CC BY
27
УДК 631.416.856
МЕДЬ В АГРОЦЕНОЗАХ ЛЕСОСТЕПИ ЦЧО
С.В. Лукин, д.с.-х.н.
Центр агрохимической службы «Белгородский», e-mail: serg.lukin2010@yandex.ru
По результатам локального агроэкологического мониторинга, проводимого на реперных участках, и сплошного агрохимического обследования пахотных почв Белгородской области дана оценка содержания меди в почвах и растениеводческой продукции. Установлено, что среднее валовое содержание меди в пахотном слое черноземов лесостепной зоны составляет 13,1 мг/кг. С увеличением глубины почвенного профиля валовое содержание меди снижается. По результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 96,8% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами меди. Превышения ПДК подвижных форм элемента не наблюдалось. Основным источником поступления микроэлемента в агро-ценозы служат органические удобрения. В среднем за 2010-2013 гг. доза внесения органических удобрений составила 3,95 т/га, и с ней в агроценозы поступало 92,1% меди. Наиболее высокое содержание этого металла отмечалось в семенах подсолнечника (14,5 мг/кг) и в бобах сои (11,7 мг/кг), а наиболее низкое - в корнеплодах сахарной свеклы (2,13 мг/кг) и зерне кукурузы (2,56 мг/кг).
Ключевые слова: медь, микроэлементы, мониторинг, почва, растения, чернозем.
COPPER IN AGROCENOSES OF THE FOREST-STEPPE OF CENTRAL CHERNOZEM FEDERAL
DISTRICT
Dr.Sci. S.V. Lukin
State Center of Agrochemical Service «Belgorodsky», e-mail: serg.lukin2010@yandex.ru
On results of local agroecological monitoring, carried out at reference sites, and a continuous agrochemical survey of arable soils of the Belgorod region has been conducted assessment of copper content in soils and crop production. It was established that the average gross copper content in the arable layer of chernozems in the forest-steppe zone is 13.1mg/kg. With an increase in the depth of the soil profile the total copper content decreases. According to the results of the continuous survey of2010-2014, it was found that 96.8% of the arable soils of the Belgorod region are characterized by low availability of mobile forms of copper. Exceeding the MAC for mobile element forms was not observed. The main source of microelement supply to agrocoenosis is organic fertilizers. On average for 2010-2013 the dose of organic fertilizer application was 3.9 t/ha, and 92.1% of copper came from agrocoenosis to the agrocoenosis. The highest content of this metal was observed in sunflower seeds (14.5 mg/kg) and in soybeans (11.7 mg/kg), and the lowest in sugar beet roots (2.13 mg/kg) and corn kernels (2.56 mg/kg).
Keywords: copper, microelements, monitoring, soil, plants, chernozem.
Медь - один из важнейших биологически значимых и незаменимых микроэлементов. Однако, в зависимости от концентрации медь может выступать в роли биоактиватора, либо в роли токсичного для живых организмов элемента. В растениях медь служит составной частью окислительных ферментов (полифенолоксидазы, аскорбиноксидазы, дегидро-геназы), большая ее часть сосредоточена в хлоро-пластах и тесно связана с процессами фотосинтеза. Под действием этого элемента повышается устойчивость растений к неблагоприятным условиям внешней среды: высоким и низким температурам, засухам, поражению грибковыми и бактериальными заболеваниями [1-6]. Внесение высоких доз азотных
удобрений увеличивает потребность растений в меди и способствует усилению симптомов медной недостаточности [1]. При повышенных концентрациях медь является опасным фитотоксикантом и вызывает медьиндуцированный хлороз, поражение корневой системы, отравление растений, сопровождающееся снижением активности и биосинтеза некоторых ферментов, что приводит к ухудшению качества продукции и уменьшению урожайности. По негативному действию на растения медь занимает одно из первых мест среди наиболее токсичных тяжелых металлов. Например, фитотоксичная концентрация меди в травах, приводящая к снижению урожайности на 50%, составляет более 20 мг/кг, в то время как
для свинца - более 60, для кадмия - более 100, для цинка - более 400 мг/кг сухой массы [7].
Цель работы - агроэкологическая оценка содержания меди в пахотных почвах и растениеводческой продукции на примере лесостепной зоны Белгородской области, входящей в ЦентральноЧерноземные области России (ЦЧО).
Условия, материалы и методы. В работе использованы материалы локального агроэкологиче-ского мониторинга, проводимого на 20 реперных участках, и сплошного агрохимического обследования пахотных почв Белгородской области, проведенного в 2010-2014 гг. на площади 1244,58 тыс. га. Ре-перные объекты представляют собой поле или участок поля площадью 4-40 га [8]. Почвенный покров реперных участков представлен преобладающими в лесостепной зоне области почвами: черноземами типичными и черноземами выщелоченными. В слое 020 см среднее содержание подвижного фосфора по Чирикову составляло 139 мг/кг, подвижного калия по Чирикову - 119 мг/кг, органического вещества по Тюрину - 5,3%. В слое 0-20 см рНн2o составляла 6,4; в слое 21-40 см - 6,6; в слое 41-60 см - 7,0; в слое 6180 см - 7,4; в слое 81-100 см - 7,6.
Валовое содержание меди в почве определяли по общепринятой в агрохимической службе методике [9], содержание подвижных форм меди - по ГОСТ Р 50683-94. Для извлечения элемента из почвы использовали ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) с рН 4,8. Определение содержания меди в растениеводческой продукции проводили в соответствии с ГОСТ 30692-2000.
При статистической обработке результатов проводили расчеты доверительного интервала для
среднего значения ( x ± fes ) и коэффициента вариации (V, %) с использованием программного обеспечения Microsoft Excel 2007.
Результаты и обсуждение. Медь в почве находится в нескольких формах: водорастворимой; обменной, поглощенной органическими и минеральными коллоидами; труднорастворимой; медьсодержащих минералов; металлоорганических соединений [10, 11]. Лишь очень небольшое количество (менее 1%) меди находится в почве в виде водорастворимых солей. Медь - элемент биогенной аккумуляции. Коэффициент биологического поглощения этого элемента степной целинной растительностью составляет 5,7 [12, 13].
Кларк меди в земной коре равен 47 мг/кг, в почвах - 20 мг/кг [14]. Средние фоновые концентрации меди колеблются в пределах 6-100 мг/кг, достигая максимума в ферраллитных почвах и минимума - в песчаных. К факторам, увеличивающим количество элемента в почве, относятся: высокое содержание минералов тяжелой фракции, обилие коллоидов, наличие органического вещества. Валовое содержание меди в пахотном горизонте темно-серых лесных почв Центрального Черноземья составляет в среднем 14,6±0,7, черноземах оподзоленных -16,0±0,6, черноземах выщелоченных - 19,0±0,9, черноземах типичных - 23,0±0,4 мг/кг [10].
Содержание меди в гумусово-аккумулятивном горизонте заповедных почв Белгородской области (черноземах типичных и выщелоченных, темно-серой лесной почве) находится примерно на одном уровне - 14,2-14,3 мг/кг [12]. С глубиной почвенного профиля валовое содержание меди в почвах снижалось (табл. 1).
Горизонт Мощность горизонта, см Глубина отбора проб, см Валовое содержание, мг/кг Содержание подвижных форм, мг/кг
Темно-серая лесная (участок «Лес на Ворскле»)
A1/A2 0-20 5-15 14,2 0,17
А2В 21-34 22-32 13,0 0,15
В1 35-56 40-50 13,4 0,15
В2 57-70 58-68 12,5 0,07
BCca 71-113 90-100 12,2 0,08
Cca 114-150 125-135 12,5 0,19
Чернозем выщелоченный мощный тучный (участок «Ямская степь»)
А1 7-45 10-20 14,3 0,19
АВ 46-68 50-60 13,0 0,15
В 69-90 70-80 12,6 0,12
ВС 91-120 100-110 12,0 0,19
С 121-165 140-150 12,9 0,26
Чернозем типичный мощный тучный (участок «Ямская степь»)
А1 7-47 10-20 14,3 0,24
30-40 14,3 0,22
AВca 48-75 55-65 13,2 0,27
Вca 76-98 80-90 12,4 0,11
ВCca 99-120 105-115 12,2 0,11
Cca 121-165 150-160 11,5 0,33
1. Содержание меди в почвах Государственного природного заповедника «Белогорье»
2. Вариационно-статистические показатели
На основе данных локального мониторинга было установлено, что валовое содержание меди в пахотном слое почв области составляет 13,1± 1,0 мг/кг. Данное значение практически совпадает со средневзвешенным содержанием, установленным по результатам сплошного обследования (13,5 мг/кг), и несколько ниже кларка этого металла в почвах. Запасы валовой меди в пахотном слое составляют 40,5 кг/га. Для черноземных почв характерна биогенная аккумуляция меди в верхних горизонтах, обусловленная ее способностью образовывать с органическим веществом внутрикомплекс-ные соединения. Как правило, в профиле черноземов количество меди прямо коррелирует с количеством гумуса и обменных катионов, обратно коррелирует с величиной рН [13]. Минимальное валовое содержание меди отмечалось в слое 81-100 см (табл. 2).
Для оценки обеспеченности медью сельскохозяйственных культур в почве определяют содержание ее подвижных форм. Фоновое содержание подвижных форм меди в верхнем горизонте черноземов типичных и выщелоченных заповедного участка «Ямская степь» составляет, соответственно 0,24 и 0,19 мг/кг, а в темно-серой лесной почве заповедного участка «Лес на Ворскле» - 0,17 мг/кг. Концентрация подвижных форм меди в пахотном слое почв реперных участков в среднем составляет 0,12±0,01 мг/кг. Минимальное содержание подвижной меди отмечалось в слое 41-60 см, а максимальное - в слое 81-100 см. Одним из наиболее значимых параметров, определяющих закономерности распределения подвижных форм элементов по почвенному профилю, является значение рН почвенного раствора. В черноземах идет закономерная смена реакции среды с глубиной. На глубине 40-60 см (на границе горизонтов А и В) про-
исходит резкое изменение значения величины рНкс1 (с 5,5 до 6,0), что приводит к снижению подвижности большинства микроэлементов. Однако в глубоких карбонатных горизонтах почвы в сильно щелочной среде растворимость некоторых микроэлементов, обладающих амфотерными свойствами, может увеличиваться [10]. Доля подвижных форм меди составляет 0,7-1,6% от валового количества и с увеличением глубины почвенного профиля повышается.
В 2010-2014 гг. проводили сплошное обследование пахотных почв Белгородской области на содержание подвижных форм меди. Установлено, что 96,9% обследованной пашни относится к категории низкообеспеченной, 3,0% - к среднеобеспеченной и только 0,1% - к высокообеспеченной по содержанию подвижных форм меди. Причины низкой обеспеченности пахотных почв региона подвижными формами меди объясняется ее низким фоновым содержанием и отрицательным балансом в земледелии, который наблюдался в Белгородской области на протяжении достаточно длительного времени. Например, в 2000-2007 гг. интенсивность баланса меди составляла всего 36,0% [15].
Средневзвешенное содержание подвижной меди в пахотных почвах области составляет 0,114 мг/кг. Наиболее высокое содержание отмечено в почвах Красненского (0,145 мг/кг) и Алексеевского (0,143 мг/кг) районов, а наиболее низкое - в почвах Ва-луйского (0,080 мг/кг) и Ивнянского (0,071 мг/кг) районов (табл. 3). Предельно допустимая концентрация (ПДК) подвижных форм меди в почвах составляет 3 мг/кг. Почв с превышением этого норматива ПДК в период исследования не выявлено.
В регионах России достаточно много пахотных почв испытывают недостаток в подвижных формах меди. Например, в Московской области 13,8% почв низко обеспечены этим микроэлементом, в Брянской - 20%, в Тамбовской - 100% [16-18].
Основным источником поступления меди в аг-роценозы служат органические удобрения. Среднее содержание меди в основных органических удобрениях составляет: стоки навозные (2,22% сухого вещества) - 8,2 мг/кг; компост соломопометный (56% сухого вещества) - 151 мг/кг; навоз КРС (25% сухого вещества) - 5,7 мг/кг; дефекат сахарных заводов (87% сухого вещества) - 8,4 мг/кг. Минеральные удобрения содержат мало меди. Ее содержание в аммиачной селитре составляет 0,36 мг/кг, в азофоске - 1,71 мг/кг. Ежегодные средние размеры поступления меди в агроценозы Белгородской области за 2010-2013 гг. оцениваются в 42,9 г/га, в том числе с органическими удобрениями (доза 3,95 т/га) - 39,5 г/га (92,1%), с минеральными - всего 0,3 г/га (0,7%), с мелиорантами - 2,6 г/га (6,1%), с семенами - 0,5 г/га (1,1%) [12, 13].
валового содержания и концентрации подвижных форм меди в пахотных почвах _реперных участков, мг/кг_
Глубина, см х ± ^ М|)1 V, %
Валовое содержание
0-20 13,1±1,03 9,0-16,7 16,8
21-40 13,1±1,06 8,7-16,7 17,3
41-60 12,3±1,05 8,3-16,4 18,3
61-80 11,6±1,14 7,7-16,4 21,0
81-100 11,0±1,13 7,6-15,8 21,9
Содержание подвижных форм
0-20 0,12±0,01 0,09-0,16 16,9
21-40 0,11±0,01 0,07-0,16 22,5
41-60 0,09±0,01 0,03-0,16 34,6
61-80 0,14±0,03 0,04-0,23 40,7
81-100 0,18±0,02 0,11-0,29 27,1
Примечание: в каждом слое почвы анализировали 20 проб с разных реперных участков.
3. Распределение почв пашни Белгородской области по содержанию подвижных форм меди (2010-2014 гг.), % от обследованной площади
Район Содержание подвижных форм меди, мг/кг Средневзвешенное содержание, мг/кг
низкое < 0,2 среднее 0,21-0,5 высокое > 0,5
Красненский 84,2 14,8 1,0 0,145
Алексеевский 92,0 7,8 0,2 0,143
Губкинский 94,9 5,1 0,0 0,137
Прохоровский 97,8 2,2 0,0 0,132
Волоконовский 92,7 6,8 0,5 0,131
Вейделевский 96,5 3,3 0,2 0,128
Кр аснояру жский 96,8 3,2 0,0 0,127
Ракитянский 98,9 1,1 0,0 0,118
Новооскольский 97,6 1,9 0,5 0,116
Ровеньский 96,7 3,3 0,0 0,115
Белгородский 99,0 1,0 0,0 0,110
Грайворонский 97,2 2,8 0,0 0,108
Чернянский 97,9 2,1 0,0 0,106
Шебекинский 99,0 1,0 0,0 0,106
Яковлевский 98,1 1,9 0,0 0,103
Старооскольский 98,8 1,2 0,0 0,101
Корочанский 99,7 0,3 0,0 0,098
Кр асногвардейский 99,5 0,5 0,0 0,093
Борисовский 100,0 0,0 0,0 0,085
Валуйский 98,9 1,0 0,1 0,080
Ивнянский 99,7 0,3 0,0 0,071
В среднем по области 96,9 3,0 0,1 0,114
Количество меди в растениях зависит от особенностей культур, органов растений, условий выращивания и находится в интервале 1,5-31,0 мг/кг сухого вещества. Содержание этого элемента у одного и того же вида растений при выращивании на разных почвах различается в 2-8 раз. Больше меди находится в листьях и семенах, меньше - в корнях и совсем мало - в стеблях. Этот металл в растениях не реутилизируется [1, 3].
Фоновое содержание меди в основных сельскохозяйственных культурах, возделываемых на ре-
перных объектах области, представлено в таблице 4. Наиболее высокое содержание отмечалось в семенах подсолнечника (14,5 мг/кг) и в бобах сои (11,7 мг/кг), а наиболее низкое - в корнеплодах сахарной свеклы (2,13 мг/кг) и зерне кукурузы (2,56 мг/кг). Среднее содержание элемента в степном разнотравье целины составило 5,2 мг/кг. Содержание меди в основной продукции озимой пшеницы, ячменя, сои, подсолнечника, белого люпина и гороха было выше, чем в побочной. Для сахарной свеклы и кукурузы была характерна обратная зави-
4. Вариационно-статистические показатели содержания меди в растениях,
мг/кг абсолютно сухого вещества
Культура n X ±t05S x lim V, %
Сахарная свекла корнеплоды 20 2,13±0,33 1,23-3,19 32,8
ботва 20 3,72±0,66 1,60-5,30 37,0
Озимая пшеница зерно 25 3,62±0,12 3,19-4,20 8,1
солома 25 1,07±0,15 0,67-1,8 34,1
Ячмень зерно 40 3,19±0,19 1,52-4,70 19,8
солома 40 1,70±0,18 0,72-2,59 32,7
Горох бобы 22 3,85±0,33 1,88-4,79 19,6
солома 22 2,55±0,31 1,09-4,00 27,5
Белый люпин бобы 20 5,93±0,65 3,03-8,18 23,4
солома 20 1,94±0,13 1,39-2,58 14,6
Кукуруза зерно 21 2,56±0,39 1,63-3,94 27,5
солома 21 4,40±0,85 2,31-6,76 34,9
Соя бобы 22 11,7±0,4 8,30-12,9 7,7
солома 22 3,58±0,10 3,00-4,12 6,7
Подсолнечник семена 20 14,5±1,6 6,02-17,1 27,4
стебли 20 3,10±0,15 2,18-3,57 11,7
Степное разнотравье 20 5,20±0,05 5,07-5,38 2,2
симость. Содержание меди в пищевой продукции не нормируется. Превышения максимально допустимых уровней (МДУ) содержания элемента в кормовой продукции никогда не фиксировалось.
В среднем за последние пять лет (2012-2016 гг.) урожайность (при стандартной влажности) наиболее распространенных на территории области сельскохозяйственных культур составила: сахарной свеклы - 43,3 т/га, озимой пшеницы - 4,11; кукурузы на зерно - 6,04; ячменя - 3,13; сои - 1,89; подсолнечника - 2,45 т/га, а вынос меди с хозяйственно ценной частью урожая этих культур составил соответственно 23,0 г/га; 12,8; 13,3; 8,6; 19,0 и 30,6 г/га.
Таким образом, по результатам локального мониторинга установлено, что среднее валовое содержание меди в пахотном слое черноземов лесостепной зоны ЦЧО составляет 13,1 мг/кг. С увеличением глубиныI почвенного профиля ва-
ловое содержание меди снижается. По результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 96,8% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами меди. Превышения ПДК подвижных форм элемента не наблюдалось.
Основным источником поступления меди в агроценозы1 Белгородской области служат органические удобрения. В среднем за 2010-2013 гг. доза внесения органических удобрений составила 3,95 т/га, и с ней в агроценозы>1 поступало 92,1 % меди от общего количества. Наиболее вы/сокое содержание этого металла отмечалось в семенах подсолнечника (14,5 мг/кг) и в бобах сои (11,7 мг/кг), а наиболее низкое - в корнеплодах сахарной свеклы/ (2,13 мг/кг) и зерне кукурузы (2,56 мг/кг).
Литература
1. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. - Л.: Наука, 1974. - 324 с.
2. Пейве Я.В. Агрохимия и биохимия микроэлементов. - М.: Наука, 1980. - 430 с.
3. Власюк П.А. Участие микроэлементов в обмене веществ растений / Биологическая роль микроэлементов. - М.: Наука, 1983. - С. 97-105.
4. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. - Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2003. - 1028 с.
5. Спицина С.Ф. Экологическая целесообразность применения микроэлементов в Алтайском крае // Агрохимический вестник, 2005, № 5. - С. 2-3.
6. Булыгин С.Ю., Демишев Л.Ф., Доронин В.А. и др. Микроэлементы в сельском хозяйстве. - Дншропетровськ: «ач», 2007. - 100 с.
7. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. - М.: Изд-во РУДН, 2003. -430 с.
8. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: МСХ, 1992. - 53 с.
9. Методические указания по проведению локального мониторинга на реперных и контрольных участках / В.Г. Сычев, А.В. Кузнецов, А.В. Павлихина и др. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - 76 с.
10. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Микроэлементы (Сг, V, №, Mn, Zn, П, Zr, Ga, Be, Sr, Ba, B, I, Mo) в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья. - Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2003. - 368 с.
11. Панасин В.И. Мониторинг микроэлементного состояния агроэкосистем // Агрохимический вестник, 2014, №
4. - С. 18-21.
12. Лукин С.В., Хижняк Р.М. Экологическая оценка запасов цинка, меди и молибдена в агроценозах лесостепи Центрально-Черноземной области // Агрохимия, 2015, № 8. - С. 64-72.
13. Хижняк Р.М. Экологическая оценка содержания микроэлементов ^п, Mo, &, №) в агроэкосистемах лесостепной зоны юго-западной части ЦЧО: автореф. дисс. к.б.н. - М.: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015. - 24 с.
14. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 259 с.
15. Меленцова С.В. Агроэкологическая оценка содержания химических элементов Zn, Mn, Cd, Pb) в почвах лесостепной и степной зон (на примере Белгородской области): автореф. дисс. к.б.н. - М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2007. - 22 с.
16. Курганова Е.В. Плодородие и продуктивность почв Московской области. - М.: Изд-во МГУ, 2002. - 320 с.
17. Прудников П.В. Состояние почвенного плодородия в Брянской области // Агрохимический вестник, 2003, №
5. - С. 5-8.
18. Юмашев Н.П., Трунов И.А. Почвы Тамбовской области. - Мичуринск-Наукоград РФ: Изд-во Мичуринского государственного аграрного университета, 2006. - 216 с.
