CC BY
45
ЗЕМЛЕДЕЛИЕ И РАСТЕНИЕВОДСТВО
D
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10801
УДК 631.416.9
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ И РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ БИОЦЕНОЗОВ ЛЕСОСТЕПИ ЦЧО
С. В. ЛУКИН, доктор сельскохозяйственных наук, директор (e-mail: serg.lukin2010@yandex.ru)
Центр агрохимической службы «Белгородский», ул. Щорса, 8, Белгород, 308027, Российская Федерация
Резюме. Цель исследований заключалась в изучении фонового распределения микроэлементов в почвах и растительном покрове естественного биоценоза. Исследования проводили на участке «Ямская степь» государственного заповедника «Белогорье», расположенного в лесостепной зоне Белгородской области. Почвенный покров был представлен чернозёмом выщелоченным мощным тучным тяжелосуглинистым на лёссовидном суглинке, растительный покров - степное разнотравье (до 45 видов на м2 с преобладанием ковыля, типчака, тонконога гребенчатого). Содержание органического вещества по Тюрину и величина рНКС1 в горизонте А1 составляли соответственно 9,7% и 5,3, АВ - 4,3 % и 5,2, В - 2,7 °%о и 5,1, ВС - 1,5 % и 5,0, С - 1,1 % и 7,3. По валовому содержанию в гумусово-аккумулятивном горизонте чернозема выщелоченного элементы образуют следующий убывающий ряд, мг/кг:Zn(45,7)>Ni(25,4)>Cr (20,4)>Cu(14,3)>Pb(13,0)>Co (8,6)>As (3,17)>Mo (2,8)>Cd(0,33)>Hg (0,02). Содержание Zn, Cu, Hg в горизонте А1 было выше, а Pb, Mo, Ni, Cr и As ниже, чем в почвообразующей породе. Валовое содержание Cd и Co в горизонтахА t и С было примерно одинаковым. Фоновый уровень содержания в горизонте А1 подвижных форм Zn (0,75 мг/кг), Cu (0,19 мг/кг), Co (0,14 мг/кг) и Mo (0,09 мг/кг) можно охарактеризовать как низкий. По величине коэффициента биологического поглощения элементы образуют следующий убывающий ряд: Hg (10,15)>Zn (9,47)>Cu (5,69)>Cd (2,51)>Pb (1,59)>Mo (1,23)>Ni (0,4)>Cr (0,29)>Co (0,22)>As (0,13). Ключевые слова: фоновый мониторинг, коэффициент биологического поглощения, кларк, содержание подвижных форм микроэлементов, чернозём выщелоченный. Для цитирования: Лукин С. В. Геохимические закономерности распределения микроэлементов в почвах и растительном покрове естественных биоценозов лесостепи ЦЧО // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 8. С. 5-7. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10801.
В современном мире уровень антропогенного воздействия на окружающую среду постоянно возрастает, и в том числе из-за поступления некоторых минеральных элементов, широко используемых в промышленности ^п, N1, Сг, Си, РЬ, Со, Аб, Мо, Сс1, Нд). К этим элементам часто применяют термины «микроэлементы» или «тяжелые металлы».
Физиологическая роль Zn, Си, Со, Мо установлена достаточно давно и подробно, в меньшей степени изучено влияние на биологические объекты N1 и Сг. Такие элементы, как РЬ, Аб, СС, Нд, постоянно находятся в тканях растений и животных, но их значение в биохимических процессах пока полностью не выяснено, и к ним чаще применяют термин «тяжелый металл» или «токсичный металл». Однако, по справедливому мнению некоторых авторов, выражение «токсичный металл» следует исключить, а указывать дозу и форму соединения, в которых проявляется токсичность элемента [1]. Любые элементы при их высоком содержании могут стать токсичными, а потенциально токсичные - при очень малых концентрациях не оказывают негативного влияния на окружающую среду [2]. Кроме того, по мнению А. П. Виноградова (1952), отсутствие сведений о физиологической роли элемента, постоянно присутствующего в живых организмах, указывает лишь на химические трудности их получения [3].
Основной источник микроэлементов для растений - почва. Для нормирования валового содержания минеральных элементов в почвах установлены ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) и предельно допустимые концентрации (ПДК). ОДК Zn, Си, РЬ, N1, Аб, СС в суглинистых и глинистых почвах с рН <5,5 составляет соответственно 110, 66, 65, 40, 5, 1 мг/кг. ПДК Сг3+ составляет 100 мг/кг, Нд - 2,1 мг/кг. Установлены ПДК для подвижных форм, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) с рН 4,8: Zn - 23, РЬ - 6, Сг3+ - 6, Со - 5, Си - 3 мг/кг. Содержание Мо в почвах не нормируется [4].
Агрохимические нормативы регламентируют уровни низкой обеспеченности почв пашни некоторыми микроэлементами, при достижении которых рекомендовано вносить соответствующие удобрения. Для подвижных форм Zn, Си, Со, извлекаемых ААБ с рН 4,8, они соответственно составляют менее 2,0; 0,2; 0,15 мг/кг, для подвижных форм Мо, извлекаемых оксалатно-буферным раствором с рН 3,3, - менее 0,10 мг/кг [5].
Поскольку для распределения микроэлементов в объектах окружающей среды характерна высокая пространственная вариабильность, программа государственного агроэкологического мониторинга, осуществляемого агрохимической службой России, предусматривает изучение их содержания в почвах и сельскохозяйственных растениях конкретных регионов. Однако для корректной интерпретации данных о концентрации микроэлементов в агроце-нозах необходимо иметь результаты, характеризующие их «фоновое» содержание в районах, которые наименее подвержены антропогенному воздействию, например, в заповедниках. Фоновый мониторинг выполняет роль своеобразной «точки нулевого отсчёта» на шкале градаций антропогенного загрязнения окружающей среды.
Цель исследований заключалась в изучении фонового распределения минеральных элементов ^п, N1, Сг, Си, РЬ, Со, Аб, Мо, СС, Нд) в почвах и растительном покрове естественного биоценоза.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на участке «Ямская степь» государственного заповедника «Белогорье», расположенного в лесостепной зоне Белгородской области. Общая площадь заповедного участка 566 га. Почвенный покров был представлен чернозёмом выщелоченным мощным тучным тяжелосуглинистым на лёссовидном суглинке. Содержание органического вещества по Тюрину и величина рНКС| в горизонте А1 составляли соответственно 9,7 % и 5,3, АВ - 4,3 % и 5,2, В - 2,7 % и 5,1, ВС - 1,5 % и 5,0, С - 1,1 % и 7,3. Растительный покров -степное разнотравье (до 45 видов на 1 м2 с преобладанием ковыля, типчака, тонконога гребенчатого).
Валовое содержание элементов (экстрагент 5М HNO3) и концентрацию их подвижных форм в почве, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 (за исключением молибдена), определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии [6]. Содержание в почве подвижных форм молибдена измеряли фотометрически по методу Григга, для экстракции использовали оксалатно-буферный раствор с рН 3,3.
Определение содержания микроэлементов в растениях проводили по общепринятым в агрохимической службе
методикам [7, 8]. Было проанализировано 20 проб степного разнотравья. Среднее содержание золы составляло 6,4 % абсолютно сухого вещества растений.
При статистической обработке использовали расчёты доверительного интервала для среднего значения (х ±^5бх) и коэффициента вариации (V, %). Оценку избирательного поглощения химических элементов растениями осуществляли на основе коэффициента биологического поглощения (КБП), который рассчитывается как отношение концентрации элемента в золе растения к его содержанию в почве.
Результаты и обсуждение. По оценкам А П. Виноградова, среднее валовое содержание (кларк) Сг, Zn, N1, Си, РЬ, Со, Аб, Мо, Сс1, Нд в почвах составляет соответственно 200, 50, 29, 20, 10, 8, 5, 2,6, 0,5, 0,05 мг/кг [9]. По современным оценкам А. КаЬа1а-РепС1ав, в почвах мира кларк Zn составляет 70 мг/кг, Сг - 59,5 мг/кг, Си - 38,9 мг/кг, N1 - 29 мг/кг, РЬ - 27 мг/кг, Со - 11,3 мг/кг, Аб - 6,83 мг/кг, Мо - 1,1 мг/кг, СС - 0,41 мг/кг, Нд - 0,07 мг/кг [10].
По валовому содержанию в горизонте А1 чернозема выщелоченного на участке «Ямская степь» государственного заповедника «Белогорье» изучаемые элементы образуют следующий убывающий ряд: Zn>Ni>Cr>Cu>Pb>Co>Аs>Mo>CС>Hg. При этом их валовая концентрация была значительно ниже установленных значений ПДК и ОДК, а содержание Сг, Zn, N Си, Аб, СС, Нд - ниже представленных кларков. Наиболее сильно от кларковых значений отличалось валовое содержание Сг. В изучаемом черноземе выщелоченном оно составляло 20,4 мг/кг, что ниже кларка по Виноградову в 9,8 раза, по Kabata-PenСias - в 2,9 раза. Концентрация РЬ (13,0 мг/кг) и Со (8,6 мг/кг) в черноземе выщелоченном было немного выше кларков, установленных Виноградовым, но ниже кларков, предложенных Kabata-PenСias, а содержание Мо немного выше кларка по Виноградову и значительно (в 2,5 раза) выше кларка по Kabata-PenСias (табл. 1).
Для Zn, Си и Нд, как правило, характерно накопление в гумусово-аккумулятивном горизонте А1, по сравнению с почвообразующей породой (горизонт С) [11, 12]. В наших исследованиях валовое содержание Zn в горизонте А1 было выше, чем в горизонте С, на 1,6 мг/кг (3,6 %),
Таблица 1. Содержание элементов по горизонтам почвенного профиля чернозема выщелоченного, мг/кг
Горизонт/мощность
Элемент (глубина взятия проб), см
А./7...45 (10...20) АВ/ 46...68 (50...60) В/69...90 (70...80) ВС/ 91...120 (100...110) С/121...165 (140...150)
Валовое содержание
zn 45,7 46,3 46,6 45,1 44,1
25,4 27,6 28,7 28,7 28,5
20,4 21,1 22,8 22,6 21,9
14,3 13,0 12,6 12,0 12,9
pb 13,0 13,5 14,3 13,3 14,6
^ 8,6 8,9 8,7 8,6 8,5
аs 3,17 3,50 3,25 4,72 4,82
mo 2,80 3,20 3,72 3,64 3,40
cd 0,33 0,37 0,37 0,35 0,33
^ 0,020 0,020 0,017 0,015 0,013
Содержание подвижных форм
zn 0,75 0,63 0,47 0,51 0,63
0,91 0,84 0,76 0,92 1,83
0,54 0,65 0,71 0,92 2,05
0,19 0,15 0,12 0,19 0,26
pb 1,47 0,53 0,68 0,90 2,17
^ 0,14 0,12 0,09 0,14 0,13
mo 0,09 0,18 0,20 0,07 0,10
cd 0,07 0,05 0,10 0,08 0,08
Си - на 1,4 мг/кг (10,9 %), Нд - на 0,007 мг/кг (53,9 %). Валовое количество СС и Со в горизонтах А1 и С было примерно одинаковым. Для остальных изучаемых элементов, и особенно для Аб, характерно более высокое содержание в горизонте С, по сравнению с горизонтом А1 Например, концентрация Аб в горизонте С была выше, чем в горизонте А1, на 1,65 мг/кг (52,0 %).
Доступность микроэлементов для растений характеризует концентрация в почве их подвижных форм. По содержанию в горизонте А1 чернозема выщелоченного подвижных форм элементы образуют следующий убывающий ряд: РЬ^^п^^^^о^о^С. Доля подвижных форм Zn от валового количества элемента в горизонте А1 составляла 1,64 %, Си - 1,33 %, Со - 1,63 %, Мо - 3,21 %, Сг - 2,65 %, N - 3,58 %, РЬ -11,31 %, СС - 21,21 %. Превышения уровней ПДК, установленных для подвижных форм Zn, РЬ, Сг, Со, Си, не отмечали. Более того, фоновый уровень содержания в горизонте А1 подвижных форм Zn, Си, Со и Мо по принятой в России оценочной шкале можно охарактеризовать как низкий, что служит основной причиной недостаточной обеспеченности этими микроэлементами почв пашни в ЦЧО.
Концентрация подвижных форм Zn, Со, Мо, СС в горизонтах А1 и С почвенного профиля была примерно одинаковой, а содержание N Сг и РЬ в горизонте С было значительно выше, чем в А1. Важный параметр, определяющий распределение подвижных форм элементов по почвенному профилю, - рНКС| почвенного раствора. В пахотных чернозёмах выщелоченных идет закономерная смена реакции среды с глубиной. На уровне 40.. .60 см (на границе горизонтов А и В) происходит резкое изменение величины этого показателя (с 5,5 до 6,0), формируется так называемый «щелочной барьер», что приводит к снижению подвижности большинства микроэлементов [11]. Однако при дальнейшем увеличении рНКС| в сильнощелочной среде подвижность микроэлементов, обладающих амфотерными свойствами, может даже возрастать [13]. В горизонте С целинного чернозема величина рНКС| составила 7,3, что могло послужить причиной повышения содержания подвижных форм N Сг и РЬ. Однако установленная закономерность, безусловно, нуждается в более глубоком и детальном изучении.
Содержание микроэлементов в степном разнотравье можно расположить в следующий убывающий ряд: Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Mo>Co>CС>Аs>Hg (табл. 2). Из изучаемых элементов наиболее высокая концентрация была характерна для Zn (27,7 мг/кг), а самая низкая -для Нд (0,013 мг/кг).
Таблица 2. Вариационно-статистические показатели содержания элементов в степном разнотравье, мг/кг абсолютно сухого вещества
Элемент X ±(055х Нт V, %
zn 27,7±0,36 26,5-28,7 2,8
^ 5,20±0,05 5,07-5,38 2,2
pb 1,32±0,04 1,04-1,48 7,0
0,655±0,02 0,588-0,745 6,6
^ 0,373±0,014 0,336-0,452 8,2
mo 0,221±0,005 0,202-0,239 4,6
^ 0,122±0,003 0,103-0,135 5,8
cd 0,053±0,001 0,048-0,059 5,4
аs 0,027±0,002 0,021-0,033 11,9
0,013±0,001 0,010-0,016 17,2
Содержание элементов в степном разнотравье была значительно ниже установленных максимально-допустимых уровней (МДУ), которые для Zn, Си, РЬ, Сг, Мо, Со, СС, Аб, Нд в сене соответственно составляют 50, 30, 5, 3, 0,5, 2, 1, 0,3, 0,5, 0,05 мг/кг [14]. Вариабильность величин этих показателей была сравнительно невелика,
элементов степным разнотравьем.
что объясняется достаточно высокой однородностью концентрации минеральных элементов в почвах на небольшой площади заповедника. Как правило, в образцах растениеводческой продукции, отбираемой с различных географически удаленных территорий, содержание микроэлементов может отличаться очень значительно [11].
Концентрация микроэлементов в растениях часто не находится в прямой пропорциональной зависимости от их содержания в почве. Интенсивность их накопления растениями определяется избирательностью, для количественной оценки которой используют коэффи-
циент биологического поглощения. По величине КБП элементы образовывали следующий убывающий ряд: Нд^>Си>СС>РЬ>Мо>М>Сг>Со>АБ (см. рисунок). Наиболее сильной интенсивностью поглощения отличались Нд, Zn и Си, для которых величина КБП соответственно составляла 10,15, 9,47 и 5,69. Эти элементы накапливаются в гумусово-аккумулятивном горизонте почв. Значительно меньше была величина КБП для СС (2,51), РЬ (1,59), Мо (1,23). К группе элементов биологического захвата можно отнести N1, Сг, Со и Аб, поскольку величина КБП у них не превышала 1.
Выводы. Таким образом, по валовому содержанию в гумусово-аккумулятивном горизонте чернозема выщелоченного элементы образовывали следующий убывающий ряд, мг/кг: Zn (45,7)>М (25,4)>Сг (20,4)>Си (14,3)>РЬ (13,0)>Со (8,6)>Аб (3,17)>Мо (2,8)>СС (0,33)>Нд (0,02). Концентрация Zn, Си, Нд в горизонте А1 выше, а РЬ, Мо, N1, Сг и Аб ниже, чем в почвообразующей породе. Валовое содержание СС и Со в горизонтах А1 и С примерно одинаковое. Фоновый уровень концентрации в горизонте А1 подвижных форм Zn (0,75 мг/кг), Си (0,19), Со (0,14) и Мо (0,09) можно охарактеризовать как низкий. По величине коэффициента биологического поглощения элементы образуют следующий убывающий ряд: Нд (10,15)^п (9,47)>Си (5,69)>СС (2,51)>РЬ (1,59)>Мо (1,23)>^ (0,4)>Сг (0,29)>Со (0,22)>Аб (0,13).
Литература.
1. Ковальский В. В., Раецкая Ю. И., Грачева Т. И. Микроэлементы в растениях и кормах. М.: Колос, 1971. 235 с.
2. Алексеев Ю. В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
3. Виноградов А. П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой // Микроэлементы в жизни растений и животных. М.: изд-во АН СССР, 1952. С. 7-20.
4. Гигиенические нормативы ГН2.1.7.2511-09. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. М.: Технорматив, 2013. 10 с.
5. Рекомендации по проектированию интегрированного применения средств химизации в ресурсосберегающих технологиях адаптивно-ландшафтного земледелия: инструктивно-методическое издание/А. Л. Иванов и др. М.: Росинформагротех, 2010.464 с.
6. Методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства/А. В. Кузнецов, А. П. Фесюн, С. Г. Самохвалов и др. М.: Типография Московской с.-х. академии им. К.А. Тимирязева, 1992. 61 с.
7. Методические указания по колориметрическому определению микроэлементов в кормах и растениях / С. Г. Самохвалов, А. А. Титова, Н. А. Целикова и др. М.: ЦИНАО, 1977. 40 с.
8. Методические указания: Атомно-абсорбционные методы определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье. М.: Государственный комитет санитарноэпидемического надзора Российской Федерации, 1992. 61 с.
9. Виноградов А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: изд-во АН СССР, 1957. 238 с.
10. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. CRC Press, 2011. Рр. 41.
11. Хижняк Р. М. Экологическая оценка содержания микроэлементов (Zn, Cu, Co, Mо, Cr, Ni) в агроэкосистемах лесостепной зоны юго-западной части ЦЧО: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2016. 24 с.
12. Четверикова Н. С. Экологическая оценка влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние агроэко-систем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М.: РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2013. 23 с.
13. Пейве Я. В. Агрохимия и биохимия микроэлементов. М.: Наука, 1980. 430 с.
14. Временный максимально-допустимый уровень (МДУ) содержания некоторыххимическихэлементов и госсипола в кормах для сельскохозяйственных животных и кормовых добавках. М.: Государственный агропромышленный комитет СССР, 1987. 6 с.
GEOCHEMICAL REGULARITIES OF DISTRIBUTION OF TRACE ELEMENTS IN SOILS AND PLANT COVER OF NATURAL BIOCENOSES OF THE FOREST STEPPE OF THE CENTRAL BLACK EARTH REGION
S. V. Lukin
Center of Agrochemical Service "Belgorodsky", ul. Shchorsa, 8, Belgorod, 308027, Russian Federation
Abstract. The aim of the research was to study the background distribution of trace elements in soils and plant cover of a natural biocenosis. The study was carried out on the plot 'Yamskaya steppe" of the state preserve "Belogorie", located in the forest steppe zone of Belgorod region. The soil cover was presented by leached chernozem, thick, rich, heavy loamy, on loess-like loam. The plant cover was steppe motley grass, there were up to 45 species per 1 m2 with the prevalence of feather-grass, sheep fescue, prairie June grass. The content of organic matter according to Tyurin's method and pH value were 9.7% and 5.3 in horizon A1; 4.3% and 5.2 in horizon AB; 2.7% and 5.1 in horizon B; 1.5% and 5.0 in horizon BC; 1.1% and 7.3 in horizon C. According to the total content in the humus-accumulative horizon of the leached chernozem, the elements form the following decreasing series: Zn (45.7 mg/kg) - Ni (25.4 mg/kg) - Cr (20.4 mg/kg) - Cu (14.3 mg/kg) - Pb (13.0 mg/kg) -Co (8.6 mg/kg) - As (3.17 mg/kg) - Mo (2.8 mg/kg) - Cd (0.33 mg/kg) - Hg (0.02 mg/kg). The content of Zn, Cu, Hg in horizon A1 was higher, and that of Pb, Mo, Ni, Cr and As were lower than in the parent rock material. The total content of Cd and Co in horizons Al and C was approximately the same. The background level of the mobile forms of Zn (0.75 mg/kg), Cu (0.19 mg/kg), Co (0.14 mg/kg) and Mo (0.09 mg/kg) in horizon A1 can be characterized as low. By the value of the coefficient of biological absorption, the elements form the following decreasing series: Hg (10.15) - Zn (9.47) - Cu (5.69) - Cd (2.51) - Pb (1.59) - Mo (1.23) - Ni (0.4) - Cr (0.29) - Co (0.22) - As (0.13). Keywords: background monitoring; biological absorption coefficient; clarke; content of mobile forms of trace elements; leached chernozem. Author Details: S. V. Lukin, D. Sc. (Agr.), director (e-mail: serg.lukin2010@yandex.ru).
For citation: Lukin S. V. Geochemical Regularities of Distribution of Trace Elements in Soils and Plant Cover of Natural Biocenoses of the Forest Steppe of the Central Black Earth Region. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 8. Pp. 5-7 (in Russ.). DOI: 10.24411/02352451-2018-10801.
