Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тяжелые металлы в агроэкосистемах: физиологическая роль, содержание, источники поступления, нормирование 8
1.1. Физиологическая роль тяжелых металлов 8
1.2. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях 15
1.2.1. Содержание тяжелых металлов в почвах 15
1.2.2. Содержание тяжелых металлов в растениях 20
1.3. Источники поступления тяжелых металлов в агроэкосистемы 24
1.4. Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях 29
1.4.1. Нормирование содержания тяжелых металлов в почве 29
1.4.2. Нормирование содержания тяжелых металлов в растениях 34
Глава 2 Условия и методы проведения исследования 37
2.1. Агроклиматическая характеристика Белгородской области 37
2.2. Почвенный покров Белгородской области 42
2.3. Материалы и методы исследования 50
Глава 3 Агроэкологическая оценка содержания тяжелых металлов в почвах 56
3.1. Свинец в почвах 57
3.2. Кадмий в почвах 63
3.3. Ртуть в почвах 68
3.4. Мышьяк в почвах 71
Глава 4 Агроэкологическая оценка содержания тяжелых металлов в растительной продукции 76
4.1. Свинец в растительной продукции 76
4.2. Кадмий в растительной продукции 80
4.3. Ртуть в растительной продукции 84
4.4. Мышьяк в растительной продукции. 87
Глава 5 Биологический круговорот тяжелых металлов в агроэкосистемах Белгородской области 90
Заключение 95
Приложения. 97
Список литературы. 116
- Физиологическая роль тяжелых металлов
- Почвенный покров Белгородской области
- Мышьяк в почвах
- Биологический круговорот тяжелых металлов в агроэкосистемах Белгородской области
Физиологическая роль тяжелых металлов
Тяжелые металлы – металлы с атомной массой 50 и более (Орлов, 1985). По мнению Ю.В. Алексеева (1987), «тяжелыми» являются металлы, у которых атомный вес превышает 40. Полный список химических элементов, относящихся к тяжелым металлам, в научной литературе обычно не приводят. В работе Д.С. Орлова, Л.К. Садовниковой и И.Н. Лозановской (2002) речь идет о 19 тяжелых элементах, среди которых рассматривается полуметалл – сурьма. В учебнике, изданном несколько позже, Д.С. Орлов с соавторами (Орлов и др., 2005) приводят перечень всего из 11 основных тяжелых металлов, в том числе свинец, кадмий и ртуть. В данных списках отсутствует тяжелый металлоид – мышьяк, который целесообразно добавить к группе тяжелых металлов, как особо токсичный элемент. В связи с высокой опасностью, металлоиды достаточно часто включают в списки тяжелых элементов. Таким образом, группа тяжелых металлов и полуметаллов насчитывает 57 элементов.
Элементы, находящиеся в тканях растений в крайне малом количестве (в сухом веществе – менее 0,0001 %), в научной литературе называют по-разному: ультрамикроэлементами или просто микроэлементами. Но наиболее часто к таким элементам применяют понятия «тяжелые металлы» или «токсичные металлы», выделяя таким образом их опасность (Шеуджен и др., 2005). Однако В.В. Ковальский, Ю.И. Раецкая и Т.И. Грачева (1971) считают, что термин «токсичный металл» следует исключить, а взамен они предлагают приводить дозу и форму соединения, при которых элемент проявляет свою токсичность. Справедливость данного мнения обусловлена тем, что почти все химические элементы в больших концентрациях могут стать крайне опасными, а потенциально опасные вещества, содержащиеся в почве, растениях, организме животных и человека в маленьких количествах, не оказывают на них негативного влияния (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Лукин, 2012).
По мнению Н.А. Улахович и др. (2008), концентрации ультрамикроэлементов в растениях столь незначительны, что их увеличение даже в десятки раз может не иметь губительных последствий, в то время как увеличение в несколько раз концентраций макроэлементов, входящих в состав растений в большом количестве, влечет перестройку организма, а иногда и полное нарушение его функций.
Традиционно считается, что свинец, кадмий, ртуть и мышьяк – это токсичные элементы, которые не выполняют никаких биологически важных функций, хотя и постоянно находятся в тканях растений, животных и человека (Минеев, 1990). Однако, по мнению А.П. Виноградова (1952), отсутствие доказательств о физиологической значимости элементов, постоянно обнаруживаемых в живых организмах, указывает лишь на химические трудности их получения. При этом, в некоторых литературных источниках (Хализев, 1934; Школьник, 1974; Микроэлементозы человека…, 1991; Kabata-Pendias, 2011; Reilly A., Reilly C., 1973) приводятся сведения о положительном действии небольших количеств тяжелых металлов на растения и организм животных и человека.
Свинец не относится к физиологически необходимым элементам и растения не страдают от его недостатка. Тем не менее появляются сведения о стимуляции низких концентраций солей свинца, в частности Pb(NO3)2, на рост растений. В некоторых научных работах подробно описано негативное воздействие данного элемента на ряд процессов, таких как митоз, фотосинтез и поглощение воды. При этом признаки свинцовой интоксикации у растений не очень специфичны (Лукин, 2016; Kabata-Pendias, 2011). Высокие концентрации данного элемента вызывают задержку проращивания семян и роста растений, в том числе корней из-за уменьшения количества в образовательной ткани делящихся клеток, а также хлороз и увядание растений. Свинец также оказывает подавляющее влияние на активность некоторых ферментов, таких как каталаза, рибонуклеаза, фосфатаза, оксидаза (Нестерова, 1989). Ионы данного металла, способные замещать ионы калия, кальция, меди, цинка и железа, часто вступают в реакции с сульфат- и фосфат-ионами и образует труднорастворимые соли в корневой системе и, в результате, вызывает у растений дефицит вышеперечисленных элементов (Черных, 1991).
В основном поступление свинца в организм человека и животных происходит через пищеварительный тракт путем потребления загрязненной воды и пищи, причем у детей и молодых животных всасывание этого элемента происходит в 3 раза интенсивнее, чем отчасти объясняется их большая чувствительность к токсическому действию свинца. В производственных условиях данный элемент может проникать в организм человека в виде паров и пыли. В норме наиболее высокие концентрации свинца наблюдаются в костной ткани, почках и печени. При отравлении свинцом чаще всего повреждаются органы кроветворения, нервная система и почки, вызывая ряд заболеваний: анемию, энцефалопатию, нейропатию и нефропатию (Микроэлементозы человека…, 1991). Кроме того, свинец способен нарушать генетический аппарат клетки и оказывать эмбриотоксическое действие (Лукин, 2016).
Кадмий не оказывает на растения биологического положительного действия, хотя и отмечается связь с белковыми фракциями растений (Иванов, 1996 б). Имеются сведения, что кадмий специфически способствует синтезу аминокислот (метионина и цистеина) в сое (Reilly A., Reilly C., 1973). Кадмий относится к токсичным элементам, и, в первую очередь, его токсичность проявляется в нарушении у растений ферментативной активности. В растениях, обработанных кадмием, отмечается подавление синтеза хлорофилла и антоци-анина (Cumakov, Neuberg, 1970; Photosynthetic activities…, 1980). Установлено также, что хлорофилл обладает способностью концентрировать кадмий в растительных тканях (Ylaranta et al., 1979), поэтому есть предложения использовать данный пигмент в качестве индикатора для определения критического уровня содержания кадмия в растениях. К видимым симптомам отравления растений кадмием относят повреждение корневой системы, отставание в росте и развитии, появление красно-бурой окраски листьев и их хлороза. Свою фитотоксичность кадмий проявляет в изменении проницаемости цитоплазматических мембран, кроме того данный элемент препятствует нормальному обмену веществ, вызывает нарушение процессов фиксации СО2 и транспирации и оказывает ингибирующее действие на фотосинтез (Лукин и др., 2004). Отмечается, что этот металл подавляет в микроорганизмах процессы, происходящие с участием ДНК, а также симбиоз микробов и растений. Известно, что кадмий существенно повышает риск развития заболеваний, связанных с грибковыми инвазиями (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Кадмий обладает канцерогенными, тератогенными и мутагенными свойствами (Лукин, 2016). Основные пути поступления кадмия в организм человека – это пищеварительный тракт и органы дыхания. Табачный дым содержит довольно высокие концентрации кадмия, причем у курильщиков до 50 % поступившего в организм металла абсорбируется в легких. Ингаляционным путем в организм человека поступает всего около 0,26 мкг кадмия в сутки, что в 10-12 раз ниже количества, поступающего из продуктов питания (Smith, 1984). Для этого токсиканта характерно длительное удержание в организме, преимущественно в печени и почках, с необычно долгим периодом полувыведения, составляющим у человека в среднем 25 лет (Москалев, 1985). Тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь итаи-итаи, характеризующаяся деформацией скелета с существенным снижением роста сильными болями в спине и ногах, появлением утиной походки, а также нарушениями функции почек, поджелудочной железы и др. (Микроэлементозы человека…, 1991).
Рт ут ь в растительном организме не исполняет никаких биологически значимых функций и считается абсолютным токсикантом. Фитотоксичность элемента в первую очередь проявляется в подавлении активности ферментов рибонуклеазы, каталазы, оксидазы и фосфатазы (Черных, Овчаренко, 2002; Дабахов и др., 2005). По мнению G.N. Mhathre и S.B. Chaphekar (1984), вредное действие ртути должно рассматриваться как результат комплексного нарушения многих метаболических процессов, в частности образования хлорофилла, фотосинтеза, газового обмена и дыхания. Ключевой реакцией, объясняющей подавление метаболических процессов в организме растений, является, скорее всего, сродство данного элемента с сульфгидрильными группами (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Лукин, 2016).
Наиболее частыми симптомами отравления ртутью являются ингибиро-вание фотосинтеза, отставание в росте всходов и развитии корней, в результате заметно снижается урожайность. Накопление ртути в тканях корней подавляет проникновение калия (К+) в надземные органы растений, при этом наблюдалось, что в малых содержаниях ртуть может выступать катализатором процесса потребления К+ (Heenan, Campbell, 1980).
Почвенный покров Белгородской области
Образование почв на территории Белгородской области происходило порядка 9-12 тыс. лет назад при взаимодействии природных факторов – поч-вообразующих пород, рельефа, климата, растительности, а также антропогенного фактора. При этом человек, посредством распашки целинных почв, удалении дикорастущей растительности и возделывании на ее месте культурных растений, орошении, осушении, применении удобрений и т.п., оказывает достаточное сильное на формирование почвенного покрова (Красная книга…, 2007).
Преобладающими породами, на которых сформировались почти все почвы Белгородской области, являются лессовидные суглинки и глины, достигающие 2202,6 тыс. га (рис. 2.2). При этом большинство почв восточной части области было образовано на породах тяжелого гранулометрического состава, где количество физической глины достигало 60-80 %, т.е. лессовидных и третичных глинах. На западе региона преобладают более легкие лессовидные суглинки и лёссы с 40 % физической глины (Хижняк, 2015). В качестве почво-образующих пород на склонах часто выступают продукты разрушения (элювий) мела, на днищах балок – аллювиально-делювиальные отложения, в поймах рек – современные аллювиальные отложения (Лукин, 2016).
Территорию Белгородской области условно делят на три почвенные провинции:
1 – Украинская лесостепная провинция (Западный почвенный округ), занимающая порядка 25 % территории области,
2 – Среднерусская лесостепная провинция (Центральный почвенный округ) – 49 % площади региона,
3 – Среднерусская степная провинция (Юго-восточный почвенный округ), расположенная на 26 % территории (Соловиченко, 2005).
Белгородская область занимает южные склоны Среднерусской возвышенности и расположена в двух зонах: лесостепной (75 % территории области) и степной (25 %), растительный покров которых представлен преимущественно травяным и лесным сообществом. Под травянистой растительностью сформировались преобладающие в области (77,1 % от общей площади) наиболее плодородные почвы – черноземы, под лесной древесной растительностью – серые и темно-серые лесные почвы. В лесостепной зоне преобладают типичные и выщелоченные черноземы, значительно меньше серых лесных, темно-серых лесных и других почв (рис. 2.3). В степной зоне, занимающей более засушливую юго-восточную часть области, почвенный покров представлен черноземами обыкновенными, среди них небольшими участками встречаются черноземы остаточно-карбонатные и др. (Лукин, 2016).
Самые распространенные почвы региона (36,1 % площади области) – черноземы типичные, среди которых преобладают мало- и среднегумусные легкоглинистые и тяжелосуглинистые (Красная книга…, 2007; Лукин, 2016). Типичные черноземы обладают мощным почвенным профилем. Богатый микро- и мезофауной верхний гумусового горизонт (А) имеет черную окраску и хорошо выраженную зернистую структуру. С глубиной гумусовая окраска ослабевает и в горизонте AB(са) появляется буроватый оттенок. Отличительной чертой типичных черноземов является слияние нижней части гумусового и верхней части карбонатного горизонтов; в горизонте Bca появляются карбонатные новообразования (плесень, псевдомицелий). Горизонт Вса постепенно через горизонт ВСса переходит в почвообразующую породу. Типичные черноземы характеризуются высоким содержанием (5,0-6,0 %) и запасами (420-530 т/га) гумуса и его равномерным снижением с глубиной. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты, за пределами гумусового горизонта – фуль-ватные кислоты. Для данных почв характерна нейтральная реакция среды в верхнем горизонте, в карбонатном горизонте – слабощелочная реакция. Благодаря прекрасной водопрочной структуре в почвах создается оптимальный водно-воздушный режим (Национальный атлас почв…, 2011).
Выщелоченные черноземы занимают второе место в области по распространению и составляют 23,3 % от общей площади региона (Красная книга…, 2007; Лукин, 2016). Их профиль состоит из гумусово-аккумуляционного горизонта А, переходного горизонта АВ, выщелоченного карбонатного горизонта В, иллювиально-карбонатного горизонта ВСса и горизонта Сса. Почвенные профили выщелоченных и типичных черноземов очень похожи, главным их отличием является присутствие в выщелоченных черноземах карбонатных вкраплений или прожилок, начинающихся в нижней части горизонта вмыва-ния. Содержание гумуса в верхнем горизонте выщелоченных черноземов изменяется от 4,5 до 6,5%, а запасы органического вещества в метровой толще составляют 500 т/га. Кислотность верхнего почвенного горизонта близка к нейтральной. Реакция среды в гумусовом горизонте слабокислая (рН 5,5–6,1), в нижней части профиля она становится нейтральной или слабощелочной (Национальный атлас почв…, 2011).
Среди почв Белгородской области типичные и выщелоченные черноземы наиболее схожи по свойствам и строению и обладают наибольшими запасами гумуса, что делает их самыми плодородными почвами области. Значительно ниже запасы гумуса в обыкновенных и оподзоленных черноземах, но самые низкие – в остаточно-карбонатных черноземах.
Обыкновенные черноземы распространены в Белгородской области на юго-востоке и занимают 11,8 % ее территории (Лукин, 2016). Характерными отличительными признаками обыкновенных черноземов являются: наличие в гумусовом слое карбонатов, часто представленных конкрециями – белоглазкой, журавчиками; на поверхности почвы наблюдается слабощелочная реакция среды и среднее содержание органического вещества 6,4-6,9 %; с глубиной рН почвы меняется на щелочную и отмечается закономерное снижение содержания гумуса. У обыкновенных черноземов существенно меньше мощность гумусового горизонта (от 55 до 60 см). Запасы органического вещества в метровой толще соответствуют 390-433 т/га (Красная книга…, 2007). Оподзоленные черноземы в виде небольших участков разбросаны по всей области и занимают в сумме всего 1,6 % её площади. Для оподзоленных черноземов, в отличие от выщелоченных, характерны ясно выраженная освет-ленность нижней части гумусового горизонта за счет белесой присыпки на поверхности структурных отдельностей (зерна кварца и полевых шпатов) и отсутствие карбонатных солей в почвенном профиле (Лукин, 2016). Средняя мощность гумусового горизонта оподзоленных черноземов составляет 63-67 см, содержание гумуса – от 3 %. Запасы гумуса в метровой толще 355-420 т/га. В оподзоленных черноземах реакция среды в верхнем горизонте близка к нейтральной.
На выходах меловых отложений сформировались черноземы остаточно-карбонатные, составляющие 1,3 % всех почв области. Для них свойственно наличие щебенки мела в почвенной массе и укороченность почвенного профиля – всего 40-60 см. Наличие высокого содержания карбонатов кальция во всех почвенных горизонтах обусловливает щелочную реакцию среды данных почв. Среднее содержание гумуса в остаточно-карбонатных черноземах находится в пределах 3,5-5,6 %, запасы органического вещества в одном метре почвы соответствуют 300-350 т/га (Красная книга…, 2007). Данные почвы, также как и солонцеватые черноземы, имеют наиболее неблагоприятные агрофизические свойства.
Черноземы солонцеватые (2,5 % площади области) сформировались небольшими массивами среди черноземов на выходах более древних покровных глин. Характерным признаком солонцеватых черноземов является наличие солонцового горизонта, глубина его залегания может быть выше или ниже 30 см. Наличие натрия вызывает процесс вымывания органического вещества с верхнего горизонта, где его содержание изменяется от 4,7 до 5,7 %. На поверхности солонцеватых черноземов наблюдается слабощелочная реакция, с глубиной щелочность увеличивается (Красная книга…, 2007; Лукин, 2016).
Для продуктивного возделывания большого количества с/х культур подходят широко распространенные в области серые лесные почвы и темно-серые лесные. В почвенном профиле лесных почв четко определяются материнская порода, гумусово-элювиальный (вымывания) и иллювиальный (вмывания) горизонты. Почвы характеризуются слабокислой реакцией среды, обилием кремнезёма, распылённостью структуры пахотного слоя и плохими водно-физическими свойствами. Мощность гумусового горизонта в серых лесных почвах составляет всего 50-60 см, содержание гумуса – 3,0-5,4 % (Красная книга…, 2007; Лукин, 2016).
Неоднородность условий почвообразования на территории области привела к формированию различных типов почв. На пойменных террасах речных долин распространены пойменно-луговые почвы, сформировавшиеся за счет переработки речных отложений, накопившихся на днищах долин во время половодий. На склонах балок и приречных уступах рек сформировались балочные почвы. Встречаются в области пятна солодей, солонцов и солончаков. Причина засоления почв заключается в близком залегании у поверхности со-леносных пород, грунтовых вод, богатых минеральными солями (Красная книга…, 2007).
Большая часть территории Белгородской области находится в сельскохозяйственном использовании – около 80 %, из которых 61 % отводится под пашню. В структуре пахотных почв Белгородской области преобладают черноземы типичные (44,8 %), доля черноземов выщелоченных и обыкновенных составляет соответственно 25,7 и 13,0 %. Серые лесные почвы занимают 6,2 % пашни. На долю черноземов солонцеватых, оподзоленных, остаточно-карбонатных и других почв приходится 10,3 % площади пашни (Состояние окружающей среды…, 2007; Соловиченко, Уваров, 2010).
Природное плодородие почв Белгородской области позволяет использовать их для возделывания высокоценных зерновых, технических и масличных культур. Однако интенсивное использование почв вызывает ряд негативных процессов: эрозия, дегумификация, подкисление, деградация структуры, переуплотнение.
Мышьяк в почвах
В ходе нашего исследования на территории Белгородской области были заложены и проанализированы почвенные разрезы двух подтипов чернозема: типичного лесостепной зоны и обыкновенного степной зоны. Более низкие концентрации данного элемента характерны для чернозема лесостепной зоны: в горизонте Апах содержится от 3,16 до 5,84 мг/кг мышьяка, горизонте А – от 2,35 до 5,98, горизонте АВ – от 3,03 до 6,37, горизонте ВСа – от 3,50 до 6,80, горизонте ВССа – от 3,71 до 7,37, горизонте ССа – от 3,43 до 8,12 мг/кг (табл. 3.12). В пахотном горизонте чернозема обыкновенного содержание мышьяка колеблется в пределах 4,10-7,13 мг/кг, горизонте А – 4,52-6,47, горизонте АВ – 4,82-6,94, горизонте ВСа – 4,79-7,13, горизонте ВССа – 4,31-7,18, горизонте ССа – 5,04-7,95 мг/кг.
Максимальные количества мышьяка, в отличие от свинца, кадмия и ртути, обнаруживаются в нижней части почвенного профиля, поскольку для него не характерна биофильная аккумуляция. В результате наблюдается зависимость: чем больше глубина почвенного профиля, тем выше концентрация мышьяка в почве.
Выявленная закономерность увеличения содержания мышьяка с глубиной подтверждается результатами локального агроэкологического мониторинга (табл. 3.13). Рассматривая почвенный разрез реперных участков, становится очевидным, что самое большое количество данного элемента сосредоточено на глубине 81-100 см (5,10 мг/кг). На глубине 61-80 см мышьяк содержится в количестве 4,83 мг/кг, 41-60 см – 4,12 мг/кг, 21-40 см – 4,01 мг/кг. Минимальное содержание мышьяка в черноземах выщелоченных реперных участков Белгородской области отмечается в пахотном слое (2-20 см) и составляет 3,76 мг/кг, что на 0,42-1,72 мг/кг меньше, чем в объектах нашего исследования – черноземах типичных и обыкновенных.
В почвах участка «Ямская степь» заповедника «Белогорье», по сравнению с пахотными почвами, наблюдаются более низкие значения валового содержания мышьяка, которые варьируют от 3,12 до 3,65 мг/кг (табл. 3.14). Максимальные и минимальные концентрации токсиканта в этих почвах чередуются, максимумы отмечены в слоях 150-160 см (3,65 мг/кг), 80-90 см (3,47 мг/кг), 30-40 (3,40 мг/кг), минимумы – в слоях 10-20 см (3,12 мг/кг), 55-65 см (3,32 мг/кг), 105-115 см (3,37 мг/кг), но, в целом, тенденция к увеличению мышьяка вниз по профилю сохраняется.
Содержание мышьяка в различных регионах России сильно варьирует от 0,8 до 9,9 мг/кг, наибольшие его концентрации отмечены в почвах Карачаево-Черкесской республики и Свердловской области (Лукин, 2016). В черноземах Краснодарского края фоновое содержание мышьяка составляет 7,5 мг/кг, Башкортостана – 5,2 мг/кг (Ведина, 1979). По данным А.И. Обухова, Л.Л. Ефремовой (1988), Г.В. Мотузовой и др. (1989), фоновое содержание мышьяка в южных черноземах составляет 5,6 мг/кг. В аллювиально-луговой почве фоновое содержание мышьяка равно 1,4 мг/кг.
По современным оценкам западных исследователей (Kabata-Pendias, 2011), фоновое содержание мышьяка в различных почвах мира составляет 6,83 мг/кг. Следует отметить, что содержание мышьяка в почвах Белгородской области ниже приведенной концентрации и по значениям ближе к кларку, предложенному А.П. Виноградовым (1957) – 5 мг/кг. Для эколого-токсикологической оценки валового содержания мышьяка целесообразно применять утвержденные значения ОДК, разработанные для почв с различными физико-химическими свойствами. ОДК мышьяка для преобладающих в области суглинистых и глинистых почв с рН 5,5 составляет 5,0 мг/кг, а для почв с рН 5,5 – 10 мг/кг. В научной литературе отмечается, что фитотоксический эффект у растений начинает проявляться при значительно большей концентрации мышьяка в почве – 100 мг/кг. При этом загрязнение почв данным элементом более опасно на черноземных почвах, чем на кислых дерново-подзолистых, поскольку арсенаты кальция – основная форма мышьяка в черноземах – более растворимы и, как следствие, более опасны, чем арсенаты железа и алюминия, преобладающие в дерново-подзолистых почвах (Дабахов и др., 2005). В то же время в опытах некоторых исследователей установлено положительное действие мышьяка в дозе 500 мг/кг в форме арсената кальция для кукурузы, сорго, сои и хлопка; 75 мг/кг – для гороха и пшеницы; 25 мг/кг – для бобов, картофеля, гороха и пшеницы. Возможно, что положительный эффект вызывается частичной стерилизацией почвы (Stewart, Smith, 1922). Содержание мышьяка в исследуемых нами почвах не превышает вышеуказанных концентраций.
Исходя из результатов наших исследований и обследования реперных и заповедных почв, общий запас мышьяка в пахотных почвах лесостепной зоны колеблется от 11280 до 12540 г/га, а в почвах участка «Ямская степь» составляет 9360 г/га. Наибольшие запасы мышьяка характерны для почв степной зоны – 16440 г/га.
Биологический круговорот тяжелых металлов в агроэкосистемах Белгородской области
Хозяйственный баланс ТМ в агроэкосистемах Белгородской области, составляющий часть общего биологического круговорота веществ, рассчитывается путем сопоставлений количества элементов, поступающих в почву с удобрениями и семенами сельскохозяйственных культур, с их расходом на создание урожая и потерями за счет водной эрозии.
На территории Белгородской области главным источником поступления свинца, кадмия, ртути и мышьяка в агроценозы считаются органические удобрения (Селюкова, 2016 д). В значительно меньшем количестве эти элементы вносятся с применяемыми в сельскохозяйственном производстве минеральными удобрениями, мелиорантами и семенами сельскохозяйственных культур. Установлено, что систематическое применение даже высоких доз известковых и минеральных удобрений не проявляет негативного влияния на загрязнение почв тяжелыми металлами и качество сельскохозяйственной продукции. Кроме того, применение известковых материалов является, в свою очередь, наиболее эффективным и самым дешевым приемом детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами (Аканова, 2001).
В структуре применения минеральных удобрений в области преобладают аммиачная селитра и азофоска, а среди мелиорантов – дефекаты. По нашим данным, содержание свинца, кадмия, ртути и мышьяка в аммиачной селитре составляет 0,16, 0,04, 005 и 0,34 мг/кг соответственно, в азофоске – 0,24, 0,1, 0,028 и 0,94 мг/кг, в дефекатах – 3,38, 0,297, 0,0136 и 2,0 мг/кг.
Используемые на территории области органические удобрения сильно отличаются по содержанию и соотношению в них химических элементов, что является следствием особенностей кормления и содержания животных, а так же удаления и хранения органических удобрений (табл. 5.1). Например, среднее содержание азота на исходную влажность в навозных стоках (свиных) составляет в среднем 0,28 %, в навозе КРС – 0,72 %, в компостах на основе птичьего помёта – 2,84 %. Концентрация свинца в компосте соломопометном (на стандартную влажность) соответствует 1,46, навозе крупного рогатого скота – 0,96, навозных стоках – 0,13 мг/кг. Значительно меньше в органических удобрениях содержится кадмия, мышьяка и ртути. Среднее содержание кадмия в компостах, навозе и стоках составляет 0,151, 0,084 и 0,008 мг/кг, мышьяка – 0,089, 0,137 и 0,005 мг/кг соответственно. Ртуть в стоках навозных содержится в количестве 0,0011 мг/кг, в компосте соломопометном ее концентрация в 4 раза, а навозе КРС – в 6 раз выше. Для внесения с органикой 100 кг азота на 1 га пашни необходимо порядка 35,7 т/га навозных стоков, 13,9 т/га навоза КРС, 3,5 т/га компоста соломопомётного; с этими дозами органических удобрений в почву попадет соответственно: кадмия – 0,29, 1,2, 0,53 г/га, свинца – 4,6, 13,3, 5,1 г/га, ртути – 0,039, 0,092, 0,015 г/га, мышьяка – 0,18, 1,9, 0,31 г/га. Таким образом, при одинаковой по азоту дозе органических удобрений кадмия, свинца, ртути и мышьяка больше всего вносится в почву с навозом КРС.
Применение рекомендуемых доз органических удобрений в большей степени оказывает влияние на повышение содержания в почвах ртути и кадмия, при этом наименее заметно увеличивается концентрация свинца и мышьяка (Лукин, Селюкова, 2016). Например, при внесении 70 т/га стоков навозных, 20 т/га компоста соломопомётного и 40 т/га навоза КРС валовые запасы ртути в пахотном слое почвы увеличиваются, соответственно, на 0,11, 0,13 и 0,38 %, кадмия – на 0,06, 0,31, 0,35 %, в то время как свинца – всего на 0,02, 0,07, 0,10 %, мышьяка – на 0,003, 0,02, 0,05 % (табл. 5.2).
На протяжении 2010-2014 гг. на территории Белгородской области вносилось в среднем 4,82 т/га органических удобрений (в пересчете на навоз КРС), 97,9 кг д.в. минеральных удобрений и 0,39 т/га мелиорантов. С этим количеством агрохимикатов в почву поступает 4,63, 0,048, 1,32 г/га свинца, 0,40, 0,017, 0,116 г/га кадмия, 0,032, 0,004, 0,005 г/га ртути, 0,66, 0,16, 0,78 г/га мышьяка (табл. 5.3). Небольшой вклад в приходную статью баланса вносят се мена выращиваемых культур. Доля свинца, попадаемого с семенами, составляет всего 1,2 % (0,071 г/га), кадмия – 1,5 % (0,008 г/га), ртути – 2,4 % (0,001 г/га) и всего 0,1 % – мышьяка (0,003 г/га).
Основной расходной статьей баланса являются потери тяжелых металлов со смываемой почвой в результате водной эрозии. Ущерб, который эрозия наносит пахотным угодьям, как более уязвимой категории земель, приводит к безвозвратной потере пахотного слоя, уменьшению содержания гумуса, элементов питания и ухудшению агрофизических свойств пахотного слоя и, как следствие, выносу тяжелых металлов. По некоторым оценкам, ежегодно в области смывается 3235 тыс. т почвы (1,92 т/га) (Шатилов и др., 1990; Лукин, Хижняк, 2016). Таким образом, количество вымываемых тяжелых металлов с эрозионными потерями почвы составляет: для свинца – 25,2, кадмия – 0,61, ртути – 0,044, мышьяка – 7,2 г/га.
Определенное количество попавших в почву элементов используется растениями и отчуждается с хозяйственно ценной частью урожая. Однако с растениеводческой продукцией, по сравнению с эрозионными потерями, этих элементов выносится значительно меньше.
Результаты исследований показали, что для всех рассматриваемых токсичных элементов складывается отрицательный хозяйственный баланс. При этом наибольшая интенсивность баланса характерна для кадмия (65,1 %) и ртути (58,3 %). Величина интенсивности баланса свинца составила 22,3 %, мышьяка – 22,0 %.