CC BY
4Ежеквартальный
научно-практический
журнал
УДК 632.931.1:631.67
Шумакова Г. Е.
Shumakova G. E.
ИНВЕРСИЯ РЯДОВ ПОДВИЖНОСТИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ВОДОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПОЧВЕ ПРИ ОРОШЕНИИ ТОМАТОВ
INVERSION SERIES MOBILITY OF TRACE ELEMENTS SOLUBLE COMPOUNDS IN THE SOIL UNDER IRRIGATION TOMATOES
Рассмотрены биогеохимические особенности накопления микроэлементов в почве и биоматериале томатов, выращенных в придорожных агросистемах при поливе водой из различных источников. Выработан количественный и косвенный (на основе инверсии биогеохимических рядов подвижности элементов) методы оценки разграничения влияния источников загрязнения томатов различными микроэлементами.
Ключевые слова: микроэлементы, инверсия подвижности, экспериментальная площадка, миграционные ряды, кларки.
Considered biogeochemical features accumulation of trace elements in soil and biomaterial tomatoes grown in roadside agrosystems under irrigation with water from different sources. Developed a quantitative and indirect (based on the inversion of biogeochemical series of mobile elements) methods for assessing the effect of distinguishing the various sources of pollution tomato micronutrients.
Key words: trace elements, inversion mobility, experimental platform, migration series, Clark.
Шумакова Галина Евгеньевна -
кандидат сельскохозяйственных наук, докторант кафедры мелиорации земель Новочеркасского инженерно-мелиоративного института имени А.К. Кортунова Донской государственный аграрный университет г. Новочеркасск Тел.: 8-952-57-85-612 E-mail: [email protected]
Shumakova Galina Evgen'evna -
PhD in Agricultural Sciences,
doctoral student in land reclamation
Novocherkassk engineering and reclamation
Institute of AK Kortunova
Don State Agrarian University
Novocherkassk
Теl.: 8-952-57-85-612
E-mail: [email protected]
В условиях мелиорации овощных культур, важное значение, приобретает анализ источников загрязнения микроэлементами, включая тяжёлые металлы из подвижных водорастворимых соединений почвы, из поливной воды и аэрозолей воздуха [6]. В качестве источника эмиссии рассматриваются автотранспорт и промышленные предприятия городов Таганрог, Ростов-на-Дону, Новочеркасск. Экспериментальные площадки заложены в районе относительно чистой атмосферы, вдали от автодорог (4 км) и промышленных предприятий - Дача-2 и вблизи автодороги Таганрог-Мариуполь (15 м от полотна) под защитой придорожной лесополосы. Культура томатов на первой площадке поливалась водопроводной водой из р. Дон, на второй площадке - водой из р. Миус.
Площадка Дача-2 Результаты эксперимента по поливу томатов водопроводной водой на опытном участке Дача-2 приведены в таблице 1. Средний состав почвы достаточно сильно разнится вблизи её поверхности по отношению к более низкому горизонту. Почва относится к умеренно загрязнённой, поскольку отличается превышением концентраций элементов выше кларка почв по Pb, Mn, Zn, ^ [1,3].
При обработке почвы водопроводной водой, ближе к её поверхности, в ней обнаруживается превышение концентраций Pb, Cd. Остальной спектр элементов находятся вблизи равных количеств в верхнем и нижнем горизонтах. Поскольку в водопроводной воде устанавливаются повышенные концентрации Cd (выше кларка подземных вод), то поливная водопроводная вода может быть источником загрязнения Cd как самой почвы, так и выращиваемых томатов в результате мелиорации, т. к. площадка Дача-2 расположена вне области антропогенного загрязнения.
В верхнем горизонте почвы по отношению к нижнему обнаруживается превышение концентраций подвижных форм только Mn, ^ и Fe . Среднее значение общей (суммарной) относительной доли концентраций подвижных элементов в почве (6,56 %) ниже по сравнению со средней гигроскопической влажностью почвы равной 8,85 % на величину 2,29 %. То есть при поливе томатов водопроводной водой, возможно увеличение концентраций в растениях Cd, концентрация которого в слабосолоноватой водопроводной воде выше кларка воды поверхностного стока континентов в 3,4 раза [1]. Концентрации остальных элементов в растениях могут быть только следствием экстракции поливной водой водорастворимых соединений
в
№ 2(18), 2015
Науки о земле
167
из почвы на величину 2,29 %, превышающую гигроскопичную влажность почвы.
Ряд подвижности (а), ранжированный по величине отношения подвижных водорастворимых соединений элементов в почве к валовому её составу, по своей структуре от более (Мп) к менее подвижному ^е) выглядит следующим образом:
Мп(0,189) - Сс1(0,09) - Си(0,077) - РЬ(0,053) -
- Zn(0,044) - N1(0,032) - Со(0,031) -
- Fe(0,0003) (а)
В ряду (а), как и следовало ожидать, СС располагается рядом с самым подвижным марганцем.
Концентрация элементов в золе листьев и стеблей томатов значительно ниже кларков для растений суши, кроме опять-таки Zn, содержание которого в 1,8 раза выше. Содержание остальных элементов даже ниже, чем в наземных растениях. Превышения концентраций элементов в составе листьев и стеблей томатов, относительно подвижных водорастворимых соединений в почве, можно объяснить накоплением на их поверхности минеральной пыли. В связи с тем, что площадка Дача-2 также удалена от влияния автомобильных дорог, то превышение концентраций никеля в составе подвижных водорастворимых соединений (кроме СС) в листьях и стеблях томатов можно связывать в основном за счёт оседания на их поверхности пылеватых минеральных частиц, не связанных с загрязнением автотрассы, а накопления железа - с влиянием окисления железных водопроводных труб.
Ряд подвижности элементов (б), ранжированный по отношению водорастворимых соединений к накоплению элементов в стеблях и листьях растений, по своей структуре близок, но внутри его, относительно самого подвижного Мп и инертного Fe, выглядит обратным в сравнении с рядом подвижности элементов (а), отражающим подвижность водорастворимых элементов по отношению к валовому составу почвы.
Мп(55,05) - Со(2,847) - РЬ(1,509) - N1(1,37) -
- Zn(0,889) - Си(0,868) -
- СС(0,105) - Fe(0,005) (б)
При этом, обратим особое внимание на это,
СС в этом ряду тяготеет к наиболее инертному Fe. Повышение концентрации Fe связано с окислением водопроводных труб и переводом его в гидрооксид Fe. Превышения Си незначительное и может быть отнесено к загрязнению минеральной пылью листьев и стеблей томатов.
Защищённая лесополосой площадка трассы Таганрог-Мариуполь
Несмотря на то, что данная экспериментальная площадка заложена в непосредственной близости от лесополосы, защищающей почву от влияния загрязнения автотрассы Таганрог-Мариуполь, её состав (таблица 2) можно отнести к слабозагрязнённой, поскольку в почве обнаруживаются надкларковые концентрации РЬ, Мп, Zn, Си.
При обработке почвы водой из р. Миус, ближе к её поверхности по сравнению с нижним горизонтом, обнаруживается превышение концентраций только Мп, N1, Zn, Са. Поливная вода отличается кларковым уровнем концентраций элементов и при не избыточной мелиорации не может служить источником загрязнения выращиваемых плодов томатов, хотя общая минерализация её более чем в 2 раза выше водопроводной.
При большей гигроскопичности почвы 8,31 % по отношению к нижнему горизонту (8,15 %) среднее значение (суммарной) относительной доли концентраций подвижных элементов по сравнению со средней гигроскопической влажностью 8,20 % составляет 12,15 %. То есть относительное количество средних суммарных концентраций подвижных форм элементов выше максимальной и средней гигроскопичности почвы на величину 12,15 % - 8,20 % = 3,9 %. Эта (незначительная) доля концентраций подвижных форм элеметов должна быть учтена в общей суммарной загрязнённости стеблей и листьев томатов, которая связана с влиянием автотрассы Таганрог-Мариуполь.
Отношения концентраций подвижных водорастворимых соединений к валовому составу почвы выстраиваются в следующий ранжированный ряд подвижности элементов (в). В его внутренней структуре (между самым подвижным марганцем и наиболее инертным железом) отмечаем ту же закономерность обратной зависимости подвижности элементов относительно ряда (б).
Мп(0,189) - СС(0,09) - Си(0,077) - РЬ(0,053) -
- Zn(0,044) - N1(0,032) -
- Со(0,031) - Fe(0,0003) (в)
При поливе водой из р. Миус, невозможно
увеличение доли СС в почве и растениях, поскольку его концентрация в слабосолоноватых поливных водах р. Миус находится на уровне кларка воды поверхностного стока континентов, как впрочем и других элементов, концентрации которых ниже кларковых минерализованных вод.
Концентрация элементов в золе листьев и стеблей томатов значительно ниже кларков для растений суши [2, 3], кроме цинка и железа. Концентрации Сс находятся на одинаковом уровне значений. Относительно подвижных форм в почве на площадке, близлежащей к автотрассе Таганрог-Мариуполь, устанавливаются более высокие концентрации РЬ, Zn, Со, Си, Fe, которые в составе пыли и аэрозолей не в полной мере могут быть экранированы лесополосой.
Миграционный ряд (г), ранжированный по величине отношения водорастворимых соединений элементов к составу стеблей и листьев растений выглядит так:
Мп(80,501) -
- Zn(1,382) -
- СС(0,055)
Со(2,382) Си(1,071) -- Fe(0,003)
- РЬ(1,845) N1(0,36) -
(г)
168
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Ставрополья
научно-практический журнал
По своей структуре последовательных рангов элементов ряд близок к ряду (б).
Превышение концентраций элементов в листьях и стеблях томатов относительно кларка растений устанавливается только для железа и цинка.
Концентрация элементов в плодах томатов ниже содержания их в стеблях и листьях томатов. Содержание микроэлементов в составе исследуемых плодов томатов даже ниже средних концентраций, установленных для томатов вообще [2].
Сравнение структуры рядов по степени подвижности элементов в них (от подвижных к малоподвижным) на экспериментальных площадках Дача-2, Таганрог-Мариуполь
Мп(0,189) - СС(0,09) - Си(0,077) - РЬ(0,053) -
- Zn(0,044) - N1(0,032) -
- Со(0,031) - Fe(0,0003) (а)
Мп(55,05) - Со(2,847) - РЬ(1,509) - N1(1,37) -
- Zn(0,889) - Си(0,868) -
- СС(0,105) - Fe(0,005) (б)
Мп(0,189) - СС(0,09) - Си(0,077) - РЬ(0,053)
- Zn(0,044) - N1(0,032) -
- Со(0,031) - Fe(0,0003) (в)
Мп(80,501) - Со(2,382) - РЬ(1,845) -
- Zn(1,382) - Си(1,071) - N1(0,36) -
- СС(0,055) - Fe(0,003) (г)
позволяет сделать следующие выводы:
1. Структура рядов подвижности микроэлементов между более подвижным Мп и инертным Fe испытывает инверсию в направлении изменения отношений концентраций валового микроэлементного состава почвы к водорастворимым подвижным соединениям и отноше-
ния водорастворимых соединений микроэлементов к составу листьев и стеблей томатов.
2. Подобная закономерность является следствием того, что при усвоении стеблями и листьями томатов резко меняется подвижность микроэлементов в разных средах (почва — водорастворимые соединения в почве — растения томатов). Более подвижные элементы в составе почвы по отношению к водорастворимым соединениям в ней становятся более инертными и формируют концентрации при усвоении их стеблями и листьями томатов из подвижных водорастворимых соединений почвенной влаги.
3. При миграции водорастворимых соединений микроэлементов в состав плодов томатов их концентрации становятся в несколько раз ниже по отношению к их листьям и стеблям (таблица 1, 2), что является причиной инверсии растворимости микроэлементов при переходе от одной среды в другую.
4. Такая закономерность сохраняется вне зависимости от микроэлементного состава орошаемой томаты поливной воды, пространственного положения экспериментальных площадок, степени защищённости площадок лесополосой и связана с влиянием на миграцию микроэлементов органических кислот [4,5], содержание которых в плодах растений выше, чем в стеблях и листьях.
5.Придорожные агроэкосистемы в условиях лесомелиорации и орошения являются потенциально опасными с точки зрения загрязнённости плодов томатов микроэлементами. Однако источником загрязнения растений томатов может выступать и поливная вода, в то время как доля аэрозольного загрязнения в приведённом эксперименте на площадке автотрассы Таганрог-Мариуполь не превышает 3,9 % в условиях наличия защищённой лесополосы.
Таблица 1 - Сравнительные данные по валовому составу почвы, подвижным водорастворимым формам элементов в почве, поливной воде, плодах и листьях томатов в пределах экспериментальной площадки Дача-2
Почва, мг/кг Валовый состав почвы, мг/кг
РЬ Мп СС N11 гп Со Си Fe Са Мд
1. Горизонт 0-5 см 11,925 1148,750 0,109 19,050 351,875 8,538 33,375 3418,750 47,00 10,000
2. Горизонт 5-20 см 22,563 974,375 0,134 16,988 358,750 8,988 36,000 3737,500 44,00 12,000
Среднее 17,244 1061,563 0,122 18,019 355,313 8,73 34,688 3578,125 45,5 11,000
Относительно: 2/1 1,892 0,848 1,229 0,892 1,02 1,053 1,079 1,093 0,936 1,2
Кларк почвы [1, 3] 10 850 0,5 40 50 8 20 38000 13,700 6000
Превышение концентраций элементов в почве относительно кларка почвы, раз
1,72 1,25 0,244 0,45 7,1 1,09 1,73 0,09
Состав поливной водопроводной воды, мг/дм3
Не обн. 0,01339 0,00068 Не обн. Не обн. Не обн. Не обн. 0,0160
Подвижные формы тяжёлых металлов в почве, мг/кг
1.Горизонт 0-5 см 0,945 199,500 0,009 0,399 15,640 0,232 3,098 1,255
Вестник АПК ,,
Науки о земле № 2(18), 2015 *
Продолжение
Почва, мг/кг Валовый состав почвы, мг/кг
РЬ Мп Сс1 N1 Zn Со Си Fe Са Мд
2.Горизонт 5-20 см 0,893 201,075 0,013 0,746 16,013 0,315 2,258 1,045
Среднее 0,919 200,288 0,011 0,573 15,827 0,274 2,678 1,15
Относительная доля ( %) подвижных водорастворимых соединений элементов в почве, которые могут быть усвоены томатами
1.Горизонт 0-5 см 7,93 17,367 8,26 2,09 4,44 2,72 9,28 0,037
2.Горизонт 5-20 см 3,96 20,636 9,70 4,39 4,46 3,50 6,27 0,028
Среднее, % 5,945 19,00 8,98 3,24 4,45 3,11 7,775 0,0325 6,56
Концентрация элементов в листьях и стеблях томатов, мг/кг
0,498 2,488 0,200 1,593 12,500 0,115 2,500 413,750
Превышение концентраций элементов в составе листьев растений относительно подвижных форм в почве, раз
1.Горизонт 0-5 см 0,527 0,012 22,222 3,992 0,799 0,496 0,807 329,681
2.Горизонт 5-20 см 0,558 0,012 15,385 2,135 0,781 0,365 1,107 395,933
Среднее 0,543 0,012 18,804 3,064 0,79 0,431 0,957 362,807
Превышение концентраций элементов в составе листьев и стеблей томатов относительно кларков растений, раз [2]
0,02 0,39 0,33 0,53 1,25 0,23 0,18 2,95
Концентрация элементов в плодах томатов, мг/кг
0,060 1,198 0,013 0,060 5,120 Не обн. 2,323 9,700
Превышение концентраций элементов в плодах томатов относительно их стеблей и листьев, раз
0,12 0,79 0,06 0,04 0,41 ? 0,93 0,02
Превышение концентраций элементов в составе плодов томатов относительно кларков растений, раз
0,02 0,19 0,02 0,02 0,51 ? 0,16 0,07
Таблица 2 - Сравнительные данные по валовому составу почвы, подвижным водорастворимым формам элементов в почве, поливной воде, плодах и листьях томатов в пределах экспериментальной площадки, прилегающей к автотрассе Таганрог-Мариуполь,
защищённой лесополосой
Почва, мг/кг Валовый состав почвы, мг/кг
РЬ Мп СС N1 Zn Со Си Fe Са Мд
1. Горизонт 0-5 см 15,888 965,625 0,125 18,688 372,438 9,013 133,750 3318,750 36,000 14,000
2. Горизонт 5-20 см 23,038 859,375 0,189 13,663 333,125 7,638 108,000 3443,750 34,000 16,000
Среднее 19,463 912,5 0,157 16,176 352,782 8,326 120,875 3381,25 35,00 15,000
Относительно: 2/1 1,450 0,890 1,512 0,731 0,894 0,847 0,807 1,038 0,944 1,143
Превышение концентраций элементов относительно кларка почвы, раз
1,95 1,07 0,34 0,40 7,05 1,04 6,04 0,09
Поливная вода из р. Миус, мг/дм3
Не обн. Не обн. 0,00021 Не обн. Не обн. Не обн. Не обн. 0,0255 Не опр. Не опр.
Подвижные водорастворимые формы элементов в почве, мг/кг
1.Горизонт 0-5 см 1,864 358,050 0,005 0,870 14,149 0,324 3,014 1,045
2.Горизонт 5-20 см 1,811 321,825 0,017 0,788 17,850 0,347 2,195 0,992
Среднее 1,838 339,938 0,011 0,829 15,999 0,336 2,605 1,019
Превышение концентраций подвижных водорастворимых соединений в почве к валовому составу почвы, раз
0,094 0,372 0,070 0,051 0,045 0,04 0,021 0,0003
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
Продолжение
Почва, мг/кг Валовый состав почвы, мг/кг
Pb Mn Cd Ni Zn Co Cu Fe Ca Mg
Относительная доля ( %) подвижных форм элементов в почве, которые могли быть усвоены растениями
1. Горизонт 0-5 см 11,732 37,08 4 4,655 3,799 3,595 2,253 0,031
2. Горизонт 5-20 см 7,860 37,449 8,994 5,767 5,385 4,543 2,032 0,029
Среднее 9,796 37,264 6,497 5,211 4,592 4,069 2,142 0,03
Концентрация элементов в листьях и стеблях томатов, мг/кг
1,218 6,175 0,105 0,605 18,000 0,118 3,000 213,750
Превышение концентраций элементов в составе листьев растений относительно подвижных форм в почве, раз
1. Горизонт 0-5 см 0,653 0,017 0,84 0,695 1,272 0,364 0,995 204,545
2. Горизонт 5-20 см 0,673 0,019 0,555 0,768 1,008 0,026 1,367 215,473
Среднее 0,663 0,018 0,70 0,732 1,14 0,195 1,181 210,009
Превышение концентраций элементов в листьях и стеблях томатов относительно кларка растений
0,05 1,03 0,175 0,2 1.8 0,24 0,21 1,52
Концентрации элементов в плодах томатов, мг/кг
0,058 0,745 0,019 0,165 0,515 Не обн. 1,820 10,475
Превышение концентраций элементов в плодах томатов относительно их стеблей и листьев, раз
0,48 0,12 0,18 0,27 0,03 - 0,61 0,007
Превышение концентраций элементов в плодах томатов относительно кларка растений
0,002 0,12 0,32 0,05 0,05 - 0,13
Литература
1. Справочник по геохимии / Г. В. Войткевич, А. В. Кокин [и др.]. М. : Недра, 1990. 480 с.
2. Ельчининова О. А. Микроэлементы в надземных экосистемах Алтайской горной области : автореф. дис. ...д-ра с.-х наук. Барнаул, 2009. 23 с.
3. Ковда В. А., Якушевская И. В., Тюрюканов А. Н. Микроэлементы в почвах Советского Союза. М. : МГУ, 1959. 66 с.
4. Рудакова Т. А. Теоретическое обоснование и уровни подвижности железа, марганца, цинка и меди в почвах : дис. ... канд. биол. наук. М. : МГУ, 1983. 198 с.
5. Шапиро А. Д. Влияние природных водорастворимых органических веществ на подвижность цинка и меди в дерново-среднеподзолистой почве : дис. ... канд. биол. наук. М., 2008. 177 с.
6. Шумакова Г. Е. Средозащитная роль лесных полос в современных условиях придорожного загрязнения почвы // Финансовая экономика. 2014. № 3. С. 26-28.
References
1. G.V. Voitkevich G.V. Handbook of Geochemistry / G.V. Voitkevich, A.V. Kokin [et al.]. - Moscow: Nedra, 1990. 480 p.
2. Elchininova O.A. Trace elements in the above-ground ecosystems Altai mountain region // Author. diss. Doctor. Social-Agricultural Sciences. - Barnaul, 2009. 23 p.
3. Kovda V.A. Trace elements in soils of the Soviet Union / VA Kovda, IV Yakushevsky, AN Tyuryukanov. - Moscow: Moscow State University. 1959. 66.
4. Rudakova T.A. Theoretical basis and mobility levels of iron, manganese, zinc and copper in soils. Kand.diss. - M .: MSU, 1983. 198s.
5. Shapiro A.D. Influence of natural water-soluble organic substances on the mobility of zinc and copper in the soil sod medium .-Kand.diss. - M .: 2008. -177s.
6. G.E. Shumakova Abatement role of forest belts in modern conditions of roadside soil contamination // Financial Economics. 2014. № 3. S. 26-28.
