Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Тяжелые металлы в системе: почва-растение-удобрение
ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия
Автореферат диссертации по теме "Тяжелые металлы в системе: почва-растение-удобрение"
На правах рукописи
ОВЧАРЕНКО Михаил Михайлович ^' ^ ® ^
1 * .Ш ^03
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СИСТЕМЕ: ПОЧВА — РАСТЕНИЕ — УДОБРЕНИЕ
Специальность: 06.01.04 — Агрохимия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных паук
МОСКВА 2000
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте удобрений и агропочвоведения имени Д.Н. Прянишникова (ВИУА) Всероссийском научно-исследовательском и проектно-технологнческом институте химизации сельского хозяй-с;ва (ВННПТИХИМ) ь 1987—2000 г.
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор И.А. Шнлышков.
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, академик РЛСХП, профессор 13.Г. Мниссп; доктор сельскохозяйственных наук В.И. Панасин: доктор сельскохозяйственных наук Н.В. Войтович.
Ведущая организация — Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.
Защша состоится 31 мая 2000 г. в 14 ч на заседании диссер-:анионного совета Д 120.05.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте информатизации агрономии и экологии ¡143013. Московская область. Одинцовский район, Иемчинов-ка-1, ул. Агрохимиков, 6).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ «Аг-роэкоинформ» по адресу: 143013, Московская область, Одинцовский район, Немчнновка-1, ул. Агрохимиков, 6.
Л1И профорги разослан <<
!00() г.
Ученый cei;peiapb , иíccep k¡! ii юнно-rо core га
А. С. Mcpj.'UJKHii
цоЫ-Но
/70 3 Г.
Общая характерце!ика работ Актуальность. Проблема тяжелых металлов стала насущной задачей общества но охране окружающей среды и требует к- себе внимания ученых, практиков сельскохозяйственного производства и работников промышленности.
Разработка научно-обоснованных приемов детоксикации тяжелых металлов при различных уровнях загрязнения ими почв актуальны и необходимы для ведения устойчивого земледелия на загрязненных почвах, получения чистой растениеводческой продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям, предупреждения дальнейшего распространения загрязнителей через почву, растения, фунтовые воды, предотвращения отравления животных, человека и разработки нормативов предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в почвах.
В настоящее время эта задача является социальной, экономической, эколо-го-агрохимической.
Опасными являются высокие концентрации в почве тяжелых металлов: Нц, РЬ, С(1, Си, Сг, N1 и Аз, их фитотоксичность и избыточное накопление в растениеводческой продукции. Кроме того, постоянное потребление растительной продукции, выращенной на почвах с низким уровнем загрязнения тяжелыми металлами может приводить к кумулятивному эффекту, т.е. постепенному увеличению содержания тяжелых металлов в живом организме.
К факторам, загрязняющим окружающую среду, часто относят химизацию земледелия, в частности, применение в первую очередь минеральных, а также ишестковых и органических удобрений. Современное земледелие без применения удобрений, обеспечивающих около 50 % урожая, немыслимо. Альтернативы их применению нет и, в обозримой перспективе, не будет. Хотя удобрения, как источник питания растений и фактор урожайности, изучаются много десятков лет, значение их, как фактора, влияющего на содержание тяжелых металлов в почве и растениях, изучено совершенно недостаточно и является противоречивым. С одной стороны, в составе удобрений имеются тяжелые металлы, которые потенциально могут загрязнять почву, растения и фунтовые
воды. С другой стороны, удобрения, активно изменяя агрохимические свойства почвы (реакцию среды, содержание гумуса, концентрацию и ионный состав почвенного раствора, соотношение катионов и содержание питательных элементов), влияют на подвижность тяжелых металлов в почве и потенциальную опасность загрязнения ими растителыюн продукции и фунтовых вод. Следовательно, применение удобрений может стать важнейшим фактором детокси-каиин загрязненных тяжелыми металлами почв.
До настоящего времени еще недостаточно изучен химизм тяжелых металлов по их закреплению и мало накоплено экспериментального материала для разработки научных основ детокенкации ТМ в грязненных почвах, растительной продукции, грунтовых водах в условиях различной степени кислотности почв и интенсивности применения минеральных, известковых и органических удобрений.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлась: разработка научно-обоснованных приемов дстоксикацин тяжелых металлов для загрязненных почв, оценка основных видов удобрений на количественное содержание ТМ и установление доз и видов мелиорантов, обеспечивающих снижение фи-тотоксичности растений и накопления в них ТМ в системе: почва-растение. И в связи с этим необходимо было решить следующие задачи:
1.Изучить трансформацию тяжелых металлов в почвах и выявить площади пахотных земель РФ, загрязненных тяжелыми металлами: кадмием, свинцом, никелем, хромом, цинком, кобальтом, медью и мышьяком.
2.Установить содержание химических элементов: кадмия, свинца, никеля, хрома, цинка, кобальта, меди и мышьяка в основных видах минеральных и известковых удобрений, а также некоторых видах органических удобрений и са-пропелей.
3.Разработав научно-обоснованный прогноз и установить влияние минеральных удобрений на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве полевых и овощных севооборотов.
4.Изучить влияние на трансформацию тяжелых металлов в почвах и растениях: реакции среды в почве, степени ее окультуренности, гранулометрического состава, генетического типа, а также применения органических, известковых, минеральных удобрений и цеолитов.
5. Исследовать количественные параметры миграции из почвы с инфильтра-ционными водами, тяжелых металлов и их концентрацию.
6. Исследовать баланс тяжелых металлов в почвах конкретных регионов и оценить перспективу изменения экологической обстановки, связанной с загрязнением окружающей среды.
7. Уточнить и усовершенствовать нормативную базу предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в почвах с различными агрохимическими показателями.
Научная новизиа работы состоит в том, что впервые теоретически разработаны научно обоснованные приемы детоксикации тяжелых металлов и почве: осуществлен агроэкологический мониторинг пахотных земель Российской Федерации, при котором выявлены площади пахотных почв, загрязненные тяжелыми металлами; определен количественный химический анализ практически всех видов и форм минеральных и известковых удобрений на содержание хте-ментов: Со, Сг, Си, Мп, РЬ, 7.и, Лб, Сс1, установлено, что при внесении в почву, в соответствии с существующими рекомендациями, минеральных, а также известковых удобрений не происходит загрязнения почв тяжелыми металлами; исследована динамика миграции из почвы тяжелых металлов, внесенных в воднорастворимой форме; показано, что концентрация Сс5 и 2п в инфнльтрационных водах на второй и последующие годы снижалась в 10-100 раз и составляла соответственно 0,002-0,003 и 0,003-0,006 мг на литр; исследована зависимость токсичности кадмия, цинка, свинца и их накопление в растениях от сочетания доз этих металлов (4) и доз СаСОз(б).
Разработаны дозы СаССЬ для почв с различным гранулометрическим составом и уровнем кислотиости для почв загрязненных кадмием, цинком, свинцом и медью, наиболее существенным фактором, снижающим до 8-10 раз поступ-
ление в растения Сс1, Zл и РЬ, является уровень реакции среды в почве, причем данные в отношении свинца являются существенно новыми. Исследованы количественные показатели поступления и выноса ТМ из почвы для оценки конкретной экологической ситуации в биоценозах с помощью балансовых расчетов. Изучено влияние гранулометрического состава почв, их окультуреннсь сти, > енетического типа, а также торфа, цеолита, сапропелей, высокоэффективного органического удобрения на детоксикацию ТМ в почве и получения ) растительной продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим нормам. ^ Теоретическая значимость работы.
1. Дано теоретическое обоснование необходимости повышения реакции среды в почвах, загрязненных ТМ, до значений рН 6,5-7. Установлена корреляционная зависимость между величиной рН, дозами извести, концентрацией ТМ в растительной продукции и уровнем урожайности сельскохозяйственных культур.
2. Теоретически описаны схемы возможных химических реакций но закреплению ТМ в почве при внесении различных доз СаССХ
3. При комплексном изучении ра ¡личных факторов влияющих на детокеика-цию ТМ в почве, доказывается щачимость гранулометрическою состава почв и видов мелиорантов.
4. Расширено представление о величине накопления ТМ в ряду изучаемых растений в зависимости от концентрации и вида химического племен га в почве.
5. Вносятся новые уровни предельно допустимых концентраций валового содержания ТМ в почвах в зависимости от |ранулометрического состава и значения реакции среды в почве.
Практическая значимость работы состоит в том, что впервые выявлены площади почв Российской Федерации, загрязненных тяжелыми металлами и разработаны : мероприятия по детоксикации ТМ, в том числе определены уровни реакции среды в почве, обеспечивающие максимальное снижение подвижности тяжелых металлов в почве и их поступление в растительную про-
дукцию; установлены и рекомендованы дозы СаССЬ для почв с различным гранулометрическим составом и степенью кислотности, загрязненных кадмием, цинком, свинцом и медью; получена справочная информация по содержанию тяжелых металлов в минеральных, органических и известковых удобрениях и предложено проведение расчета баланса тяжелых металлов в почве для оценки экологической ситуации конкретного агроценоза, введены в практику работы агрохимслужбы РФ ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами; обобщены отечественные и зарубежные приемы по детоксикации загрязненных почв и нормативная база по ПДК тяжелых металлов в почве, растениях и удобрениях. На защиту выносятся положения:
1. Доказывается положение о том, что минеральные и известковые удобрения, а также навоз, сапропель, торф по уровню содержания в них ТМ не могут служить источником загрязнения ТМ почв и грунтовых вод при научно-обоснованном их применении и, даже при внесении их в повышенных дозах.
2. Детоксикацию ТМ на кислых и слабокислых почвах, прошедших специальное агроэкологическое обследование, можно осуществлять с помощью научно-обоснованных доз извести, торфа, сапропелей с доведением реакции среды в почве до рН 6,5-7.
3. Урожайность растений, выращенных на почвах загрязненных ТМ выше 1-2 ПДК (валовые формы) без проведения специальных научно-обоснованных приемов детоксикации (особенно корнеплоды), снижается и в продукции накапливаются ТМ в концентрациях выше допустимых санитарно-гигиенических норм.
4. Для оценки конкретной экологической ситуации, складывающейся в естественных биоценозах, необходимо применять показатели количественного поступления и выноса концентраций элементов ТМ в агроэкосистемах, оп-
ределяемого балансовым методом, что служит научно-обоснованным прогнозом состояния окружающей среды. 5. Тяжелые металлы, содержащиеся в почвах в повышенных концентрациях не удерживаются верхними горизонтами почв, без проведения научно-обоснованных приемов детоксикации и мигрируют по профилю песчаных почв, обнаруживаясь на глубине до 1 м в концентрациях выше предельно-допустимых. Установление равновесной концентрации ТМ в почве на уровне естественного фона достигается не менее, чем через четыре года по данным лизиметрических исследований. Апробация работы. Материалы диссертационной работы изложены на «II -ом Всероссийском научно-координационном совещании Географической сети опытов с удобрениями и другими средствами химизации по проблеме «Мониторинг тяжелых металлов, радионуклидов и совершенствование методики агрохимических исследований в ландшафтном земледелии» (М., ВИУА.1995), научно-практической конференции агрохимиков и агрозкологов «Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах» (М, МГУ, ВНИГ1ТИХИМ, 1992), семинаре-совещании агрохимиков «Экологизация сельскохозяйственного производства Северного Кавказа» (ЦИНАО, Анапа, 1995), международном симпозиуме: "Fertilizers and Environment" (Саламанка, Испания, 1994), пятой научно-практической конференции агрохимиков -агрозкологов «Удобрения и химические мелиоранты в агроэкосистемах» (М, МГУ, ВНИПТИХИМ, РАСХН, 1997), методических советах и семинарах директоров и специалистов центров (станций) государственной агрохимической службы Минсельхозпрода РФ (1992-1999).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 37 печатных работ в том числе 30 научных, 6 практических рекомендаций, а также в соавторстве книга: «Тяжелые металлы в системе: почва -растение-удобрение» (М.М. Овча-ренко, И.А. Шильников, Г.Г. Вендило, 11.А. Черных и др., 1997, 18 п л.). Структура н от,см работ. Диссертация изложена на 272 страницах машинописного текста, состоит из обшей характерис тики работы. 11 глав и выво-
дов, экспериментальный материал приведен в 82 таблицах. 10 приложениях и двух графиках. Список цитируемой литературы состоит из 314 наименований, в том числе 58 на иностранных языках.
Содержание работы.
Методика исследований
Исследования по разработке научно-обоснованных приемов детоксикации ТМ для загрязненных почв проводились с использованием вегетационного и микрополевого методов в вегетационном домике ВНИПТИХИМ микрополевом опыте НИИКХ, а также на лизиметрической установке на ЦОС ВИУА в Московской области.
Вегетационные опыты проводились в сосудах без дна 40x40 см и 25x25 см, которые устанавливались на пахотный слой. В лизиметрическом опыте использовались сосуды с площадью поверхности 0,25 м2 и глубиной 50 см. Все опыты проводились в четырехкратной повторности.
В период 1991-1997 годов проведено 6 вегетационных, 7 микрополевых и лизиметрических опытов общей продолжительностью 62 опытогода. В этих опытах выполнено около 3000 элементоопределений кадмия, свинца, меди и цинка в растениях, почве и лизиметрических водах. При анализе минеральных удобрений произведено около 2000 элементоопределений Со, Сг, Си, Мп, №, РЬ, Хп, Аб, С<±
Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы в вегетационных и микрополевых опытах: рН - 4,5; Н<^,м. - 0,13 мэкв на 100 г почвы, Нг - 4,5, сумма поглощенных оснований 12,1 мг на 100 г почвы, содержание гумуса 1,5 %; валовых форм кадмия - 0,22, цинка-27, свинца -10 мг на кг почвы. В лизиметрическом опыте дерново-подзолистые почвы имели следующие агрохимические показатели:
Дерново- Н, | Са 1 Му Р2О5 | К20 гумус %
подзолистые поч- 1 рН ! ' мэкв на 100 г почвы вы мг па 100 г почвы
Супесчаная I 4.2 ' 4,3 1,9 0,4 2,2 6,3 1,7
Суглинистая ! 4,5 I 3,8 7,5 2,8 13,1 | 11.7 2,1
В микрополевом опыте с дерново-подзолистыми почвами различной степени окультуренности были следующие агрохимические показатели:
Степень окультуренности рн Нг Р2О5 1 ЮО i______ Cd 1 Pb ¡ Zn Cu
мэкв на 100 г почвы мг на 100 г | о/0 почвы ' валовые формы мг/кг почвы
Слабая (лес) 4,1 4,5 4,2 10,1 ! 1,5 0,38 17 i 39 18
Средняя (пашня) 4,8 3,5 6,1 14,2 1,7 0,49 19 1 42 20
Хорошая (пашня) 6,8 1,2 i 43,5 46,0 3,0 0,58 20 I 48 1 25
Микрополевые и вегетационные опыты проведены по обычным и фактори-альным схемам. Микрополевой опыт ро эффективности доз и сочетания СаСОл, цеолита (Сакирницкого) и органических удобрений проведен по схеме 1/4 (4x4x4) также с четырехкратной повторностыо на фоне кадмия-10, цинка-200 и сви1ща-100 мг/кг почвы. В вегетационном и микрополевом опытах по этому же вопросу с сокращенной схемой (варианты: 1-фон PK; 2 - фон + известь; 3 - фон + торфокомпост; 4 - фон + навоз; 5 - фон + цеолит; 6 - фон + торфокомпост + известь), торф, навоз и цеолит вносили в дозах по 100 т/га, известь - по 1,5 г. к. В опыте по изучению влияния уровня реакции среды в почве на поступление в растения тяжелых металлов их дозы составили (мг/кг): кадмия - 0; 3; 10; 20; цинка - 0; 100; 200; 300; свинца - 0; 50; 100; 500. Дозы CaCCh в долях гидролитической кислотности: 0; 0,25; 0,5; 1,0; 3,0; 6,0. В качестве известкового удобрения вносили пылевидную известняковую муку по ГОСТу 14050-78 содержащую до 95 % частиц мельче 1,0 мм и с нейтрализующей способностью 85-95 % в пересчете на СаСОз.
Тяжелые металлы вносили в форме нитратов: Cd(N03)2, Zn(NOj)2, РЬ(ЫОз)2, Cu(NO,)2.
Цеолит Сакирницкого месторождения (фракция < 2 мм) содержал 70-80 % клиноптилолита: около 15 % кварца, полевого шпата и слюды; до 15 % глинистых минералов; монтмориллонита и иллита. Емкость катионного обмена цеолита составила 180-210 мэкв на 100 г, pH водной суспензии 6,8.
Под выращиваемые в вегетационных опытах культуры в качестве фона ежегодно вносили по 200 мг азота, фосфора и калия на кг почвы в форме КН2РО4,
№ЦЬЮ) и К2504, в чикрополевых - эти же соединения вносили из расчета Н15(1Р150К150-
Пробоподготовку почв и растений для определения содержания валовых форм тяжелых металлов осуществляли по «Методике подготовки почв в аналитическом автоклаве НПВФ-АНКОМ-АТ-2. Почвы. Биологические объекты анализа» М. 1995 г. растворимые формы соединений ТМ из почв извлекались 1 н НЫОз (НС1), Ац-Ам-Бф раствором (рН-4,8) и бидистиллированной водой.
ТМ в почвах, грунтах, удобрениях, сапропеле, торфе, растениях определяли как без структурного разложения образцов в соответствии с "Методическими указаниями по определению ТМ в почвах, кормах, пищевых продуктах рент-гено-флуорисцентным методом на спектрометре Спектроскоп М. 1995 г., так и в аналитических растворах на атомно-адсорбционном спектрофотометре по методическим указаниям определения ТМ в почвах, тепличных грунтах и продукции растениеводства. (М. 1992, М. 1998 г.)
В системе мониторинга за плодородием почв отбор образцов почв с пахотных земель по регионам России осуществлялся в соответствии с «Методическими указаниями по обследованию почв сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства на содержание ТМ, остаточных количеств пестицидов и радионуклидов» (М. ЦИНАО, 1995 г.).
Расчеты по прогнозированию загрязнения дерново-подзолистых почв ТМ осуществлялся согласно «Методическим указаниям по прогнозированию загрязнения дерново-подзолистых почв ТМ по данным агрохимического обследования» (М. ЦИНАО, 1994 г.)
Отбор образцов почв с реперных участков проводились по «Методическим указаниям по проведению локального мониторинга на реперных участках» (М. 1993, М. ЦИНАО, 1996 г.). Реперный участок - это поле или отдельно обрабатываемый участок, типичный для данного хозяйства по почвенному покрову, истории его использования и применения агрохимикатов. По методике автора диссертационной работы в Российской Федерации силами специалистов про-
ектно-изыскательских станций и центров Государственной Агрохимической службы заложено более 800.
На каждом реперном участке выполняются следующие работы: привязка на местности, сплошное агрохимическое обследование почв с разбивкой на элементарные участки и отбором сплошных образцов из пахотного горизонта и замером гамма фона; закладка почвенного разреза и его описание согласно инструкции по почвенной съемке; отбор почвенных проб на всю глубину разреза по слоям через 20 см, отбор проб растений в течении вегетации и при уборке урожая, отбор проб грунтовых вод.
Пробы почв, растений, воды анализируются на химические показатели по методике ГОСТ в том числе и на содержание тяжелых металлов. Наблюдения на репериых участках должны вестись постоянно. По данным, полученным с рсперных участков должен рассчитываться прогноз изменения плодородия почвы и степени загрязнения природной среды (почв, растений, воды).
В лизиметрическом опыте возделывали культуры зернопропапшого севооборота и многолетние злаковые траву. Минеральные удобрения вносили в следующих дозах в форме Naa, Рдс, Кх: под зерновые NwPmiKw, кукурузу Ni5()Pi2oKi2o, многолетние злаковые травы - N120P105K120. Перед внесением тяжелых металлов почву повторно известковали (через 10 лег) той же формой магнезиальной известняковой муки. Тяжелые металлы вносили в форме следующих солей Cd(N03)2 х 4ШО, Pb(NOi)2 и ZnCl2 из расчета I и 3 ПДК валовых форм в почве (кадмия - 3, цинка - 150, свинца - 30 мг/кг).
Обработка экспериментальных данных осуществлялась дисперсионным и корреляционным методами с использованием ЭВМ и программного калькулятора МК-61 (Доспехов 1973, Иванов, Погорелюк, 1990 г.)
Баланс ТМ на примере отдельных регионов проводился расчетным методом путем нахождения суммы общего поступления ТМ в почву (приходная часть: с удобрениями, мелиорантами, атмосферными осадками), суммы общего выноса ТМ из почвы (расходная часть: с урожаем и внутри почвенным стоком) и нахождения разности между суммой приходной и расходной части.
Отбор образцов сапропелей и проведение анализов выполнялся по ТУ -2191-022-00483470-93 (удобрения сапропелевые) и ТУ - 214-012-0574563-93 (удобрения комплексные сапропелево-пометные, гранулированные).
Экспериментальные исследования по теме диссертации автором выполнены в лабораториях и отделах институтов ВНИПТИХИМ, ЦИНАО, ВИУА, ЦОС ВИУА, НИИКХ, ВНИПТИОУ, Московском проектно-изыскательском центре Государственной агрохимической службы Минсельхозпрода РФ по разделам «Государственной комплексной программы повышения плодородия почв России», принятой на 1992-1995 гг. и до 2000 года, в которой автор являлся одним из ответственных исполнителей (код 03).
Личное участие автора в подготовке материалов диссертационной работы состояло в разработке и написании тематических планов научных исследований, организации широкомасштабного агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий РФ, в том числе пашни, участие в закладке, уборке вегетационных, микрополевых, лизиметрических опытов, отборе растительных и почвенных, образцов, сапропелей, торфа, органических и минеральных удобрений, проведении их анализов и обработки результатов, обобщении данных, написании научных статей, методик, книг по изучаемой проблеме ТМ в системе почва -растение -удобрение.
1.Источники и масштабы загрязнения почвенного покрова тяжелым» металлами.
1.1. Основными источниками антропогенного загрязнения природной среды
тяжелыми металлами являются промышленные предприятия: тепловые электростанции, металлургические, химические, нефтегазоперерабатывающие, керамические заводы и стройматериалов, карьеры по добыче полиметаллических руд и транспорт. Их выбросы в атмосферу составляют сотни тысяч тонн в год, которые оседают на сельскохозяйственные угодья и огородные участки землепользователей (В.А. Большаков и др. 1993; А. Кабата Пендиас, X. Псн-диас, 1984; В.В. Ильин, 1996; Abdel-Saheb J.A. et al 1992; Francek Mark A., 1992; К. Рэуце, С. Кырстя, 1986; Lux. W. Piening H, 1991). От одной теплоцен-
трали ежегодный выброс в атмосферу техногенных примесей достигает 600002360000 т (В.И. Просянников и др.,1994; А.И. Фатеев и др.,1994), в результате оседания выбросов в почве увеличивается содержание свинца в 10-15 раз, кадмия и никеля в 2-3 раза, мышьяка, меди и хрома достигает выше 1-3 ПДК.
Загрязнение почв за счет выбросов автотранспорта составляет в России до 15 %, в Германии и США до 50 % от всех загрязнителей.
По К.Рэуце, С.Кырстя (1986) к источникам загрязнения почв и растений отнесены: минеральные, известковые, органические удобрения, а также нетрадиционные формы удобрений: сапропель, осадки сточных вод.
Каковы же реальные площади сельскохозяйственных угодий загрязнены 'ГМ? На этот же вопрос до 1993 года по литературным источникам нам не удалось установить, так как не проводилось системных и плановых обследований почв.
Проведенные нами, в 1993-1995 г.г. исследования по агроэкологическому мониторингу почв сельскохозяйственных угодий России, при комплексном агрохимическом обследовании, позволило впервые выявить реальные площади полей, почвы которых загрязнены ТМ.
Из обследованных 25 млн. га пашни на 01.1995 г. выявлено участков почв, загрязненных ТМ выше ПДК в сумме по валовому содержанию и по подвижным формам, немногим менее одного миллиона гектаров (табл.1). Дальнейшее обследование сельхозугодий по состоянию на 01.1997 г. показало, что площадь загрязненных почв составляет более 1,5 млн.га (А.В. Кузнецов, 1997).
По наибольшей распространенности на территориях, загрязнители располагаются в следующем убывающем порядке: Си>РЬ>№>Сс1>2п>Г>Сг>А5. Загрязненные участки полей, как правило, обнаруживались вблизи крупных городов, промышленных зон, магистралей, автодорог, а также на территориях, где применялись осадки сточных вод. По нашим результатам и данным литературных источников, наибольшее количество загрязненных площадей почв обнаружено в Кемеровской, Свердловской, Челябинской, Московской, Томской, Саратовской , Астраханской областях, а также Краснодарском крае (Н.С.
Глазырина и др., 1989; М.А. Воробьев и др. 1990; В.И. Просяшшков, 1994; В.Б. Ильин,1991; М.М.Овчаренко, И.Л. Шильников, 1997; О.И.Просяммикова,1999)
Таблица 1
Площади пахотных почв РФ, загрязненных ТМ, фтором _и мышьяком (на 01.1995)_______
Химические элементы Обследованная площадь, всего тыс.га с содержанием ТМ выше ПДК
тыс. га % от общей площади Валовое содержание Подвижные формы
тыс. га % от обследованной площади тыс. га % от обследованной площади
РЬ 16381 12.9 255,6 1,6 17,4 0,1
Сй 14258 11,3 11,7 0,1 15,8 0,1
№ 8667 6,8 9,0 0,1 47,0 0,6
Сг 5957 4,7 32,4 0,5 0,9 -
гп 24783 19,6 39,5 0,15 14,6 0,05
Со 9275 7,3 94,3 1,0 - -
Си 22326 17,6 28,6 0,1 420,6 1,2
АБ 2789 2,2 34,3 1,2 - -
И 1 3054 2,4 0,5 14,4 0,05
Для оценки почв, загрязненных ТМ, в системе нормирования Госсанэпиднадзора РФ. Нами на основании экспериментальных данных и результатов из литературных источников были разработаны ориентировочно - допустимые концентрации (ОДК)ТМ и мышьяка в почвах, с учетом гранулометрического состава и реакции почвенной среды (табл.2)
Таблица 2
Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелы» металлов и мышьиха в почвах (М. Госсанэпиднадзор. 1994) М.М.Овчаренко в соавт. с М.В.Русаковым, Н И.Тонким, Н.И.Велнкановым, В.Д Симоновым, Ю.М.Монвеевым, С.К.Ли, | А Н.Поляковым, | А.И.ОбуховымГ]
Группы почв мг/кг, воздушно-сухой почвы
са Аз N1 РЬ | Си гп
1. Песчаные и супесчаные 0,5 2,0 20 32 33 55
2. Кислые (суглинистые и глинистые) рН ы < 5,5 1,0 5,0 40 65 | 66 110 220
3. Близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые) рН и] > 5,5 2,0 10,0 80 130 132 1 I
В настоящее время все службы надзора и контроля за содержанием ТМ в поч-
вах используют ОДК в своей практической работе.
1.2. Минеральные и известковые удобрения, как возможные источники поступления тяжелых металлов в почпу и растения.
Среди источников возможного техногенного загрязнения почв сельскохозяйственных угодий и растений, в научной и, особенно в популярной литературе, часто называют минеральные и известковые удобрения (К.Рэуце, С.Кырстя, 1986; Д.С.Орлов, 1985; Ю.А.Алексеев, 1987; А.Кабата Пендиас и др., 1989; П.Ф.Лойко, Г.И.Василенко, 1992; А.Е.Басманов и др.,1990; В.С.Громова, 1994; Е.П. Шустикова и др,1994).
В то же время в научной литературе (В.А.Ягодин, 1988; 1989; 1995, В.Г. Минеев, 1984, 1989; 1991;. 1992; 1993; 1994; 1995; 1998, Ю.А. Потатуева,1994, Ю.И. Касицкий и др. 1994, Н.Ф. Гомонова, 1994, Н.К. Болдырев и др. 1994, •С.И. Цыганок, И.А. Шилыгиков, 1994, М.М. Овчаренко и др. 1994; 1995; 1996; 1997; 1998; 1999), отмечается, что применение минеральных и известковых удобрений на различных типах почв десятилетиями и в повышенных дозах не приводило к значительному накоплению ТМ в почвах, грунтах, водах и растениях.
Автором проведено обобщение и систематизация имеющихся в литературе данных и количественное и химико-аналитическое определение тяжелых металлов в 100 образцах минеральных удобрений с заводов производителей.
Аналитические результаты содержания кадмия, хрома, никеля, меди, свинца, цинка, марганца, кобальта и мышьяка приведены в таблице ( 3 ).
Полученные данные свидетельствуют о том, что по концентрации ТМ самыми безопасными являются азотные удобрения, среди которых аммофос, сульфат аммония и аммиачная вода содержат более высокие концентрации ТМ.
Калийные удобрения, по уровню содержания ТМ близки к азотным, но превышают их по уровню содержания свинца (около 20 раз), кадмия и цинка (незначительно).
Фосфорные удобрения, характеризуются более высоким содержанием ТМ, чем у первых двух групп (табл.4 ).
Рассмотрим вероятность-загрязнения тяжелыми металлами почвы в производственных условиях на примере зерновых и овощных культур в сельском хозяйстве страны в 1990 году. Под зерновые культуры были внесены следующие дозы питательных веществ в минеральных удобрениях (кг/га): N-30, Р2О5-34, K2O-I6. Средняя концентрация азота в азотных удобрениях составила 34,6 %, К2О в калийных - 51,0, Р2О5 в фосфорных - 28,7 %. Таким образом в 1990 году под зерновые были внесены следующие дозы минеральных удобрений: азотных 86,7 , калийных- 31, фосфорных - 118,5 кг/га. Используя приведенные в таблицах ( 3-4) данные о содержании тяжелых металлов в удобрениях, рассчитываем поступление их в почву с азотными, калийными и фосфорными удобрениями (табл.5). Расчетные материалы свидетельствуют о том, что ежегодное поступление ТМ в почву с удобрениями под зерновые составляют тысячные и десятитысячные доли мг/кг, что составляет ничтожную долю от фонового содержания хрома, меди, никеля, свинца, цинка и кадмия в почве. Применение указанных доз минеральных удобрений даже в течение многих сотен лет не может существенно изменить содержание в почве валовых форм этих элементов.
Аналогичные расчеты с овощными культурами свидетельствуют о том, что применение минеральных удобрений в дозе около 300 кг/га д.в. при соотношении N:P205:K20, близким 1:1:1, не может оказать существенного влияния на содержание хрома, меди, никеля, свинца, цинка и кадмия в течение очень длительного периода, измеряемого сотнями лет.
В условиях защищенного фунта уровень применения минеральных удобрений значительно выше, чем под овощные культуры открытого фунта. В этих условиях минеральные удобрения вносятся в 8-12 раз более высоком количестве, чем в открытом фунте. Но и в этом случае содержание валовых форм приоритетных зафязннтелей (хрома, меди, никеля, свинца, цинка и кадмия) будет на 2-3 порядка ниже ПДК этих элементов в почве.
Таблица 3 Среднее содержание тяжелых металлов в минеральных удобрениях (мг/кг в физическом весе)
Удобрение Колич - Элементы
обр. Со 1 Сг I Си Мп 1_ 1>Ь | ¿п А5 са
Азотные удобрения
Карбамид 18 •0,44 15 14,6 29 11,2 14,3 <0,2 *
КАС 1 1 62 40,5 149 24 <1 44 * *
Вола аммиачная 5 5 92 41,0 172 54 •0,2 86 5,4 <0,4
Сульфат аммония 13 <1,5 64 24,7 137 27,9 <0,8 46,1 <7,5 <0,5
Селитра аммиачная 12 <0,5 13 8,8 35 8,3 <0,1 14,4 * <0,1
Кальциевая селитра 2 4 170 3,5 40 6,5 4,5 15 1 <0,5
Средневзвешенное 1,3 42 26 76 19 0,4 30 2,5 0,2
Калийные удобрения
Калийная сел игра 3 <0,3 147 12,7 21 21,3 13,3 <7,3 0,5 *
Сульфат калия 4 5,0 58 16,5 42 9,3 <8,0 9,0 0.6 <0,2
Калин хлористый гранулированный 3 <0.3 27 10,3 I 122 , 17.3 ■ 10,3 ______ 1 . 1 __ 14.7 2,0 3,3
Калии хлористый неграну.1 8 • и,6 34 18,4 153 12,1 4,9 39.У 2,0 <1.5
Средневзвешенное 1,5 57 16 , 101 14 8 23 1,4 0,3
Сложные 1 комплексные удобрения
Удобрения для теплиц 5 <3 131 33,4 78 27,8 4,8 19,4 2,2 2,4
Аммофос 10 3,8 153 14,1 290 [ 10,1 10,9 62,3 3,8 3,9
Фзофоска 6 <1,3 149 117 196 37,3 10.0 137,8 3,8 3,0
Нитроаммофос 5 <2,8 33 10,6 116 6,2 2,2 24,4 2,0 1,8
Нитрофос 2 8,0 41 15,5 187 5,5 1,5 12,0 3,0 2,0
Нитроаммофосфат 2 9,0 65 36,0 198 10,5 8,5 37,0 3,0 3,5
Средневзвешенное 3,6 116 39 194 18 7,5 59 3 3
*- значения концентраций лежат за пределами обнаружения
Поскольку вероятными загрязнителями почвы и растений ТМ потенциально могут быть только фосфорные удобрения, автором был произведен расчет вероятного количества основных форм фосфорных удобрений необходимых для изменения в 2 раза фонового содержания следующих элементов С<3, №, РЬ, Сг, 7л), Яг, Си и Аз. Расчетные данные показывают, что для удвоения валовой формы ТМ в почве необходимо внести сотни и тысячи тонн на гектар в пересчете на Р2О5. При средней ежегодной дозе 60-90 кг/га Р2О3 гипотетический срок удвоения содержания ТМ в почве вследствие применения фосфор-
Удобрение Изготовитель Число опред. Си Хп са РЬ Сг № Бп "8
Суперфосфат простой Актюбинский ХЗ 4 4 9,2 6,0 12,1 0,8 5,8 - - - -
Разные заводы 16,0 0,9 7,5 8,6 11,6 2,6 0,08
Суперфосфат аммонизированный Кокандский ХЗ 4 6,0 6,3 0,5 6,0 • 3,8 -
Суперфосфат двойной ■ Среднеуральский МЗ 2 7,2 9,6 0,8 9,1 - - - -
Самаркандский СФС 1 40,0 40,0 11,2 0,4 2,7 10,0 - 7 - -
Разные заводы 3 17,2 26,4 24,1 13,2 2,0 0,04
Фосфоритная мука Егорьевский карьер 1 ~Т37~ 210 0,9 11,0 180 15 - -
Чимкентский ХЗ 4 185 1,4 21,1 55,0 62,0 - 5,9
Фосфагшлак Карагандинский ХЗ 1 13,2 10,0 0,4 11,0 - - - -
ФоеАогипс Разные заводы 2 29,8 38,5 2,6 25,0 Г 69 9 - 17
Средневзвешенное содержание Г 26 133,1 48,7 1,4 13,1 46,1 20,5 - -
Таблица 5
Уровень поступления тяжелых металлов в почвы с удобрением под зерновые культуры (г/га)
Со Сг Си | Мп | N1 | РЬ 1 /п I Ах Сс1
С азотными удобрениями
0Л1 3,6 2,3 | 6,6 ! 1,6 | 0,03 | ~ 2,6 - г 0,2 0,02
С калийными удобрениями
0,05 1,8 0,5 | 3,1 1 0,4 | 0,1 | 0,7 | 0,04 0,01
С фосфорными удобрениями
5,5 3,9 | ! 2,4 | 1,5 ! 5,8 ! 0,2
Суммарные количества тяжелых металлов, вносимых с удобрениями
10,9 (0,004 мг/кг почвы) 6,7 (0,002 | мг/кг почвы) 1 4,4 (0,001 1,63 (0,0005 1 I мг/кг почвы) 1 мг/кг почвы) 1 9,1 (0,003 1 мг/кг почвы) I 0,23 (0,00008 мг/кг почвы)
ных удобрений измеряется многими сотнями и тысячами лет. Исключение составляет стронций, содержащийся в простом суперфосфате и фосфоритной муке. Для этих форм фосфорных удобрений условный период удвоения содержания стронция в почве составит соответственно 213 и 627 лет, что также является длительным временным промежутком. Но при этом также следует учитывать, что для стронция важно не его общее содержание в почве, а соотношение этого элемента с кальцием. (И.А.Шилышков, 1990).
Поскольку наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов, был произведен соответствующий расчет вероятного изменения их содержания при внесении фосфорных удобрений.
Таблица 6
Количество фосфорных удобрений, необходимое для удвоения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве, т/га
Удобрения Элементы
са N1 РЬ Сг 7.П ! Си Аб
Рс 393 1 545 1 3000 1047 2464 . 450 , 684
Рсд 350 . 250 | 5769 375 1815 216 : 658
Рф 420 1 74 600 167 172 , п. д. 219
Аф 262 1 428 : 4545 н. д. 1916 1 н. д. : 190
Но и в этом случае для удвоения содержания в почпе относительно невысокого содержания подвижных форм тяжелых металлов потребуется согни тонн фосфорных удобрений (табл. 6)
Мука известняковая (доломитовая, доломитизированная, магнезиальная) является в мировой практике сельского хозяйства не только основным известковым удобрением. На почвах с избыточной кислотностью ее применение -обязательный прием во всех технологиях получения экологически безопасной и диетической продукции. Никаких ограничений на применение известняковой муки, связанных с содержанием в ней тяжелых металлов, нет. Об этом можно судить но результатам анализа известняковой муки с трех крупных заводов Московской области (табл. 7). Приведенные в таблице материалы свидетельствуют о том, что содержание тяжелых металлов в известняковой муке в среднем значительно ниже, чем в почве.
Таблица 7
Содержание ТМ в известняковой муке ич различных карьеров Московской области и _их количество поступающих в почву при известковании (5 т/гя)_
Элемент у? yS г/т Месторождение Среднее, г/т Общее, кг/га Фоновое содержанке в почве кг/га (расчет)
Песков-ское Домодедовское Афанасьевское
Cd 0,1 отс отс 0,1 0,5*10^ 1,2
Pb о-гс 1,0 2,0 1,5 7,5*10"' 30
Zn 72 49 ! 68 63 3.1*10-1 150
Ni 4,0 2,0 j 2,0 2,7 1,3*\сп 45
Си 42 51 | " 39 44 2,2*10"' 60
Cr 63 79 i 102 81 4*10"' 120
Sr j 406 290 ! 354 350 17,5*10-' 600
As 31 23 ! 16 23 1,1*10"' 3,0
Таким образом, полученные нами данные химического анализа фосфорных удобрений и извести показали, что Российская сырьевая база (апатиты, фосфориты, известняки) являются чистыми по уровню содержания ТМ, по сравнению с сырьем из Марокко, Турции, Туниса и других стран мира (В.Г. Минеев, 1994).
1.3.Нсграднцнопные виды удобрений, как источник 'I'M: осадки сточных под.
Осадки сточных вод являются наиболее опасными загрязнителями ГМ почв
и растений. Среднее содержание ТМ в ОСВ (мг/кг сух. в-ва) составляет: Cd 8-175; Pb 21-600; Ni 56-880; Си 69-3200; Zn 1640-7900; Cr 278-4700; Mn 50-1860. Расчеты показали, что при внесении в почву дозы ОСВ 45 т/га, содержание Cd превысит уровень ПДК в почве на 1-1,5 мг, а цинка и хрома на 30-60 % (В.Л. Касатиков и др., 1988; 1992; 1994; 1996; 1998; Г.Е. Мерзлая, 1995; В. А. Касатиков, М.М. Овчаренко, С.М. Касатикова и др., 1997).
В практике сельского хозяйства Подмосковья имело место применения очень высоких доз ОСВ, в результате чего резко изменились агрохимические свойства: реакция среды в почве достигала нейтрального или слабощелочного уровня, содержание гумуса повысилось с 2,5 % до 6-7 % п содержание ТМ достигало величин многократно превышающих ПДК.
В научной литературе до сих пор не приводилось данных о влиянии ОСВ на миграцию ТМ по профилю почвы.
Проведенные детальные агрохимические исследования с помощью репер-ных участков по изучению трансформации ТМ на почвах загрязненных ОСВ (М.М. Овчаренко, 1993; М.М. Овчаренко, А.В. Кузнецов, 1998) показали, что на суглинистых почвах, загрязненных ТМ, не обнаружено существенного увеличения их содержания по профилю почвы. На почвах же легкого гранулометрического состава, где вносили очень высокие дозы ОСВ(совхоз «Московский» Люберецкого района) содержание С<1 в верхних горизонтах по трем ре-перным участкам достигало 6,18-10,10 мг/кг почвы, что превысило ПДК в 1220 раз. Кадмий обнаружен и на глубине до одного метра с содержанием 1,142,47 мг/кг (табл. 8).
Таблица 8
Содержание С<1 в дерново-подзолистых песчаных почвах реперных
участков двух совхозов Московской области, применявших ОСП
Совхоз «Рахмановский» Совхоз «Московский»
Слой почвы, см Павлово-Посадский район Люберецкий рай о н
1* 2 2 1 Среднее i ю 3-х 1 i 2 i 3 Среднее из 3-х
содержание Cd, мг/кг
0-20 0,24 0,37 0,31 ! 0,31 8,44 I 6,96 8,48 . 7,96
- 20-40 0,31 0,24 0,25 : 0,27 10,10 1 6,18 8,56 1 8,28
40-60 0,37 0,30 0,23 1 0,30 5,31 Т 3,23 3,84 1 4,12
60-80 0,40 0,25 0,17 0,27 2,39 1,59 2,53 . 2,17
80-100 0,36 0,21 0,20 ; 0,26 1,83 _j_ 1,141 2,47 ' 1,81
•1,2,3 -номера скважин
В то же время, на такой же почве применяли ОСВ низкими дозами (совхоз «Рахмановский»), загрязнение верхних горизонтов почвы кадмием было минимальным, по сравнению с почвообразующей породой на глубине 1 м (2 и 3 скважины).
Следовательно, при внесении высоких доз ОСВ на песчаных почвах происходит интенсивный процесс миграции ТМ по профилю, который может приводить к загрязнению грунтовых вод.
Поэюму применение ОСВ в качестве органических удобрений на почвах легкого гранулометрического состава должно быть либо запрещено, либо огра
ничиваться очень небольшими дозами при аналитическом контроле почв и растений за содержанием ТМ.
1.4. Агроэкол отческая оценка сапропелем Западно-Сибирского региона
В практике сельского хозяйства накоплен положительный опыт использования сапропеля в качестве органического удобрения. Имеются положительные данные его применения в кормлении сельскохозяйственных животных. Ограничением в использовании сапропелей могут быть ТМ, поступающие в донные отложениях от выбросов промышленных предприятий, транспорта, отходы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности. В 1993 году объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты, составил 68,2 км3, из них 40 % признаны экологическими службами загрязненными.
В 1991-1995 годах проведена химико-токсикологическая оценка 48 месторождений сапропеля Западно-Сибирского региона органического (12), карбонатного (9), оргаио-карбонатного (14) и органо-кремнеземистого (13) типов. Зольность органических сапропелей колебалась от 14 до 28 %, карбонатных -18 -41 %, органо-карбонатных - 8,3-24 %. Наиболее богаты питательными элементами органические сапропели (N общий до 4,2 %, Р205 -0,56 %). В высокозольных сапропелях содержание калия достигает 0,5 %.
По суммарному показателю загрязнения исследованные сапропели (Zc<\) пригодны в качестве удобрения без ограничения норм. В среднем 1 кг сухого вещества сапропелей содержит (мг): кадмия 0,82; никеля 19,4, цинка 17,0; свинца 5,0; меди 13,4; кобальта 2,3. Тесной связи между содержанием тяжелых металлов и типами сапропеля не выявлено. По-видимому, накопление токсических веществ в сапропелях связано с геохимической обстановкой и антропогенным загрязнением окружающей среды.
Для снижения ТМ в загрязненных почвах, можно использовать сапропели в дозах, увеличивающих ЕКО почв на 10 % (A.C. Оглузднн, 1998; И.Г1. Рудиков, 1998).
1.5. Использование новых видов органических удобрений.
На крупных животноводческих комплексах образуются огромные массы животноводческих стоков, которые загрязняют окружающую среду и требуют больших затрат на их применение в качестве органических удобрений. Использование современных биотехнических приемов позволяет выращивать в аэрируемых ферментерах микробную ассоциацию, которая не только очищает сточные воды, но и накапливает органические вещества, азот, фосфор, калий в биомассе клеток - биоудобрение БАМИЛ (А.Н. Каштанов, И.А. Архипченко, 1990, патент № 1757209, 1991, И.А. Архипченко, 1995).
БАМИЛ - гранулированное удобрение, обладающее свойствами органических и минеральных удобрений, в нем нет семян сорняков и токсических веществ.
По химическим параметрам в БАМИЛе содержание азота 5 %, фосфора 1,8 %, калия 0,8 %, кальция 3,4 %, магния 0,5 %, цинка 0,05 %, не обнаружены: никель, ртуть, кобальт, свинец, кадмий, хром и другие тяжелые металлы.
В 1986-1994 годах на базе НПО «Белогорка» и Санкт-Петербург ского аграрного университета проведены нолевые опыты с целью изучения влияния БА-МИЛа на урожай и качество продукции овощных и полевых культурой.А.Архипченко, М.М.Овчаренко,1996). Результаты полевого опыта с картофелем и пшеницей свидетельствуют о том, что применение БАМИЛа в эквивалентной с минеральными удобрениями дозе ЫюоРхоКио имело преимущество, как в прямом действии на картофель, так и в последействии на пшенице и овсянице. Удвоение дозы БАМИЛа привело к значительному дальнейшему повышению урожая картофеля, пшеницы и овсяницы.
2. Влияние извести на дстоксикацню ТМ в почвах.
2.1. Влияние уровня кадмия в почве на урожаи и качество продукции.
Дстиксикацня кадмия.
Результаты многолетних вегетационного и микрополевого опытов показали,
что токсичность кадмия проявилась уже при содержании этого металла 3 мг/кг почвы, но была не высокой. Увеличение содержания в почве кадмия до 10 и 20
мг/кг усиливало отрицательное действие этого элемента на урожай в 3-8 раза. Известкование резко снижало фитотоксичность и положительно действовало на урожай культур, особенно на фоне высокого содержании кадмия в почве. Малые дозы СаСОз (0,25 и 0,5 г.к.)слабо устраняли токсичное действие кадмия. Максимальный эффект обеспечили высокие дозы СаСОч, соответствующие 3,0 и 6,0 по гидролитической кислотности. Эта закономерность описана в следующих уравнениях регрессии:
У1= 127,03+16,75 Са-2,32 Са2-0,12 СсР40,35(Са-Сс1); 1*=0,87 Уз= 81,97 +26,01 Са-3,26 Сс1-3,96Са2+0.72(Са'Сс1); 11=0.79;
где У1 -урожай моркови, г/сосуд, вегетационный опыт, 1991 г.:
У2 - урожай столовой свеклы, г/сосуд, микрополевой опыт, 1993г. Са - дозы СаСОз в долях г.к.; Сс1 - доза С<1, мг/кг почвы;
Внесение в почву возрастающих доз кадмия в несколько раз увеличило содержание этого металла в растительной продукции (табл. 9). Известкование почвы, особенно высокими дозами СаСОз по 3 и 6 г.к., в 6-10 раз снижало концентрацию кадмия в растениях, доводя ее до уровня близкого к незагрязненной почве. Эту зависимость можно проиллюстрировать следующими уравнениями регрессии:
У1= 2,22 - 5,76Са +1,49Сс1 + 1,01Са2 - 0,28(Са- С<1); 1*=0.90
У2= 3,14 - 4,26Са + 0,97С(1 + 0,71Са2 - 0,18(Са- СсЗ); 11=0.87
Уз= 1,74 - 1,26Са + 0,ЗЗСс1 + 0,19Са2 - 0,05(Са* Сс1); 1^=0.89
У»= 1,08- 1,25Са + 0,61 Сс1 + 0,18Са2 - 0,02Сс12 - 0,06(Са* Сс1); Я=0.93
У1 - урожай сахарной свеклы, г/сосуд, вегетационный опыт, 1992 г. Уг-урожай сахарной свеклы, г/сосуд, вегетационный опыт, 1993 г. Уз - урожай моркови, г/сосуд, вегетационный опыт, 1994 г. У»-урожай столовой свеклы, г/сосуд, микрополевой опыт, 1993 г
2.2. Влияние уровня цинка в почве па урожай и качество продукции. Детокснкацня цинка.
Результаты многолетних вегетационного и мнкрополевого опытов показали, что внесение в кислую тяжелосуглинистую дерново-подзолнемую почву цинка, особенно в дозах 300 и 500 мг/кг, приводило к резкому снижению уро-
Таблица 9 Влияние доз СаСОэ на дстокснкацию н концентрацию Сс!
в растениях (вегетационный опыт)
Варианты опыта Сахарная свекла, , корни, 92г. Столовая свекла, корни, 93г. Морковь, корни, 94 г.
Содержания кадмия в растениях, мг/кг сухого вещества
Общее + Обшсс + Общее +
С(1 СаСО, са СаСО, са СаСО,
1. Контроль 1,19 - 1,03
2. СаСО, 0,25 г г. 0,82 -0,37 н.д. 0,83
3. СаСО. 0,5 г.к. 0,59 -0,60 НА 0,96
4. СаСО) 1,0 г. к. 1,10 -0,09 н.д. 0,83
5. СаСО! 3,0 г.к. 0,94 -0,25 н.д. 0,36
6. СаССЬ 6,0 г.к. 1,22 0,03 н.д 0,46
7. Сс13 мг/кг 5,20 4,01 - 9,00 7,97 - 3,18 3,18
8. СаСО) 0,25 + С<1 Л мг/кг 3,11 -2,09 5,71 -3,30 3,61 0,43
9.СаССЬ 0.5 + СУ 3 мг/кг 2,70 -2,50 4,28 -4,72 4,00 0,82
10.СаСО! 1.0 + С<13 мг/кг 1,97 -3,23 2,15 -6,85 0,45 -2,73
П.СаССЬЛ.О + СаЛыг/кг 0,85 -4,35 1,13 -7,87 0,38 -2,80
12.СаСО! 6.0 + О! 3 мг/кг 1,10 -4,10 1,54 -7,46 0,41 -2,77
1Л.С<110 мг/кг 18.00 16,8 - 12,0 10,97 - 3,35 3,35 -
14.СаСО! 0,25+0110мг/кг 15,24 -2,76 9,46 -2,54 2,04 -1,31
15.СаССЬ0,5 + С<1 Шмг/кг 5,18 -12,82 4,24 -7,76 5,53 2,18
16.СаСОз1.0 + С<110мг/кг 3,30 -14,70 3,78 -8,22 3,34 -0,01
17.СаСОз 3.0 +0110мг/кг 1,32 -16,68 3,17 -8,23 2,55 -0,80
18.СаСО!б.О + О! 10м г/кг 1,06 -16,94 1,67 -10,33 1,42 -1,93
19.С<120 мг/кг 42,45 41,26 - 32,8 31,77 - 11,44 11,44 -
20.СаССЬ 0,25+0120мг/кг 39,15 -3,30 28,16 -4,64 7,38 -4,06
21.СаСС>!0,5 + С<120мг/кг 23,16 -19,29 11,41 -21,39 6,50 -4,94
22.СаСО) 1.0 + С<120мг/кг 9,49 -32,96 7,86 -24,94 5,16 •¿,28
23.СаСО>3.0 + О!20мг/кг 3,75 -38,70 ! 4,0 -28,80 1,45 -9,99 1
24.СаСО)6.0 + 0120м г/кг 4,10 -38,35 | 2,98 -29,82 1,65 -9,79
НСРо,5 0,58 1 0,61 0.49
(1^92) Ус<1= 2,2202 - 5,7573Са + 1,4863 Сс1 + 1,0708 Са2 - 0,284 (Са-Сф 1<= 0,9
(1993) Ус<1= 3,1488 - 4,2592Са + 0,9684 С<1 + 0,7148 Са2 - 0,1833 (Са Сс)) 0,87
(1994) Усм= 1,7372 - 1,2£16Са + 0,3293 Сс1 + 0,1886 Са2 - 0,0532 (Са Сс)) 0,8
Таблица 10 Влияние доз СаСОз на детоксикацию и концентрацию Zn в растениях __(вегетационный опыт, сахарная свекла, 1992 г.)_
Варианты опыта урожай Прибавка Содержание Zn в корнях
общая от СаСОз +
общее 1 от Zn | от СаСОз
сырая масса, г/сосуд мг/кг сухого вещества
I. Контроль 71 - - 30 -
2. СаСОз 0,25 г.к. 138 67 • 67 28 -2
3. СаСОз 0,5 г к. 72 1 1 37 7
4. СаСОз 1,0 г.к 89 18 18 38 8
5. СаСОз 3,0 г.к. 98 27 27 26 -4
6. СаСОз 6,0 г.к. 113 42 42 24 -6
7. Zn 100 мг/кг гибель растений
8. СаСОз 0,25 г к .+ Zn 100 мг/кг 139 68 139 215* 185 1 -
9. СаСОз 0,5 г.к. + Zn 100 мг/кг 151 80 151 294 79
10. СаСОз 1,0 г.к. + Zn 100 мг/кг 135 i 64 135 231 16
11. СаСОз 3,0 г.к. + Zn 100 мг/кг 141 ! 70 141 46 -169
12. СаСОз 6,0 г к. + Zn 100 мг/кг 170 99 170 4! -174
13. Zn 300 мг/кг гибель растений
14. СаСОз 0,25 г к + Zn 300 мг/кг гибель растений
15. СаСОз 0,5 г к. + Zn 300 мг/кг 154 83 154 260* 230 -
16, СаСОз 1,0 г к. + Zn 300 мг/кг 166 95 166 244 -16
17. СаСОз 3,0 г.к. + Zn 300 мг/кг 138 67 138 52 -208
13, СаСОз 6,0 г.к. + Zn 300 мг/кг 121 50 121 44 -216
19. Zn 500 мг/кг гибель растений
20. СаСОз 0,25 г.к + Zn 500 мг/кг гибель растений
21. СаСОз 0,5 г к + Zn 500 мг/кг 58 -13 58 392* 362 -
22. СаСОз 1,0 г.к. + Zn 500 мг/кг 171 100 171 324 - -58
23. СаСОз 3.0 г к. + Zn 500 мг/кг 133 62 133 58 -324
24. СаСОз 6,0 г.к + Zn 500 мг/кг 151 80 151 43 -349
НСРо.5 42 ; 14 ;
* - варзшггы, принятые п качестве промекузочных конт^ктч;.
У(отрИ) - - 42,17 Zn + 43,08 рН + 16,6Т(7ггрН) К~- 0,71
УП= 130,7е»? 1 - 85,0453Са>29,3 UY>7_r\+- ¡ 1,3504 - 0,0411 (Ca-Zn) R 0.4.5
Таблица 11 Влияние уровня содержания в почве Ъл и доз СаСОз на загрязнения корнеплодов (1992-1994 гг.)
(мг/кг сухой массы)
Культуры по годам без СаСОз СаСОз по 0,5 г. к. СаСОз по 3,0 г.к. СаСОз по 6,0 г.к.
Вегетационный опыт
Уровень цинка, мг/кг 0 100 200 300 100 200 300 100 200 300 100 200 300
1992,сахарная свекла 30 - - 294 260 392 46 52 58 41 44 43
1993, столовая свекла 44 121 216 - 144 151 - 50 54 . 45 35 39 35
1994, морковь 36 90 - - 90 123 81 21 20 - 23 20 21 21
Микрополевой опьгг
Уровень цинка, мг/кг 0 150 300 500 150 300 500 150 Г 300 500 150 300 500
1992, кормовая свекла 81 212 296 - 92 274 358 83 94 85 92 93 76
1993, столовая свекла 67 84 - - 88 145 - 36 48 41 35 40 46
1994, морковь 23 46 66 - 45 54 1. . 62 23 23 20 26 24
*- прочерк в графах означает гибель растений
жая растений или к его гибели. Известкование почвы полностью устраняло отрицательное действие цинка на урожай растений, но только при внесении доз СаСОз по 3,0 и 6,0 г.к. эта закономерность проявлялась в прямом действии и последействии как цинка.
Внесение возрастающих доз цинка резко увеличило содержание этого элемента в растениях. Известкование почвы высокими дозами СаСОз снижаю содержание цинка в растениях до уровня незагрязненной почвы. Указанные закономерности можно проиллюстрировать результатами вегетационного опыта с сахарной свеклой за 1992-94 гг. (табл. 10-11). Зависимость урожая и содержание в нем цинка от изучаемых факторов описывалась следующими уравнение регрессии: У1= 57,43 + 52,97Са - 6,73Са2; Я=0.60 У2— 42,172п + 48,08рН + 16.65 (гп • рН) ; Я=0.70 Уз= 130,79 - 85,95Са + 2,932п + 11,35Са2 - 0,69(Са • гп); К=0.93 У, и У, - урожай свеклы, г/сосуд; У} - содержание гп в свекле, мг/кг.
2.3. Влияние уровня РЬ п почве на урожай и качество продукции.
Дстоксикация свинца.
В отличие от кадмия и цинка действие свинца на урожай сельскохозяйственных культур было слабо отрицательным или не проявлялось вовсе. Это положение можно проиллюстрировать следующими уравнениями регрессии: У= 136,63 + 13,57Са - 0,03 РЬ - 1,89 Са2; К==0.71; морковь, 1991 г. У= 99,95 + 34,29 Са - 0,39 РЬ - 4,00 Са2; Я=0,81, сахарная свекла, 1992 г. У= 54,98 + 0,14РЬ - 0,0002 РЬ2; 11=0.47; столовая свекла, 1993 г. У= 15,73 + 46,46 РЬ - 5,71 Са2; Я=0.86; морковь, 1994 г., где У - урожай растений, г/сосуд
Если в вегетационном и микрополевом опытах токсическое действие свинца не проявилось, то содержание его в растениях особенно при внесении в почву в дозах 100 и 500 мг/кг возрастало в десятки раз (тзбл.12 ). Известкование почвы высокими дозами по 3,0-6,0 г.к. снижаю концентрацию свшшл в расти-
Таблица 12. Влияние доз СаСОз на детоксикаиию свинца и его содержание в _растительной продукции (вегетационный опыт)_•_
Сахарная свекла, корни, 92г. Столовая свекла, корни. 93г. Морковь, корни, 94 г.
Варианты опыта Содержания свинца в расгсииях, мг/кг сухого вещества
•ц + - от К В + - ОТ У + ОТ
8 РЬ СаСО, 8 РЬ СаСО, 8 РЬ СаСО,
1. Контроль 2.7 0 9
2 СаСО 0.25 г.к. 3.1 0.5
3. СаСО 0,5 г.к. 3.4 0.7 1 _
4. СаСО 1,0 г. к. 3.1 0,4
5. СаССЬ 3,0 г.к. 2.9 0,4
С. СаССЬ 6,0 г к. 3.1 0,2
7. РЬ 50 мг/кг 5.1 2.4 - 1.7 0.8 1.91»
8.СаССЬ 0,25 + № 50 мг/кг 5.8 0,7 2.2 0.5 2.30 ! 0.39
9.СаССЬ 0,5 * РЬ 50 мг/кг 5.2 0,1 1.7 0.0 2.20 0.29
Ю.СаСО 1.0+ № 50 мг/кг 21 -3,0 1.5 -02 046 -1.45
11 .СаСО 3.0 + РЬ 50 мг/кг 1.9 -3,2 1.0 -0.7 0.46 -1.45
И.СаСО 6.0 + РЬ 50 мг/кг 20 -3,1 0.9 -0.8 0.54 -1.37
13. РЬ 100 мг/кг 25.5 22,8 12.7 11.8 13.00 11.09
14.СаСО0.25 + РЬ НЮ мг/кг 17.6 -8,1 11.3 -1.4 10.00 : -3.00
15.СаСО0,5 + РЫ00 ыг/кг 21.5 -4,0 9.0 -3.7 10.39 ' -2 61
16.СаСО 1.0 + РЬ 100 мг/кг 5.8 -19,7 4.3 -8.4 5.55 ! -7.45
17.СаСО 3.0 + РЬ 100 иг/кг 2.9 -22,6 2.5 -10.2 2.15 : -10.85
1Х.СаС06.0 + РЬ 100 мг/кг 3.1 -22,4 1.6 -11.1 2.10 -10.90
19. №500 мг/кг 72.8 70.1 17.9 17.0 30.78 28.87
2().СаСО0.25 + РЬ 500 мг/кг 68.7 -15,0 15.8 -2.1 28.84 -1.94
21.СаСО 0.5+ РЬ 500 мг/кг 31.6 -41,2 14.6 -3.3 23.25 1 -7.53
22.СаСО 1.0 + РЬ 500 мг/кг 8.4 -64,4 11.1 -6.9 9 55 | -21.23
2Л.СаСОЗ.О + РЬ 500 мг/кг 6.0 -66,8 3.9 -14.0 3.70 -27.08
24.СаСО 6.0 + РЬ 500 мг/кг 5.1 -67,7 4.8 -13.1 3.51 ! -27.27
НСРо.5 0,41 0,42 0,6
*- условно принят в качестве контрольного варианта
(1992) У1-ь= 3,1036 + 1,036РЬ - 0,0213 (Са-РЬ) К= 0,88
(1993) У№= 1,9124 + 2,6373Са + 0,0739РЬ + 0,3795Са - 0,0001 РЬ - 0,0039 (Са-РЬ) Я= 0,93
тельной продукции в 5-15 раз, доведя ее до уровня, близкого к незагрязненной почве.
По результатам вегетационных и микрополевых опытов установлено, что при валовом содержании тяжелых металлов (мг/кг): С<3 > 3; РЬ > 50; Си > 60; Ъп > 100, обнаруживаемых в дерново-подзолистых, серых лесных суглинистых почвах с рН < 5,5, в корнеплодах столовой, сахарной, кормовой свеклы, моркови и клевера накапливаются ТМ больше ПДК и проявляется фитотоксиче-ское действие, снижающее урожайность на 10-30 % против незагрязненной почвы.
3. Влияние сочетания торфа, навоза, цеолита с известкованием на детокснкациш н содержание ТМ в растительной продукции
В факториалыюм вегетационном опыте (4x4x4) изучали эффективность известняковой муки (0;1;3;6 г.к.), Сакирницкого цеолита и навоза (0; 5; 20; 40 т/га ) на загрязненной ТМ почве (мг/кг): кадмия -10, цинка-300, свинца-200. Результаты покачали, что по эффективности цеолит и навоз резко отставали ог действия извести:
У)=124,2+28,4Са - 2,36Са; 1*=0,97 Уг= 11,9Са - 0,2Са2 + 2,7Ц +8,0 Н - 0,1 Н3-0,1СаЦ; R= 0,95
где У:-урожай моркови, г/сосуд, 1991 г.; У2 -урожай столовой свеклы, 1992 г. Са-известковые удобрения, т/га; Ц-цеолит и 11-органнческие удобрения, т/га;
При внесении в почву 9 т/га СаСОз полностью устранялся фитотоксический эффект от внесения в почву ТМ, в то время как такое же количество цеолита и органических удобрений лишь частично снижало задержку в развитии растений от избытка ТМ в почве.
Цеолит и навоз слабо изменяли концентрацию кадмия, цинка и свинца в растениях, в то время как известь снижала содержание этих металлов в 5-8 раз. (рис. 1-2).
Результаты многолетнего вегетационного опыта показали, что торф значительно снижал отрицательное действие ТМ на урожайность. Это особенно проявилось в первый год на варианте, где был чистый торф и на фоне малых
Влияние извести и цеолитов на поступление ТМ в корнеплоды моркови , мг/кг сырого вещества.
6 20 Доза мелиоранта, т/го.
рис. •/
Влияние извести и цеолитов на поступление ТМ в■ корнеплоаы моркови , мг/кг сырого вещества.
ТМ,мг/кг
6 20 Доза мелиоранта, т/га.
рис. Я
доз СаСОз. Очевидно, абсорбционная способность торфа к водорастворимым ионам ТМ в первый год была настолько велика, что ТМ не оказали своего угнетающего действия. В последующие годы торф в 1,5-2 раза уступал действию высоких доз извести. Влияние чистого торфа на содержание РЬ, Сс1, Ъп в растениях также проявилось слабее, чем извести (табл. 13).
В микрополевом опыте, проведенном на дерново-подзолистой тяжелосуглн-нистой слабоокультуренной почве с различными мелиорантами при дозе кадмия 20 мг/кг почвы, его содержание в надземной массе клевера составляло 1314 мг/кг в зависимости от формы мелиоранта. Сравнивая действие различных мелиорантов для детоксикации загрязненной кадмием почвы, можно отметить, что наибольшую эффективность имело внесение извести.
Таблица 13
Влияние СаСОз к торфа на детокснацню н содержание
С(Д, 7.П, РЬ в корнях свеклы (вегетационный опыт, 1993 г.)*_
урожай С(] 7п РЬ
Варианты опыта сырая масса, г/сосуд мг/кг сухого вещества
1.ЫРК. +ТМ - фон 0,0 - - -
2. фон + СаСО} 0,25 г.к. 0,0 - - -
3. фон + СаСОз 0,5 г.к. 54,5 17,62 90,0 10,0
4. фон + СаСОз 1,0 г.к. 82,0 12,12 85,2 8,23
5. фон + СаСОз 3,0 г.к. 71,7 2,29 53,9 2,76
6. фон + СаСОз 6,0 г.к. 75,1 2,14 49,7 2,73
7. фон + торф 68,1 10,5 93,0 4,42
8. фон + торф+ СаСОз 0,25 г.к. 65,1 ' 8,66 90,2 3,66
9. фон +торф+СаСОз 0,5 г.к. 88,6 6,52 89,1 3,49
10.фон+ торф+СаСОз 1,0 г.к. 75,9 6,07 83,6 2,87
11 .фон+торф+СаСОз 3,0 г.к. 62,7 2,73 67,0 2,30
МСРо., 11,2 3,0 13,7 1,27
Р% 6,5 8,5 V 10,4
*опыт проведен М.М. Овчаренко, Г.А. Графской и Н.П. Семеновой.
На произвесткованной почве содержание доступного растениям кадмия снижалось на 10-30'% и поступление его в надземную массу на 20-40 % в за-
висимости от содержания в почве, но это было недостаточно для получения продукции, соответствующей санитарно-гигиеническим нормам (табл. 14).
Таблица 14 Влияние различных приемов дстоксикацки ТМ на содержание подвижного кадмия в почве и поступление его в растения клевера
Вариант опыта доза кадмия, мг/кг почвы
0 | 10 | 20
соде ржание мг/кг сухого вещества
почва растения почва растения почва растения
ФОН (РбоКад) 0,12 0,3 7,0 8,0 16,5 15,0
Фон+известь 10 т/га 0,09 0,2 6,1 4,5 12,1 13,0
Фон+ навоз 100 т/га 0,12 0,3 . 6,5 7,5 14,6 14,1
Фон-ь торф 100 т/га 0,13 0,3 6,5 7,3 15,1 13,8
Фон+цеолит 100т/га 0,10 0,3 6,5 6,6 13,7 13,6
НСРо.5 0,4 0,2 1,2 1,1 2,5 0,9
Р% 3,5 4,9 7,2 8,3 11,4 9,2
В мел ко деля ночных полевых опытах, проведенных по нашей методике, в Костромской, Владимирской, Солянской (Красноярский край), Тверской Государственных проектно-изыскательских станциях (центрах) агрохимической службы, действие органических удобрений в чистом виде было меньше, чем извести по снижению фнтотоксичности РЬ, Сс1, '¿п и их содержания в растительной продукции (М.М. Овчаренко, И.А. Шильников и др. 1996; М.М. Ов-чаренко, И.А. Шильников, 1997).
Таким образом, органические удобрения с одновременным повышением содержания гумуса в почве, ослабляли токсичность ТМ и их концентрацию в растениях, особенно в первый год их действия.
При совместном внесении извести с торфом, навозом фитотоксичность ТМ резко снижалась, даже при невысоких дозах СаСОз.
В вариантах, где испытывался цеолит (табл. 14), он не имел преимущества перед торфом и навозом и значительно уступал извести по снижению концентрации подвижного кадмия в почве и содержанию его в клевере.
Теоретическая часть этого явления мы предполагаем находится в снижении заряда кристаллической решетки цеолита путем абсорбции из почвенного раствора [Н+] - ионов кристаллической решеткой [БЮ-»-->■ БЮз-ОН], ослаблении ее отрицательного заряда и перехода Ка - кристаллической решетки в обмен-
ное состояние, и таким образом, произойдет только поверхностная адсорбция ионов кадмия кристаллической решеткой.
4. Содержание отдельных химических элементов —тяжелых металлов в растениях
Химический состав растений отражает в целом элементный состав почвенной среды. Отсутствие, недостаток или избыток того или иного изучаемого химического элемента в растениеводческой продукции может привести к ряду серьезных болезней растений, животных и человека (Б.А. Ягодин, 1998). По обобщенным данным (В.Г.Минеев;1990; А. Кабата Пендиас, 1989; М.М.Овча-рснко, И.А.Шильников, Г.Г.Вендило и др. 1997), примерная котщентрация микроэлементов в зрелых листьях для многих видов растений составляет (мг/кг сухой массы):
а) достаточная (нормальная ): Сс1 0,03-0,2; Си 3-30; РЬ 3-10; Ъп 20-150;
б) избыточная (токсичная): С(1 5-30; Си 20-100; РЬ 30-300; Ъа 100-400;
Приведенные значения содержания ТМ в растениях могут сильно меняться
для конкретных условий системы почва -растения, однако избыток, хотя бы одного элемента - тяжелого металла в почвенном растворе будет оказывать фитотоксичное действие на растение.
Поэтому основным критерием недопущения загрязнения растений тяжелыми металлами будет создание оптимальных условий среды в почве, при которых уровень ТМ не должен быть выше ОДК (дополнение №1), а мерой их накопления в растениях должны служить ветеринарные и санитарно-гигиенические нормы содержания ТМ в растениеводческой и пищевой продукциях для человека (ПДК) и животных (МДУ).
Растениеводческая продукция, проанализированная с незагрязненных участков почв в различных регионах России (табл.15) отвечала санитарно-гигиеническим требованиям по уровшй ПДК ТМ и ветеринарным по МДУ ТМ. Однако, на почвах с повышенным фоном ТМ (Свердловская, Московская) в продукции накапливалось большое количество ТМ.
Растениеводческая продукция, выращенная на почвах искусственно загряз-
пенных ТМ (табл. 16 ) накапливала ТМ в зависимости от культуры и уровня содержания ТМ в почве. Наибольшее содержание ТМ отмечалось в кормовой , столовой и сахарной свекле , наименьшее - в картофеле.
Таблица 15
Содержание тяжелых металлов в растениеводческой продукции, выращенной на загрязненных почвах* (М.М.Овчаренко, Г.А. Графская, 1991)
Почвы Культуры мг/кг сухого вещества
Cd РЬ Си Zn
Дерново-подзолистая супесчаная слабоокуль-турешшя (Костромская обл.) картофель 0,05 следы 0,5 4,0
Дерново-подзолистая картофель 1,5 0,95 1,5 4,75
среднесуглинистая среднеокультуреиная (Тверская обл.) свекла столовая кукуруза(зслсная масса) 1,0 0,2 1,6 1,85 2,0 1,95 7,0 8,5
Дерново-подзолистая картофель 1,0 следы 6,0 25,5
супесчаная Дерново-подзолистая капуста 0,045 0,15 1,8 13,5
суглинистая (Московская обл.) морковь свекла столовая 0,175 0,2 0,35 0,9 4,1 7,5 17,5 24,5
Чернозем выщелоченный тяжелосуглинисты (Красноярский край) картофель 0,05 1,45 8,0 17,0
Светло-серая суглинистая (Свердловская зерно: ячменя 0,33 0,66 4,95 40,7
обл.) овса 0,18 1,21 5,5 28,6
•образцы отобраны с контрольных вариантов микрополевых опытов
5. Влияние степени окультуренностн ночи, реакции среды и гранулометрического состава на детоксикацию ТМ и их фнтотоксичностъ.
5.1. Влияние степени окультуренностн дерново-подзолистых почв иа урожай и качество растителышн продукции
В производственных условиях загрязненными являются почвы, имеющие
различные агрохимические свойства н уровень окультуренностн в результате многолетнего применения органических, минеральных и известковых удобрений. Комплекс агрохимических свойств почв различной степени окультуренностн может существенно влиять на подвижность тяжелых металлов и зафяз-нение ими растительной продукции. На Центральной опытной станции ВИУЛ
Таблица 16
Содержание тяжелых металлов в корнеплодах на загрязненных почвах (мг/кг сухого вещества).
Культуры дозы ТМ са Ъа РЬ
0 3 ,0 0 1 1 100 200 0 50 100
Вегетационный опыт (1992-1994)
Сахарная свекла 1,2 5,2 18 30 I - - 2,7 5,1 25,5
Сахарная свекла 1,0 9,0 12 44 121 1 216 0,9 1,7 12,7
Морковь - 3,2 3,3 36 ! 90 - - 1,9 13,0
Микрополевой опыт (1992-1994)
Кормовая свекла 0,52 1,6 2,1 81 1 212 296 4,4 6,6 9,2
Столовая свекла 0,45 2,1 5,8 67 84 - 1,3 3,2 4,7
Морковь 0,54 0,6 4,8 23 46 66 - - -
--— "ГлозьТТМ 0,35 6,6 15,5 35,2 ! 693 1 972 13,3 106 1336
Картофель (среднее за 1992-1993 г.) 0,1 0,08 0,15 25,7 : 68,4 1 148 6,2 7,6 30,1
изучалась роль окультурениости дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы и различных мелиорантов в устойчивости агроценозов к токсическому действию тяжелых металлов.
Результаты микрополевого опыта за первые четыре года свидетельствуют о том, что накопление тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами зависит как от свойств самих элементов, так и от свойств почвы и физиологических особенностей растений. На неокультуренной почве растения накапливают больше кадмия и свинца, чем на окультуренной почве. Особенно это проявилось на бобовых культурах, в которых содержание свинца уменьшилось в растениях в среднем в три раза при содержании 500 мг свинца на кг почвы.
Таблица 17
Изменение продуктивности надземной массы клевера при загрязнении _почвы ТМ, % к соответствующему контролю_
Доза металла, мг/кг Дерново-подзолистая тяжслосугпннистая почва
слабоокультуренная среднеекультурепная хорошо окультуренная
фон фон +известь фон фон + из весть фон фон + известь
контроль 100 100 , 100 100 100 100
кадмий
1 91 94 104 98 100 95
5 87 96 90 94 102 86
10 49 88 85 90 94 80
20 19 69 31 70 87 76
свинец
60 88 104 105 105 96 101
125 80 104 108 105 98 98
250 58 102 88 102 90 92
500 35 106 64 97 96 96
медь
60 49 99 75 101 102 103
125 2 89 35 89 107 106
250 0 53 0 85 91 93
500 0 6 0 7 60 93
цинк
125 92 74 | 49 | 99 97 107
250 6 75 7 74 101 109
500 0 45 1 0 53 99 93
1000 0 7 ! 0 I 10 94 95
На седьмой год в микрополевом опыте выращивали клевер красный сорта ВИК-7, перед посевом которого в почву внесены минеральные удобрения из расчета РьоКэд.
Клевер красный по своим биологическим особенностям является культурой, чувствительной к реакции среды и плодородию почвы, а также, как показали наши исследования, к высоким концентрациям ТМ. На контрольном варианте опыта получен положительный эффект от повышения плодородия почвы и известкования. Урожайность клевера на слабоокультуренной почве составила 96 г/сосуд, на среднеокультуренной -111 г/сосуд и на хорошо окулыуренной-179 г/сосуд. Прибавки урожая от известкования этих почв составили соответственно (г/сосуд): 31, 36 и 5.
Степень окультуренности почвы в сочетании с известкованием позволили даже на фоне очень сильного загрязнения почвы кадмием, свинцом, медыо и цинком получать урожай клевера на уровне незагрязненной почвы (табл. 17 ).
Растения, произрастающие на хорошо окультуренной почве, были довольно устойчивы к кадмиевому загрязнению, и только при содержании его в почве 20 мг/кг отмечается достоверное снижение продуктивности клевера.
Как и в исследованиях, проведенных на других культурах, медь оказалась наиболее токсичной для клевера в 1997 г., по сравнению с цинком и свинцом, причем, свинец оказывал наименьшее отрицательное влияние при одних и тех же дозах внесения, а значит, одинаковом валовым содержанием в почве. Слабо- и среднеокультуренные почвы, имеющие повышенную кислотность, обладают наиболее низкой буферностью по отношению к избытку меди и цинка.
По степени токсичного действия на формирование надземной массы клевера ТМ можно расположить в следующий ряд: С<1>Си>7п>РЬ.
Устойчивость агроценозов клевера к одному и тому же элементу на разных по окультуренности почвах была рахтичиой, хотя валовое содержание металла там было практически одинаковым.
Результаты наших исследований показали, что с повышением степени окуль-
туренности почвы снижается подвижность всех изучаемых ТМ и их поступление в растения клевера (табл. 18)
Таким образом, окультуренность почв является важнейшим фактором регулирования содержания подвижных форм ТМ в почве и поступления их в расте-
Таблина 18
Содержание подвижных соединений тяжелых металлов _в почве и клевере (мг/кг сухого вещества)______
Окультуренность почвы
почва растение
почва растение
растение
п
почва растение
Без известкования
слабая
4,0
3,5
58,0
12,0 61,0 90,0
32,0
25,0
средняя
3,8
3,3
52,0
10,5
57,0
81,0
26,0
18,1
хорошая
2,8
2,0
37,0
4,8
46,0
48,1
19,0
11,0
НСРо.з 0,5
0,25
4,5
2,3
3,5
6,3
3,9
4,8
Произвесткованная почва
слабая
3,2
2,4
47,0
5,0
53,1
68,2
24,0
15,0
средняя
3,0
2,2
41,2
4,8
50,0
51,0
21,4
12,1
хорошая
2,6
1,а
21,0
4,1
34,0
40,2
10,3
6,2
НСР„5
0,5
0,2
4,1
2,8
4,1
5,8
3,3
2,5
Предельные
кормы (ПДК.МДУ)
0,3
6,0
5,0
23,0
50,0
3,0
30,0
Примечание: кадмий внесен в дозе 5 мг/кг, медь -60, свинец и цинк - по 125 мг/кг почвы
ния. Резко снизившийся уровень применения минеральных, органических и известковых удобрений приведет к снижению окультуренности почв и, как следствие, загрязнению растительной продукции тяжелыми металлами.
5.2. Влияние реакции среды в почве и концентрации кальция на содержание тяжелых металлов в растениях
Почвенный раствор является главной средой жизнеобеспечения растений,
протекания всех химических и биохимических реакций. В научной литературе преобладающим является мнение о том, что основным действием известкования является устранение избыточной кислотности почвы (Д.Н. Прянишников, 1955; С.С. Ярусов, 1941; Н.И. Алямовский, 1966; Н.С.Авдонин,1969; О.К.Кед-ров-Зихман,1953;196Т; И.А. Шильников, 1984; 1989; 1997; И.А. Шильников,
Л.А.Лебедева, 1987; М.Ф. Корнилов и др.1971; А.Н. Небольсин 1985;1992; 1999; Т.Н. Кулаковская и др.,1981; Bergmann W.,I963; Gajek F.,1980; PfafT С.,1967).
Работами O.K. Кедрова-Зихмана (1957) экспериментально доказано, что решающим фактором для роста и развития растений является оптимальная реакция среды в почве. Вопрос же о роли реакции среды и почвенного кальция в снижении токсичности ТМ остается открытым. С целыо его выяснения нами были проведены многолетние вегетационные и микрополевые опыты.
Кислотность почвенного раствора, характеризуется конценграцией водородных ионов. Ионы водорода почвенного расгвора создают, в определенный промежуток времени отрицательный и положительный заряд в молекуле воды. Среднее время нахождения иона водорода у молекулы воды в виде [НзО+] составляет 1,3*10 ~13 сек. (О.Я.Смолуховскин,1957).
При внесении в почву соединений СаСОз происходит взаимодействие поверхности твердой фазы СаСОз с молекулами воды, несущих водородный ион (С.Н. Аг1ешин, 1970). В результате гидратации на поверхность кристаллической решетки СаСОз попадает ион водорода и реакция гидролиза протекает с подщелачиванием среды:
[СаСОз]п + [ НзО+]ш — [СаСО.з]п-х + [Са(НСО.з)+)х -[Н20]т Находящиеся в этот период в почвенном растворе соли ТМ, имеющие большее сродство к образованию труднорастворимых гидрокарбонатных соединений, чем Са2+, взаимодействуют с Са(НСОз)2 появляющимися в почвенном растворе с образованием новых соединений:
Са(НСОз)2 + Ме2н—> Са2+ + Ме(НСОз)2
При повышении величины pH почвенной среды у растений снижалась фито-токсичность и концентрация ТМ. Это подтвердилось ранее описанными экспериментами и вегетационным опытом с кормовой, столовой свеклой и морковью при внесении в качестве мелиорантов загрязненной ТМ почвы: известняковой и доломитовой муки, оксида кальция, гипса и углекислого натрия (табл. 19)
Таблица 19
Влияние форм мелиорантов в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами на урожай _сельскохозяйственных культур (микрополевой опыт, 1992-1994 годы)_
Варианты опыта Сельскохозяйственные культуры
Кормовая свекла Столовая свекла Морковь Ячмень Клевер
урожай прибавка урожай прибавка урожай | прибавка | урожай | прибавка урожай прибавка
сухая масса, г/сосуд
га>к + £ тм - фон - 140 - 2.98 - 1.4 -
Фон + СаСОз 0.5 г.к. 223 24 330 190 5.70 2.72 11.7 10.3
Фон + СаСОз 3.0 г.к. 533 108 275 135 5,43 2.45 13.2 11.8
Фон + Дол. м. 0.5 г.к. 200 46 410 270 5.03 2.05 11.6 10.2
Фон + Дол. м. 3.0 г.к. 516 462 378 238 6.20 3.22 17.7 16.3
Фон + СаО 0.5 г.к. 186 6 335 195 5.09 2.11 8.6 7.2
Фон + СаО 3.0 г.к. 673 237 465 325 5.28 2.30 15.5 14.1
Фон + Иа2СОз 0.5 г.к. 480 93 284 144 4.83 1.85 5.2 3.8
Фон + Ыа2СОз 3.0 г.к. 953 190 402 262 5.92 2.94 13.7 12.3
Фон + СаБО^ 0.5 г.к. - - 133 - 7 4.24 1.26 3.0 1.6
Фон + СаБО-! 3.0 г.к - - 20 - 120 4.02 1.04 1.0 -0.4
НСР:.« 22 19 56 ; 1,3 1,2
*- прочерк в графах означает гибель растений
Результаты исследований показали, что самые высокие прибавки урожая корнеплодов получены при внесении тройной дозы СаСОз, доломита и в меньшей степени углекислого натрия. Действие аналогичной дозы СаБ04 было в 3,5 раза слабее, несмотря на то, что растворимость СаБСН на два порядка выше, чем у СаСОл.
В последействии указанная закономерность сохранялась. На вариантах с внесением СаБ04 в большинстве случаев урожай погиб. На оставшихся вариантах с гипсом загрязнение продукции С(1, 2п, РЬ было в 1,5-2,0 раза выше, чем на фоне карбонатов и в том числе и на варианте с ЫагСОз (табл. 20)
В опытах с картофелем при высоком и очень высоком загрязнении почв С<1, Хп, Си и доведении рН до 7,5-7,6 получен урожай клубней на 10-14 % ниже контроля (рН 5,7-6,1), а содержание кадмия не превышало 0,033 мг/кг (ПДК=0,03).
Таким образом, решающее влияние на токсичность ТМ в почве оказывает уровень ее реакции среды, а значение катионов Са и Ыа в воднорастворимых солях было второстепенным.
5.3. Влияние гранулометрическою состава дерново-подэолнетых ночв и чернозема на токсичность тяжелых металлов и их содержание в растительной продукции.
Среди факторов, влияющих на токсичность ТМ, существенное значение
может иметь гранулометрический состав. Можно предполагать, что на почвах легкого гранулометрического состава, обладающих меньшей буферностыо, отрицательное действие ТМ на урожай растений и их химический состав будет проявляться в большей степени. Однако этот вопрос исследован недостаточно, вследствие чего не нашел пока полного отражения в существующих нормативных документах по содержанию токсичных элементов в почве.
Результаты многолетнего вегетационного опыта показали, что токсичность тяжелых металлов на супесчаной почве в среднем в 2 раза выше, чем на суглинистой. Только в одном случае на супесчаной почве урожай был выше, чем на суглинистой (табл. 21).
Таблица 20
Влияние форм мелиорантов в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание __в растениях С(1, Ъп, РЬ (микрополевой опыт, 1992-1994 г.г.)_
Варианты Кормовая свекла, 1992 г. Столовая свеют, 1993 г. Морковь, 1994 г.
опыта Сс1 РЬ Сё Ъп РЬ С(1 Ъп РЬ
мг/кг сухого вещества
№К + X ТМ - фон - - - - - 1.20 77.0 1.53
Фон + СгСОз 0.5 г.к. 1.07 85.7 4.85 1.42 183.0 2.40 0.66 60.0 1.53
Фон + СаСОз 3.0 г.к. 0.90 86.6 4.04 0.67 65.9 1.83 0.31 25.7 0.57
Фон + Дол. м. 0.5 г.к. 0.76 84.4 4.29 1.01 121.2 3.59 0.54 48.9 0.92
Фон + Дол. м. 3.0 г.к. 0.81 79.0 4.18 0.94 61.6 2.30 0.42 26.0 0.51
Фон + СаО 0.5 г.к. 0.78 77.2 1.80 - - - 0.81 65.6 1.43
Фон + СаО 3.0 г.к. 0.47 86.7 3.99 0.66 58.1 1.88 0.25 28.1 0.71
Фон + КагСОз 0.5 г.к. 0.76 76.8 3.53 0.69 63.4 2.31 0.57 68.5 1.98
Фон + ЫазСОз 3.0 г.к. 0.78 81.6 3.94 0.56 52.0 1.01 0.43 44.1 1.03
Фон + СаБО) 0.5 г.к. - - - - - - 1.46 65.9 2.73
ФонН СаБ04 3.0 г.к - - - - - - - - -
НСРо.5 0,13 7,2 0,51 0,6 24,3 0,57 0,18 21,3 0,4
прочерк в графах означает гибель растений
Таблица 21
Влияние до! СаСОз на детоксикацию ТМ на дерново-подзолистых почвах различного гранулометрического состава (вегетационный опыт, 1991-94 гг.)
суглинок супесь
Варианты * Культура, год урожай
г/сосуд % г/сосуд %
I. ЫРК + ТМ - фон 36 100 - 0
2. Фон + СаСОз 0,25 г. к. 55 100 - 0
3. Фон + СаСОз 0,5 г. к. морковь, 199! г. 61 100 - 0
4. Фон + СаСОз 1,0 г. к. 128 100 104 81
5. Фон + СаСОл 3,0 г. к. 148 100 69 47
6. Фон + СаСОз 6,0 г к. 125 100 56 45
НСРо.5 4,0 6,0
4. Фон + СаСОз 1,0 г к сахарная 130 100 59 45
5. Фон + СаСОз 3,0 г.к. 112 100 132 118
6. Фон + СаСОз 6,0 г.к. 1992 г. 140 100 94 67
НСР 11,1 19,2
3. Фон + СаСОз 0,5 г к 55 100 - 0
4. Фон + СаСОз 1,0 г к. столовая 82 100 59 72
5. Фон + СаСОз 3,0 г.к. свекла, 72 100 52 73
6. Фон + СаСОз 6.0 г к 1993 г 75 100 48 63
НСРо.? 3,0 2,5
3 Фон + СаСОз 0,5 г к 100 . 0
4. Фон + СаСОз 1,0 г.к морковь, 1994 г 28 100 8 30
5. Фон + СаСОз 3.0 г к 80 100 35 44
6. Фом + СаСОз 6,0 г.к 88 !(Ю 55 63
НСРо.5 4,2 6,2
Среднее 100 53
*- на отсутствующих вариантах растения погибли
Таблица 22
Влияние доз СаСОз на детоксикация ТМ при различном гранулометрическом составе дерново-подзолнстых почв __(вегетационный опыт, среднее за 1992-1994 годы)
[ Суглинистая почва ! Супесчаная почва
Варианты опыта Сс1 I Zn РЬ Cd Zn РЬ
Г Содержа! ие в растительной прод>кции
4. ЫРК + X ТМЗ-СаСОз 1,0 г.к 1 100 ! юо 100 190 1 104 1 170
5. ^К + £ ТМ+ СаСОз 3,0 г.к. ! 100 1 100 100 237 103 122
6. ^К + X ТМ+- СаСОз 6,0 г.к \ 100 100 100 136 99 132
Среднее ] 188 : 102 141
Содержание кадмия и свинца в корнеплодах на супесчаной почве было выше
соответственно в 1,9 и 1,4 раза, а по цинку не имело различий (табл. 22). В це-
лом влияние гранулометрического состава почвы на токсичность кадмия, цинка и свинца и их концентрацию в растениях было выражено значительно слабее уровня реакции среды в почве.
Результаты вегетационного опыта, в котором сравнивали токсичность тяжелых металлов в отношении столовой свеклы на супесчаной дерново-подзолистой почве и суглинистом черноземе показали, что на вариантах без внесения кадмия, свинца и цинка на обеих почвах получены примерно одинаковые урожаи. После внесения тяжелых металлов на дерново-подзолистой супесчаной почве растения погибали, а на черноземной почве - растения сохранились. Однако содержание ТМ было в 2-3 раза в растительной продукции была выше, чем на контроле. Следовательно, токсичность от равной концентрации кадмия, цинка и свинца на черноземе не проявилась, а увеличилось только загрязнение продукции этими металлами.
6. Миграция кадмия, цинка и свинца из корнеобитасмого слоя дерново-
подзолистых почв.
В первый год после внесения в супесчаную почву концентрация кадмия в ин-
фильтрационных водах возросла до 0,01-0,04 мг/л, па следующий год она снизилась в 3-4 раза, а в последующие годы - уменьшилась до уровня 0,002-0,003 мг/л и существенно не отличалась от вариантов с незагрязненной почвой.
Аналогичная закономерность имела место и на тяжелосуглинистой почве с той лишь разницей, что в первый год после внесения концентрация кадмия была на порядок ниже (0,006-0,009 мг/л). Потери кадмия с инфильтрационны-ми водами в первый год составили 0,02-0,03 мг/кг почвы, а в последующем снизились до 0,01-0,04 % от внесенной дозы и составили менее 0,001 мг/кг почвы. Суммарные количества отчуждаемого из почвы Сс1 (вымывание + вынос растениями) за 4 года не превысило 2,4 % из супесчаной и 6 % из суглинистой почвы от внесенной дозы
Концентрация 2п в лизиметрических водах из обеих почв контрольного варианта (без удобрений) составляла 0,5-0,05 мг/л. Известкование на протяжении
4 лет устойчиво снижало концентрацию этого элемента в 2 раза. Внесение водорастворимой соли Zn в первый год увеличило концентрацию в среднем в 100 раз на супесчаной почве, доведя ее до 2-3 мг/л. На второй год концентрация Zn в варианте с однократной дозой этого элемента уменьшилась до 0,03 мл и в последующие годы не превышала 0,02 мг/л.
При внесении тройной дозы Zn в супесчаную почву концентрация этого металла в инфильтрационных водах уменьшилась на второй год до 0,06-0,16 мг/л и в последующие годы находилась в интервале 0,002-0,06 мг/л. Концентрация Zn в лизиметрических водах из тяжелосуглинистой почвы в динамике изменялась аналогично, но в количественном выражении была в 2-3 раза ниже, чем из супесчаной. Концентрация Zn в лизиметрических водах под травами во все годы наблюдений не превышала 0,03 мг/л.
Потери Zn с лизиметрическими водами из супесчаной почвы в среднем были в 10-18 раз больше, чем из суглинистой. На обеих почвах 90-95 % потерь этого элемента произошли в первый год. В последующие годы, по мере перехода водорастворимой формы Zn в менее подвижные, потери этого металла снижались на 2 порядка и становились минимальными.
В целом суммарные среднегодовые потери Zn составили десятые и сотые доли процента от внесенной в почву дозы, что свидетельствует о чрезвычайно медленном процессе очищения загрязненной этим элементом почвы.
Концентрация РЬ в лизиметрических водах в течение 4 лет была подвержена меньшим колебаниям, чем Zn и Cd. В первый год на супесчаной почве она колебалась в интервале 0,03-0,05 мг/л и сохранилась такой же в течение следующих двух лет. На четвертый год она уменьшилась до 0,002 мг/л. На тяжелосуглинистой почве концентрация РЬ в инфильтрационных водах находилась в интервале 0,06-0,13 мг/л и в следующие годы снизилась до 0,002 мг/л. На обеих почвах при внесении тройной дозы ТМ содержание РЬ в воде было примерно в 2 раза выше. Заметного влияния доз СаСОз на концентрацию РЬ в лизиметрических водах не отмечено.
Суммарные потери РЬ из корнеобитаемого слоя почвы за 4 года составили 0,1-0,3% внесенной дозы. В целом это свидетельствует об очень медленном процессе естественного очищения почвы от этого металла. При этом существенной разницы между потерями вследствие выноса урожаем и вымыванием с инфильтрационными водами (по абсолютным значениям цифр) не отмечено.
Таким образом, результаты лизиметрических исследований показали, что загрязненные С<1, Ъл и РЬ почвы очищаются за счет естественных процессов (вынос урожаем, вымывание инфильтрационными водами) очень медленно.
7. Баланс тяжелых металлов в почве Баланс тяжелых металлов в почве - это количественное выражение процесса, учитывающего все источники их поступления и расхода в течение определенного промежутка времени. Баланс характеризует перспективу (отдаленную и близкую) изменения экологической обстановки по загрязнению почвы, растений, грунтовых вод и воздуха токсическими элементами.
Баланс цинка, меди, свинца, никеля и кадмия в дерново-подзолистой почве на базе длительных полевых опытов Центральной опытной станции в Домодедовском районе Московской области показал, что основной источник поступления гп и Си в почву - атмосферные осадки, поступление этих элементов с удобрениями и известью составляет 2-10 % от общего количества. И только при внесении органических удобрений в почву поступает Хп -61 %, Си-59 % от их общего прихода. Основная масса РЬ, С<1 и № поступала в почву с удобрениями и известковыми материалами. Вынос из почвы Ъп и Си растениями составил 70-96 % от общих потерь, а для РЬ, Сс1 и № - около 50 %. В целом баланс свидетельствует о том, что для всех металлов он положительный, то есть происходит их аккумуляция в поверхностном слое почвы. Среднегодовое накопление металлов в почве составило незначительные величины (мг/кг): С<1 -0,0002-0,0005, РЬ-0,01, N¡-0,01, Ъл- 0,15-0,20, Си - 0,035.(Н.Л. Черных 1995 г.)
Нами проведен расчет баланса ТМ в земледелии Нижегородской области за
1990-1999 гг.(табл.23). Полученные, расчетные данные за 1990 г. свидетельствуют о том, что внесено ТМ(%): с минеральными удобрениями (140 кг д.в./га) - 3; фосфоритной мукой - 23; известью - 60; органическими удобрениями - 6 и атмосферными осадками - 8.
Всего в сумме внесено за год 2297,6 г/га тяжелых металлов: среди которых наибольший удельный вес занимают Сг, 2л\, Си, среди которых 7.п и Си будут использоваться растениями в питании в качестве микроэлементов.
Суммарный вынос ТМ с урожаем и инфильтрационными водами составляет только 10 процентов от поступления. Хотя в целом, баланс положительный, но уровень поступления ТМ в почву настолько мал, что совершенно не может загрязнить почву и растения. Приведенные расчеты баланса тяжелых металлов за 1999 г., показали, что земледелие Нижегородской области снизило применение минеральных удобрений в 5 раз (29 кг д.в./га), внесение извести в 20 раз и фосфоритной муки в 10 раз, а также органических удобрений, как следствие, урожайность снизилась в 2 раза против уровня 1990 г.
Суммарный приход ТМ на пашню составил 191 г /га, что в 10 раз ниже поступления ТМ в 1990 г. расчеты показали, что наступил отрицательный баланс по Си и Zn (табл.24).
Выполненный нами расчет баланса в земледелии Московской области за
1991-1999 гг., подтвердил ту же закономерность резкого снижения поступления ТМ в почву, как и в Нижегородской области. Однако, остаются до сих пор загрязненными почвы Балашихинского, Люберецкого и Ленинского районов, на которые в 1985-1990 гг. вносили повышенные объемы осадков сточных вод. В почвах этих районов содержание С(1 в 30-70 раз выше, чем в среднем по области. Вследствие такого высокого уровня загрязнения почв в Московской области необходимо провести внедрение научно-обоснованных приемов по детоксикации ТМ в почвах.
Исследования, выполненные нами по Брянской области, показали, что участки пашни, сенокосов и пастбищ, загрязненные тяжелыми металлами, как
Таблица 23 Баланс тяжелых металлов на пахотных угодьях Нижегородской области в расчете на 1 га
_(с внесением минеральных и органических удобрений, извести и фосфоритной муки) (1990 г.)
Поступление на поверхность почв, г/га-в числителе % - в знаменателе Вынос из почвы, г/га Баланс
с минеральными удобрениями фосфори-тованием известкованием органическими удобрениями атмосферными осадками суммарный приход урожаем с инфильтрацией суммарный расход + г/га + мг/кг почвы
са
0,6 1 0,7 0,5 4,0 7,8 0,8 0,5 1,3 6,5 2,15-КГ5
8 25 9 6 52
РЬ
1,9 | 16 1,1 0,5 34,3 53,8 12 4 1,6 39,8 13.3-10-5
4 30 2 1 63
№
5,8 15 19,4 2,8 15 58,0 12 3 15 ' 43 14,3-КР
10 26 33 5 26
Си
14,5 137 316,8 19,4 10 497,7 24 3,0 27 470,7 15,7-10-=
3 27 64 4 2
Ъл
18,6 195 453,6 31,6 80 778,8 160 12 172 606,8 20,2-10-»
3 25 58 4 10
Сг
29,9 180 583,2 73,4 35 901,5 4,0 1,5 5,5 896 26,5-10"2
3 20 65 8 4
Всего
71,3 535 1374,8 128,2 178,3 2297,6 212,8 24,0 236,8 2060,8 68,7-10"*
3 23 60 6 8
Таблица 24 Баланс тяжелых металлов на пахотных угодьях Нижегородской области в расчете на 1 га
(без внесения органических удобрений, извести, фосфоритной муки) (1999 г.)
Поступление ТМ на поверхность почвы г/га / % Вынос ТМ из почвы г/га Баланс
с минеральными удобрениями с атмосферными осадка-. ми суммарный приход урожаем с инфильтрацией суммарный расход + г/га + мг/га
С<1
0,1/2 4,0 / 98 4,1 0,4 0,5 0,9 3,2 1,06-КГ
РЬ
0,3/1 34,3/99 34,6 6 4 10 24,6 8,2-Ю"3
№
1,0/6 15/94 16 6 3 9 7 2,3-Ю-3
Си
4,5/31 10/69 14,5 12 3 15 -0,5 -
2п
3,7/5 80/ 95 83,7 80 12 92 -8,3 -
Сг
6,4/15 35/85 41,4 2 1,5 3,5 37,9 12,6-10"3
Всего
13,0 178 191 106,4 23 129,4 61,6 20,2-Ю"3
7 93
правило, прилегали к предприятиям химической и металлургической промышленности, вблизи ТЭЦ и в хозяйствах, на полях которых не нормировано вносили осадки сточных вод, шлаки, отходы цементного производства.
На удобряемую пашню Брянской области (1205 тыс. га) в 1981-1990 г. вносилось по 195 кг д.в. минеральных удобрений, с которыми среднегодовое поступление ТМ составило около 85 г/га в год. За последние 9 лет: 1991-1999 гг., внесение минеральных удобрений составило 85 кг/га, с которыми вносится ТМ только 35 г/га в год или по 0,012 мг/кг.
Таким образом результаты балансового метода расчета по тяжелым металлам в конкретных регионах России, показали, что при имевшемся до 1990 г. уровне интенсивности применения удобрений и мелиорантов в почве происходило накопление ТМ. Баланс был положительным. Однако, количество поступающих в почву ТМ с удобрениями и мелиорантами было настолько мало, что практически значимое изменение их содержания в почве может наступить через очень длительный промежуток времени, кроме почв, где вносили ОСВ.
В целом использование расчетного метода баланса ТМ в почве позволяет сделать прогноз направления экологического состояния агроценозов и применить технологические приемы по детоксикации ТМ.
Выводы.
1. В системе мониторинга за плодородием почв из обследованных около 25 млн. га пахотных земель России впервые выявлено около одного миллиона гектаров почв, загрязненных тяжелыми металлами. Загрязнение ТМ носит локальный характер и не имеет сплошного распространения.
2. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что максимальное закрепление тяжелых металлов в почве происходит при слабощелочном уровне реакции среды и значении рН*с1 выше 6,5.
3. Впервые установлено количественное содержание тяжелых металлов: Си, Со, Мп, N1, РЬ, Zп, Сё и М в калийных, фосфорных и азотных удобрениях, выпускаемых на химических предприятиях Российской Федерации и стран
СНГ. Азотные, калийные и фосфорные удобрения по содержанию тяжелых металлов относительно почв являются «чистыми».
4. С помощью прогнозных расчетов установлено, что при внесении научно-обоснованных доз минеральных удобрений в полевых севооборотах в период широкой интенсификации земледелия с минеральными удобрениями поступало в почву ежегодно (мг/кг): Сг-0,004; Си-0,002; N¡-0,001; РЬ-0,0005; Аб-О.ООЗ; С(1-0,00008, а в овощных севооборотах (мг/кг): Сг-0,02; Си-0,01; N¡-0,008; РЬ-0,003; гп-0,018; С(1-0,0005.
Для удвоения фонового содержания валовых или подвижных форм ТМ в почве за счет фосфорных удобрений потребуется единовременно внести на гектар пашни сотни тонн физической массы удобрения.
5. Для детоксикации ТМ в загрязненных почвах можно использовать: известняковую, магнезиальную, доломитизированную и доломитовую муку, а также сапропели Западной Сибири, которые по суммарному показателю загрязнения соответствуют нормам ТУ «Сапропелевые удобрения» и могут быть использованы в качестве удобрений и мелиорантов.
6. Установлена интенсивная миграция кадмия из пахотного слоя на песчаных и супесчаных дерново-подзолистых почвах при внесении высоких доз осадков сточных вод, что может вызвать загрязнение грунтовых вод. Поэтому на почвах легкого гранулометрического состава применение осадков сточных вод рекомендуется запретить.
7. На почвах, загрязненных кадмием (10 мг/кг), раздельное внесение торфа, навоза и цеолита уступало действию извести по детоксикации и накоплению этого металла в растениях. Главным фактором снижения токсичности ТМ является повышение реакции среды в почве, при этом роль кальция является второстепенной.
8. На дерново-подзолистых почвах, загрязненных (мг/кг): кадмием - 10, цинком - 300, свинцом - 200 (валовых форм) или одним из указанных элементов, для максимальной детоксикации ТМ, необходимо вносить не менее 3-* доз
СаСОЗ, рассчитанных по гидролитической кислотности, чтобы довести в почве рН до 6,5-6,7.
9. На хорошо окультуренной дерново-подзолистой почве (рН > 6,5) токсичность от С<1 > 5, Си, РЬ 100-200 мг/кг почвы на растениях практически не проявилась. На средне окультуренной - урожай снижался до 10 процентов, а содержание ТМ было в 2 раза ниже, чем в растениях на неокультуренной и произвесткованной почве. На неокультуренной и непроизвесткованной почве растения от ТМ погибали.
10. Испытываемые сельскохозяйственные культуры по накоплению ТМ в продукции разместились в следующей очередности: кормовая свекла>столовая свекла>морковь>капуста>кукуруза на силос>картофель>ячмень зерно>овес зерно при выращивании на дерново-подзолистых, серых лесных почвах и выщелоченных черноземах, а по проявлению фитотоксичности и способности накапливаться в растениях в избытке, ТМ разместились в следующей последовательности: С<1>Си>гп>РЬ.
И. Результаты лизиметрических исследований показали, что миграция С(1, Тл\ и РЬ с инфильтрационными водами происходит крайне медленно. За 4 года из загрязненной ТМ почвы потери с инфильтрационными водами составили (% от внесенной дозы): Сс1 0,1-0,9(20-81 г/га); Ъп 0,01-0,6 (100-3571 г/га); и РЬ 0,06-0,28 (154-333 г/га).
Трансформация ТМ из почвы в растение и в лизиметрические воды была неодинаковой. Вынос с урожаем за 4 года кадмия был в 20-30 раз больше, чем с лизиметрическими водами, а по свинцу наоборот, вынос с лизиметрическими водами был в 2-3 раза больше, чем с урожаем. На песчаных почвах Сс1 обнаруживается на глубине 1 м.
12. По результатам многолетних вегетационных и микрополевых опытов с широким набором концентраций ТМ: С<1, 7л, РЬ (4 концентрации) и доз извести (6 доз) установлена закономерность изменения урожайности от токсичности ТМ и их накопления в растениях в зависимости от уровня реакции среды и
содержания ТМ в почве, которая описана следующими уравнениями регрессии: У1&1 = 81,97 + 26,01'Са - 3,26'Сс1 - 3,96'Са2 +0,72 (Са"С(1); 11=0,79
У2С<1= 1,08-1,25-Са + 0,61 -Сс1 + 0,18Са2-0,02СсР-0,06(Са'Сс1); Я=0,93
У и* = 57,44 + 52,97'Са - 6,73 Са2; 11=0,6
Уггп = 130,8-85,9Са+29,42п+11,4Са2-0.7(Са-2п); Я=0.93
V 1№ = 99.95 + 34.29-Са - 0.39 РЬ - 4.0 Са3; Я=0.81 У2РЬ= 3.1+0.1РЬ-0.02(СаРЬ); Я= 0,88,
VI -урожайность, г/сосуд; Уг - содержание элемента в растениях, мг/кг; все уравнения рассчитаны по данным второго года исследований.
13. При существовавшей в 1981-1990 гг. в России системе удобрений и антропогенной нагрузке в земледелии, баланс для всех ТМ оказался положительным, однако ежег одное их накопление составляет десятые и сотые доли процента от фонового содержания ТМ в почве и не представляет угрозы загрязнения почв и растений за счет удобрений. В среднем с 1 кг №К при среднем соотношении И:Р:К= 1:1:0,5 вносилось Сг, Со, РЬ, Ъл, Сё в сумме 0,413 г/га почвы.
14. В целях снижения накопления С(1, РЬ, Хп, Си в растительной продукции разработаны научно-обоснованные приемы детоксикации ТМ для загрязненных почв с обязательным внесением расчетных доз СаСОз и доведением величины рН кс! выше 6,5.
Предложения науке и производству.
На основании проведенных исследований рекомендуются в производство следующие мероприятия и методики для практической работы:
1. На кислых дерново-подзолистых почвах с рН кс1 < 5,5 (супесчаных, суглинистых и глинистых) загрязненных (мг/кг): кадмием > 3; свинцом > 50; медью > 60; цинком > 100 валовых форм, необходимо проводить внесение 3-6 доз СаСОз, рассчитанной по гидролитической кислотности, чтобы довести рН до 6,5 и получить незагрязненную продукцию.
2. На почвах, загрязненных тяжелыми металлами рекомендуется использовать сапропели (карбонатные, гумусно-карбонатные) для детоксикации ТМ с доведением в почве рН кс1 до 6,5.
3. При обследовании почв необходимо использовать: «Методические указания по обследованию почв сельскохозяйственных угодий и продукции
растениеводства на содержание ТМ, остаточных количеств пестицидов и радионуклидов» М. 1995 г., подготовленные в соавторстве с Кузнецовым A.B., Поляковым А.Н., Луневым М.И.
4. Оценку почв необходимо проводить по разработанным «ОДК тяжелых металлов и мышьяка в почвах (дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК 6229-91) М. Госсанэпиднадзор, 1995 г.», выполненные совместно с Русаковым Н.В., Тонким Н.И., Великановым Н.И.
5. Для проведения анализа почв, растений, кормов на содержание тяжелых металлов рекомендованы: «Сборник методик по определению тяжелых металлов в почвах, тепличных грунтах и продукции растениеводства» М. 1998, 97 е., подготовленный совместно с Кузнецовым A.B.
Список
основных работ, опубликованных по теме диссертации
I. Овчаренко М.М, Стокозов Н.П., Захарова Э.Г.- Агрохимическая характеристика
почв сельскохозяйственных угодий Российской Федерации. М., 1992,160 с. 2 Овчаренко М.М - Методические указания по проведению локального мониторинга на реперных участках. М., 1993, 16 с.
3. Овчаренко М.М., Величко В.А., Лебедев С.Н., Г.А. Графская - Влияние извести
и цеолитов на поступление Cd, Zn, Pb в корнеплоды моркови. Тяжелые металлы и радионуклиды в агросистемах. М.,Изд-во МГУ, 1994, с. 194-201.
4. Черных.Н.А., Овчаренко М.М. и др. -Приемы снижения фитотоксичности тяже
лых металлов. Агрохимия, 1995, №7, с. 101-107.
5. Овчаренко М.М., Прижукова В.Г., Шаймухаметова A.A. - Методические указания
по определению катиошю-анионного состава грунтовых и поливных вод. М., 1995, 59 с.
6. Овчаренко М.М. - Тяжелые металлы в системе почва - растение - удобрение.
Химия в сельском хозяйстве, 1995, №4, с. 8-16.
7. Овчаренко М.М., Кузнецов A.B., Платонов И.Г.- Агроэкологическая характерис-
тика сапропелей Западно-Сибирского региона. Химия в с. х., 1996, №6, с. 21-23.
8. Архилченко И.А., Овчаренко М.М. - Биоудобрение БАМИЛ. Химия в сельском
хозяйстве, 1996, №6, с. 3-5.
9. Овчаренко М.М., Шильииков И.А., Вендило Г.Г., Черных H.A., Аканова Н.И., Графская Г.А., Сопельняк Т.Н., Аристархов А.Н., Кузнецов A.B., Никифорова
М.В. Книга: Тяжелые металлы в системе почва -растение- удобрение. М„ 1997, 290 с.
10.Шильииков И.А., Овчаренко М.М., Никифорова М.В.. Аканова 11.И., Миграция кадмия, цинка, свинца и стронция из корнеобитаемого слоя дерново -подзолистых почв. Агрохимический вестник, 1998, № 5-6, с. 43-44.
II. Овчаренко М.М., Кузнецов A.B. - Сборник методик по определению тяжелых
металлов в почвах, тепличных грунтах и продукции растениеводства. М., 1998, 97с.
12. Овчаренко М.М.- Методические указания по определению хлоридов, нитратов и
аммония в водах. М., 1996, 39 с.
13. Лойко П.Ф., Каштанов А.Н., Милащенко Н.З., Овчаренко М.М. и др.- Научные
основы мониторинга земель Российской Федерации.М., 1992, 160 с. 14. Овчаренко М.М., Прижукова В.Г, Соколова Н.В., Белянина E.H. - Методические указания по фотометрическому определению содержания обменного каль ция в почвах. М., 1996, 8 с. 15.Овчаренко М.М., Прижукова В.Г., Чукова Т.В. - Методические указания по определению легкоподвижного калия в почвах ионометрическим методом. М„ 1996, 14 с.
16.Овчаренко М.М - Эколого - агрохимическая оценка земледелия России. В кн.
«Тяжелые металлы и радионуклиды а агросистемах», М.,1994, с. 27-32.
17. Овчаренко М.М - О развитии агрохимической службы. Химия в сельском
хозяйстве, 1994, №3, с. 5-8.
18. Овчаренко М.М - Задачи агрохимической службы по мониторингу сельхоз-
угодий. Химия в сельском хозяйстве, 1995, №5, с. 5-6. 19.0вчаренко М.М., Шильников И.А., Графская Г.А., Сопильняк Н.Т.- Влияние
известкования и кислотности почвы на поступление в растение тяжелых металлов. Агрохимия, 1996, №1, с. 74-84. 20.0вчаренко М.М., Шильников И.А., Графская Г.А. - Почвенное плодородие и со держание тяжелых металлов в растениях. Химия в с.х, 19%, № 5, с. 40-43. 21. Касатиков В.А. Овчаренко М.М. и др. «Влияние минеральных удобрений и осадков городских сточных вод на уровень концентрации в почве ряда микроэлементов». Агрохимия, 1997, № 2, с. 81-85 22.0вчаренхо М.М., Бабкин В.В., Кирпичников H.A. - Факторы почвенного плодо родия и загрязнение продукции тяжелыми металлами. Агрохимический вестник, 1998, №3, с. 31-34. 23,Овчаренко М.М, Кузнецов A.B. - Мониторинг агрохимических свойств почв на реперных участках. Тез.докл.в сб. Агрохимические, агроэкологнческие и экономические проблемы и пути их решения при возделываиии зерновых и других культур, М., 1998, с. 182-183. 24. Ovcbarenko М.М. - Use of fertilizers in Russia is a factor soil productivity.
"Fertilizers and Environment", Salamanca, Spain, 1994, p.55-63. 25.0вчаренко М.М, Графская Г.А.- Поступление тяжелых металлов в овощные
культуры и способы снижения их токсичности. В кн. Удобрения и химиче с кие мелиоранты в агросистемах, 1998, МГУ, с. 391-400.
26. Овчаренко М.М. Эколого-агрохимическая оценка земледелия России.
Межвузовский тематический сборник, М.,1994
27. Овчаренко М.М:, Ефремова Л.Н. Комплексное некорневое применение средств
химизации при соблюдении требований агроэкологии. Химия в с. х., 1995, № 2-3
28. Ovcbarenko М.М., Shilnicov I.A., Akanova N.l.,Nikiforova M.V. Migration of
cadmium, zinc, lead and strontium from a root-inhabited layer of soddy podzolic soils. Environmental radioecology and applied ecology. № 3, 1998 r.
29. Кузнецов А.В.,ОвчаренкоМ.М., Новикова Г.А. Методические указания по прогно
знрованию загрязнения дерново-подзолистых почв ТМ по данным агрохи мического обследования.М.,1994.
30. Кузнецов A.B., Поляков А.Н., Лунев М.И., Овчаренко М.М. Методические указа-
ния по обследованию почв сельскохозяйственных угодий и продукции рас тениеводства на содержание ТМ, остаточных количеств пестицидов и ра-
дионуклидов. М.,1995. 31. Кузнецов A.B., Овчаренко М.М., Павлихина A.B., Максимов П.Г. Методические указания по проведению локального мониторинга на реперных участках М. 1996, 14 с.
32,Орлова B.A., Власова Т.А.,Овчаренко М.М. Методика подготовки почв в аналитическом автоклаве НПФФ-АНКОН-AT-2. Почвы. Биологические объекты анализа., М., 1995, 27с.
33. Русаков Н.В., Тонкий Н.И., Великанов Н.И.,Овчаренко М.М, Симонов В.Д.,
Матвеев Ю.М., Поляков A.H., Обухов А.И., Ли С.К. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК)ТМ н мышьяка' в почвах (дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91). Гигиенические нормативы. М., Инфор мационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России,ГН.2.1.7.020-94 от 22.ХП. 1994 № 13, М. 1995,8 с.
34. Овчаренко М.М, Кабанов Ф.И., Потапенко В.Н., Бабайцев B.C., Овчаренко Г.С.
Эффективность нитроаммофоски с добавкой гумата натрия. Химизация сельского хозяйства., 1992, №2, с.36-38.
35. Овчаренко М.М в со авт. Методы определения тяжелых металлов. ОСТ 10625-96.
Стандарт отрасли. Корма растительные и комбикорма., М.,1996.
36. Пуховский A.B., Колокольцева И.В., Овчаренко М.М Методические указания по
определению ТМ в почвах, кормах и пищевых продуктах рентгенофлуо-ресцентным методом на спектрометре., м., 1995,33 с. 37,Овчаренко М.М., Шильников И.А., Графская Г.А. Снижение поступления кадмия в растения на загрязненных почвах. Агрохимический вестник, 1999, №1, с.37-39.
-
Овчаренко, Михаил Михайлович
-
доктора сельскохозяйственных наук
-
Москва, 2000
-
ВАК 06.01.04
- Влияние удобрений и фосфогипса на урожайность, качество зерна кукурузы и плодородие чернозема обыкновенного в условиях Юго-Востока ЦЧЗ
- Влияние органических удобрений на подвижность тяжелых металлов в почвах и поступление их в растения
- Диагностика потребности корнеплодов в цинке, никеле, кадмии на лугово-черноземной почве Омского Прииртышья
- Изучение транслокации и баланса тяжёлых металлов в почвах при выращивании овощных культур
- Эколого-агрохимическая оценка почв и растений при длительном применении удобрений
