Влияние кадмия, никеля, цинка на баланс химических элементов в почве
Автор: Ермохин Ю.И., Башкатова Л.Н., Синдирева А.В., Трубина Н.К., Гиндемит А.М.
Журнал: Вестник Омского государственного аграрного университета @vestnik-omgau
Рубрика: Агрономия
Статья в выпуске: 4 (36), 2019 года.
Бесплатный доступ
В каждом регионе имеются свои особенности накопления и распределения в почвах микроэлементов. Изучение содержания подвижных форм элементов в почве представляет интерес, поскольку именно они являются для растений наиболее доступными. Были заложены микрополевые опыты с морковью и столовой свеклой. Микроэлементы в виде сухих ацетатных солей, удобрения в виде двойного гранулированного суперфосфата и аммиачной селитры вносились в почву в ручную. В результате исследований были определены подвижные формы никеля, кадмия, цинка в почве до и после внесения микроэлементов, установлены коэффициенты интенсивности действия единицы поступивших элементов на содержание этих элементов в почве (мг/кг), позволяющие произвести оценку концентрации их в лугово-черноземной почве и этим самым поступления в растение. Так, при поступлении 1 кг/га никеля, кадмия, цинка содержание подвижных форм этих элементов в слое почвы 0-30 см увеличивается соответственно на 0,08; 0,18; 0,09 мг/кг (в среднем по вариантам). Установленные нормативные характеристики (в мг/кг) позволяют произвести прогноз концентрации элементов в лугово-черноземной почве (мг/кг). Возникает возможность ориентировочно предсказать оптимальные уровни микроэлементов в почве и предвидеть действие их на качество получаемой растениеводческой продукции.
Лугово-черноземная почва, микроэлементы, кадмий, никель, цинк
Короткий адрес: https://sciup.org/142223217
IDR: 142223217
Текст научной статьи Влияние кадмия, никеля, цинка на баланс химических элементов в почве
Почва – сложная полидисперсная система, являющаяся одним из главных объектов загрязнения и обладающая такими свойствами, как буферность, обменно-катионная поглотительная способность, величина рН почвенного раствора и т.д. Микроэлементы, попадающие в почву, вступают в физико-химические обменные реакции почвенного поглощающего комплекса, в физические сорбционные процессы и химические реакции с элементами почвенного раствора [1; 2].
Существенные изменения естественных циклов большинства химических элементов вызываются интенсивным промышленным и сельскохозяйственным производством с использованием природных ресурсов. Это, в свою очередь, изменяет направления и темпы миграции химических элементов и способствует их накоплению в природной среде. Накопление химических элементов, а именно микроэлементов, сверх научно обоснованного нормирования в почве и растениях представляет для здоровья человека существенную угрозу [2; 3]. Однако роль этих элементов неоднозначна. Во-первых, в
условиях Западной Сибири такие элементы, как никель и кадмий, изучены мало. Цинку посвящено большее количество исследований, что связано с его недостатком в почвах черноземного ряда. При повышенных количествах в почве в результате антропогенной деятельности перечисленные элементы могут выполнять роль экотоксикантов. В то же время на сегодняшний день имеются данные об их положительной биологической роли в живых организмах.
Исследования многих авторов по балансу химических элементов в почвах показывают, что концентрация ряда металлов с расширением индустриальной и сельскохозяйственной деятельности возрастает в глобальном масштабе в верхнем пахотном слое почв. Количественный состав, не оказывающий отрицательного влияния на здоровье человека, определяют показатели уровня содержания микроэлементов в окружающей среде (ПДК, ОДК) [3–7].
В каждом регионе имеются свои особенности накопления и распределения микроэлементов в почвах [8–11]. Интерес представляет изучение содержания подвижной формы элементов, поскольку именно они являются наиболее доступными для растений. В связи с этим необходимо исследование интенсивности накопления микроэлементов в различных типах почв при использовании определенных доз макро- и микроудобрений. Внесенные удобрения в почву – посредники между двумя законами земледелия – законами максимума и минимума. Химический процесс, непрерывно идущий в почве и растениях, – это два сопряженных процесса. Существуют очень точно установленные биологические равновесия химических элементов в природе, механизм котрых современная наука стремится познать [12–14]. Внесенные минеральные удобрения в небольшой степени способствуют увеличению содержания валовых и подвижных форм микроэлементов. Это связано с тем, что микроэлементы в минеральных удобрениях содержатся в качестве примесей.
Цель исследования – оценить химический состав почвы и в связи с этим потребности растений в элементах питания с использованием экспрессных методов на основе введения в систему «удобрение ↔ почва ↔ растение»; идентификация ответной реакции почвы и развивающихся на ней растений.
Метод прямой и обратной связи позволяет научно прогнозировать действие микроудобрений на мобильность микроэлементов в лугово-черноземной почве, проводить коррекцию питания растений, используя математические формулы почвенного и растительного анализа.
Материалы и методы исследований
Для изучения вопроса о влиянии кадмия, никеля, цинка на баланс химических элементов в почве были заложены микрополевые опыты со столовой свеклой и морковью. Опыт был заложен по следующей схеме: Фон (Ф); Ф + Cd 7 , Ф + Ni 22 , Ф + Zn 36 . В дальнейшем схема была расширена, по каждому элементу в дозах от 0,25; 0,5; 0,75 и 1 ПДК (табл. 1).
Повторность заложения опытов четырехкратная; расположение вариантов систематическое, последовательное. Микроэлементы в форме сухих ацетатных солей и удобрения вносили вручную, предварительно смешав с почвой. В качестве удобрений применяли аммиачную селитру и двойной гранулированный суперфосфат.
Результаты и их обсуждение
Так как микроэлементы в минеральных удобрениях содержатся в качестве примесей, то сравнение изменения содержания подвижной формы элементов в опытных вариантах целесообразно проводить с фоновым вариантом (табл. 1, 2).
Из данных табл. 1 видно, что в среднем за период исследования в почве больше всего содержалось цинка, затем – никеля, содержание кадмия низкое (до внесения микроэлементов).
На вариантах с внесением кадмия в дозе 7 кг/га отмечалось увеличение подвижного кадмия в почве по сравнению с фоном в среднем на 92,6%. Довольно большое увеличение можно объяснить тем, что до 70% попадающего в почву кадмия связывается с почвенными химическими комплексами, доступными для усвоения растениями. Это потверждается исследованиями многих авторов.
Применение Ni 22 способствует увеличению содержания подвижного никеля в среднем на 25,6% по сравнению с фоном. Небольшое увеличение объясняется тем, что при поступлении в почву этот элемент образует довольно стабильные комплексные соединения с органическим веществом.
При внесении цинка в дозе 36 кг/га увеличивается содержание подвижного цинка на 0,4 мг/кг по сравнению с фоном. Несмотря на то, что растворимость и доступность цинка почвы снижается в связи с увеличением степени насыщенности почвы соединениями фосфора (фон N 45 Р 90 ), его содержание в слое почвы 0–30 см возрастает в 1,45 раза.
Таблица 1
Содержание подвижной формы микроэлементов в лугово-черноземной почве, слой 0-30 см
Вариант |
Содержание микроэлементов, мг/кг почвы/% |
||
Cd |
Ni |
Zn |
|
До внесения микроэлементов |
0,063 |
0,51 |
0,66 |
N 45 Р 90 (Ф) |
0,081/100 |
0,43/100 |
0,88/100 |
Ф + Cd 7 |
0,156/92,6 |
0,51/18,6 |
0,90/2,3 |
Ф + Ni 22 |
0,420/418,5 |
0,54/25,6 |
0,80/–9,1 |
Ф + Zn 36 |
0,084/3,7 |
0,44/2,3 |
1,28/45,4 |
До внесения микроэлементов |
0,052/100 |
0,69/100 |
2,47/100 |
N 45 P 90 (Ф) |
0,092 |
0,54 |
1,88 |
Ф + Cd 2.9 |
0,551/240,7 |
0,63/16,0 |
1,66/–11,8 |
Ф + Cd 5.8 |
1,116/1125,3 |
0,59/8,5 |
2,27/20,9 |
Ф + Cd 11.6 |
2,091/2196,7 |
0,66/21,7 |
1,94/2,9 |
Ф + Cd 17 |
3,056/3257,1 |
0,66/21,7 |
2,21/17,6 |
Ф + Ni 5.4 |
0,067/–28,0 |
0,90/67,9 |
1,81/–3,7 |
Ф + Ni 12.6 |
0,057/–39,0 |
0,98/86,8 |
1,68/–10,7 |
Ф + Ni 23 |
0,034/–63,7 |
1,62/202,8 |
1,92/1,9 |
Ф + Ni 82 |
0,036/–62,1 |
7,15/1247,2 |
1,95/3,5 |
Ф + Zn 41.4 |
0,040/–57,7 |
0,72/33,0 |
4,70/150,5 |
Ф + Zn 47.8 |
0,047/–50,0 |
0,69/28,3 |
7,69/310,4 |
Ф + Zn 82.8 |
0,035/–62,6 |
0,70/30,2 |
8,93376,7 |
Ф + Zn 166 |
0,035/62,6 |
0,81/50,9 |
16,21/766,3 |
ОДК/ПДК |
– |
4,0 |
23,0 |
Полученные результаты позволили установить корреляцию между дозами применения элемента (х кг/га) и содержанием его валовых (Cd 1 , мг/кг) и подвижных (Cd 2 , мг/кг) форм в почве, зависимость которых характеризуется уравнениями регрессии:
Cd 1 = 0,37x + 0,13; r = 0,98; (1)
Cd 2 = 0,175x – 0,02; r = 0,99. (2)
Из уравнений (1)–(2) видно, что каждый килограмм поступившего в почву кадмия в среднем увеличивает содержание общего кадмия в почве на 0,37 и подвижного Cd – на 0,175 мг/кг. Данный коэффициент интенсивности действия одного килограмма кадмия на содержание подвижного Cd в почве (слой 0–30 см) позволяет оптимизировать при необходимости внесения данного элемента в почву в расчетных дозах при его низком содержании.
Применение никеля в дозах 5,4; 12,6; 23; 82 кг/га способствовало увеличению содержания подвижного никеля в среднем на 67,9; 86,8; 202,8; 1247,2% соответственно. Зависимость между дозами применения никеля (х, кг/га) и содержанием его валовых (Ni 1 , мг/кг) и подвижных (Ni 2 , мг/кг) форм в почве выражена уравнениями регрессии:
Ni 1 = 0,38x + 20,73; r = 0,99; (3)
Ni 2 = 0,057x – 0,2; r = 0,99. (4)
Из уравнения (4) следует сделать вывод, что коэффициент интенсивности действия b единицы поступившего в почву никеля на содержание его в слое 0–30 см составляет 0,057 мг/кг. Рассчитывая при необходимости рациональные дозы данного элемента с учетом его содержания в почве, этот норматив можно использовать при прогнозировании действия никеля на урожай корнеплодов.
Следовательно, большая часть поступившего в почву никеля доступна растениям, однако ряд источников указывает на то, что никель при поступлении в почву образует довольно стабильные комплексные соединения с органическим веществом.
Таблица 2
Коэффициенты интенсивности действия (b, мг/кг) внесенных микроэлементов на химический состав почвы в слое 0–30 см
Вариант |
Cd |
Ni |
Zn |
N 45 Р 90 (Ф) |
0,081 |
0,43 |
0,88 |
Ф + Cd 7 |
0,011 |
0,011 |
0,0029 |
Ф + Ni 22 |
0,015 |
0,005 |
–0,0036 |
Ф + Zn 36 |
0,003 |
0,0003 |
0,011 |
N 45 P 90 (Ф) |
0,092 |
0,54 |
1,88 |
Ф + Cd 2.9 |
0,158 |
0,031 |
0,076 |
Ф + Cd 5.8 |
0,176 |
0,009 |
0067 |
Ф + Cd 11.6 |
0,172 |
0,01 |
0,0052 |
Ф + Cd 17 |
0,174 |
0,007 |
0,019 |
Среднее по Cd |
0,17 |
0,057 |
0,04 |
Ф + Ni 5.4 |
–0,005 |
0,067 |
0,013 |
Ф + Ni 12.6 |
–0,003 |
0,035 |
0,016 |
Ф + Ni 23 |
–0,003 |
0,047 |
0,0017 |
Ф + Ni 82 |
–0,0007 |
0,08 |
0,00085 |
Среднее по Ni |
–0,003 |
0,057 |
0,008 |
Ф + Zn 41.4 |
–0,0013 |
0,0043 |
0,068 |
Ф + Zn 47.8 |
–0,0009 |
0,0031 |
0,123 |
Ф + Zn 82.8 |
–0,0007 |
0,0019 |
0,085 |
Ф + Zn 166 |
–0,0003 |
0,0016 |
0,086 |
Среднее по Zn |
–0,0008 |
0,0027 |
0,091 |
При внесении цинка в дозах 41,4; 47,8; 82,8; 166 кг/га увеличивается содержание подвижного цинка на 150,5; 310,4; 376,7; 766,3% соответственно по сравнению с фоном. Зависимость между дозами применения цинка (х, кг/га) и содержанием его валовых (Zn 1 , мг/кг) и подвижных (Zn 2 , мг/кг) форм в почве выражена уравнениями регрессии:
Zn 1 = 0,18x + 41,85; r = 0,91; (5)
Zn 2 = 0,091x + 2,11; r = 0,97. (6)
В связи с внесением N45P90 (фоновый вариант) подвижные формы Zn снижаются на 24% (табл. 1), что связано с фосфором и усиленным потреблением растениями цин- ка, а с поступлением данного элемента в почву величина подвижного Zn возрастает в слое 0–30 см на 150,3–766,3% по сравнению с фоновым вариантом (табл. 2). Каждый килограмм поступившего в почву с удобрениями цинка повышает уровень содержания подвижного Zn на 0,091 мг/кг, что открывает возможности по почвенной диагностике прогнозировать действие цинка и рассчитывать необходимые дозы под овощные культуры.
В табл. 3 приведены коэффициенты интенсивности действия b внесенных микроэлементов кадмия, никеля и цинка на уровень содержания микроэлементов: при внесении Cd (кг/га) в почве увеличивается содержание Cd (мг/кг), Ni (мг/кг), Zn (мг/кг); при внесении Ni (кг/га) снижается содержания Cd (мг/кг), увеличивается содержание Ni (мг/кг) и Zn (мг/кг); при внесении цинка Zn (кг/га) снижается содержание Cd (мг/кг), и увеличивается содержание Ni (мг/кг) и Zn (мг/кг) почвы.
Таблица 3
Влияние внесенных кадмия, никеля и цинка на уровень содержания микроэлементов в почве
Вариант |
Коэффициент b, мг/кг в почве |
||
Cd |
Ni |
Zn |
|
Cd |
0,17–0,18 |
0,014 |
0,042 |
Ni |
–0,003 |
0,057 |
0,008 |
Zn |
–0,0008 |
0,0027 |
0,091 |
С учетом установленных коэффициентов b интенсивности действия единицы поступивших в почву микроэлементов на уровень содержания ряда микроэлементов в почве предложена следующая формула:
С мг/кг = С 1 + Д ∙ b, (7) где С и С 1 – содержание микроэлементов в почве после и до внесения удобрений, мг/кг; Д – доза поступившего в почву удобрения, кг д.в./га; b – коэффициент интенсивности действия внесенного удобрения (кг/га) на содержание ряда элементов в почве, мг/кг.
Полученные экспериментальные данные b (табл. 3) позволили вывести новые уравнения оптимального баланса микроэлементов в почве при возделывании таких культур, как столовая свекла и морковь, на лугово-черноземной почве с учетом разработанных оптимальных доз микроэлементов, кг/га:
С Zn, опт, мг/кг = С 1Zn, мг/кг + Д Zn, кг/га ∙ b ∙ 0,091 + Д Ni, кг/га ∙ b ∙ 0,008 + Д Cd, кг/га ∙ b ∙ 0,042; (8) С Ni, опт, мг/кг = С 1Ni, мг/кг + Д Ni, кг/га ∙ b ∙ 0,057 + Д Zn, кг/га ∙ b ∙ 0,0027 + Д Cd, кг/га ∙ b ∙ 0,014; (9) С Сd, опт, мг/кг = С 1Cd, мг/кг + Д Cd, кг/га ∙ b ∙ 0,175 – Д Zn, кг/га ∙ b ∙ 0,0008 – Д Ni, кг/га ∙ b ∙ 0,003. (10)
На основе полевых опытов с удобрениями столовой свеклы на луговочерноземной почве были установлены наилучшие дозы (Д) микроэлементов: цинка – 41 кг/га, никеля – 23 кг/га, кадмия – 5,8 кг/га. При внесении оптимальных доз цинка, никеля, кадмия под столовую свеклу оптимальный уровень содержания этих элементов в почве для формирования высоких и качественных урожаев составил согласно уравнениям оптимального баланса (8)–(10), мг/кг:
С Zn, опт, мг/кг = 2,47 мг/кг + 41 Zn, кг/га ∙ 0,091 + 23 Ni, кг/га ∙ 0,008 + 5,8 Cd, кг/га ∙ 0,042 = 6,6 мг/кг почвы;
С Ni, опт, мг/кг = 0,66 мг/кг + 23 Ni, кг/га ∙ 0,057 + 41 Zn, кг/га ∙ 0,0027 + 5,8 Cd, кг/га ∙ 0,014 = 2,16 мг/кг почвы;
С Сd, опт, мг/кг = 0,051 мг/кг + 5,8 Cd, кг/га ∙ 0,175 – 41 Zn, кг/га ∙ 0,0008 – 23 Ni, кг/га ∙ 0,003 = 1,16 мг/кг почвы.
По такому же принципу можно посчитать и оптимальный уровень в почве при возделывании моркови, учитывая оптимальные дозы под морковь: Zn – 30 кг/га, Ni – 30 кг/га, Cd – 2,9 кг/га.
Уравнения оптимального баланса в почве под морковь:
С Zn, опт, мг/кг = С 1Zn, мг/кг (2,47) + 30 Zn, кг/га ∙ 0,091 + 30 Ni, кг/га ∙ 0,008 + 2,9 Cd, кг/га ∙ 0,042 =
= 5,6 мг Zn/кг почвы;
С Ni, опт, мг/кг = С 1Ni, мг/кг (0,66) + 30 Ni, кг/га ∙ 0,057 + 30 Zn, кг/га ∙ 0,0027 + 2,9 Cd, кг/га ∙ 0,014 =
= 2,5 мг Ni/кг почвы;
С Сd, опт, мг/кг = С 1Cd, мг/кг (0,051) + 2,9 Cd, кг/га ∙ 0,175 – 30 Zn, кг/га ∙ 0,0008 – 30 Ni, кг/га ∙ 0,003 = = 0,45 мг Cd/кг почвы.
Установленные оптимальные уровни содержания в почве подвижных цинка, никеля, кадмия позволяют дополнительно получить прибавки урожая корнеплодов.
Заключение и выводы
В результате проведенных экспериментов, выявивших действие микроудобрений на химический состав почвы, уровень влияния оптимальных доз удобрений на величину и качество урожая корнеплодов столовой свеклы и моркови, были разработаны математические модели оптимального баланса цинка, никеля, кадмия в почве (мг/кг) – уравнения (8)–(10), позволяющие оптимизировать минеральное питание корнеплодов, рассчитывать дозы микроэлементов с учетом планируемых урожаев корнеплодов и фактических уровней содержания подвижных форм микроэлементов в слое луговочерноземной почвы Западной Сибири (30 см).
Yu.I. Ermokhin1, L.N. Bashkatova1, A.V. Sindireva2, N.K. Trubina1, A.M. Gindemit1 1Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk 2Tyumen State University, Tyumen
Influence of cadmium, nickel, zinc on the balance of chemical elements in soil
Список литературы Влияние кадмия, никеля, цинка на баланс химических элементов в почве
- Параметры плодородия пахотных почв земель сельскохозяйственного назначения Омской области: монография / И.А. Бобренко, Я.Р. Рейнгард, Ю.В. Аксенова, О.В. Нежевляк [и др.]. - Омск: ЛИТЕРА, 2016. - 108 с.
- Азаренко Ю.А. Влияние процессов почвообразования на содержание и распределение микроэлементов в почвах лесостепной и степной зон Омской области / Ю.А. Азаренко // Вестник АГАУ. - 2011. - № 3(77). - С. 26-31.
- Агроэкологический мониторинг в Омской области: учеб. пособие / В.М. Красницкий, И.А. Бобренко, В.И. Попова, И.В. Цыпленкова [и др.]. - Омск: Изд-во ФГБОУ ВО Омский ГАУ, 2016. - 52 с.
- Синдирева А.В. Критерии и параметры действия микроэлементов в системе почва - растение - животное: автореф. дис. … д-ра биол. наук / А.В. Синдирева. - Тюмень, 2012. - 32 с.
- Improving Competitiveness of the Wheat Production within the Siberian Region (in Terms of the Omsk region) / I.A. Bobrenko, O.V. Shumakova, N.V. Goman, Y.I. Novikov, V.I. Popova, O.A. Blinov et al. // Journal of Advanced Research in Law and Economics. - 2017. - V. VIII, Is. 2(24). - P. 426-436.
- Increasing Economic Efficiency of Producing Wheat in the West Siberia and South Ural as a Factor of Developing Import Substitution / D.S. Nardin, I.A. Bobrenko, N.V. Goman, E.A. Vakalova, S.A. Nardina et al. // International Review of Management and Marketing. - 2016. - 6(4). - P. 772-778.
- Andersson A. On the influence of manure and fertilizers on the distribution and amounts of plant available cadmium in soils / A. Andersson // Schwed. J. Agric. Res. - 1976. - Vol. 6. - Р. 27.
- De Catanzaro J.B. Effects of nickel addition on nitrogen mineralization, nitrification, and nitrogen leaching in some boreal forest soils / J.B. De Catanzaro, T.C. Hutchinson // Water, Air, Soil Pollut. - 1985. - Vol. 24. - P. 153.
- Азаренко Ю.А. Закономерности содержания и распределения микроэлементов (Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B) в почвах лесостепной и степной зон Омского Прииртышья / Ю.А. Азаренко // Омский научный вестник. - 2012. - № 2(114). - С. 218-223.
- Азаренко Ю.А. Содержание микроэлементов в почвах и почвенно-геохимическое районирование Омской области / Ю.А. Азаренко, Я.Р. Рейнгард // Омский научный вестник. - 2012. - № 1(108). - С. 188-192.
- Агроэкологический мониторинг почв на правом берегу Иртыша лесостепной зоны Омской области / В.М. Красницкий, И.А. Бобренко, А.Г. Шмидт, О.А. Матвейчик [и др.] // Плодородие. - 2016. - № 3. - С. 33-36.
- Ермохин Ю.И. Равновесие минеральных элементов почвы и растения как объективный научный принцип закона максимума и минимума / Ю.И. Ермохин, О.Ю. Илюшкина // Биогеохимия - научная основа устойчивого развития и сохранения здоровья человека: В 2 т. - Тула: Тул. гос. пед. ун-т им. Л.Н. Толстого, 2019. - Т. 1. - С. 99-103.
- Андриенко Л.Н. Диагностика потребности корнеплодов в цинке, никеле, кадмии на лугово-черноземной почве Омского Прииртыщья: автореф. дис. … канд. с.-х. наук / Л.Н. Андриенко. - Омск, 2006. - 16 с.
- Синдирева А.В. Региональные особенности кадмия и цинка в почвах Омской области / А.В. Синдирева, В.М. Красницкий, Ю.И. Ермохин // Плодородие. - 2012. - № 1. - С. 47-50.