Effect of fertilizers and meliorants on the mobility of Cd, Pb, Cu and Zn in layers of leached heavy loam chernozem

Full Text

Введение

Длительное применение минеральных удобрений в современном сельском хозяйстве изменяет свойства почв, в том числе защитные, увеличивая риск загрязнения почвы, продукции и природных вод поллютантами [1–4].

Существенный вклад в увеличение уровня токсикантов в окружающей среде привносят тяжелые металлы (ТМ), которые из почвы не исчезают, а медленно мигрируют в сопредельные компоненты [4].

С удобрениями вносят различные металлы (мг/ кг): Cu (P_сд = 21.0–28.0, K_х = 0.44–18.0, N_аа = 2.0–8.8), Cd (P_сд = 0.18–1.3, K_х = 0.04–1.5, N_аа = 0.08–0.1), Pb (P_сд =1.21–15.0, K_х = 0.31–4.9, N_аа = 0.1–0.57), в известняковой муке: Cu = 6.3–15.0, Cd = 0.18–2.2, Pb =13.7–28.0 [5–7]. Также трансформируются фракции ТМ и изменяется степень их подвижности (СП) в удобренных почвах по сравнению с неудобренными [8–11]. Токсичность и подвижность ТМ в почве может усиливаться при полиэлементном загрязнении.

Однако пока недостаточно исследований по изучению изменения СП ТМ в почве при длительном совместном применении различных средств химизации [12, 13]. В этой связи возрастает ценность исследований в длительных стационарных полевых опытах с удобрениями для разработки современных экологически безопасных и эффективных агротехнологий.

Цель работы – изучение степени подвижности Cd, Pb, Cu и Zn в слоях чернозема выщелоченного под влиянием длительного применения комплекса средств химизации.

Методика исследования

Исследование провели в Мордовском НИИСХ – филиале ФАНЦ Северо-Востока на базе длительного стационарного полевого опыта, заложенного в 1972 г. Почва – чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый по классификации Добровольского [14]. Агрохимическая характеристика (слой 0–20 см) перед закладкой опыта: содержание гумуса – 8.7 ± 0.5%, рН_Н2О 6.3 ± 0.1 ед., рН_KCl 5.4 ± 0.1, H_г и S – 6.2 ± 0.3 и 32.6 ± 0.8 ммоль(экв)/100 г соответственно, V – 84 ± 2%, Р₂О₅ – 65 ± 15 и K₂О – 12 ± 38 мг/кг.

Посевная площадь делянки – 112.5 м² (7.5 × 15 м), учетная для зерновых – 75 м² (5 × 15 м), повторность трехкратная. Опыт заложен методом расщепленных делянок [15]. Блок делянок 1-го порядка: 1 – без известкования с 1972 г. (контроль), 2 – известкование по 0.5 гидролитической кислотности (г. к.). Делянки 2-го порядка: I – без удобрений с 1972 г. (контроль), II – фосфорно-калийные удобрения (Р50K80), III – РK + N30, IV – РK + N90.

Известкование проводили перед закладкой опыта в 1972 г. и в 2000 г. Минеральные удобрения вносили в соответствии со схемой опыта поделяночно, вручную: Р_сд и K_х – под основную обработку почвы, N_аа – ежегодно весной.

Последовательность культур в зернотравянопропашном севообороте: яровая пшеница (Triticum monococcum L.) – яровая пшеница (Triticum monococcum L.) + многолетние травы – многолетние травы 1-го года пользования – многолетние травы 2-го года пользования – многолетние травы 3-го года пользования – озимая пшеница (Triticum aestivum L.) – яровая пшеница (Triticum monococcum L.) – соя культурная (Glicine max (L.) Merr.) – овес посевной (Avena sativa L.), многолетние травы – кострец безостый (Bromus inermis Leyss). Агротехника культур – рекомендованная для условий Мордовии, кроме изученных факторов [16].

Почвенные пробы отбирали после уборки овса (2012 г.) с глубины 0–20 (пахотный слой) и 21–40 см (подпахотный слой) методом конверта. Лабораторные исследования, наблюдения и агрохимические анализы проводили в соответствии с общепринятыми методиками. Содержание подвижных (ПФ) и кислоторастворимых форм (КРФ) ТМ анализировали в трехкратной повторности атомно-адсорбционным методом (спектрометр “Квант”, Россия) по методике [17]. Результаты доложены в работе [18]. На их основании определяли СП металлов в почве по методике [19]. Обработку данных проводили статистическими методами по [15] и сводили в таблицы с указанием средней величины, стандартной ошибки среднего. Достоверность различий вариантов оценивали по t-критерию Стьюдента (td).

Агроклиматические условия проведения опытов были типичными для зоны неустойчивого увлажнения.

Результаты и их обсуждение

СП ТМ была различной у разных металлов и изменялась как в зависимости от слоя почвы, так и от воздействия средств химизации.

СП Cd в пахотном слое контрольной почвы без известкования оказалась практически равновеликой с его подвижностью в варианте II (РK-удобрения), а в других вариантах отмечена тенденция к увеличению подвижности металла в пахотном слое при усилении минерального питания (варианты III, IV) (табл. 1) и увеличении содержания ПФ Cd [18].

 

Таблица 1. Зависимость степени подвижности (СП) ТМ в почве при действии изученных факторов, %

Вариант	Слой почвы		Достоверность различий*
	0–20 см	21–40 см	пахотный слой	подпахотный слой
СП Cd
Без известкования
I. Контроль	19.0 ± 0.8	17.2 ± 0.5	–	I–II, I–III, II–III, II–IV
II. Р50K80	18.8 ± 0.8	15.1 ± 0.2
III. N30Р50K80	19.6 ± 0.7	19.9 ± 0.2
IV. N90Р50K80	20.4 ± 0.5	18.5 ± 0.5	пах/п-пах–I, II
Известкование 0.5 г. к.
I. Контроль	18.3 ± 0.8	19.3 ± 0.6	II–IV, III–IV	I–II, II–III, III–IV
II. Р50K80	17.5 ± 0.1	16.8 ± 0.1	пах/п-пах–IV
III. N30Р50K80	18.2 ± 0.4	18.2 ± 0.4	изв/неизв–пах–IV, п-пах–III
IV. N90Р50K80	16.4 ± 0.2	18.1 ± 0.3
СП Pb
Без известкования
I. Контроль	15.1 ± 2.6	9.98 ± 1.02	I–II, II–III, III–IV	II–III
II. Р50K80	10.2 ± 0.3	9.42 ± 0.12
III. N30Р50K80	6.94 ± 0.55	7.46 ± 0.32
IV. N90Р50K80	10.2 ± 0.8	11.9 ± 1.8
Известкование 0.5 г. к.
I. Контроль	8.11 ± 0.34	9.04 ± 0.57	I–IV, II–IV, III–IV	I–II, I–III, I–IV
II. Р50K80	6.30 ± 0.63	6.74 ± 0.39
III. N30Р50K80	6.35 ± 0.53	6.70 ± 0.37	пах/п-пах–IV, изв/неизв–пах–II, п-пах–II
IV. N90Р50K80	11.9 ± 0.7	7.27 ± 0.11
СП Cu
Без известкования
I. Контроль	3.09 ± 0.09	3.58 ± 0.04	–	I–II, I–III, III–IV
II. Р50K80	3.07 ± 0.03	2.90 ± 0.03
III. N30Р50K80	3.36 ± 0.18	2.83 ± 0.03
IV. N90Р50K80	2.75 ± 0.04	3.37 ± 0.05	пах/п-пах–I, II, IV
Известкование 0.5 г. к.
I. Контроль	3.13 ± 0.04	3.42 ± 0.09	I–III, I–IV, II–III, II–IV, III–IV	I–II, I–IV, III–IV
II. Р50K80	3.53 ± 0.05	2.93 ± 0.04
III. N30Р50K80	4.04 ± 0.02	3.18 ± 0.10	пах/п-пах– I, II, III изв/неизв–пах–III, п-пах–III, IV
IV. N90Р50K80	2.90 ± 0.07	2.99 ± 0.01
СП Zn
Без известкования
I. Контроль	5.88 ± 0.06	7.69 ± 0.11	I–II, I–III, III–IV	I–II, I–III, I–IV, II–III, II–IV, III–IV
II. Р50K80	6.27 ± 0.10	6.87 ± 0.29
III. N30Р50K80	7.38 ± 0.17	6.63 ± 0.13
IV. N90Р50K80	5.76 ± 0.13	6.63 ± 0.14	пах/п-пах–I, III, IV
Известкование 0.5 г. к.
I. Контроль	6.67 ± 0.02	6.61 ± 0.04	I–II, I–III, III–IV	I–II, I–III, I–IV II–III, II–IV, III–IV
II. Р50K80	6.43 ± 0.13	5.39 ± 0.10
III. N30Р50K80	7.73 ± 0.02	7.30 ± 0.11	пах/п-пах–II, III изв/неизв пах–I, IV п-пах– I, II, III
IV. N90Р50K80	6.81 ± 0.06	7.06 ± 0.13

*Достоверность различий: I–II – между вариантами, пах–II – в пахотном слое варианта II, п-пах–III – в подпахотном слое варианта III, пах/п-пах–IV – между слоями варианта IV, изв/неизв–пах IV – в пахотном слое варианта IV между известкованным и неизвесткованным фонами.

 

СП Cd в подпахотном слое контроля была значимо меньше, чем в пахотном. При этом содержание фосфатов было в этих слоях было одинаковым (табл. 2), а содержание ПФ Cd – меньше в подпахотном [18]. Использование РК-удобрений (вариант II) вызвало в подпахотном слое достоверное снижение СП Сd, вероятнее всего, из-за образования фосфатов металла в опыте, подобное отмечали другие авторы [13].

 

Таблица 2. Агрохимическая характеристика почвы вариантов опыта (2012 г.)

Вариант	Органическое вещество, %		рНКCl		Р2О5			K2О
	1	2	1	2	мг/кг
					1	2	1		2
Без известкования
1. Контроль	9.03 ± 0.22	9.51 ± 0.09	4.81 ± 0.003	4.77 ± 0.003	123 ± 0.9	125 ± 0.6	156 ± 3.8		136 ± 1.2
2. Р50K80	9.78 ± 0.06	9.88 ± 0.06	4.69 ± 0.06	4.57 ± 0.03	190 ± 1.00	191 ± 1.2	171 ± 1.5		161 ± 1.5
3. N30Р50K80	9.69 ± 0.25	9.75 ± 0.16	4.73 ± 0.003	4.93 ± 0.003	229 ± 3.8	210 ± 2.5	156 ± 2.9		149 ± 3.5
4. N90Р50K80	9.52 ± 0.08	8.85 ± 0.11	4.73 ± 0.003	4.69 ± 0.003	240 ± 1.5	253 ± 2.7	157 ± 2.4		149 ± 2.9
Известкование 0.5 г. к.
I. Контроль	9.45 ± 0.05	8.97 ± 0.16	5.02 ± 0.003	5.20 ± 0.01	195 ± 0.7	168 ± 0.6	184 ± 3.3		144 ± 3.2
II. Р50K80	9.39 ± 0.04	9.75 ± 0.04	5.07 ± 0.003	5.34 ± 0.003	214 ± 1.7	297 ± 1.5	237 ± 3.0		166 ± 0.6
III. N30Р50K80	9.95 ± 0.05	9.65 ± 0.14	4.87 ± 0.02	4.82 ± 0.003	308 ± 1.2	297 ± 1.3	169 ± 2.0		204 ± 2.3
IV.N90Р50K80	9.72 ± 0.10	9.01 ± 0.24	4.85 ± 0.00	4.85 ± 0.00	307 ± 2.0	288 ± 1.0	235 ± 12		176 ± 3.5

Примечание. В графе 1 – слой 0–20 см, 2 – слой 21–40 см.

 

СП Cd достоверно увеличивалась в подпахотном слое варианта III с минимальной дозой азота в составе NPK-удобрения и становилась равной в обоих слоях при практически одинаковом содержании фосфатов (табл. 2) и увеличении содержания ПФ металла в слоях [18].

При увеличении дозы азота в величинах СП металла проявлялись тенденции: в пахотном слое варианта IV – к увеличению, достигая максимума, как отмечали [13, 20], за счет высокой растворимости и подвижности соединений Cd с органическим веществом, содержание которого увеличивалось в опыте с 9.0 в контроле до 9.5% в варианте IV, в подпахотном слое – к снижению при увеличении содержания фосфатов (табл. 2) и без изменений содержания ПФ металла [18].

Таким образом, СП Cd в пахотном слое изменялась недостоверно, но имела тенденцию к увеличению до максимума в варианте IV. Она достоверно увеличивалась в подпахотном слое при внесении РK-удобрений (вариант II) и добавлении к ним низкой дозы азота (вариант III). При внесении более высокой дозы азота (вариант IV) были достоверными различия с контролем и с вариантом внесения РK-удобрений (вариант II).

Известкование по 0.5 г. к. вызвало тенденцию к снижению СП Cd в пахотном слое вариантов I, II и III, вызванную, вероятно, образованием прочных органо-минеральных соединений металла с кислотами сидерофоров злаков [10], а также увеличением содержания фосфатов (табл. 2). Внесение извести достоверно снижало СП Cd в варианте IV, где происходило увеличение содержания гумуса, фосфатов и КРФ [18].

СП металла имела тенденцию к увеличению в подпахотном слое после известкования в вариантах контроля и II, в варианте III – достоверное снижение, а в варианте IV изменений не отмечено. Тенденция к увеличению СП металла проявилась, видимо, из-за увеличения содержания ПФ металла, а к снижению – из-за увеличения содержания КРФ Cd в соответствующих вариантах, вызванное, вероятно, более значительным увеличением содержания КРФ металла, чем ПФ [18].

Значимых изменений не было выявлено при внесении удобрений после известкования по сравнению с пахотным слоем контрольного варианта. Однако СП Cd значимо увеличивалась при добавлении к РK-удобрениям низкой дозы азота (вариант III) вследствие увеличения содержания ПФ металла [18] и органического вещества, а также усиления кислотности почвы. Она достоверно снижалась до минимума при увеличении дозы азота (вариант IV) и содержания КРФ Cd [18], аналогичный результат получен авторами работы [21].

СП Cd – максимальная в подпахотном слое в контроле, достоверно снижалась при внесении РK-удобрений (вариант II) вследствие снижения содержания ПФ металла [18] и увеличения количества фосфатов (табл. 2). Она увеличивалась в вариантах при внесении NPK-удобрений (варианты III и IV) по сравнению с вариантом II (РK-удобрения), но не достигала величины в контроле. В вариантах III и IV содержание фосфатов изменялось незначительно, но увеличивалось содержание ПФ металла [18]. Усиление дозы азота в NРK-удобрениях (вариант IV) не изменяло значимо СП металла по сравнению с вариантом III. Таким образом, только РK-удобрения (вариант II) так изменяли величину СП Cd, которая затем значимо различалась с контролем и вариантами применения NPK-удобрений (варианты III и IV).

СП Pb имела в пахотном слое контроля без известкования максимальную величину среди других вариантов из-за самого низкого содержания фосфатов (табл. 2) и высокого содержания ПФ металла [18] (табл. 1). Она снижалась в варианте II (использование РK-удобрений) вследствие увеличения связей металла с органическим веществом, содержание которого увеличивалось. Также увеличивалась концентрация в почве фосфатов (табл. 2) и снижалось содержание ПФ Pb из-за связывания ими ионов металла [18]. На это указывали авторы в исследованиях на серых лесных почвах [13]. СП металла достигала минимума при внесении полного минерального удобрения с низкой дозой азота (вариант III) и значимо различалась с вариантом II вследствие увеличения содержания фосфатов (табл. 2) и минимального содержания ПФ металла [18]. СП Pb достоверно увеличивалась до уровня варианта II после увеличения дозы азота (вариант IV) из-за повышения содержания ПФ металла также до величины в варианте II [18] и при незначительном изменении содержания фосфатов. Таким образом, СП Pb при внесении минеральных удобрений значимо изменялась: в варианте II с РK-удобрениями отмечено снижение, которое продолжалось при внесении азота (вариант III), а при увеличении его дозы (вариант IV) – увеличивалась (табл. 1).

СП металла была в подпахотном слое контроля и варианта II значимо меньше, чем в пахотном слое соответствующих вариантов. Она имела тенденции: к снижению в вариантах II, III, в варианте IV – к увеличению. Значимое увеличение было отмечено при повышении дозы азота в NPK-удобрениях (вариант IV) из-за увеличения содержания ПФ металла [18] и снижения содержания органического вещества почвы (табл. 2).

Известкование вызвало тенденцию снижения СП Pb в пахотном и в подпахотном слоях контроля, вероятно, путем иммобилизации ПФ металла [22]. Оно значимо снижало СП Pb в подпахотном слое (табл. 1) при внесении РK-удобрений (вариант II) из-за более низкого содержания ПФ и более высокого содержания КРФ металла [18] и при увеличении содержания фосфатов в почве (табл. 2).

Известкование, как мощный агрохимический фактор, снижало СП металла в почве контроля, причем сильнее в пахотном слое, чем в подпахотном, но в обоих случаях это было недостоверно. Снижение СП металла усиливалось при применении РK-удобрений (вариант II) до значимых различий в обоих слоях. В других вариантах значимых различий не отмечено.

При известковании минеральные удобрения значимо снижали СП Pb по сравнению с контролем в подпахотном слое вариантов II и III, в варианте IV – в обоих слоях. Добавление к РK-удобрениям азота в низкой дозе (вариант III) не вызывало значимых изменений величины СП Pb в обоих слоях. Она значимо повышалась в пахотном слое варианта IV при увеличении дозы азота в NPK-удобрениях из-за того, что увеличивалось содержание ПФ Pb [18], на это указывали подобные исследования с высокими дозами NРK [23].

Величина СП Pb снижалась в обоих слоях во всех вариантах с удобрениями и известкованием практически до величин, меньших контроля, кроме пахотного слоя варианта IV. Такой же результат получили в работе [21], вероятно, из-за увеличения адсорбции металла на гуминовых кислотах [24], т. к. содержание органического вещества увеличивалось (табл. 2). Таким образом, разные дозы азота в составе NРK-удобрения проявили разнонаправленное действие в сравнении с контролем.

СП Cu была минимальной среди других металлов в обоих слоях почвы, видимо, из-за образования медью более прочных по сравнению с другими металлами связей с органическим веществом черноземной почвы [25, 26]. Она незначимо варьировала в пахотном слое вариантов без известкования при внесении минеральных удобрений (табл. 1). СП металла достоверно снижалась в подпахотном слое варианта II (внесение РK-удобрений), а при повышенной дозе азота (вариант IV) достоверно увеличивалась и сравнялась с контролем.

При известковании СП Cu претерпевала существенные изменения. В пахотном слое варианта II (РK-удобрения) проявлялась тенденция к ее увеличению. СП металла значимо увеличивалась при использовании NPK-удобрений с низкой дозой азота (вариант III), а при ее увеличении – достоверно снижалась (вариант IV), вероятно, из-за более низкой кислотности почвы (табл. 2). В подпахотном слое СП меди значимо снижалась при внесении РK-удобрений (вариант II) и при увеличенной дозе азота (вариант IV), когда росло содержание КРФ Cu [18] и снижалось содержание органического вещества (табл. 2). Оба слоя достоверно различались между собой в вариантах I и II в условиях без известкования и при известковании, причем в обоих случаях в варианте I СП Cu была больше в подпахотном слое, а в варианте II – в пахотном.

СП Zn значимо увеличивалась в пахотном слое в условиях без известкования при использовании РK-удобрений (вариант II) и при внесении NРK с низкой дозой азота (вариант III) (табл. 1). Вероятно, это происходило в результате повышения доступности металла вследствие минерализации органического вещества сидерофорами [7] и подкисления почвы (табл. 2). СП металла достоверно снижалась до уровня контроля при повышении дозы азота (вариант IV), подобное отмечено в работе [21]. В нашем случае было выявлено увеличение содержания КРФ Zn [18] и фосфатов (табл. 2). СП Zn значимо снижалась до минимума в подпахотном слое при внесении NPK-удобрений (вариант III и IV) по сравнению с контролем, вероятно, из-за значительного увеличения содержания фосфатов и снижения содержания ПФ Zn [18].

Известкование разнонаправленно и значимо изменяло СП Zn в слоях почвы в контроле: повышало в пахотном и снижало в подпахотном, в которых соответствующим образом изменялось содержание ПФ металла [18], в результате чего величины его СП не имели достоверного различия между слоями (табл. 1). Внесение РK-удобрений (вариант II) значимо снижало СП Zn в пахотном слое из-за образования менее подвижных форм металла с фосфатами (КРФ) [18], в том числе при известковании [11, 27, 28] (табл. 2). Добавление к РK-удобрениям низкой дозы азота (вариант III) значимо по сравнению с контролем увеличивало СП металла до максимума в опыте (табл. 1) из-за того, что увеличивалось содержание ПФ Zn [18] и усиливалась кислотность в почве варианта III (табл. 2). Увеличение дозы азота в составе NРK (вариант IV) вызвало снижение СП Zn из-за повышения содержания ПФ металла [18] и снижения содержания органического вещества в почве варианта (табл. 2).

СП Zn значимо уменьшалась в подпахотном слое с внесением РK-удобрений (вариант II) после известкования в условиях снижения содержания ПФ металла [18], увеличения содержания фосфатов, снижения содержания органического вещества и уменьшения кислотности (табл. 2). Добавление к РK-удобрениям азота в низкой дозе (вариант III) способствовало значимому росту СП Zn, связанному, вероятно, с увеличением содержания ПФ металла [18] при неизменном содержании фосфатов и снижении содержания органического вещества в почве варианта.

Увеличение дозы азота (вариант IV) вызвало тенденцию к снижению СП Zn, вероятно, из-за роста содержания КРФ металла при неизменной величине его ПФ [18], снижения содержания органического вещества почвы варианта.

Таким образом, отдельное и совместное использование мелиоранта и разных видов и доз удобрений оказывало существенное влияние на изменения СП ТМ с проявлением общих закономерностей. Например, величины СП Cd, Pb и Zn были в основном меньше при известковании, а СП Cu варьировала в условиях опыта менее значительно по сравнению с другими металлами. Удобрения на фоне известкования понижали СП Cd, а без него – увеличивали, причем вектор этих изменений в слоях часто зависел от доз азота в NРK. Фосфорно-калийные удобрения в основном снижали СП металлов, а известкование усиливало действие этих удобрений, снижая СП Cd и Zn в пахотном слое. Величины СП Pb снижались до минимума при применении РKи NРK-удобрений с низкой дозой азота в условиях известкования и без него, а с максимальной дозой азота – увеличивались. Известкование усиливало различия в величинах СП Zn между слоями в вариантах применения РK-удобрений, а при внесении азота различия значительно уменьшались.

Величины СП ТМ в условиях известкования и без него составили следующий ряд: Cd > Pb > Zn > Cu.

About the authors

S. V. Pugaev

N.V. Rudnitsky Federal Agrarian Scientific Center of the North-East

Author for correspondence.
Email: niish-mordovia@mail.ru

Mordovian Research Institute of Agriculture 

Russian Federation, ul. Michurina 5, r.p. Yalga, Saransk 430904

L. N. Prokina

N.V. Rudnitsky Federal Agrarian Scientific Center of the North-East

Email: niish-mordovia@mail.ru

Mordovian Research Institute of Agriculture  

Russian Federation, ul. Michurina 5, r.p. Yalga, Saransk 430904

References

Supplementary files