Влияние способов основной обработки почвы и систем удобрений на накопление и подвижность тяжёлых металлов в почве

Введение. В естественных условиях и почвы, и растения в обязательном порядке содержат определенное количество тяжёлых металлов (ТМ), но чрезмерное их накопление может оказаться причиной разрушения целостности природного комплекса [1].

Современное земледелие невозможно представить без обработки почвы, внесения удобрений (минеральных или органических), средств защиты растений и т.д. Важным фактором интенсивного земледелия является его химизация. Однако минеральные и органические удобрения, средства защиты растений усиливают техногенную нагрузку, поскольку содержат значительные примеси ТМ. Поэтому они являются основными загрязнителями агроэкосистем. Известно, что почва обладает низкой способностью к самоочищению, в связи с чем, металлы, которые накапливаются в ней, удаляются лишь при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции [2-4].

Необходимо изучение трансформации ТМ на сельскохозяйственных ландшафтах и контроль за их поведением в агроценозах, которая вызвана в основном двумя причинами [5]. С одной стороны, металлы – микроэлементы, оказывающие влияние на формирование урожаев культур и качество продуктов, являются важным компонентом почв, с другой стороны, чрезмерное поступление ТМ в биосферу вызывает загрязнение почвы и растений вследствие накопления их выше допустимых концентраций, опасных для здоровья животных и человека [6].

Известно, что при внесении в загрязнённую почву органических удобрений уменьшается подвижность ТМ вследствие образования органо-минеральных соединений, обладающих низкой растворимостью [6-8].

Экспериментальных данных по влиянию органических и органоминеральный удобрений на подвижность и накопление тяжёлых металлов в почве проведено недостаточно. Поэтому немаловажное значение приобретает вопрос поиска агроприёмов возделывания сельскохозяйственных растений для уменьшения фитотоксического действия на почву и получение высоких урожаев экологически безопасной продукции.

Цель исследований – изучение влияния систем обработки почвы (вспашки и поверхностной обработки) и разных систем удобрений на накопление и подвижность тяжёлых металлов в тёмно-серой лесной почве.

Условия, материалы и методы. Исследования проводили в условиях полевого стационарного опыта в семипольном плодосменном севообороте на опытном поле ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. Изучали влияние двух приемов основной обработки почвы и семь вариантов удобрений в сочетании с двумя системами защиты растений: 1 – с использованием пестицидов (по 2, 3, 4, 5, 6 фонам); 2 – без применения пестицидов (по 1, 7 фонам) (табл.).

В наших исследованиях изучали влияние способов обработки почвы (вспашка на 23-25 см и поверхностная обработка на 8-10 см) и внесения минеральных, органо-минеральных и органических удобрений на распределение валовых форм ТМ по почвенному профилю, а также содержание валовых и подвижных соединений токсикантов в пахотном слое почвы. В почвенных образцах определяли медь (Си), цинк (Zn), кобальт (Co), никель (Ni), свинец (Pb) и марганец (Mn).

Таблица – Схема опыта

Номер варианта	Звенья технологий
1	Вспашка 23-25 см, без удобрений (контроль)
2	Вспашка 23-25 см + N 60 P 60 K 60 + 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
3	Вспашка 23-25 см + навоз 50 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
4	Вспашка 23-25 см + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
5	Вспашка 23-25 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
6	Вспашка 23-25 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га + N 60 P 60 K 60 + 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
7	Вспашка 23-25 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га
8	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см, без удобрений (контроль)
9	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + N 60 P 60 K 60 + 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
10	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + навоз 50 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
11	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
12	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га+ 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58–новый
13	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га + N 60 P 60 K 60 + 2. 4– Д-аминная соль + Би – 58– новый
14	Поверхностная обработка почвы на 8-10 см + навоз 50 т/га + сидерат 7-9 т/га + солома 4-5 т/га

Остаточные количества ТМ в почве на каждом фоне технологий изучали после уборки урожая. Содержание подвижных форм ТМ определяли согласно РД 52.18.289.90 и методическим указанием по определению ТМ в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства: атомно-абсорбционным анализом концентраций металлов в растворе при атомизации распылением в пламя.

Результаты и обсуждение. Изучение распределения валовых форм ТМ по почвенному профилю опытного поля позволило выявить следующую закономерность: минимальные концентрации токсических элементов (мг/кг) (Co – 4,95; Ni – 12,80; Cu – 0; Pb – 0; Zn – 14,35; Mn – 563,18) – находятся на глубине 70-80 см, а максимальные (мг/кг) – на глубине 60-70 см и составляют Co – 47,70; Ni – 48,73; Cu – 214,45; Pb – 213,73; Zn – 77,70. Наибольшее количество Mn (749,09) содержится на глубине 20-30 см. На наш взгляд, одной из причин такого распределения ТМ возможно является близость грунтовых вод и особенность литологического строения почвенного профиля. Большое накопление Мn в обусловлено улучшением структуры почвы и её водновоздушного режимов в пахотном слое.

Нами установлено, что способы обработки почвы не оказывали существенного влияния на содержание валовых и растворимых форм ТМ в пахотном слое почвы. За период исследований происходит уменьшение содержания валовых форм марганца (604,0-351,4 мг/кг), никеля (33,5-20,0 мг/кг), свинца (39,0-16,0 мг/кг) по сравнению с фоном, который составляет 778,1; 46,4 и 95,2 мг/кг соответственно. За фоновые значения нами приняты показатели концентраций токсикантов в почвах опытного поля до закладки севооборота (1995 г.).

Содержание кобальта уменьшается по всем вариантам технологий (19,012,0 мг/кг), что в 1,1-1,8 раза ниже фона (21,8 мг/кг). Однако на 7 варианте, где применяли навоз, сидерат и солому, происходит увеличение содержания этого элемента.

Исследования показали, что содержание цинка по сравнению с фоном (50,6 мг/кг) за время проведения опыта уменьшилось лишь на вариантах контроля (47,5-46,0 мг/кг), на остальных вариантах происходит накопление валового цинка от 52,0 до 97,0 мг /кг. Увеличение содержания данного токсиканта в почвах опытного поля возможно связано с поступлением его из вносимых удобрений. Согласно данным С.С. Праздникова, Г.Г. Аристарховой, А.Н. Аристархова и др.(1996) удобрения имеют следующие средние содержания ТМ: нитрофоска – Pb – 5,0, Zn – 7,6, Cu – 10,8, Cd- 1,0, Ni – 4,3, Cr – 3,2; навоз, влажностью 75% – 2,9; 12,1; 2,4; 1,1; 8,8; 9,3 мг/кг соответственно [5]. Н.А. Черных (1995) приводит следующие данные: в навозе содержится Cd – 0,2; Pb – 4,0; Zn – 112,0; Cu – 22,0; Ni – 7,2 мг/кг [8].

Существенные различия по вариантам технологий отмечены нами по валовым формам меди. В технологиях 1, 6, 7, 8, 12, 13 и 14 происходит уменьшение содержания Cu в 1,5-1,1 раза (40,5-17,0 мг/кг) по сравнению с фоном (42,5 мг/кг). Варианты 2, 3, 4, 5, 9, 10 и 11 способствовали накоплению данного элемента, значения которого превышают фоновые в 7,0-9,4 раз, а ПДК – в 2-3 раза. По-видимому, накопление меди и кобальта в почве – результат микробиологического разложения используемых органических удобрений, что подтверждает исследования [7, 8].

Превышения ПДК по подвижным формам ТМ не выявлено. Из исследуемых элементов только Сd имеет тенденцию уменьшения содержания по всем вариантам систем удобрений по сравнению с фоном (0,4 мг/ кг) от 0,3 до 0,1 мг/кг, а на фоне сидерат + солома + пестициды отмечено увеличение данного элемента до 0,6 мг/кг. По остальным токсичным элементам происходит увеличение их содержания, что мы связываем с подкислением почвенного раствора, произошедшего за время исследований.

Нами было отмечено, что, если до закладки севооборота в 1995 году в почве не было определено свинца и кобальта (растворимых форм), то за время проведения опытов произошло их накопление от 16,0 до 39,0 мг/кг и от 12,0 до

30,5 мг/кг соответственно. Был проведён анализ корреляционных связей между содержанием валовых и подвижных форм ТМ в почве. Установлено существование корреляционных связей различной силы: сильная – у меди, цинка и свинца, средняя – у кобальта и никеля:

• 1)     Cu: У = 128,8 х – 330,2     r = 0,69 + 0, 324

• 2)      Zn: У = 0,23 x - 0,33        r = 0,71 + 0,07

• 3)     Pb: У = 5,79 х – 11,7       r = 0,97 + 0,47

• 4)     Сo: У = 26,3 x – 1,18       r = 0,46 +0,33

• 5)      Ni: У = 12,92 x – 9, 0 r = 0,47 + 0,18

Данные уравнения дают возможность прогнозировать в почве переход валовых ТМ в подвижные формы.

Количество Cu увеличивается на вариантах, где применялись N 60 P 60 K 60 +пестициды, навоз + сидерат +солома, навоз + сидерат + пестициды, и составляет 281,8-399,5 мг/кг, а по Co – 29,0-30,5 мг/кг – на варианте навоз + сидерат + солома. Причём в почвах опытного поля установлено большое содержание меди, превышающее ПДК на вариантах 2, 3, 4, 5, 9, 10 и 11.

На всех вариантах опыта уменьшается в почве содержание валовых форм марганца, которое мы связываем с тем, что они переходят частично в подвижные формы и используются растениями как микроэлементы.

Нами установлено, что в почвах опытного поля имеется большое содержание меди, которое превышает ПДК на вариантах 2, 3, 4, 5, 9, 10 и 11.

Таким образом, подкисление почв, происходящее по всем вариантам технологий, способствовало увеличению количества подвижных форм ТМ, содержание которых оставалось ниже ОДК.

Сокращение остаточных количеств пестицидов в почве – важная проблема современности. От интенсивности детоксикации пестицидов в почве зависит их отрицательный эффект [9, 10]. Одним из способов, повышающих эффективность гербицидов с одновременным снижением их побочного действия, является сочетание применения их с другими агроприёмами возделывания [11, 12].

Выводы. В наших исследованиях технологии возделывания не способствовали накоплению остаточных количеств пестицидов, так как в почвенных образцах всех вариантов, они не были обнаружены. Следовательно, тёмно-серые лесные почвы опытного поля не загрязнены остаточными количествами пестицидов, а подкисление почв, имеющее место по годам исследования, способствовало увеличению подвижных форм тяжёлых металлов относительно фона, особенно это имеет отношение к кобальту и свинцу. Почвы опытного поля имеют большое количество меди, превышающее ПДК.