CC BY
20
УДК 631.811.94
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ МЕЛИОРАНТОВ НА ЧЕРНОЗЕМЕ ОБЫКНОВЕННОМ, ЗАГРЯЗНЕННОМ СВИНЦОМ
© 2003 г. Т.М. Минкина, С.В. Федосеенко, В.С. Крыщенко
The results of long-term field experiment have been represented. The applying of lead in soil caused its significant accumulation in staw and grain of barley and ear of corn. The different methods of chemical remediation of ordinary chernozem have been researched. The maximum effect was established under 10 kg/m2 CaCO3 + 5 kg/m2 manure addition in soil.
Антропогенное воздействие на объекты окружающей среды часто приводит к загрязнению почв и растений тяжелыми металлами (ТМ) в количествах, превышающих санитарно-гигиенические нормативы
(ПДК, ОДК, ДОК и т.д.). Поэтому изучение устойчивости почв к загрязнению ТМ и поиск мер защиты от них пищевой цепи - актуальная проблема.
Одним из приоритетных загрязнителей биосферы в Ростовской области является свинец (РЬ), так как техногенное накопление его идет высокими темпами. Избыточное поступление свинца в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит их рост и развитие, приводит к снижению выхода продукции и ухудшению ее качества.
Содержание в почве ТМ и сопряженная с этим транслокация их в растения - сложный процесс, на
который влияет множество факторов. Чтобы понять механизм воздействия каждого из них, кафедрой почвоведения Ростовского государственного университета был проведен многолетний мелкоделяночный полевой опыт на базе Государственного сортоиспытательного участка «Ростовский»..
Цель работы - выявить способы снижения поступления ТМ в растения.
Исследования проводились в течение трех лет с октября 1999 по октябрь 2002 г.
Агроклиматические показатели в период проведения эксперимента представлены в табл. 1. Климат умеренно-континентальный с недостаточным увлажнением. Лимитирующим фактором развития растений является влагообеспеченность [1].
Таблица 1
Агрометеорологические показатели территории ГСУ «Ростовский» за 1999 - 2002 гг. (по данным Ростовского агрометеоцентра)
Показатель 1999 - 2000 2000 - 2001 2001 - 2002 Среднее
Число дней с влажностью < 30 % 16 30 48 31
Осадки, мм всего за год 626 550 808 661
апрель - октябрь 393 327 469 396
Сумма активных температур (1° > °С) 3698 3306 3456 3486
Среднегодовая температура воздуха, °С +9,9 +10,0 +10,2 +10,0
ГТК за год 1,06 1,42 0,95 1,14
Минимальная температура воздуха, °С -18 -19,5 +26,3 -26,3
Максимальная температура воздуха, °С +37 +37,9 +38,3 +38,3
Объект исследования - чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный мало-гумусный тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке. Агрохимические показатели почвы: содержание гумуса (по Тюрину) -4,1 %; pH - 7,6; СаСОз - 0,85 %; N-N0 3 -
0,1 мг / 100 г;
N-NH 4 - 10,2 мг / 100 г; Р 2 О 5 - 5,0 мг / 100 г; К 2 О - 29,7 мг / 100 г; физической глины -58 %; ила - 34,5 %; степень насыщенности физической глины илом -
59,4 %.
Свинец вносился в форме ацетата в дозе 96 мг/кг почвы, что соответствует трем ПДК по данному элементу. В качестве мелиорантов использовались полуперепревший навоз КРС (5 кг/м2), карбонат кальция (5 и 10 кг/м2), глауконит (2 кг/м2) и их сочетание. Исследуемые культуры - яровой ячмень
сорта Одесский 100, кукуруза - Зерноградский 301.
Опыт проводился в звене полевого севооборота. Технология возделывания общепринятая для зоны. Учетная площадь делянки - 1 м2, повторность опыта - трехкратная. Образцы почв и растений отбирались с тридцати делянок в фазу полной спелости ярового ячменя и молочной спелости кукурузы. Анализы почвенных и растительных образцов выполнены стандартными методами, принятыми в агрохимической службе [2, 3].
Сельскохозяйственные 2001 - 2002 гг. были наиболее благоприятными для роста и развития растений. Лето было умеренно жарким; за июнь - июль выпало 189 мм осадков, что значительно превысило среднюю многолетнюю норму. Оптимальные погодные условия позволили не только сформировать хороший урожай, но и получить
растительную продукцию с наименьшим содержанием ТМ по сравнению с другими годами (табл. 2). Содержание свинца в зерне и соломе было наименьшим как на контроле, так и на варианте с внесением 5 кг/м2 навоза. Также определялось содержание свинца в последействии первого и второго года.
При внесении свинца наблюдалось его негативное влияние на качество урожая: происходит сильное загрязнение зерна ячменя данным элементом, при этом его концентрация выше критической почти в пять раз. Также свинец накапливается и в соломе, но содержание металла не превышает ПДК. Это можно объяснить тем, что ПДК, установленное для зерна, несколько занижено. На этот факт обращено внимание в работах [6, 7]. По мнению авторов, используемые ПДК зачастую не соответствуют местному фону поллютанта, т. е. при разработке ПДК должны учитываться функциональные особенности территории.
На контроле содержание свинца в зерне в четыре раза ниже, чем в соломе. При загрязнении это соотношение увеличивается и составляет в среднем 4 - 6 раз. По данным [8], содержание свинца в зерне в 10 - 20 раз ниже, чем в стеблях. Таким образом, при загрязнении преимущественно растет количество металла в вегетативной массе. Наши исследования подтвердили положение ряда
В действии и последействии на контроле его содержание в соломе и зерне ячменя не превышает ПДК (ПДК в соломе 10, в зерне
0,5 мг/кг сухой массы), что согласуется с [4, 5].
Таблица 2
работ [7, 9, 10] о существовании защитных барьеров у растений на границе стебель -зерно, которые препятствуют накоплению свинца в генеративных органах. Высота барьера определяется отношением содержания свинца в стеблях к его концентрации в зерне.
Содержание ТМ в последействии свидетельствует о том, что в последующие годы транслокация свинца в растениях выражена слабее. На второй год исследований (последействие первого года) на варианте, где вносился только металл, содержание его снизилось в два раза в соломе и в 1,8 раза в зерне по сравнению с действием, но превышало ПДК.
На третий год опыта (последействие второго года) выращивалась кукуруза на силос. Определено, что концентрации свинца в початках кукурузы (табл. 3) были ниже ПДК для кормовых культур (ПДК для кормовых -3 мг/кг).
Таблица 3
Содержание свинца в соломе и зерне ячменя. Действие
Вариант опыта Сельскохозяйственный год Среднее за три года
1999 / 2000 2000 / 2001 2001 / 2002
Солома Зерно Солома Зерно Солома Зерно Солома Зерно
Контроль 1,38 0,35 1,65 0,32 1,15 0,30 1,39 0,32
5 кг/м2 навоза 1,53 0,40 1,73 0,38 1,14 0,35 1,50 0,38
Контроль + РЬ (ФОН) 10,23 2,42 9,00 2,00 7,28 2,94 8,84 2,45
ФОН + 5 кг/м2 СаСОв 6,82 1,41 7,20 1,40 6,42 1,17 6,61 1,33
ФОН + 10 кг/м2 СаСОэ 6,57 1,38 6,60 1,51 6,14 1,25 6,44 1,38
ФОН + 5 кг/м2 СаСО3 + 5 кг/м2 навоза 6,11 0,86 4,21 1,10 5,35 0,93 5,23 0,96
ФОН + 10 кг/м2 СаСО3 +5 кг/м2 навоза 5,48 0,50 4,45 0,58 4,23 0,53 4,74 0,54
ФОН + 2 кг/м2 глауконита 7,54 1,83 8,10 1,72 4,81 1,96 6,82 1,84
ФОН + 2 кг/м2 глауконита + 5 кг/м2 навоза 7,76 1,75 8,62 1,63 5,13 1,84 7,17 1,74
ФОН + 5 кг/м2 навоза 7,18 1,70 7,43 1,68 4,72 1,79 6,44 1,72
НСР0,5 0,29 0,17 0,92 0,23 0,23 0,18 1,45 0,44
Содержание свинца в ячмене и початках кукурузы
Вариант опыта Содержание свинца, мг/кг
Действие (ячмень) Последействие 1-го года (ячмень) Последействие 2-го года (кукуруза)
Солома Зерно Солома Зерно Початок
Контроль 1,39 0,32 1,19 0,21 0,24
5 кг/м2 навоза 1,50 0,38 1,20 0,20 0,28
Контроль + РЬ (ФОН) 8,84 2,45 5,01 1,37 0,92
ФОН + 5 кг/м2 СаСО3 6,61 1,33 1,27 0,36 0,51
ФОН + 10 кг/м2 СаСО3 6,44 1,38 0,95 0,20 0,54
ФОН + 5 кг/м2 СаСО3 + 5 кг/м2 навоза 5,23 0,96 1,20 0,25 0,39
ФОН + 10 кг/м2 СаСО3 + 5 кг/м2 навоза 4,74 0,54 1,11 0,19 0,46
ФОН + 2 кг/м2 глауконита 6,82 1,84 1,49 0,41 0,83
ФОН + 2 кг/м2 глауконита + 5 кг/м2 навоза 7,17 1,74 1,83 0,47 0,62
ФОН + 5 кг/м2 навоза 6,44 1,72 1,44 0,40 0,78
НСР05 1,45 0,44 0,21 0,15 0,12
Установлено, что между содержанием подвижных форм свинца в почве и их накоплением в растениях отмечается тесная связь (Р = 0,98).
В среднем за три года концентрация подвижного свинца в почве контрольного варианта составила 0,81 мг/кг, а при внесении
96 мг/кг РЬ - возросла до
11,8 мг/кг, т.е. в 14,6 раз (табл. 4).
В почве содержание РЬ как в действии, так и в последействии превышало ПДК по подвижным формам элемента (табл. 4). В целом это свидетельствует об очень медленном процессе естественного очищения почвы от этого металла.
Таблица 4
Содержание подвижных форм свинца (в вытяжке ААБ рН 4,8) в черноземе обыкновенном карбонатном
Вариант опыта Действие (ячмень) Последействие 1-го года (ячмень) Последействие 2-го года (кукуруза)
Контроль 1,39 0,32 1,19 0,21 0,24
5 кг/м2 навоза 1,50 0,38 1,20 0,20 0,28
Контроль + РЬ (ФОН) 8,84 2,45 5,01 1,37 0,92
ФОН + 5 кг/м2 СаСО3 6,61 1,33 1,27 0,36 0,51
ФОН + 10 кг/м2 СаСО3 6,44 1,38 0,95 0,20 0,54
ФОН + 5 кг/м2 СаСО3 + 5 кг/м2 навоза 5,23 0,96 1,20 0,25 0,39
ФОН + 10 кг/м2 СаСО3 + 5 кг/м2 навоза 4,74 0,54 1,11 0,19 0,46
ФОН + 2 кг/м2 глауконита 6,82 1,84 1,49 0,41 0,83
ФОН + 2 кг/м2 глауконита + 5 кг/м2 навоза 7,17 1,74 1,83 0,47 0,62
ФОН + 5 кг/м2 навоза 6,44 1,72 1,44 0,40 0,78
НСР0.5 1,45 0,44 0,21 0,15 0,12
Валовое содержание изучаемых ТМ в почве в период исследования практически не менялось. Между валовым содержанием свинца в почве и содержанием его подвижных форм обнаруживалась тесная связь, коэффициент множественной корреляции был в пределах 0,93 - 0,96. В аммонийно-
ацетатную вытяжку с рН 4,8 переходило 13,2 - 20,91 % валового свинца.
Влияние мелиорантов на загрязненную почву анализировали по содержанию подвижных ионов металла в почве и в различных частях ячменя.
Содержание ТМ в соломе и зерне ячменя снизилось при различных приемах химической мелиорации чернозема. Это связано с тем, что применяемые мелиоранты уменьшали подвижность РЬ в почве (см. табл. 4). Сравнивая действия различных мелиорантов в чистом виде, можно отметить, что глауконит и навоз слабо изменяли концентрацию свинца в почве и растениях и уступали карбонату кальция. Глауконит оказался малоэффективным мелиорантом. Предположительно это связано со снижением заряда кристаллической решетки глауконита путем абсорбции из почвенного раствора ионов Н+ кристаллической решеткой [8Ю4-БЮ3-ОН], ослаблением ее отрицательного заряда и переходом К - кристаллической решетки в обменное состояние [11]. В связи с тем, что содержание ионов водорода в почвенном
растворе карбонатных почв очень незначительное, происходит только поверхностная адсорбция ионов свинца кристаллической решеткой. Тем не менее разница между вариантом, где вносился только свинец, и вариантом с глауконитом является математически достоверной.
Внесение СаСО3 заметно снижает содержание свинца в растениях, причем увеличение дозы карбоната кальция практически не влияет на этот процесс. Наибольшее снижение содержания тяжелого металла наблюдается в годы с большей влагообеспеченно-стью, что, вероятно, связано с лучшей растворимостью карбонатов.
На второй год действия происходит дальнейшее растворение СаСО3 и поступление в раствор дополнительных ионов Са2+ и
НСО -, часть из которых переходит в обменное состояние. При этом повышения рН почвенного раствора не происходит и, очевидно, в растворе наступает определенное химическое равновесие между ионами (НСОз) и (Н з О+).
Существует мнение, что СаСО3 не только сорбирует металлы и подщелачивает рН среды, но и является поставщиком ионов кальция - элемента, обладающего защитными свойствами для растений, выращенных на загрязненных металлами почвах [12].
Следует сказать и о навозе как органическом удобрении и мелиоранте. При внесе-
нии его в загрязненную почву уменьшается подвижность ТМ вследствие образования органо-минеральных соединений, обладающих низкой растворимостью. Исследований по применению органических удобрений для детоксикации избыточных ТМ в почве проведено, к сожалению, недостаточно. Возможно, это вызвано тем, что общие вопросы, связанные с органическими удобрениями, довольно хорошо изучены. Однако учитывались лишь их удобрительные свойства, а о размере и степени детоксикации металлов различными видами органических удобрений и о разработке на этой основе их доз в настоящее время мало что известно. В литературе отмечается, что внесение в почву навоза активизирует размножение микроорганизмов, утилизирующих загрязнители, повышает интенсивность биологического самоочищения почвы [12].
В наших исследованиях особенно эффективными являлись приемы совместного внесения навоза с различными сорбентами. При внесении 10 кг/м2 СаСО3 совместно с 5 кг/м2 навоза отмечается наименьшее снижение концентрации свинца в соломе и зерне ячменя по сравнению с загрязнением (в 2 раза ниже в соломе и почти в 4,5 раза - в зерне), соответствующее ПДК данного элемента для зерна. Для этого варианта также характерно максимальное снижение подвижного свинца в почве, концентрация металла составила 3,50 мг/кг почвы.
В последействии различия между вариантами с применением мелиорантов менее выражены, но сохраняется одинаковая тенденция (см. табл. 3). При этом концентрации ТМ не превышают предельно допустимые нормы. Для последействия первого года (Я = 0,86 - 0,96) и второго (Я = 0,84) выявлена тесная связь между содержанием свинца в почве и в соломе и зерне, вместе с тем эти значения были ниже по сравнению с годом внесения, что связано с образованием прочнофиксированных соединений и уменьшением подвижности элемента в почве [7].
Таким образом, можно считать, что наиболее эффективным мелиорантом, снижающим содержание свинца в растениях как в действии, так и в последействии, является сочетание 10 кг/м2 СаСО3 и 5 кг/м 2 навоза.
Из изложенного можно сделать следующие выводы:
1. При загрязнении количество свинца в почве возрастает и превышает критическую концентрацию по подвижным формам в 1,97 раза, что приводит к увеличению его содержания в соломе и зерне ярового ячменя. При этом содержание свинца в зерне превышало ПДК почти в 5 раз.
2. На незагрязненной почве количество свинца в зерне в четыре раза ниже, чем в
соломе. При загрязнении это соотношение увеличивается в среднем в 4 - 6 раз, что свидетельствует о существовании защитных барьеров у растений на границе стебель -зерно, которые препятствуют накоплению свинца в генеративных органах.
3. Применение различных мелиорантов на загрязненной свинцом почве привело к значительному снижению содержания тяжелого металла в почве и растениях.
4. В последействии содержание свинца в ячмене и кукурузе снижалось, в случае применения сорбентов этот процесс происходил значительно быстрее.
5. Из применяемых мелиорантов эффективным как в действии, так и в последействии оказался вариант сочетания СаСО3 с навозом. На этом варианте содержание свинца было самым низким и не превышало ПДК как в почве, так и в растениях.
На основе полученных данных можно рекомендовать в качестве приема мелиорации чернозема обыкновенного карбонатного, загрязненного свинцом, совместное внесение 10 кг/м2 СаСО3 и 5 кг/м2 навоза.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Интеграция» (проект №
Б 0103) и РФФИ (проект № 04-04-96804).
Литература
1. Агроклиматические ресурсы Ростовской области. Л., 1972.
2. Методические указания по определе-
нию тяжелых металлов в почвах и продукции растениеводства
/ МСХ. М., 1992.
3. Практикум по агрохимии / Под ред.
B. Г. Минеева. М., 1989. С. 113 - 115.
4. Азаров Б. Ф. и др. // Химия в сельском хозяйстве. 1995. № 5. С. 31.
5. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. Новосибирск, 1991.
6. Закруткин В. Е., Шкафенко Р. П. // Материалы Междунар. симп. «Тяжелые металлы в окружающей среде». Пущино, 1996.
C. 110 - 117.
7. Самохин А.П. Трансформация соединений тяжелых металлов в почвах Нижнего Дона: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ростов н / Д, 2003.
8. Степанок В.В. // Агрохимия. 1998. № 7. С. 69 - 76.
9. Ильин В.Б., Степанова М.Д. Тяжелые металлы в окружающей среде. М., 1980.
10. Скрипченко И.И., Золотарева Б.Н. // Агрохимия. 1981. № 1. С. 103 - 109.
11. Поповичева Л.П. Влияние мелиорантов на состояние свинца в загрязненных дерново-подзолистых почвах и поступление его в растения: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1998.
12. Евдокимова Г.А. Определение степе- лами и некоторые способы ее снижения. М., ни токсичности почв загрязненных метал- 1985.
Ростовский государственный университет__________________________________________24 ноября 2003 г.
