Мониторинг содержания марганца в агроценозах

DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10304

УДК 631.416.9

Мониторинг содержания марганца в агроценозах

Д. В. ЖУЙКОВ, инженер-землеустроитель

Центр агрохимической службы «Белгородский», ул. Щорса, 8, Белгород, 308027, Российская Федерация

Резюме. В работе анализируются многолетние наблюдения за содержанием марганца в почвах Белгородской области, приводятся данные о содержании элемента в применяемых органических удобрениях, а также растениеводческой продукции. Наибольшее количество марганца содержат верхние горизонты заповедных чернозема типичного (на территории участка «Ямская степь» государственного заповедника «Белогорье») и чернозема обыкновенного (природный парк «Ровеньский»), причем в последнем оно выше на 27,4 % (442 против 321 мг/кг почвы). Вниз по профилю величина этого показателя уменьшается. Аналогичная ситуация характерна и для пахотных почв. Обеспеченность почв легкодоступными формами марганца характеризуется несколько иной закономерностью распределения в почвенном профиле. В черноземе типичном выделяются 2 максимума (в пахотном горизонте и подстилающей породе), а в обыкновенном содержание подвижного марганца увеличивается с глубиной. Пахотные горизонты значительно (в 4 раза) различаются по содержанию этого химического элемента: 16,7 мг/кг у чернозема типичного и 4,1 мг/кг у чернозема обыкновенного. При большей обеспеченности валовым марганцем чернозем обыкновенный отличается меньшей насыщенностью подвижными формами этого элемента. Их содержание в пахотных почвах в среднем по профилю составляет около 4,8 % от валового количества для чернозема типичного и 1,0 % - для чернозема обыкновенного. В Белгородской области 56,4 % пахотных земель характеризуются средней обеспеченностью подвижным марганцем, 38,7 % - низкой. Среди основных бобовых культур, возделываемых в области, отмечена очень высокая способность поглощать марганец у белого люпина. В его зерне среднее содержание этого минерального элемента составило 1065 мг/кг, что в 44 раза больше, чем в семенах сои и в 120 раз, по сравнению с семенами гороха. Основной антропогенный источник поступления марганца в агроцено-зы - органические удобрения.

Ключевые слова: марганец, почва, чернозем, соя, горох, белый люпин.

Для цитирования: ЖуйковД. В. Мониторинг содержания марганца в агроценозах//Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 19-22. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10304.

Опыт научных исследований по вопросам минерального питания растений позволяет утверждать, что урожаи и качество растительной продукции во многом зависят от обеспеченности почв усвояемыми формами микроэлементов. Микроэлементы необходимы растениям в очень малых количествах (0,01...0,001 %), однако их недостаток или избыток приводят к серьезным изменениям в процессах обмена веществ [1].

Один из важнейших микроэлементов - марганец. Он участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, ассимиляции азота, активации ферментов, минерального питания. Марганец - слабореутилизируемый элемент и в первую очередь от его недостатка страдают молодые листья: злаковые поражаются серой пятнистостью (межжилковый хлороз), семена бобовых покрываются черными и коричневыми пятнами. Нарушение процесса фотосинтеза приводит к хлорозу тканей листьев с последующим их отмиранием, что в конечном итоге может вызвать не только снижение урожайности, но и отсутствие плодоношения [1, 2, 3]. В ЦентральноЧерноземных областях достаточно много пахотных почв с низкой обеспеченностью марганцем [4, 5, 6].

Избыток этого минерального элемента также вреден. Он приводит к угнетению и даже гибели растений: приостанавливается рост, листья уменьшаются и проявляется хлороз, стебли становятся ломкими вследствие отмирания наружных тканей. Особенно сильно избыток марганца проявляется на кислых почвах и при повышенной влажности [3]. Предельно допустимая концентрация (ПДК) валового марганца в почве составляет 1500 мг/кг (ГН 2.1.7.2041-06). По степени токсичности среди тяжелых металлов марганец относят к третьему классу опасности.

Цель исследований - определение динамики содержания и распределение марганца в почвах Белгородской области, органических удобрениях, а также растениеводческой продукции.

Условия, материалы и методы. Белгородская область расположена в двух почвенных зонах: лесостепной и степной. На лесостепную зону приходится около 75 % площади региона, почвенный покров этой территории представлен чернозёмами типичными и выщелоченными, а также тёмно-серыми лесными почвами, почвенный покров степной зоны - чернозёмы обыкновенные, карбонатные, остаточно-карбонатные (меловые) и солонцеватые.

В работе проанализированы материалы сплошного агрохимического обследования пахотных почв, а также данные локального агроэкологического мониторинга за состоянием агроценозов на реперных участках (4.40 га), практически во всех административных районах Белгородской области. На этих объектах отбирали образцы белого люпина, сои, гороха, а также сено люцерны, эспарцета и клевера.

Закладку почвенных разрезов и отбор проб осуществляли в рамках отдельно проведенных исследований на территории лесостепной (Прохоровский район, чернозем типичный, ГТК 1,1.1,2) и степной (Ровеньский район, чернозем обыкновенный, ГТК < 0,9) зон Белгородской области.

Аналитические исследования осуществляли в испытательной лаборатории ФГБУ «Центр агрохимической службы «Белгородский». Содержание валового марганца измеряли согласно методическим указаниям по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (ЦИНАО, 1992 г.). Подвижные формы извлекали ацетатно-аммонийным буфером (ААБ) с рН 4,8 по ГОСТ Р 50685-94.

Статистическая обработка результатов испытаний предусматривала расчет доверительного интервала для средних значений (х±105в-) и коэффициента вариации (V).

Результаты и обсуждение. Марганец - один из наиболее распространенных элементов в литосфере, его кларк в почвах составляет 850 мг/кг. По результатам исследований, проведенных в Центральном Черноземье, наибольшим содержанием Мп в верхних горизонтах характеризуются обыкновенные черноземы -820 мг/кг, несколько меньше величина этого показателя в черноземе типичном - 744 мг/кг [7]. Однако встречается и иное распределение марганца в указанных типах почв. Так, по мнению М. В. Каталымова (1965), среднее содержание общего марганца в черноземе

типичном составляет 840 мг/кг, черноземе обыкновенном - 710 мг/кг [1].

По результатам фонового агроэкологического мониторинга установлено, что верхние горизонты заповедных чернозема типичного (на территории участка «Ямская степь» государственного заповедника «Белогорье») и чернозема обыкновенного (природный парк «Ровеньский») содержат наибольшее количество марганца, причем в последнем оно выше на 27,4 % (442 против 321 мг/кг почвы). Вниз по профилю величина этого показателя уменьшается.

Аналогичная ситуация характерна и для пахотных почв. Самое высокое содержание зафиксировано в верхнем слое (0...25 см) чернозема типичного (Прохо-ровский район) и обыкновенного (Ровеньский район) -345 и 397 мг/кг соответственно (табл. 1).

Таблица 1. Вариационно-статистические показатели содержания марганца в черноземе типичном и черноземе обыкновенном

Генетический горизонт Средняя мощность, см Валовое содержание Подвижные формы

мг/кг Нт, мг/кг V, % (*±*.0& мг/кг Нт, мг/кг V, %

А АВ

Ве

А АВ

Ве

0...25 26...36 47...90 91...111 112...134

> 135

0...25 26...43 44...72 73...90 91...124

> 125

Чернозем типичный

345±14,6 245...396 9,6 254...393 241...383 154...321 175...328 123...406 Чернозем обыкновенный 397±17,9 311...463 10,2 315...445 246...434 238...420 225...387 233...327

329±15,9 308±17,0 256±19,4 234±18,8 239±28,4

390±16,9 363±21,8 327±19,6 287±16,2 279±10,3

10,9 12,4 17,1 18,1 26,8

9,8 13,5 13,5 12,7 8,3

Стоит отметить, что чернозем обыкновенный сформирован на карбонатных лёссовидных глинах более тяжелого гранулометрического состава, и высокодисперсные минералы, находящиеся в илистой фракции, способствуют закреплению марганца. Также ввиду большей окарбоначенности чернозем обыкновенный обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, что переводит этот минеральный элемент в состояние, недоступное для растений (Мп4+, Мп3+). В почвах со слабощелочной средой Мп переходит в труднодоступную для растений форму [2].

Внутрипрофильное распределение валового марганца в почвах характеризуется снижением концентрации по мере увеличения глубины. Наименьшее его количество находится в почвообразующих породах на глубине более 125 см и составляет в среднем для реперных участков лесостепной зоны 234...239 мг/кг почвы, степной - 279...287 мг/кг.

Ввиду недоступности окисленных форм марганца растениям, большую ценность для оценки обеспеченности почв этим минеральным элементом имеет определение его подвижных форм. Обеспеченность почв легкодоступными формами марганца характеризуется несколько иной закономерностью распределения в почвенном профиле. В черноземе типичном выделяются 2 максимума (в пахотном горизонте и подстилающей породе), а в обыкновенном - с глубиной заметно увеличение содержания подвижного марганца (см. табл. 1).

Пахотные горизонты значительно (в 4 раза) различаются по содержанию этого химического элемента: 16,7 мг/кг у чернозема типичного и 4,1 мг/кг

у чернозема обыкновенного. Это связано с большей степенью кислотности чернозема типичного и повышенной способностью Мп переходить в таких условиях в доступное для растений состояние. При большей обеспеченности валовым марганцем чернозем обыкновенный характеризуется меньшей насыщенностью его подвижных форм. Содержание подвижных форм марганца в пахотных почвах в среднем по профилю составляет около 4,8 % от его валового количества для чернозема типичного и 1,0 % - для чернозема обыкновенного. В целом значительная часть марганца представлена труднорастворимыми формами и недоступна для растений.

Количество подвижного марганца в почвах зависит от реакции среды, окислительно-восстановительного потенциала, валового содержания, гранулометрического состава, условий увлажнения [8]. Белгородская область относится к районам с умеренно-континентальным климатом, переходным от более влажных климатов в западных районах (Прохо-ровский район), к недостаточно увлажненным в юго-восточных (Ровеньский район). Содержание подвижных соединений марганца увеличивается в ряду от автоморфных к гидроморф-ным почвам [9].

По результатам сплошного агрохимического обследования наибольшее средневзвешенное содержание подвижного марганца в пахотных почвах области фиксировали в 1990-1994 гг. (17,5 мг/кг). Затем величина этого показателя начала снижаться и в 2005-2009 гг. достигла минимума за период обследования (9,2 мг/кг). Такая ситуация сложилась в связи с сокращением поступления марганца в агроценозы с удобрениями и выносом элемента товарной продукцией растениеводства. В 2010-2014 гг. наметился небольшой рост средневзвешенного содержания подвижного марганца до 10,3 мг/кг, а в 2015-2018 гг. - до 11,7 мг/кг. Согласно результатам последнего цикла агрохимического обследования более трети почв области по величине этого показателя относятся к категории низкообеспеченных, более половины - характеризуются средней обеспеченностью подвижным марганцем (табл. 2).

В разрезе административных районов наибольшее средневзвешенное содержание подвижных форм марганца отмечено в Ивнянском (15,4 мг/кг), Борисовском Таблица 2. Динамика распределения пахотных почв Белгородской области по содержанию подвижных форм марганца, %

16,7±3,4 12,5±2,2 9,2±1,3 12,1±2,0 16,4±2,5 17,0±3,3

4,1±0,7 3,7±0,6 4,3±0,9 7,0±1,5 10,2±1,7 11,0±1,0

6,2...35,2 5,4...23,8 3,9...17,3 4,9...20,9 6,7...33,6 0,0...34,4

1,5...7,2 1,2...6,2 1,5...9,6 2,6...15,0 1,8...21,2 4,5...14,8

46,2

39.6

30.7 36,5 34,2 43,4

37,9 36,2 45,9 47,4 38,1 21,0

Группировка почв по содер- Средне-

жанию подвижной марган- взвешен-

Годы ца , мг/кг почвы ное со-

низкое среднее высокое держание,

< 10 10...20 > 20 мг/кг

1990-1994 25,1 44,5 30,4 17,5

1995-1999 45,0 44,2 10,8 12,1

2000-2004 65,7 31,1 3,2 9,8

2005-2009 64,4 35,0 0,6 9,3

2010-2014 53,6 42,4 4,0 10,3

2015-2018 38,7 56,4 4,9 11,7

Таблица 3. Распределение почв пашни по содержанию подвижных форм марганца (2015-2018 гг.), % от обследованной площади

Район Группировка почв по содержанию подвижной марганца, мг/кг почвы Средневзвешенное содержание, мг/кг

низкое <10 среднее 10.. .20 \ высокое >20

Ивнянский 10,5 76,0 13,5 15,4

Борисовский 12,7 73,7 13,6 15,1

Алексеевский 21,7 58,1 20,2 15,0

Белгородский 15,4 75,5 9,1 14,3

Прохоровский 21,9 69,1 9,0 13,5

Валуйский 18,8 75,2 6,0 13,4

Ракитянский 22,0 70,9 7,1 13,1

Яковлевский 26,7 63,3 10,0 13,1

Волоконовский 24,4 72,6 3,0 12,8

Красненский 22,3 72,0 5,7 12,7

Корочанский 31,2 65,3 3,5 12,3

Губкинский 36,9 62,8 0,3 11,2

Красногвардейский 43,0 56,7 0,3 10,8

Шебекинский 51,1 48,2 0,7 10,4

Новооскольский 45,6 53,9 0,5 10,1

Вейделевский 57,9 40,5 1,6 9,7

Старооскольский 57,7 41,5 0,8 9,6

Грайворонский 59,3 39,1 1,6 9,5

Чернянский 63,0 37,0 0,0 9,4

Ровеньский 85,1 14,9 0,0 7,4

Краснояружский 93,6 6,0 0,4 6,7

(15,1 мг/кг) и Алексеевском (15,0 мг/кг) районах. Самые низкие величины этого показателя были зафиксированы в Чернянском (9,4 мг/кг), Ровеньском (7,4 мг/ кг) и Краснояружском (6,7 мг/кг) районах области. Географических закономерностей в распределении подвижных форм марганца в зависимости от почвенно-климатических особенностей районов не установлено (табл. 3).

Таблица 4. Содержание марганца в растениеводческой продукции, мг/кг абсолютно сухого вещества

Сельскохозяйственная культура Содержание, мг/кг абсолютно сухого вещества V, %

Нт

Белый люпин зерно 1065±170 659...1640 32,2

солома 833±138 594...1407 32,4

Соя зерно 24,1±1,2 16,9...27,9 10,8

солома 12,4±1,1 7,5...17,6 20,0

Горох зерно 8,9±0,2 7,9...9,8 5,5

солома 18,0±1,7 7,7...22,5 21,0

Клевер сено 31,2±1,7 24,5...37,6 12,3

Эспарцет сено 30,7±1,0 27,4...34,9 7,1

Люцерна сено 28,5±1,5 22,9...37,5 11,8

Превышений ПДК подвижного марганца (140 мг/кг) на территории области за время наблюдений не зафиксировали. Насыщенность почв указанным химическим элементом остается недостаточной.

В ходе исследования определяли содержание марганца в основных возделываемых в области бобовых культурах. По результатам локального агроэкологи-ческого мониторинга растениеводческой продукции было выявлено высокое содержание марганца в белом люпине: 1065 мг/кг в зерне и 833 мг/кг в соломе (табл. 4). Эта культура обладает очень высокой способностью поглощать марганец [10]. Его депонирование в различных сортах белого люпина селекции РГАУ — МСХА имени К.А. Тимирязева, по данным испытательного центра ФГБНУ «Всероссийский институт птицеводства», может варьировать в диапазоне от 326 до 1396

мг/кг [11]. Содержание марганца в зерне сои было значительно ниже и составляло 24,1 мг/кг, гороха - 8,9 мг/кг. В многолетних бобовых травах содержится примерно одинаковое его количество (28,5.31,2 мг/кг).

Действующее законодательство не нормирует максимальное содержание марганца в продуктах питания человека и кормах для сельскохозяйственных животных.

Главным природным источником марганца в почвах служат почвообразующие породы. Основной антропогенный источник этого элемента - органические удобрения. Вследствие реализации программ развития свиноводства и птицеводства на территории Белгородской области растет и объем применяемых органических удобрений. Так, если в 2005-2009 гг. уровень их внесения составлял всего 1,2 т/га посевной площади, то в 2010-2014 гг. -4,8, а в 2015-2018 гг. - 7,8 т/га. В зависимости от вида органического удобрения среднее содержание марганца в нем различается. Больше всего этот элемент содержится в соломопомётном компосте (56 % сухого

вещества) - 128 мг/кг, в навозе КРС (25 % сухого вещества) его только 44,7 мг/кг, в навозных свиноводческих стоках (2,22 % сухого вещества) всего 3,3 мг/кг.

Незначительное количество марганца, как сопутствующего элемента, поступает в агроценозы с минеральными удобрениями.

Выводы. По результатам многолетних наблюдений за агроценозами Белгородской области установлено, что в 2010-2018 гг. происходило увеличение содержания подвижных форм марганца в пахотных почвах. Средневзвешенная величина этого показателя по существующим градациям относится к среднему уровню обеспеченности. Превышений предельно допустимых уровней подвижного марганца в почвах области не отмечено. Основной антропогенный источник поступления изучаемого минерального элемента в агроценозы - органические удобрения, уровень внесения которых в годы последнего цикла обследования достиг 7,8 т/га посевной площади. Из основных возделываемых в области бобовых культур, очень высоким содержанием марганца в зерне характеризуется белый люпин, самая низкая величина этого показателя отмечена в зерне гороха.

Литература.

1. Каталымов М. В. Микроэлементы и микроудобрения. М.: Издательство «Химия», 1965. 332 с.

2. Петербургский А. В. Микроэлементы и урожай. М.: Значение, 1965. 32 с.

3. Петров Б. А., Селиверстов Н. Ф. Минеральное питание растений. Справочное пособие для студентов и огородников. Екатеринбург, 1998. 79 с.

4. Лукин С. В., Авраменко П. М., Меленцова С. В. Динамика содержания подвижных форм цинка и марганца в пахотных почвах Белгородской области //Агрохимия. 2006. № 7. С. 5-8.

5. Лукин С. В., Авраменко П. М. Микроэлементы в почвах Белгородской области//Земледелие. 2008. № 7. С. 21-22.

6. Поддубный А. С. Динамика агрохимического состояния пахотных почв в лесостепи Белгородской области //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 6. С. 15-17.

7. Протасова Н. А., Щербаков А. П., Копаева М. Т. Редкие и рассеянные элементы в почвах Центрального Черноземья. Воронеж: Изд-во Воронеж. Ун-та, 1992. 168 с.

8. Побилат А. Е., Волошин Е. И. Марганец в почвах и растениях южной части Средней Сибири // Микроэлементы в медицине. 2017. Т. 18. № 2. С. 43-47.

9. Марганец и цинк в почвах Каменной Степи при различной степени гидроморфизма / Д. И. Щеглов, Н. С. Горбунова, Л. А. Семенова и др. // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2012. № 2. С. 220-226.

10. Лукин С. В. Агроэкологическая оценка макро- и микроэлементного состава растений белого люпина //Земледелие. 2017. № 8. С. 42-44.

11. Природный источник марганца - белый люпин / Е. Н. Андрианова, Л. В. Кривопишина, О. А. Чванова и др.// Кормление и содержание. 2015. № 5. С. 47.

Monitoring of Manganese Content in Agrocenosis

D. V. Zhuikov

Center of Agrochemical Service "Belgorodsky", ul. Shchorsa, 8, Belgorod, 308027, Russian Federation

Abstract. The paper analyzes long-term observations of the manganese content in the soils of the Belgorod region, provides data on the element content in the organic fertilizers used, as well as in crop production. The greatest amount of manganese is contained in the upper horizons of typical chernozem soils in the conservation areas (Yamskaya Step' territory of Belogorye state nature reserve) and ordinary chernozem (Rovensky nature park); in the latter it is higher by 27.4% (442 mg/kg of soil vs. 321 mg/ kg of soil). Down the profile the value of this indicator decreases. Arable soils are characterized by similar indicators. The provision of soils with easily accessible forms of manganese is characterized by a somewhat different pattern of its distribution in the soil profile. The typical chernozem has two maxima (in the arable horizon and underlying rock); the ordinary chernozem is characterized by the increased content of mobile manganese in the deep layers. Arable horizons vary significantly (by a factor of 4) in the content of this chemical element: 16.7 mg/kg in typical chernozem and 4.1 mg/kg in ordinary chernozem. With greater availability of gross manganese, ordinary chernozem is characterized by lower saturation of the mobile forms of this element. Their average content in arable typical chernozem soils is about 4.8% of the gross amount, in ordinary chernozem soils - 1.0%. In the Belgorod region, the medium content of mobile manganese is characteristic for 56.4% of arable lands, the low content - for 38.7%. Among the main leguminous crops cultivated in the region, white lupine is noted for very high manganese absorbability. In its grain, the average content of this mineral element was 1065 mg/kg, which was 44 times higher than in soybean seeds and 120 times higher than in pea seeds. The main anthropogenic source of manganese in the agrocenosis is organic fertilizer. Keywords: manganese; soil; chernozem; soybean; pea; white lupine.

Author Details: D. V. Zhuikov, senior surveying engineer (e-mail: oaem_agrohim_31@mail.ru).

For citation: Zhuikov D. V. Monitoring of Manganese Content in Agrocenosis. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 3. Pp. 19-22 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10304.

Требования к оформлению статей в журнале «Достижения науки и техники АПК»

В статье должно быть кратко изложено состояние дел по изучаемой проблеме со ссылками на публикации (желательно не менее трех ссылок). Затем указаны цели, задачи, условия и методы исследований. Подробно представлены результаты экспериментов и их анализ. Сделаны выводы и даны предложения производству. В статье следует по возможности выделять следующие блоки: введение; цель и задачи исследований; условия, материалы и методы исследований; результаты исследований; выводы.

Вместе со статьей должны быть представлены перевод названия на английский язык; аннотация (200-250 слов) на русском и английском языках; ключевые слова на русском и английском языках; полные почтовые адреса всех учреждений, в которых работают авторы, на русском и английском языке; ученые степени и должности авторов на русском и английском языке код УДК; библиографический список.

В тексте ссылка на источник отмечается соответствующей цифрой в квадратных скобках в порядке цитирования. В списке литературы приводятся только те источники, на которые есть ссылка в тексте. Использование цитат без указания источника информации запрещается.

Материал для подачи в журнал набирается в текстовом редакторе Word версия не ниже 97 файл с расширением *.rtf.

Объем публикации 12-16 стр. машинописного текста набранного шрифтом Times New Roman, размер кегля 14 с полуторным интервалом. На 2,5 страницы текста допускается не более 1 рисунка или таблицы.

Статьи необходимо направлять с сопроводительным письмом с указанием сведений об авторах (фамилия, имя, отчество -полностью, ученая степень, место работы и занимаемая должность) на русском и английском языке, контактных телефонов и адреса электронной почты для обратной связи.

На публикацию представляемых материалов необходимо письменное разрешение и рекомендация руководства организации, на средства которой проводились исследования. Его вместе с одним экземпляром рукописи, подписанным авторами, и статьей в электронном виде нужно отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166, ООО «Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК». Для ускорения выхода в свет материалы в электронном виде можно направлять по адресу: agroapk@mail.ru.

Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.

Несоответствие статьи по одному из перечисленных пунктов может служить основанием для отказа в публикации.

Все рукописи, содержащие сведения о результатах научных исследований, рецензируются, по итогам рецензирования принимается решение о целесообразности опубликования материалов.