CC BY
42
УДК 631.417.8
ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЧЕРНОЗЕМЕ ВЫЩЕЛОЧЕННОМ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПРИМЕНЕНИИ УДОБРЕНИЙ
И.А. Лебедовский, к.с.-х.н.
Кубанский государственный аграрный университет, e-mail: ivanagro@mail.ru
В статье представлены результаты исследований содержания тяжелых металлов в черноземе выщелоченном при длительном применении удобрений. Установлено, что минеральные удобрения не могут служить существенным источником загрязнения почвы тяжелыми металлами. Даже на фоне тройных доз удобрения накопление ТМ в почве выше ПДК наступит через несколько тысячелетий. Для кадмия этот срок составляет 65715 лет, а для свинца - 887333,3 лет. Установлена тесная корреляционная связь между содержанием кобальта, марганца и свинца. Эта связь имеет как линейные, так и нелинейные зависимости. Увеличение содержания гумуса и кислотораство-римых форм железа в почве способствуют связыванию тяжелых металлов в труднодоступные для растений орга-но-минеральные комплексы.
Ключевые слова: тяжелые металлы, чернозем выщелоченный, загрязнение, экологическая безопасность, трансформация, минеральные удобрения, балласт, накопление, математическое моделирование.
AGROECOLOGICAL ESTIMATION OF HEAVY METALS' CONTENT IN LEACHED CHERNOZEM WHILE A PROLONGED APPLICATION OF FERTILIZERS I.A. Lebedovskiy
There are given the findings concerning heavy metals' content in leached chernozem while a prolonged application of fertilizers in the article. It has been established that mineral fertilizers can not be treated as a source of pollution of soil with heavy metals. The accumulation of heavy metals in soil exceeding the MPC will be reached only in several thousand years even when triple doses offertilizers are applied. It will take 65715 years for cadmium and 887333,3 for lead. There has been established a close correlative connection between cobalt', manganese' and lead' content which has linear as well as nonlinear dependences. Increase of humus' and acid-soluble forms of iron' content in soil favours binding of heavy metals in difficult of access for plants organo-mineral complexes.
Keywords: heavy metals, leached chernozem, pollution, ecological safety, transformation, mineral fertilizers, ballast, accumulation, mathematic modeling.
Минеральные удобрения могут служить источниками накопления тяжелых металлов (ТМ) в почве за счет содержащегося в них балласта, который образуется в процессе их производства [4]. В связи с этим нами определялось содержание тяжелых металлов (ТМ) в применяемых минеральных удобрениях и подстилочном навозе было подсчитано, сколько внесено минеральных удобрений за две ротации севооборота (табл. 1).
Из данных таблицы 1 следует, что наибольшее содержание ТМ отмечается в фосфорных удобрениях и навозе. Это свидетельствует о том, что необходим постоянный аналитический контроль минеральных удобрений на содержание ТМ. Во всех исследованных удобрениях отмечается наибольшее количество марганца, за исключением аммонийной селитры, где преобладает цинк. В навозе цинка и марганца содержится значительно больше, чем в
1. Содержание тяжелых металлов в применяемых минеральных удобрениях
и в подстилочном навозе, мг/кг (2006)
Элемент Двойной суперфосфат Хлористый калий Аммиачная селитра Аммофос Навоз
Медь 28,00 0,44 2,00 14,00 33,85
Цинк 26,05 2,00 9,20 13,05 22,80
Свинец 1,21 0,31 0,57 0,53 6,37
Кадмий 0,18 0,04 0,08 0,09 0,120
Марганец 94,0 7,16 8,20 47,0 360,4
Кобальт 1,20 0,52 0,46 0,60 4,68
2. Число лет, необходимых для превышения ПДК тяжелых металлов в почве
Элемент Доза удобрения
N40P30K20 N80P 60K40 N120P90K60
Марганец 1940000 1455000 64700
Медь 169062 84531 5635
Цинк 200000 99889 63382
Свинец 2660000 1331000 887333,3
Кобальт 980000 490000 326666
Кадмий 1150000 92000 65715
3. Статистическая оценка содержания подвижных форм тяжелых металлов
Статистический показатель Подвижные формы
Mn Zn Pb ОС Cd
М ± m, мг/кг 37,2 ± 1,48 0,90 ± 0,08 2,5 ± 0,1 1,1 ± 0,001 0,13 ± 0,01 0,03 ± 0,01
Sx, мг/кг 10,26 0,57 0,90 0,30 0,05 0,01
Э -0,72 7,53 6,3 10,0 5,78 1,24
As 0,025 2,27 2,0 2,5 2,07 0,80
V, % 31,3 63,0 35,0 26,0 36,4 12,0
Примечание: М ± m - среднее и его стандартная ошибка, Sx - стандартное отклонение, Э - коэффициент эксцесса, As - коэффициент асимметрии, V - коэффициент вариации.
4. Коэффициенты парной корреляции между исследуемыми почвенными факторами
и состоянием ТМ
Марганец Медь Цинк Свинец Кобальт Кадмий
Вс Пф Вс Пф Вс Пф Вс Пф Вс Пф Вс Пф
Гумус 0,20 -0,45 0,20 -0,23 0,42 -0,01 -0,20 -0,65 0,42 -0,05 0,61 0,37 0,22 -0,05 -0,01
рНН2О 0,13 -0,35 -0,11 -0,08 -0,17 0,06 -0,20 0,47 0,04 -0,05 -0,09 0,04
рНт 0,04 0,41 0,27 0,26 0,23 0,40 0,09 -0,30 -0,20 0,10 -0,05 0,08
Железо 0,05 -0,49 0,24 -0,07 0,19 0,04 -0,08 -0,63 0,39 -0,07 0,58 0,33 -0,32 -0,31 -0,24
Примечание: под коэффициентами корреляции в таблице 48 указаны найденные коэффициенты детерминации, Вс - валовое содержание, Пф - подвижные формы.
других удобрениях. Хлористый калий и аммонийная селитра - наиболее экологически безопасны по содержанию ТМ.
Исходя из полученных данных нами было подсчитано количество лет, требуемое для накопления тяжелых металлов выше экологических нормативов.
Из данных таблицы 2 видно, что даже на фоне тройных доз накопление ТМ наступит через несколько тысячелетий. Для самых токсичных из изучаемых нами ТМ этот срок для кадмия наступит через 65715 лет, а для свинца - через 887333,3 лет. Следовательно, система применяемых удобрений не может служить существенным источником накопления ТМ в почве. Однако минеральные удобрения способны оказывать значительное влияние на подвижность ТМ в почве.
Для определения влияния некоторых почвенных показателей на содержание ТМ в условиях длительного применения удобрений (с 1981 г.) нами были рассчитаны трехмерные поверхности отклика. За основу анализа данных был взят массив экспериментально полученных статистически обработанных точек.
Наиболее вариабельный показатель - содержание в почве подвижных форм марганца, меди, цинка, свинца, кобальта и кадмия в почве (табл. 3). Об этом говорит найденная степень их вариации. Это также свидетельствует о высокой подвижности этих элементов между почвенным раствором и твердой фазой почвы. Полученные данные относительно однородны.
В таблице 4 представлены полученные коэффициенты корреляции. Значения коэффициентов между кислотностью, содержанием валовых и подвижных форм изучаемых нами ТМ несущественны даже на 95% доверительном уровне.
Существенная корреляционная зависимость получена между содержанием валового свинца от количества гумуса и железа, валового кобальта и подвижных форм марганца - от содержания гумуса и железа. Найденные коэф-
фициенты корреляции указывают на математически значимую зависимость между этими признаками. При увеличении содержания железа и гумуса наблюдается повышение валового кобальта. Между содержанием гумуса, железа и валового свинца, наблюдается обратная зависимость (г = -0,65). При увеличении содержания железа и гумуса в почве происходит уменьшение количества валового свинца. Обратная зависимость наблюдается и между содержанием гумуса и железа с одной стороны и количества подвижных форм марганца - с другой. При увеличении гумуса и кислоторастворимых форм железа в почве уменьшается подвижность марганца. Найденные линейные коэффициенты детерминации указывают на то, что содержание валового кобальта от содержания гумуса зависит на 37%, от кислоторастворимых форм железа - на 33%; содержание подвижного марганца от содержания гумуса зависит на 20%, от железа - на 24%; содержание валового свинца от содержания гумуса зависит на 42%, от кислоторастворимых форм железа - на 39%.
Для вышеуказанных зависимостей нами были построены многомерные нелинейные модели (рис. 1-3).
Валовое содержание свинца (свинец Вс) при увеличении гумуса падает на всем диапазоне гумусированности почвы (рис. 1). Вместе с тем оно повышается от увеличения содержания кислоторастворимых форм железа ^в). Возможно, что железо в данном случае служит антагонистом свинца в процессе химического поглощения в почве. Данная аппроксимация представлена следующим уравнением:
Свинец Вс = 50,44 - 10,14*гумус - 0,28*Ев -- 4,10* гумус2 + 0,36*гумус*¥в +0,0054¥в2
Коэффициенты уравнения указывают на высокую степень влияния гумуса на содержание валового свинца в почве по сравнению с железом. Степень нелинейных изменений в данной модели незначительная, зависимость носит прямой параболический характер.
Рис. 1. Аппроксимация многомерной зависимости валового содержания свинца
от количества гумуса и железа
Рис. 2. Аппроксимация многомерной зависимости валового содержания кобальта
от количества гумуса и железа
Рис. 3. Поверхность отклика множественной регрессии зависимости между содержанием гумуса и железа и подвижными формами марганца
Содержание кобальта в почве от количества в ней гумуса находится в прямой положительной зависимости, а от железа - в обратной (рис. 2). Эта зависимость представлена следующим уравнением:
Кобальт Вс = -3,2222 + 3,41*гумус + 0,14*Fe + 0,81 *гумус2- 0,08*гуму^е + 0,0007*Fe2
Из уравнения также видна значительная степень влияния гумуса на содержание кобальта по сравнению с железом. Доля нелинейных зависимостей в данном случае, как и в предыдущем, очень низкая.
В почве при увеличении содержания гумуса наблюдается снижение подвижности марганца (рис. 3), что, вероятно, объясняется образованием органо-минеральных комплексов с гумусовыми кислотами [3].
Зависимость между содержанием кислотораствори-мых форм железа и подвижного марганца неоднозначна. При увеличении содержания железа до 55 г/кг наблюдается возрастание количества подвижных форм марганца, а при дальнейшем повышении железа концентрация марганца в почвенном растворе снижается.
Возможно, что при содержании железа до 55 г/кг происходит сорбция марганца гидроксидами железа, а выше этой концентрации сорбция марганца снижается [3].
Данную тенденцию ясно отражают коэффициенты уравнения, которые подтверждают значительное нелинейное изменение подвижности марганца от содержания кислоторастворимых форм железа:
Марганец Пф = -25,3 - 3,74*гумус + 2,81 *Fe -3,90*гумус2 + 0,21 *гуму^е - 4,50*¥в2
В результате установлена тесная корреляционная связь между содержанием кобальта, марганца и свинца. Эта связь имеет как линейные, так и нелинейные зависимости между анализируемыми показателями. Увеличение содержания гумуса и кислоторастворимых форм железа в почве способствуют связыванию ТМ в труднодоступные для растений органо-минеральные комплексы. Методом нелинейной регрессии установлено, что кобальт находится в исследуемой почве преимущественно в составе органо-минеральных комплексов (гумуса), а свинец поглощается гидроморфными соединениями железа. Более того, выявлены нелинейная зависимость между подвижностью марганца и кислотораство-римыми формами железа. Так, влияние железа на сорбцию марганца неоднозначно: при увеличении его концентрации до 55 г/кг отмечается поглощение подвижных форм марганца гидроморфными соединениями железа, а свыше этой концентрации сорбция марганца железом падает.
Таким образом, в целом минеральные удобрения не могут служить существенным источником загрязнения почвы ТМ, так как даже на фоне тройных доз удобрений накопление ТМ наступит через несколько тысячелетий. Для кадмия этот срок наступит через 65715 лет, а для свинца - 887333,3 лет.
Литература
1. Орлов Д.С., Безуглова О.С. Биогеохимия. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. - 320 с.
2. Черников В.А., Алексахин P.M., Голубев А.В. и др. Агроэкология. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
3. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. - Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2003. - 1028 с.
4. Шеуджен А.Х., Столяров А.И., Леплявченко Л.П., Громова Л.И., Суетов В.П. и др. Влияние доз и сочетаний минеральных удобрений на урожайность и качество сельскохозяйственных культур, возделываемых на черноземе выщелоченном Западного Предкавказья / Тр. КубГАУ - 431 (459) - 2008. - С. 48-59.
1840 С ЮБИЛЕЕМ, АКАДЕМИЯ 2010
Этапы большого пути Белорусской ордена Трудового Красного Знамени и ордена Октябрьской Революции государственной сельскохозяйственной академии
1836 г. - Царь Николай I подписал Указ об учреждении в местечке Горки Могилевской губернии Горыгорецкой Зем-
ледельческой Школы.
1837 г. - Состоялась торжественная закладка Главного корпуса.
1848 г. - Высший разряд школы преобразован в Горыгорецкий земледельческий институт. 1864 г. - За участие студентов и преподавателей в восстании 1863-1864 гг. институт был закрыт. 1919 г. - Решением Коллегии Наркомпроса РСФСР институт в Горках был восстановлен.
1925 г. - Решением Совета Народных Комиссаров БССР были объединены Минский и Горецкий сельхозинституты и
образована Белорусская сельскохозяйственная академия. 1940 г. - За большие заслуги в деле подготовки специалистов сельского хозяйства и развитии науки вуз награжден
орденом Трудового Красного Знамени. 1945 г. - Институт в Горках возобновил свою работу.
1948 г. - Постановлением Совета Министров СССР институт был преобразован в Белорусскую сельхозакадемию. 1976 г. - За успехи в подготовке специалистов и вклад в развитие аграрной науки БГСХА награждена орденом Октябрьской Революции.
1995 г. - Состоялось торжественное собрание, посвященное 155-летию БГСХА. В нем участвовал Президент Беларуси А.Г. Лукашенко. Он вручил коллективу Памятный знак имени Франциска Скорины. 2000 г. - В торжествах, посвященных 160-летию академии, принимал участие Глава государства А.Г. Лукашенко. 2004 г. - Учебно-опытное хозяйство академии отметило 160-летие со дня образования. 2010 г. - Вуз получил Сертификат соответствия системы менеджмента качества международного стандарта.
