Тяжелые металлы в системе почва - растение

- общим содержанием  отдельных тяжелых металлов в  почвах конкретного агроценоза;

- относительным содержанием в  почвах агроценоза усвояемых  растениями форм химических соединений, в которые входят конкретные  тяжелые металлы;

- физиологической ролью  каждого тяжелого металла и,  в связи с этим, характером  распределения их по органам  растений.

Часто можно слышать о том, что  в сфере химизации земледелия существует реальная опасность загрязнения  почв при внесении на поля в существенных размерах тяжелых металлов  и  некоторых других загрязнителей с применяемыми минеральными удобрениями, известковыми материалами и другими агрохимикатами (Обухов, Попова, 1992; Абашеева, Ревенский, 1995).

В исследованиях проведенных на И.А. Черных и Н.А. Кирпичниковым и др. (цитировано по В.Ф. Ладонину, 1995) в длительных опытах прослежено изменение содержания тяжелых металлов (цинка, меди, свинца, никеля, кадмия) в почве в зависимости от различных систем удобрений. Их исследования показали, как указывалось выше, что минеральные удобрения в качестве примесей содержат определенное количество тяжелых металлов. Однако, вклад собственно сельскохозяйственного производства в этот вид

 

загрязнения невелик (Nicholson, 1994; Ладонин, 1995; Овчаренко, 1995;

Нетребенко, 1996; и др.).

Между тем, некоторые  авторы (Федчун, Демин и др., 1994; Акулов, Богомазов и др., 1995; Ладонин, 1995; Preer James, 1995; и др.) утверждают, что применение минеральных удобрений и извести снижает содержание тяжелых металлов в растениях за счет повышения урожайности сельскохозяйственных культур, а, следовательно, и биоразбавления на единицу массы.

Выходит, что создание оптимальных  условий для питания растений подбором соответствующих минеральных  и органических удобрений является важным приемом улучшения почв, загрязненных различными токсическими металлами (Минеев, 1984; Ягодин, Кидин и др., 1995).

Обобщение результатов  опытов, проведенных Географической сетью в опытах с удобрениями  показало, что в целом имеется  достаточно тесная связь между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в почвах и накоплением их в растениях. Это свидетельствует о необходимости систематического мониторинга тяжелых металлов в растениях при использовании повышенных доз удобрений (цитировано по В.Ф. Ладонину, 1995).

Восстановление плодородия почв, испорченных и загрязненных стало в настоящее время большой  хозяйственной проблемой.

Рекультивация загрязненных тяжелыми металлами почв обычно основана на применении извести и фосфатов с применением органических веществ, что приводит к иммобилизации тяжелых металлов, так как является следствием химических и физических реакций в почве, а также взаимодействия компонентов.

Однако анализ литературы не дает, какой либо универсальной S методики для быстрой рекультивации почв, сильно загрязненных микроэлементами. Действие каждого метода обработки зависит от свойства почвы, главным образом от катионнообменной емкости и от реакции

 

растений. Поэтому рекультивация  или мелиорация пахотных земель, загрязненных микроэлементами, нуждается в специальных исследованиях систем растение - почва (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Природные процессы самоочищения почв, загрязненных тяжелыми металлами, очень длительны и возможны только до определенного уровня содержания металлов в почве. Самоочищающаяся способность почвы с точки зрения почвоведа, это способность противостоять токсическому воздействию при внесении химических веществ, прежде всего на свой биоценоз, а также на свои биотические свойства - химические, физические, физико-химические, биохимические (Важенин, 1982).

Г.А. Евдокимова, Н.П. Мозгова (1995) на основе многолетнего мониторинга  за химическими и микробиологическими  свойствами окультуренной почвы, интродуцированной  в зону воздействия выбросов предприятия   цветной   металлургии,   разработали   два   критерия, характеризующие   возможность   самовосстановления   свойств   почв, загрязненных медью и никелем - «микробиологический», - установленный по критическому уровню тяжелых металлов для биохимических функций микрофлоры: 200 -300 мг медью и 400 - 500 мг никелем на 1 кг почвы. До этого предела по их мнению почва еще способна к самоочищению. «Физико-химический» критерий основан на отношении суммы обменных оснований к валовому содержанию токсичных элементов. При значении отношения (Са + Mg)/Cu ниже 10 и (Са + Mg)/Ni ниже 5 почва не способна к самовосстановлению.

Рассчитанный ими период удаления тяжелых металлов из подзолистой  почвы до исходной их концентрации за счет естественных процессов самоочищения составил для меди 200 лет, никеля 90 лет и для кобальта 60 лет.

К сожалению эффективных  мер очистки почв от токсических  металлов, как и от других загрязнителей, пока нет (Шильников, Аканова, 1995;

Овчаренко и др., 1995).

 

При изменении химизма  и свойств почвы, реакции среды, изменении соотношения элементов, при использовании антагонизма и синергизма ионов и др. возможно связывание металлов в труднодоступные соединения. Известно, что такие металлы, как кобальт, никель, медь и марганец в нейтральной и щелочной среде безвредны. Поэтому известкование кислых почв является эс}зфективным приемом снижения токсичности этих металлов. Известкование, снижая кислотность почв, уменьшает растворимость свинца, кадмия, мышьяка и цинка (Минеев, 1984; Касатиков и др., 1995).

Наиболее эффективным  приемом для снижения токсичности почв, загрязненных медью и никелем является известкование (до рНксч 6,4 — 6,8) (Евдокимова, Мозгова, 1995).

Одним  из  способов  удаления  загрязнителей  из  активного  биологического круговорота и для  получения чистой продукции А.И. Столяров, А.В. Кирейчева и И.В. Глазунова (1998) изучали и предположили использовать СОРБЭКС - новый сорбентмелиорант, способный снижать токсичность почвы, поглощать и связывать в недоступные формы для растений тяжелые металлы (препятствуя их миграции и вводу в биологический круговорот).

СОРБЭКС состоит из 65 % сапропеля, 25 % цеолита и 10 % сульфата аммония и характеризуется высокой  емкостью поглощения (Кирейчева и  др., 1998).

Высокую  эффективность  органо-карбонатных  и  органических сапропелей в своих исследованиях отмечали А.С. Оглуздин и др. (1996). Для органо-карбонатных сапропелей они предлагают применять дозу, которая увеличивает емкость поглощения на 20 %. Большую роль в нейтрализации токсических свойств тяжелых металлов играет гумус почвы (цитировано по Минееву, 1984). Он связывает, например ионы кадмия, никеля и др. металлов в комплексы хелатного типа, т.е. малодоступные для растений формы, снижая их токсичность. В связи с этими важными приемами, направленными на снижение токсичности металлов почвы, для растений являются все

 

приемы повышения содержания гумуса в почве — внесение различных  органических удобрений, сидератов, запашка  соломы и других растительных остатков в почву. Взаимодействие тяжелых  металлов с гумусовыми кислотами, локализованными  в почве в виде отдельных фаз или пленок, на минеральных компонентах обуславливают необходимую сорбцию тяжелых металлов (Демин, 1994).

Внесение минеральных  удобрений также оказывает большое  влияние на токсичность тяжелых  металлов в почве. Так, внесение азотных  удобрений снимало отрицательное действие свинца, мышьяка, меди и др. элементов на развитие всходов растений. Присутствие минеральных фосфатов ослабляло вредное действие свинца на растения. Содержание меди, никеля и цинка уменьшалось в растениях при внесении высоких доз фосфатов. Фосфорные удобрения  приводили  к  образованию  в  почве   нерастворимого, труднодоступного для растений фосфата кадмия. Добавление в почву серы химически связывало ртуть (Большаков и др., 1978).

Давно известен прием  очистки загрязненных почв с помощью растений, способных избирательно поглощать тяжелые металлы, развивая большую вегетативную массу. С помощью таких растений можно «отсосать» излишнее количество элементов, представляющих опасность загрязнения пищевой продукции. Однако при этом возникает другая проблема, — как использовать вегетативную массу, вобравшую в себя значительную часть загрязнений. К тому же за один год очистить почву таким способом невозможно и требуется многократное возделывание фитомелиорантов на одном и том же поле без получения товарной продукции. Это могут быть обычные сорняки из семейства капустных или гречишных, хорошо поглощают кадмий рапс, сурепка (Осипов, Алексеев, 1996).

В загрязненную почву  предлагается вносить чистую землю  слоем 10 см и более и перемешивать их. Однако это очень трудоемкое мероприятие. Если считать, что пахотный 20-ти сантиметровый слой почвы весит 3 тыс. т., то

 

внесение 10-ти сантиметрового слоя почвы потребует на каждый гектар внесения 1,5 тыс. т. чистой почвы (Минеев, 1984).

 

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 2.1. Условия проведения исследований

Исследования по изучению влияния различного уровня загрязнения

•

почвы тяжелыми металлами  на содержание и динамику подвижных

питательных веществ  в почве, на продуктивность сельскохозяйственных культур и вынос основных макроэлементов (азота, фосфора и калия) с урожайностью, проведены в условиях вегетационно-полевого опыта на кафедре почвоведения и агрохимии Алтайского государственного аграрного университета в 1996-1998 гг.

Исследования проведены в зоне черноземов засушливой и умеренно засушливой степи Алтайского края, в подзоне обыкновенных черноземов умеренно засушливой и колочной степи левобережья р. Оби.

Данная зона характеризуется, как теплый недостаточно увлажненный, где количество осадков за период с температурой выше 10°С составляет 225 - 250 мм, а всего за год по среднемноголетним данным Барнаульской гидрометеостанции выпадает 477 мм, из которых 25 -30 % в виде снега. Весна и первая половина лета часто бывает засушливой. Продолжительность безморозного периода равна 110 - 115 дням. Сумма эффективных температур воздуха 2000 - 2200°С (Агроклиматические ресурсы Алтайского края, 1971).

Эта зона характеризуется  резкоконтинентальным климатом: лето короткое, но сухое и жаркое, зима суровая и продолжительная.

Самый холодный месяц - январь, со средней температурой - 17,7°С. Самый  теплый месяц - июль. Средняя температура  июля составляет +18,9°С. Годовая  амплитуда  среднемесячной температуры  достигает  80°С. Продолжительность периода  с температурой +5°С составляет 163 дня. Временами в данной зоне возможна засуха. Большая часть осадков приходится на вторую половину лета.

 

Зимний период продолжается в среднем 170 дней. Высота снежного покрова  достигает 35 - 40 см. Почва может промерзать к марту месяцу до 146 см.

По теплообеспеченности  зона благоприятна для возделывания многих сортов яровой пшеницы, ячменя, овса, кукурузы на силос, технических  культур, картофеля и овощей.

2.2. Метеорологические  условия проведения исследований

В наших исследованиях  по данным Барнаульской метеостанции, годы были различными по метеорологическим условиям.

Количество осадков  за май - август по годам исследований составило от 157,8 в 1997 году до 230,3 и 232,6 мм в 1998 и 1996 гг. соответственно при  среднемноголетних 204 мм (табл.1).

Для яровой пшеницы 1997 год  был острозасушливым по сравнению  с 1996 годом, особенно первая половина вегетации (III декада мая и июнь), где количество осадков было в полтора раза ниже среднемноголетней нормы, а температура  воздуха на 0,7 - 3,7 градусов выше среднемноголетней. Л.М. Бурлаковой (1971, 1981) установлено, что урожайность яровой пшеницы зависит от осадков первой половины вегетации. На этот период у яровой пшеницы приходятся наиболее ответственные этапы органогенеза - закладка генеративных органов и развитие вторичной корневой системы. Наиболее благоприятным для яровой пшеницы был 1996 год. В этом году количество осадков и среднемесячная температура воздуха (за исключением августа) были выше среднемноголетней нормы. Этот год был благоприятным и для возделывания сахарной свеклы. Особенно в сентябре, когда идет усиленный рост корнеплодов, выпало большое количество осадков (в 2,2 раза выше среднемноголетней нормы) при температуре воздуха приблизительно равной среднемноголетним показателям.

 

Таблица

Погодные условия вегетационного периода лет исследований (по данным Барнаульской АМС)

Месяц	Декада	Осадки, мм				Температура воздуха, °С
		Средне-многолетние	1996	1997	1998	Средне-многолетние	1996	1997	1998
Май	I	15,0	6,0	15,9	11,8	-	11,6	12,2	9,6
	II	16,0	8,2	15,3	43.3	-	12,6	11,0	8,4
	III	18,0	25,2	0,0	9,1	-	12,0	18,6	17,5
Всего за месяц		49,0	39,4	31,2	64,2	^10,7	X 12,1	X 14,4	Л'12,0
Июнь	I	15,0	15,8	2,9	12,3	-	14,5	16,0	19,9
	II	16,0	19,8	13,0	9,6	-	18,4	16,1	18,6
	III	18,0	49,2	13,5	24,1	-	19,2	19,6	15,7
Всего за месяц		49,0	84,8	29,4	46,0	X 16,6	Л'17,4	^17,3	^18,1
Июль	I	21,0	34,8	5,9	19,6	-	19,8	19,9	22.6
	II	24,0	3,6	7,5	25,8	-	23,2	20,1	22,1
	III	22,0	28,5	20,3	1,6	-	21,8	17,4	21,1
Всего за месяц		67,0	66,9	33,7	47,4	X 17,9	^21,6	X 19,0	А'21,9
Август	I	20,0	0,4	28,7	3.2	-	20,6	21,3	^2Т-4
	II	17,0	7,7	11,1	62,3	-	13,6	18,5	21,7
	III	15,0	33,4	23,7	7,2	-	12,1	14,5	16,2
Всего за месяц		52,0	41,15	63,5	72,7	^16,3	Xi5,3	X 18,0	^19,6
Сентябрь	I	-	38,8	-	-	-	10,1	-	-
	II	-	38.7	-	-	-	10,6	-	-
	III	-	4,4	-	-	-	9,1	-	-
Всего за месяц		-	81,9	-	-	^10,5	Х9,9	-	-
За вегетацию			314,5	157,8	230,3	-	-	-	-
ГТК,			1,41	0,65	1,23	-	-	-	-
ГТКг		яровой пшениць (Y-YIII)	1,17	0,65	1,23	-	-	-	-
		сахарной свеклы (Y-IX)	1,43	0,76	1,07	-	-	-	-