Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Микроэлементы в агроэкосистемах: физиологическая роль, содержание, нормирование (Обзор литературы) 6
1.1. Физиологическая роль микроэлементов 6
1.2. Содержание микроэлементов в почвах и растениях 17
1.2.1. Содержание микроэлементов в почвах 17
1.2.2. Содержание микроэлементов в растениях 27
1.3. Нормирование содержания микроэлементов в почвах и растение водческой продукции 32
1.3.1. Нормирование содержания микроэлементов в почве 32
1.3.2. Нормирование содержания микроэлементов в растениеводческой продукции 37
Глава II. Условия и методы проведения исследования 39
2.1. Агроклиматические особенности Белгородской области 39
2.2 Характеристика почвенного покрова Белгородской области
2.3. Методика агрохимического обследования 48
Глава III. Экологическая оценка содержания микроэлементов в почвах 54
3.1. Цинк 54
3.2. Медь 61
3.3. Кобальт 65
3.4. Молибден 69
3.5. Хром 71
3.6. Никель 73
Глава IV. Экологическая оценка содержания микроэлементов в растениеводческой продукции 75
4.1. Цинк 75
4.2. Медь 78
4.3. Кобальт 81
4.4. Молибден 84
4.5. Хром 87
4.6. Никель 90
Глава V. Биологический круговорот микроэлементов в агроэкосистемах Белгородской области
Выводы 98
Приложения 100
Библиографический список 112
- Содержание микроэлементов в почвах и растениях
- Характеристика почвенного покрова Белгородской области
- Кобальт
- Молибден
Содержание микроэлементов в почвах и растениях
Химические элементы, обязательные (облигатные) для живых организмов и растений, содержащиеся в величинах порядка 0,01-0,00001%, относятся к микроэлементам (Виноградов, 1957). Некоторые авторы относят элементы, содержащиеся в сухой массе растений в количестве 0,01-0,001%, к микроэлементам, а менее 0,0001% – к ультрамикроэлементам (Шеуджен и др., 2005). Поскольку большинство микроэлементов имеет атомную массу более 40, к ним применим термин «тяжёлые металлы» (Алексеев, 1987).
Микроэлементы, концентрации которых нетоксичны, имеют важнейшее функциональное значение для жизнедеятельности человека, животных и растений – они интенсифицируют процессы построения растительного организма, составляя определенное количество (долю) массы сухого вещества. Роль микроэлементов в физиологических процессах живых организмов многообразна и многостороння, комплексна, но до конца не изучена, даже для главных из них (Войнар, 1960; Ищенко, Бутник, 1991; Акулов и др., 1995).
Согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 в зависимости от степени токсического воздействия на окружающую среду для всех химических элементов устанавливаются классы опасности. Цинк относится к элементам первого класса опасности (высокоопасным веществам), кобальт, медь, молибден, хром и никель относятся к элементам второго класса опасности (умеренно опасные вещества). Однако все элементы при их высоких концентрациях могут быть токсичными, а элементы, являющиеся потенциально токсичными, при незначительных концентрациях не оказывают негативного воздействия на почвы, животных и растения (Лукин, 1999; 2012). Следовательно, понятия «микроэлементы» и «тяжелые металлы» являются категориями больше не качественного, а количественного порядка, которые привязаны к крайним вариантам экологической ситуации (Ильин, Сысоев, 2001; Четверикова, 2013).
Необходимо отметить, что в научных работах, выполненных в конце прошлого и начале текущего веков, наблюдается смещение вектора исследования в сторону изучения значения микроэлементов как токсикантов живых организмов (Орлов и др., 1960; Carison, 1975; Бабкин, Завалин, 1995; Протасова, Щербаков, 2003; Подколзин, 2005 и др.; Спицына, 2005; Соколов и др., 2008).
Кобальт (Со) многопланово влияет на живые организмы в зависимости от концентрации. В концентрациях, не вызывающих токсическое действие, кобальт является облигатным микроэлементом, а его недостаточное содержание в организмах приводит к серьезным метаболическим нарушениям (Би-тюцкий, 2005).
Значительное количество кобальта сосредоточено в таких органах, как язык, почки и селезёнка. Кобальт участвует в кроветворных процессах, стимулируя работу костного мозга и синтез гемоглобина. В наибольшем количестве этот элемент накапливается в печени и почках, и в несколько меньшем – в поджелудочной железе (Коломийцева, Габович, 1970). Суточная доза кобальта для животных 1-2 мг на 50 кг массы тела, для человека – 2-5 мг. Кобальт усиливает накопление в организме витаминного комплекса (А, В, С, К), увеличивает интенсивность синтеза никотиновой кислоты и рибофлавина. Кроме того, способствует повышению защитных функций организма и его резистентности к инфекционным заболеваниям, улучшению моторной деятельности, усилению кровоснабжения сердечной мышцы, нормализации состояния у детей при лейкозах. При недостаточном содержании кобальта в организме особенно остро ощущается дефицит фосфора, кальция и йода. Кобальт незаменим при отравлениях цианистыми солями (Соколов и др., 2008).
В растениях элемент интенсифицирует процессы дыхания, активно участвует в фотосинтезе, активирует ряд ферментов белкового синтеза (аргиназы, аминопептидазы, лецитиназы) и ферментов окислительно-восстановительных реакций (каталазы, полифенолоксидазы, пероксидазы) (Фатеев, Захарова, 2005). Он определяет более раннее цветение и сокращение продолжительности периода вегетации, повышает жаро- и морозостойкость, резистентность к засухе и заболеваниям, усиливает устойчивость растений к полеганию (Кедров-Зихман, 1957). Кобальт увеличивает интенсивность поглощения растениями азота, фосфора, калия, магния, но снижает поступление свинца (Кудинова,1972). Кроме того, велика физиологическая роль кобальта для бобовых культур через влияние на процесс фиксации молекулярного азота. Кобальт способствует возрастанию содержания сахара в корнеплодах сахарной свёклы, увеличению количества крахмала в клубнях картофеля, содержания аскорбиновой кислоты, аминокислот и белка в зерне кукурузы.
Кобальт интересен также из-за его необходимости животным - он является составной частью витамина В12, недостаток которого ведет к нарушению обмена веществ, ослабляя процессы образования гемоглобина, белков и нуклеиновых кислот. При недостаточном содержании кобальта в кормах страдает крупный рогатый скот, козы и овцы, что ведет к резкому падению их продуктивности (снижение удоя молока и сокращение в нем витамина В12). Оптимальной нормой элемента в кормах для нормальной регуляции функций у животных является 0,07-1,0 мг/кг сухого вещества. Постоянный же дефицит кобальта в кормах животных приводит к эндемическому заболеванию, получившему название «акобальтоз». Это заболевание приводит к разрушению волосяного покрова (сухотка или лизуха) и нарушению функции печени, раз-витиею различных анемий, которые при недостаточном фоне витамина В12 приводят к малокровию (Соколов и др., 2008).
Характеристика почвенного покрова Белгородской области
Вследствие значительного удаления Белгородской области от Мирового океана климат на территории субъекта приобретает континентальность, возрастающую к юго-востоку и востоку.
Значительное влияние на баланс тепла и влаги оказывает атмосферная циркуляция. На южных границах Белгородской области наблюдается зона повышенного атмосферного давления, так называемая «ось Воейкова», что обуславливает господство антициклонов на протяжении всего года.
Агроклиматические ресурсы - это погодные и климатические факторы, оказывающие существенное воздействие на формирование урожая сельскохозяйственных культур. Агроклиматические факторы делят на основные и второстепенные. Основные климатические факторы - ресурсы света, тепла и влаги. Они являются незаменимыми факторами, оказывающими прямое влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур, формирование урожая.
Главной характеристикой ресурсов света является продолжительность светового периода и количество часов солнечного сияния. При проведении специальных расчетов используются значения величины радиационного баланса, суммарной радиации и альбедо.
Для продолжительности солнечного сияния на территории Белгородской области характерен четко выраженный ход в течение года (идет постепенное увеличение от 35-37 часов в январе, до почти 290 часов в июле). Изменение годовой суммы составляет диапазон 1800 - 1880 часов. Максимальная продолжительность солнечного сияния наблюдается в теплый период (апрель - сентябрь), на который приходится 76-77% от общей суммы.
В среднем за год на горизонтальную поверхность поступает 4200 МДж/м2 суммарной радиации и 2000 МДж/м2 прямой радиации. Максималь-39 ные значения суммарной радиации приурочены к июлю (600-650 МДж/м2), а минимальные – к декабрю (65-70 МДж/м2).
В среднем за год альбедо принимает значение 27%, с изменениями в мае от 20% до 70% в зимний период. В период вегетации альбедо варьирует от 15% над лесами до 25% над зерновыми культурами и степью.
Среднее значение за год величины радиационного баланса - 1650-1700 МДж/м2, представляющее 40-42% от значения суммарной радиации. Положительный радиационный баланс наблюдается в течение 8,5 месяцев – от середины февраля до первой половины ноября. Максимальные значения радиационного баланса зафиксированы в июле (320-350 МДж/м2), а минимальные – в декабре ((-16)-(-20) МДж/м2) (Природные ресурсы…, 2007).
Оценка ресурсов тепла проводится по таким показателям, как сумма среднесуточных значений температуры выше 10С, обуславливающая период активной вегетации большинства культур, а также количество дней со среднесуточной температурой выше 0С и 5С.
Период со средней суточной температурой атмосферного воздуха выше 0С имеет продолжительность 225-240 дней, выше 10С - 150-158 дней, выше 10С – 2500 - 2750С. Выявлена незначительная разница сумм температур на севере и на юге области, что обусловлено субширотностью географического расположения территории области.
Чтобы оценить ресурсы влаги в агрономических целях, необходимо использовать следующие показатели: сумма осадков (в среднем за месяц и год), гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК), запасы продуктивной влаги в почве (рис. 2.1).
Как правило, именно влага является основным лимитирующим фактором формирования урожая сельскохозяйственных культур. Основная часть области находится в зоне умеренного увлажнения, за исключением востока и юго-востока, которые недостаточно увлажнены. Наблюдается неравномерное распределение осадков, что обусловлено особенностями рельефа. На западе области годовая сумма осадков составляет 605-612 мм, на юге - 559 мм. Ко-40 личество дней с осадками за год варьирует от 140 до 150, с максимумами зимой, тем не менее, в этот период общее количество выпавших осадков меньше, чем в летний. Это обусловлено более низкой интенсивностью осадков зимой, хотя большей частотой их выпадения.
Устойчивый снежный покров наблюдается в течение 120 дней в западной и центральной части области, в то время как на юге и юго-востоке – 100 дней. На долю твердых осадков приходится 15-20% от величины годовой суммы. Их поступление связано с циклональной деятельностью западных воздушных масс и происходит в основном в виде снега. Максимальные значения высоты снежного покрова наблюдаются в феврале (от 21 до 25 см в северной части области и от 17 до 20 см – в южной).
Максимум атмосферных осадков зафиксирован в июле, минимум - в феврале и марте. В течение периода вегетации выпадает порядка 70% осадков. Незначительное количество осадков фиксируется в период посевных работ. Проанализировав данные годовой суммы осадков за период с 1970 по 2000 гг., отмечено ее увеличение на 37 - 42 мм в сравнении с данными за вековой период. Это обусловлено широтной циркуляцией и поступлением атлантических воздушных масс.
Главный показатель влагообеспеченности растений - величина запасов продуктивной влаги в пахотном и в метровом слоях почвы. В среднем запасы продуктивной влаги под озимыми культурами в начале периода вегетации достигают в слое 0-25 сантиметров - 40-45 мм, а в слое 0-100 сантиметров – 150-170 мм. Максимальные запасы влаги в почве характерны для западных районов, снижаясь постепенно к юго-восточным (Агроклиматические ресурсы…, 1972).
Косвенный показатель влагообеспеченности растений - гидротермический коэффициент, который представляет собой отношение суммы осадков к сумме температур за период вегетации, уменьшенный в десять раз. Для Белгородской области данный показатель изменяет свою величину от 1,2 в западной части до 0,9 в юго-восточной части (Природные ресурсы…, 2005).
На территории области в зависимости от изменения ГТК выделяют три агроклиматических района. Первый район (ГТК более 1,1) – западная и северо-западная части области. Этому району характерны сумма осадков – 600 мм и более и сумма температур - не более 2650С (рис. 2.1). Второму агроклиматическому району соответствует территория с ГТК 1,0 - 1,1, а сумма активных температур достигает 2700С, с годовым количеством осадков -550-600 мм. Третий агроклиматический район – территория юго-восточной части области с величиной ГТК менее 1,0, годовой суммой осадков – менее 550 мм и суммой активных температур - более 2700С (Природные ресурсы…, 2007).
Анализ климатических и агроклиматических ресурсов Белгородской области показал, что область обладает умеренно-континентальным климатом, переходным от более влажных климатов на западе к недостаточно увлажненным на юго-востоке. Климатический ресурсный потенциал области довольно высок, и в целом территория подходит для возделывания большинства сельскохозяйственных культур и получения высоких урожаев.
Кобальт
В настоящий момент в научной литературе нет достоверных данных по содержанию хрома в растениях и у разных авторов они различны. Так, по результатам исследовательских работ Н.А. Протасовой и А. П. Щербакова (2003), для зерна озимой пшеницы среднее содержание элемента составляет 2,3 мг/кг в пересчете на сухое вещество, для зерна ячменя равно 6 мг/кг в пересчете на сухое вещество. По данным ряда исследовательских работ О.А. Соколова и др. (2008), содержание хрома в зерне варьирует в диапазоне от 0,16 до 0,71 мг/кг. По результатам исследований Ю.Е. Сает (1990), среднее содержание хрома в зерне зерновых и зернобобовых культур равняется 0,05-0,13 мг/кг сухого вещества.
По результатам локального агроэкологического мониторинга на репер-ных участках области установлено, что в среднем хром содержится в зерне озимой пшеницы в концентрации 0,48±0,02 мг/кг, в зерне ячменя его содержание составляет 0,44±0,04 мг/кг, а в корнеплодах сахарной свёклы -0,27±0,03 мг/кг. В побочной продукции изучаемых культур содержание хрома было существенно выше. В побочной продукции озимой пшеницы его содержалось в среднем 0,70±0,06, в побочной продукции ячменя - 0,60±0,13, в ботве свёклы - 0,34±0,04 мг/кг абсолютно сухого вещества (Лукин, 2011).
В наших исследованиях в растительном покрове заповедника «Белого-рье» (участок «Ямская степь») содержание хрома составляло в среднем 0,373 мг/кг абсолютно сухого вещества. Из сельскохозяйственных культур наиболее низкое содержание этого элемента отмечалось в зерне кукурузы (0,216 мг/кг), а наиболее высокое - в семенах подсолнечника (0,457 мг/кг) и зерне сои (0,42 мг/кг) (табл. 4.9).
В побочной продукции кукурузы содержание хрома было в 1,7 раза выше, чем в зерне. А в побочной продукции сои и подсолнечника хрома содержалось немного меньше, чем в основной продукции этих культур. Вынос хрома с урожаем зерна кукурузы в 5 т/га равен 0,93 г/га (при учете побочной продукции – 3,99 г/га), с зерном сои (урожайность - 1,6 т/га) – 0,58 г/га (при учете побочной продукции – 1,19 г/га), с семенами подсолнечника (урожайность - 2,0 т/га) – 0,76 г/га (при учете побочной продукции – 3,6 г/га).
Коэффициент биологического поглощения хрома изучаемыми культурами был в пределах 0,24-0,87. Для разнотравья естественного степного биоценоза величина КБП составила 0,3 (табл. 4.10). Хром является элементом, обладающим низкой интенсивностью поглощения, так как имеет величину КБП менее 1.
Коэффициенты использования запасов подвижного хрома из пахотного слоя почвы в среднем составляют: для кукурузы на зерно – 0,3%, сои – 0,09%, подсолнечника – 0,27%.
В соответствии с СанПиН 2.3.2.1078-01 содержание элемента в сельскохозяйственном сырье и пищевых продуктах не подлежит нормированию. МДУ содержания хрома для фуражного зерна, грубых и сочных кормов в наших наблюдениях превышен не был. 4.6. Никель
Сельскохозяйственные культуры классифицируются на ряд групп по степени и интенсивности накопления никеля в растительной биомассе. Так, в группу относительно низкого накопления входят такие культуры, как пшеница, рожь, ячмень, а в группу высокого накопления – овес, бобовые (Тихомиров и др., 1987). Фоновое содержание никеля обычно составляет 0,4-3,0 мг/кг сухого вещества, однако у культур, выращенных на краснозёмах, оно может увеличиваться до 200 мг/кг (Анспок, 1990). По обобщенным данным среднее содержание этого металла в зерне пшеницы составляет 0,43, в зерне кукурузы – 0,84 мг/кг сухого вещества (Сает, 1990).
На реперных объектах Белгородской области среднее содержание никеля в корнеплодах сахарной свёклы составляло 0,50±0,12 мг/кг, в ботве – 1,98±0,28 мг/кг абсолютно сухого вещества. Значения коэффициента биологического поглощения этого элемента для основной продукции сахарной свёклы (0,74) были выше, чем для побочной (0,48) (Лукин, 2011).
В наших исследованиях фоновое содержание никеля в разнотравье естественного биоценоза заповедника «Белогорье» (участок «Ямская степь») составляло 0,588 мг/кг в пересчете на абсолютно сухое вещество. Из изучаемых сельскохозяйственных культур наиболее низкое содержание никеля отмечалось в зерне кукурузы (0,63 мг/кг), а наиболее высокое – в зерне сои (5,15 мг/кг). Соя среди известных сельскохозяйственных культур занимает первое место по накоплению данного металла. Во многих работах содержание никеля в сое составляет не менее 3 мг/кг (Мальцева и др., 2007). Побочная продукция кукурузы содержала никеля в 1,75 раза ниже, чем основная, сои – в 7,4 раза, подсолнечника - в 1,4 раза (табл. 4.11).
Молибден
Основное поступление кобальта в агроэкосистемы происходит с органическими удобрениями – 2,75 г/га (72,8%) и мелиорантами – 0,93 г/га (24,6%), а с минеральными удобрениями и семенами поступает всего по 0,05 г/га (1,3%). Основные потери кобальта происходят со смытой почвой - 15 г/га (94%), с урожаем выносится всего 0,96 г/га (6%) этого металла. В итоге баланс элемента складывается с большим дефицитом (-12,12 г/га), величина интенсивности баланса составляет 23,7%.
Поступление молибдена с органическими удобрениями составляет 3,95 г/га (92,7%), с мелиорантами – 0,26 г/га (6,1%), с семенами – 0,04 г/га (0,9%), а с минеральными удобрениями – всего 0,01 г/га (0,3%). Основные потери этого металла происходят в результате смыва почвы – 4,8 г/га (86,3%), а с урожаем отчуждается в среднем 0,76 г/га (13,7%). Баланс молибдена формируется с дефицитом (-1,3 г/га), а величина интенсивности баланса составляет 76,6%.
Никель поступал в агроэкосистемы в основном с органическими удобрениями 19,2 г/га (86,5%) и с мелиорантами – 2,55 г/га (11,5%). Поступление элемента с минеральными удобрениями составляло всего 0,3 г/га (1,4%), а с семенами – 0,14 г/га (0,6%). Отчуждение никеля из агроэкосистем происходило в основном со смытой почвой 48 г/га (95,5%) и в существенно меньшем количестве – 2,25 г/га (4,5%) – с урожаем. В целом баланс никеля складывался с дефицитом (-28,06 г/га). Величина интенсивности баланса составила 44,2%.
Основным источником поступления хрома являлись органические удобрения – 16,6 г/га (81%), мелиоранты – 3,66 г/га (17,9%). Поступление металла с минеральными удобрениями составляло 0,2 г/га (1%), с семенами – 0,04 г/га (0,1%). Со смытой почвой терялось 40,3 г/га (97,8%) элемента, а с отчуждаемой продукцией – 0,92 г/га (2,2%). Баланс формировался дефицитным (-20,72 г/га), при этом интенсивность баланса составила 49,7%. ВЫВОДЫ
1. Среднее валовое содержание в пахотном слое чернозёмов выщелоченных лесостепной зоны ЦЧО цинка составляет 37,1, меди – 13,8, кобальта – 7,74, молибдена – 1,57, никеля – 24,9, хрома – 21,0 мг/кг. С увеличением глубины почвенного профиля валовое содержание цинка и меди достоверно снижается, а кобальта, молибдена, никеля и хрома не изменяется. Превышения в почве ОДК и ПДК изучаемых металлов зафиксировано не было.
2. По результатам сплошного обследования 2010-2014 гг. установлено, что 99,2% пахотных почв Белгородской области характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами цинка, 94,1% – подвижными формами кобальта и 96,8% – подвижными формами меди. За период наблюдений с 1990-1994 гг. по 2010-2014 гг. величина средневзвешенного содержания подвижных форм цинка в пахотных почвах Белгородской области снизилась с 1,44 до 0,53 мг/кг.
3. По результатам локального мониторинга установлено, что чернозёмы выщелоченные имеют среднюю обеспеченность подвижным молибденом (среднее содержание 0,2 мг/кг). Среднее содержание подвижных форм никеля и хрома в пахотном слое составляет соответственно 0,63 и 0,44 мг/кг. Содержание подвижных форм меди, кобальта, молибдена и никеля в слое 81-100 см достоверно ниже, чем в пахотном слое, а содержание цинка и хрома достоверно не изменяется. Превышения ПДК подвижных форм микроэлементов не наблюдалось.
4. Наиболее низкое среднее содержание цинка, меди, никеля, молибдена, хрома и кобальта установлено в зерне кукурузы соответственно 16,9, 2,56, 0,63, 0,321, 0,216, 0,044 мг/кг. Наиболее высоким содержанием цинка (39,1 мг/кг), меди (14,5 мг/кг) и хрома (0,457 мг/кг) характеризовались семена подсолнечника, а никеля (5,15 мг/кг) и молибдена (0,691 мг/кг) – зерно сои. В зерне сои и семенах подсолнечника среднее содержание кобальта составляло 0,14 мг/кг.
5. Коэффициенты использования кукурузой, соей и подсолнечником за пасов подвижных форм меди из пахотного слоя почвы составили 6,6 14,5, цинка – 2,6-7,7, кобальта – 0,19-0,55, молибдена – 0,22-0,58, хрома – 0,09-0,3%. Наиболее высокие КИ этих металлов отмечались у расте ний кукурузы, а наиболее низкие – у растений сои. Наиболее высокий КИ запасов подвижного никеля был характерен для сои (0,38%), а для подсолнечника и кукурузы величина КИ составляла 0,3%.
6. Коэффициент биологического поглощения изучаемыми культурами цинка был в пределах 2,9-42,2, меди – 4,36-42,0, молибдена – 1,2-13,6. Эти микроэлементы можно отнести к группе накапливаемых в расте ниях. Существенно ниже были значения данного коэффициента для никеля – 0,2-3,98, хрома – 0,24-0,87 и кобальта – 0,20-0,72. Высокой способностью накапливать никель характеризуется соя. Величина КБП никеля для зерна сои составила 3,98. Коэффициент биологического по глощения для основной продукции культур был выше, чем для побоч ной продукции (за исключением КБП кобальта соломой сои).
7. Основным источником поступления изучаемых микроэлементов в аг роэкосистемы Белгородской области служат органические удобрения. За период с 2010 по 2013 гг. средняя доза внесения органических удоб рений равнялась 3,95 т/га, и с ней в агроэкосистемы поступало 90,3% от общего количества цинка, 92,1% меди, 72,8% кобальта, 92,7% мо либдена, 86,5% никеля, 81% хрома. Величина интенсивности баланса цинка составила 98,0, меди – 111,4, кобальта – 23,7, молибдена – 76,6, никеля – 44,2, хрома – 49,7%.
