CC BY
16АГРОЭКОЛОГИЯ
УДК 631.811.94
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ПРОРОСТКОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В ПСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Т.В. Шайкова, к.с.-х.н., Е.С. Волкова, Псковский НИИСХ
Установлено изменение содержания подвижных соединений тяжелых металлов (меди, цинка, свинца и кадмия) в дерново-карбонатной почве по годам. Проведена сравнительная оценка последствий загрязнения с использованием методов атомно-абсорбционного анализа и биотестирования.
Ключевые слова: система удобрения, дерново-карбонатная почва, тяжелые металлы, атомно-абсорбционный метод, метод проростков, физиологические процессы.
Химическое загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) снижает урожай и качество сельскохозяйственной продукции. На Северо-Западе России имеется ряд крупных источников ТМ: авто- и железнодорожный транспорт, топливосжигающие предприятия (тепловые станции, котельные), полигоны бытовых отходов и др. Поступая из атмосферы на поверхность почвы, ТМ подвергаются трансформации и переходят в состав различных почвенных фракций [1]. В карбонатных почвах, в условиях нейтральной реакции почвенного раствора, ТМ со временем образуют малорастворимые соединения. Негативное влияние ТМ на растения в таких почвах может повышаться или понижаться в зависимости от накопления или снижения подвижных соединений токсикантов. Известно, например, что внесение минеральных удобрений усиливает мобилизацию ТМ [2]. Органические удобрения, в частности навоз, обладают протекторными свойствами. Однако, есть основания утверждать, что органические удобрения, способствуя накоплению органических кислот специфической и неспецифической природы, действуют как агенты выветривания [3, 4]. При этом происходит образование металлорганических комплексов, мобильность которых зависит от свойств металлов и органических кислот, а также от их концентрации [5].
Исследование последствий загрязнения сельскохозяйствен-
ных земель ТМ при использовании различных систем удобрения в настоящее время очень актуально и вызывает научный интерес. Тяжелые металлы, загрязняя почву, остаются в ней длительное время, что приводит к значительному экономическому ущербу и нарушению почвенного плодородия.
Цель исследований - оценить влияние различных систем удобрения на токсичность соединений ТМ в дерново-карбонатной почве, используя результаты двух методов: атомно-абсорбционного и метода проростков.
Методика. Исследования по изучению влияния свойств почвы на трансформацию ТМ в системе почва - растение проводили в полевом мелкоделяночном опыте, заложенном в 1995 г. в Печорском районе Псковской области. Опыт был восстановлен в 2003 г. с целью изучения влияния минеральных и органоминеральных систем удобрения на урожайность и гигиеническое качество клубней картофеля и кормовых корнеплодов, возделываемых на дерново-карбонатной почве в условиях загрязнения почвы ТМ.
Почва опытного участка - дерново-карбонатная типичная легкосуглинистая, с хорошо выраженным гумусовым горизонтом комковато-глыбистой структуры, укороченным профилем (50 см), сформированным на плотном известняке («плите»). Агрохимическая характеристика почвы опытного участка: рНКа -7,0-7,2, Нг-0,53 мг-экв/100 г, Р205 и К20 (по Мачигину), соответственно, 28,0 и 93,0 мг/100 г, Сорг -1,3%.
Опыт проводился в 3- кратной повторности. Соли ТМ были внесены в год закладки опыта (1995) однократно для создания модели техногенного загрязнения почвы в количествах, соответствующих 300 мг/кг меди, 500 цинка, 100 свинца и 5 мг/кг кадмия.
Исследования проводили по следующей схеме:
ВАРИАНТ ОПЫТА
1 2 3 4 5 6 7
Картофель *
Контроль Х^РбиК^, М85Р6оК8о+ТМ М85РбоК8о+ТМ + + навоз, 30 т/га М85РбоК8о+ТМ + навоз, 60 т/га М85РбоК8о+ТМ + навоз, 90 т/га N17,^120X1«,+ТМ
Кормовая свёкла * *
Контроль ^гоРмоКно ^ЛЛ« + ТМ ^гоРмоКно + + ТМ + навоз, 30 т/га ^гоРмоКно + ТМ + навоз, 60 т/га ^гоРмоКно + ТМ + навоз, 90 т/га М24оР28оК280+ТМ
*В 1995-1999 гг. под картофель вносили аммиачную селитру, суперфосфат простой гранулированный и сульфат калия. "Под кормовую свёклу вносили аммиачную селитру, суперфосфат простой гранулированный и калийную соль.
При изучении влияния загрязнения ТМ на урожай и качество продукции, а также на плодородие почвы, в 2003-2007 гг. использовали в качестве минерального удобрения азофоску в дозах МбоРбоКбо и ^2ОР12ОК120-
Для определения фоновых концентраций меди, цинка свинца и кадмия в изучаемой почве проведены анализы на содержание металлов по методикам, утвержденным ЦИ-НАО: валовое содержание - при кипячении в 5 н. НЬГО3 с пероксидом водорода (Н202); содержание кислотораствори-мых форм - в 1 н. НЬГОз, содержание подвижных форм - в ацетатно-аммонийном буферном растворе с рН 4,8 (ААБ с рН 4,8) [6]. Концентрацию металлов в вытяжках из почвы и растений определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Квант-АФА» с дейтериевым корректором фона, имеющим предел обнаружения и характеристические концентрации: медь - 0,002 и 0,07 мг/л; цинк - 0,002 и 0,03;
свинец - 0,01 и 0,05; кадмий - 0,0001 и 0,005 мг/л соответственно. Аналитические работы проводили в двух повторно-стях.
Содержание подвижных соединений металлов в почве оценивали в соответствии с «Классификацией почв по содержанию и степени загрязнения подвижных форм ТМ, мг/кг воздушно-сухой почвы в ААБ рН 4,8» (Обухов, 1992). Суммарный показатель загрязнения определяли по формуле: гс = (К[ + К2 + ... + КО - (п-1)/п, К1Д3..= С1)2)3 [ / Сф, , где К - коэффициент концентрации металла;
С; - фактическое содержание металла в почве, мг/кг; Сф _ содержание металла в незагрязненной почве, мг/кг; п - количество исследуемых элементов. Методом проростков вики посевной яровой сорта Немчи-новская 72 определяли токсичность соединений ТМ [5]. Семена вики проращивали в стерильных чашках Петри на фильтровальной бумаге, сложенной в три слоя и увлажненной до полной влагоемкости водной вытяжкой из образцов почвы, отобранных в 2003 и 2005 г. Водные вытяжки готовили при соотношении 20 г почвы / 50 мл бидистиллирован-
ной воды. Суспензию оставляли на 24 ч, затем фильтровали. В каждую чашку Петри помещали по 25 семян, накрывали увлажненным листом фильтровальной бумаги и ставили в термостат при 1=25-27°С. Ежедневно в чашки добавляли по 2 мл дистиллированной воды. Энергию прорастания определяли через 3 сут, всхожесть - через 5 сут [7]. Токсичность почвы оценивали по отношению к контрольному варианту (показатели которого принимали за 100%) в соответствии с градацией: 100% - нет токсичности, 80-90 - очень слабая, 60-80 - слабая, 40-60 - средняя, 20-40 - высокая, 0-20% -очень высокая.
Результаты исследований обработали методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову.
Результаты и их обсуяедение. До закладки опыта содержание подвижных соединений металлов (ААБ рН 4,8) соответствовало фоновым концентрациям в данной геохимической провинции: медь - 0,15 мг/кг почвы (3% от валового
0,04 мг/кг почвы (15%о). Содержание прочно фиксированных соединений в почве до закладки опыта: кадмий - 76,8%) от валового, цинк - 78,6, медь - 44,7, свинец - 24%о.
В соответствии с «Классификацией почв по содержанию и степени загрязнения подвижных форм ТМ, мг/кг воздушно-сухой почвы в ААБ рН 4,8», содержание подвижных соединений металлов в 1995 г. после загрязнения (Си - 240,1 мг/кг, 7л - 363,8, РЬ - 54,6, Сс1 - 5,27 мг/кг почвы) соответствовало очень сильному загрязнению почвы медью, цинком и кадмием и сильному - свинцом. За первые пять лет исследований в результате загрязнения, в среднем за год, недополучено 7,5 ц кормовых единиц (КЕ) с 1 га, при НСР05 3,2 ц КЕ/га. Применение навоза на протяжении данного периода было малоэффективно. Потери урожая составили, в среднем за год, 3,3 ц КЕ/га.
Содержание подвижных соединений меди, цинка, свинца
и
содержания), цинк - 0,64 (3%), свинец - 0,52 (7%), кадмий -
кадмия при изучении последствий загрязнения дерново-карбонатной почвы представлено в таблице 1.
1. Содержание подвижных соединений металлов в почве (ААБ рН 4,8) и суммарный показатель загрязнения
Вариант опыта Год исследования Содержание в почве, мг/кг Zc
Си Zn РЬ Cd
Контроль 2003 1,6 10,6 3,8 0,42 42,0
2005 2Д 10,6 4,0 0,32 43,3
№К - фон чистый 2003 4,7 19,2 6,9 0,82 92,1
2005 5Д 19,6 6,5 0,50 86,6
ОТК+ТМ-фон загрязненный 2003 24,9 76,0 15,8 2,17 366,4
2005 16,0 47,1 9,9 0,88 218,3
№К+ТМ+ навоз 30 т/га 2003 21,3 75,5 22,1 2,47 361,2
2005 16,5 55,8 19,6 1,21 262,1
№К+ТМ+ навоз 60 т/га 2003 19,7 78,9 18,6 2,29 344,6
2005 11,3 55,8 14,2 1,11 214,6
№К+ТМ+ навоз 90 т/га 2003 18,2 79,0 23,8 2,28 344,5
2005 9,3 50,9 13,9 0,97 189,5
2№К+ТМ 2003 25,6 83,6 21,5 2,43 400,4
2005 17,3 57,3 16,7 1,09 261,2
НСР05 2,2 6,0 3,3 0,2
Содержание в естественной почве 0,15 0,64 0,52 0,04
пдк 3,0 23,0 6,0
2. Степень токсичности почвы по показателям развития вики посевной, % к контролю
ЭП В Мюо ДП
Вариант опыта Год % к контролю Токсичность % к контролю Токсичность % к контролю Токсичность % к контролю Токсичность
Контроль 2003 100 - 100 - 100 - 100 -
2005 100 - 100 - 100 - 100 -
ОТК+ ТМ 2003 87,0 Оч. слабая 91,2 оч сл 23,9 Высок 23,7 Высокая
2005 103,7 - 89,8 оч сл 113,4 - 102,4 -
№К+ТМ+ 2003 87,0 Оч. слабая 110,5 - 70,1 Слабая 68,6 Слабая
навоз, 30 т/га 2005 72,9 Слабая 93,1 оч сл 43,3 Средняя 42,7 Средняя
ОТК+ ТМ+ 2003 100,0 - 105,3 - 22,4 Высокая 20,7 Высокая
навоз, 60 т/га 2005 92,2 - 81,3 оч сл 103,0 - 78,0 Слабая
№К+ТМ+ 2003 108,5 - 108,8 - 125,4 - 117,1 -
навоз, 90 т/га 2005 92,2 Оч. слабая 98,2 - 107,5 - 71,4 Слабая
2№К+ТМ 2003 69,4 Слабая 94,7 оч сл 32,8 Высокая 36,6 Высокая
2005 100,0 - 101,7 - 67,2 Слабая 58,2 Средняя
В 2003 г. содержание подвижных соединений металлов в варианте №К+ТМ (Си - 24,9 мг/кг, Zn - 76, РЬ - 15,8, Сс1 -2,17 мг/кг почвы) соответствовало среднему загрязнению почвы для всех исследуемых металлов, суммарный показатель загрязнения составил 91,6 ед. Максимальное значение Ъч (400,4) установлено при использовании в предыдущем опыте двойной дозы №К, минимальное (344,5) - при внесении навоза.
В 2005 г. содержание подвижных соединений металлов в варианте №К+ТМ (Си - 16,0 мг/кг, Zn - 47,1, РЬ - 9,9, Сс1 -0,88 мг/кг почвы) соответствовало среднему загрязнению почвы медью и слабому - цинком, свинцом и кадмием. Значение Ъч снизилось до 218,3 ед. в сравнении с 2003 г. Использование суммарного показателя загрязнения в опыте позволило выявить наиболее эффективную систему удобрения для снижения содержания подвижных соединений металлов в почве. Минимальное значение Кс установлено при
использовании №К+навоз, 90 т/га - 189,5, что на 155 ед. ниже уровня 2003 г. Наименее эффективным было использование системы №К + навоз, 30 т/га, применение которой привело к снижению Кс только на 99,1 ед.
Изучение последствий загрязнения дерново-карбонатной почвы ТМ показало, что при использовании двойных доз №К, а также, органоминеральной системы удобрения с дозой навоза 30 т/га, содержание подвижных соединений металлов снижается медленнее, следовательно, уровень загрязнения почвы остается более высоким. Кроме того, в варианте №К+ТМ всего за 2003-2007 гг. недополучено 29,3 ц КЕ/с га, агрономическая эффективность внесения 30 т/га навоза на загрязненных делянках составила 91,0 ц КЕ/га; 60 т/га -131,6 ц КЕ/га; 90 т/га - 143,5 ц КЕ/га.
Оценка степени токсичности соединений ТМ в дерново-карбонатной почве представлена в таблице 2. В контрольном варианте установлены следующие значения определяемых по-
казателей: энергия прорастания семян (ЭП) - 31% (вытяжка 2003 г.) и 35% (вытяжка 2005 г.); всхожесть (В) - 76 и 79%; масса 100 проростков (ММо) - 6,1 и 5,8 г; длина проростков -55,5 и 68,7 мм соответственно. Данные значения при проведении оценки токсичности соединений ТМ были приняты за 100 %. Все показатели приведены в процентах по отношению к контрольному варианту. Токсичность почвы варианта ИРК+ТМ, отобранной в 2003 г, оценена как очень слабая по таким показателям, как энергия прорастания и всхожесть. В то же время, по длине и массе проростков исследуемая почва имела высокую степень токсичности. Почва вышеуказанного варианта, образцы которой отобраны в 2005 г., не проявляла токсичных свойств согласно параметрам энергии прорастания, массе и длине проростков.
Применение систем удобрения с двойными дозами №К, при использовании образцов почвы 2003 г., способствовало высокой степени токсичности, о чем свидетельствовали показатели биомассы и длины проростков. Использование образцов почвы, отобранных в 2005 г., при исследовании длины проростков выявило среднюю степень токсичности. Таким образом, систематическое применение органоминераль-ных систем с различными дозами навоза показало, что почва, в которую вносили навоз в дозе 30 т/га, сохраняла токсичность. Со временем она возрастала. Токсичность почвы, в которую вносили навоз в дозе 60 т/га, изменялась с высокой до слабой. Почва, в которую вносили навоз в дозе 90 т/га, не обладала токсичными свойствами на начальном этапе исследований. Однако, исследование длины проростков в динамике выявило присутствие слабой степени токсичности почвы данного варианта.
Значения коэффициентов корреляции представлены в таблице 3.
Такие параметры, как энергия прорастания и всхожесть менее информативны, потому что на начальных этапах прорастания и поглощения раствора семенами влияние исследуемых факторов на основные физиологические и биохимические процессы менее интенсивно, чем в период быстрого роста. На это указывает слабое взаимодействие между изучаемыми параметрами. Коэффициенты корреляции, рассчитанные с использованием значений массы и длины проростков и содержания подвижных соединений меди, цинка, кадмия в почве и суммарного показателя загрязнения, показали, что между данными критериями существует отрицательная взаимосвязь средней степени.
3. Коэффициенты корреляции загрязнения почвы _с параметрами биотеста_
Показатель Си Zn Pb Cd Zc
ЭП -0.43 -0.33 -0.37 -0.31 -0.39
Всхожесть семян 0.06 0.14 0.29 0.34 0.16
Мюо -0.63 -0.50 -0.39 -0.53 -0.57
Длина проростков -0.62 -0.55 -0.42 -0.50 -0.58
Заключение. При производстве сельскохозяйственной продукции вблизи крупных источников загрязнения тяжелыми металлами, обязательным приемом является научно обоснованное применение удобрений.
Использование суммарного показателя загрязнения (Zc) позволило выявить наиболее эффективную систему удобрения для снижения содержания подвижных соединений металлов в почве: NPK + навоз, 90 т/га. Однако, в ходе биотестирования в динамике установлена слабая токсичность соединений ТМ. Внесение NPK + навоз, 60 т/га способствовало уменьшению суммарного показателя загрязнения, при этом токсичность соединений ТМ снижалась. Применение орга-номинеральной системы удобрения с дозой навоза 30 т/га оказалось наименее эффективным, токсичность соединений ТМ при этом в динамике возрастала.
Метод биотестирования техногенно загрязненной ТМ дерново-карбонатной почвы можно применять для проведения экологической экспертизы, прогнозирования последствий при использовании различных систем удобрения на почвах с высоким валовым содержанием ТМ, так как он достаточно простой, незатратный и способен дать реальную оценку состояния почв. Литература
1. Орлов Д.С. Химия почв,- М.: Изд-во МГУ. 1992. - 376 с.
2. Карпова Е.А. Влияние длительного применения минеральных удобрений на состояние железа и тяжёлых металлов в дерново-подзолистых почвах // Почвоведение,- 2006. -№ 9. - С. 1059-1067.
3. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. -JL: Наука, 1980. -288 с.
4. Кауричев U.C., Карпухин АЛ.. Яшин II.AÍ. Системное исследование комплексных соединений органических веществ почв // Тез. IV съезда Докучаевского общ-ва почвовед. Т. 2. - Новосибирск. - 2004.
54 с.
5. Степанова М.Д. Микроэлементы в органическом веществе почв,-Новосибирск: Наука, 1976.
6. Методические указания по проведению анализов почв. - С-Пб. -Пушкин. - 1995. - С. 48.
7. ГОСТ 12038-84. Семена с.-х. культур. Методы определения всхожести.
COMPARATIVE CHARACTERIZATION OF THE SEEDLINGS METHOD FOR ASSESSING THE CHEMICAL CONTAMINATION OF
CALCAREOUS SOILS WITH HEAVY METALS IN PSKOV OBLAST T. V. Shaykova, E.S. Volkova Pskov Research Institute of Agriculture, Russian Academy of Agricultural Sciences ill Mira 1, Rodina, Pskov raion, Pskov oblast, 180559 Russia E-mail: echepurkina@gmaiLcom, pniish(a>ellinkru
Changes in the contents of mobile heavy metals (copper, zinc, lead, and cadmium) in the calcareous soil among the years have been revealed. The comparative estimation of the pollution consequences has been performed with the use of atomic-absorption analysis and biotesting.
Keywords: fertilizing system, soddy-calcareous soil, heavy metals, atomic-absorption analysis, seedlings method, physiological proc-
