Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 2, стр. 283-288

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В ЦЧР чернозёмы обыкновенные распространены в степной зоне Белгородской и Воронежской областей. В структуре пашни они занимают 1247 тыс. га. Эти почвы сформировались примерно 9‒12 тыс. лет назад под влиянием степной растительности [12].

Исследования проводились в 2016‒2020 гг. в Ровеньском районе Белгородской области. На пахотных почвах было заложено 22 разреза чернозёма обыкновенного легкоглинистого. На особо охраняемой территории природного парка “Ровеньский” было заложено 2 разреза целинного чернозёма обыкновенного легкоглинистого и отобрано 25 образцов степного разнотравья, представленного в основном ковылем, типчаком, овсяницей и др. В пахотных почвах среднее содержание в слое 0‒25 см физической глины составляло 72.5%, С_орг по Тюрину – 3.02%, рН водной вытяжки (рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$) – 7.8, а в целинной почве – соответственно 67.0%, 3.77% и 7.1. Содержание золы в абсолютно сухом веществе растительных образцов в среднем составило 7.2%.

Химические анализы проводились в аккредитованной испытательной лаборатории. Валовое содержание элементов (экстрагент 5М HNO₃) и концентрацию их подвижных форм в почве, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным (ААБ) раствором с рН 4.8, определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Валовое содержание элементов в растениях определялось по общепринятым в агрохимической службе методикам [13].

Для оценки интенсивности биофильного накопления элементов в почвах рассчитывался коэффициент биологического поглощения (КБП), который представляет собой частное от деления количества элемента в золе растения к его валовому содержанию в пахотном слое почвы [5]. Статистическая обработка результатов локального мониторинга, проведенная с использованием программы Microsoft Excel, включала расчет доверительного интервала для средних значений ($\bar {x} \pm {{t}_{{05}}}s\bar {x}$), минимальных и максимальных значений концентрации элементов (lim), а также коэффициента вариации (V, %).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для оценки данных агроэкологического мониторинга очень важное значение имеет наличие результатов фонового мониторинга, который, как правило, проводится на почвах особо охраняемых природных территорий (ООПТ), не подверженных существенному антропогенному воздействию. По валовому содержанию в слое 0‒25 см чернозёма обыкновенного природного парка “Ровеньский” элементы образуют следующий убывающий ряд: Mn > Zn > Ni > Cr > Cu > Pb > > Co > Аs > Cd > Hg. Помимо общего содержания в почвах для большинства элементов определяют концентрацию их подвижных форм, доступных для растений. По данному показателю элементы образуют следующий ряд: Mn > Pb > Zn > Ni > Cr > > Cu > Co > Cd. В подвижной форме, от общего содержания в почве, находится больше всего Cd (8%) и меньше всего – Cu (0.5%) (табл. 1). Превышений нормативов ОДК и ПДК элементов в целинной почве не наблюдалось. Фоновое содержание подвижных форм Mn, Zn, Cu и Co по агрохимическим нормативам оценивается как низкое.

Содержание ТМ в растительном покрове конкретного региона является важным индикатором качества окружающей среды. Для более корректной оценки доступности и характеристики закономерностей транслокации элементов в системе почва‒растение определяется их содержание в степном разнотравье и рассчитывается КБП. По содержанию в степном разнотравье элементы образуют убывающий ряд: Mn > Zn > Cu > Ni > > Cr > Pb > Co > Аs > Cd > Hg. По величине КБП элементы образуют несколько иной убывающий ряд: Hg > Zn > Cu > Mn > Ni > Cr > Pb = Cd > Аs > > Co. Наиболее высокие значения КБП были установлены для элементов группы биологического накопления Hg (2.65), Zn (1.76) и Cu (1.26). Остальные элементы по величине КБП относятся к группе биологического захвата. Наиболее низкие значения КБП были характерны для Co (0.05) и As (0.07) (табл. 2).

Валовое содержание элементов во всех исследуемых образцах почвы было существенно ниже уровней ОДК или ПДК. Оценка содержания элементов с использованием кларков является широко распространенной, но достаточно приблизительной и условной. По данным различных авторов, значения кларков варьируют очень сильно. Например, кларки Mn и Cr, по оценкам А.П. Виноградова (1957) [14], составляют соответственно 850 и 200 мг/кг, а по данным Kabata-Pendias (2011) [15] – 488 и 59.5 мг/кг [14, 15]. Среднее валовое содержание Ni в почве было выше, чем кларк элемента по [15], но ниже кларка по [14], а для Pb, Со и As была характерна обратная закономерность. Среднее содержание Mn, Zn, Cu, Cr, Cd и Hg в почве было ниже кларков обоих этих авторов.

Среднее валовое содержание Со, As, Cd и Hg в пахотных почвах практически соответствовало содержанию этих элементов в фоновой почве. Среднее содержание Ni и Cr в целинной почве было немного ниже, чем в пахотной, но укладывалось в пределы варьирования данных показателей. Фоновое валовое содержание Zn, Cu и Pb было выше, чем в пахотном чернозёме обыкновенном, но также укладывалось в пределы варьирования этих параметров на пашне. Фоновая концентрация Mn была немного выше верхнего предела варьирования содержания элемента в пахотных почвах (табл. 3).

Содержание подвижных форм ТМ в пахотных чернозёмах обыкновенных было существенно ниже уровней ПДК. Средняя концентрация подвижных форм Mn, Zn, Cu и Со практически совпадала с фоновыми значениями, установленными для целинных почв, а Ni, Cr, Pb и Cd – была несколько выше (табл. 4). Более того, в соответствии с агрохимическими нормативами обеспеченность почв такими элементами, как Mn, Zn, Cu и Со, является низкой, что обусловливает необходимость использования в агротехнологиях возделывания сельскохозяйственных культур соответствующих микроудобрений [11].

ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные исследования подтверждают вывод о том, что чернозёмы обыкновенные степной зоны ЦЧР характеризуются более высоким валовым содержанием ТМ по сравнению с лесостепными подтипами чернозёмов (типичными и выщелоченными). Причина этого в том, что степные чернозёмы характеризуются более высоким содержанием физической глины и более низким выщелачиванием ТМ из пахотного слоя [5, 16]. Как правило, валовое содержание ТМ в почвах напрямую коррелирует с содержанием физической глины. Например, среднее валовое содержание Pb, Аs и Cd в пахотных чернозёмах типичных соответственно на 0.9, 1.3 и 0.12 мг/кг ниже, чем в обыкновенных [8].

Важным фактором, влияющим на содержание подвижных форм ТМ в почвах и во многом определяющим их поглощение растениями, является кислотность почв. С увеличением кислотности подвижность ТМ в почвах повышается. Чернозёмы обыкновенные степной зоны характеризуются, как правило, нейтральной реакцией среды, в отличие от лесостепных подтипов чернозёмов, для которых присуще систематическое подкисление в процессе сельскохозяйственного использования [17, 18]. Поэтому, несмотря на более высокое валовое содержание ТМ, концентрация их подвижных форм в чернозёмах степной зоны ниже, чем в чернозёмах лесостепной зоны. Например, содержание подвижных форм Mn и Со в целинном чернозёме обыкновенном соответственно в 1.33 и 2.86 раза ниже, чем в заповедном чернозёме типичном [5]. Низкое содержание подвижных форм некоторых элементов Mn, Zn, Cu, Со в почвах естественных экосистем можно считать их генетической особенностью, которая передается пахотным чернозёмам ЦЧР. Например, в Белгородской и Липецкой областях к категории низкообеспеченных по содержанию подвижных форм Mn относятся соответственно 38.6 и 19.0, Zn – 98.7 и 95.0, Со – 99.3 и 23.0% обследованных пахотных почв [5, 19].

По данным фонового мониторинга, содержание ТМ в степном разнотравье произрастающем на чернозёме обыкновенном степной зоны, как правило ниже, чем в растительном покрове ООПТ, расположенных в лесостепной зоне. Например, в ООПТ лесостепной зоны “Ямская степь”, где почвенный покров представлен в основном чернозёмами типичными, среднее содержание Zn, Cu, Со в разнотравье соответственно в 1.4, 2.32, 2.57 раза выше, чем в ООПТ природный парк “Ровеньский”, расположенном в степной зоне [7]. Данная закономерность обусловлена более низким содержанием подвижных форм ТМ в чернозёмах обыкновенных по сравнению с чернозёмами лесостепной зоны. Исследованиями подтвержден вывод о том, что содержание ТМ в чернозёмах обыкновенных не представляет опасности для получения безопасной сельскохозяйственной продукции [5, 7, 20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований установлено, что содержание изучаемых элементов в целинном чернозёме обыкновенном степной зоны ЦЧР было в пределах варьирования их концентраций в пахотных аналогах или даже ниже. Только валовое содержание Mn в целинной почве было выше верхнего предела варьирования содержания этого элемента в пахотных почвах. По среднему валовому содержанию в пахотных чернозёмах обыкновенных элементы образуют следующий убывающий ряд (мг/кг): Mn(397) > Zn(42.9) > Ni(33.1) > > Cr(23.7) > Cu(15.8) > Pb(11.2) > Co(9.51) > > Аs(5.48) > Cd(0.35) > Hg(0.023), а по среднему содержанию подвижных форм зависимость несколько другая: Mn(4.14) > Pb(0.75) > Ni(0.59) > > Zn(0.36) > Cr(0.31) > Cu(0.1) > Co(0.09) > > Cd(0.04). Превышения установленных нормативов ОДК и ПДК изучаемых элементов в исследуемых почвах не наблюдалось, поэтому нет опасности для получения экологически безопасной растениеводческой продукции. Содержание подвижных форм Mn, Zn, Cu, Со соответствует низкому уровню обеспеченности, поэтому эти элементы необходимо вносить в агроценозы с микроудобрениями для повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.