Региональные особенности содержания кадмия и цинка в почвах Омской области Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

АГРОЭКОЛОГИЯ

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ КАДМИЯ И ЦИНКА

В ПОЧВАХ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ

А.В. Синдирева1, к.с.-х.н., В.М. Красницкий2, д.с.-х.н., Ю.И. Ермохин1, д.с.-х.н., 1Омский ГАУ,

2 Центр агрохимической службы «Омский»

Изучено содержание и распределение кадмия и цинка в основных типах почв Омской области. Установлена взаимосвязь содержания кадмия, цинка с основными агрохимическими показателями почвы: гумусом, рН, макро- и микроэлементами.

Ключевые слова: тяжелые металлы, почва, Омская область, гумус, рН, микроэлементы.

Содержание микроэлементов в почве различно для каждого региона и зависит от основных свойств почв, а также от количества в почве органических веществ, биологического круговорота элементов и других показателей, которые определяются как природными, так и антропогенными факторами. В исследованиях [1,2,6,7] установлены основные антропогенные источники поступления тяжелых металлов в почву с учетом региональной специфики Омской области, определена роль минеральных и органических удобрений в изменении уровня микроэлементов. Исследованиями, проведенными ФГУ ЦАС «Омский», доказано, что Омская область, хотя и является регионом с высоким техногенным прессингом в силу сложившейся инфраструктуры промышленности, имеет гораздо меньшую техногенную нагрузку на почву вблизи города и в целом на сельскохозяйственные агроценозы. Уровень содержания валовых кислоторастворимых форм тяжелых металлов в почвах Западно-Сибирского региона невысок и в среднем не превышает 0,5 ПДК по каждому из элементов. При данном уровне применения средств химизации и сегодняшней техногенной нагрузке, заметного увеличения их в почве не наблюдается [1]. В то же время озабоченность вызы-

вают почвы пригородных зон, а также расположенные на территории техногенных эмиссий (золоотвалы, автомагистрали, промышленные выбросы города). В работах [2,3] подчеркивается загрязнение тяжелыми металлами данных почв.

Известно, что каждый регион имеет свои особенности накопления и распределения тяжелых металлов в почвах. В Омской области в почвах преобладают Pb, Cd, Cu, Zn, Cr, Ni, Co [4]. В связи с этим необходим мониторинг содержания перечисленных элементов в почвах региона.

Цель наших исследований - проанализировать содержание кадмия и цинка в основных типах почв Омской области.

Методика. При анализе содержания тяжелых металлов использовали материалы ФГУ ЦАС «Омский» по обследованию пахотных почв Омской области. Объект исследования -пахотный горизонт, так как при антропогенном поступлении микроэлементы концентрируются в приповерхностном слое (в отличие от почв геохимически аномальных), большинство из них фиксируется в гумусовом горизонте. Кроме того, именно микроэлементы, сконцентрированные в пахотном горизонте, включаются в трофическую цепь. Тяжелые металлы определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии. При оценке содержания подвижных форм тяжелых металлов в качестве экстрагента использовали ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8. Физико-химические свойства почв определяли общепринятыми методами. Агрохимическая характеристика исследуемых почв представлена в таблице 1. Результаты обрабатывали статистически с использованием программы Microsoft Excel.

1. Характеристика почв Омской области (по данным ФГУ ЦАС «Омский»)

Тип, подтип почвы Гранулометрический состав Гумус, % Подвижные формы, мг/кг рН Нгидр Обменные формы Сумма погл. оснований Азот, мг/кг

Р К Са2+ 1 Mg2+ | Na+ нитратный аммиачный

мг-экв/100г почвы

Подзолистая, дерново-подзолистая Среднесуглинистый 1,025,89 40-84 40-89 5,05,1 1,626,06 4,217,3 1,2-3,2 0,2-0,5 7,5-30,6 12,4-20,3 1,9-9,6

Серая лесная, светло-серая >> 2,302,53 83-200 65117 5,25,4 2,923,59 13,518,0 2,1-3,1 0,4 23,7-24,6 10,6-18,3 3,2-7,6

Серая лесная, темно-серая >> 5,42 68 114 5,6 3,27 24,2 6,0 0,6 46,8 11,0 16,0

Лугово-черноземная Тяжелосуглинистый 3,616,28 100153 138341 5,97,4 0,351,53 15,521,4 3,446,50 0,250,99 31,6-47,0 3,9-9,9 1,8-5,4

Солонец средний лугово-черноземный Легкоглинистый 5,105,75 72-125 123287 5,76,7 1,102,11 14,619,5 1,039,93 0,353,88 40,2-46,4 1,7-4,0 2,6-3,4

Чернозем выщелоченный Среднесуглинистый 4,216,09 64-165 96112 5,35,9 1,354,81 12,417,4 2,5-3,9 0,270,5 28,4-35,8 4,3-16,3 4,3-14,8

Чернозем обыкновенный Тяжелосуглинистый 2,266,64 73-136 102341 6,47,3 0,241,18 10,522,3 2,625,71 0,11,14 17,2-45,1 2,9-5,7 1,4-6,7

Чернозем южный >> 3,363,38 97-105 200258 7,27,3 0,260,27 18,921,5 2,845,13 0,400,66 37,0-37,2 5,0-5,6 1,8-2,4

Результаты и их обсуждение. Содержание кадмия в различных типах почв приведено в таблице 2.

В обзорной работе [5] указано, что фоновые уровни кадмия в почвах не превышают 0,5 мг/кг, а все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание кадмия в верхнем слое почвы. Из представленных выше данных, следует, что доля техногенного вклада в изменение содержания валового кадмия в исследуемых почвах не высока.

При оценке валового содержания кадмия необходимо установить вклад гумуса и глинных минералов в накопление этого элемента.

В работе [6] показано, что кадмий активнее связывается гумусовым веществом, чем глинно-минеральными комплексами, поскольку С^элемент с координационным числом >6 не может занимать октаэдрические позиции в глинных минералах, так как обладает высоким ионным радиусом. Гумус же по отношению к тяжелым металлам обладает высокой депонирующей способностью: помимо обменного поглощения гумусовые кислоты могут образовывать с тяжелыми металлами комплексные органоминеральные соединения. Однако, как отмечает В.Б. Ильин, в природных условиях долевое участие ила и гумуса в накоплении какого-либо металла может

значительно меняться [6]. Зависимость «гумус - кадмий» в вого содержание кадмия. Однако более высокий коэффициент

исследуемых почвах представлена на рисунке 1. корреляции отмечен при рассмотрении взаимосвязи «физиче-

Из рисунка 1. видно, что существует положительная кор- ская глина - кадмий» (рис. 2). реляция между накоплением гумуса в почве и уровнем вало-

2. Содержание кадмия в основных типах почв Омской области

Тип, подтип почвы Содержание кадмия, мг/кг Соотношение подвижно-

Подвижная форма, Х ±Sd lim Валовое содержание, Х ±Sd lim го и валового содержания кадмия, %

Дерново-подзолистая среднесуглинистая 0,043± 0,01 0,035-0,051 0,26±0,11 0,18-0,33 16,5

Светло-серая лесная среднесуглинистая 0,031± 0,001 0,03-0,032 0,35±0,18 0,22-0,48 8,86

Темно-серая лесная среднесуглинистая 0,044± 0,01 0,0420,046 0,33±0,06 0,30,37 13,3

Лугово-черноземная тяжелосуглинистая 0,074± 0,01 0,054-0,1 0,49±0,08 0,35-0,65 15,1

Солонец лугово-черноземный легкосуглинистый 0,085± 0,021 0,06-0,11 0,49±0,08 0,38-0,52 17,3

Чернозем выщелоченный среднесуг-линистый 0,058± 0,027 0,042-0,09 0,45±0,087 0,35-0,50 14,5

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый 0,080± 0,016 0,06-0,1 0,43±0,11 0,24-0,52 12,9

Чернозем южный тяжелосуглинистый 0,105± 0,021 0,09-0,12 0,55±0,09 0,48-0,61 19,1

ПДК - 2,0

кадмием и гумусом (г= +0,61), а также подвижным калием (г=+0,5).

Отрицательная взаимосвязь отмечена в паре нитратный азот - кадмий (г=-0,7), подвижный фосфор-кадмий (г=-0,81). Таким образом, исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что с изменением данных показателей возможна трансформация содержания подвижных форм кадмия, следовательно, увеличение (снижение) доступности этого элемента для растений. Естественно, на мобильность химического элемента влияет комплекс факторов, особенно если рассматривать различные типы почв с многообразным уровнем антропогенного воздействия. Поэтому в наших исследованиях особое внимание обращалось на взаимосвязи данных показателей в определенных типах почв, наиболее распространенных в земледелии Омской области (лугово-черноземных, черноземах). Полученные коэффициенты корреляции взаимосвязи основных физико-химических факторов и подвижного кадмия в конкретном типе почв отличаются от полученных обобщенных показателей по всем почвам Омской области. Так, взаимосвязь в паре гумус-кадмий в почвах черноземного ряда характеризуется более низким коэффициентом корреляции, составляющим 0,42-0,49. В то же время расчеты показывают, что на содержание подвижного кадмия в черноземных почвах влияют такие свойства почвы как содержание физической глины и ила, а также обменные формы натрия, магния и кальция, подвижный фосфор.

Особый интерес представляет взаимовлияние мобильности в почве кадмия и других микроэлементов, наиболее важных с точки зрения экологии почв, а также физиологии и токсичности для растительного организма. Установлена достоверная положительная взаимосвязь в парах Pb-Cd, As-Cd при анализе данных по всем типам почв Омской области, а в черноземах также и в паре Cu-Cd. Увеличение подвижности таких микроэлементов как цинк и молибден способствует снижению мобильности кадмия. Неоднозначны взаимоотношения кадмия с кобальтом и марганцем: при рассмотрении основных типов почв отмечена тесная отрицательная взаимосвязь между содержанием подвижных форм этих микроэлементов, однако в черноземных почвах наблюдалась тенденция к синергизму в парах Cd-Co, Cd-Mn.

Установлена положительная взаимосвязь между Cd-Cr, Cd-Ni в почвах черноземного ряда (соответственно r=+0,44, +0,51), для лугово-черноземной почвы в паре Cd-S. При обобщении данных выявлена слабая положительная взаимо-

0,7

К и 0,6

м

да X 0,5

ог

го m о ¡с 0,4

m гм 0,3

е

и 0,2

нажр е 0 1

едо

С 0

y = 0,0381x + 0,2606 R2 = 0,1739 (г=0,42)

2 3 4 5

Содержание гумуса,%

Рис. 1. Зависимость валового содержания кадмия от количества гумуса в пахотном горизонте почв

Согласно представленным в таблице 1 данным, содержание подвижных форм кадмия в основных почвах Омской области колеблется от 0,03 до 1,2 мг/кг, что составляет 8,86-19,1 % от валового содержания микроэлемента. Наибольшее его содержание отмечено в почвах черноземного ряда: чернозем выщелоченный - лугово-черноземная почва - чернозем обыкновенный - чернозем южный. Установлена зависимость между содержанием валового кадмия и его подвижных форм, которая характеризуется коэффициентом корреляции (г), равным 0,6: Cd подвижный г = 0,13 Cd валовый г= + 0,013.

0,7

к

1 W

I °,5

S 12 0,4

¡5 |

Ш5 0,

7 -, 6 -5 -4 -3 -0,2 -

0,1 -0

Содержание физической глины (<0,01),%

Рис. 2. Зависимость валового содержания кадмия от количества физической глины в пахотном горизонте почв

Была проанализирована взаимосвязь содержания подвижных форм кадмия с основными физико-химическими свойствами почвы. Положительная взаимосвязь отмечена между

0

6

7

связь Cd-F. Не установлена взаимосвязь подвижных форм кадмия и ртути, а между бором и кадмием отношения синергизма сменяются антагонистическими при содержании кадмия 0,1 мг/кг. Имеющаяся взаимосвязь содержания валового и подвижного кадмия с другими макро- и микроэлементами позволяет сделать вывод о том, что дополнительное антропогенное поступление химических элементов может существенно

изменить сложившийся баланс элементов в почве за счет реакций, протекающих в почвенном поглощающем комплексе.

Почвы Омской области (табл. 3) характеризуются неоднозначным распределением цинка.

Аналогично кадмию и никелю, валовое содержание цинка имеет положительную корреляцию с уровнем гумуса, физической глины и ила (рис.3).

3. Содержание цинка в основных типах почв Омской области

Тип, подтип почвы Содержание цинка, мг/кг Соотношение подвиж-

Подвижная Нш Валовое Нш ного и валового содер-

форма, содержание, жания цинка, %

Х ±Sd Х ±Sd

Дерново-подзолистая средне- 2,28±0,39 2,0-2,55 28,4±6,9 23,5-33,3 8,03

суглинистая

Светло-серая лесная 4,44±0,16 4,33-4,55 44,5±8,49 38,5-50,5 9,98

среднесуглинистая

Темно-серая лесная 1,25 1,25 35,4 35,4 3,53

среднесуглинистая

Лугово-черноземная 0,31±0,05 0,23-0,37 58,34±6,28 50,4-68,2 0,53

тяжелосуглинистая

Солонец 0,31±0,05 0,24-0,38 58,58±9,8 43,5-69,4 0,53

лугово-черноземный

легкосуглинистыи

Чернозем 2,25±0,35 2-2,5 44,25±10,75 33,5-55,0 5,08

выщелоченный

среднесуглиннстый

Чернозем обыкновенный 0,30±0,05 0,25-0,36 33,48±14,48 31,8-61,4 0,89

тяжелосуглинистый

Чернозем 0,25 0,25 59,5±3,11 57,3-61,7 0,42

южный тяжелосуглинистый

ПДК 23 220

0 1 2 3 4 5 6 7

Содержание гумуса, %

80

._ 70 ¡Й Л»

5 60

2 50

X 5 40 ♦

§ 30 V 4

| 20 у = -0,024х2 + 2,73х - 18,7

110 Я2 = 0,6,п=0,77

0 10 20 30 40 50 60 70

Содержание физической глины

(<0,01 мм), %

£ 60.

га" 12

I ^

Ф |

о*

О 0.1

Л'

у = -0,11х2 + 6,57х - 35,7 Я2 = 0,66, п=0,81

Содержание ила (<0,001мм),

%

Рис.3. Зависимости валового содержания цинка от количества гумуса, физической глины и ила в пахотном горизонте почв

Согласно представленным данным, между уровнем цинка и содержанием физической глины, ила в почвах существует квадратичная зависимость. Можно предположить, что, начиная со среднего гранулометрического состава коэффициент корреляции между уровнем физической глины (ила) и содержанием цинка снижается, так как прекращается промывание карбонатов, и как следствие, уменьшается количество цинка.

Соотношение подвижного и валового цинка изменяется от 0,53 до 9,98%. Необходимо отметить, что не установлена достоверная положительная взаимосвязь валового и подвижного гп. Это указывает на то, что на подвижность цинка влияют различные физико-химические свойства почвы, а также природно-климатические условия.

Высокое содержание подвижных металлов чаще всего имеют почвы, обладающие большим потенциальным запасом органического вещества. Однако в некоторых случаях, например с цинком, эта закономерность не проявляется. Наиболее низким как относительным, так и абсолютным содержанием подвижного цинка характеризуются лугово-черноземная почва и чернозем обыкновенный, что объясняется природными особенностями черноземов. Поэтому, как показывают

исследования, положительного эффекта от цинка следует ожидать на черноземах, особенно с рН > 6,8, в первую очередь, под индикаторные культуры [7,8] .

Ряд авторов обращают внимание на обратную взаимосвязь между цинком и уровнем рН. Нашими исследованиями установлено, что для почв Омской области коэффициент корреляции такой связи составляет г = -0,69, для лугово-черноземной почвы г = - 0,42, для черноземной почвы г = -0,84. Таким образом, подтверждается тот факт, что с увеличением кислотности почв растет подвижность цинка. Поскольку черноземные и лугово-черноземные почвы характеризуются более высоким уровнем рН, чем почвы северных зон Омской области, то и уровень подвижного цинка в них ниже. При рН почвы 6,0-7,0 наблюдается наименьшая подвижность цинка, а в щелочном интервале она вновь возрастает, что связано с образованием цинкатов.

Для почв черноземного ряда установлена достоверная положительная корреляция подвижного цинка и гумуса. Среди химических элементов положительная корреляция отмечена в парах Ыа-гп, Мо-гп, Б-гп, а отрицательная - Р-гп, Са-гп, Мв-ги, Cd-Zn, №-ги, РЪ-гп, Сг-ги, Аэ-гп, 8-ги, F-Zn. Из-

вестно, что отношения цинка с другими химическими элементами в основном антагонистические. В то же время установлены неоднозначные отношения цинка с никелем, медью, кобальтом. Очевидно, они зависят от типа почвы и других эдафических факторов.

Проведенные исследования показали, что в основных типах почв Омской области нет природных предпосылок к избытку таких тяжелых металлов как кадмий и цинк. Однако, как указывает В.Б. Ильин, межтиповые различия содержания микроэлементов в почвах по сравнению с его изменением под влиянием антропогенной деятельности «выглядят очень скромными» [6]. Хотя основные почвы пашни не загрязнены тяжелыми металлами, в работах [1,2,6] убедительно показано, что отдельные территории имеют высокий уровень загрязнения. К сожалению, ряд таких почв используют для производства растениеводческой продукции. В связи с этим необходим прогноз накопления и поведения С^ 2и в почвах. Полученные данные следует использовать при оценке содержания микроэлементов на территориях, подвергающихся антропогенному воздействию. Кроме того, установленные закономерности позволят предсказывать изменение химического

состава почв в случае дополнительного поступления исследуемых микроэлементов в почву.

Литература

1. Красницкий В.М. Агрохимическая и экологическая характеристики почв Западной Сибири.- Омск: ОмГАУ, 2002.-144 с.

2. Пархоменко Н.А., Ермохин Ю.И. Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе почва-растение вдоль автомагистралей в условиях лесостепи Омской области. - Омск: ОмГАУ, 2005.112 с.

3. Трошина Е.Н. Методология организации мониторинга отдельных факторов окружающей среды на основе оценки риска для здоровья населения Омска.- М.: ГЕОТАР-Медиа, 2010. -168 с.

4. Красницкий В.М. Агроэкотоксикологическая оценка агроценозов. Омск: ОмГАУ, 2001.- 68 с.

5. Каббата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях.- М: Мир, 1989.- 440 с.

6. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение.- Новосибирск: Наука, 1991.- 151 с.

7. Орлова Э.Д. Микроэлементы в почвах Омской области и применение микроудобрений.- Омск: ОмСХИ, 1989.- 60 с.

8. Склярова М.А. Диагностика и оптимизация цинкового питания кукурузы на лугово-черноземной почве Западной Сибири// дис. ...к.с.-х.н.- Омск, 2008.- 123 с.

REGIONAL FEATURES OF CADMIUM AND ZINC POOLS IN SOILS OF THE OMSK REGION

A. V. Sindireva1, V.M. Krasnitskii2, Yu.I. Ermokhin1 1Omsk State Agrarian University, Institutskaya pL 2, Omsk, 644008 Russia 2Omskii Center of Agricultural Service, pr. KoroLeva 34, Omsk, 644012 Russia

The contents and distributions of Cd and Zn in the main soil types of the Omsk region were studied. Correlations between the contents of Cd and Zn and the main agrochemicals properties of soils (humus, pH, macro- and microelements) were revealed. Keywords: heavy metals (Cd, Zn), soil, Omsk region, humus, pH, macro- and microelements.