Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 2, стр. 274-279

ВВЕДЕНИЕ

Среди тяжелых металлов (ТМ) одним из самых токсичных для живых организмов и наиболее подвижным в системе почва–растение является кадмий. Этот элемент относится к классу высокоопасных веществ, все его соединения токсичны. Он всегда содержится в организме животных и растений, но его роль и необходимость для протекания биохимических процессов пока не установлены. Однако хорошо изучена фитотоксичность Сd, которая выражается в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации углекислого газа, ингибировании различных биохимических процессов. Это во многом объясняется тем, что Сd по химическим свойствам близок к Zn и может заменять его в различных ферментах, нарушая тем самым их работу [1, 2].

Содержащие Сd минералы не образуют рудных скоплений, а встречаются как спутники цинка в цинковых и полиметаллических рудах. По оценкам разных ученых, кларк элемента в почвах составляет от 0.41 мг/кг [2] до 0.5 мг/кг [3]. Из почвообразующих пород наиболее высокое содержание Сd характерно для глин и лессов, наименьшее – для песков и супесей [4].

К основным источникам загрязнения биосферы этим элементом относятся предприятия цветной металлургии, по производству и утилизации никель-кадмиевых аккумуляторов, тепловые электростанции, работающие на угле и мазуте. Большое количество Сd поступает в атмосферу при сжигании резины и пластмасс [1, 2]. Загрязнение почв может происходить при бесконтрольном использовании осадков сточных вод в качестве удобрений.

Учитывая высокую токсичность и подвижность соединений Сd в странах Европы, США, Канаде, ЮАР, Австралии [5], Китае [6], нормируется валовое содержание этого ТМ в почвах. В России для нормирования валового содержания Сd в почвах установлены уровни ориентировочно-допустимых концентраций (ОДК). Для тяжелосуглинистых почв с рН_KCl менее 5.5 ОДК Сd составляет 1.0, а для почв с рН_KCl более 5.5–2.0 мг/кг. ОДК для песчаных и супесчаных почв с рН_KCl менее 5.5 установлена на уровне 0.5 мг/кг, что соответствует кларку этого элемента [7]. Предельно допустимая концентрация (ПДК) подвижных форм этого ТМ в почвах российскими нормативами не установлена, что создает большие трудности для корректной экологической оценки загрязнения земель сельскохозяйственного назначения. Поскольку большое количество этого элемента в организм человека поступает с продуктами питания, нормируется его содержание в пищевых продуктах и кормах для животных [8, 9].

Учитывая высокую токсичность Сd, программой государственного агроэкологического мониторинга предусмотрено определение его содержания в основных компонентах агроэкосистем [10].

Цель работы – провести экологическую оценку содержания кадмия в пахотных почвах, удобрениях и растениеводческой продукции.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные исследования проводились в 2016–2022 гг. в лесостепной зоне Белгородской области, расположенной на юго-западе Центрально-Черноземного района (ЦЧР). Самыми распространенными почвами в этой зоне являются черноземы выщелоченные и типичные. В качестве фонового объекта был выбран целинный участок “Ямская степь” государственного заповедника “Белогорье”, где были отобраны образцы чернозема выщелоченного. На пахотных черноземах выщелоченных лесостепной зоны было заложено 20 реперных участков. Отбор почвенных проб проводился в соответствии с общепринятой в агрохимической службе методикой [11].

В пахотных черноземах выщелоченных среднее содержание в слое 0–20 см физической глины составляло 56.8%, органического вещества по Тюрину – 5.6%, рН_KCl – 5.3, а в целинной почве – соответственно 56.4, 9.7 и 5.3%. В черноземе типичном придорожной экосистемы (слой 0–20 см) среднее содержание физической глины составляло 55.2%, органического вещества – 5.3%, рН_KCl – 5.6.

Содержание Сd в образцах почвы, растениеводческой продукциии удобрений определялось методом атомно-эмиссионной спектрометрии на приборе ICPE-9000 “Shimadzu” по общепринятым в агрохимической службе методикам [12]. Для извлечения из почвы валового Сd использовали 5М HNO₃, подвижных форм этого элемента – ацетатно-аммонийный буферный (ААБ) раствор с рН 4.8. Все химические анализы были выполнены в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ ЦАС “Белгородский”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Кадмий в почвах. Фоновый уровень валового содержания Сd в верхней части (10–20 см) гумусово-аккумулятивного горизонта (А) целинного чернозема выщелоченного участка “Ямская степь” заповедника “Белогорье” составляет 0.33, а концентрация подвижных форм этого элемента – 0.07 мг/кг (21.2% от валового содержания).

В пахотном черноземе выщелоченном (слой 0–20 см) среднее валовое содержание Сd составляет 0.32, концентрация подвижных форм – 0.08 мг/кг (25% от валового содержания), что практически соответствует величинам данных параметров в фоновой почве. Содержание этого элемента в слоях 0–20 и 21–40 см пахотной почвы достоверно не различалось (рис. 1). Общие запасы Сd в пахотном слое почв (массой 3000 т/га) оцениваются в 0.96 кг/га, подвижных форм – 0.24 кг/га.

В Липецкой области в целинных черноземах оподзоленном и выщелоченном (горизонт А) среднее содержание подвижных форм Сd составляет соответственно 0.06 и 0.04 мг/кг, а в пахотных аналогах этих почв – 0.04 и 0.03–0.08 мг/кг [13]. В пахотных черноземах Саратовской области содержание подвижного Сd составляет 0.03–0.07 мг/кг [1].

Многочисленные результаты исследований свидетельствуют о загрязнении почв придорожных экосистем Сd в результате изнашивания автомобильных шин [1, 14]. Основными факторами, определяющими уровень загрязнения почв, являются: особенности рельефа местности, интенсивность движения автотранспорта и длительность воздействия на экосистему. Результаты наших исследований по изучению содержания Сd в черноземе типичном придорожной экосистемы свидетельствуют, что наиболее высокое валовое содержание (1.22 мг/кг) и концентрация подвижных форм Сd (0.42 мг/кг) в слое почвы 0–20 см наблюдаются на расстоянии 5 м от автомобильного полотна. С увеличением расстояния до 60 м содержание Сd линейно снижается до уровня незагрязненной почвы (рис. 2).

Данная закономерность с высокой точностью описывается следующими математическими моделями:

где Сd(вал.) – валовое содержание Сd (мг/кг), Сd (подв.) – содержание подвижных форм Сd (мг/кг), x – расстояние от автополотна (м).

Превышения уровня ОДК валового Сd в почвах (2 мг/кг) зафиксировано не было. Кроме того, придорожные полосы федеральных автомагистралей, таких как М2, обычно заняты естественной растительностью и лесополосами, поэтому в сельскохозяйственном производстве не используются.

Кадмий в удобрениях и мелиорантах. В некоторых зарубежных странах, в частности Австралии и Китае, содержащийся в фосфорных удобрениях Сd является существенным источником загрязнения почв [15]. Отечественное рудное сырье, используемое для производства фосфорных удобрений, является одним из самых качественных в мире и характеризуется достаточно низким содержанием Сd. Поэтому использование российских минеральных удобрений не следует рассматривать как важный источник загрязнения почв Сd [4]. По нашим данным, среднее содержание Сd в аммиачной селитре составляет 0.04 мг/кг, а в азофоске – 0.10 мг/кг. При средних дозах внесения минеральных удобрений 88–156 кг/га действующего вещества (д.в.), которые зафиксированы в областях ЦЧР в 2016–2020 гг., размеры поступления Сd оцениваются нами в 0.09–0.16 г/га. По оценкам других авторов, при внесении дозы минеральных удобрений 100–200 кг д.в./га размеры поступления этого элемента находятся в пределах 0.20–0.30 г/га [4].

Значимым источником поступления Сd в агроценозы являются органические удобрения. В современных агротехнологиях навоз крупного рогатого скота (КРС) и компосты соломопометные рекомендуется вносить один раз в 4–5 лет, а стоки навозные – не чаще чем один раз в 2 года. При внесении средних доз навоза КРС 40 т/га, компоста соломопометного 20 т/га, стоков навозных 70 т/га поступление Сd в почву составляет соответственно 2.40, 2.80, 0.56 г/га, что приводит к повышению валовых запасов этого металла в пахотном слое всего на 0.25, 0.29, 0.06% (табл. 1). Однако в целом по России уровень внесения органических удобрений достаточно низок. Например, средние дозы их внесения (в пересчете на навоз КРС) в областях ЦЧР в 2016–2020 гг. составляли от 0.23 т/га (Тамбовская область) до 8.83 т/га (Белгородская область), и с ними в почву поступает соответственно 0.01 и 0.53 г/га Сd.

По сравнению с традиционными органическими удобрениями, достаточно много валового Сd содержится в дефекате, широко используемом для мелиорации кислых почв. В ЦЧР средние дозы внесения этого мелиоранта составляют 8–12 т/га, а периодичность – 1 раз в 10 лет. В среднем за 2016–2020 гг. известкование в ЦЧР проводилось на сравнительно небольшой площади – 132 тыс. га/год (1.5% от посевной площади) [16]. Поэтому Сd, поступающий в произвесткованные почвы с дефекатом в количестве 3.0–3.6 г/га, не представляет серьезной опасности для загрязнения почв.

По литературным данным, среднегодовые потери Сd со смытой в результате эрозии почвой в агроэкосистемах Белгородской области оцениваются в 0.61 г/га, что превышает размеры его поступления, поэтому формируется отрицательный баланс этого элемента [17].

Кадмий в сельскохозяйственных культурах. В растениях наибольшее количество Сd содержится в корнях, существенно меньше в надземных и особенно в генеративных органах. Например, содержание Сd в побочной продукции подсолнечника и сои соответственно в 1.4 и 1.2 раза выше, чем в основной (семенах и зерне) [17].

В наших исследованиях наиболее высоким средним содержанием Сd (0.086 мг/кг) характеризуются семена подсолнечника (табл. 2). В зерне озимой пшеницы, ячменя и кукурузы достоверных различий по содержанию этого ТМ не выявлено. В среднем зерно этих культур содержало 0.037–0.042 мг/кг Сd, что более чем в два раза меньше, чем семена подсолнечника. Среди зернобобовых культур самое высокое содержание этого элемента установлено в зерне сои (0.062 мг/кг), существенно ниже была его концентрация в зерне гороха (0.034 мг/кг) и белого люпина (0.011 мг/кг). Для зерна и семян подсолнечника, используемых на пищевые цели, установлены ПДК этого металла, составляющие соответственно 0.1 и 0.2 мг/кг [8]. В наших исследованиях превышения ПДК не наблюдалось.

В многолетних бобовых травах накапливалось примерно одинаковое количество Сd 0.012–0.013 мг/кг. В целинном степном разнотравье участка “Ямская степь” среднее содержание Сd составляло 0.045 мг/кг, что более чем в 3.5 раза выше, чем в бобовых травах. Содержание Сd в кукурузном силосе в среднем составляло 0.012 мг/кг. Для оценки качества грубых и сочных кормов, корнеклубнеплодов установлен максимально допустимый уровень (МДУ) содержания Сd, равный 0.3 мг/кг [9]. Среднее содержание элемента в корнеплодах сахарной свеклы, кукурузном силосе, сене клевера и люцерны было в 23–27 раз ниже МДУ. Установленные закономерности содержания Сd в основном обусловлены биологическими особенностями изучаемых культур.

В 2016–2020 гг. в Белгородской области средняя урожайность озимой пшеницы составляла 4.89, ячменя – 3.65, кукурузы – 7.04, подсолнечника – 2.89, сои – 2.22, сена многолетних трав – 3.0, сахарной свеклы – 44.8 т/га [17], а отчуждение Сd из агроэкосистем с основной продукцией этих культур составляло соответственно 0.21, 0.14, 0.27, 0.25, 0.14, 0.04, 0.49 г/га.

В исследованиях, проведенных на территории Средней Сибири, содержание Сd в зерне яровой пшеницы находилось в пределах 0.020–0.023, сене многолетних бобовых трав – 0.028–0.110, сене естественных угодий – 0.026–0.140 мг/кг [18]. По обобщенным данным из разных стран мира, содержание Сd в зерне пшеницы находится в пределах 0.02–0.07 мг/кг [2]. Среднее содержание этого элемента в семенах подсолнечника составляет 0.14 мг/кг [1].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что в слое 0–20 см пахотного чернозема выщелоченного лесостепной зоны ЦЧР среднее валовое содержание Сd составляет 0.32, концентрация подвижных форм – 0.08 мг/кг, что соответствует фоновым значениям и существенно ниже уровня ОДК. Содержание Сd в слоях пахотной почвы 0–20 и 21–40 см было практически одинаковым. Превышение фоновых концентраций этого элемента установлено в почвах придорожных экосистем на расстоянии до 60 м от автодорожного полотна. Основное количество Сd поступает в агроэкосистемы Белгородской области с органическими удобрениями, однако это не представляет опасности для загрязнения почв и растениеводческой продукции. Из изучаемых культур минимальное количество данного элемента содержится в зерне белого люпина (0.011 мг/кг), а максимальное – в семенах подсолнечника (0.086 мг/кг). Среднее содержание Сd в зерне кукурузы, ячменя и озимой пшеницы существенно не различалось и было в пределах 0.037–0.042 мг/кг. В сене клевера и люцерны среднее содержание этого металла было практически одинаковым 0.012–0.013 мг/кг, что существенно ниже, чем в естественном разнотравье (0.045 мг/кг). В изучаемой растениеводческой продукции не выявлено превышения уровней ПДК Сd для продовольственного зерна и МДУ для кормов.