Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на содержание гумуса в черноземе выщелоченном в условиях лесостепной зоны Красноярского края

УДК 631.416.8(571.51) Е.Н. Конышева

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ ДЕТОКСИКАНТОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ГУМУСА В ЧЕРНОЗЕМЕ ВЫЩЕЛОЧЕННОМ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

Изучено влияние на содержание гумуса модельного загрязнения почвы тяжелыми металлами и использование разных видов и доз детоксикантов. Установлено, что на содержание гумуса в почве наиболее сильно повлиял кадмий и полиэлементное загрязнение свинцом, кадмием и медью. Использование детоксикантов на загрязненных тяжелыми металлами почвах оказало неоднозначное воздействие на содержание гумуса в черноземе выщелоченном. Наибольший положительный эффект получен от применения птичьего помета и гумата натрия.

Ключевые слова: содержание гумуса, детоксиканты, катионит, суперфосфат, гумат натрия, птичий помет, тяжелые металлы.

E.N. Konysheva

INFLUENCE OF HEAVY METALS AND THEIR DETOXICANTS ON HUMUS AVAILABILITY IN LEACHED

CHERNOZEM IN THE CONDITIONS OF THE KRASNOYARSK REGION FOREST-STEPPE ZONE

Influence of modeling soil pollution by heavy metals and use of different kinds and doses of detoxicants on humus availability is studied. It is determined that cadmium and polyelement pollution by lead, cadmium and copper most strongly affected humus availability in soil. Detoxicant use on the soils polluted by heavy metals has had ambiguous influence on humus availability in leached chernozem. The greatest positive effect is received after application of the bird’s dung and sodium humate.

Key words: humus availability, detoxicants, cationite, superphosphate, sodium humate, bird's dung ,heavy metals.

В связи с интенсивным развитием промышленности, транспорта, индустриализацией и химизацией сельского хозяйства, ускорением научно-технического прогресса, за последние годы значительно увеличилось и продолжает нарастать поступление в окружающую среду тяжелых металлов техногенного происхождения. Поэтому защита окружающей среды и пищевой цепи от загрязнения тяжелыми металлами является актуальной задачей. Важность данной проблемы для производства и переработки сельскохозяйственной продукции заключается в том, что накопление тяжелых металлов в возделываемых культурах может стать причиной контаминации продуктов питания.

Для тяжелых металлов в принципе не существует механизмов природного самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения. Включаясь во все типы миграций и биологический круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред (питьевой воды, воздуха) и пищевых продуктов.

Наиболее опасными загрязнителями среди тяжелых металлов считаются Нд, РЬ, Cd, Zn, главным образом потому, что их техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям и способна инактивировать последние. Их избыточное поступление в организм живых существ нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском хозяйстве это выражается в снижении выхода продукции и ухудшении её качества.

Тяжелые металлы поступают в организм человека и травоядных животных в основном с растительной пищей, а обогащение последней происходит главным образом из почвы. Почвенно-агрохимические исследования на техногенно загрязненных территориях приобретают важное значение в местах, где население питается в течение многих лет преимущественно продуктами растениеводства.

По мнению ряда исследователей, антропогенное загрязнение почвы тяжелыми металлами влияет в первую очередь на ее биологические свойства, а также способно изменять и более консервативные признаки, такие, как гумусное состояние, структуру, кислотность, что приводит к частичной, а в некоторых случаях и к полной утрате ее плодородных свойств [Влияние загрязнения..., 1999, 2009; Григорян, 1980; Громова, 2001; Дзапаров, 2007; Покатилова, 2008; Чундерова, 1976; Ермохин, 2008; Загрязнение садовых., 2000; Лебедов-ский, 2007; Оеготе, 2000].

Цель исследований. Изучить влияние на содержание гумуса модельного загрязнения почвы тяжелыми металлами и использования разных видов и доз мелиорантов.

Объекты и методы исследований. Исследования проводились в условиях микрополевого эксперимента на территории СПК «Зыковский» Красноярского края. Почва опытного участка по своим агрохимическим характеристикам отнесена к чернозему выщелоченному. Расчет концентраций ТМ произведен согласно

данным ПДК, приведенным Д.С. Орловым (1991), а доза внесения детоксикантов определялась в соответствии с рекомендациями Т.И. Боковой (2005), В.Г. Минеева (1993), в качестве тест-растений использовались яровой ячмень сорта Красноярский 80 и яровая пшеница Новосибирская 29. После внесения ингредиентов почва инкубировалась в течение 7 дней. Посев зерновых проводился в третьей декаде мая, вручную.

В каждом варианте площадь одной делянки составляла 0,3 м2, повторность четырехкратная. После уборки урожая в почвенных образцах определялось содержание гумуса по Тюрину (ГОСТ 23740-79).

Результаты исследований и их обсуждение. При использовании поллютантов без детоксикантов происходит достоверное (Р<0,05—0,01) снижение содержания гумуса по сравнению с фоном (8,5±0,02 %) при внесении свинца в концентрации от 3 ПДК ( на 5,9-8,2 %), кадмия - от 2 ПДК (на 3,5-9,4 %), меди - от 4 ПДК (на 4,7-5,9 %), при полиэлементном загрязнении - Pb+Cd - от 2 ПДК (на 4,7-10,6 %), Pb+Cu - от 3 ПДК (на 3,5-7,1 %), Cd+Cu - от 3 ПДК (на 3,5-8,2 %), Pb+Cd+Cu - от 2 ПДК (на 5,9-14,1 %) (табл. 1-5).

Таблица 1

Влияние свинца и его детоксикантов на содержание гумуса в черноземе выщелоченном, %

Детоксикант Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы Внесение свинца в почву в дозе

1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 4 ПДК 5 ПДК

Контроль - 8,5±0,03 8,3±0,05 8,0±0,07 7,9±0,08 7,8±0,04

Гумат натрия 0,15 8,7±0,06 8,5±0,04 8,2±0,04 8,0±0,03 7,9±0,07

0,3 8,7±0,04 8,6±0,03* 8,3±0,02 8,1±0,05 8,0±0,06

0,45 8,8±0,03* 8,7±0,03* 8,6±0,01* 8,3±0,06 8,1±0,06

Суперфосфат 3,75 8,5±0,04 8,5±0,08 8,2±0,03 7,9±0,06 7,9±0,08

7,5 8,6±0,02 8,4±0,05 8,1±0,04 8,0±0,03 8,0±0,07

11,25 8,5±0,03 8,4±0,02 8,2±0,04 8,1±0,04 8,0±0,07

Катионит 1,5 8,6±0,06 8,5±0,03 8,2±0,06 8,0±0,03 7,9±0,07

3,0 8,5±0,03 8,5±0,04 8,3±0,02 8,1±0,03 7,9±0,04

4,5 8,5±0,03 8,5±0,04 8,3±0,03 8,1±0,03 8,0±0,05

Птичий помет 15 8,7±0,02* 8,6±0,05* 8,4±0,06 8,2±0,04 8,0±0,06

30 8,8±0,02* 8,8±0,01** 8,5±0,03* 8,3±0,07 8,1±0,06

45 9,0±0,04** 8,9±0,02** 8,6±0,03* 8,4±0,02* 8,2±0,05

* - разница с контролем достоверна при Р<0,05; ** - разница с контролем достоверна при Р<0,01.

Таблица 2

Влияние кадмия и его детоксикантов на содержание гумуса в черноземе выщелоченном, %

Детоксикант Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы Внесение кадмия в почву в дозе

1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 4 ПДК 5 ПДК

Контроль - 8,4±0,03 8,2±0,03 8,0±0,07 7,9±0,08 7,7±0,04

Гумат натрия 0,15 8,5±0,02 8,4±0,05 8,2±0,04 8,0±0,02 7,8±0,08

0,3 8,6±0,05 8,5±0,04 8,4±0,06 8,2±0,01 8,0±0,05

0,45 8,7±0,02* 8,6±0,04* 8,5±0,06* 8,3±0,06 8,0±0,04

Суперфосфат 3,75 8,5±0,04 8,2±0,04 8,0±0,03 7,9±0,06 7,7±0,08

7,5 8,4±0,03 8,3±0,04 8,1±0,05 7,9±0,07 7,8±0,05

11,25 8,4±0,05 8,3±0,04 8,2±0,06 8,0±0,07 7,9±0,07

Катионит 1,5 8,5±0,07 8,3±0,03 8,2±0,03 8,0±0,05 7,8±0,03

3,0 8,5±0,04 8,2±0,04 8,2±0,02 8,0±0,06 7,9±0,09

4,5 8,6±0,05 8,3±0,08 8,3±0,06 8,1±0,07 7,8±0,09

Птичий помет 15 8,7±0,02* 8,4±0,05 8,3±0,04 8,0±0,02 7,9±0,08

30 8,9±0,03** 8,6±0,07* 8,4±0,05 8,2±0,01 8,0±0,05

45 9,0±0,01** 8,7±0,07** 8,6±0,02* 8,3±0,06 8,1±0,05

* - разница с контролем достоверна при Р<0,05; ** - разница с контролем достоверна при Р<0,01.

Таблица 3

Влияние меди и ее детоксикантов на содержание гумуса в черноземе выщелоченном, %

Детоксикант Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы Внесение меди в почву в дозе

1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 4 ПДК 5 ПДК

Контроль - 8,5±0,04 8,4±0,05 8,3±0,05 8,1±0,06 8,0±0,01

Гумат натрия 0,15 8,6±0,03 8,5±0,02 8,5±0,04 8,3±0,03 8,1±0,05

0,3 8,8±0,03 8,7±0,02* 8,6±0,02* 8,4±0,05 8,3±0,09

0,45 8,9±0,02* 8,8±0,06* 8,7±0,02* 8,5±0,03* 8,4±0,03*

Суперфосфат 3,75 8,5±0,04 8,5±0,08 8,4±0,03 8,2±0,07 8,0±0,01

7,5 8,6±0,02 8,4±0,05 8,4±0,07 8,2±0,03 8,1±0,07

11,25 8,6±0,04 8,4±0,03 8,3±0,05 8,3±0,03 8,1±0,05

Катионит 1,5 8,5±0,02 8,5±0,01 8,3±0,05 8,2±0,01 8,1±0,02

3,0 8,5±0,04 8,5±0,03 8,4±0,06 8,2±0,03 8,1±0,07

4,5 8,5±0,07 8,4±0,04 8,4±0,03 8,3±0,05 8,2±0,07

Птичий помет 15 8,8±0,02* 8,7±0,03* 8,5±0,02 8,2±0,03 8,1±0,07

30 8,9±0,03* 8,8±0,04* 8,6±0,02* 8,5±0,01* 8,2±0,06

45 9,1±0,03** 8,9±0,05* 8,8±0,04* 8,5±0,04* 8,4±0,03*

* - разница с контролем достоверна при Р<0,05; ** - разница с контролем достоверна при Р<0,01.

Использование суперфосфата и катионита в качестве детоксикантов не повлияло на содержание гумуса. Так, во всех вариантах независимо от дозы внесения отсутствовала достоверная разница с контролем (металл без детоксиканта).

Таблица 4

Влияние полиэлементного загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание гумуса в черноземе выщелоченном, %

ТМ Внесение тяжелых металлов в почву в дозе

1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 4 ПДК 5 ПДК

Pb+Cd 8,4±0,03 8,1±0,01* 8,0±0,01* 7,7±0,08* 7,6±0,03**

Pb+Cu 8,5±0,02 8,3±0,04 8,2±0,02* 7,9±0,08* 7,9±0,07*

Cd+Cu 8,5±0,05 8,3±0,03 8,1±0,09* 7,7±0,08* 7,8±0,02*

Pb+Cd+Cu 8,4±0,03 8,0±0,01* 7,9±0,03* 7,5±0,08** 7,3±0,04**

* - разница с фоном достоверна при Р<0,05; ** - разница с фоном достоверна при Р<0,01.

При внесении гумата натрия достоверное (Р<0,05) увеличение содержание гумуса по сравнению с контролем наблюдалось при дозе 0,3 г/кг почвы при 2 ПДК свинца, 2-3 ПДК меди, Pb+Cd - 1 ПДК, Pb+Cu -1-2 ПДК; при дозе 0,45 г/кг почвы - при 1-3 ПДК свинца, 1-3 ПДК кадмия, 1-5 ПДК меди; Pb+Cd - 1-2 ПДК, Pb+Cu - 1-3 ПДК, Cd+Cu - 1-2 ПДК, Pb+Cd+Cu - 1 ПДК.

Отмечен более выраженный эффект от использования птичьего помета в качестве детоксиканта. Так, наблюдалось увеличение содержания гумуса по сравнению с контролем при внесении мелиоранта в дозе 15 г/кг почвы при 1-2 ПДК свинца, 1 ПДК кадмия, 1-2 ПДК меди, 1 ПДК - Pb+Cu; при 30 г/кг почвы - 1-3 ПДК свинца, 1-2 пДк кадмия, 1-4 пДк меди, 1 ПДК Pb+Cd, 1-2 ПДК Pb+Cu, 1-2 ПДК Cd+Cu, 1 ПДК Pb+Cd+Cu. При использовании птичьего помета в дозе 45 г/кг почвы достоверный эффект наблюдался при 1-4 ПДК свинца, 1-3 ПДК кадмия, 1-5 ПДК меди, 1-3 ПДК Pb+Cd, 1-3 ПДК Pb+Cu, 1-3 ПДК Cd+Cu, 1-2 ПДК Pb+Cd+Cu.

Таблица 5

Увеличение содержания гумуса при использовании детоксикантов при полиэлементном загрязнении

почвы тяжелыми металлами, %

Детоксикант Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы Внесение тяжелых металлов в почву в дозе

1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 4 ПДК 5 ПДК

Свинец+кадмий

Гумат натрия 0,3 3,6 - - - -

0,45 4,8 3,7 - - -

Птичий помет 30 4,8 - - - -

45 7,1 4,9 5,0 - -

Свинец+медь

Гумат натрия 0,3 4,7 4,8 - - -

0,45 5,9 6,0 4,8 - -

Птичий помет 15 3,6 - - - -

30 4,7 4,8 - - -

45 7,1 6,0 4,9 - -

Кадмий+медь

Гумат натрия 0,45 5,9 4,8 - - -

Птичий помет 30 4,7 4,8 - - -

45 8,2 6,0 4,9 - -

Свинец+кадмий+медь

Гумат натрия 0,45 6,0 - - - -

Птичий помет 30 4,8 - - - -

45 7,1 6,3 - - -

В целом следует отметить, что наиболее сильно повлияли на содержание гумуса в почве соли кадмия и полиэлементное загрязнение свинцом, кадмием и медью. Достоверное уменьшение гумуса наблюдается уже при 2 ПДК данных поллютантов. Использование детоксикантов на загрязненных тяжелыми металлами почвах оказало неоднозначное воздействие на содержание гумуса в черноземе выщелоченном. Так, внесение катионита и суперфосфата практически не изменило концентрацию гумуса. Наибольший положительный эффект получен от применения птичьего помета в трехкратной дозе - 45 г/кг почвы, на втором месте по эффективности гумат натрия также при использовании в трехкратной дозе 0,45 г/кг почвы.

Литература

1. Влияние загрязнения Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W на фитотоксичность чернозема / С.И. Колесников, С.В. Пономарева, К.Ш. Казеев [и др.] // Агрохимия. - 2009. - № 8. - С. 49-53.

2. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на содержание в черноземе обыкновенном подвижных форм азота и фосфора / С.И. Колесников, В.Д. Коваленко, К.Ш. Казеев [и др.] // Агрохимия. - 1999. -№ 2. - С. 73-78.

3. Григорян К.В. Влияние загрязненных промышленными отходами оросительных вод на физические, физико-химические свойства и биологическую активность почв: автореф. дис. ... канд. биол. наук. -М., 1980. - 25 с.

4. Громова В.С., Ткаченко О.А. Загрязнение почвы радионуклидами и тяжелыми металлами, способы снижения поступления их в растения // Безопасность жизнедеятельности. - 2001. - № 5. - С. 27-30.

5. Дзапаров В.Х. Исследование влияния тяжелых металлов на почву // Интелектуальные системы в производстве. - 2007. - № 2. - С. 183-187.

6. Покатилова А.Н. Кислотно-основная буферность черноземных почв Южного Зауралья и ее изменение при антропогенном воздействии: автореф. дис. ... канд. с-х. наук: 06.01.03. - Барнаул, 2008. - 20 с.

7. Чундерова А.И. Биохимическая деятельность микросферы и плодородия почвы // Агрохимическая микробиология. - Л.: Колос, 1976. - С. 47-50.

8. Ермохин Ю.И., Синдирева А.В. Основные критерии агроэкологической оценки действия микроэлементов в системе почва-растение-животное // Проблемы агрохимии и экологии. - 2008. - № 3. - С. 19-22.

9. Загрязнение садовых черноземных почв тяжелыми металлами в зоне воздействия выбросов свинцо-во-никель-кадмиевого производства / В.А. Жидеева, И.И. Васенов, А.П. Щербаков [и др.] // Агрохимия. - 2000. - № 11. - С. 66-77.

10. Лебедовский И.А. К вопросу агроэкологической оценки почв на содержание тяжелых металлов // Науч. журн. КубГАУ. - 2007. - № 32. - С. 3-12 .

11. Derome J. Detoxification and amelioration of heavy metal contaminated forest soils by means of liming and fertilization // Environ. Pollut. - 2000. - Vol. 107. - № 1. - P. 79-88.

12. Химическое загрязнение почв и их охрана: сл.-справ. / Д.С. Орлов, М.С. Малинина, Г.В. Мотузова [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991. - 303 с.

13. Бокова Т.И. Закономерности детоксикации антропогенных загрязнителей (тяжелых металлов) в системе почва-растение-животное-продукт питания человека: дис. ... д-ра биол. наук: 03.00.16. - Новосибирск, 2005. - 345 с.

14. Kaszubkiewicz G. Zachowanie sie nubranych uskaznikow biochenicnych // Wet. - 1984. - Vol. 40. - № 3. -P. 144-145.

15. Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф. Накопление ТМ в почве и поступление их в растения в длительном агрохимическом опыте // Докл. РАСХН. - 1993. - № 6. - С. 20-22.

16. ГОСТ 23740-79. Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ. -М.: Изд-во стандартов, 1980. - 25 с.