Агрохимия, 2019, № 4, стр. 91-96

ВВЕДЕНИЕ

Разработка экологических нормативов для рационального использования почв в земледелии необходима для оценки негативных воздействий современных факторов среды, включая техногенное загрязнение. Решение проблемы находится на “стадии становления” [1]. К числу зависящих от природных и антропогенных факторов неблагоприятных изменений относят деградацию почв, негативно влияющую на плодородие и состояние агроэкосистем [2, 3]. В последние десятилетия среди антропогенных факторов особое внимание уделяют аэротехногенному загрязнению пахотных почв. На территории Сибири опасным источником загрязнения среды считается интенсивное развитие алюминиевого производства, которое способствует формированию геосистем с фторидно-алюмо-натриевым классом водной миграции (F^––AL³⁺–Na⁺), относящихся к зоне экологического риска [4, 5]. Длительные (1996–2016 гг.) мониторинговые исследования на постоянных реперных участках в импактной зоне Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ РУСАЛ) выявили не только повышение содержания фторидов в пахотных почвах, но и увеличение площади загрязнения со временем [6, 7]. Известно, что содержание фторидов негативно влияет на физико-химические свойства почв, снижает плодородие, продуктивность и качество полевых культур [6]. Решение проблем безопасного земледелия в условиях непрекращающегося техногенного загрязнения среды фторидами алюминиевого производства, преобладающими в аэровыбросах (до 50%), обусловлено как их содержанием в почве в настоящее время, так и их накоплением со временем. Оценка уровня загрязнения фторидами пахотных почв и прогноз отдаленных негативных последствий на состояние агроэкосистем в разных природно-климатических условиях практически отсутствует.

Цель работы – в микрополевом опыте путем моделирования разных уровней загрязнения водорастворимыми фторидами (по кратности к ПДК) агросерой почвы лесостепи Байкальского региона исследовать негативное воздействие фтора на ее физико-химические свойства и выявить признаки ее деградации.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в лесостепи Байкальского региона в микрополевом опыте на агросерой почве, моделируя разные уровни загрязнения водорастворимыми фторидами (ПДК). Опыт был заложен на стационаре СИФИБР СО РАН на вывезенной из зоны аэровыбросов ИркАЗа загрязненной фторидами пахотной почве. Отсутствие загрязнения на стационаре характеризует содержание в почве водорастворимых фторидов (4–5 мг/кг), соответствующее региональному фону [6]. Осенью 2009 г. после удаления почвы на экспериментальном участке в каркасах, ограничивающих площадь делянки (0.25 м²), формировали слой (40 см) загрязненной фторидами (10 ПДК) почвы, которая в опыте служила фоном. Варианты с разным уровнем загрязнения фторидами формировали внесением в слой почвы (0–25 см) химически чистой соли NaF, которую тщательно перемешивали перед помещением в каркасы. Схема опыта: 1 – фон, 2 – фон + NaF₃₀₀, 3 – фон + NaF₆₀₀, 4 – фон + NaF₉₀₀, 5 – фон + NaF₁₂₀₀. Повторность четырехкратная. Отбор проб для анализа в вариантах опыта проводили из пахотного слоя почвы в конце вегетации 2010 г.

Содержание в почвах валового (F_вал) фтора и водорастворимых (F_вод) фторидов определяли спектрофотометрическим методом [8]. Уровень загрязнения почв оценивали по содержанию водорастворимых фторидов, в соответствие с предельно допустимой концентрацией (ПДК = 10 мг/кг) [9]. Показатель степени подвижности фторидов рассчитывали как соотношение водорастворимых фторидов к валовому содержанию (СП = F_вод : F_вал, %) [10]. Физические и химические свойства почв исследовали общепринятыми методами [11, 12]. Буферность почв (Б) к NaF определяли по формуле [6]:

где C – общее содержание углерода, %; C_ГК : С_ФК – глубина гумификации; ЕКО – емкость катионного обмена, смоль(экв)/100 г; Na_обм – содержание натрия в обменной форме, смоль(экв)/100 г; СП – степень подвижности фторидов, %.

Групповой и фракционный состав гумуса определяли методом Тюрина в модификации Пономаревой–Плотниковой [11]. Содержание углерода в отдельных гранулометрических фракциях определяли на элементном анализаторе “NCHS” (“vario MICRO cube”). Зависящие от увеличения концентрации фторидов в почве показатели системы гумусовых веществ определяли по содержанию углерода в группах и фракциях гумусовых кислот [13]. Новообразование гумусовых кислот оценивали по величине соотношения С_ГК-1 : С_ФК-1, процесса полимеризации – по показателю С_ГК-2 : : С_ФК-2 [14, 15]. Зависящие от увеличения количества водорастворимых фторидов (ПДК) признаки деградации почв анализировали с учетом негативных изменений показателей физических свойств, буферности к фторидам (Б_NaF), состояния гумуса и содержания углерода во фракциях ЭПЧ.

Статистическая обработка результатов эксперимента проведена с использованием пакета программ Excel 2007 for Windows. В таблицах приведены средние арифметические величины показателей и НСР₀₅ (согласно t-критерию Стьюдента).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Техногенное загрязнение агросерых почв фторидами, которые относят к первому классу высокоопасных химических соединений [9], представляет проблему для состояния окружающей среды. В фоновом варианте опыта содержание валового фтора составляло 1090 мг/кг, водорастворимых фторидов – 102 мг/кг, что соответствовало 10 ПДК (табл. 1). Внесение в почву разных доз NaF повышало содержание водорастворимых фторидов (12, 16, 26 и 31 ПДК). Показатели степени подвижности фторидов (СП, %) соответствовали уровню загрязнения.

Негативное воздействие фторидов на химические свойства почв проявлялось в изменении почвенного поглощающего комплекса (табл. 2). В составе обменных оснований содержание кальция и магния снижалось, а натрия повышалось, что приводило к осолонцеванию, особенно в загрязненных 26 и 31 ПДК почвах. В отличие от фонового варианта загрязненная 16 ПДК почва соответствовала градации слабосолонцеватая, а загрязненные 26 и 31 ПДК почвы были солонцеватыми (соответственно 14 и 17% от ЕКО). Слабощелочная реакция почвенного раствора в загрязненных 16, 26 и 31 ПДК почвах менялась на среднещелочную. Буферность почв к фториду натрия (Б_NaF) снижалась, особенно в загрязненных 26 и 31 ПДК почвах.

Влияние увеличения содержания фторидов на физические свойства почв показано в табл. 3. Зависящее от величины ПДК изменение макроагрегатного состава почв проявлялось в снижении количества агрономически ценных структур (10–0.25 мм) при повышении содержания глыбистой фракции. В загрязненных 26 и 31 ПДК почвах коэффициент структурности (К_стр) резко снижался, а агрегатное состояние менялось на неудовлетворительное. Прочность микроструктуры в этих почвах соответствовала уровню неудовлетворительная, степень агрегированности (А_г) снижалась, а коэффициент дисперсности (К_д) повышался. В загрязненных 16 ПДК и выше почвах водопрочность агрегатов (АФИ) увеличивалась, причем изменения, связанные со слабым проникновением воды за счет плотности упаковки, не влияли на агрономическую ценность почв. Обесструктуривание почв с повышением содержания фторидов способствовало уплотнению и снижению пористости, что негативно влияло на влажность и воздухосодержание. Например, в загрязненной 31 ПДК почве плотность сложения достигала 1.39, против 1.15 г/см³ в фоновом варианте, а общая пористость была неудовлетворительной (49 против 58%).

Исследованные почвы, независимо от содержания фторидов, были среднесуглинистыми (табл. 4). В загрязненных 26 и 31 ПДК почвах отличия во фракционном составе были связаны с увеличением фракции ила (<1 мкм) до 18.7%, но снижением фракции песка (>50 мкм) до 19.5%. Однако относительное содержание углерода повышалось только во фракции ила – 27% (табл. 5). Изменения в вариантах опыта фракции пыли были менее значительными. Зависящее от загрязнения распределение углерода во фракциях соответствовало их долевому участию в формировании общего баланса углерода.

Известно, что состояние системы гумусовых веществ почв определяет гранулометрический состав. Роль отдельных фракций ЭПЧ в трансформации углерода используют для оценки направленности процессов гумификации и состояния гумуса почв в изменяющихся экологических условиях [14–17]. Изменения группового и фракционного состава гумуса почв приведены в табл. 6. Содержание углерода в группах высококонденсированных устойчивых гуминовых кислот (ГК) и менее устойчивых фульвокислот (ФК) зависели от уровня загрязнения фторидами. Несмотря на незначительные отличия в содержании общего углерода, достоверное повышение углерода в группе ГК и негидролизуемом остатке (НО) отметили только в загрязненных 26 и 31 ПДК почвах. Однако в 31 ПДК почве во фракциях ГК-1 и ГК-2 изменения были больше, чем в фоновом варианте (соответственно на 63 и 42%), а во фракции ГК-3 содержание углерода снижалось на 17%. Во фракциях ФК-1, ФК-2 и ФК-3 его содержание было меньше (соответственно 42, 35 и 20%).

Зависящая от фторидов активность трансформации гумусовых веществ была наиболее высокой в загрязненных 26 и 31 ПДК почвах. Если в группе ГК относительное содержание углерода повышалось только в стабильных фракциях ГК-1 и ГК-2, то в группе ФК изменения отмечены во всех фракциях, а наибольшее увеличение углерода было только в подвижной фракции ФК-1а (на 77%). Негативное воздействие загрязнения проявлялось и в снижении содержания углерода негидролизуемого остатка, особенно в загрязненной 31 ПДК почве.

Согласно градациям [13], во всех почвах содержание гумуса соответствовало уровню низкое. Показатель степени гумификации (С_ГК : С_общ, %) с увеличением концентрации фторидов менялся незначительно. Характеризующий тип гумуса показатель С_ГК : С_ФК в загрязненных 16, 26 и 31 ПДК почвах соответствовал фульватно-гуматному (табл. 7). Влияние повышения содержания фторидов на интенсивность новообразования гумусовых веществ (С_ГК-1 : С_ФК-1), как 1-й стадии гумификации, было слабо выражено. В то же время значительное снижение показателя С_ГК-2 : С_ФК-2 указывало на ингибирование полимеризации гумусовых структур, что способствовало снижению воздействия неблагоприятных факторов. Например, в загрязненной 31 ПДК почве снижение достигало 33% в отличии от фона. Подобные изменения отмечали и для прочно связанных с минеральной основой ГК [14, 15].

Анализ свойств почв по изменению физических и химических показателей (отклонение относительно фонового варианта, принятого за 100%) позволило выявить признаки деградации, зависящие от уровня загрязнения фторидами. Результаты экспериментальной оценки изменения показателей содержания агрономически ценных структур, буферности почв к NaF, а также углерода во фракциях ФК-1а и ила (С_<1) приведены в табл. 8. Относительно фонового варианта (10 ПДК) негативные изменения этих показателей характеризовали деградацию почв, информативные признаки которой отмечены в загрязненной 16 ПДК почве, а максимума достигали при загрязнении 26 и 31 ПДК [18].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные экологические нормативы, касающиеся рационального земледелия в условиях изменяющейся среды, включая техногенное загрязнение почв, крайне востребованы. На территории Сибири особый интерес представляет загрязнение пахотных почв фторидами, содержание которых со временем увеличивается, вследствие длительных и непрекращающихся аэровыбросов алюминиевого производства. Однако негативное воздействие усиливающегося загрязнения фторидами на свойства почв недостаточно исследовано, как и устойчивость их к деградации.

Многолетние исследования на агросерой почве, выполненные путем моделирования разных уровней загрязнения водорастворимыми фторидами (10 – фон, 12, 16, 26 и 31 ПДК), позволили оценить их негативные воздействия на физические и химические свойства. Впервые выявлено, что увеличение загрязнения фтором ухудшает агрофизическое состояние почв, которое проявляется как в снижении агрегированности и повышении дисперсности, так и в изменении гранулометрического состава. Негативные изменения химических свойств почв связаны с осолонцеванием и повышением щелочности, особенно в почвах, загрязненных 26 и 31 ПДК. Экспериментально были выявлены признаки техногенной деградации гумуса – снижение глубины гумификации и ослабление процесса полимеризации. На фоне менее существенных изменений показателей С_общ, как и углерода в группе ГК, было показано значительное увеличение содержания углерода в группе ФК и в ее отдельных фракциях. Усиление фульватной направленности процессов гумификации в результате изменения свойств почв, особенно увеличение илистой фракции, отличавшейся фульватным составом гумусовых веществ, рассматривали как показатели деградации качественного состава гумуса, которая была наиболее выражена в загрязненных 26 и 31 ПДК почвах.

Изменения зависящих от уровня загрязнения фторидами показателей: содержание агрономически ценной фракции, буферность к NaF, содержание углерода во фракции ила (С_<1), а также в ФК-1а, как наиболее информативных, были использованы для оценки деградации агросерой почвы. Экспериментально выявленные признаки деградации меньше проявлялись в загрязненной 16 ПДК почве, а в загрязненных 26 и 31 ПДК еще усиливались.

Выполненные исследования впервые показали деградацию почв, связанную с повышением загрязнения фторидами. В то же время результаты позволяют прогнозировать ухудшение возможности использования загрязненных почв в земледелии. Следовательно, длительное техногенное загрязнение агросерых почв аэровыбросами алюминиевого производства чревато неблагоприятными экологическим последствиями.