Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тяжелые металлы в системе почва-растение 8
1.1. Биофильность тяжелых металлов и их физиологическая роль как микроэлементов 8
1.2. Тяжелые металлы в почвах и растениях 10
1.3. Техногенное загрязнение и его влияние на содержание тяжелых металлов в растениях 15
1.4.Влияние содержания тяжелых металлов в почве на микробиологические процессы и мобилизацию минеральных форм азота 17
Глава 2 Факторы почвообразования, объекты и методы исследований 21
2.1. Факторы почвообразования и почвенный покров зоны проведения исследований 21
2.2. Современное состояние загрязненности почв обследуемой зоны 26
2.3. Объекты исследования 30
2.4. Методы исследования 32
Глава 3. Влияние содержания тяжелых металлов в почве на их концентрацию в сельскохозяйственных культурах 36
3.1. Особенности биологического поглощения тяжелых металлов растениями 36
3.2.Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на уровни их содержания в сельскохозяйственных культурах 42
3.2.1. Особенности биологического поглощения свинца картофелем и корнеплодами моркови 43
3.2.2. Особенности биологического поглощения цинка картофелем и корнеплодами моркови 46
3.2.3. Особенности биологического поглощения меди картофелем и корнеплодами моркови 51
3.2.4. Особенности биологического поглощения кобальта картофелем и корнеплодами моркови 54
3.2.5. Особенности биологического поглощения хрома картофелем и корнеплодами моркови 58
3.2.6. Особенности биологического поглощения железа картофелем и корнеплодами моркови 61
3.2.7. Особенности биологического поглощения кадмия картофелем и корнеплодами моркови 65
Глава 4 Влияние уровня загрязнения тяжелыми металлами на мобилизацию минеральных форм азота ...68
4.1. Влияние тяжелых металлов на мобилизацию подвижных форм азота в черноземе обыкновенном 68
4.2. Динамика накопления нитратного азота для различных типов почв в условиях наведенного загрязнения тяжелыми металлами 76
Глава 5 Влияние тяжелых металлов и подвижных форм минерального азота в почве на содержание nh4+, n02* и
N03" в картофеле и овощах 85
5.1. Влияние минеральных форм азота в почве на концентрацию nh4+, n02ti n03" в клубнях картофеля 87
5.2. Влияние содержания минеральных форм азота в почве на концентрацию nh4+, n02' и n03" в моркови и других корнеплодах 92
5.3. Влияние содержания тяжелых металлов в растении на поступление нитратного азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови 94
Глава 6 Синергическое и антагонистическое взаимодействие тяжелых металлов в растениях 101
6.1 проявления синергизма и антагонизма тяжелых металлов в клубнях картофеля 101
6.2. Проявления синергизма и антагонизма тяжелых металлов в корнеплодах моркови 104
6.3. Теоретические предпосылки к возможному снижению концентрации высокотоксичных тяжелых металлов за счет применения микроэлементов 106
Выводы 109
Предложение производству 111
Библиографический список
- Тяжелые металлы в почвах и растениях
- Современное состояние загрязненности почв обследуемой зоны
- Особенности биологического поглощения свинца картофелем и корнеплодами моркови
- Динамика накопления нитратного азота для различных типов почв в условиях наведенного загрязнения тяжелыми металлами
Введение к работе
Техногенное воздействие ведет к перераспределению химических элементов в масштабе всей планеты. Как следствие, в крупных промышленных центрах происходит локализация многих тяжелых металлов. По прогнозу А.И. Обухова и А.А. Поповой (1992), в нашей стране через 20 лет произойдет значимое увеличение содержания кадмия в почве. В 2005 году мы стоим «на пороге» этого увеличения.
В Алтайском крае особенно неблагоприятная обстановка по кадмию складывается в Рубцовском районе, где по данным Г.Г.Морковкина (2002) содержание кадмия в 2,45 раза больше медианного фонового значения.
Находясь в биологическом круговороте, попадая в системы почва-растение, почва-растение-человек, почва-растение-животное-человек, тяжелые металлы влияют на качество сельскохозяйственных растений, что отражается напрямую или опосредованно на здоровье людей.
Также потенциально опасными для здоровья человека являются высокие содержания нитратного азота в растениях. Поступление нитратов вызывает у человека (особенно у детей) метгемоглобинемию. Под влиянием микрофлоры и тканевых ферментов нитраты могут восстанавливаться до нитритов, обладающих высокой канцерогенностью (Кузина и др., 19В5).
С другой стороны, многие тяжелые металлы являются микроэлементами, жизненно важными для нормального развития растений и почвенных микроорганизмов. А нитратный азот преобладает в азотном питании растений в условиях Западной Сибири (Кочергин,1965; Кондратьева, 1978; Гамзи-ков, 1984; Бурлакова, 1984) и без него невозможно получение высокого урожая.
Для предотвращения негативного воздействия токсикантов, необходимо изучение особенностей биологического накопления тяжелых металлов и нитратного азота различными сельскохозяйственными культурами, выяснения характера их накопления в растениях. Представляет интерес изучение
нитрификационной способности почв в присутствии тяжелых металлов - как неизбежных «спутников» техногенеза.
Цель исследований: Установить влияние различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами и минеральных форм азота на накопление их в клубнях картофеля и овощах.
Задачи исследований:
Изучить степень загрязнения тяжелыми металлами почв исследованного района.
Определить степень загрязнения изучаемых сельскохозяйственных культур тяжелыми металлами.
Определить обеспеченность почв подворий Рубцовского района подвижными формами азота.
Изучить влияние тяжелых металлов на процессы аммонификации и нитрификации в различных почвах.
Выявить особенности аккумуляции тяжелых металлов и накопления минерального азота изучаемыми сельскохозяйственными культурами.
Установить характер проявления связи между содержанием тяжелых металлов в почвах и азота нитратов в почве, и их накоплением в растениях.
Выявить характер проявлений связи между поглощенными растениями токсичными тяжелыми металлами и микроэлементами.
Научная новизна:
Изучены особенности аккумуляции тяжелых металлов в клубнях картофеля, в корнеплодах моркови, а также в кожуре изученных сельскохозяйственных культур.
Выявлены стимулирующее влияние содержания в почве хрома на накопление аммонийного азота и его ингибирующее действие на образование нитратов.
Установлено различное накопление тяжелых металлов и минеральных форм азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови.
Показаны возможные синергические и антагонистические связи в зависимости от содержания в растениях тяжелых металлов и нетоксичных микроэлементов. Так, с увеличением в клубнях картофеля содержания цинка, уменьшается содержание кадмия.
Защищаемые положения. 1. Загрязнение почв тяжелыми металлами ведет к накоплению их в сельскохозяйственных культурах, снижая качество клубней картофеля и корнеплодов моркови, 2. Загрязнение черноземных почв кадмием, свинцом, цинком и смесью этих металлов стимулирует нит-рификационный процесс, что может привести к повышенному накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах.
Практическая значимость работы. 1. На основе особенностей поглощения тяжелых металлов разными культурами, возможен дифференцированный подход к выращиванию на почвах, загрязненными определенным тяжелым металлом культуры, поглощающей этот металл в меньшей мере. 2. На оснопс антагонистического взаимодействия цинка и кадмия предложен подход к проблеме возможного улучшения качества сельскохозяйственных культур. При выращивании картофеля на почвах, загрязненных кадмием, возможно снижение его поступления в клубни за счет внесения цинковых удобрений; возможно применение Сг (VI) как ингибитора нитрификации в почве, но это требует дальнейшей проверки в полевых опытах.
Автор благодарна сотрудникам кафедры агрохимии и почвоведения к.с.-х. н. Е.В. Райхерту, к. с.-х. н. В.И. Овцинову, В.В. Тонких за помощь в техническом оформлении работы.
Особую признательность автор выражает научным руководителям - заведующей кафедрой почвоведения и агрохимии, заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, академику, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой и доценту, кандидату сельскохозяйственных наук СИ. Завалишину за внимание, консультации и поддержку на протяжении всей работы над диссертацией.
Тяжелые металлы в почвах и растениях
Широкомасштабное техногенное загрязнение окружающей среды неизбежно ведет к накоплению тяжелых металлов в почве. Почва, как известно, является начальным звеном пищевой цепи: почва -растение - животное - человек или почва - растение — человек.
Попадая в почву, тяжелые металлы могут мигрировать горизонтально и вертикально в сопредельные среды, результатом чего станет загрязнение грунтовых и поверхностных вод.
Наиболее интенсивно весной, летом и осенью протекает вертикальная ( профильная) миграция загрязняющих веществ, что связано с интенсивными нисходящими потоками почвенной влаги (Пинский, Паченский, 1991). Профильная миграция ведет к проникновению тяжелых металлов, нитратного азота и других поллютантов в грунтовые воды.
Миграцию тяжелых металлов ограничивают процессы осаждения их на геохимических барьерах — участках земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, - их накопление (Перельман, 1975).
В почвах выделяют следующие геохимические барьеры: механические; физико-химические - окислительные, восстановительные, сульфатные, кислые, щелочные, испарительные, сорбционные, термодинамические; биогеохимические (Перельман, 1979).
С экологической точки зрения имеют значение не только те почвенные процессы, которые формируют природные геохимические барьеры, но так же и те процессы, которые приводят к ослаблению или полному освобождению от токсического действия загрязняющих веществ. Эти процессы иногда называют "самоочищением почв" (Химическое загрязнение...,1991).
Большое значение в "самоочищении" почв отводится процессам сорбции, приводящим к аккумуляции загрязнителей в почве, которые, можно ска 16 зать, только относительно становятся недоступными для растений. Различные почвы имеют разную способность к закреплению тяжелых металлов. Так, А.И. Обухов (1989) на основании своих исследований делает вывод о том, что черноземные почвы, по сравнению с подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами, в значительно меньшей степени страдают от загрязнения тяжелыми металлами. Механизм закрепления тяжелых металлов черноземами зависит от емкости поглощения почв, содержания органического вещества, глинистых минералов и минералов — оксидов железа и алюминия. Сорбция мало зависит от формы соединений тяжелых металлов, поступающих в почву.
В настоящее время много работ в области исследований загрязнения почв тяжелыми металлами, особенностям их миграции и трансформации (Шильников и др., 1997; Кашин, Иванов, 1995; Касимов, Кошелева, Самсо-нова, 1995). Ю.М. Лабий и М.Г. Михальский (1989) считают, что легкий гранулометрический состав почв, промывной тип водного режима, низкое содержание гумуса, кислая реакция среды способствуют переходу металлов в подвижное состояние.
Как известно, чем подвижнее металл, тем он более доступен для растения. Большой интерес представляет обнаружение сельскохозяйственных культур со слабо загрязняемой поедаемой частью. Выявление растений, задерживающих поступление в пищевую цепь тяжелых металлов, сделает возможным сельскохозяйственное использование загрязненных пахотных земель без ущерба для животных и человека.
В.Б. Ильин, М.Д. Степанова (1980) доказали наличие прямой зависимости защитных свойств почвы от содержания гумуса и ила. Токсичность свинца и, особенно, кадмия, значительно выше на дерново-подзолистой почве по сравнению с выщелоченным черноземом. При выращивании яровой пшеницы на малобуферной почве тяжелые металлы поступают в вегетативные органы значительно больше, чем на высокобуферной. Авторы показали, что на 17 копление свинца и кадмия происходит следующим образом (по нисходящей): КОРНИ листья семена. Т.Д. Обуховская с соавт. (1983) установила, что в зерне ячменя содержание тяжелых металлов в несколько раз ниже, чем в соломе.
При выращивании кукурузы на почвах, загрязненных свинцом (от 29 до 510 мг/кг) в зерне токсикант не был обнаружен, хотя в стебле и листьях содержание свинца составляло 43 мг/кг (Братанова, 1980).
Таким образом, репродуктивные органы загрязняются в последнюю очередь, В настоящее время ставится вопрос о необходимости тщательного изучения защитных возможностей почв и растений, определяемых в первом случае — величиной поглотительной способности почвы и во втором — наличием неодинаковых по жесткости механизмов защиты вегетативной и репродуктивной частей.
Современное состояние загрязненности почв обследуемой зоны
На пути потоков тяжелых металлов и других токсикантов в почвах в результате специфических условий, создаются так называемые геохимические барьеры, на которых происходит аккумуляция химических элементов антропогенного происхождения (Глазовская, 1981; Перельман, 1975). При вертикальной миграции веществ на их пути в профиле почвы отдельные генетические горизонты могут быть природными радиальными геохимическими барьерами. Прежде всего это сорбционные барьеры верхних гумусовых горизонтов (Бурлакова, Антонова, Морковкин и др., 2001). Действие этих барьеров проявляется за счет обменного и необменного поглощения химических веществ тонкодисперсными органическими и минеральными соединениями почв. Чем больше в почве гумуса и чем тяжелее гранулометрический состав т.е. больше глинистых минералов (алюмосиликатов с примесью кварца, полевых шпатов и разнообразных оксидов и гидроксидов, монтмориллонита), тем более проявляется барьерная функция за счет сорбционных механизмов. А устойчивость образующихся комплексов увеличивается с повышением рН (Мотуз ова, 1993; Белоусова, 1993; Ладонин, 1994; Ильин, 1990, 1997). В условиях нейтральной и щелочной среды гумусовые вещества и глинистые минералы способны сорбировать никель, кобальт, медь, цинк и др. элементы. Причем такие металлы как цинк и медь удерживаются в необменной форме и в значительной степени способствуют уменьшению как вертикальной, так и горизонтальной миграции. Однако, в силу невысокой гуму сированности большинства обследованных почв и среднего гранулометрического состава сорбционные барьеры гумусовых горизонтов невысоки.
В обследованных почвах широкое распространение получили карбонатные геохимические барьеры, нередко с высокими значениями рН. В черноземах и каштановых почвах наиболее широко распространены карбонаты кальция и магния. Гораздо реже, в аккумулятивных ландшафтах, в луговых и лугово-черноземных солончаковатых и солонцеватых почвах могут содержаться карбонаты натрия (Бурлакова, Антонова, Морковкин и др., 2001).
Присутствие карбонатов оказывает прямое и косвенное влияние на поведение в почве загрязняющих веществ. Нейтральная и щелочная среда карбонатных горизонтов резко снижает концентрацию тяжелых металлов в почвенных растворах (Химическое загрязнение..., 1991). На щелочных карбонатных барьерах закрепляются марганец, цинк, медь, кобальт, свинец, кадмий, стронций. Сосредоточение карбонатных щелочных барьеров в почвах обследованной территории преимущественно на верхних и средних третях склонов, сдерживает горизонтальную миграцию этих элементов в зоне аккумуляции. Наличие же карбонатных горизонтов в профиле большинства почв в значительной степени сдерживает и вертикальную их миграцию, предохраняя от загрязнения грунтовые воды. Этому способствует и непромывной тип водного режима.
Таким образом, горизонтальная и вертикальная миграция тяжелых металлов в значительной степени ограничена наличием в почвах сорбционных и, особенно, карбонатных щелочных барьеров.
Значительно большая роль в горизонтальной миграции загрязнителей принадлежит развитию водной эрозии и дефляции. Смыв твердых почвенных частиц со склоновых земель и образование намытых почв в шлейфах склонов способствует аккумуляции в них вредных поллютантов.
Совокупное действие всех природных факторов и антропогенного воздействия обуславливает современный территориальный медианный фон содержания тяжелых металлов обследуемой зоны (табл.3).
Современный территориальный медианный фон для большинства приведенных ТМ ниже ПДК (выше только по хрому). Содержание цинка близко к 1ПДК, а меди — к 0,5ПДК, Концентрации свинца, кадмия и никеля больше 0,5ПДК. По сравнению с кларковым содержание свинца и меди в исследуемой почве почти в 2 раза больше, а по кадмию наблюдается практически 3 кратное превышение. Количество хрома в медианном территориальном фоне не превышает кларк, кобальта и цинка близки к кларковому значению.
В целом, почвы обследованной территории, с точки зрения содержания в них валовых форм большинства тяжелых металлов и установленных для них ПДК (табл.3), являются относительно чистыми.
Поступление химических элементов в растения зависит не столько от содержания их валового содержания, сколько от подвижных и доступных для растений форм (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В этом отношении имеет значение содержание подвижных элементов в почве и их относительное количество, т.е. в процентах от валового содержания (табл.4).
Подвижность большинства тяжелых металлов невысокая, что связано с нейтральной, слабощелочной и щелочной реакцией. В количественном отношении, подвижные формы практически всех изученных тяжелых металлов не превышают ПДК (Перечень предельно-допустимых..., 1991): Pb-6,0; Си-3,0; Ni-4,0; Сг-6,0; Со-5,0; Mn-140,0; Zn-23,0). Наибольшая подвижность отмечена по кадмию. Примерно 40% от валового кадмия приходится на его подвижную форму (табл.4). Такая высокая подвижность может быть причиной его повышенного содержания в сельскохозяйственных культурах.
С целью изучения накопления тяжелых металлов и минеральных форм азота в почвах и сельскохозяйственных культурах, проводились исследования в Рубцовском районе (с. Половинкино и с. Зеленая Дубрава). Работы проходили в рамках комплексной программы, связанной с оценкой последствий антропогенного загрязнения окружающей среды, входящей в блок "Исследований влияния экологических факторов на заболеваемость населения, подвергшегося воздействию ядерных устройств на Семипалатинском полигоне".
Почвенный покров с. Зеленая Дубрава представлен лугово-каштановыми солонцевато-солончаковыми средиемощными малогумусными среднесуглинистыми почвами. Вблизи села почвы лугово-каштановые солончаковые среднемощные малогумусные среднесуглинистые.
Почвы с. Половинкино - солонцы лугово-каштановые средние солончаковые среднесуглинистые. Села расположены в низких формах рельефа с относительно близким уровнем стояния грунтовых вод.
Агрохимические свойства почв обследованных сел представлены в табл.5. Анализ почв проведен в лаборатории кафедры почвоведения и агрохимии.
Особенности биологического поглощения свинца картофелем и корнеплодами моркови
По мнению ряда исследователей физиологическая роль свинца очень мала (Ковда, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Эмсли, 1993). Т.С. Вгоуег et al.считают, что если свинец и необходим для растений, то его концентраций на уровне 2-6 мкг/кг должно быть уже достаточно.
Токсичность свинца из-за малой растворимости его соединений невысока (Тойкка, 1981;Kahle et al., 1989) ), в связи с чем он не представляет большой опасности для растений. Невысокая фитотоксичность свинца, видимо, объясняется наличием хорошо действующей в растении системы инактивации элемента, проникающего в корневую систему (Алексеев, 1987). Но повышенное содержание свинца в сельскохозяйственных культурах, выращенных на загрязненных этим элементом почвах, представляет опасность для здоровья человека.
По данным Т.Н. Григорьевой и СИ. Храмовой (1978) для большинства растений была обнаружена пропорциональная зависимость между содержанием свинца в почве и накоплением его в растениях.
Результаты наших исследований приведены в табл.9. Установлено, что для картофеля существует пропорциональная зависимость между содержанием свинца в почве и растением.
По величине общей информативности (Т, бит.) и коэффициенту эффективности канала связи (К) мы пришли к выводу, что на накопление свинца в клубнях картофеля оказывает увеличение концентрации этого металла в почве. Для моркови такая зависимость наблюдается в меньшей степени (табл. 10).
Слабую корреляцию между содержанием свинца в растении и почве отмечали A. Alegria, R. Barbera (1991), а так же Lehn Helmut и Boop Martin (1987) в опыте с пшеницей. Таким образом, не существует единого мнения в вопросе аккумуляции свинца сельскохозяйственными культурами.
Характер зависимости содержания свинца в клубнях картофеля от его содержания в почве представлен на рис.2(А). Установлена прямолинейная зависимость, т.е. чем больше свинца в лочве, тем больше его концентрация в картофеле. Для корнеплодов моркови наблюдается обратная зависимость до концентрации свинца в почве от 13,0 до 17,0 мг/кг, после чего идет небольшое увеличение содержания РЬ в корнеплодах (рис. 2 Б).
Цинк относится к важным микроэлементам, входящим в состав ангид-разы, дегидрогеназы, протеиназы и пептид азы, участвует в метаболизме углеводов и белков (Школьник, 1974).
Считается, что содержание цинка в растениях заметно изменяется под влиянием различий в генотипах растений и факторов, действующих в разнообразных экосистемах. Однако, содержание цинка в некоторых сельскохозяйственных культурах по всему миру сильно не различается (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). По данным таблицы 6 в клубнях картофеля содержится цинка от 0,3 до 3,4 мг/кг сырой массы, а в моркови около 0,5 мг/кг сырой массы.
Загрязнение окружающей среды цинком заметно влияет на концентрацию этого элемента в растениях. Произрастающие на загрязненных цинком почвах растения накапливают этот элемент, главным образом, в корневой системе. При повышенном уровне содержания цинка в почве этот металл может перемещаться из корней и накапливаться в верхних частях растений.
Результаты наших исследований приведены в табл.11. Анализируя валовое содержание цинка в почвах подворий, можно сделать вывод, что в отдельных случаях (подворья №4, 5,) общее количество цинка превышает предельно допустимый уровень. Повышенное содержание цинка в почвах Алтайского края С.Ф. Спицина (1990) объясняет утяжелением гранулометрического состава материнских пород.
Небольшое превышение концентрации цинка относительно ПДК в почвах некоторых подворий, не отразилось на качестве выращиваемых сельскохозяйственных культур: содержание цинка во всех растениях не превышает ПДК. Объяснить это можно следующими причинами:
1) относительно невысокий средний процент подвижного цинка для Рубцовского района - 10,65% (Бурлакова, Антонова и др., 2001) от современного территориального фона (74,3 мг/кг), что составляет 7,91 мгУкг (табл.4);
2) поскольку потребление цинка контролируется метаболизмом растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), возможно проявление защитных механизмов поглощения элемента изучаемыми культурами.
Исходя из значений общей информативности (Т) и коэффициента эффективности канала связи (К) (табл. 12) установлено, что существует прямая пропорциональная зависимость между содержанием цинка в почве и корнеплодах моркови (рис. 3).
По данным А.Кабата-Пендиас (1989) содержание цинка в клубнях картофеля зависит от его концентрации в почве (рис.5).
Сопоставляя рис.4 и рис. 5 наблюдаем сходство характера накопления цинка в клубнях картофеля. На рис. 4 четвертый ранг содержания цинка в почве соответствует 81,0-105,4 мг/кг и наши данные согласуются с данными А.Кабата-Пендиас.
Медь относится к микроэлементам, она участвует в разнообразных метаболических реакциях, играет значительную роль в фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, контролирует образование ДНК и РНК (Ильин, 1985; Протасова и др., 1992; Школьник, 1974; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Распределение меди в растениях очень изменчиво. В корнях медь связана, в основном, с клеточными стенками и крайне малоподвижна. J.Loneragan (1981) и L.Tiffin (1972) обнаружили способность корневых тканей удерживать медь от переноса в побеги как в условиях ее дефицита, так и избытка. Эти процессы еще не совсем понятны, но ясно, что ключевым процессом питания растения медью является выделение ее из клеток корней в соки ксилемы и флоэмы, где медь находится в подвижных формах. По данным В.И. Просянниковой (1994) содержание меди в картофеле составляло 0,27-1,19 мг/кг сырого продукта. Результаты наших исследований лежат в тех же пределах (табл. 13).
Динамика накопления нитратного азота для различных типов почв в условиях наведенного загрязнения тяжелыми металлами
Источником азотного питания растений являются минеральные формы азота, представленные ионами аммония, нитритами и нитратами. Содержание нитритов, как правило, очень низкое, их практически не учитывают. Аммоний и нитраты доступны растениям в различной степени. Очень много работ посвящено сравнительной эффективности нитратного и аммонийного азота для питания различных растений (Муравин и др., 1974; Верниченко и др., 1976; Кудеяров и др., 1977; Крастина и др., 1977).
Сравнением предпочтительности в питании растений аммиака и нитратов занимался еще в первой половине XX века академик Д.Н. Прянишников (Прянишников, 1951). И если в 1916 году в статье "Аммиак как альфа и омега обмена азотистых веществ в растении" он отдавал приоритет в питании растений аммонийному азоту, то к 1935 году Д.Н. Прянишников указывает на равнозначность аммонийного и нитратного питания для растений, но только в зависимости от стадии развития растения, внутренних и внешних условий.
Обзор литературных источников по азотному режиму почв Алтайского края, показывает, что недостаточная изученность этого вопроса приводит к противоречивым заключениям о мобилизации минеральных соединений азота в почвах.
В работах М.Ф. Островлянчик (1964), Л.М. Бурлаковой и др. (1966-1968) установлено, что в черноземах накапливается периодически большое количество поглощенного аммония при господствующем процессе нитрификации.
А.Е. Кочергин (1957, 1965), А.Я. Жежер, Л.В. Жежер (1969) утверждают, что черноземы обыкновенные Западной Сибири совершенно не содержат аммонийного азота или содержат лишь крайне незначительные количества и только в дождливый период.
В исследованиях Л.М. Бурлаковой (1984) показано, что в черноземах Алтайского края на мобилизацию аммонийного и нитратного азота оказывают влияние интенсивность микробиологической деятельности, гидротермические условия, агротехнические факторы. Процессы накопления аммонийного и нитратного азота взаимосвязаны. Максимум содержания аммония приходится на минимум влажности и содержания нитратного азота и наоборот.
Одной из задач нашего исследования стало изучение накопления минеральных форм азота (в том числе и нитритного) под влиянием таких тяжелых металлов как: свинец, никель, кадмий, цинк, хром (VI), молибден, смеси (Pb+Ni+Cd+Zn+Cr) и смеси (Pb+Ni+Cd+Zn) в черноземе обыкновенном -господствующем типе почв в подзоне черноземов умеренно-засушливой степи.
Для этого был проведен лабораторный опыт по компостированию чернозема (Кравков, 1978) при температуре 27 градусов по Цельсию. Образцы почвы ежедневно увлажнялись до достижения 60% от полной влагоемкости и находились в аэрируемом термостате в течение 35 дней, т.е. все основные условия процесса нитрификации были выполнены.
Установлено положительное влияние хрома на накопление ионов аммония: 112,5% - в первый срок отбора, 416,7% - во второй срок отбора, 240,6% - в третий срок отбора, по сравнению с контролем (табл.23).
Кроме того, в образцах с хромом наблюдалась взаимообусловленность содержания ионов аммония и нитратов. Так, в первый срок отбора аммонийный азот вырос с 0,919 до 1,847 мг/100 г почвы, при этом нитратный азот снизился с8,9б до 5,221 мг/100 г почвы.
Вообще, процессы накопления аммонийного и нитратного азота взаимосвязаны (Славнина, 1949; Бурлакова, 1957, 1958, 1984). Л.М. Бурлакова в своих исследованиях отмечает, что рост аммонификации приводит к усилению процесса нитрификации до определенного момента, т.е. при накоплении ионов аммония в пределах ОД-0,5 мг/100 г почвы. Дальнейшее увеличение содержания аммонийного азота связано с уменьшением количества нитратов. Закономерность взаимообусловленности содержания ионов аммония и нитратов подтверждается в нашем опыте, только при внесении небольших корректив в пределы концентрации аммонийного азота, до которых еще наблюдается рост N03-. А именно, для нашего опыта — это 1,645 мг/100 г почвы — зафиксировано в образцах со смесью металлов без хрома (Pb+Ni+Cd+Zn) в первый срок отбора. Наблюдались и исключения, например, в образцах с никелем: в первый срок отбора содержание аммонийного азота уменьшилось до 0,813 мг/100 г почвы, а концентрация нитратов возрастала.
Уменьшение накопления нитратного азота наблюдалось в образцах со свинцом (второй срок отбора), когда количество ионов аммония достигло 1,191 мг/100 г почвы, но в то же время в третий срок, когда содержание аммония уменьшилось до 0,863, накопление нитратов так же уменьшилось.
Но конечно, самое яркое подтверждение взаимообусловленности содержания аммонийного и нитратного азота наблюдалось при внесении хрома. Так, в первый срок аммонийный азот вырос с 0,919 до 1,847 мг/100 г почвы, при этом нитратный азот снизился с 8,96 до 5,221 мг/100 г почвы. Влияние тяжелых металлов на накопление аммонийного и нитратного азота показано на рис. 15 (А, Б, В). Максимальному значению концентрации ионов аммония для образцов с хромом и смесью металлов, включая хром, соответствуют минимальные концентрации нитратов при всех сроках компостирования. Концентрация нитритного азота для всех образцов была незначительна и составляла от 0,139 до 0,368 мг/100 г почвы.
Внесение свинца и цинка стимулировало нитрификационный процесс в разные сроки отбора. Для свинца это отмечено в первый срок, а для цинка в первый и третий сроки отбора (10,8% и 0,6%).Нужно учитывать, что тяжелые металлы вносились с одинаковой концентрацией — 45,4 мг/кг. И если для свинца это превышает ПДК (38 мг/кг), то для цинка это около 0,5 ПДК и он выступает как микроэлемент.
