CC BY
46
АГРОХИМИЧЕСКАЯ СЛУЖБА ^^^^^^^^^
УДК 631.445.25:633(470.57)
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ ЛЕСОСТЕПИ БАШКОРТОСТАНА
1Н.А. Середа, д.б.н., 1Р.И. Баязитова, к.с.-х.н., 2М.В. Нафикова, к.с.-х.н., 2Л.И. Баязитова
1 Центр агрохимической службы «Башкирский», e-mail: biglova-r@ya.ru 2Башкирский государственный аграрный университет, e-mail: Maria-200483@mail.ru
В пахотных лесостепных почвах Республики Башкортостан содержание кадмия, свинца и ртути за последние 10 лет повысилось на 60% и более, но остается значительно ниже предельно допустимых концентраций. Максимальное количество свинца отмечено в южной лесостепи на черноземах выщелоченных (13,5 мг/кг); кадмия - на серых лесных почвах - 0,57 и 0,63 мг/кг в северной и северо-восточной лесостепи; ртути - 0,25 мг/кг на светло-серых слабокислых почвах северной лесостепи. За 10 лет содержание свинца и кадмия повысилось в лесостепных почвах в 2 и более раз, ртути - до 60%. При внесении органических и фосфорных удобрений происходило увеличение в почве солей тяжелых металлов, не превышающие ПДК, при этом качество сельскохозяйственной продукции удовлетворяло требованиям для производства продуктов питания.
Ключевые слова: почва, тяжелы металлы, ртуть, кадмий, свинец навоз, сидераты, минеральные удобрения, баланс тяжелых металлов.
HEAVY METALS IN SOILS AND AGRICULTURAL CROPS IN BASHKORTOSTAN REPUBLIC FOREST STEPPE
Dr. Sci. N.A. Sereda, lPhD. R.I. Bayazitova, 2PhD. M.V. Nafikova, 2L.I. Bayazitova
1 State Center of Agrochemical Service «Bashkirskiy», e-mail: biglova-r@ya.ru 2Bashkir State Agrarian University, e-mail: Maria-200483@mail.ru
In arable steppe soil of Bashkortostan Republic, the content of cadmium, lead and mercury in the last 10 years has increased by 60% or more, but is still well below maximum permissible concentrations. Maximum lead content has been detected in southern forest steppe at leached chernozem (13.5 mg/kg); cadmium - at grey forest soils - 0.57 and 0.63 in northern and north-eastern forest steppe; mercury - 0.25 mg/kg at light-grey light-acid soils in northern forest steppe. Content of lead and cadmium has increased double and more; lead - up to 60% during 10 years. When the organic-mineral fertilization system, the accumulation of heavy metals in soil and agricultural products within the sanitary norms, therefore quality of agricultural output meet requirements for meal production.
Keywords: agricultural soils, heavy metals, mercury, cadmium, lead, manure, green manure, mineral fertilizers, the balance of heavy metals.
Экологическая устойчивость ландшафтов определяется многими показателями, в том числе и концентрацией химических загрязняющих веществ, таких как Щ, Pb, As, Cd, Zn, &, №. В незагрязненных почвах их содержание зависит от состава почвообразующих пород, интенсивности процессов почвообразования и т.д. Основными источниками техногенного поступления загрязняющих элементов в почвы являются промышленные предприятия, автотранспорт, а также применение средств химизации в земледелии. Наличие этих элементов в повышенных концентрациях способствует возникновению геохимических аномалий, что вызывает необходимость в проведении регулярного агрохи-
мического контроля за содержанием их в почвах и растениях [1-4].
Цель исследования - выявление агрохимических и экологических закономерностей содержания и распределения тяжелых металлов (ТМ) в пахотных почвах лесостепи Башкортостана и накопления их в основных видах сельскохозяйственных культур при различных системах удобрений.
В пахотном слое почвы опытного участка при массовом мониторинге агрохимических свойств определяли кислоторастворимые формы ТМ, в растительной продукции - общее содержание этих элементов по соответствующим МУ и ГОСТ.
Балансовые исследования проводили в зернопа-
ропропашном севообороте с чередованием культур: пар - озимая рожь - яровая пшеница - кукуруза -яровая пшеница - ячмень. Почвы южной лесостепи Башкортостана представлены черноземом выщелоченным с содержанием гумуса 6,8-7,1%, минерального азота 24,2-28,7 мг/кг, подвижного фосфора 235-244 мг/кг, обменного калия - 130-136 мг/кг, pHкa 5,3-5,5, а также наличием Pb 3,65-5,68 мг/кг и Cd 0,10-0,16 мг/кг. Содержание солей тяжелых металлов в удобрениях было следующим: в карбамиде Pb - 0,8 мг/кг, Cd - 0,21 мг/кг; в суперфосфате двойном Pb - 6,8 мг/кг, Cd - 1,7 мг/кг; в навозе соответственно 0,9 и 0,06 мг/кг, в зеленой массе донника 1,69 и 0,34 мг/кг.
Опыт включал три системы удобрений: минеральную (разовое внесение фосфорных в дозе 180 кг/га в паровое поле и 30 кг/га азотных удобрений под каждую культуру); органическую (навоз 42 т/га и сидерат) и органоминеральную. В качестве сиде-рата использовали донник желтый, который подсевали под покров ячменя. Урожайность донника в среднем за 2007-2009 гг. составила 29,5 т/га. Более подробно схема опыта приведена ранее [5].
Результаты. Мониторинговые исследования показали, что содержание солей ТМ в почвах сельскохозяйственных угодий значительно ниже предельно допустимых концентраций (ПДК), прослеживается определенная зависимость между уровнем и интенсивностью их накопления от агрохимической характеристики почв. Так, максимальное количество свинца (13,5 мг/кг) отмечено в южной лесостепи на черноземах выщелоченных; кадмия: на серых лесных почвах - 0,57 и 0,63 мг/кг в северной и северо-восточной лесостепи; ртути (0,25 мг/кг) на светло-серых слабокислых почвах северной лесостепи, что связано с наличием геохимических провинций (табл. 1).
Средневзвешенное содержание свинца колеба-
лось от 1,1 до 2,7 мг/кг (VI цикл обследования), кадмия не превышало 0,13 мг/кг, а ртути - 0,032 мг/кг. За 10 лет между двумя циклами обследования содержание свинца и кадмия повысилось от 1,5 до 3,5 раз, количество ртути в почвах изменилось в меньшей степени (на 20-60%). Постепенное повышение концентрации ТМ в пахотных почвах может быть связано как с их антропогенной деградацией (дегумификация и подкисление), так и аэрогенным поступлением.
Сведения о загрязнении почв ТМ при внесении удобрений противоречивы. По оценкам ЦИНАО накопление в почвах, а следовательно и сельскохозяйственной продукции особо токсичных элементов (кадмий, ртуть, свинец) происходит в результате применения фосфорных удобрений [5]. В наших опытах разовое применение в севообороте высоких (Рш) доз фосфорных удобрений не привело к достоверному повышению содержания тяжелых металлов в почве, поскольку в опытах применяли двойной суперфосфат и аммофос, т.е. химически переработанные фосфориты с более низким содержанием примесей, к тому же опыты проводили на тяжелосуглинистых высокобуферных черноземах.
В органических удобрениях, особенно вегетативной массе донника, происходило накопление кадмия и свинца, что связано с биологическими особенностями культуры. Донник имеет мощную, глубоко проникающую корневую систему, способную поглощать питательные вещества из трудно растворимых почвенных соединений. Значительное количество ТМ накапливали и сорные растения, особенно в посевах сидератов. Так, в сорной растительности при внесении навоза накопление кадмия составляло 0,112 мг/кг, а накопление свинца - 1,39 мг/кг, на фоне сидерата соответственно 0,168 и 2,17 мг/кг, что на 0,018 и 0,29 мг/кг больше, чем в варианте без внесения удобрений. Следовательно, проис-
1. Содержание солей ТМ в пахотных почвах лесостепи Башкортостана, мг/кг
Показатель Северная лесостепь Северо-Восточная лесостепь Южная лесостепь
VI цикл VIII цикл VI цикл VIII цикл VI цикл VIII цикл
Свинец
Средневзвешенное значение 1,57 3,91 1,1 3,77 2,7 4,26
Min-mаx 0,15-6,7 1,31-6,08 0,05-5,89 1,86-5,7 0,8-13,5 1,71-9,75
ПДК 32
Кадмий
Средневзвешенное значение 0,13 0,23 0,09 0,23 0,09 0,19
Min-max 0,07-0,57 0,1-0,43 0,06-0,63 0,1-0,39 0,07-0,51 0,09-0,35
ПДК/ОДК 1,0 - при рН < 5,5; 2,0 - при рН > 5,5
Ртуть
Средневзвешенное значение 0,027 0,033 0,015 0,024 0,032 0,026
Min-max 0,01-0,25 0,01-0,04 0,02-0,05 0,01-0,03 0,02-0,04 0,02-0,05
ПДК 2,1
Обследованная площадь, тыс. га 490 233 228 101 410 270
Средневзвешенное содержание гумуса, % 4,8 4,7 7,2 7,5 5,8 6,2
Средневзвешенное значение pHкcl / % площади с рН < 5,5 5,3/74 5,1/82 5,5/54 5,4/64 5,8/32 5,8/48
_
2. Содержание ТМ в черноземе выщелоченном при различных системах удобрений, мг/кг
Вариант Свинец Кадмий
0-20 см 20-40 см 40-60 см 0-20 см 20-40 см 40-60 см
Без удобрений 4,12 3,74 3,65 0,12 0,13 0,14
N30?™ 4,63 3,89 4,52 0,15 0,12 0,14
Навоз, 42 т/га 3,54 4,12 3,78 0,15 0,13 0,11
Навоз, 42 т/га + ^0Р180 3,54 4,12 3,78 0,10 0,12 0,13
Сидерат, 29,5 т/га 5,28 4,25 4,06 0,16 0,14 0,14
Сидерат, 29,5 т/га + ^0Р180 4,24 3,68 3,71 0,13 0,10 0,14
НСР05 0,45 0,03
ПДК/ОДК 15-20 2,0-5,0
ходила биологическая аккумуляция тяжелых металлов в пахотном слое почвы. При интенсивном разложении растительных остатков после их запашки ТМ из органических соединений переходили в минеральные формы и могли накапливаться в растениях. Таким образом, минеральные и органические удобрения до некоторой степени повысили содержание солей тяжелых металлов в почве, но уровень ПДК превышен не был.
В накоплении ТМ и перераспределении их в вегетативной и генеративной частях растения большое значение имеют биологические особенности культур. Известно, что генеративные органы (семена) более консервативны к накоплению ТМ, чем корни, листья и солома [2, 6]. Анализ растениеводческой продукции озимой ржи и яровой пшеницы в наших опытах показал, что кадмий и свинец имеют
тенденцию накопления в зерне. Так, содержание кадмия в зерне озимой ржи изменялось в зависимости от агрохимического фона от 0,037 до 0,07 мг/кг; в зерне яровой пшеницы - от 0,049 до 0,073 мг/кг. Содержание кадмия в зерне значительно ниже ПДК (0,1 мг/кг). В соответствии с санитарными нормами зерно с такими показателями может быть использовано на продовольственные цели, но для производства продуктов детского питания необходим более тщательный контроль. Для этих целей содержание кадмия в зерне не должно превышать 0,06 мг/кг. Содержание солей тяжелых металлов в соломе этих культур почти вдвое ниже, чем в зерне.
Особенности накопления ТМ в зерне озимой ржи и яровой пшеницы могут быть связаны с почвенными условиями роста и развития, прежде всего высокой выпаханностью чернозема выщелоченого.
3. Содержание солей ТМ в сельскохозяйственной продукции, мг/кг
Вид продукции Варианты
Без удобрений №оР«о Навоз Навоз + N30P180 Сидерат Сидерат + N30P180
Свинец
Озимая рожь
Зерно 0,58 0,44 0,63 0,51 0,44 0,49
Солома 0,42 0,31 0,25 0,41 0,52 0,46
Яровая пшеница
Зерно 0,45 0,52 0,44 0,39 0,51 0,50
Солома 0,45 0,39 0,34 0,48 0,40 0,41
Кукуруза
Зеленая масса 0,65 0,45 0,56 0,48 0,59 0,49
Ячмень
Зерно 0,44 0,35 0,49 0,65 0,50 0,47
Солома 0,68 0,55 0,65 0,49 0,75 0,68
ПДК 1,0
Кадмий
Озимая рожь
Зерно 0,027 0,028 0,062 0,037 0,041 0,039
Солома 0,027 0,029 0,032 0,022 0,031 0,035
Яровая пшеница
Зерно 0,067 0,049 0,073 0,071 0,062 0,07
Солома
Кукуруза
Зеленая масса 0,015 0,021 0,017 0,032 0,012 0,032
Ячмень
Зерно 0,043 0,045 0,034 0,051 0,037 0,044
Солома 0,071 0,069 0,051 0,048 0,062 0,057
ПДК 0,1
4. Баланс тяжелых металлов в среднем за три года, г/га
Вариант Поступило с удобрениями Вынос за ротацию Баланс тяжелых металлов
Свинец Кадмий Свинец Кадмий Свинец Кадмий
Без удобрений 0 0 7,4 0,9 -7,4 -0,9
N30?™ 2,92 0,73 11,8 1,2 -8,9 -0,5
Навоз, 42 т/га 37,8 2,52 11,6 1,3 26,2 1,2
Навоз, 42 т/га + ^0Р180 40,62 3,25 20,4 2,2 20,3 1,1
Сидерат, 29,5 т/га 49,84 10,08 12,5 1,2 37,3 8,8
Сидерат, 29,5 т/га + ^0Р180 52,76 10,81 10,7 2,5 42,1 8,3
Содержание гумуса в почве опытного участка снизилось почти в 2 раза, по сравнению с целинной почвой, с 10 до 6,5-7,0%, произошло некоторое подкисление почвы на 0,2-0,3 единицы рН. Кроме того, на опытном участке в течение последних 30 лет применяли минеральные удобрения. Все перечисленное могло привести к повышению подвижности солей тяжелых металлов и к нарушению естественных процессов транслокации элементов.
Исключение составляет ячмень. В соломе этой культуры, как кадмия, так и свинца содержится больше, чем в зерне, что связано с биологическими особенностями ячменя. Содержание кадмия в зерне ячменя составляет 0,034-0,051 мг/кг, свинца - 0,450,65 мг/кг.
При внесении органических удобрений (навоза, сидераты) накопление ТМ в продукции усиливалось. Фосфорные удобрения, примененные в высоких нормах (Р180) на черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом не привели к ухудшению качества продукции. Коэффициент накопления свинца в зерне составил 0,07-0,16, в соломе - 0,02-0,07; кадмия соответственно 0,4-0,8.
Усредненные балансовые расчеты показали, что при внесении 42 т навоза в почву поступало примерно 38 г свинца и 2,5 г кадмия, при заделке донника содержание данных металлов увеличилось на 12,0 и 7,5 г по сравнению с навозом. Но наибольшее поступление свинца и кадмия в агроценоз обеспечивала органоминеральная система удобре-
ния (табл. 4). В почву с учетом выноса поступало до 42 г/га свинца и 8 г/га кадмия. Полученные нами данные согласуются с приведенными ранее исследованиями [7-9].
Таким образом, как в пахотных лесостепных почвах Республики Башкортостан, так и в черноземе выщелоченном при различных системах удобрений содержание исследуемых ТМ невысокое, практически безопасное. Количественные параметры содержания и распределения тяжелых металлов в почвах и растениях служат основой для проведения периодического мониторинга, могут использоваться при рациональном землепользовании, а также при оценке и прогнозе экологического состояния сельскохозяйственных земель, что станет основой для улучшения качества и сертификации сельскохозяйственной продукции.
Максимальное количество свинца отмечено в южной лесостепи на черноземах выщелоченных (13,5 мг/кг); кадмия - на серых лесных почвах -0,57 и 0,63 мг/кг в северной и северо-восточной лесостепи; ртути - 0,25 мг/кг на светло-серых слабокислых почвах северной лесостепи.
При внесении органических и фосфорных удобрений происходило увеличение в почве солей тяжелых металлов, не превышающие ПДК, при этом качество сельскохозяйственной продукции удовлетворяло требованиям для производства продуктов питания.
Литература
1. Ягодин Б.А., Кидин В.В., Цвирко Э.А., Маркелова В.Н., Саблина С.А. Тяжелые металлы в системе почва - растение // Химия в сельском хозяйстве, 1996, № 5. - С. 43-45.
2. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. - Новосибирск: Наука, 2009. - 150 с.
3. Хабиров И.К., Габбасова И.М., Якупов И.Ж., Асылбаев И.Г., Якупова Р.А. Геохимическая экология почв на Южном Урале. - Уфа: Мир печати, 2010. - 156 с.
4. Хазиев Ф.Х. Экология почв Башкортостана. - Уфа: Гилем, 2012. - 310 с.
5. Середа Н.А., Баязитова Р.И., Нафикова М.В. Содержание и баланс микроэлементов в почвах Республики Башкортостан // Агрохимический вестник, 2014, № 1. - С. 15-18.
6. Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 290 с.
7. Ладонин В.Ф. Влияние комплексного применения средств химизации на содержание тяжелых металлов в почве и растениях // Химия в сельском хозяйстве, 1995, № 4. - С. 32-35.
8. Егоров В.С. Агроэкологическая оценка действия и последействия разных систем удобрения в агроценозах на дерново-подзолистых почвах: автореф. дисс. д.б.н. - М., 2006. - 52 с.
9. Гирфанов В.К., Ряховская Н.Н. Микроэлементы в почвах Башкирии и эффективность микроудобрений. - М.: Наука, 1975. - 170 с.
