесюй статистики [Плохинский, 1961; Дмитриев, 1972; Дмитриев и др., 1900]. Часть расчетов была проведена на ЭВМ СМ-4.

ГЛАВА2. ФОНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТМ О ПОЧВАХ, РАСТЕНИЯХ И ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

(по литературным данным и на примере района исследования)

Приведен обзор литературы, посвященной исследованиям фоновых уровней содержания ТМ в объектах биосферы (почва, растения, почненно-грунтовыо воды) [Виноградов 1957;Пейве, 1958; Ковдаидр., 1Ü50; Зборищук, Зырин, 1974; Ровинский и др., 1982; Добровольский, 1SS3; Обухов, Лурье, 1903; Потрухин, 1983; Химия тяжелых металлов ..., 1S35, Алексссг, 102?; Г."?эояский, 1Р87; Мур, Рамамурти, 1987; Обухов, 19S7; Учватов, 1987; Кабата-Пендиас. Пендиэс, 1989; Ильин, 1991; Mitchell. 1957, 1971; Oertel, 1961; Bowen, 1965; Norrish, 1975 и др.]

Глава также включает результаты изучения содержаний (валовое, подвижные формы соединений) ТМ в почвах, растениях и почвенно-грунтовых водах АБС Чашниково, рассмотрено распределение элементов по профилю дерново-подзолистых окультуренных почв.

- с; -

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ, ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ И МЕЛИОРАНТОВ НА СОСТОЯНИЕ ТМ В ПОЧВАХ

Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, содержащимися в агрорудах. Поэтому количество их в минеральных удобрениях зависит от исходного сырья и технологии его переработки. Содержание ТМ в органических удобрениях определяется прежде всего зольностью удобрения.

Для лзптных удобрений характерны невысохио количество микроэлементных примесей. Практически не обнаружено в мочевине Сс1, в незначительных количествах содержатся Си, РЬ и Мп, концентрации 2х>, N1 и Ре в удобрении достигают более высоких значений (табл. 1). В простых азотных удобрениях содержание 7.п колеблется от 0,5 до 50; Мп - около 2; Си - от 1,5 до 14; РЬ - около 1,3; Сс! -й25; N1 - от 2,5 до 7,5 мг/кг [Кирдун, 1978; Дубиковскийидр., 1979; Сельцова, Потатуева, 1981; Соловьева, 1986; Потатуева и др., 1987]. За счет внесения азотных удобрений (например, мочевины в дозе 100 кг/га) прибавка в содержании изучаемых элементов в почве (даже без учета процессов выноса) незначительна и составляет в среднем п х 10"3-п х 10"5%. Для одного из наиболее токсичных ТМ - Сс1. эта прибавка не превышает 0,01 %.

Наибольшие количества примесей микроэлементов содержат фосфорный удобрения. Производство и применение фосфорных удобрений связано с риском загрязнения окружающей среды Сй в большей степени, чем использование других видов удобрений. Обобщенный анализ позволил некоторым исследователям сделать вывод о том, что удобрения, содержащие 8 мг/кг кадмия, являются потенциальными загрязнителями [Ягодин и др..1989].

Среди элементов, обнаруженных в простом суперфосфате, Саго [1964] называет такие ТМ, какС<1 (50-170 мг/кг), Си(4-79 мг/кг), РЬ (7-92 мг/кг), N1 (7-32 мг/кг), 2п (50-1430 мг/кг). Результаты анализа гранулированного суперфосфата показывают, что уровни концентраций Си, РЬ, N1 попадают в установленные Саго [1964] интервалы, содержание Сс1 и 2п оказалось более низким, а количества Яе и Мп достигают 1650 и210 мг/к^ соответственно (табл. 1).

При внесении суперфосфата в дозе 90 кг/га содержание Сй в почве может измениться на 0,44 % (без учетов процессов миграции), в то

Таблица 1

Содаргг.ние тяаелкх металлов в удобрениях и мелиорантах

Удобрение Содержания, мг/кг

11-1 га. Си РЬ са Н1 Ро

Ночевина 2 6.0 0.8 1.3 0,25 7.5 25

Суперфосфат простой гранулированный 210 19,3 14,3 42,5 3,50 24,8 1650

Хлористый калвЯ 15 12,3 4,5 12,5 4,25 19,3 403

Навоз(зольность 19.5%) 275 121,7 19,8 3.3 0,20 6,5. 406

Торф (зольноств 16,28) 553 9,4 6,7 7.6 0,23 6.1 1741

Известь 295 21,0 5,8 37,5 5,50 30,0 1035

время как колебания в количествах остальных ТМ составляют только n х 10"2- п х 10"*% от валового содержания.

Калийные удобрения по содержанию микроэлементов занимают промежуточное положение между азотными и фосфорными. По содержанию в азотных и калийных удобрениях ТМ образуют сходные убывающие ряды: для мочевины - Fe>NI >Zn >Mn >Pb >Cu >Cd, для хлористого калия - Fe> NI > Mn > Pb > Zn > Cu >Cd.

Свое положение изменяет только цинк, в азотных удобрениях его содержание выше, чем концентрации марганца и свинца, а в калийных, наоборот, ниже (табл. 1).

Внесенная с калийными удобрениями добавка ТМ невелика и практически не окажет влияния на их естественное количество о почве (п х 10"3- п х 10"5%). Поступление Cd хотя и будет на два порядка больше (0,14%), чем поступление Pb, Zn, Cu и N1, также не изменит его природной концентрации в г.очвах.

Содержание ТМ в извести, как правило, не превышает их концентраций о фосфорных удобрениях. Количества ТМ в известковых материалах в среднем составляют: Zn - 5-36; Cu - 6-10; ?b - 0,5-47; Cd - 5,5; Ni -10-46; Fe - 1035; Mn - 295 мг/кг (табл. 1), [Дубиковский и др., 1979; Мимеев и др., 1981; Сельцова, Потатуева, 1981; Andersson, 1977; Goodroad, Caldwell, 1979].

Внесение извести в дозе 5 т/га может изменить природные уровни Zn. Cu, Mn приблизительно на 0.1%; N1 - на 0,2%; РЬ - на 0.6%; Cd -на 8,9% от их валового содержания в почве. При таком уровне поступления, вероятно, существует риск накопления РЬ и Cd о почве из извести с течением времени.

Органические удобрения характеризуются невысокими концентрациями ТМ. Однако элементы, играющие важную физиологическую роль в жизн'. растений (Fe, Mn, Zn, Cu), присутствуют в навозе в повышенных количествах: Fe-406; Mn-275;Zn -121,7; Cu - 19,8 мг/кгсухого вещества. Значительно ниже уровень содержания элементов - приоритетных загрязнителей окружающей среды: РЬ - 3,3; Cd - 0,20; N1 - 6,54 ' м.-/кг (табл. 1). При ежегодном внесении 50 т/га навоза валовое содер-' жание Cd в почве может измениться на 0.6%; Zn - на 1,2%; Си- на 0,5%; Nl.Pb. Мл-на 0.1-0.15%.

Проведенные исследовании показывают, что количества ТМ1, поступающие с вносимыми минеральными - калийными и азотными и органическими удобрениями, в настоящее время заметно не изменяют природных уровней содержания ТМ в почвах. Фосфорные удобрения и известь при сильно загрязненном сырье могут повлиять на баланс С<3 в системе почвенно-грунтсвые воды-почва-рзстения, что вызывает необходимость проведения регулярного контроля за содержанием ТМ, и в первую очередь Сс1, о удобрениях и мелиорантах.

ГЛАВА 4. СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ

ВАРЬИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ СОЕДИНЕНИЙ ТМ В ПОЧВАХ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ТМ В ПОЧВЕННО-ГРУНОВЫХ ВОДАХ

4.1. Сезоннад динамика и пространственное варьирование подвижных ТМ п почвах

Высокое пространственное варьирование содержания подвижных форм соединений ТМ характерно для участка площадью 1 га (в среднем от 20 до 70%), ь то время как общие свойства почв (рН, влажность, ОВП) изменяются незначительно (5-10%).

Коэффиииенты варьирования содержания подвижных ТМ а почвах колебались в течение вегетационного периода, поднимаясь для Сй до уровня 90%; для Ре, Pb.Nl-до 60-70%; д*1Я гл. Мп, Си- до 40-45%. Однзко на фоне высокого пространственного варьирования прослеживаются определенные закономерности, обусловленные сезонными изменениями состояния почвы.

Проведение дисперсионного анализа позволило установить для почв и почвенно-грунтовых вод наличие или отсутствие изменения содержания ТМ с течением времени. Степень вырзжснности сезонной динзмикн ТМ меняется по годам (табл. 2). В тех случаях, когда сезонная динамика ТМ достоверно не диагностируется, пространственное варьирование содержания эл«м£.гтсв, вероятно, перекрывает их временные изменения.

В дернозо-подзолистой почве достовено диагностируется сезонная динамика содержания подвижных Ре, Мп. 2п и РЬ. Сезонные изменения в содержании подзижних Си и Сс1 значимо проявляются только о отдельные годы наблюдений (1983 и 1990 гг. - для Си, 1988 и 1990 гг. -

для Се1. Сезонная динамика подвижного N1 практически не выражена (табл. 2, рис. 2-5 б).

Как и ожидалось, отчетливо наблюдается динамика полевой влажности (\Л/) и в 1990 г. - ОВП почв, а кислотность почв (рНнуэ, рНкС1) слабо изменяется в течение вегетационного периода (табл. 2, рис. 1,2 б). По степени кислотности (диапазон колебаний средних значений рН от 6,5 до 7,3) изучаемые почвы относятся преимущественно к группе нейтральных (с высокой буферностью, характерной для окультуренных почв), что обуславливает слтбые сезонные изменения этого показателя, а также отражается на выраженности временной динамики подвижных форм соединений большинства ТМ. В более кислом или щелочном интервале рН степень выраженности динамики ТМ может быть иной, вероятно, она будет носить более яркий характер.

Слабая степень выраженности сезонной динамики N1, возможно, связана с недостаточной чувствительностью (0.1 мкг/мл) аналитического определения этого элемента методом атомной абсорбции (даже после концентрирования), а также с низким фоновым содержанием подвижного N1 (0.12-0,24 мг/кг) в дерново-подзолистых почвах. Сезонные изменения в содержании С<1 в некоторых случаях перекрываются высоким пространственным варьированием (до 91%). Динамика Си может быть слабо выраженной из-за низкой подвижности, присущей самому элементу в данных условиях.

Как правило, & содержании Ре, Мп, гп, Сб в июле-августе-начале сентября прослеживается максимум, вероятно, связанный с усилением биологической активности почв, которое вызванно более оптимальным соотношением влаги о почве, и интенсивно идущими процессами минерализации органического вещества. В отдельные годы о это же время происходит уменьшение ОВП до наиболее низкого за время наблюдений уровня (400-450 мВ), что также может способствовать увеличению подвижности Га и Мп. К середине осени, когда падает температура почвы, можно предположить снижение биологической активности и, как следствие, уменьшение содержания подвижных Ре, Мп, Zп и Сс1. Минимальное содержание этих металлов также приурочено к периоду (июнь), •оти наблюдается иссушение почвы (влажность минимальная) и ослаблены процессы деятельности микроорганизмов (рис. 2-5 6). Прослеживается весенний максимум в содержании Си и Сезонная динамика Си коррелирует с изменением влажности почв (рис. 1,4 б).

Таблица 2

Достоверность сезонной динамики состава почв и почвенно-грунтовых под

Показатель Почва Вода

1988 1989 13ь0 1988 1989 1390

ОБП н/о - + к/о ♦ ■ +

Н н/о + + И/о н/о И/о

Рнкр - - - + + +

РНКО. - - - н/о н/о н/о

1л + + + + + +

РЬ + + + + - -

са + - + - - -

Си - + + - - +

Ре + + + + - +

Мп + + + + + +

N1 - - - - + -

Примечание: "+" - наличие

- отсутствие н/о - не определен

1Й

7,5 7,0 6,5 6,0 5,5

Х---Х

IV V VI VI УЯ К X XI «иста

ад

• 7,5 7,0 6,5 5,0 5,5

П/ V VI VII VIII IX X . XI иесац

Ряс. 2. Сезонная динамика рН (I), 2п (Ц)

а - почвенно-грунтоше воды, й - почва;

V И Vtl VS IX . X U0cml

V V/ VII VIII IX X XI Мвсщ

-Û. 1988, --. 1989, X----X 1990

гъ, увг/г

8,0 6,0 4,0 ' 2.0

Х&тгХт-г •-Ж1-»-«--'----.У''_.

ГУ V VI VII VIII IX X ' XI месяц

XI месяц

IV V. VI

Рис. 3. Сезонная динамика рь (I), <М а - почвенно-грунтовые воды, <5

Cd, нкг/д

0.3 0,2 0.1 f

tj ч vi v» va ix X я месяц

. Cd, ЬЕГ/ВТ

• 0,œ .. 0,05 .. 0,01 .. 0,03 0,02 • 0,01

IV V VI v/1 VIII IX X Kl мвсяц

(П)

- почва; л---ù. ISS8,

1989, x---.X 1990

Си, юг/л

„й- - -Д- — -Л /'

______

IV У VI VII №1 IX X Я ызищ

Рис. 4. Сезонная динамика Си (I), Ее а - почвенно-грунтоше воды, б -

Ka. ksx/x 40

.35

30.

25 \ 20

Í5. + Ю

. 5

Х-.-.

■ib „ -Ь XjAríX----X

I

s

I

У

VI Ml'v VJH M X • Л ивсшг

Иа, . мг/кг.

70

eo

'50' iá 30 20

10'

У V» vsi ¡X Х- я «вещ

и., иг/ах

0,3 0,2 0,1

IV tf Л Vil ypi IX X XI месяц

Рис. 5. Сезонная динамика isá (I), Si (П)

а - лочЕенно-грунтовые' еоды, 6 - штчва;. д---л 1988,

4V . -V VI Wl VQfl IX X Я »сяц

-- 1989, х----х 1390

i

Конкретное время проявления максимумов и минимумов в содержании ТМ в течение вегетационного периода изменяется по годам и зависит от метеорологических особенностей года. Относительный сдвиг во времени максимумов и минимумов при сравнении разных лет может достигать одного месяца.

Проведение корреляционного анализа между содержанием подвижных ТМ в почвах и свойствами почв (рН, ОВП, влажность, температура) показало, что выявляемые зависимости нестабильны во времени, т.е. в каждый период времени существует доминирующий фактор, который определяет пространственное варьирование данного металла и перекрывает влияние остальных факторов. В нейтральном инервале рН (6,5-7,3) также может происходить нарушение многих корреляционных зависимостей, которые обычно наблюдзются при более низких (кислых) и более высоких (щелочных) значениях рН.

4.2; Сезонная динамика и просранстяенное варьирование ТМ в почвенно-грукговых водах

Размах варьирования концентраций металлов в почвенно-грун-товых водах по величине сопоставим с варьированием содержания подвижных ТМ в почве. Коэффициенты вариации концентраций ТМ в дренажных водах также как и в почвах изменялись в течение вегетационного периода: для Мп от 20 до 05%,для Ре от 20 до 75%, для ¿пот 20 до 70%, для РЬ от 20 до 50%, для Си от 15 до 50%, для N1 от 30 до 40%.

В почвенно-грунтовых водах достоверно диагностируется сезонная динамика концентраций Мп, 2п и, как правило, Ре. Сезонные изменения содержаний РЬ, N1, Си выражены менее ярко и проявлялись не во все годы исследовзий. Концентрация Сс1 в водах остается на одном и том жо постоянном уровне в течение всего вегетационного периода (табл. 2, рис. 2-5 а).

В дренажных водах хорошо выражена динамика кислотности и ОВП (табл. 2; рис. 1,2 а).

Ход сезонных изменений концентраций Мп, 2п, а по одному году и N1 обратно коррелирует с изменением рН. Данная закономерность хорошо прослеживается в 1989 г. С увеличением рН воды содержание этих ТМ падает.

Пространственное варьирование концентраций ТМ в почвенно-грунтовых водах практически отсутствовало для РЬ и Сс1, а в некоторые периоды наблюдение и для N1. Пространственные колебания концентраций Мп, Си, Ре, N1 и 2п определялись в первую очередь изменением рН воды.

Также как и для почв, корреляционные зависимости между концентрациями ТМ в почвенно-грунтовых водах и некоторыми показателями (рН, ОБП, МОз", Р2О5) нестабильны во времени и меняются в зависимости от периода наблюдения..

Для выяснения механизмов, определяющих уровень содержания ТМ в почвенно-грунтовых водах, на теоретические диаграммы растворимости различных соединений ТМ в зависимости от рН [Горбатов, 1983; Рудакова и др., 1986; Воробьева, Лобанова, 1987] были нанесены экспериментально определенные концентрации ТМ в дренажных водах. Такое сопоставление показало, что 1,онцентрация Яе и Мп в изучаемом диапазоне рН 6,1-7,8 регулируется процессом растворения-осаждения труднорастворимых соединений этих элементов: Ре(ОН)з с рПР-3"Л^ '1 МпНР04 с Срог, - ю'6 моль/л соответственно. Для Сс1, Си и № возможно предположить существование иного доминирующего механизма. Таким процессом может быть ионный обмен, а содержание 2п, Сс1, Си и N1 в почвенно-грунтовых водах определяется сорбционно-десор-бционным равновесием. Для РЬ также можно предположить процесс адсорбции как основной механизм, контролирующий его концентрацию в подах. Однако концентрация РЬ не зависела от рН воды и в некоторой степени была близка к кривим растворимости фосфатных соединений свинца: РЬ б(РО 4)3 (ОН).

Таким образом, характер сезонной динамики содержаний подвижных форм соединений ТМ в почвах' и концентраций металлов в почвенно-фунтовых водах и степень ее выраженности меняются в зависимости от климатических особенностей года.

ГЛАВА 5. БАЛАНС ТМ В АГРОЦЕНОЗАХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ

ПОЧВ

Среди компонентов потока ТМ на поверхность почвы удобрения и мелиоранты представляют основной источник прихода металлов от 72 до 98% от общего Лотока ТМ (табл. 3). Поступление происходит преимущественно с органическими удобрениями и известью. С навозом вно-

сится около 80% 2п. Си и Мп; свыше 40% Ре и 24% РЬ и 15% Сс1 от общего потока ТМ на поверхность почвы. С известью в наибольшем количестве поступает Сс1 (65%). далее следуют РЬ и N1 (46% и 35% соответственно), Ре и Мп (около 20%) и менее 5% доля извести в поступлении 2г\ и Си. С минеральными удобрениями (мочевина, простой суперфосфат, калийная селитра, аммофос) вносити менее 10% от всего поселения ТМ.

Глобальное и региональное поступление с атмосферными осадками было наибольшим для Ре (28%) и РЬ (21%), средним для 2п, Сс1, Си, N1 (8-15%) и наименьшим для Мп (2%) (табл. 3). Приход Сс1 с минеральными удобрениями (1 г/га в год) сопоставим с притоком этого элемента с атмосферными осадками. Для остальных ТМ приход с минеральными удобрениями значительно меньше их атмосферного поступления. Ре и Мп находятся в основном в составе твердой фракции атмосферных осадков, 60% 2п, РЬ, Си, N1 также поступают с твердой фазой. Атмосферный приток С(1 поровну распределен между жидкой и твердой фазами снега. '

По сравнению с другими параметрами баланса ТМ и особенно с колебаниями потоков по отдельным годам, поступление ТМ с посевным материалом незначительно (<0,1-0,3%). Поэтому при балансовых расчетах эту статью можно не учитывать.

С внутрипочпенным стоком из корнеобитаемого слоя выщелачивалось от 0,3 до 14 г/га в год различных металлов. Отчуждение с урожаем с/х культур для всех ТМ, кроме РЬ, представляет основную расходную часть баланса. Для основных биофильных элементов - Тп, Ре, Мп, Си - биологический сынос составляет 90% всех потерь. Для РЬ, Сб, N1 отчуждение с урожаем и вынос с фильтрующимися водами сопоставимы по величине (табл. 3).

Таким образом, в исследуемых агроценозахдернсво-подзолистых почв сложился положительный баланс для всех ТМ. Вынос элементов из системы не превышает 12% их поступления (табл. 4).

За счет положительного баланса ТМ в почве может происходить ежегодное увеличение содержания Сс1 на 2,5%; Тп и Си - приблизительно на 1%; N1, РЬ, Мп -в среднем на 0,2%; Ре - менее, чем на 0,01 % от общих запасов этих ТМ в пахотном слое почв (табл. 4).

• Таблица 3 Еаланс тяжелых металлов в агроценозе

Элемент Поступление тяжелых металлов на поверхность почвы Вынос тяжелых металлов из почвы Баланс г/га в год

Атмосферные выпадения Удобрения и келиоранты Посевной материал Суммарный приход Урохай с/х культур Внутрйпоч- венный сток Суммарный вынос

' 1 П 1 П 1 П 1 п | , ■ II П 1 П 1 П

жздк. ТВ.

1п 32 48 11 963 89 2.5 0.2 1046 юс ! 30 93 6 7 96 100 +950

РЬ в 13 21 77 79 • 0,07 0.1 98 100 3 46 4 54 7 100 +91

Сй 0,5 0,5 11 9 89 0.01 <0.1 10 100 0,4 59 0,3 41 0.7 100 +9,3

Си 4 6 8 . 162 92 0.7 0,3. 173 100 18 87 3 13 21 100 + 151

Ре 16 1622 28 4636 72 3.5 <0,1 6278 100 233 92 14 8 247 100 +6031

Мп 13 38 2 2493 98 1,9 <0.1 2546 100 121 90 12 10 • 133 100 +2413

.N1 6 9 15 93 85 0,07 <0.1 108. 100 6 65 3 35 9 100 +99

Примечание: 1 - поступление и вынос ТН, г/га в год

П - поступление и вынос ТМ, % от сукмаигого поступления и выноса

Таблица 4

Соотнесения йегду запасом, поступлением о выносоа твхэлюс наталлов в агроцонозо

Элемант Валовое содержание, ыг/кт Запас в пахотном елоа, иг/га Увеличение запаса, кг/га в год Поступления ТИ, X от запаса Вынос ТИ. % от прихода 36 . кг/га Вреня для превышения 36 , год

2п 39.0 93.6 0,95 1 Э 25,3 27

РЬ 17,2 41.3 0,091 0.2 1» 7 18,6 204

С<1 0,15 о.за 0,009 2.5 7 0,19 20

Си 9,3 22,4 0,151 0.7 1?. 8,7 58

?е 38000 91200 6,031 <0.01 4 54720 9073

Кп 586 1405 2,413 0,2 970 402

Н1 14.8 35,5 0,099 0.3 _ 8 19.2 194

Примечание: <з - стандартное отклонение для запаса ТИ в почва

Исходя из величины ежегодного поступления ТМ и показателя (Зй ), употребляемого для оценки максимального уровня естественного содержания элемента в почве, получено, что значимое увеличение валового содержания ТМ в почве при существующей системе земледелия может быть зафиксировано для Сс), 2п, Си - через десятки лет; для N1, РЬ, Мп - через сотни лет (табл. 4).

Следовательно, в настоящее время поступление Ре, Мп, Си, N1, РЬ не представляет опасности с точки зрения загрязнения пахотных дерново-подзолистых почв. Более пристальное внимание следует обратить на существующую тенденцию к накоплению 2п и Сс1.

ВЫВОДЫ

1. Уровень пространственного варьирования содержания подвижных форм'соединений тяжелых металлов (гп, РЬ. С<1, Си, Яе, Мп, N1) в дерново-подзолистых окультуоенных почвах и концентраций тяжелых металлов в почзенно-грунтовых водах изменяется о течение вегетационного периода от 20 до 80% и составляет в среднем 40%.

2. На фоне высокого пространственного варьирования достоверно диагностируется (Р-0,С5) сезонная динамика содержания подвижных форм соединений Ре, Мп, гп, РЬ, Сс1 и Си в дерноволодзолистых окультуренных почвах (рНн20 б,5-7,3) и концентраций Яе, Мп и гп в почвенно-грунтовцх водах (рН 6,1-7,8). Характер, и" степень выраженности сезонной динзмики ТМ в почвах и в почвенно-грунтовых водах меняются в зависимости от климатических особенностей года.

3. В каждый период годэ существует дом'ки/рухчциП фзктор, который обуславливает пространственное варьирование содержания подвижных форм соединений Т.М в почвах и концентраций ТМ в почвенно-грунтовых водах. Сезонная динамика ТМ, как правило, связана с изменением влажности и температуры почвы, определяющими ее биологическую активность.

4. Уровень концентрации Ре и Мп в почвенно-грунтовых водах при слабокислой, нейтральной и слабощелочной реакции (я диапазоне рН 6,1-7,8) обусловлен процессами растворения-осаждения труднорастворимых соединений этих элементов, а содержание 2.п, Сс1, Си, N1 и РЬ в водах, вероятно, определяется сорбционно-десорбционным равновесием и регулируется процессами ионного обмена.

5. Наличие сезонной динамики и высокого пространственного варьирования содержания подвижных форм соединений ТМ в почвах и концентраций ТМ в почвенно-грунтовых водах необходимо учитывать, как при оценке обеспеченности почв микроэлементами и проведении мониторинга почв, так и при решении других почвенно-генетических проблем.

. 6. В агроценозах дерново-подзолистых почв Подмосковья при интенсивном ведении сельского хозяйства существует положительный баланс ТМ (Zn, Pb, Cd, Си. Fe, Мп, N1). Среди статей прихода ТМ на поверхность почвы (удобрения и мелиоранты, атмосферные выпадения, посевной материал)'удобрения и мелиоранты вносят основной вклад в поступление ТМ. Поступление металлов происходит преимущественно с органическими удобрениями и известью. Для биофильных элементов (Fe, Мп, Zn, Си) биологический вынос с основной и побочной продукцией сельскохозяйственных культур представляет главную расходную часть баланса. Отчуждение Pb, Cd и N1 с урожаем и выщелачивание их с фильтрующимися водами сопоставимы по величине.

7. Значимое увеличение содержания ТМ в дерново-подзолистых почвах при существующей системе земледелия можно ожидать: для Cd, Zn и Си через десятки лет, для Pb, N1 и Мп через сотни лет. В настоящее время поступление N1, Pb, Со, Fe и Мп практически не представляет опасности с точки зрения загрязнения пахотных почв. Более ярко выражена тенденция к накоплению в почвах Cd и Zn.

0. При проведении мониторинга за состоянием сельскохозяйственных угодий рекомендуется наряду с разовым детальным обследованием территории на содержание ТМ в почвах осуществлять контроль за потоками металлоа о систему (включая нормирование их поступления) как наиболее чувствительным показателем, который обеспечит раннюю диагностику и прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Влияние минеральных и органических удобрений на состояние тяжелых металлов в почвах. Агрохимия, 1991, N 3, с. 62-67.

2. Сезонная динамика и пространственная вариабельность тяжелых металлов в почвах и в почвенно-грунтовых водах. (Согвт. Обухов А.И.) Почвоведение, 1992 , N 9, C-Q2.-SI ■

- 243. Баланс тяжелых металлов в огроценозах дерново-подзолистых почв и. проблемы мониторинга. (Соавт. Обухов А.И.) Вестник Моск. Ун-та. Сер. 17, Почвоведение, 1992, N 3, с. 31-39.

....'.. Подп. I (О ¡V - 92.г

Ротапринт тип, "Ыоскооскиа печати*? Бак.ЯЛП