CC BY
132
УДК УДК 632.122.1:546.47:631.445.24:631.445.41:633.16
КАДМИЙ В АГРОЛАНДШАФТАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЧО
Н.С. ЧЕТВЕРИКОВА, зав. лабораторией ФГБУ «Центр агрохимической службы «Белгородский»
Л.В. МАРЦИНЕВСКАЯ, кандидат географических наук, доцент
Белгородский национальный исследовательский университет
E-mail: [email protected]
Резюме. На основе анализа результатов, полученных в ходе локального агроэкологического мониторинга на 20 реперных объектах, проведена агроэкологическая оценка содержания кадмия в органических и минеральных удобрениях, пахотных почвах, сельскохозяйственных культурах в условиях лесостепной зоны ЦЧО. Рассчитан коэффициент биологического поглощения этого элемента растениями озимой пшеницы и ячменя. Проанализированы закономерности его биогеохимической миграции в профиле пахотныхпочв. Основной источникпоступления кадмия в изучаемые агроценозы - органические удобрения. Однако в современных условияхразмеры его поступления незначительны и не превышают отчуждения в результате смыва почвы. Для почв Ивнянского района Белгородской области установлен региональный кларк валового кадмия (0,31 мг/кг). С увеличением глубины почвенного профиля с 0...20 см до 81...100 см валовое содержание кадмия достоверно снижалось. Средняя концентрация подвижных форм этого металла в пахотном слое составляет 0,054 мг/кг. Содержание кадмия в изучаемых почвах не представляют опасности для производства экологически безопасной растениеводческой продукции. Ключевые слова: кадмий, кларк, коэффициент биологического поглощения, мониторинг, тяжёлые металлы, чернозём.
Один из самых токсичных для живых организмов тяжёлых металлов (ТМ) и наиболее подвижный в почве - кадмий [1]. Даже в ничтожно малых количествах он не участвует ни в одном из известных биохимических процессов в организме животныхи растений [2]. На сегодняшний день установлены мутагенные, тератогенные и канцерогенные свойства этого элемента. По степени токсичности кадмий относится к первому классу опасности (высокоопасные вещества).
В биосфере известны три кадмийсодержащих минерала, но все они не образуют рудных скоплений, а встречаются лишь как спутники цинка в цинковых и полиметаллических рудах. Все соединения кадмия независимо от их агрегатного состояния токсичны.
Кадмий в растениях проявляет фитотоксичность, выражающуюся в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации СО2, ингибировании биохимических процессов в микроорганизмах, происходящих с участием ДНК и др. При загрязнении почвы этим элементом в растениях уменьшается содержание растворимых сахаров, изменяется оптимальный ход превращения фосфатов в клетках, в результате снижается содержание органического фосфора и возрастает доля неорганических форм, нарушается его метаболизм. При поступлении избыточного количества кадмия в растениях уменьшается содержание фосфора, кальция, магния, железа и цинка [3].
Кадмий в почвах, не подверженных загрязнению, присутствует в количествах, обусловленных его концентрацией в материнской породе. Из почвообразующих пород наибольшая величина этого показателя характерна для глин, глинистых сланцев, лёссов, наименьшая - для песков и супесей. Кларк кадмия в почвах составляет 0,5 мг/кг [4]. Его фоновое содержание в значительной мере определяется типом, влажностью и темпе-
ратурой, окислительно-восстановительным потенциалом и реакцией среды почвы. Пределы колебаний содержания этого ТМ в дерново-подзолистых почвах составляют 0,01... 2,31 мг/кг, в серых лесных - 0,03.0,7, в аллювиальных -0,75.1,15 и в чернозёмах - 0,01.1,0 мг/кг [5.7].
В кислых и слабокислых средах гумидных ландшафтов кадмий энергично мигрирует в катионной форме, выносится из почв и достаточно активно поглощается сельскохозяйственными растениями. Поэтому подвижность кадмия в кислой среде гумидных ландшафтов создает опасность загрязнения растений.
Фоновое валовое содержание кадмия в верхнем горизонте черноземных почв естественных ландшафтов составляет 0,33.0,35 мг/кг [8, 9].
Цель наших исследований - дать агроэкологическую оценку содержания кадмия в удобрениях, растениеводческой продукции и пахотных почвах лесостепной зоны Центрально-Черноземных областей (ЦЧО).
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на двадцати реперных объектах, расположенных в Ивнянском районе Белгородской области, входящем в лесостепную зону ЦЧО. Почвенный покров представлен черноземами типичными и выщелоченными. Средневзвешенное содержание органического вещества в пахотном слое изучаемых почв составляет 5,4 %, подвижных форм фосфора (по Чирикову) -123 мг/кг, калия - 106 мг/кг, рНсол - 5,25 [10, 11].
Валовое содержание кадмия и концентрацию подвижных форм этого элемента (извлекаемых ацетатноаммонийным буферным раствором с рН 4,8) определяли в соответствии с общепринятой в агрохимической службе методикой.
При статистической обработке данных локального мониторинга использовали расчеты доверительного интервала при среднем значении (х ± ^д) и коэффициенте вариации ^,%).
Характеристика избирательного поглощения тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами дана на основании коэффициента биологического поглощения (КБП), который рассчитывается как отношение содержания элемента в золе растения к его концентрации в пахотном слое почвы. При этом содержание золы в абсолютно сухом веществе зерна пшеницы принимали равным в среднем 1,7 %, в соломе - 7,2 %, в зерне ячменя - 2,8 %, в соломе - 7,3 %.
Учитывая высокую токсичность кадмия, в России установлены допустимые уровни (ДУ) содержания этого элемента в сельскохозяйственном продовольственном сырье и пищевых продуктах, а также временные максимальнодопустимые уровни (МДУ) его содержания в кормах.
Результаты и обсуждение. По результатам локального агроэкологического мониторинга на территории Ивнянского района Белгородской области установлено, что кадмий в основном накапливается в побочной продукции изучаемых сельскохозяйственных культур, тогда как некоторые ТМ, например, цинк накапливаются преимущественно в зерне [12]. Среднее содержание кадмия в зерне озимой пшеницы составляло 0,052±0,003, ячменя - 0,049±0,001 мг/кг, в по-Таблица 1. Содержание кадмия в сельскохозяйственных культурах, мг/кг абсолютно сухого вещества
Культура Продукция МДУ ДУ x ± t05S- ОБ x lim V, % КБП
Озимая пшеница Ячмень зерно солома зерно солома 0,35 0,36 0,35 0,36 0,116 0,116 0,052±0,003 0,065±0,003 0,049±0,001 0,081±0,004 0,038.0,065 0,052.0,076 0,044.0,054 0,063.0,096 12,3 10,1 5,5 9,7 9.9 2.9 5.6 3.6
Таблица 2. Содержание кадмия в почвах, мг/кг
Глубина, см - ± t0gS- lim V,%
Валовое содержание
0...20 0,31±0,02 0,24.0,40 15,8
21...40 0,30±0,02 0,23.0,38 14,9
41...60 0,27±0,02 0,20.0,37 19,4
61...80 0,25±0,02 0,18.0,36 20,6
81...100 0,23±0,02 0,12.0,32 21,7
Содержание подвижных форм
0...20 0,054 ±0,003 0,045.0,068 12,3
21...40 0,051 ±0,003 0,043.0,065 11,3
41...60 0,051 ±0,003 0,041.0,063 11,7
61...80 0,050 ±0,002 0,044.0,063 9,7
81...100 0,052 ±0,002 0,043.0,064 9,5
бочной продукции величина этого показателя была больше соответственно на 25 и 65 %. Превышения значений ДУ и МДУ не установлено (табл. 1). Общий вынос кадмия с урожаем зерна озимой пшеницы 3,5 т/га (стандартной влажности 14 %) составил 0,16 г/га, с учётом соломы - 0,45 г/га, с урожаем ячменя 3 т/га - соответственно 0,13 и 0,38 г/га.
Кадмий можно охарактеризовать как элемент с сильной интенсивностью поглощения, так как его КБП варьировал в пределах 2,9...9,9. Величина этого показателя для основной продукции была выше, чем для побочной, что связано, в первую очередь, с большей зольностью соломы, по сравнению с зерном.
Основной источник поступления кадмия в агроценозы Ивнянского района - удобрения. В Белгородской области среднее содержание этого элемента в навоз с КРС (60 % влаги) - 0,11 мг/кг, в компосте соломопомётном (45 % влаги) -0,15, в стокахнавозных(98 % влаги) -0,026 мг/кг, в аммиачной селитре - 0,04мг/кг, в азофоске (16:16:16) - 0,1 мг/кг. В 20062010 гг. средняя доза внесения органических удобрений составила 2,2 т/га, с которыми в почву поступало 0,24 г/га кадмия. Минеральные удобрения за этот же период вносили по М70Р16К16 (100 кг/га азофоски и 160 кг/га аммиачной селитры), с которыми в почву поступало в среднем 0,016
г/га кадмия. Потери этого элемента в результате смыва в среднем составляли 0,36 г/га, что существенно превышало размеры его поступления с удобрениями (0,256 г/га).
Среднее валовое содержание кадмия в пахотном слое почв Ивнянского района Белгородской области составляет 0,31 ± 0,02 мг/кг, что ниже кларка этого элемента (табл. 2). Его общее количество с увеличением глубины достоверно снижается. Превышения ориентировочно допустимой концентрации этого элемента, которая на суглинистых и глинистых почвах с рНКС|<5,5 составляет1 мг/кг, а на почвах с рНКС| >5,5 - 2 мг/кг, не установлено.
Фоновое содержание подвижных форм кадмия (извлекаемых ААБ с рН 4,8) на заповедном участке «Ямская степь» для чернозёма типичного и чернозёма выщелоченного составляет соответственно 0,08 и 0,07 мг/кг [8]. В почвах Ивнянского района величина этого показателя с глубиной почвенного профиля достоверно не изменялась и составляла в слое 0.20 см 0,54 мг/кг. В России ПДК для подвижных форм кадмия не установлена. По результатам экспериментальных исследований его вполне обоснованно можно принять равным тому значению, при котором происходит загрязнение наименее толерантной сельскохозяйственной культуры (0,7 мг/кг почвы) [1]. Таких высоких концентраций подвижных форм кадмия в почвах Ивнянского района не обнаружено.
Выводы. Основной источник поступления кадмия в агроценозы в условиях исследований - органические удобрения. Однако размеры его поступления незначительны и не превышают отчуждения в результате смыва почвы.
Региональный кларк валового содержания кадмия в пахотных почвах Ивнянского района составляет 0,31 мг/кг. С увеличением глубины почвенного профиля с
0.20 см до 81.100 см оно достоверно снижается. Среднее содержание подвижных форм этого металла в пахотном слое равно 0,054 мг/кг. Концентрация кадмия в изучаемых почвах позволяет производить экологически безопасную растениеводческую продукцию.
Литература.
1. Лукин С.В., Явтушенко В.Е., Солдат И.Е. Накопление кадмия в сельскохозяйственных культурах в зависимости от уровня загрязнения почвы //Агрохимия. - 2000. - № 2. - С. 73.
2. Минеев В.Г. Агрохимия. - М.: МГУ, 1990. - 486с.
3. Ягодин Б.А., Виноградов С.Б., Говорина В.В. Кадмий в системе почва-удобрение-растения-живые организмы//Агрохимия. - 1989. - №5. - С. 125-135.
4. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах.- М.: АН СССР, 1957.
5. Черных Н.А., Милащенко Н.З., Ладонин В.Ф. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжёлыми металлами. -М.:Агроконсалт, 1999. - 176с.
6. Подколзин А.И., Минеев В.Г. Плодородие чернозёмов центрального предкавказья и пути его регулирования//Агрохимия. - 2010. - №8. - С. 87-95.
7. Клюшин П.В., Подколзин О.А., Шкабарда С.Н., Агроэкологическое состояние чернозёмов южных//Агрохимический вестник. - 2008. - №5. - С. 14-15.
8. Лукин С.В. Соловиченко В.Д. Результаты мониторинга плодородия почв государственного заповедника «Белогорье» // Достижения науки и техники АПК. - 2008. - №8. - С. 15-17.
9. Лукин С.В., Авраменко П.М. Микроэлементы в почвах Белгородской области//Земледелие. - 2008. - №7. - С. 21-22.
10. Лукин С.В. Содержание органического вещества в пахотных почвах Белгородской области //Достижения науки и техники АПК. - 2010. - №4. - С. 44-45.
11. Лукин С.В., Четверикова Н.С. Мониторинг плодородия пахотных почв лесостепной зоны Центрально-Черноземного района //ВестникРоссельхозакадемии. - 2010. - №1. - С. 71-73.
12. Лукин С.В., Солдат И.Е., Пендюрин Е.А. Закономерности накопления цинка в сельскохозяйственных растениях//Агрохимия. - 1999. - №2. - С. 79.
CADMIUM IN AGRICULTURAL LANDSCAPES FOREST-STEPPE ZONE OF CENTRAL CHERNOZEM REGION N.S. Chetverikova, L.V. Martsinevskaya
Summary. Based on the analysis of the results obtained in the course of the local agro-ecological monitoring in twenty benchmark objects held agri-environmental assessment of the content of cadmium in the organic and mineral fertilizers, arable soils, crops. We have calculated the rate of biological uptake of this element by plants of winter wheat and barley, analyzed patterns of its biogeochemical migration profile of arable soils. Found that the main source of cadmium in the studied agrocoenoses are organic fertilizer. However, in modern conditions, the dimensions of the receipt element fertilizers are minor and do not exceed the size of its alienation as a result of soil loss. For soils of Ivnyanskiy district set regional gross clark of cadmium (0.31 mg / kg). With increasing depth of the soil profile from 0 ... 20 ... 81 cm to 100 cm total content of cadmium sig-nificantly decreased. The average content of the metal moving in the plow layer is 0.054 mg / kg. The content of cadmium in soils under study are not dangerous for the production of environmen-tally friendly crop production.
Keywords: cadmium, clark, the absorption coefficient of biological monitoring, heavy metal, chernozem.
