УДК 504.064 Влияние длительного внесения минеральных

УДК 504.064
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ,
НАВОЗА И ИЗВЕСТИ НА ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОДВИЖНЫХ
ФОРМ ЦИНКА И КАДМИЯ В ПОЧВАХ
Н.Н. Бушуев
Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова,
г. Москва, Россия
В настоящее время загрязнение окружающей среды, и в частности почв цинком и
кадмием, идёт быстрыми темпами. Одним из источников загрязнения почв этими
элементами часто называют применение органических и минеральных удобрений, а
также извести. Вопрос о влиянии использования NPK, навоза, а также известкования на
содержание Zn и Cd в почве и их доступности для растений во многих аспектах является
недостаточно изученным. Поэтому большой интерес представляет исследование влияния
различных вариантов длительного сельскохозяйственного использования земель на
содержание и фракционный состав тяжёлых металлов в почвах.
Для проведения исследований были использованы дерново-подзолистая почва с
опыта Д.Н. Прянишникова (МСХА им. К.А. Тимирязева) и тёмно-серая лесная почва с
опыта проф. В.А. Дёмина (учхоз «Дружба» Переславского района Ярославской области).
На опыте Д.Н. Прянишникова, заложенном в 1912 г., дозы внесения удобрений
составляли (с 1973 г. по настоящее время) N100P150K120, навоз – 20 т/га, а извести (год-доза
в т/га): 1949 г. – 4,57; 1954 г. – 4,5; 1960 г. – 1; 1966 г. – 2; 1973 г. – 3; 1978 г. – 2; 1984 г. –
3; 1990 г. – 2; 1996 г. – 3 т/га. На опыте В.А. Дёмина, заложенном в 1986 г., образцы
отбирались в вариантах контроль, N15P25K21, N53P64K14+ 10 т/га навоза. Отбор образцов на
опытах произведен в 1998 г. Исследования проводились на кафедре почвоведения МСХА.
Для изучения фракционного состава подвижных соединений тяжелых металлов
навеска почвы последовательно обрабатывалась дистиллированной водой 0,1 М Ca(NO3)2;
CH3COONH4 с pH = 4.8; 0.1 M NaOH; 10% H2O2 и наконец 0,1 М Ca(NO3)2 при
соотношении почва : раствор как 1:5. Анализ содержания ТМ производился на атомноабсорбци-онном спектрофотометре AAS-30.
В результате исследований фракционного состава подвижных форм цинка [1] было
зафиксировано, что и в тёмно-серой лесной и в дерново-подзолистой почвах в вытяжки
суммарно переходит примерно одинаковое количество этого элемента. В обеих почвах
доля водорастворимых соединений очень мала (см. таблицу). Вероятно, это связано с тем,
что цинк довольно прочно связан в почвах, и для его извлечения требуются более
сильные реагенты. Наиболее велика доля обменных форм соединений.
По сравнению с тёмно-серой лесной почвой в дерново-подзолистой почве доля
обменных форм значительно выше, а доли подвижных органических и инертных
органических существенно ниже. Это связано с тем, что в дерново-подзолистой почве
содержание гумуса намного меньше, чем в тёмно-серой лесной. Совместное применение
NPK, навоза и извести на дерново-подзолистой почве вызвало сильное увеличение доли
подвижных органических форм в слое 0…20 см.
В тёмно-серой лесной почве доля обменных форм в среднем по опыту составляет
40% для слоя 0…20 см и 38% для слоя 20…40 см. Использование минеральных
удобрений на тёмно-серой лесной почве приводит к возрастанию доли обменных форм до
49%. Значительна также доля специфически обменных форм. В слое 0…20 см они
составляют в среднем по опыту 17%, а в горизонте 20…40 см их количество уменьшается
до 12%. Применение минеральных удобрений вызывает увеличение доли специфически
обменных форм в слое 0…20 см до 27%, а совместное использование NPK и навоза
привело к снижению доли этих форм цинка до 6%. В то же время минеральная и
органоминеральная системы удобрения в слое 20…40 см приводят к заметному
снижению содержания специфически обменных форм. В отношении подвижных
органических форм цинка вышеупомянутые системы удобрения серьёзного влияния не
оказывают. При определении инертных органических форм было отмечено, что
совместное применение навоза и минеральных удобрений вызвало значительное
увеличение доли этих форм. Видимо, это связано с взаимодействием ионов цинка с
органическими веществами навоза.
Для сравнения использованы данные о формах соединений кадмия, полученные
Эль-Амином Б.М.[5]. Доля водорастворимых соединений кадмия в пахотном горизонте
дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы сильно изменяется в зависимости от
применяемой системы удобрения. Максимальное содержание этой фракции (22%)
наблюдается в контроле. Применение минеральных удобрений, навоза и извести
вызывает заметное снижение доли водорастворимых соединений. В подпахотном
горизонте сильное снижение содержания водорастворимой фракции отмечено в
вариантах NPK и NPK+ навоз+известь.
Формы соединений цинка и кадмия в дерново-подзолистой и тёмно-серой лесной почвах
Вариант и
глубина отбора проб,
см
1
Контроль
NPK
Навоз
0…20
20…40
0…20
20…40
0…20
20…40
1
2
NPK+навоз 0…20
+известь
20…40
Ошибка разности
Контроль
0…20
20...40
NPK
0…20
20…40
NPK+навоз 0…20
20-40
Ошибка разности
Перешло в
Относительное содержание фракций,* %
вытяжки,
(числитель - Zn, знаменатель - Cd)
мг/кг
1
2
3
4
5
(Zn/Cd)
2
3
4
5
6
7
Дерново-подзолистая легкосуглинистая почва
19,38 / 0,7
0,5 / 22
53 / 25
25 / 13
10 / 5
12 / 35
11,05 / 0,8
0 / 10
61 / 2
27 / 64
7 / 16
5/8
15,85 / 0,7
0 / 15
59 / 9
26 / 63
8/1
7 / 12
13,24 / 0,7
0/2
67 / 13
23 / 63
5/6
5 / 16
19,11 / 0,8
0,3 / 5
55 / 6
21 / 85
14 / 3
10 / 1
17,65 / 0,7
0,2 / 3
69 / 66
18 / 17
7/1
6 / 13
Продолжение табл. 1
3
4
5
6
7
8
21,83 / 0,7
0 / 11
57 / 22
5 / 37
23 / 10
15 / 20
12,07 / 0,4
0 / 12
70 / 13
10 / 55
12 / 6
8 / 14
–
2/4
11 / 15
5 / 20
3/4
3/8
Темно-серая лесная среднесуглинистая почва
19,85 / 0,43 0,2 / 34
35 / 17
18 / 14
15 / 4
32 / 31
23,12 / 0,60 0,3 / 11
31 / 33
20 / 33
11 / 7
38 / 15
18,33 / 0,63
0 / 38
49 / 6
27 / 9
12 / 6
12 / 41
26,58 / 0,53
0 / 20
48 / 45
9 / 17
8/2
35 / 15
19,50 / 0,60 0,5 / 36
35 / 3
6 / 13
14 / 17
45 / 31
22,16 / 0,58 0,3 / 30
35 / 31
8 / 30
9/1
48 / 8
–
2 / 10
9/7
6/4
3/4
8/3
*Цифрами обозначены: 1 – водорастворимая фракция, 2 – обменная, 3 – специфически
обменная, 4 – подвижная органическая, 5 – инертная органическая.
Наибольшее содержание обменного кадмия в горизонте 0…20 см отмечено в
контроле и при внесении навоза, а в вариантах NPK и NPK+навоз +известь происходит
снижение содержания этой фракции. В слое 20…40 см достоверное увеличение
содержания вышеуказанной фракции наблюдается лишь в варианте совместного
применения органических и минеральных удобрений на известкованном фоне.
В пахотном горизонте всех вариантов зафиксировано повышение содержания
специфически обменного кадмия в 2,8…6,5 раз по сравнению с контролем. Наибольшее
возрастание отмечено на известкованном фоне, а наименьшее – в варианте «навоз».
Содержание этой фракции в слое 20…40 см относительно выравнено, но в варианте
NPK+навоз+ известь оно в 3,8 раза ниже, чем в контроле. Доля подвижного
органического кадмия в слое почвы 0…20 см увеличивается с 1% на минеральной
системе удобрений до 10% на органической системе удобрений, а в подпахотном
горизонте на этих вариантах та же фракция остается неизменной. Содержание инертного
органического кадмия в слое 0…20 см наиболее велико в контроле, а применение любой
системы удобрений приводит к резкому снижению содержания этой фракции, особенно
на известкованном фоне. В подпахотном горизонте достоверное изменение содержания
установлено лишь в варианте NPK.
Доля водорастворимых соединений кадмия во всех вариантах тёмно-серой лесной
почвы намного выше, чем в дерново-подзолистой почве. Доля растворимых в воде
соединений кадмия в пахотном горизонте тёмно-серой лесной почвы всех вариантов
практически не отличается и составляет в среднем 36%. В подпахотном слое контроля
содержание водорастворимого кадмия в 3 раза меньше, чем в пахотном горизонте. При
применении NPK доля водорастворимого кадмия возрастает по сравнению с контролем,
но соотношение концентрации кадмия в верхнем и нижнем горизонтах остаётся
одинаковым и приближается к двум. При внесении NPK и навоза содержание
водорастворимого кадмия в пахотном и подпахотном горизонтах выравнивается.
Максимальная доля обменного кадмия в пахотном горизонте отмечается в контроле
(17%), при применении NPK она снижается до 6%, а при внесении NPK и навоза – до 3%.
В подпахотном горизонте происходит резкое увеличение содержания обменного кадмия в
пробах почвы всех вариантов.
Доля специфически обменного кадмия в слое почвы 0…20 см контроля составляет
14%, в варианте NPK – 9%, при совместном применении минеральных удобрений и
навоза – 13%. Доля специфически обменного кадмия в слое 20…40 см в среднем по
опыту в 2,25 раза выше, чем в пахотном. Необходимо отметить, что при применении
одних минеральных удобрений происходит уменьшение доли этой фракции кадмия как в
пахотном, так и в подпахотном слоях. Соединения кадмия, экстрагируемые водной
вытяжкой, легко переходят в почвенный раствор, а поэтому связываются внесёнными в
почву в достаточно прочные комплексные соединения. В то же время в ацетатноаммонийный буферный (ААБ) раствор переходят соединения металлов, которые в
обычных условиях закреплены в почвах и не реагируют на внесенные удобрения. Не
исключено, что ААБ раствор разрушает образовавшиеся в почве комплексные
металлорганические соединения, и поэтому содержание «подвижных» соединений
оказывается более однородным. Доля подвижного кадмия, связанного с органическим
веществом, резко увеличивается (в 4,25 раза) при совместном применении NPK и навоза в
слое 0…20 см. В подпахотном горизонте, наоборот, фиксируется снижение этой доли в 7
раз. Применение минеральных удобрений не оказывает существенного влияния на
содержание подвижного органического кадмия. В последнюю вытяжку переходит 31…41
% кадмия из пахотного горизонта и 8…15 % из горизонта 20…40 см.
В дерново-подзолистой почве наблюдается многократное превышение доли
водорастворимого кадмия над долей водорастворимого цинка. Содержание обменного
цинка в несколько раз выше, чем обменного кадмия. Доля специфически обменных форм
кадмия в два раза выше, чем аналогичных форм цинка. В дерново-подзолистой почве
доля подвижного органического кадмия в большинстве случаев значительно ниже, чем
той же фракции цинка, но для инертных органических форм отмечено более высокое
содержание доли кадмия по сравнению с цинком.
При сравнении содержания различных фракций кадмия и цинка в тёмно-серой
лесной почве можно увидеть, что доля водорастворимых соединений кадмия многократно
выше, чем доля цинка. Доля обменных форм кадмия в пахотном слое тёмно-серой лесной
почвы в среднем по опыту в четыре раза ниже, чем доля тех же форм цинка. В
подпахотном горизонте отмечено примерно одинаковое относительное содержание
обменных форм кадмия и цинка. Содержание специфически обменного кадмия в слое
0…20 см в среднем по опыту несколько ниже, чем специфически обменного цинка, а в
слое 20…40 см доля специфически обменного кадмия в два раза выше, чем цинка.
Подвижных органических форм цинка в несколько раз больше, чем подвижного
органического кадмия. Содержание инертных органических форм кадмия и цинка в
пахотном слое в среднем по опыту примерно одинаково, но в подпахотном доля
инертного органического цинка в три раза больше, чем кадмия.
Согласно литературным данным [3, 9, 10, 18], содержание водорастворимых форм
Cd и Zn невелико. Так, например, по сведениям Diwale S.R. и Chavan K.N. [10], в
латеритной почве района Конкан
(Индия) содержание водорастворимого цинка
составляет лишь 0,1% от валового. Также невелико содержание водорастворимых форм
цинка в почвах Испании [9, 18]. По данным Плехановой И.О., Кленовой О.В., Кутуковой
Ю.Д. [3], в дерново-подзолистой супесчаной почве доля водорастворимых фракций цинка
составляет не более 1% от валового содержания. Доля водорастворимых фракций кадмия
в вышеупомянутой почве значительно выше, чем доля аналогичных фракций цинка, что
согласуется с полученными нами данными.
По данным чешских учёных [6], известкование существенно снижало содержание
водорастворимых форм кадмия, что подтверждается и результатами наших опытов.
В литературе имеются сведения [3, 9, 10, 12, 16, 17, 18] о низком содержании
обменных форм цинка и кадмия, однако в изученных нами почвах этого не наблюдалось.
Относительно форм кадмия и цинка, связанных с органическим веществом, в
литературе имеются противоречивые сведения. По одним данным [3, 12, 18], содержание
органически связанных форм цинка и кадмия невелико. В то же время ряд авторов [2, 4,
7, 11, 13, 15] приводит сведения о высоком содержании в почвах форм этих элементов,
связанных с органическим веществом.
Наши данные свидетельствуют, что в дерново-подзолистой почве (особенно в
контрольном варианте) в большинстве случаев содержание органических форм кадмия и
цинка невелико, а в тёмно-серой лесной почве оно значительно выше, достигая 10-15% от
валового содержания. По-видимому, это связано с более высоким содержанием гумуса в
тёмно-серой лесной почве, так как McArthur D.F.E. et al. [14] в черноземах Канады
достоверно установили положительную корреляцию между содержанием органического
вещества и общим (валовым) содержанием кадмия.
Сопоставляя полученные экспериментальные данные с литературными, следует
учитывать, что исследователями используются различные методики определения
фракционного состава ТМ и применяются разные реагенты для извлечения одних и тех
же фракций ТМ из почвы, что существенно влияет на результаты анализа. Возможно
также искажение результатов фракционирования ТМ, так как ионы металлов,
высвободившиеся при экстракции, могут частично реадсорбироваться твердыми
компонентами почвы [8] и таким образом могут быть обнаружены в последующих
фракциях.
В соответствии с результатами наших исследований, а также с литературными
данными, можно сделать вывод, что применение органических и минеральных
удобрений, а также извести оказывает сильное влияние на фракционный состав
подвижных форм цинка и кадмия на дерново-подзолистой и тёмно-серой лесной почвах.
В свою очередь, различия в фракционном составе подвижных форм данных химических
элементов влияют на поступление тяжёлых металлов в растения и, следовательно, на
качество и экологическую безопасность сельскохозяйственной продукции.
Библиографический список
1. Бушуев Н.Н. Тяжёлые металлы в органическом веществе дерново-подзолистых почв
при различном сельскохозяйственном использовании. Автореф. дис.…канд. биол.
наук. М., 2004. 23 с.
2. Журавлёва Е.Г. К вопросу о содержании микроэлементов в органическом веществе
почв. //Почвоведение, 1965. № 12. С. 12-17.
3. Плеханова И.О., Кленова О.В., Кутукова Ю.Д. Влияние осадков сточных вод на
содержание и фракционный состав тяжёлых металлов в супесчаных дерновоподзолистых почвах. //Почвоведение, 2001. № 4. С. 496-503.
4. Степанова М.Д. Микроэлементы в органическом веществе почв. Новосибирск, 1976,
106 с.
5. Эль-Амин Б.Б.М. Фоновое содержание и фракционный состав соединений кадмия и
меди в дерново-подзолистых и серых лесных почвах. Автореф. дис. …канд. биол.
наук. М., 2001. 22 с.
6. Balik J., Tlustos P., Szakova J., Blahnik R., Kaewrahun S. Sorpce kadmia v pude po pouziti
vyvapnenych cistirenskich kalu.// Rostl. vyroba.–1999, v.45, N 11, p. 511-518.
7. Baughman N.M. The effect of organic matter on the retention of zinc by the soil.–
Dissertation abstract, 1956, v. 16, № 5, p. 839.
8. Bunzl K., Trautmannsheimer M., Schramel P. Partioning of heavy metals in a soil
contaminated by slag: A redistribution study. //J. Environ. Qual.–1999, v. 28, N 4, p. 11681173.
9. Cala Rivero V., De la Flor Masedo, De la Villa R. Vigil. Effect of soil properties on zinc
retention in agricultural calcareous soils.// Agrochimica–1999, v. 43, N 1, p. 46-54.
10. Diwale S.R., Chavan K.N. Distribution of zinc in lateritic soils of Konkan.// J. Maharashtra
Agr. Univ.–1999, v.24, N 1, p.9-13.
11. Gray Colin W. et al. Fractionation of soil cadmium from some New Zealand soils.//
Commun. Soil Sci. and Plant Anal.–2000, v.31, N 9-10, p. 1261-1273.
12. Hazra G.C., Pattanayak P. Das, Mahdel Biswapati. Effect of submergence on the
transformation of zinc fractions in Alfisols in relation to soil properties.// J. Indian Soc. Soil
Sci.–1994, v.42, N 1, p. 31-36.
13. Himes F.L., Barber S.A. Chelating ability of soil organic matter.– Soil sci. soc. am. proc.,
1957, v. 21, № 4, p. 368-373.
14. McArthur D.F.E., Huang P.M., Kozak L.M. Impact of long-term cultivation on the nature of
organic matter and the status of cadmium in soil: Abstr. Annual Meeting of the Canadian
Society of Soil Science, Charlolettown, Prince Edward Island, 1999// Can. J. Soil Sci.–1999,
v.79, N 4, p. 654.
15. Onyatta J.O., Huang P.M. Chemical speciation and bioavailability index of cadmium for
selected tropical soils in Kenya.// Geoderma–1999, v.91, N 1-2, p.87-101.
16. Phogat V., Dahiya D. J., Singh J. P. Effect of organic matter and soil water content on the
transformation of native soil zinc.// J. Indian Soc. Soil Sci.–1994, v.42, N 2, p. 239-243.
17. Randhawa H. S., Singh S. P. Distribution of zinc fractions in alluvium-derived soils of
Punjab.// J. Indian Soc. Soil Sci.–1995, v. 43, N 1, p. 124-126.
18. Rico I., Alvarer J.M., Novillo J. Mobility and extrability of zinc in soil columns amended
with micronutrient formulations.// Commun. Soil Sci. and Plant Anal.–1995, v.26, N 17-18,
p. 2843-2855.