CC BY
6
Содержание химических элементов в образцах почвы землепользования пос. Нагайбакский Челябинской области, мг/кг (п=10)
Химический элемент Почвенная площадка ПДК
ПП 1 ПП 2 ПП 3 ПП 4 ПП 5
Железо 1026,8±10,47 778,6±0,14 772,3±0,14 932,3±0,12 1200,2±0,11 4200,0
Медь 113,66±5,00 111,85±0,17 120,77±0,17 119,57±0,17 110,2±0,16 100,0
Цинк 176,3±0,22 168,66±0,16 189,57±0,16 161,34±0,16 115,2±0,13 110,0
Кобальт 9,48±0,16 9,86±0,11 18,9±0,13 9,82±0,11 9,59±0,10 50,0
Свинец 33,0±0,12 12,87±0,12 10,38±0,12 7,94±0,13 8,05±0,11 32,0
Марганец 851,2±0,11 1026,2±0,12 1331,5±0,11 1105,6±0,12 1202,2±0,10 1500,0
Кадмий 0,34±0,16 0,20±0,15 0,21±0,15 0,25±0,14 0,28±0,12 2,0
Никель 0,13±0,14 8,11±0,14 8,15±0,14 7,30±0,12 8,84±0,11 50,0
почвенных площадок концентрация цинка и меди превышала допустимые уровни (табл.). При этом самый высокий уровень цинка выявлен в почвах поля, где произрастает естественное разнотравье (ПП 3) — 58,02%, а самый низкий уровень цинка, превысивший ПДК на 4,72%, был выявлен в слое почвы поля, засеянного гречихой (ПП 5).
Аналогичная закономерность установлена и для меди, содержание которой в почве поля, где произрастает естественное разнотравье (ПП 3), превысило ПДК на 20,77%, а в почвах поля, где произрастает гречиха, — на 10,2%. На ПП 1 зафиксировано превышение свинца в 1,3 раза. Содержание в почвах никеля (0,18—8,84 мг/кг), кадмия (0,13—0,28 мг/кг) было в пределах оптимального для почвы уровня.
Таким образом, анализ результатов исследования и их сравнения с оптимальным содержанием химических элементов в почвах показал снижение доступности для растений кобальта и кадмия. Так, содержание кобальта в почвах полей под подсолнухом (ПП 1), донником (ПП 2), луговым разнотравьем (ПП 4), гречихой (ПП 5) составляло 9,48+0,16 мг/кг, 9,86+0,11 мг/кг, 18,19+0,13, 9,82+0,12 мг/кг и 9,59+0,10 мг/кг соответственно и находилось на нижней границе оптимального для растений уровня. Концентрация марганца и железа в почвах всех полей была ниже оптимальных значений в 1,9 и 4,5 раза соответственно.
Вывод. Проведённое исследование образцов почв, находящихся под кормовыми культурами, свидетельствует о высоком содержании цинка, меди, что, на наш взгляд, может быть связано с залежами медно-цинковых и никелевых руд.
Литература
1. Таирова А.Р., Сенькевич Е.В., Мухамедьярова Л.Г. Тяжёлые металлы в экологическом мониторинге // Молодость, талант, знания — ветеринарной медицине и животноводству: матер. Междунар. науч.-практич. конф. Т. 3. Троицк: УГАВМ, 2010. С. 368.
2. Фаткуллин Р. Р., Гизатуллина Ю.А. Тяжёлые металлы в трофической цепи «почва — растение — тело пчелы — продукция пчеловодства» как показатель загрязнения окружающей среды // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (66). С. 271—273.
3. Гуменюк О.А., Жаксыбаева М.У. Оценка техногенного воздействия ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» на объекты окружающей природной среды // Инновационные проекты студентов в биологии, экологии и зоотехнии: матер. междунар. студенч. науч.-практич. конф. Троицк: ФГБОУ ВПО «УГАВМ». 2014. С. 159-164.
4. Мещерякова Г.В., Ешпанова Ж.Е. Миграция тяжёлых металлов в биологических объектах пищевой цепи // Научно-производственный журнал «Наука». Костанай. 2014. № 4-1. С. 220-221.
5. Таирова А.Р., Шарифьянова В.Р., Ахметзянова Ф.К. Геохимическая оценка почв лесостепной зоны Южного Урала // Учёные записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. 2013. Т. 214. С. 412-416.
6. Фаткуллин Р.Р., Гизатуллина Ю.А. Оценка загрязнённости трофической цепи «почва - растение - тело пчелы - продукция пчеловодства» тяжёлыми металлами в условиях лесостепной зоны Южного Урала // Инновационные проекты студентов в биологии, экологии и зоотехнии: матер. междунар. студенч. науч.-практич. конф. Троицк: ФГБОУ ВПО «УГАВМ», 2014. С. 152-154.
Трансформационная способность свинца в агроценозах Оренбуржья
О.Я. Соколова, к.б.н., О.А. Науменко, к.м.н., Е.В. Бибар-цева, к.м.н., ФГБОУ Оренбургский ГУ; Т.Н. Васильева, к.б.н., Оренбургский НЦ УрО РАН
Антропогенное загрязнение экосистемы Оренбуржья приводит к дисбалансу биогеохимического элементного состава почвы и, как результат, ускоряет разнообразные трансформационные процессы, что влечёт за собой дисбаланс минеральной составляющей в цепи биогеоценоза и в целом всей экоси-
стемы [1—4]. Один из мотивов поступления тяжёлых металлов в экосистему — это размещение вблизи от автодорог различных промышленно-аграрных объединений, сельхозугодий, полей и хозяйств, а также энергично работающих индустриально-промышленных комплексов, квалифицирующихся по категории выбросов и загрязнений к I классу опасности. Мощное антропогенное действие на окружающую среду оказывает влияние и на изменение биогеохимической ситуации погра-
ничных районов, территорий области и региона в целом [8—10].
Несмотря на значительное обилие экспериментального поиска в области биогеохимии микроэлементов в почвенном покрове Оренбуржья, многие задачи остаются мало изученными и требуют дальнейших исследований. Задачами начального этапа исследования и его целью являются: 1. Проведение мониторингового и лабораторного исследования на определение непрочно связанных форм соединений свинца в системе «почва — ячмень» Гайского и Светлинского районов Оренбургской области; 2. Сравнительный анализ трансформации свинца в системе «почва — ячмень» Гайского и Светлинского районов Оренбургской области.
Материал и методы исследования. Объектом исследования являлись почвы Светлинского и Гайского районов восточной зоны Оренбургской области, почвенный покров которых представлен преимущественно тёмно-каштановыми и чернозёмом обыкновенным соответственно. Тест-культурой выступал ячмень двурядный сорта Одесский 100, произрастающий на вышеуказанных почвах. В мониторинговом (агрофитоценозы) и лабораторном исследовании (прямое моноэлементное внесение соли свинца в почву) использовали методические указания, ГОСТ 17.4.2.0181, ГОСТ 17.4.3.04-85 [5-7]. Пробоотбор почвы проводили в соответствии с ГОСТом 17.4.3.01-83, ГОСТом 17.4.4.02-84, ГОСТом 28168-89. Глубина забора почвы составляла 0-20 см. Пробо-отбор ячменной тест-культуры осуществлялся в соответствии с ГОСТом Р 53900-2010. «Ячмень кормовой» [3]. Формы соединений свинца в почвах анализировали методом атомно-абсорбционной спектрометрии [3].
Полученные показатели исследования были статистически обработаны с помощью пакета программ Microsoft Excel 2013, Primerof Biosta-tistics 4.03. Для расчёта достоверности различий полученных данных применяли t-критерий Стью-дента — Фишера по Г.Ф. Лакину.
Результаты исследования. Одним из основных критериев оценки степени подвижности свинца является изучение непрочно связанных форм свинца
в почве и его транслокация, т.е. вероятность превращения элемента в водорастворимую форму в вегетативных органах растения. Этот факт во многом зависит от физиологической способности самого растения, его степени гипераккумуляции к определённым контаминантам, а также защитным свойствам корневой системы растения, буферной способности почвы по отношению к свинцу и степени карбонатности почвы. Поскольку почвенный биоценоз — это важнейший первоисточник элементов для растений, корневая система которых способна сорбировать полютанты динамично (метаболически) и инертно (неметаболически), значительная часть случаев скорости абсорбирования элементов положительно коррелирует с концентрацией их доступных форм. Фитоэкстракционный потенциал свинца ограничивается низкой мобильностью почвы и небольшой склонностью свинца всасываться корнями. Исследования последних лет концентрируют внимание на искусственной мобилизации свинца из твёрдых частиц почвы с помощью ряда хелатирующих веществ. Так, В1ауе1а1. (1997) [8] показал, что при внесении комплексных хелатных соединений биодоступность свинца и других металлов значительно увеличивается.
Для оценки мобильности свинца на региональном уровне в системе почва —растение были проведены два этапа исследования — мониторинговый (агрофитоценозов) и лабораторный. Результаты исследования представлены в таблице 1.
Результаты мониторингового исследования показали, что валовые формы и непрочно связанные соединения исследуемого элемента не превышают ПДК и составляют 25,13 и 3,01 мг/кг (Р<0,05) для чернозёма обыкновенного и 20,79 и 3,11 мг/кг (Р<0,05) для тёмно-каштановой почвы. В то же время необходимо заметить, что в тёмно-каштановой почве часть непрочно связанных соединений, доступных для растений, больше, чем в чернозёме обыкновенном. А именно: в среднем в тёмно-каштановых почвах она составляет 3,11 мг/кг (Р<0,05), а в чернозёме обыкновенном — 3,01 мг/кг (Р<0,05), что на 3,2% больше.
На лабораторном этапе эксперимента планировалось изучить воздействие различных концентра-
1. Среднее содержание и распределение непрочно связанных форм соединений свинца в почве, мг/кг (Х+Бх)
Концентрация соли металла, мг/кг Чернозём обыкновенный Тёмно-каштановая почва
ВФ НС ПС К„ ВФ НС ПС К„
Мониторинговый этап
Без внесения 25,13±0,174* 3,01 ±0,004* 22,12±0,098* 0,13 20,79±0,007* 3,11±0* 17,68±±0,001* 0,17
Лабораторный этап
6 32 32,0±0,383 58,0±0,174 3,84±0 8,12±0,098 28,1±0,007 49,8±0,004 0,13 0,16 27±0,007 55±0,004 4,0±0,007 8,25±0,004 23±0,007 46,7±0,004 0,17
100 126,0±0,007 31,5±0,001 94,5±0 0,33 118±0 35,4±0 82,6±0 0,42
Примечание: * — Р<0,05 для различий с группой без внесения ацетата свинца; ВФ — валовые формы; НС — непрочно связанные соединения; ПС — прочно связанные формы; Кп — коэффициент подвижности
ций соли вносимого элемента на вероятность перехода его в почву в разных формах.
Как следует из полученных фактов, по мере роста привносимой концентрации исследуемого элемента в почву отмечалось увеличение валовой формы, непрочно связанных и прочно связанных соединений. К тому же настоящая закономерность была свойственна двум анализируемым почвам.
При сравнении двух типов почв установлено увеличение непрочно связанных форм исследуемого элемента в тёмно-каштановой почве относительно чернозёма обыкновенного на фоне увеличения концентрации свинца. Например, при попадании в почву ацетата свинца (доза внесения 6; 32; 100 мг/кг) степень увеличения составит 1,04; 1,01; 1,12 раза соответственно.
Далее нами было изучено содержание непрочно связанных соединений свинца в органах ярового ячменя, выращенного на исследуемых почвах, подвергнутых моноэлементному внесению соли свинца в чернозём обыкновенный и тёмно-каштановые почвы. Результаты исследования представлены в таблице 2.
Идя по пути аналогий, можно вполне обоснованно утверждать, что достаточно прочно установилась тенденция накопления непрочно связанных соединений свинца в вегетативных органах ячменя: стебель ^ зерно в мониторинговом исследовании. Данная тенденция имеет отражение и в лабораторном опыте на фоне увеличения доли привносимой концентрации исследуемого свинца в почву. Кроме того, настоящая закономер-
ность свойственна всем подтипам анализируемых почв. А именно: для чернозёма обыкновенного доля НС в зерне в среднем на 50% оказалась меньше, чем в стебле, а для тёмно-каштановой почвы — на 15%.
Как известно, процесс трансформации свинца протекает в две стадии: ускоренная, с образованием мобильных форм соединений, и медленная, с формированием более прочно связанных соединений металла. Воздействие показателя времени на абсорбцию металла растениями возможно определить с помощью коэффициента накопления по непрочно связанным соединениям. Расчёт коэффициента накопления (КН) непрочно связанных соединений свинца органами ячменя представлен в таблице 3.
Необходимо подчеркнуть, что с увеличением концентрации свинца в почве наблюдается в основном его пассивный перенос в растения. Это происходит вследствие защитных процессов растения:
— в некоторых случаях рост аккумуляции металла в растении отстаёт от повышения его мобильных форм в почве;
— рекомбинация металла по вегетативным органам растений происходит, когда аккумуляция металла отстаёт от накопления в соломе.
Отсюда следует, что полученные результаты коэффициента накопления, с одной стороны, указывают на защитные возможности системы почва — растения, формируя тем самым представление об изменении подвижности свинца в почве, а с другой — ответ на это растений.
2. Содержание свинца в органах ярового ячменя при моноэлементном загрязнении чернозёма обыкновенного и каштановой почвы, мг/кг (Х+Бх)
Вегетативный орган ячменя Без внесения металла (мониторинговый этап исследования) Доза внесения металла, мг/кг (лабораторный этап исследования)
6 32 100
Чернозём обыкновенный (Тайский район)
Зерно Стебель 0,42±0 1,39±0,001 0,5±0,173 1,0±0,006 1,74±0,097 2,7±0,001 3,9±0,012 4,7±0,128
Тёмно-каштановая почва (Светлинский район)
Зерно Стебель 0,67±0,098 0,97±0,013 0,81±0,003 1,3±0 2,3±0,004 3,3±0 3,9±0,376 5,8±0,156
3. Коэффициент накопления (КН) непрочно связанных соединений свинца органами ячменя
Концентрация внесения металла, мг/кг Чернозём обыкновенный Тёмно-каштановая почва
зерно стебель зерно стебель
Мониторинговый этап исследования
Без внесения 0,13 0,46 0,21 0,31
Лабораторный этап исследования
6 0,13 0,26 0,20 0,32
32 0,21 0,33 0,27 0,4
100 0,12 0,14 0,11 0,16
Примечание: полученные результаты носили недостоверный характер в сравнении с группой без внесения
Примечание: * —Р<0,05 для различий с группой непрочно связанных соединений в чернозёме обыкновенном 3,01 мг/кг и тёмно-каштановой почве 3,11 мг/кг (без дополнительного внесения ацетата свинца)
Выводы.
1. Региональные особенности поведения свинца в исследуемых почвах Оренбургской области заключаются в том, что повышенное общее содержание металла обусловлено доминированием (от 85 до 88%) их прочно связанных соединений. Большая часть непрочно связанных соединений свинца, преимущественно удерживаемых карбонатами (специфически сорбированные), составляет от 5 до 12%;
2. Загрязнение почв свинцом в вегетационном опыте, а также на мониторинговых площадках приводит к нарушению равновесия. Так, прочность связи металла с почвенными компонентами уменьшается. С увеличением общего содержания металла от 3 до 5 раз доля НС возрастает в 1,5 раза. Прочное удерживание внесённого свинца обеспечивается, по-видимому, органическими веществами;
3. Поглощение свинца почвой должно быть описано как процесс аккумуляции его в виде разнообразных соединений, удерживаемых адсорбционными центрами с различной устойчивостью. Первый период процесса трансформации соединений привнесённого свинца потенциально связан в целом с превращением обменных форм в комплексные с органическим веществом;
4. По причине прочно удерживать свинец, почвы образуют ряд: чернозём обыкновенный ^ тёмно-каштановая почва. В тёмно-каштановой почве по аналогии с чернозёмом обыкновенным обозначена большая роль обменных процессов в трансформации свинца. С повышением уровня кар-бонатности почв возрастает их способность прочно связывать поступающий в них металл;
5. Определена близкая взаимосвязь между величиной непрочно связанных форм свинца в почве и локализацией их в растениях.
Снижение подвижности свинца в загрязнённых почвах обусловлено устойчивой комплексообра-зующей способностью почвенных компонентов органического и неорганического происхождения. Это утверждение позволяет предложить мероприятия для снижения ионов свинца путём внесения мела (сорбционные свойства и комплек-сообразующие свойства Ca) и навоза (источник органических веществ).
Литература
1. ГОСТ 17.4.3.04-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к контролю и охрана от загрязнения / Под ред. Т.Н. Василенко. М.: Изд-во стандартов, 1984. 4 с.
2. ГОСТ Р 53900-2010 Ячмень кормовой. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2011. 9 с.
3. Методические указания по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. М.: Гидрометеоиздат, 1981. С. 45-73.
4. Минкина Т.М. Соединения тяжёлых металлов в почвах Нижнего Дона, их трансформация под влиянием природных и антропогенных факторов: автореф. дисс. ... докт. биолог наук. Ростов-на-Дону, 2008. 18 с.
5. Соколова О.Я. Валовое содержание свинца и его подвижных форм в почвах районов Оренбургской области / О.Я. Соколова, О.А. Науменко, Е.В. Бибарцева [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. № 12. С. 213-216.
6. Раскатов А.В. Транслокация тяжёлых металлов в загрязнённой агломерации / А.В. Раскатов, В.А. Черников, В.В. Кузнецов [и др.] // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2002. № 1. С. 65-100.
7. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжёлые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
8. В1ау, К., К. Fischer. K. МёНег, 3. Filser, and A. Kettrup. 1997. Extraction of a copper contaminated soil material using an aminoacid-containing residue hydrolysate. 1. Cu-elution dynamics and binding-specific release. (In German, with English abstract.) Z.Pflanzenernaehr. Bodenkd. 2000. VI. 53. P. 187-222.
9. Bural, G.I. D.G. Dixon, and B.R. Glick. Plant growth-promoting bacteria that decrease heavy metal toxicity in plants. // Can. 3. Microbiol. 2000. V. 46. P. 237-245.
10. Hamer, D.H. 1986. Metallothioneiris. Ann. Rev. Biochem. 2001. IV. 21. P. 177-145.
Агрохимическое состояние и биологическая активность почвы в последействии длительного применения минеральных удобрений
Н.Н. Шаповалова, зав. лабораторией, Е.А. Менькина,
к.с.-х.н., ФГБНУ Северо-Кавказский ФНАЦ
В России и за рубежом проведены многочисленные агрохимические исследования, в которых установлено положительное влияние умеренных доз минеральных удобрений на питательный режим почвы, её агрохимические свойства, урожай и качество продукции возделываемых культур, на биологическую активность, увеличение численности различных групп почвенных микроорганизмов. Меньше данных о последействии длительного применения различных доз минеральных удобрений на агрохимические показатели и активность отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов.
Географическая сеть опытов с удобрениями позволяет проводить и оценивать многолетние исследования воздействия различных систем удобрения на плодородие почв, изменение численности эколого-трофических групп микроорганизмов. Вынос питательных веществ из почвы превышает их возврат с вносимым объёмом минеральных и органических удобрений в 5 раз. Нарушение баланса питательных веществ в земледелии приводит к снижению плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур [1, 2]. Установлено, что при длительном систематическом применения фосфорсодержащих удобрений происходит повышение содержания всех форм фосфорных соединений в почве [3, 4]. Одни авторы указывают, что
