Оценка влияния известкования и удобрений на содержание токсичных элементов в агрочерноземе выщелоченном и накопление в зерне яровой пшеницы
В современных условиях вопросы, затрагивающие охрану окружающей среды, и, в частности, охрану почв от загрязнения токсичными элементами, привлекают повышенное внимание исследователей разных стран. Экологическая опасность таких элементов заключается в том, что они быстро накапливаются в почве и очень долго из нее удаляются. Особенно остро эта проблема касается агроландшафтов, находящихся в окрестностях городов, вблизи промышленных объектов и автодорог. Кроме поступления токсичных элементов из атмосферы, возможными источниками их попадания и аккумуляции в почве являются отдельные виды минеральных удобрений и пестицидов. По данным А.Б. Латыпова и Р.Я. Сафиханова, большое количество токсичных элементов содержится в фосфорных удобрениях. Так, в двойном суперфосфате концентрация цинка составила 38,0 мг/кг, меди — 14,0 мг/кг, свинца — 39,0 мг/кг, кадмия — 3,7 мг/кг, никеля — 29,1 мг/кг.
Для лесостепной зоны Южного Урала проблема техногенного загрязнения почв особенно остро стоит в зонах функционирования предприятий тяжелого машиностроения России (г. Челябинск, г. Пенза, г. Уфа, г. Стерлитамак). При сохранении существующих объемов выбросов вредных веществ в атмосферу (более 1,3 млн т в год) следует ожидать дальнейшего увеличения площадей почв с высокой степенью загрязнения. Установлено, что до 40% соединений токсичных элементов от их общего выброса в атмосферу выпадает в радиусе 10–12 км от предприятий, при этом большая их часть (60%) включается в региональный и глобальный процесс переноса, что повышает содержание этих элементов в почвах территорий с фоновым уровнем загрязнения и увеличивает общую площадь загрязненных почв.
При аэрогенном поступлении токсичные элементы концентрируются в поверхностном слое почвы до 20 см в форме обменных ионов, входят в состав гумусовых веществ, карбонатов, оксидов. В связи с этим токсичность элементов при одинаковом их содержании будет отличаться в зависимости от гранулометрического состава почвы и содержания органического вещества. На сегодняшний день не имеется точных данных о фоновом содержании токсичных металлов для почв Республики Башкортостан. Их уровни в одних и тех же почвах могут различаться.
Загрязнение почв сельскохозяйственного назначения токсичными элементами может способствовать накоплению их в сельскохозяйственной продукции.
Зерно злаковых культур широко используется в пищу и на корм скоту, из него изготавливают муку, макаронные и крупяные изделия, поэтому исследование полученной сельскохозяйственной продукции на содержание элементов, токсичных для животных и человека, весьма актуально.
Цели данной работы — изучение влияния известкования и различных удобрений на содержание токсичных элементов в агрочерноземе выщелоченном и накопление в зерне яровой пшеницы в условиях южной лесостепи Республики Башкортостан.
Материалы и методы исследования
Объекты исследований — почвы агроландшафтов южной лесостепи в пределах Уфимского района Республики Башкортостан, представленные агрочерноземом выщелоченным.
Уфимский район находится в центральной части Республики Башкортостан между слияниями рек Белая, Уфа, Дема, Уршак. Общая площадь района — 159,9 тыс. га.
Чернозем выщелоченный доминирует среди черноземных почв, составляя в общей сложности 13% почвенных ресурсов республики. Среди пахотных угодий на долю чернозема выщелоченного приходится более 30% всей пашни.
Характерная морфологическая особенность чернозема выщелоченного — отсутствие свободных карбонатов в гумусовом горизонте, карбонаты выщелочены за его пределы и залегают ниже границы переходного горизонта. Отличительным признаком является также плотноватый иллювиальный горизонт с ясно выраженной бурой окраской, ореховато-призматической или ореховато-комковатой структурой. Среди других почв зона чернозема выщелоченного отличается большим природным запасом питательных веществ.
В связи с широким распространением и различностью рельефа этот чернозем сформировался на многих породах: делювиальных карбонатные глины и тяжелые суглинки, элювиально-делювиальные глины и суглинки, древнеаллювиальные карбонатные средние суглинки. Гранулометрический состав преимущественно тяжелосуглинистый и среднесуглинистый. Реакция почвенной среды варьирует от среднекислой до нейтральной, величина рН — от 5,1 до 7,0. По мощности гумусового горизонта выщелоченный чернозем исследуемых участков имеет широкий спектр распространения — от маломощных до мощных, составляя в среднем 57,8 см с колебаниями в пределах 31÷90 см.
Эти почвы являются наиболее плодородными, редко встречаются эродированные участки с содержанием гумуса ниже 5,5%. В целом такие почвы богаты гумусом (в среднем 7,0%) с отклонением от 3,9 до 9,0%. Среднее значение запасов гумуса — 455,5 т/га. Обеспеченность подвижными формами фосфора и обменным калием колеблется от средней до низкой.
Для проведения исследований был заложен полевой опыт на посевах яровой мягкой пшеницы (Triticum aestmm L.) сорта Жница. Площадь делянок составляла 120 м2 (20 х 6 м).
Опыт включал пять вариантов: контроль (без удобрений и извести), NPK (без извести), NPK + известь (4 т/га в паровом поле), навоз (40 т/га в паровом поле), сидерат (25 т/га в паровом поле).
Расчетные нормы внесения минеральных удобрений в опыте под яровую пшеницу (35 ц/га) соответствовали N68P90K36. В качестве известкового материала использовался известковый туф с 85%-ным содержанием СаСО3. Содержание элементов питания в навозе (%): N — 0,46, P — 0,30, K — 0,50, Ca — 0,80, в сидерате (%): N — 0,70, P — 0,10, K — 0,20, Ca — 0,90. Из минеральных удобрений были использованы мочевина, суперфосфат, хлористый калий, в качестве сидерата — донник желтый.
Почвенные образцы отбирались по генетическим горизонтам.
Определение органического вещества в почвах проводили методом Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), определение содержания в почвах подвижных соединений фосфора и калия — по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91), pH солевой вытяжки — потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85).
Лабораторные работы проведены лабораторией ФГБУ «Станция агрохимической службы “Ишимбайская”» (г. Ишимбай, Башкортостан, Россия).
Содержание токсичных элементов в почве и зерне яровой пшеницы определяли по методике, приведенной в «Методических указаниях по картографированию сельскохозяйственных угодий, прилегающих к предприятиям, загрязнителям почв тяжелыми металлами», атомно—абсорбционным методом на спектрофотометре «Спектр—5» (ОАО «Союзцветметавтоматика», Россия).
Для оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами были использованы общепринятые значения ПДК (ГН 2.1.7.2041-06), ПДК для подвижных форм кадмия не имеется. Концентрацию кадмия и свинца в зерне яровой пшеницы сравнивали с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) токсичных элементов в зерне злаковых культур, поставляемом на пищевые цели (ТР ТС 015/2011, концентрацию цинка и меди в зерне сопоставляли с показателями МДУ в кормах для сельскохозяйственных животных и кормовых добавках).
На основании полученных данных был рассчитан коэффициент извлечения подвижных форм токсичных элементов (КИП) (отношение содержания элемента в сухой массе растения к содержанию подвижных форм этого элемента в почве).
Результаты и обсуждение
Морфологические свойства пахотных почв были изучены на почвенном разрезе, заложенном на пашне после уборки яровой пшеницы на территории муниципального образования Красноярский сельский совет Уфимского района. Глубина разреза — 130 см. Вскипание от HCl на глубине 140 см. Тип почвы — агрочернозем выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый слабокислый, сформированный на древнеаллювиальных карбонатных суглинках. Описание почвенного разреза представлено на рисунке 1.
Агрохимические показатели пахотного слоя почвы опытного поля: содержание гумуса — 9,0 ± 0,02%, валового азота — 0,46 ± 0,01%, фосфора — 0,17 ± 0,01%, калия — 1,40 ± 0,03%, сумма поглощенных оснований — 39,1 ± 0,3 мг-экв. на 100 г почвы, рНKCl — 5,3 ± 0,1.
Согласно полученным данным, содержание токсичных элементов в почве оказалось низким и не превышало установленные ПДК (табл. 1).
В то же время отмечена тенденция к повышению их концентраций (за исключением цинка) в варианте с внесением минеральных удобрений по сравнению с контролем. Увеличение содержания меди, кадмия и свинца было статистически недостоверным.
Следует отметить, что содержание кадмия было в пределах 0,13–0,48 мг/кг почвы, что подтвердило данные Ф.Х. Хазиева и С.Г. Зиннатуллина о повышенном его уровне (0,25–0,50 мг/кг) в почвах окрестностей Уфы. Тенденция к повышению концентрации подвижных форм металлов, по всей видимости, связана с их содержанием в составе минеральных удобрений, а также с увеличением их подвижности при подкислении реакции среды под действием применяемых минеральных удобрений.
Внесение извести и органических удобрений способствовало снижению содержания подвижных форм токсичных элементов в почве относительно контроля. В варианте с внесением NPK на фоне известкования уменьшение концентрации всех металлов было статистически достоверным: меди — на 75%, цинка — на 49%, кадмия — на 65%, свинца — на 44%. В вариантах с внесением навоза и сидерата отмечено также существенное снижение меди (соответственно, на 62% и 42%), цинка (на 42% и 29%), кадмия (на 53% и 42%) и (недостоверное) свинца (на 12% и 5,4% соответственно).
Варианты опыта по эффективности снижения содержания подвижных форм токсичных элементов расположились в ряду «известь — навоз — сидераты». Токсичные элементы по реакции на внесение извести и органических удобрений располагаются в ряду «медь — кадмий — цинк — свинец».
Биологические особенности сельскохозяйственных культур отражаются на их способности в накоплении и перераспределении элементов в вегетативной и генеративной частях. Известно, что в семенах растений накопление токсичных элементов меньше, чем в корнях, листьях и соломе.
Результаты исследований показали, что в зерне яровой пшеницы содержание токсичных элементов варьирует в пределах, не превышающих уровень ПДУ и МДУ (табл. 2). В соответствии с санитарными нормами зерно, полученное во всех вариантах, с такими показателями может быть использовано на продовольственные цели, в том числе для производства продуктов детского питания. Последнее выделяется особо, так как для этих целей к содержанию кадмия в зерне предъявляются более строгие требования: оно не должно превышать 0,02 мг/кг. Незначительное поступление и накопление токсичных элементов в зерне связаны с блокированием их поступления в растения за счет элементов-антагонистов (NH4, K, Cа) и образования труднорастворимых фосфатов металлов.
Как показывает анализ полученных результатов опытов, содержание подвижных форм токсичных элементов в почве находит отражение в накоплении этих элементов в зерне яровой пшеницы. Как и в случае с содержанием в почве, в варианте с внесением NPK отмечено некоторое повышение концентрации металлов в зерне: статистически достоверное по цинку, кадмию и свинцу, недостоверное — по меди. Уменьшение их концентрации в почве в вариантах с внесением извести и органических удобрений способствовало статистически достоверному снижению содержания токсичных элементов в зерне пшеницы по сравнению с контролем. Наибольшая эффективность отмечена в варианте с внесением извести, в котором достигнуто снижение содержания металлов в зерне яровой пшеницы: меди — в 2,6 раза, цинка — в 2,2 раза, кадмия — в 3,0 раза, свинца — в 2,8 раза.
Внесение навоза и сидерата также способствовало существенному их снижению: меди — в 1,6 и 1,3 раза соответственно, цинка — в 1,4 и 1,2 раза, кадмия — в 1,5 и 1,7 раза, свинца — в 1,5 и 1,4 раза. По всей видимости, этот эффект обусловлен созданием благоприятных физико-химических свойств почвы, в результате чего токсичные элементы переходят в труднорастворимые и трудноусвояемые формы с образованием комплексных металлорганических соединений.
Согласно И.В. Шабановой и О.Д. Занозиной, актуальным показателем для оценки поглощения токсичных элементов растениями из почвы служит коэффициент извлечения подвижных форм (КИП). По полученным показателям медь и цинк относятся к элементам, которые активно извлекаются яровой пшеницей из почвы, кадмий и свинец — к слабоизвлекаемым элементам.
Следует отметить, что по всем исследуемым металлам наименьшие значения КИП получены в варианте с внесением извести.
Выводы
При применении минеральных удобрений (N68P90K36, что соответствовали 35 ц/га) в агрочерноземе выщелоченном Уфимского района Республики Башкортостан отмечена тенденция к повышению содержания подвижных форм токсичных элементов и накоплению их и в зерне яровой пшеницы в незначительных концентрациях.
Известкование (4 т/га в паровом поле), внесение навоза (40 т/га в паровом поле) и сидерата (25 т/га в паровом поле) способствовали снижению содержания подвижных форм токсичных элементов в почве и уменьшению их поступления в зерно яровой пшеницы, что свидетельствует о возможности направленного регулирования качества зерна применением агромелиоративных и агротехнических приемов.
Концентрация токсичных элементов в зерне яровой пшеницы не превышает показатели, указанные в регламентирующих документах, и в соответствии с санитарными нормами они могут быть использованы не только на продовольственные цели, но и для производства продуктов детского питания.
Количественные значения концентрации токсичных элементов в почвах сельскохозяйственного назначения и в продукции сельскохозяйственных растений могут служить основой для проведения мониторинга агроэкосистем.
Об авторах
Рустям Султангареевич Кираев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
rustamkiraev@mail.ru; Тел. 8 (937) 356-43-33
Резеда Фиргатовна Хасанова, доктор биологических наук, доцент
rezeda78@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-8917-0561
Ирек Гадеевич Мустафин, кандидат сельскохозяйственных наук, директор
oph_ufimskoe@mail.ru
Опытная станция «Уфимская» — обособленное структурное подразделение Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук, ул. Тополиная, 1, с. Чернолесовский, Уфимский р-н, Республика Башкортостан, 450535, Россия
УДК 631.41 (470.57) DOI: 10.32634/0869-8155-2024-378-1-102-106
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
