Влияние агротехнических приемов на содержание тяжелых металлов в черноземе выщелоченном

Одной из главных задач современного земледелия является получение высоких урожаев экологически чистой продукции, сохраняя при этом потенциальное плодородие почвы. Из литературных данных известно, что вносимые в почву удобрения и средства защиты растений содержат в незначительных количествах тяжёлые металлы, которые могут накапливаться в почве.

В ранее проведённых исследованиях нами было выявлено, что пахотный слой чернозёма выщелоченного обладает определённой буферной активностью по отношению к тяжёлым металлам (ТМ) [3,7]. Это объясняется образованием труднорастворимых соединений, вследствие чего ионы металлов становятся недоступными для растений. В ранее опубликованных материалах нами рассмотрены вопросы влияния способа основной обработки почвы на состояние марганца, меди, цинка, свинца, кобальта и кадмия в пахотном и подпахотном слоях чернозёма выщелоченного без применения удобрений и средств химической защиты растений [7]. В данной работе показано влияние способа основной обработки почвы и применения удобрений с пестицидами на возможность загрязнения пахотного слоя почвы марганцем, медью, цинком, свинцом, кобальтом и кадмием. Рассматриваются результаты исследований 6 вариантов опыта при возделывании озимого ячменя: ООО - контроль, 020 - рекомендуемая доза минеральных удобрений для центральной зоны Краснодарского края, 200 - рекомендуемая доза органических удобрений (400 кг/га полуперепревшего навоза) для центральной зоны Краснодарского края, 220 - совместное применение минеральных и органических удобрений, 222 - минеральные, органические удобрения и гербициды в рекомендуемой дозе, 333 - утроенная доза минеральных, органических удобрений и гербициды, фунгициды, инсектоакарициды. Отбор образцов проводили с глубины пахотного слоя - 0-30 см после десятилетней ротации севооборота; основная обработка почвы проводилась на глубину 0-30 см под сахарную свёклу после возделывания озимого ячменя. Согласно зональной технологии применения удобрений и средств защиты в варианте 020 применялись:

• -    минеральные удобрения в дозе N_looP₆o;

• -    200-400 кг/га полуперепревшего навоза;

• -    220-400 кг/га полуперепревшего навоза + N_looP₆o;

• -    222-400 кг/га полуперепревшего навоза + N_looP₆o + гербицид секатор;

• -    333-400 кг/га полуперепревшего навоза + N_2OoP6o + гербицид секатор + инсекто-акарицид БИ 58 Новый и фунгицид альто-супер.

В качестве азотных удобрений использовали аммиачную селитру, а фосфорных - простой суперфосфат под основную обработку почвы.

Определение валовых форм исследуемых ТМ проводили согласно методу ЦИНАО (МУ МСХ от 10.12,94) из почвенной вытяжки 6 М НМО3. Подвижные формы определяли согласно отраслевому нормативу РД 52.18.289-90 (вытяжка аце-татно-аммиачным буфером с pH 4,8). Все формы количественно определяли атомно-абсорб-ционным методом [8].

Статистическая обработка данных проводилась методом полного дисперсионного анализа по Б. А. Доспехову [5] с вводом расчётных формул в программную среду Excel 2000, при заданной вероятности 0,95. Стандартную ошибку опыта определяли с помощью пакета анализа Excel 2000 [4].

В таблицах 1 и 2 представлены данные содержания валовых и подвижных форм изучаемых ТМ при отвальной обработке почвы.

Таблица 1 - Содержание валовых форм изучаемых тяжелых металлов при отвальной обработке почвы (мг/кг)

_____________ Краснодар, КГАУ, 2003 г.

Вариант опыта	Тяжёлые металлы                                 ■
	Мп	Си	Zn	РЬ	Со	Cd
000	484,6011,0	21,6410,19	62,2510,80	16,4110,13	13,5710,10	0,09510,010 ।
020	503,4313,4	21,1510,10	66,5213,00	16,6610,20	12,8910,03	0,09010,001 1
200	490,9817,6	21,7410,09	63,4310,41	16,7410,16	12,5110,06	0,09510,010
220	499,0314,2	20,9610,11	65,4612,23	16,4110,03	12,5810,19	0,09110,005 '
222	486,6018,4	21,44±0,38	63,4412,20	16,3810,11	11,9510,32	0,09710,004 ;
333	485,4711,2	21,8610,20	63,3011,10	16,7610,04	12,1610,06	0,09910,003
НСР05	20,4513,02	0,7010,10	7,4611,05	0,4510,05	0,6310,05	0,0210,001 :
Ғф	1,92	3,27	0,60	2,07	10,82	0,74        !

Жирным шрифтом в таблицах представлены данные вариантов, в которых условия опыта оказали существенное влияние по сравнению с контролем. Влияние факторов опыта оценивалось по найденным, в результате дисперсионного анализа, критериям Фишера на 95 %-ном доверительном уровне. Критическое значение Фишера составляет 5,05, соответственно все значения, превысившие эту точку, являются значимыми.

Из данных табл. 1 следует, что содержание валовых форм кобальта в пахотном слое почвы уменьшается при применении органических и минеральных удобрений, что, вероятно, объясняется его синергизмом с макроэлементами, поступающими с удобрениями. На валовые формы остальных металлов внесение удобрений на фоне отвальной обработки почвы не оказало существенного влияния.

Таблица 2- Содержание подвижных форм изучаемых тяжелых металлов при отвальной обработке почвы (мг/кг)

Краснодар, КГАУ, 2003 г.

Вариант опыта	Тяжёлые металлы
	Мп	Си	Zn	РЬ	Со	Cd
000	25,5410,0	0,4910,02	4,5910,04	0,9310,08	0,09210,001	0,03110,003
020	36,2611,2	0,3010,02	10,6410,42	1,5610,05	0,04810,004	0,02910,002
200	27,23±0,7	0,5010,01	9,0710,43	1,1510,20	0,08710,010	0,01310,001
220	28,2411,8	0,3610,02	2,7310,19	1,0710,01	0,01810,001	0,02610,001
222	25,8010,2	0,3110,04	2,8310,20	1,0510,02	0,07110,010	0,02810,003
333	25,8310,2	0,3010,02	3,8110,40	0,8410,01	0,08210,010	0,02410,001
HCPos	3,8210,1	0,2010,02	1,2810,03	0,7410,10	0,0510,005	0,00710,001
Ғсь	15,94	2,65	91,60	1,52	6,28	1,16

Из данных табл. 2 следует, что условия опыта оказали существенное влияние на содержание подвижных форм марганца, цинка и кобальта. Как отмечалось выше, внесение в почву макроэлементов усиливает синергизм потребления кобальта, а в сочетании с органическими удобрениями эта тенденция возрастает ещё больше, о чём свидетельствует уменьшение содержания кобальта в варианте совместного внесения органических и минеральных удобрений в дозах, соответствующих зональной технологии возделывания озимого ячменя. В этом случае наблюдается дефицит доступных форм кобальта для растений. Следует обратить внимание на увеличение содержания марганца и цинка в вариантах с применением минеральных удобрений, что объясняется содержанием этих металлов в удобрениях, но при совместном внесении органических и минеральных удобрений наблюдается частичное связывание этих металлов в органо-минеральные комплексы [б, 1], а также синергическое влияние других элементов, присутствующих в навозе. Содержание подвижных форм цинка также увеличивается в варианте 200 с применением навоза, но в других вариантах падает, что указывает на необходимость с агроэкологической точки зрения совместного применения минеральных и органических удобрений.

В табл. 3 и 4 представлены данные содержания валовых и подвижных форм изучаемых нами ТМ при безотвальной обработке почвы.

Таблица 3 - Содержание валовых форм изучаемых тяжелых металлов при безотвальной обработке почвы (мг/кг)

Краснодар, КГАУ, 2003 г.

Вариант опыта	Тяжёлые металлы
	Мп	Си	Zn	РЬ	Со	Cd
000	460,23±6,40	19,53±1,30	59,87±1,17	16,05±0,78	13,09±1,63	0,087±0,002
020	492,33±0,70	21,15±0,09	71,80±1,62	17,33±0,29	12,72±0,01	0,086±0,000
200	484,00 ±1,04	21,03±0,60	69,00±1,28	16,44±0,38	12,54±0,11	0,090±0,003
220	502,04±8,20	21,09±0,02	72,62±2,59	1б,70±0,13	12,63±0,09	0,090±0,000
222	507,14±4,50	21,49±0,26	77,83±2,41	17,1б±0,09	12,61±0,18	0,090±0,002
333	491,40±3,02	21,10±0,04	69,49±5,89	16,51±0,11	12,52±0,15	0,087±0,002
НСР05	18,6±4,12	2,27±0,50	8,89±2,00	1,51±0,12	2,5±0,50	0,007±0,001
	10,43	1,21	5,85	1,20	од	0,83

Из данных табл. 3 следует, что при безотвальной обработке почвы увеличивается содержание валовых форм марганца и цинка, что, вероятно, объясняется, как было отмечено выше, содержанием этих металлов в органических и минеральных удобрениях, но, находясь на поверхности почвы, содержащиеся в удобрениях металлы, тут же переходят в ППК, где становятся недоступными растениям. На эту закономерность указывают данные табл. 4, где видно уменьшение содержания подвижных форм этих металлов с возрастанием количества внесённых органических и минеральных удобрений, то есть в случае увеличения доз применяемых удобрений происходит увеличение поглотительной способности почвы по отношению к этим металлам и они переходят из почвенного раствора в ППК или поглощаются химически. Так, марганец, может находиться в форме диоксида МпО2 или возможно образование коллоидных веществ из группы псиломелана тМпО ■ МпО2 ■ пН2О, а цинк в форме гидроксида и фосфатов Zn(OH)2, Zn3(PO4)2 ■ Н2О, Zn5(OH)6(CO3)2 [9].

Таблица 4 - Содержание подвижных форм изучаемых тяжелых металлов при безотвальной обработке почвы (мг/кг)

Краснодар, КГАУ, 2003 г.

Вариант опыта	Тяжёлые металлы
	Мп	Си	Zn	РЬ	Со	Cd
000	49,50±1,2	0,25±0,04	3,66±0,19	0,58±0,01	0,074±0,006	0,035±0,001
020	39,12±2,6	0,22±0,03	2,88±0,30	0,49±0,03	0,076±0,002	0,024±0,004
200	32,00±1,2	0,32±0,05	2,52±0,33	0,57±0,03	0,085±0,005	0,033±0,004
220	39,07±1,5	0,29±0,06	1,73±0,33	0,63±0,03	0,067±0,005	0,029±0,003
222	20,05±0,7	0,22±0,02	1,68±0,27	0,61±0,03	0,090±0,002	0,035±0,003
333	19,00±0,2	0,22±0,03	1,44±0,29	1,15±0,17	0,070±0,004	0,032±0,001
НСР05	5,83±1,20	0,14±0,03	0,5±0,10	0,34±0,09	0,006±0,001	0,006±0,001
Ғф	54,22	1,29    1	50,04	6,86	29,0	4,35

Из данных табл. 4 следует, что в варианте с утроенным применением ор-га-нических и минеральных удобрений (333) наблюдается увеличение содержания подвижных форм свинца, но ниже ПДК.

На рисунке 1 представлены данные валового содержания (среднее вариантов) изучаемых ТМ при отвальной и безотвальной обработках почвы в пахотном слое почвы.

Рисунок 1. Валовое содержание изучаемых ТМ в пахотном слое почвы (0-30 см) при отвальной и безотвальной обработках почвы (мг/кг)

На рисунке 1 видно, что отвальная обработка почвы способствует увеличению содержания валовых форм марганца, меди и кадмия, безотвальная обработка способствует увеличению валовых форм цинка, свинца и кобальта. На рисунке 2 видно, что отвальная обработка почвы способствует увеличению содержания подвижных форм меди, кадмия, цинка, свинца и кобальта, безотвальная - способствует увеличению подвижных форм марганца

Рисунок 2. Содержание подвижных форм изучаемых ТМ в пахотном слое почвы при отвальной и безотвальной обработках почвы (мг/кг)

Для установления достоверности влияния способа основной обработки почвы мы исследовали данные методом проверки статистических гипотез по Стьюденту [5] в программной среде Statistica 6.0 [2].

В табл. 5 представлены данные анализа проверки статистических гипотез по Стьюденту для сопряжённых выборок.

Таблица 5- Данные статистического анализа по Стьюденту

Краснодар,КГАУ, 2003 г.
Обработка	Марганец		Медь		Цинк		Свинец		| Кобальт		Кадмий
	Пф	Вф	Пф	Вф	Пф	Вф	Пф	Вф	- Пф	Вф	Пф	Вф
Отвальная	28,1	492	0,38	25,5	5,61	64,0	1,10	16,5	0,010	12,6	0,05	0,09
Безотвальная	31,8	482	0,25	20,9	2,14	70,9	0,66	16,7	0,07	12,5	0,03	0,08
‘ 1ф	1,06	0,34	4,31	1,62	2,64	2,76	2,36	0,06	1 1,01	0,46	1,84	4,01
f Р	0,33	0,75	0,01	0,16	0,04	0,03	0,06	0,51	І 0,35	0,66	0,12	0,01
!       tcs _						2,23

Примечание: 1ф - фактическое значение критерия Стьюдента;

р - мощность критерия (вероятность отвержения гипотезы о не влиянии основной обработки почвы на содержание изучаемых ТМ);

t05 - критическое значение критерия Стьюдента на 95 %-ном доверительном уровне.

Из данных табл. 5 видно, что критерии существенности превысили своё критическое значение в случае влияния основной обработки на содержание подвижных форм меди, цинка и свинца, а также на содержание валовых форм цинка и кадмия. Учитывая высокие значения этих критериев, а также низкую вероятность (мощность критерия) их отвержения на 95 %-ном доверительном уровне, можно считать влияние условий опыта на содержание этих металлов достоверным. Вероятно, это объясняется изменением физико-химических свойств выщелоченного чернозёма при отвальной обработке почвы.

Отвальная обработка почвы ведёт к накоплению подвижных форм меди, цинка, что, вероятнее всего, объясняется переходом катионов этих металлов из ППК в почвенный раствор в результате крошения пласта в осенне-зимневесенний период. Эта закономерность наглядно представлена на рисунке 2. При безотвальной обработке почвы наблюдается увеличение валовых форм свинца, что, вероятно, объясняется его аккумуляцией в верхнем слое в виде РЬО и РЬ(ОН)2 [9]. Отвальная обработка также способствует увеличению химической поглотительной способности почвы по отношению к цинку. Накопление валовых форм кадмия при отвальной обработке вероятнее всего обусловлено образованием труднорастворимых гидроксидов этого металла.

В заключение необходимо отметить, что марганец, медь, цинк и кобальт играют двоякую роль в жизни растений: с одной стороны, они являются микроэлементами, а с другой, в избыточных концентрациях они могут быть токсичными для растений. Наблюдается незначительное превышение ПДК содержания валовых форм цинка во всех вариантах опыта, но содержание подвижных форм ниже ПДК, что не составляет угрозы загрязнению почвы. Свинец и кадмий являются наиболее опасными загрязняющими веществами, но содержание их валовых и подвижных форм ниже ПДК.

В целом проведённые исследования позволяют сделать ряд выводов:

• 1.    Совместное применение органических и минеральных удобрений при отвальной обработке почвы способствует увеличению потребления цинка, марганца и кобальта растениями.

• 2.    Увеличение доз применяемых удобрений на фоне безотвальной обработки почвы приводит к увеличению буферной активности почвы по отношению к тяжёлым металлам.

• 3.    Отвальная обработка почвы способствует увеличению подвижности меди, свинца, цинка и валового содержания цинка и кадмия.