Агрохимия, 2019, № 10, стр. 52-57

ВВЕДЕНИЕ

Сапропели (донные отложения озер) – крупный резерв природных удобрений для органического земледелия, переход к которому от интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур окончательно назрел [1]. Главная ценность сапропеля состоит в количестве и качестве его органической составляющей. Однако не менее важно и то, что сапропели содержат широкий спектр микроэлементов, которые являются обязательными компонентами минерального питания растений, животных и человека. Известно, что без микроэлементов невозможно осуществление любых физиологических и биохимических процессов в живых организмах. Они необходимы для белкового, углеводного и жирового обменов, для образования ферментов, витаминов, гормонов, для обеспечения дыхательных функций. Они участвуют в биохимических процессах преобразования, переноса и накопления органических веществ в экосистемах, стимулируя деятельность почвенных микроорганизмов. Микроэлементы обладают противовирусными, противогрибковыми, антитоксическими свойствами, повышают устойчивость живых организмов к стрессовым условиям окружающей среды, обеспечивают нормальное функционирование репродуктивных органов.

Абсолютно необходимы кобальт, медь, цинк, марганец, бор, молибден, никель; в отсутствие хотя бы одного из них растительные и животные организмы развиваться не могут. В эту группу входят и так называемые “тяжелые металлы” (ТМ), атомный вес которых >40 а.е.м. Вредное воздействие этих элементов проявляется только при концентрациях больше предельно допустимых. Исключение составляют свинец, кадмий и ртуть – ТМ, любая концентрация которых выше фоновой, токсична для живых организмов. В сапропелях содержатся и многие другие микроэлементы (Cr, Be, Ba, Sr, J, Y, Zr, Ag, Tl, Sb, Sc, Li, Bi, As, F и т.п.), влияние большинства из которых на живые организмы науке еще предстоит определить.

Крупномасштабный мониторинг плодородия почв РФ на площади 44 млн га показал, что в стране преобладают пашни с недостаточным содержанием подвижных форм микроэлементов. Низкую и среднюю обеспеченность бором имеют 33.6% пахотных земель, молибденом – 79.8, цинком – 95.5, медью – 50.9, марганцем – 65.7, кобальтом – 84.7%. Пахотных земель с содержанием ТМ выше предельно допустимых норм в целом в стране немного: загрязненных медью – 3.8, никелем – 2.8, кобальтом – 1.9, свинцом – 1.7, кадмием и хромом – 0.5, цинком – 0.2% [2].

Микроэлементный состав сапропелей связан с геологическим строением местности и составом вмещающих озерную ванну пород, с составом грунтовых и поверхностных стоков в водоем, эоловым привносом элементов с водосбора. Он связан также с составом организмов, обитающих в воде и около воды и образующих после отмирания органическое вещество озерных отложений (макрофиты, водоросли разных типов, беспозвоночные животные). Большое значение имеет накопление микроэлементов на геохимических и биогеохимических барьерах, создающихся в озерах в процессе изменений окружающей среды на протяжении сотен и тысяч лет их существования. Имеют значение различные физико-химические и биохимические преобразования веществ, непрерывно происходящих в воде и донных отложениях озер.

В литературе имеются сведения о содержании микроэлементов в сапропелях РФ. Однако они имеют бессистемный характер. Как правило, определяли ограниченные и разные наборы элементов, на отдельных объектах отдельных регионов без сравнения полученных данных с таковыми в других регионах РФ, а также их различные формы (валовые, подвижные) и, главное, без привязки к определенным классификационным схемам.

Цель работы – показать характеристику важнейших видов сапропелей [3], пригодных для производства удобрений или для кольматации техногенно нарушенных земель, по содержанию наиболее значимых для этих целей микроэлементов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования была взята 51 проба отложений 8-ми видов отложений из сапропелевых месторождений Московской, Рязанской, Тверской, Вологодской, Свердловской, Воронежской, Псковской, Костромской, Тамбовской, Новосибирской, Томской, Тюменской, Челябинской, Калининградской обл. и Республики Коми.

Количество проб по видам сапропелей, пригодных для удобрительных целей, распределилось следующим образом: органический – 9, органо-силикатный – 15, органо-известковистый – 8, органо-железистый – 5, известковый – 5, глинисто-известковистый – 5, известково-железистый – 2, глинистый – 2 шт.

Определяли валовые формы следующих 15-ти микроэлементов: кадмий, молибден, никель, цинк, свинец, хром, медь, кобальт, бор, марганец, бериллий, барий, стронций, ванадий плазменно-эмиссионным методом на квантометре Labtest UF-25 (Австралия), ртуть – на приборе MAS-50 Perkin-Elmer. Результаты пересчитывали на абсолютно сухое вещество сапропеля.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты определения микроэлементов приведены в табл. 1. В них отражены средние содержания микроэлементов в каждом из видов сапропелей и диапазон их изменений в пределах вида.

В таблице 2 даны средние суммарные содержания микроэлементов и диапазон изменений их величин в сапропелях в целом, а также проведено сопоставление средних содержаний элементов в сапропелях с кларковыми для литосферы и почв мира [4–6].

Известно, что основной источник микроэлементов в ландшафтах, в том числе в осадочных породах и почвах, – продукты выветривания литосферы Земли. Продукты выветривания кислых пород (граниты, липариты) бедны никелем, кобальтом, медью, а основных пород (базальты, габбро) – обогащены этими элементами. Некоторые из микроэлементов (бор, йод, селен) могут поступать из атмосферных газов, газообразных выбросов вулканов, с метеоритными осадками [7].

Несмотря на значительные диапазоны изменений содержания всех изученных микроэлементов в каждом из видов сапропелей (табл. 1), средние показатели их содержания в целом очень близки к таковым для литосферы и почв мира (табл. 2). Так как сапропели формировались в озерах на протяжении сотен и тысяч лет, они представляют собой неотъемлемую часть развивающегося в голоцене элемента земной поверхности.

Содержание микроэлементов в отдельных видах сапропелей сильно отличается от фоновых и средних для сапропелей в целом. Например, в органических сапропелях может содержаться молибдена в 6 раз больше, чем в среднем в почвах мира, никеля – в 3–7 раз больше, цинка и хрома – в 2–4 раза, меди – в 3–5 раз, кобальта – в 3–4 раза, бора – в 2–7 раз, марганца – в 2 раза. Органо-силикатные сапропели, наиболее распространенные в природе, могут содержать молибдена, цинка и меди в 2–4 раза больше, чем в среднем почвы мира, хрома – в 2–5 раз, кобальта – в 4 раза, бора – в 2–7 раз, ванадия – в 2 раза. Органо-известковистые сапропели обогащены в 3 раза больше, чем в среднем почвы мира, молибденом, в 1–5 раза больше цинком, в 1.5–3.0 раза хромом, в 2 раза бором, в 1.5–2.0 раза марганцем. Известковые сапропели, наиболее ценные для нейтрализации почвенной кислотности, содержат хром в 1.5–2 раза больше, чем почвы мира, бор – в 1.3–5.0 раза, барий – в 2 раза, стронций – в 7–10 раз. В связи с этим можно сделать вывод, что сапропели могут служить источником обогащения почв микроэлементами.

Наибольший интерес по составу микроэлементов, в том числе биофильных (Мо, В, Со) [8], представляют органические и органо-минеральные сапропели, содержащие от 35 до 85% органического вещества. Причем эти элементы находятся в них в наиболее благоприятных для живых организмов сочетаниях и количествах, поскольку органика сапропелей образована перегнивающими растительными и животными остатками. Кроме того, органическое вещество может сорбировать микроэлементы и образовывать с ними органо-минеральные соединения, которые усваиваются значительно лучше, чем минеральные соли тех же элементов.

По нашим данным, в отложениях оз. Черное в Московской обл. коэффициент корреляции содержания молибдена валового с наличием цианобактерий очень высок (r = 0.428 для объема выборки n = 97). Довольно высок коэффициент корреляции содержания бора валового с наличием цианобактерий и диатомовых водорослей в отложениях оз. Белое в Московской обл. (соответственно r = 0.367 и 0.349 для объема выборки n = 67). Максимальное содержание меди и цинка в этих озерах найдено в некоторых разновозрастных слоях сапропелевых отложений. В накоплении этих микроэлементов основная роль, очевидно, принадлежит физико-химическим факторам, т.к. коэффициенты корреляции их содержания с биологическими показателями низкие. Известно, что цинк и медь могут осаждаться на щелочном и сероводородном барьерах. С первым, скорее всего, связан максимум цинка в атлантических слоях оз. Черное, со вторым – максимум содержания меди и цинка в суббореальных отложениях оз. Белое. С помощью метода комплексного биологического (экологического) анализа установлено, что в атлантическое время (5000–8000 лет назад) в оз. Черное стали обильно поступать грунтовые воды, богатые кальцием. Эти воды и известковистые осадки, образующиеся на дне, создали щелочной барьер для осаждения цинка. В суббореальное время (2500–5000 лет назад) в оз. Белое в связи с потеплением климата и повышением его сухости снизился уровень озера, усилился процесс перегнивания органических остатков, создались резко восстановительные условия у дна, возросло количество сероводорода в иловых отложениях и в воде. На этом сероводородном барьере происходило накопление цинка и меди.

Повышение содержания меди и цинка в верхних слоях субатлантических отложений оз. Черного может быть связано с образованием внутрикомплексных нерастворимых соединений гуминовых кислот с медью, с сорбцией меди и цинка гумусовыми веществами и гидроокислами железа и марганца [8]. По нашим данным, в этот промежуток времени вокруг озера сформировалось низинное болото, и в озеро поступали богатые гумусовыми веществами, железом и марганцем болотные воды.

Безусловно содержание ядовитых кадмия, ртути и возможно бериллия во всех видах сапропелей находится либо на уровне кларков, либо меньше их. Количество ядовитого свинца в органических и органо-силикатных сапропелях может достигать 21.7 мг/кг, в органо-известковых и известковых сапропелях – до 27.2 и 47.5 мг/кг соответственно. В нейтральной и щелочной средах свинец инертен в результате образования труднорастворимых фосфатов, карбонатов, гидроокислов, поглощения органическими и минеральными коллоидами, и только при рН < 5.5 может стать токсичным.

Скорость образования сапропелей в озерах, как правило, очень невысокая. Например, в оз. Галичское в Костромской обл., по нашим данным, за последние 4900 лет скорость осадконакопления составляла 0.3–0.4 мм в год. Учитывая, что мощность сапропелевых отложений может достигать от нескольких до 20 и более метров, загрязнение илов в результате хозяйственной деятельности человека, ставшей интенсивной лишь в последние 100, максимум – 200 лет, затрагивает только самые поверхностные слои отложений. Поэтому сапропели практически на всю глубину сапропелевой залежи – экологически чистый природный продукт.

В табл. 3 приведены требования к сапропелевым удобрениям по ГОСТ Р 54000-2010 РФ [9] и требования Евросоюза по Regulations №№ 54/2014 [10]. Показано, что естественные сапропели по содержанию всех нормируемых ТМ не выходят за пределы требований ГОСТ Р 54000-2010 даже с учетом их максимального содержания в сапропелях. Требования Евросоюза более жесткие. Для содержания никеля и хрома они представляются трудно достижимыми, т.к. предусматривают содержания этих элементов меньше кларковых. Связана эта жесткость с высоким уровнем техногенного загрязнения почв Евросоюза.

При применении сапропелевых удобрений следует учитывать региональные и локальные кларковые содержания ТМ в почвах, которые могут значительно отличатся от общемировых. Например, Белорусское Полесье, Мещерская низина Подмосковья и другие южно-таежные ландшафты (антропогенно не загрязненные) чрезвычайно бедны йодом, медью, бором, молибденом [8]. С другой стороны, высокие темпы загрязнения биосферы в последние десятилетия привели к возрастанию концентраций большинства микроэлементов в почвах европейской части юга России, к техногенной трансформации кларков почв этого региона [11]. Поэтому суммарное (совместно с фоновым) содержание тех или иных микроэлементов при внесении сапропелей в почву не должно превышать предельно допустимых норм для почв.

Следует отметить, что содержание валовых форм микроэлементов в удобрениях или в почвах отражает потенциальную возможность ингибирующего или стимулирующего воздействия их на растение. При применении сапропелей на удобрение необходимо учитывать, что доступны главным образом подвижные формы микроэлементов, и что их подвижность зависит от окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, связанных с содержанием в окружающей среде кислорода, углекислоты, сероводорода, органических кислот и других продуктов минерализации органических веществ. Степенью подвижности в значительной степени можно управлять с помощью известных агротехнических и агрохимических приемов – известкования, внесения органических удобрений, природных адсорбентов (бентонитовых глин, диатомитов, цеолитов и др.), с помощью фитомелиорантов [2].

ВЫВОДЫ

1. Сапропели – перспективный природный материал для органического земледелия. С его помощью можно восполнить дефицит жизненно-важных микроэлементов в почвах (Mo, Ni, Zn, Cr, Cu, Co, B, Mn, V), содержание валовых форм которых может быть в 2–7 раз больше кларковых для почв.

2. Содержание тяжелых металлов в естественных сапропелях всех видов, пригодных для удобрения сельскохозяйственных культур, находится в пределах норм, допустимых для сапропелевых удобрений по ГОСТ Р 54000-2010.

3. Накопление микроэлементов в сапропелях связано с составом организмов-сапропелеобразователей, с геохимическими и биогеохимическими барьерами, возникающими в озерах на разных этапах их существования, с поглощением микроэлементов органическим веществом сапропелей.

4. При использовании сапропелей на удобрение следует учитывать фоновые содержания микроэлементов в почвах и степень их подвижности в конкретных условиях применения.