Влияние различных агротехнических условий на особенности накопления тяжелых металлов в растениях ячменя
В последнее время в отечественной практике к наиболее перспективным почвозащитным, ресурсосберегающим приемам относятся минимальная и нулевая обработки почвы. Эти виды обработки почвы обеспечивают снижение затрат дизельного топлива, труда, себестоимости зерна и кормов для молочного животноводства в несколько раз, а также позволяют сохранить структуру почвы и повысить ее плодородие. Но в то же время многие исследователи подчеркивают, что при мелкой обработке почвы происходит накопление тяжелых металлов в верхнем корнеобитаемом слое почвы. Откуда они способны мигрировать в сельскохозяйственные растения и накапливаться в концентрациях, опасных для здоровья человека и животных.
Целью исследования является изучение влияния ресурсосберегающих технологий обработки почвы на локализацию тяжелых металлов (ТМ) в почве и культуре ячменя сорта «СДС Долли».
Условия, материалы и методы. Объектами изучения являлись почва верхнего пахотного горизонта (0-30 см) и фитомасса ячменя ярового сорта «СДС Долли». Исследования проводились в 2010 году на стационарном опытном поле на территории землепользования учебного хозяйства Самарской ГСХА. Почва участка - чернозем обыкновенный.
Образцы почв отбирались сопряженно с пробами растений в соответствии с общепринятыми рекомендациями. Проанализировано 50 почвенных и 50 растительных образцов.
В отобранных образцах определяли:
- содержание гумуса по Тюрину;
- рН солевой вытяжки;
- содержание подвижного фосфора в нейтральных почвах по Чирикову, в карбонатных почвах по Мачигину;
- содержание обменного калия в нейтральных почвах по Чирикову, в карбонатных почвах по Мачигину;
- содержание тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Спектр 4-5»;
- определение содержания тяжелых металлов в фитомассе проводили пламенным и электротермическим вариантами атомно-абсорбционной спектроскопии с предварительной подготовкой проб методом «сухой» минерализации;
- анализ фитомассы на содержание макроэлементов (Р, К) выполнили методом мокрого озоления.
Результаты исследований. В результате исследований (таблица 1) было установлено, что содержание гумуса в верхнем горизонте почвы при использовании мелкой и глубокой обработки было ниже фонового значения для Кинельского района Самарской области в 1,16 и 1,71 раз соответственно. При прямом посеве, наоборот, этот показатель увеличивался в 1,07 раза. Это свидетельствует о том, что при более глубокой обработке почвы происходит интенсивная потеря питательных веществ.
Анализы реакции почвенного раствора выявили, что при использовании различных видов обработки почвы рН менялась незначительно и оставалась в пределах нейтральных значений – 6,3-7,1.
Исследования содержания подвижного фосфора показали, что при прямом посеве содержание фосфора в 1,3 раза больше, чем при поверхностной и в 1,4 раза больше, чем при традиционной обработке. Такая же ситуация складывается и с содержанием обменного калия. По сравнению с прямым посевом при мелкой и глубокой обработке оно меньше в 1,0 и 1,6 раза соответственно.
Концентрация валовых форм тяжелых металлов в почве исследуемого участка находится ниже норм ПДК и не превышает фоновых значений в почвах Кинельского района, исключение составляют свинец и марганец. Концентрация свинца превышала фоновое значение при применении всех видов обработки почвы. При прямом посеве она была в 1,85 раз выше ФОНа, при мелкой в 1,61 раз и при глубокой – в 1,1 раз превышала сравнительное значение. Содержание марганца при прямом посеве превысило ФОН в 1,19 раз, при остальных способах обработки почвы превышения не наблюдалось. Сравнивая содержание валовых форм тяжелых металлов, отмечено, что при глубокой обработке почвы токсичных элементов концентрируется меньше.
Анализ данных по подвижным формам тяжелых металлов показал, что их концентрация также не превышает предельно-допустимые нормы. Незначительное увеличение в содержании кадмия наблюдается при мелкой обработке по сравнению с прямым посевом и глубокой обработкой в 1,26 и 1,16 раз соответственно. Накопление свинца при традиционной обработке в 1,25 и в 1,84 раза выше, чем при прямом посеве и мелкой обработке. Увеличение в содержании цинка отмечено на необрабатываемом участке по сравнению с мелкой и глубокой обработкой в 1,9 и 1,06 раз соответственно. Сравнивая содержание меди при различных видах обработок, наблюдается незначительное увеличение ее при прямом посеве по сравнению с мелкой обработкой в 1,17 раз и глубокой обработкой в 1,27 раз. Кобальт, как и кадмий, в наибольших количествах концентрируется при мелкой обработке, что в 1,06 и 1,31 раз выше, чем при прямом посеве и традиционной обработке соответственно. Максимальное содержание марганца отмечено на необрабатываемом участке – в 1,29 и 1,28 раз выше по сравнению с мелкой и глубокой обработками.
| Вид обработки | Гумус*, % | pH | Содержание подвижных форм, мг/кг почвы | Содержание валовых форм, мг/кг почвы | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| P2O5 | K2O | Тяжелых металлов | Тяжелых металлов | |||||||||||||
| Cd | Pb | Zn | Cu | Co | Mn | Cd | Pb | Zn | Cu | Co | Mn | |||||
| Прямой посев (без обработки) | 5,5 | 6,3 | 292 | 222 | 0,058 | 0,28 | 0,46 | 0,14 | 0,32 | 47,20 | 0,32 | 10,90 | 36,60 | 16,60 | 8,84 | 748 |
| Мелкая обработка | 4,4 | 7,1 | 222 | 212 | 0,073 | 0,19 | 0,24 | 0,12 | 0,34 | 36,60 | 0,38 | 9,45 | 36,70 | 14,40 | 7,88 | 562 |
| Глубокая обработка | 3,0 | 6,4 | 203 | 141 | 0,063 | 0,35 | 0,43 | 0,11 | 0,26 | 37,00 | 0,32 | 6,48 | 31,80 | 8,73 | 5,99 | 468 |
| Среднее значение | 4,3 | 6,6 | 239 | 192 | 0,065 | 0,27 | 0,38 | 0,12 | 0,31 | 40,27 | 0,34 | 8,94 | 35,37 | 12,24 | 7,57 | 593 |
| ПДК содержания в почве ТМ** | 2 | 6 | 23 | 3 | 5 | 140 | 2 | 30 | 100 | 55 | 50 | 1500 | ||||
| Фоновое содержание ТМ в почвах Кинельского района*** | - | - | - | - | - | - | - | 5,88 | 55,18 | 30,59 | 20,27 | 625,10 | ||||
Примечание к таблице 1: * - Среднее содержание гумуса в пахотном горизонте Кинельского района – 5,13; ** - ГН 2.1.7.2041-06, Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., 2000 г.; *** - Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., 2008 г.
По результатам наших исследований, накопление тяжелых металлов в фитомассе ячменя (таблица 2) не превышает предельно-допустимых норм (исключение составляет кобальт, концентрация которого при традиционной обработке превышает ПДК в 1,06 раз) и незначительно отличается от фонового содержания в регионе. Небольшое превышение по сравнению с ФОНом наблюдается в содержании свинца (в 1,9 раз), цинка (1,2 раза) и кобальта (в 1,7 раз) при глубокой обработке. При нулевой обработке Со превышает ФОН в 1,1 раз.
| Вид обработки | Cd | Pb | Zn | Cu | Co | Mn | ХОС | ФОС |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Прямой посев (без обработки) | 0,087 | 0,55 | 17,92 | 3,99 | 0,69 | 30,68 | не обн. | не обн. |
| Мелкая обработка | 0,033 | 0,22 | 18,46 | 4,52 | 0,32 | 27,96 | не обн. | не обн. |
| Глубокая обработка | 0,109 | 1,43 | 24,22 | 5,03 | 1,06 | 51,48 | не обн. | не обн. |
| Среднее значение | 0,076 | 0,73 | 20,20 | 4,51 | 0,69 | 36,71 | не обн. | не обн. |
| ПДК | 0,30 | 5,00 | 50,00 | 30,00 | 1,00 | - | - | - |
| ФОН | - | 0,73 | 19,72 | 7,29 | 0,61 | - | - | - |
Примечание к таблице 2: ХОС - хлорорганические соединения; ФОС - фосфорорганические соединения.
Сравнивая содержание тяжелых металлов в образцах растений возделываемых при различной обработке почвы, максимальную концентрацию отметили при традиционной системе.
На основании полученных данных были рассчитаны коэффициенты биоаккумуляции подвижных элементов культурой ячменя.
Аккумуляция тяжелых металлов фитомассой изученной культуры представляется следующими убывающими рядами:
- при прямом посеве: Zn(38,96)>Cu(28,50)>Co(2,16)>Pb(1,96)>Cd(1,50)>Mn(0,65);
- при мелкой обработке: Zn(76,92)>Cu(37,66)>Pb(1,16)>Co(0,94)>Mn(0,76)>Cd(0,45);
- при глубокой обработке: Zn(56,32)>Cu(45,73)>Pb(4,08)>Co(4,07)>Cd(1,73)>Mn(1,39);
- в среднем по культуре: Zn(57,40)>Cu(37,29)>Pb(2,40)>Co(2,39)>Cd(1,23)>Mn(0,93).
Из представленных данных следует, что наиболее интенсивно идет поглощение цинка и меди. Коэффициент биоаккумуляции для марганца ниже 1, что свидетельствует о его слабом поглощении из почвы.
Хлорорганических соединений (ХОС) и фосфорорганических соединений (ФОС) в изучаемых растительных образцах не обнаружено.
Заключение. Интенсивная обработка почвы ведет к потере ее плодородия. Содержание валовых и подвижных форм изученных тяжелых металлов в почве опытного поля при различных уровнях обработки не превышало значений ПДК. Однако по сравнению с ФОНом наблюдалось превышение концентрации марганца при прямом посеве (в 1,19 раз). Содержание валового свинца при всех изученных видах обработки было выше фонового в среднем в 1,5 раза.
Превышение фонового значения для Кинельского района выявлено в фитомассе ячменя при традиционной системе в содержании свинца, цинка и кобальта. По нашим данным кобальт может накапливаться в фитомассе изученной культуры в количестве, превышающем ПДК, что может отрицательно сказываться на качестве продукции. Отсутствие в растительных образцах остатков ХОС и ФОС свидетельствует о ее безопасности относительно этих показателей.
Библиографический список:
- Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. – 142 с.
- Ильин В.Б. Система показателей для оценки загрязненности почв тяжелыми металлами // агрохимия. – 1995. - №1. – С. 94-99.
- Матвеев Н.М., Павловский В.А., Прохорова Н.В. Экологические основы аккумуляции тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: изд-во «Самарский университет», 1997. – С. 122-127.
- Матвеев Н.М, Матвеев В.Н., Прохорова Н.В. Вовлечение тяжелых металлов в основные трофические цепи в агрофитоценозах высокого Заволжья. Самара: изд-во «Самарский университет», 1998. – С. 42-69.
- Методические указания по атомно-абсорбционным методам определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье. Государственный комитет санэпиднадзора РФ. М., 1992. – 35 с.
- Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами: Утверждены заместителем Главного государственного санитарного врача СССР от 13.03.1987 г. № 4266-87.