Содержание тяжелых металлов (свинец и кадмий) в почвах и растениях нетрадиционных кормовых культур и их эколого-токсикологическая оценка в лесостепи Восточной Сибири

Введение. Индикатором природных процессов является почва, а ее состояние – результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Лесостепная зона Красноярского края, на которую приходится 70,2 % пахотных земель региона, испытывает значительную антропогенную нагрузку. Это связано с выбросами в окружающую среду промышленными предприятиями, ТЭЦ и автотранспортом тяжелых металлов (ТМ). Показатели загрязнения почв тяжелыми металлами остаются еще стабильно высокими [Коротченко и др., 2012].

Тяжелые металлы (свинец, кадмий, медь и др.), включаясь в биогеохимические круговороты, загрязняют почву и через растения попадают в организм животных и человека – аккумулируются в различных органах и тканях, вызывая различные патологии.

Ряд исследователей указывают на тот факт, что в последнее время основными объектами экологических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель. Однако есть и другие научные данные, утверждающие, что содержание свинца и кадмия в почвах лесостепи Восточной Сибири в период вегетации кормовых культур не превышает ПДК – достоверного превышения не обнаружено [Микроэлементозы человека ..., 1991; Панин, 2000; Пронина, 2000; Хала, Артемьев, М е шков, 2002; Аветисян, 2016].

Из-за того, что тяжелые металлы поступают в организм человека и травоядных животных в основном с растительной пищей, обогащение происходит главным образом из почвы. Поэтому растительная продукция (пища, корма) даже со слабозагрязненных почв способна вызывать кумулятивный эффект – постепенное увеличение содержания ТМ в организме человека и животных [Кузубова, 1990; Осипов, Алексеев, 1996; Немцев, 2003; Государственный доклад ..., 2010; Демиденко, Фомина, 2013].

Как показывает анализ научной литературы, влияние ТМ на живые организмы разнообразно. Это обусловлено химическими особенностями металлов, отношением к ним организмов и условиями окружающей среды. Поэтому выделяют группу особо токсических металлов, к которой относятся кадмий, свинец.

К свинцу вызван повышенный интерес как приоритетному загрязнителю для окружающей природы. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей. Однако ряд исследователей приводят данные, подтверждающие, что свинец жизненно необходим для животных. При концентрации его в корме менее 0,05–0,5 мг/кг крысы испытывают недостаток этого элемента. В небольших количествах он необходим и растениям. При его содержании в надземной части от 2 до 6 мг/кг сухого вещества у растений возможен дефицит свинца [Кабата-Пендиас, 1989; Волошин, 2003].

А вот избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного воздействия свинца: появление темнозеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва.

В.Б. Ильин, А.И. Сысо (2001) утверждают, что устойчивость растений к избытку свинца неодинакова – менее устойчивы мятликовые, более устойчивы бобовые растения. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве – от 100 до 500 мг/кг. Концентрация свинца выше 10 мг/кг сухого вещества является токсичной для большинства культурных растений.

Кадмий является токсичным для животных организмов уже при низких концентрациях. Он также относится к группе микроэлементов, способных стимулировать рост некоторых животных, а вот влияние на растения – пока не установлено [Микроэлементозы ..., 1991; Ильин, Сысо, 2001; Коротченко и др., 2012].

В научной литературе есть данные о токсичности кадмия для растений, проявляющейся в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации – у растений наблюдается задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев. Из-за того, что растения до 70 % кадмия поглощают из почвы и лишь 30 % из воздуха, можно считать основным источником кадмиевой интоксикации живых организмов растительную пищу (для человека, животных). Однако при очень низких концентрациях соединений кадмия уменьшается активность ферментов, нарушается усвоение и обмен других микроэлементов. Это может вызвать их дефицит [Гигиенические критерии ... , 1980; Свинец, кадмий, мышьяк ... , 1987].

Существуют также данные, утверждающие, что кадмий может привести к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния, деформации скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, утиной походкой и др. [Микроэлементозы человека ..., 1991].

Таким образом, анализ научной литературы по тяжелым металлам показывает, что ТМ способны накапливаться и образовывать высокотоксичные металлосодержащие соединения, которые вмешиваются в метаболический цикл живых организмов, вызывают у человека и животных ряд заболеваний. Поэтому в настоящее время проблема содержания ТМ как в почве, так и в растительном сырье (в кормах) является актуальной.

Цель работы. Эколого-токсикологическая оценка содержания свинца и кадмия в почвах и сухом веществе однолетних кормовых культур лесостепи Восточной Сибири и мониторинг их содержания в основные периоды вегетации.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили на многолетнем полевом стационаре кафедры растениеводства и плодо-овощеводства Института агроэкологических технологий Красноярского ГАУ, УНПК «Бор- ский», ООО «Учхоз Миндерлинское» в 2014– 2016 гг.

Объекты исследований: малораспространенные в лесостепи Красноярского края однолетние кормовые культуры – пайза (сорт Эврика), сорго сахарное (Кинельское 4) и донник однолетний (Поволжcкий), а также почвы и растения изучаемых культур.

Площадь делянок составила: посевной – 60– 80, учетной – 8–30 м2, повторность – четырехкратная. Почва участка – чернозем выщелоченный, среднесуглинистый, окультуренный. Агротехника в опыте – общепринятая, зональная для однолетних культур в регионе.

В течение вегетации культур проводили сопутствующие исследования (фенологические наблюдения и биометрические измерения), учет и уборку урожая зеленой массы растений [Методические указания ..., 1983]. Учет и уборку урожая зеленой массы проводили методом сплошной уборки по вариантам, с последующим взвешиванием на механических весах. Агрохимические анализы почвы, концентрацию тяжелых металлов в почве и растениях определяли на основании данных, полученных в лаборатории НИИЦ Красноярского ГАУ, а также использовали данные по тяжелым металлам и обобщали литературные данные разных научных учреждений Сибири [Кальницкий, 1987; Бурлакова, 2001; Ермохин, 2002; Кашин, Иванов, 2002; Конарбаева, 2004; Постников, 2007].

Математическую обработку данных по урожайности опыта проводили в ВЦ Института АЭТ Красноярского ГАУ с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ОДА) по программе ANOVA [Доспехов, 1985].

Основным методом исследования является эколого-токсикологический мониторинг [Каль-ницкий, 1987]. Содержание тяжелых металлов определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААS-30 в НИИЦ по контролю качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов ФГБОУ ВО КрасГАУ.

Исследования выполнены в соответствии с требованиями к отбору проб почв при общих и локальных загрязнениях, изложенными в ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.01-84, ГОСТ 28168-89

(Результаты исследований № Н-920 – Н-926 за 2015 г. и Результаты исследований № Н-837 – Н-864 за 2016 г. от 31 января 2017 года). В течение вегетации культур были отобраны почвенные и растительные образцы по основным периодам роста и развития согласно общепринятым методическим указаниям ВНИИ кормов (1983).

Погодные условия вегетационного периода в годы исследования в целом можно характеризовать как типичные для зоны лесостепи региона. ГТК при этом был в пределах 1,15–1,20, что соответствует многолетним нормам.

Результаты исследований. В ходе исследований были заложены опыты с перспективными кормовыми культурами, такие как пайза, сорго сахарное и донник однолетний (срок посева – начало июня).

По периодам их роста и развития были отобраны средние образцы почв и растений (растительных образцов) на агрохимический анализ и наличие тяжелых металлов, в частности свинца и кадмия.

Агрохимический анализ почвы (содержание в почве питательных веществ, тяжелых металлов по основным периодам роста и развития) нетрадиционных кормовых культур в лесостепи Красноярского края и их экологотоксикологическая оценка показаны в таблицах 1 и 2.

Анализ содержания питательных веществ почвы культур по периодам вегетации показал, что содержание нитратного азота почвы опытного участка – среднее, при уборке – низкое; подвижного фосфора – повышенное и высокое; обменного калия – высокое.

Отмечено, что почва по рН KCl – нейтральная и что к концу вегетации имеет тенденцию уменьшения веществ. Требуется проведение мероприятий по балансировке питательных веществ почвы, внесению азотных удобрений в частности. Дозу можно уточнить после проведения расчетов. При анализе содержания тяжелых металлов в почвах культур установлено, что концентрация свинца и кадмия не превышает ОДК (табл. 2).

Таблица 1

Агрохимические показатели почвы (слой 0–25 см) по периодам вегетации кормовых культур (среднее за 2014-2016 гг.)

Вид, период вегетации кормовых культур	Показатели питательных веществ
	рН KCl	N-NO 3 , мг/кг	Р 2 О 5 (по Кирсанову), мг/100 г почвы	К 2 О (по Кирсанову), мг/100 г почвы
Исходные (посев) – III декада мая – I декада июня	6,80	8,60	33,75	28,04
Начало всходов – всходы (II декада июня)	7,15	8,00	29,67	23,30
Ветвление – цветение (I–III декады июля)	6,82	7,10	36,34	23,02
Уборка зеленой массы растений (III декада августа)	6,94	6,80	31,71	22,96

Таблица 2

Эколого-токсикологическая оценка тяжелых металлов почв малораспространенных кормовых культур (среднее значение за 3 года), мг/кг

Вид, период вегетации кормовых культур	Содержание ТМ в почвах		ОДК* с учетом фона
	Pb	Cd	Pb	Cd
Исходные (посев) – III декада мая – I декада июня: - пайза	9,45	0,52	130	2,0
- сорго сахарное	8,25	0,47	-	-
- донник однолетний	9,47	0,46	-	-
Начало всходов – всходы (II декада июня): - пайза	9,60	0,47	130	2,0
- сорго сахарное	8,45	0,42	-	-
- донник однолетний	8,72	0,45	-	-
Ветвление–цветение (I–III декады июля): - пайза	9,20	0,45	130	2,0
- сорго сахарное	8,45	0,47	-	-
- донник однолетний	8,61	0,39	-	-
Уборка зеленой массы растений (III декада августа): - пайза	9,32	0,42	130	2,0
- сорго сахарное	8,75	0,42	-	-
- донник однолетний	8,89	0,36	-	-

* Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91 [Аристархов, 2000]. Для почв с кислотно стью, близкой нейтральной, нейтральной (суглинистых и глинистых) рН>5,5.

Эколого-токсикологическая оценка тяжелых мовых культур показала низкое их содержание в металлов почв (свинца и кадмия) в основные сравнении с ОДК (мг/кг).

периоды развития малораспространенных кор-

Почва – чернозем выщелоченный, окультуренный; можно отнести к незагрязненным ТМ почвам.

Таким образом, возможно возделывание сельскохозяйственных (продовольственных) культур, однолетних, малораспространенных кормовых растений (в частности, пайза, сорго сахарное, донник однолетний).

Отмечена тенденция уменьшения концентрации содержания тяжелых металлов в почвах от начала к концу вегетации (уборка кормовых культур): 2,0–8,0 % свинца и 19–21 % кадмия.

Содержание тяжелых металлов в растительных образцах исследуемых кормовых культур показано на рисунках 1–3, а также в таблице 3.

Пайза -ветвление (35 наст.листьев)

Пайза -ветвление -выход в трубку (5-6

Пайза -начало выхода в трубку (6-7

Пайза -выметывание (уборка)

• ■    Pb (свинец), мг/кг сухого вещества

• ■    Cd (кадмий), мг/кг сухого вещества

• ■    Нормальное содержание Pb в растениях, мг/кг

• ■    Нормальное содержание Cd в растениях, мг/кг

наст.листьев) наст.листьев)

Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в растительных образцах пайзы (сорт Эврика) по периодам вегетации

■ Pb (свинец), мг/кг сухого вещества

■ Cd (кадмий), мг/кг сухого вещества

■ Нормальное содержание Pb в растениях, мг/кг

■ Нормальное содержание Cd в растениях, мг/кг наст.листьев) выметывания (7-     (уборка)

9 наст.листьев)

Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в растительных образцах сорго сахарного (сорт Кинельское 4) по периодам вегетации

Донник - ветвление      Донник - начало      Донник - цветение     Донник - цветение- бутонизации (11-13                             образование семян наст.листьев)                                       (уборка)

• ■    Pb (свинец), мг/кг сухого вещества     ■ Cd (кадмий), мг/кг сухого вещества

• ■    Норм. содержание Pb в растениях, мг/кг ■ Норм. содержание Cd в растениях, мг/кг

Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в растительных образцах донника однолетнего (сорт Поволжский) по периодам вегетации

Отмечено, что соединения свинца и кадмия содержатся практически во всех исследованных образцах изучаемых кормовых культур по периодам вегетации. Установлено, что по мере роста и развития растений концентрация ТМ (свинец и кадмий) в них различна.

В начальный период вегетации культур (ветвление–начало бутонизации) содержание свинца составило в среднем 4,75–2,26 мг/кг сухого вещества (это ниже среднего количества ОДК 8 мг/кг), что на 40,6–71,7 % ниже оптимального количества. В период выметывания– образования семян культур (уборка зеленой массы) содержание соединений свинца составило 3,96–1,44 мг/кг, что ниже ОДК на 50,5–82 %.

Концентрация соединений кадмия в растительных образцах кормовых культур составила в среднем 0,48–0,20 мг/кг (при ОДК 0,5 мг/кг).

Отмечено, что содержание кадмия – наибольшее в период начала роста и развития растений (до 0,49–0,40 мг/кг), наименьшее – в период уборки зеленой массы у пайзы и сорго сахарного (до 0,27–0,20 мг/кг). Это на 46–60 % ниже ОДК.

Установлено сравнительно высокое содержание кадмия у донника однолетнего по отношению к ОДК в период вегетации. Наибольшее количество соединений кадмия отмечено в период начала бутонизации (0,45), наименьшее – в период цветения (0,28 мг/кг сухого вещества). Однако концентрация соединений кадмия в пределах и ниже ОДК на 10–44 % (табл. 3, см. рис. 1–3).

Наши исследования по изучению однолетних малораспространенных кормовых культур в условиях лесостепи Восточной Сибири, проведенные в 2014–2016 гг., показали высокую урожайность зеленой массы. На фоне низкого содержания нитратного азота, повышенного и высокого содержания фосфора и калия в почве они обеспечивали достоверные прибавки урожая. Наибольшую урожайность зеленой массы формировали сорго сахарное (сорт Кинельское 4) и пайза (сорт Эврика) – до 874,2–571,6 ц/га, наименьшее – донник однолетний (сорт Поволжский). В зеленой массе, а также в почве данных кормовых культур не обнаружено достоверного превышения соединений свинца и кадмия (табл. 3, 4).

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в растительных образцах малораспространенных кормовых культур по периодам вегетации (среднее значение повторений) 2014–2016 гг., мг/кг

Культура, период вегетации	Содержание ТМ в почве		ОДК
	Pb	Cd	Pb	Cd
Пайза – ветвление (3-5 наст. листьев)	3,30	0,40	2-14	0,5
Пайза – ветвление – выход в трубку (5-6 наст.листьев)	2,50	0,30	2-14	0,5
Пайза – начало выхода в трубку (6-7 наст.листьев)	3,25	0,37	2-14	0,5
Пайза – выметывание (уборка)	2,52	0,27	2-14	0,5
Сорго сахарное – ветвление (4-5 наст.листьев)	4,75	0,49	2-14	0,5
Сорго сахарное – начало выметывания (7-9 наст.листьев)	2,04	0,25	2-14	0,5
Сорго сахарное – выметывание (уборка)	1,44	0,20	2-14	0,5
Донник однолетний – ветвление	2,26	0,37	2-14	0,5
Донник однолетний – начало бутонизации (11-13 наст.листьев)	4,16	0,45	2-14	0,5
Донник однолетний – цветение	2,20	0,28	2-14	0,5
Донник однолетний – цветение-образование семян (уборка)	3,96	0,38	2-14	0,5

Таблица 4

Урожайность зеленой массы перспективных кормовых культур в лесостепи за 2015–2016 гг., ц/га

Вид кормовых культур	2014	2015	2016	Среднее за 3 года
Овес – контроль	292,0	311,4	443,8	349,1
Сорго сахарное	824,6	791,1	1006,8	874,2
Пайза	587,2	564,6	562,9	571,6
Донник однолетний	497,2	501,9	486,4	495,2
НСР 05	68,1	80,2	81,2	-

Фенологические наблюдения и биометрические исследования во время вегетации культур показали, что не обнаружено внешних симптомов у растений: появления темно-зеленых листьев, скручивания старых листьев, чахлых листьев (при токсичной концентрации свинца в растениях); а также задержки роста, повреждения корневой системы, хлороза листьев (при токсичной концентрации кадмия в растениях).

Выводы

• 1.    Перспективные малораспространенные кормовые культуры пайза, сорго сахарное и донник однолетний обеспечивают высокие урожаи зеленой массы до 874,2–571,6 ц/га. Малораспространенные кормовые культуры позволяют не только сохранить биоразнообразие, расширить видовой состав растений, но и придать агрофитоценозам большую устойчивость, высокую биологическую продуктивность, сохранность экологической среды.

• 2.    Данное исследование по выявлению тяжелых металлов в почвах и растениях исследуемых культур является актуальным, позволит в дальнейшем качественно улучшить кормовую базу Восточной Сибири и недопустить отравления животных, а также повысить качество животноводческой продукции. Требуется сбалансировать питательные вещества в почве (внесение минеральных удобрений, прежде всего азотных).

• 3.    Новые и малораспространенные кормовые культуры способны обеспечивать высокие, стабильные урожаи кормовой массы, являются надежными компонентами в создании силосных, сырьевых, сенокосно-пастбищных конвейеров. Они способны успешно решить проблему производства растительного белка, стабилизировать сахаро-протеиновое соотношение в рационах кормления сельскохозяйственных животных в условиях лесостепи Красноярского края.

• 4.    Эколого-токсикологическая оценка тяжелых металлов (ТМ) почв, а именно свинца и кадмия, в основные периоды развития малораспространенных кормовых культур показала низкое их содержание в сравнении с ОДК (мг/кг).