Содержание тяжелых металлов в зерне сельскохозяйственных культур при совместном внесении осадков сточных вод и других удобрений

Содержание тяжелых металлов в зерне сельскохозяйственных культур при совместном внесении осадков сточных вод и других удобрений

А. Н. Арефьев, к.с.-х.н, доцент, В. М. Дурандин, доцент, ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

При использовании в качестве удобрений осадков сточных вод в почву неизбежно попадают содержащиеся в них в виде примесей токсические элементы, которые могут накапливаться в пищевых цепях и представлять угрозу для здоровья человека и животных. Поэтому контроль за содержанием в почве и растениях токсических веществ в связи с использованием нетрадиционных удобрений приобретает особое значение [1].

Исследования по изучению влияния осадков сточных вод (ОСВ) г. Пензы, а также их сочетаний с навозом, соломой и минеральными удобрениями и их влияния на качество растениеводческой продукции проводили в период с 1998 по 2001 гг. Опыт был заложен по следующей схеме: 1. Без удобрений (контроль); 2. ОСВ 100 т/га; 3. ОСВ 50 т/га + навоз 26,1 т/га (эквивалентно 50 т/га ОСВ по углероду); 4. ОСВ 50 т/га + солома 10,6 т/га (эквивалентно 50 т/га ОСВ по углероду); 5. ОСВ 50 т/га + ^5 (эквивалентно 50 т/га ОСВ

по элементам питания). ОСВ и традиционные

удобрения вносили согласно схеме 1 раз за ротацию севооборота в чистом пару. Площадь делянки — 51 м2, повторность — трехкратная, варианты в опыте размещались методом рен-домизированных повторений.

Исследования проводились в пятипольном зернопаровом севообороте со следующим чередованием культур: чистый пар — озимая пшеница — просо — яровая пшеница — ячмень. Твердые осадки сточных вод г. Пензы перед закладкой опыта характеризовались следующими показателями: величина рНсол.

— 5,9, гидролитическая кислотность (Нг) —

2,6 мг-экв/100 г осадка, сумма обменных оснований (Ca+Mg) — 30,9 мг-экв/100 г осадка, содержат: органического вещества 20%, азота

— 280, фосфора — 110 и калия — 110 мг на 100 г осадка.

Использование осадков в качестве органических удобрений, как правило, лимитируются высоким содержанием в них тяжелых металлов (ТМ), которые после их внесения в почву аккумулируются в ней, попадают в продукцию растениеводства и нарушают экологическую обстановку. В связи с этим при использовании ОСВ необходимо учитывать в них содержание тяжелых металлов и, по количеству их в осадках, регламентировать дозы внесения последних в почву [2]. Данные по содержанию тяжелых металлов в осадках сточных вод г. Пензы приведены в табл. 1.

Концентрации тяжелых металлов в сухом веществе осадка не превышают их предельно-допустимой концентрации: содержание в два и более раза ниже ПДК, что свидетельствует о возможности применения осадков сточных вод г. Пензы в качестве удобрения сельскохозяйственных угодий.

Анализ продукции растениеводства показал, что содержание тяжелых металлов значительно колебалось в зависимости от вида удобрений и возделываемой культуры. При их количественной оценке было выявлено, что в зерновой части урожая больше всего накапливается цинка. В первый год действия ОСВ зерно озимой пшеницы накапливало максимум этого элемента на варианте с внесением 100 т/га осадков сточных вод. Содержание цинка (46,9 мг/кг) на этом варианте было

близко к уровню ПДК (50,0 мг/кг) (СанПиН. 42-123-4089-86). При последействии осадков, ввиду связывания тяжелых металлов в комплексные соединения, количество этого элемента в зерне уменьшалось.

Значительное накопление тяжелых металлов в зерне проса, яровой пшеницы и ячменя было также отмечено при использовании 100 т/га осадков сточных вод: содержание цинка возрастало по сравнению с контрольным участком (без биомелиорантов) в 2,0—2,3 раза, меди — в 2,0—2,1 раза, свинца

— в 2,1—2,7 раза, никеля — в 3,0—3,3 раза, кадмия — в 2,3 раза.

Внесение осадков одновременно с органическими удобрениями способствовало снижению содержания тяжелых металлов в зерновой части урожая по сравнению с использованием ОСВ в чистом виде. Так, на варианте с совместным использованием осадков и навоза содержание цинка в 1,5—1,6 раза, меди — в

1,6 раза, свинца — в 1,6—1,7 раза, никеля — в 2,0 раза, кадмия — в 1,5 раза было ниже, чем на варианте с дозой осадков 100 т/га. При применении осадков сточных вод совместно с минеральными удобрениями содержание тяжелых металлов в зерне сельскохозяйственных культур было больше, чем на вариантах, где осадки использовались совместно с навозом или с соломой.

Однако следует отметить, что даже при внесении высоких доз осадков сточных вод (100 т/га) содержание тяжелых металлов в зерне изучаемых культур не превышало концентраций, опасных для здоровья человека, а при совместном их использовании с органическими и минеральными удобрениями концентрации были значительно ниже ПДК.

Зависимость содержания тяжелых металлов в зерне сельскохозяйственных культур от их количества, поступившего в почву с удобрениями, показана в табл. 2.

Интенсивность возрастания содержания тяжелых металлов с увеличением дозы вносимых осадков сточных вод можно оценить по их удельному приращению в зерне на 1 т поступивших в почву удобрений. Для цинка удельное приращение составило на второй год внесения осадков

1. Содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод г. Пензы

Показатели Концентрация ТМ в осадке при 80% влажности, мг/кг Концентрация ТМ в сухом веществе осадка, мг/кг ПДК содержания ТМ в сухом веществе осадка, мг/кг

Кадмий 2,60 13,05 30

Никель 48,00 239,90 400

Свинец 15,50 77,70 1000

Цинк 223,10 1115,30 4000

Медь 96,80 484,20 1500

Марганец 67,50 337,70 2000

2. Зависимость содержания тяжелых металлов в зерновой части культурных растений от их количества, внесенного в почву с осадками сточных вод

Наименование Уравнение г

Озимая пшеница

2п у = 28,03 + 0,12х + 0,0029х2 - 1,97  10-5х3 0,89

Си у = 1,23 - 0,0031х + 0,00116х2 - 1,36  10-5х3 0,89

РЬ у = 0,0409 + 0,0,519х - 0,0030х2 + 2,62  10-4х3 0,89

№ у = 0,057 - 0,00254х + 5,52  10-4х2 - 8,98  10-6х3 0,95

са у = 0,0079 + 0,0172х - 0,0134х2 + 0,00826х3 0,89

Просо

2п у = 27,0 + 0,076х + 0,00331х2 - 2,28  10-5х3 0,88

Си у = 1,20 - 0,0051х + 0,00233х2 - 2,66  10-5х3 0,88

РЬ у = 0,041 + 0,0121х - 2,73  10-5х2 + 6,83  10-5х3 0,88

№ у = 0,049 - 0,00393х - 6,01  10-4х2 + 5,54  10-5х3 0,88

са у = 0,0079 + 0,0147х - 0,00556х2 + 0,00109х3 0,88

Яровая пшеница

2п у = 27,02 + 0,0121х + 0,00191х2 - 6,52  10-6х3 0,87

Си у = 1,16 + 0,032х + 0,0037х2 - 4,38  10-5х3 0,87

РЬ у = 0,032 + 0,0118х - 6,63  10-4х2 +8,36  10-6х3 0,87

№ у = 0,057 + 0,00126х + 2,311  10-5х2 + 5,61  10-7х3 0,87

са у = 0,00697 + 0,0141х - 0,00557х2 + 0,00226х3 0,89

Ячмень

2п у = 27,03 + 0,00324х + 0,00136х2 - 2,27  10-6х3 0,86

Си у = 1,15 - 0,0587х + 0,00541х2 - 6,93  10-5х3 0,86

РЬ у = 0,032 + 0,0072х + 6,47  10-4х2 - 9,64  10-5х3 0,98

№ у = 0,053 + 0,00154х + 1,27  10-5х2 + 2,159  10-7х3 0,89

са у = 0,00697 - 0,0053х + 0,0291х2 - 0,0129х3 0,90

Примечание: у — содержание ТМ в зерне, мг/кг;

х — количество ТМ, внесенного в почву с мелиорантами, мг/кг; г — коэффициент корреляции.

0,214 мг/кг; на третий год

— 0,125 мг/кг.

По мере удаления от парового поля в севообороте поступление цинка в зерно культур заметно уменьшалось. На третий год оно сократилось почти на 26%; на четвертый — более чем на 47%; на пятый — более чем на 70%.

Количество тяжелых металлов, поступившее в зерно из почвы ( с) при внесении осадков сточных вод, можно рассчитать по формуле:

Ас = кпт- 10_3, где п — доза внесения осадков сточных вод в почву, т/га;

т — содержание тяжелых металлов в осадках, мг/кг;

к — коэффициент, показывающий удельное увеличение количества тяжелых металлов в зерне при внесении в почву 1 кг тяжелых металлов с осадками сточных вод, мг на 1 кг зерна.

Содержание тяжелых металлов в зерне после внесения сточных вод можно рассчитать по формуле:

с = С0 + к пт-10-3,

где С0 — количество тяжелых металлов в зерне до внесения удобрений, мг на 1 кг зерна.

Содержание цинка в зерне озимой пшеницы:

с = С0 + 0,214п  1115,3  10-3 или с = 28,0 + 0,2386п; в зерне проса: с = С0 + 0,170п  1115,3  10-3 или с = 27,0 + 0,190п; в зерне яровой пшеницы: с = С0 + 0,145п  1115,3  10-3 или с = 27,8 + 0,162 п; в зерне ячменя: с = С0 + 0,125п  1115,3  10-3 или с = 27,2 + 0,139 п.

Интенсивность накопления меди в зерне с увеличением дозы осадков сточных вод снижалась по мере удаления от парового поля. Удельное приращение меди в зерне составляло через два года после внесения биомелиорантов 0,0562 мг на 1 кг зерна; через три года

— 0,0471; через четыре года — 0,0470; через пять лет — 0,0452. Интенсивность поступления меди в зерно снижалась по мере удаления от парового поля на 19—24%.

Содержание меди в зерне озимой пшеницы можно рассчитать для данных конкретных условий по формуле: с = 1,24 + 0,0272п;

в зерне проса и яровой пшеницы: с = 1,20 + 0,0228п;

в зерне ячменя: с = 1,15 + 0,021п.

Удельное увеличение свинца в зерне на второй год после внесения осадков (озимая пшеница) равнялось 0,00799 мг на 1 кг зерна; на третий год (просо) — 0,00676; на четвертый год (яровая пшеница) — 0,00727; на пятый год (ячмень) — 0,00664.

Интенсивность поступления свинца в зерно данных культур уменьшалась с годами на 9,9%; 18,2 и 20,3%.

В отличие от цинка, интенсивность поступления в зерно меди и особенно свинца из почвы с годами снижалась медленно.

Содержание свинца в зерне: озимой пшеницы с = 0,041 + 0,00061п; проса с = 0,035 + 0,000518п; яровой пшеницы с = 0,032 + 0,000557п; ячменя с = 0,033 + 0,000509п.

Удельное увеличение никеля в зерне на второй год после применения осадков сточных вод в качестве удобрений (озимая пшеница) составило 0,00557 мг на 1 кг зерна; на третий год (просо) — 0,00326; на четвертый год (яровая пшеница) — 0,00211; на пятый год (ячмень) — 0,00196 мг на 1 кг зерна.

На третий год интенсивность поступления никеля в растения снизилась на 70,8%; на четвертый год — в 2,6 раза; на пятый — в 2,8 раза.

Содержание никеля в зерне можно рассчитать по формуле озимой пшеницы: с = 0,057 + 0,00133п;

проса с = 0,050 + 0,00078п;

яровой пшеницы с = 0,057 + 0,00050п;

ячменя с = 0,053 + 0,00047п.

Удельное увеличение кадмия в зерне озимой пшеницы на второй год после применения осадков сточных вод равнялось 0,00133 мг на 1 кг зерна; в зерне проса на третий год после внесения мелиорантов — 0,00092; на четвертый год (яровая пшеница) — 0,00107; на пятый год (ячмень) — 0,00112 мг. Интенсивность поступления кадмия из почвы в зерно проса была на 16,3—44,6% меньше, чем в зерно пшеницы и ячменя.

Содержание кадмия в зерне рассчитывается по формулам:

озимой пшеницы с = 0,008 + 0,000174п; проса с = 0,008 + 0,000124п; яровой пшеницы с = 0,007 + 0,000144п; ячменя с = 0,007 + 0,00014п.

Учитывая приведенные выражения и ПДК тяжелых металлов в зерне, можно рассчитать предельно допустимые экологически безопасные нормы внесения осадков сточных вод под различные культуры.

Формула для расчета экологически безопасных норм имеет вид:

_ ПДК — Со

П —3 ,

кт • 10

гдеп — экологически безопасная норма осадков сточных вод, т/га;

С0 — содержание тяжелых металлов до внесения мелиорантов, мг/кг; т — содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод, мг/кг; к — коэффициент, показывающий удельное увеличение количества тяжелых металлов в зерне при внесении в почву 1 кг тяжелых металлов с осадками сточных вод, мг на 1 кг зерна.

Для озимой пшеницы экологически безопасные дозы осадков сточных вод с учетом ПДК по цинку составили 92 т/га; по меди — 332 т/га; по свинцу — 260 т/га; по никелю — 182 т/га; по кадмию — 126 т/га.

Таким образом, фактором, ограничиваю -щим величину доз используемых осадков сточных вод, можно считать содержание в них цинка. С учетом этого, экологически безопасными следует считать дозы ОСВ до 90 т/га, внесенных в паровое поле.

Для проса на третий год внесения экологически безопасная доза осадков сточных вод с учетом ПДК по цинку составила 121 т/га; по меди — 380 т/га; по свинцу — 318 т/га; по никелю — 320 т/га; по кадмию — 177 т/га. Все изученные и рекомендуемые дозы осадков сточных вод можно безопасно применять на черноземах. На четвертый год после использования осадков в качестве мелиорантов для яровой пшеницы доза осадков с учетом ПДК по цинку составила 137 т/га; по меди — 385 т/га; по свинцу — 301 т/га; по никелю — 486 т/га; по кадмию — 158 т/га. Содержание тяжелых металлов на четвертый год после внесения мелиорантов не является лимитирующим фактором повышения доз осадков до 100 т/га и более. На пятый год после внесения осадков для ячменя их дозы с учетом ПДК составили по цинку — 164 т/га; по меди — 421; по свинцу — 328; по никелю — 525; по кадмию — 157 т/га.

Таким образом, фактором, ограничивающим величину дозы данных осадков сточных вод при внесении их в паровое поле, следует считать содержание в них цинка, в первую очередь, и кадмия — во вторую, главным образом, на второй год после их внесения.

Литература

1 Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. — Л.: Агропромиздат, Ленинградское отделение, 1987. — 142 с.

2 Чекаев, Н. П. Влияние осадков сточных вод и навоза на плодородие чернозема выщелоченного и урожайность сельскохозяйственных культур в условиях лесостепи Среднего Поволжья: автореф. дис. ... к.с.-х.н. — Москва, 2000. — 20 с.