CC BY
181
РАБОТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
УДК 631.86:581.192.6
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЯХ
С.В. Селюкова, аспирант (научныйруководитель - С.В. Лукин, д.с.-х.н.)
НИУ «БелГУ», ФГБУ «ЦАС «Белгородский», e-mail: oha_agrohim_31@maU.ru
Представлены результаты исследований по содержанию токсичных элементов в наиболее распространенных органических удобрениях: навоз КРС, навозные стоки, компост соломопо-метный. В рамках исследования изучались материалы локального агроэкологического мониторинга и сплошного агрохимического обследования пахотных почв Белгородской области. Установлено, что особое внимание следует уделять содержанию токсичных элементов в животноводческих стоках, где обнаружены концентрации кадмия - 0,36 мг/кг, свинца - 5,86, ртути -0,050 мг/кг (в пересчете на сухое вещество). Наибольшее среднее валовое содержание мышьяка обнаружено в навозе КРС, которое соответствует 0,55 мг/кг сухого вещества. Исследование показало, что, несмотря на увеличивающиеся объемы внесения органических удобрений (8,3 т/га посева в 2014 г.), превышений допустимых концентраций кадмия, свинца, ртути и мышьяка в пахотных почвах области не обнаружено.
Ключевые слова: кадмий, свинец, ртуть, мышьяк, тяжелые металлы, органические удобрения, почва.
HEAVY METALS CONCENTRATION IN ORGANIC FERTILIZERS
Ph.D. student S.V. Selyukova
Belgorod State University, State Center of Agrochemical Service «Belgorodskiy», e-mail:
oha_agrohim_31@mail. ru
The article present the research of the most common conditions organic fertilizers in Belgorod region: cattle manure, manure runoff, compost. The study invest gated the local agroecological materials and the continuous monitoring of the agrochemical survey of arable soils of Belgorod region. Analysis is results showed that special attention should be paid to the content of toxic elements in animal waste, it was found the highest concentrations of these chemical elements: cadmium - 0,36, lead - 5,86, hydrargyrum - 0,005 mc/kg (in terms of dry substance). The highest average content of arsenic found in the manure of cattle and is 0,55 mc/kg of dry matter. The study showed that despite the increasing volumes of organic fertilizers (8,3 t/ha of sowing in 2014) exceeding the maximum permissible concentrations of cadmium, lead, hydrargyrum and arsenic in soils of arable area is not found.
Keywords: cadmium, lead, hydrargyrum, arsenic, heavy metals, organic fertilizers, soil.
Важнейший компонент биосферы земли - почва, которая выполняет функции биологического поглотителя различных загрязнений [1]. К числу наиболее опасных загрязняющих веществ относят тяжелые металлы (ТМ). Они представляют собой одну из приоритетных групп загрязнителей окружающей среды. К тяжелым металлам относят более 40 элементов, атомная масса которых превышает 40 а.е.м. Большая часть этих элементов, входя в состав многих ферментов, имеет биологически важное значение, так как в минимальных концентрациях, по отношению к этим элементам применяют термин «микроэлементы». Для экзогенных повышенных концентраций микроэлементов в окружающей среде, а также для элементов, не имеющих биологического значения, справедливо
используют термин «тяжелые металлы» [2, 3].
С прикладной точки зрения, наиболее важными представителями группы ТМ являются высокоопасные вещества: свинец, кадмий, ртуть и мышьяк [4-7]. Мышьяк металлом не является, но по ряду свойств в экотоксикологических исследованиях его рассматривают вместе с группой тяжелых металлов [8]. Токсические свойства ТМ известны уже довольно давно, однако внимание им стали уделять только лишь последние несколько десятилетий. Это связано с усилением роли ТМ в биологических процессах, обусловленным увеличением поступления этих элементов в окружающую среду в ходе хозяйственной деятельности человека [9].
Валовое содержание ТМ в естественных незагрязненных почвах обусловлено их концентрацией
в исходной материнской породе и находится под влиянием процессов почвообразования и различных почвенных характеристик: содержания органического вещества, реакции среды, гранулометрического состава. В последнее время на уровень содержания этих элементов в почвах все большее влияние оказывает антропогенное загрязнение [3].
На территории Белгородской области нет крупных стационарных источников выбросов и сбросов свинца, ртути, кадмия и мышьяка. Загрязнение токсичными элементами почв за счет выбросов автотранспорта является значимым фактором только в отношении придорожных экосистем. Как правило, концентрации свинца и других металлов достигают относительно высоких значений лишь по обочинам автотрасс, но даже там они не превышают пределов адаптации к ним растений. Поэтому основным источником поступления ТМ в агроценозы Белгородской области служат применяемые в сельскохозяйственном производстве удобрения, в структуре которых преобладают азотные удобрения. В отличие от других удобрений, они характеризуются наименьшим содержанием токсичных элементов. Кроме того, уровень применения минеральных удобрений с начала девяностых годов ХХ в. как в Белгородской области, так и в целом по стране резко сократился. Таким образом, среди удобрений, применяемых в области, основное количество ТМ в почву поступает с органическими удобрениями [7, 9].
Цель исследований - анализ и оценка содержания свинца, кадмия, ртути, мышьяка в почвах и органических удобрениях.
Объектами исследований выбраны пахотные почвы Белгородской области и применяемые на ее территории органические удобрения. Основным органическим удобрением долгие годы был навоз КРС, но в настоящее время в области ежегодно увеличиваются объемы использования птичьего помета и соломопометного компоста на его основе. Интенсивно развивается и свиноводство, что сопровождается увеличением использования животноводческих стоков в земледелии.
В работе использованы материалы локального агроэкологического мониторинга, проводимого на реперных участках, и сплошного агрохимического обследования пахотных почв Белгородской области. При проведении агрохимического обследования одна объединенная почвенная проба, состоящая из 20-40 точечных проб, отбирается из пахотного (0-25 см) слоя почвы с площади 20 га. Репер-ные объекты, заложенные на пахотных почвах в 20 районах области, представляют собой поле или участок поля площадью 4-40 га, с которых отбирали по 6 точечных проб. Почвенный покров репер-ных участков представлен преобладающими в области почвами: черноземами типичными (44,8%) и черноземами выщелоченными (25,7%) [7, 9].
При оценке содержания ТМ в почвах и органических удобрениях использованы результаты исследований, проводимые в испытательной лаборатории по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГБУ «Центр агрохимической службы «Белгородский». Содержание свинца, кадмия и ртути в почвах и удобрениях определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии в соответствии с «Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства». - МСХ, 10.03.1992. Определение массовой концентрации мышьяка проводили согласно «Методическим указаниям по определению мышьяка в почвах фотометрическим методом». -М., ЦИНАО, 1993.
При статистической обработке результатов лабораторного анализа проводили расчеты доверительного интервала для среднего значения ( x ±to5S x ) и коэффициента вариации (V, %) с использованием программного обеспечения Microsoft Excel 2007.
Результаты. В качестве санитарно-гигиенических нормативов содержания химических веществ в почве в нашей стране применяют экспериментально установленные значения ПДК (ГН 2.1.7.2041-06). Однако установление ПДК не всегда представляется возможным. В таких случаях в целях нормирования применяют ориентировочно допустимые концентрации (ОДК). ОДК химических элементов рассчитаны для почв с различными физико-химическими свойствами, с учетом уровня реакции среды и гранулометрического состава (ГН 2.1.7.2511-09).
Ориентировочно допустимая концентрация кадмия в кислых суглинистых и глинистых почвах с рНка < 5,5 составляет 1 мг/кг, а в нейтральных с рНка >5,5-2 мг/кг. Среднее валовое содержание кадмия в пахотном слое почв реперных участков Белгородской области не превышает ОДК и соответствует его фоновой концентрации в верхнем горизонте целинного чернозема - 0,32 мг/кг (табл. 1).
Средневзвешенное валовое содержание свинца в песчаных почвах составляет 9,48 мг/кг, в глинистых почвах с рНка <5,5 оно увеличивается в 1,45 раза и составляет 13,7 мг/кг, а в глинистых почвах с рНка >5,5 возрастает в 1,55 раза - до 14,7 мг/кг. Среднее валовое содержание свинца в пахотном слое почв реперных участков составляет 13,1 мг/кг.
По результатам сплошного обследования почв и агроэкологического мониторинга установлено, что в области нет превышений ПДК и тем более ОДК валового свинца. Величина ПДК валового содержания свинца для всех типов почв составляет 32,0 мг/кг, что соответствует ОДК для песчаных и супесчаных почв. ОДК свинца в кислых суглинистых и глинистых почвах составляет 65 мг/кг, а в нейтральных и близких к нейтральным почвах - 130 мг/кг. Содержание подвижных форм свинца, извлекаемых аце-татно-аммонийным буфером с рН 4,8, в слое почвы
1. Вариационно-статистические показатели валового содержания тяжелых металлов
Химический элемент X ±t05S х, мг/кг мг/кг V, %
Кадмий (Сё) 0,32±0,01 0,28-0,36 6,9
Свинец (РЬ) 13,1±0,74 10,2-15,5 12,1
Ртуть (Щ) 0,023±0,001 0,020-0,027 8,8
Мышьяк (А$) 3,76±0,29 2,97-4,92 16,1
0-20 см также ниже ПДК (6,0 мг/кг) и составляет в среднем 1,09 мг/кг.
Валовое содержание ртути в почвах Белгородской области существенно ниже предельно допустимой концентрации. Среднее фоновое валовое содержание ртути в слое почвы 0-20 см составляет 0,023 мг/кг, при колебаниях в пределах 0,02-0,027 мг/кг [9]. ПДК валового содержания ртути в почве составляет 2,1 мг/кг.
Ориентировочно допустимые концентрации валового содержания мышьяка в песчаных и супесчаных почвах составляют 2 мг/кг, в кислых тяжелосуглинистых почвах с рНкс1 < 5,5 - 5 мг/кг, в нейтральных тяжелосуглинистых почвах с рНкс1 > 5,5 - 10 мг/кг [8]. По результатам локального мониторинга установлено, что среднее валовое содержание мышьяка в пахотном слое почв составляет 3,76 мг/кг и не превышает ОДК мышьяка для кислых тяжелосуглинистых почв, характерных для Белгородской области.
В сельскохозяйственном производстве следует учитывать, что визуальные признаки токсичности у растений начинают проявляться, когда концентрации токсичных элементов в почве значительно превышают допустимые. Так, признаки ртутного отравления проявляются при концентрации в почве 25-50 мг/кг, кадмиевого - при 25-100 мг/кг, свинцового -250-2000 мг/кг, мышьякового - при 25-50 мг/кг [2].
Поскольку исследуемые элементы относятся к
первому классу наиболее опасных веществ, их количественное определение обязательно не только для почв, но и для вносимых органических удобрений. Массовые концентрации токсичных элементов в органических удобрениях нормируются по ГОСТ Р 53117-2008 «Удобрения органические на основе отходов животноводства. Технические условия». Так, валовое содержание кадмия, свинца, ртути и мышьяка в сухом веществе органических удобрений не должно превышать соответственно 2,0 мг/кг, 130,0, 2,1 и 10,0 мг/кг.
По результатам испытаний органических удобрений в 2015 г. концентрация кадмия в удобрениях сильно варьирует. Так, минимальное его содержание было отмечено у навоза КРС - 0,01 мг/кг сухого вещества (табл. 2). Максимальные концентрации данного элемента были обнаружены в навозных стоках. Исследования компоста соломопометного и навоза КРС показали, что содержание кадмия в них не превышает допустимых значений. Среднее содержание кадмия в соломопометных компостах в пересчете на сухое вещество несколько ниже, чем в навозе КРС (0,34 мг/кг) и навозных стоках (0,36 мг/кг) и составляет 0,27 мг/кг.
Наибольшее среднее содержание свинца в пересчете на сухое вещество отмечается в животноводческих стоках и составляет 5,86 мг/кг (табл. 3). Содержание свинца в навозе КРС и компостах в пересчете на сухое вещество приблизительно в 1,5-2 раза ниже, чем в стоках и составляет 3,84 мг/кг и 2,61 мг/кг соответственно. При исследовании удобрений наибольшая (75,23 мг/кг сухого вещества) концентрация валового свинца обнаружена в навозных стоках, что не превышает допустимых значений.
Концентрация ртути в пересчете на сухое вещество варьирует в навозных стоках в пределах 0,009-0,932 мг/кг, в компосте соломопометном -0,003-0,161 мг/кг, в навозе КРС - 0,004-0,108 мг/кг (табл. 4). Минимальное валовое содержание ртути
2. Вариационно-статистические показатели содержания кадмия в органических удобрениях
Вид удобрения X ±t05S х , мг/кг мг/кг V, %
Стоки навозные на исходную влажность (2,22 % сухого вещества) 0,008±0,001 0,001-0,039 43,5
на сухое вещество 0,36±0,05 0,05-1,76
Компост соломо-пометный на исходную влажность (56 % сухого вещества) 0,151±0,021 0,041-0,423 47,0
на сухое вещество 0,27±0,04 0,07-0,76
Навоз КРС на исходную влажность (25 % сухого вещества) 0,084±0,016 0,003-0,227 45,0
на сухое вещество 0,34±0,06 0,01-0,91
3. Вариационно-статистические показатели содержания свинца в органических удобрениях
Вид удобрения X х , мг/кг ¡ш, мг/кг V, %
Стоки навозные на исходную влажность (2,22 % сухого вещества) 0,13±0,01 0,01-1,67 49,6
на сухое вещество 5,86±0,45 0,45-75,23
Компост соло-мопометный на исходную влажность (56 % сухого вещества) 1,46±0,22 0,40-4,61 51,0
на сухое вещество 2,61±0,39 0,71-8,23
Навоз КРС на исходную влажность (25 % сухого вещества) 0,96±0,23 0,08-3,02 58,8
на сухое вещество 3,84±0,92 0,32-12,08
4. Вариационно-статистические показатели содержания ртути в органических удобрениях
Вид удобрения X ±105§ X , МГ/кГ Иш, мг/кг V, %
Стоки навозные на исходную влажность (2,22 % сухого вещества) 0,0011±0,0001 0,0002-0,0207 54,4
на сухое вещество 0,050±0,005 0,009-0,932
Компост соло-мопометный на исходную влажность (56 % сухого вещества) 0,0044±0,0006 0,0015-0,0903 49,3
на сухое вещество 0,008±0,001 0,003-0,161
Навоз КРС на исходную влажность (25 % сухого вещества) 0,0066±0,0018 0,0009-0,0270 62,2
на сухое вещество 0,026±0,007 0,004-0,108
5. Вариационно-статистические показатели содержания мышьяка в органических удобрениях
Вид удобрения X ±105§ X , мг/кг Иш, мг/кг V, %
Стоки навозные на исходную влажность (2,22 % сухого вещества) 0,005±0,001 0,001-0,062 52,3
на сухое вещество 0,23±0,05 0,05-2,79
Компост соло-мопометный на исходную влажность (56 % сухого вещества) 0,089±0,009 0,027-0,655 36,5
на сухое вещество 0,16±0,02 0,05-1,17
Навоз КРС на исходную влажность (25 % сухого вещества) 0,137±0,042 0,005-0,843 63,4
на сухое вещество 0,55±0,17 0,02-3,37
характерно для компостов со-ломопометных (0,008 мг/кг), а максимальное - для навозных стоков (0,050 мг/кг). Случаев превышения допустимых концентраций ртути зафиксировано не было.
По содержанию валового мышьяка все исследуемые образцы органических удобрений соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Наибольшее содержание данного элемента отмечается в навозе КРС, где его средняя массовая концентрация равна 0,137 мг/кг, или 0,55 мг/кг в пересчете на сухое вещество (табл. 5). В навозных стоках мышьяка содержится в среднем 0,23 мг/кг сухого вещества, а в соломопометных компостах - 0,16 мг/кг.
Степень загрязнения сельскохозяйственных угодий ТМ зависит не только от их концентрации, но и от количества вносимых органических удобрений. В Белгородской области использование органических удобрений, начиная с 1964 г., систематически увеличивалось, достигнув максимума 8969 тыс. т. (5,8 т/га посева) в 1987 г. (рисунок). Затем их объемы удобрений стали закономерно снижаться и в 2006 г. достигли минимума 912 тыс. т (0,9 т/га посева). С 2006 г. отмечается увеличение объемов использо-
вания органических удобрений и в 2014 г. достигнут новый исторический максимум их применения - 9343 тыс. т (8,3 т/га посева) [8].
При оценке поступления ТМ на сельскохозяйственные угодья важно знать не только общее количество, но и дозы вносимых удобрений. Так, применение органических удобрений в больших дозах и с высоким содержанием токсичных элементов часто сопровождается увеличением содержания подвижных форм ТМ в почвах выше уровня ПДК, что в свою очередь вызывает уменьшение микробиологической активности и биопродуктивности почв, изменение трансформации органической и минеральной части почв, загрязнение сельскохозяйственной продукции и вод [10].
Дозы вносимых удобрений зависят от их химического состава, содержания питательных элементов в почве и требований конкретных сельскохозяйственных культур. Рекомендуемой дозой внесения навозных стоков считается 70 т/га, компоста соломопометного - 20 т/га, навоза КРС - 40 т/га. При внесении навозных стоков в почву поступает 0,56 г/га кадмия, 9,1 г/га свинца, 0,077 г/га ртути и 0,35 г/га мышьяка. С рекомендуемой дозой компоста соломопометного 20 т/га поступает 3,02 г кадмия, свинца - 29,2 г, ртути - 0,088 г, мышьяка - 1,78 г. При вносимой дозе навоза КРС (40 т/га) поступление кадмия составляет 3,36 г/га, свинца - 38,4 г/га, ртути - 0,264 г/га, мышьяка - 5,48 г/га.
Исходя из того, что валовые запасы кадмия в пахотном слое почвы составляют 960 г/га, поступление данного элемента с рекомендуемой дозой навоза КРС повышает его запасы на 0,35%, с компостом соломо-пометным - на 0,31%, с навозными стоками - на 0,06%.
-среднее значение 4356 • объем внесения органических удобрений Годы
Динамика внесения органических удобрений [8]
Также с навозом КРС увеличиваются запасы Таким образом, что поступление тяжелых ме-свинца в пахотном слое почвы (39300 г/га) на 0,10%, таллов в пахотные почвы Белгородской области с на 0,07% с компостами и на 0,02% с животноводче- применяемыми органическими удобрениями не-скими стоками. Валовые запасы ртути и мышьяка в значительно. При этом в сельскохозяйственном пахотных почвах области составляют 69 и 11280 г/га производстве следует учитывать, что количество соответственно. Следовательно, внесение указанных тяжелых металлов, поступающих в почву сельхо-доз органических удобрений увеличит запасы ртути зугодий, зависит от дозы внесения удобрений. на 0,38%, а мышьяка на 0,05% (с навозом КРС), на Следует отметить, что в пахотных почвах области 0,13 и 0,02% с компостом и соответственно на 0,11 и превышений допустимых концентраций кадмия, 0,003% с навозными стоками. свинца, ртути и мышьяка обнаружено не было.
Литература
1. Бюллетень Географической сети опытов с удобрениями. Вып. 14. - М.: ВНИИА, 2013. - 30 с.
2. Дабахов М.В., Дабахова Е.В., Титова В.И. Тяжелые металлы: экотоксикология и проблемы нормирования. - Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2005. - 165 с.
3. Дабахов М.В., Дабахова Е.В., Титова В.И. Методические подходы к комплексной оценке загрязнения почв ТМ // Агрохимический вестник, 2011, № 6. - С. 9-11.
4. Панасин В.И. Мониторинг микроэлементного состава агроэкосистем // Агрохимический вестник, 2014, № 4. - С. 18-21.
5. Лукин С.В. Хром и никель в почвах Белгородской области // Агрохимический вестник, 2012, № 6. - С. 4-6.
6. Лукин С.В. Агроэкологическое состояние и продуктивность почв Белгородской области: монография. - Белгород: КОНСТАНТА, 2011. -302 с.
7. Лукин С.В. Агроэкологическое состояние и продуктивность почв Белгородской области: монография. - 2-е изд., доп. - Белгород: КОНСТАНТА, 2016. - 344 с.
8. Селюкова С.В. Мышьяк в агроценозах лесостепи // Наука, образование и общество: сборник научных трудов. - Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2016, Часть 2. - С. 104-106.
9. Лукин С.В. Мониторинг содержания микроэлементов 2п, Си, Мо, Со, РЬ, Сё, Ай, И^ в пахотных черноземах юго-запада Центрально-Черноземной зоны // Агрохимия, 2012, № 11. - С. 52-59.
10. Седых В.А., Филиппова А.В., Саидов А.К. Изменение подвижности тяжелых металлов в почвах при применении высоких доз органических удобрений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 2012, Вып. № 36-1, Т. 4. - С. 209-212.
УДК 631.878
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕСТНОГО ТОРФА КАК КОМПОНЕНТ ТОРФОГРУНТА
Е.С. Тимошенко, аспирант (научный руководитель - к.с.-х.н. Г.В. Чекин) Брянский государственный аграрный университет, e-mail: jin-sok@mail.ru
Проведен сравнительный анализ эффективности двух приготовленных торфогрунтов на основе местного торфа (вариант № 1 с добавлением NPK и вариант № 2 с добавлением NPK + глина). В качестве контроля использован торфогрунт торговой марки ВЕЛТОРФ. Установлено, что при выращивании растений рукколы сорта Корсика на торфогрунте с добавлением NPK, по сравнению с контрольным, растения по биометрическим показателям не отличаются, а по некоторым величинам даже превосходят (высота растений и количество листьев на 15 %, масса наземной части на 46%). Отмечено угнетение растений при выращивании на торфогрунте № 2 с использованием местного торфа, глины и NPK.
Ключевые слова: торфогрунт, фитотоксичность, биометрические показатели.
EFFICIENCY EVALUATION OF USE OF LOCAL PEAT AS PEAT GROUND COMPONENT
Ph.D. student E.S. Timoshenko
Bryansk State Agrarian University, е-mail: jin-sok@mail.ru
Comparative efficiency analysis of two prepared peat ground on the basis of local peat (option № 1 with addition of NPK, № 2 - NPK + clay) and control is carried out (peat ground trademark the VELTORF). It is established that at cultivation of arugula of a grade Corsica on a peat ground № 1, in comparison with control, plants on biometric indicators don't differ, and even surpass in some sizes (height of plants and quantity of leaves for 15%, the mass of a land part for 46%). Oppression ofplants at cultivation on a peat ground № 2 with use of local peat, clay and NPK is noted.
Keywords: peat ground, phytotoxicity, biometric indicators.
