CC BY
2
УДК 631.416.9(470.325) DOI: 10.24412/1029-2551-2021-4-003
МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ ЦИНКА В АГРОЦЕНОЗАХ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ
Д.В. Жуйков
Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
e-mail: oaem_agrohim_31@mail.ru
Представлены материалы сплошного агрохимического обследования почв пашни, данные локального агроэкологического мониторинга, а также результаты химического анализа сельскохозяйственных культур, возделываемых в Белгородской области. Почвенный покров представлен в основном черноземами типичными, выщелоченными и обыкновенными. Установлено снижение средневзвешенного содержания подвижного цинка в пахотных почвах с 1,40 до 0,66 мг/кг в период 19901999 гг. и его стабилизация на уровне 0,50-0,52 мг/кг в период 2000-2018 гг. Основным источником поступления микроэлемента в агроценозы служат органические удобрения. Среди бобовых культур, возделываемых в регионе, наибольшее количество элемента аккумулировалось в зерне люпина белого (43,5 мг/кг) и сои (35,6 мг/кг), а наименьшее - в зерне гороха (26,5 мг/кг). Содержание цинка в растительном покрове заповедников было в 2 раза ниже, чем в бобовых травах, возделываемых на пашне.
Ключевые слова: чернозем, степь, лесостепь, агроценоз, заповедник, цинк, люпин белый, соя, горох.
ZINC CONCENTRATION MONITORING IN AGROCOENOSIS OF THE BELGOROD REGION
D.V. Zhuykov
Belgorod State National Research University, e-mail: oaem agrohim31@mail.ru
Materials of a continuous agrochemical survey of arable soils, data of local agroecological monitoring, as well as the results of chemical analysis of agricultural crops cultivated in the Belgorod region are presented. The soil cover is mainly represented by the typical, leached and ordinary chernozems. A decrease in the weighted average content of mobile zinc in the arable soils from 1.40 to 0.66 mg/kg during 1990-1999 was established, and stabilization at the level of0.50-0.52 mg/kg during 2000-2018. Organic fertilizers are the main source of the microelement in agrocoenosis. Among the legumes cultivated in the region, the largest amount of the element was accumulated in the grain of white lupine (43.5 mg/kg) and soybeans (35.6 mg/kg), and the smallest - in the grain of peas (26.5 mg/kg). zinc concentration in herbals of natural reserve was twice less than in legumes of arable lands.
Keywords: chernozem, steppe, forest-steppe, agrocoenosis, natural reserve, zinc, white lupin, soybeans, peas.
Цинк - один из важных микроэлементов, участвующих в жизни растений, является цинк. Он входит в состав более 300 ферментов. При непосредственном участии цинка происходят белковый, углеводный и фосфорный обмены, синтез витаминов и ростовых веществ, поэтому он благоприятно влияет на растения, повышая устойчивость к засухам, бактериальным и грибковым заболеваниям [1]. Среднее содержание цинка в растениях составляет 20-60 мг/кг сухого вещества. Снижение урожайности проявляется при недостатке (менее 20 мг/кг) и высоком содержании элемента в растении (300-500 мг/кг). При дисбалансе цинка нарушаются процессы метаболизма: снижается содержание хлорофилла, подавляется процесс фотосинтеза, быстрее наступает физиологическое старение, отмечается хлороз. При больших концентрациях металла может проявляться дефицит фосфора в виде изменения окраски листьев на красновато-бурую, что служит следствием антагонистического действия между микроэлементами [2].
В Российской Федерации низкое содержание подвижных форм цинка (менее 2,0 мг/кг) выявлено на более 90% площади обследованных пахотных почв [3, 4]. Доля почв, относящихся к категории низкообеспеченных подвижными формами микроэлемента в Красноярском крае, составляет 99,8% [5], Оренбургской области - 99,0% [6], Омской области - 98% [7], Ульяновской области - 98,6% [8], Московской области - 50,9% [9]. Доля почв с низким содержанием подвижного цинка в почвах Беларуси составляет 64,7% от площади пашни [10].
В зависимости от концентрации этот элемент относят к жизненно необходимым микроэлементам и тяжелым металлам 1 класса опасности [11]. Согласно санитарным правилам и нормам СанПиН 1.2.3685-21 [12] ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) цинка дифференцирована на 3 основные почвенные ассоциации в зависимости от гранулометрического состава и степени кислотности почв. Для суглинистых и глинистых почв с
рИка < 5,5 и рИка > 5,5 ОДК цинка составляет соответственно 110 и 220 мг/кг, для песчаных и супесчаных - 55 мг/кг. Предельно допустимая концентрация (ПДК) подвижных форм цинка в почве составляет 23 мг/кг [12].
Цель исследования - проведение агроэкологи-ческого мониторинга содержания цинка в агроце-нозах Белгородской области.
Объекты и методы. Исследование содержания и закономерностей распространения цинка проводили в лесостепной (75% территории региона, преимущественно чернозем типичный) и степной (25% территории, преимущественно чернозем обыкновенный) почвенно-климатических зонах. Среднемноголет-нее значение гидротермического коэффициента снижается с 1,2 на западе области до 0,9 на юго-востоке. Посевная площадь в среднем за 2015-2018 гг. составила 1428,5 тыс. га.
Для определения содержания цинка проведена закладка почвенных разрезов: по 22 на пашне в каждой из почвенно-климатических зон и по 1 на целинном черноземе типичном (Заповедник «Белогорье», участок «Ямская степь») и обыкновенном (Природный парк «Ровеньский»). Дополнительно отбирали пробы растениеводческой продукции полевых культур (по 22 образца растений озимой пшеницы, сои, гороха, клевера, эспарцета, люцерны и 20 образцов люпина белого) и степного разнотравья заповедников (по 22 образца).
Целинный чернозем типичный (Заповедник «Белогорье», участок «Ямская степь»)
Валовое содержание цинка в почвах, растениях и органических удобрениях определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии после экстракции 5М HNO3 в соответствии с «Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства» (ЦИНАО, 1992 г.). Определение содержания подвижных форм цинка проводили атомно-абсорбционным способом после извлечения элемента ацетатно-аммо-нийным буфером (ААБ) с рН 4,8 (ГОСТ Р 50686-94). Аналитические исследования проводили в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ «Центр агрохимической службы «Белгородский».
В статистическую обработку результатов испытаний включены расчет максимальных и минимальных (lim) концентраций элемента, доверительного интервала для средних значений (x ±tes x ) и коэффициента вариации (V).
Результаты. Среднее валовое содержание (кларк) цинка в почвах мира, по разным данным, оценивается в 50 и 70 мг/кг [13, 14]. В России содержание валового цинка в почвах варьирует от 10 до 140 мг/кг, в черноземах - от 52 до 82 мг/кг [15]. На реперных участках, фоновое валовое содержание цинка в гумусово-аккумулятивном горизонте (А) целинного чернозема типичного несколько ниже, чем в обыкновенном и составляет соответственно 44,7 и 49,9 мг/кг - это в 1,16 и 1,15 раза больше, чем в материнской породе (рис. 1).
Целинный чернозем обыкновенный (Природный парк «Ровеньский»)
Валовое содержание, мг/кг Пахотный чернозем типичный
Пахотный чернозем обыкновенный
А л *пах /
Г /
а А /
Р AB /
и /
3 о BCa /
н т всСй I
Cca 1
3CI 40 50 60
Валовое содержание, мг/кг
Рис. 1. Валовое содержание цинка в профиле черноземов типичного и обыкновенного, мг/кг
В почвах, задействованных в сельскохозяйственном использовании, цинка содержится меньше. Наибольшим валовым содержанием характеризуются верхние горизонты (АШх) черноземов типичного и обыкновенного соответственно 36,5 и 42,9 мг/кг. Вниз по профилю заметно постепенное снижение содержания в горизонте Сса соответственно до 31,2 и 35,3 мг/кг, что обусловлено биогенным накоплением цинка в верхних слоях.
В Центральном Черноземье концентрация подвижных форм цинка в пахотном слое увеличивается в ряду: черноземы обыкновенные < черноземы типичные < черноземы выщелоченные. Ввиду большей окарбоначенности, утяжеления гранулометрического состава, уменьшения процессов выщелачивания и усиления биогенной аккумуляции чернозем обыкновенный переводит цинк, как и другие микроэлементы, в труднодоступные для растений формы [16].
Фоновое содержание подвижного цинка в верхних горизонтах черноземов типичного и обыкновенного находится на низком уровне (менее 2,0 мг/кг) и составляет 0,79 и 0,80 мг/кг, тем не менее это в 2 раза больше, чем в пахотных горизонтах изучаемых подтипов черноземов - 0,39 и 0,36 мг/кг (рис. 2) [17].
Концентрация подвижного цинка, извлекаемого ААБ с рН 4,8, увеличивалась в материнской породе, что вероятно обусловлено некорректным применением метода анализа в щелочной среде (в горизонтах
ВСса и Сса рНн2о > 8,1). Используемый в опытах аце-татно-аммонийный буфер с рН 4,8 извлекает цинк из состава карбонатов - по сути недоступных для растений форм микроэлементов. По этой причине дополнительно было определено содержание в почвенном профиле водорастворимого цинка. Опыт показал снижение его концентрации с глубиной. При этом фиксировали обратную корреляционную связь средней силы между рНн2о и содержанием водорастворимого цинка (г = -0,59), а между содержанием подвижного цинка, извлекаемого ААБ с рН 4,8, и значением рНН2о корреляционная связь отсутствовала.
Доля водорастворимых форм цинка в почвах очень мала и составила в среднем по почвенному профилю изучаемых черноземов 0,15% от валового содержания, а подвижного цинка, извлекаемого ААБ с рН 4,8, - 1,03%.
По результатам сплошного агрохимического обследования установлено снижение средневзвешенного содержания цинка в пахотных почвах региона с 1,40 до 0,50 мг/кг в период 1990-2009 гг., что связано с резким снижением объемов внесения органических удобрений - до 1,2 т/га посевной площади (рис. 3). Несмотря на увеличившиеся объемы внесения органических удобрений до 4,8 т/га в 2010-2014 гг. и 8,1 т/га в 2015-2018 гг., содержание подвижного цинка в почве продолжало оставаться на прежнем уровне [18].
Целинный чернозем типичный (Заповедник «Белогорье», участок «Ямская степь»)
Целинный чернозем обыкновенный (Природный парк «Ровеньский»)
Пахотный чернозем типичный
Пахотный чернозем обыкновенный
А 1 '■пах /
Г А /
о (
Р А В \
и \
3 ВСа \
о \
н ВССа \
т Сса \
0 0,2 0,4 0,6
Содержание подвижного
цинка, мг/кг
Рис. 2. Содержание подвижных форм цинка в профиле целинных и пахотных черноземов типичного и обыкновенного, мг/кг
!в »
X В
я
1,6 1,4 1,2 1,0
Ц 0,8
3 § 0,6 я
в
ч о
В
0,4 0,2 0,0
1,4
0,66
0,51
0,50
0,52
0,50
1990-1994 1995-1999 2000-2004 2005-2009 2010-2014 2015-2018 Годы обследования
Рис. 3. Динамика средневзвешенного содержания подвижных форм цинка
в пахотных почвах, мг/кг
Кроме естественных факторов в почвах агроэко-систем на подвижность цинка оказывают влияние агротехнические приемы. В результате известкования подвижность и доступность растениям цинка существенно снижается также, как и многих микроэлементов и тяжелых металлов [19, 20]. Поэтому стабилизация содержания подвижного цинка на уровне 0,500,52 мг/кг в 2000-2018 гг. в пахотных почвах области скорее всего связана со стартом в 2010 г. реализации программы известкования кислых почв на территории Белгородской области. В среднем за 2010-2014 и 2015-2018 гг. внесено 0,39 и 0,49 т/га известковых мелиорантов, в основном дефеката сахарного производства, снижающего подвижность элемента в почве. По результатам сплошного агрохимического обследования 2015-2018 гг., большинство пахотных почв (98,7%) относятся к категории с низкой обеспеченностью подвижными формами цинка.
Поступление цинка в почвы происходит от природных, промышленных, сельскохозяйственных, коммунальных и атмосферных источников, а также в результате выветривания материнских почвооб-разующих пород, однако основным источником поступления цинка в агроценозы служат органические удобрения [21-23]. Химический состав органических удобрений сильно отличается в зависимости от вида и технологии содержания животных, количества подстилки, рациона кормления, технологии удаления и хранения удобрений. Наибольшим содержанием цинка (300 мг/кг) характеризуется соломопометный компост при исходной влажности 34% (табл. 1). Однако, для внесения в почву дозы азота 100 кг/га необходимо различное количество органических удобрений: навозных стоков - 47,6 т, навоза КРС - 13,2 т, соломопометного компоста - 3,3 т. С указанными количествами органических удобрений в почву поступит цинка соответственно - 2537, 264, 990 г/га.
1. Вариационно-статистические показатели содержания цинка в органических
п X ±^5« X Цш V, %
Стоки навозные (2,22% сухого вещества)
26 53,3±7,77 22,7-88,9 36,1
Компост соломопометный (56% сухого вещества)
25 300±42,1 139-451 34,7
Навоз КРС (25% сухого вещества)
32 20,0±2,44 11,5-37,4 33,8
Д ефекат (87% сухого вещества)
18 43,8±7,54 16,6-62,7 34,6
Наиболее часто применяемые в Белгородской области минеральные удобрения содержат крайне мало цинка - 11,8 мг/кг в азофоске (16:16:16) и 0,68 мг/кг в аммиачной селитре.
Для индикации качества окружающей среды был проанализирован химический состав растительного покрова фоновых экосистем заповедника «Белого-рье» (участок «Ямская степь», лесостепная зона) и природного парка Ровеньский (степная зона), почвенный покров которых представлен целинными черноземами типичным и обыкновенным. Содержание цинка в заповедном разнотравье лесостепной и степной зон составило соответственно 8,26 и 6,06 мг/кг, что примерно в 2 раза меньше, чем в кормовых бобовых травах, возделываемых на пашне (табл. 2).
При исследовании растениеводческой продукции установлено, что в растениях озимой пшеницы, люпина белого, сои и гороха цинк в большей мере накапливался в зерне, чем в соломе. Наибольшее количество микроэлемента было сосредоточено в зерне белого люпина (43,5 мг/кг), наименьшее - в зерне гороха (26,5 мг/кг). Превышений максимально допустимого уровня (МДУ) содержания цинка (50 мг/кг) в зерне и травах (на стандартную влажность),
используемых для кормления сельскохозяйственных животных, не выявлено.
Поступление микроэлементов в растения зависит не только от их содержания в почве. Интенсивность поглощения элементов питания определяется избирательной способностью растений усваивать те или иные элементы, для количественного выражения которой используют коэффициент биологического поглощения (КБП) [24]. Наибольшими значениями КБП цинка характеризовалось зерно озимой пшеницы (35,6) и белого люпина (28,4). Листья и стебли изучаемых растений накапливали микроэлемента меньше. Наименьшее значение КБП отмечалось в
соломе гороха (1,15). Среди кормовых бобовых трав наибольший показатель КБП цинка был в эспарцете (8,71) (рис. 4).
Фоновые показатели КБП цинка разнотравьем степных биоценозов по классификации А.И. Пере-льмана относятся к группе слабого накопления (1 < КБП < 5). Значения КБП цинка зерном сельскохозяйственных культур (отчуждаемой из агроцено-зов части урожая) относятся к группе энергичного накопления (КБП > 10), что логично объясняет меньшее содержание микроэлемента в почвах пашни по сравнению с целинными.
2. Содержание цинка в абсолютно сухом веществе растениеводческой продукции _и растительном покрове заповедников_
Сельскохозяйственная культура Цинк, мг/кг
X ±^5« X Цш V, %
Озимая пшеница Зерно 28,6±1,55 23,4-34,0 11,6
Солома 10,4±0,69 8,55-13,7 14,1
Люпин белый Зерно 43,5±1,91 36,5-51,1 9,4
Солома 8,98±1,20 6,10-16,2 28,5
Соя Зерно 35,6±3,54 25,3-47,3 22,5
Солома 6,38±0,59 4,49-8,54 20,7
Горох Зерно 26,5±1,47 17,3-30,9 12,6
Солома 3,34±0,57 1,30-5,51 38,5
Клевер Сено 16,5±0,81 13,0-19,2 11,0
Эспарцет Сено 17,8±1,0 12,7-20,7 12,7
Люцерна Сено 14,0±1,82 6,88-19,8 29,3
Степное разнотравье (заповедник «Белогорье», участок «Ямская степь») Сено 8,26±0,57 5,30-9,95 15,4
Степное разнотравье (природный парк «Ровеньский») Сено 6,06±0,51 4,02-8,07 18,9
Рис. 4. Коэффициенты биологического поглощения цинка полевыми культурами
и растительным покровом заповедников
Таким образом, в распределении валового содержания цинка в профиле черноземов типичного и обыкновенного выявлена тенденция постепенного уменьшения его концентрации с глубиной. Общее содержание микроэлемента в профиле пахотных почв меньше, чем на целине, что связано с отчуждением цинка из агроценозов с товарной частью урожая сельскохозяйственных культур. Многолетний агроэко-логический мониторинг показал, что с 2000 г. не наблюдается существенного изменения средневзвешенного содержания подвижных форм цинка в пахотных почвах Белгородской области (0,50-0,52 мг/кг). По результатам агрохимического обследования 2015-2018 гг., 98,7% почв низко обеспечены доступными для растений формами микроэлемента. Фоновое содержание подвижного цинка в целинных почвах в 2 раза больше в сравнении с почвами пашни. Основным источником поступления цинка в агроценозы служат органические удобрения. Среди бобовых культур наибольшее количество элемента аккумулировалось в зерне люпина белого (43,5 мг/кг), а наименьшее - в зерне гороха (26,5 мг/кг). Содержание цинка в растительном покрове заповедников было в 2 раза ниже, чем в бобовых травах, возделываемых на пашне.
Литература
1. Битюцкий Н.П. Микроэлементы высших растений. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2011. - 368 с.
2. Ospina-Alvarez N., Glaz N., Dmowski K., Krasnod^bska-Ostr^ga B. Mobility of toxic elements in carbonate sediments from a mining area in Poland // Environ Chem Lett., 2014, Vol. 12 (3). - P. 435-441.
3. Сычев В.Г., Аристархов А.Н., Харитонова А.Ф., Толстоусов В.П., Ефимова Н.К., Бушуев Н.Н. Интенсификация продукционного процесса растений микроэлементами. Приемы управления. - М.: ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2009. - 520 с.
4. Чекмарев П.А., Лукин С.В. Динамика плодородия пахотных почв, использования удобрений и урожайности основных сельскохозяйственных культур В Центрально-Черноземных областях России // Международный сельскохозяйственный журнал, 2017, № 4. - С. 41-44.
5. Ерышова О.В., Танделов Ю.П. Содержание микроэлементов в почвах Красноярского Края // Вестник КрасГАУ, 2004, №5. - С. 79-84.
6. Дунаев В.Н., Шагеев Р.М., Фролова Е.Г., Боев В.М. Контаминация пищевых продуктов - фактор риска здоровью населения / Здоровье и безопасность жизнедеятельности молодежи: проблемы и пути решения: сборник материалов международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский государственный педагогический университет им М. Ак-муллы, 2006. - С. 183-186.
7. Красницкий В.М. Агрохимическая и экологическая характеристика почв Западной Сибири. - Омск: ОмГАУ, 2002. - 144 с.
8. Куликова А.Х., Черкасов Е.А. Микроэлементы в почвах Ульяновской области и эффективность микроэлемесодержа-щих удобрений при возделывании озимой пшеницы // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, 2014, № 4 (28). - С. 19-25.
9. Мельникова А.Д., Курганова Е.В., Пахненко Е.П. Содержание цинка в почвах Московской области // АГРОЭКОИНФО, 2012, № 2 (11). - С. 3.
10. Богдевич И.М., Ломонос О.Л. Обеспеченность пахотных и луговых почв подвижными формами цинка в зависимости от уровня интенсификации земледелия по районам Беларуси // Весщ Нацыянальнай акадэмп навук Беларусг Серыя аграрных наук, 2015, №1. -С. 43-52.
11. Ильин В.Б. К оценке массопотока тяжелых металлов в системе почва - сельскохозяйственная культура // Агрохимия, 2006, № 3. - С. 52-59.
12. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. [Электронный ресурс]. - URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102030022 (дата обращения: 15.07.2021 г.).
13. Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия, 1962, № 7. - С. 555-571.
14. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants: 4th ed. Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2011. - 505 p.
15. Жуйков Д.В. Сера и микроэлементы в агроценозах // Достижения науки и техники АПК, 2020, Т. 34, № 11. - С. 32-42.
16. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Микроэлементы (Cr, V, Ni, Mn, Zn, Cu, Co, Ti, Zr, Ga, Be, Sr, Ba, B, I, Mo) в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья - Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 2003. - 368 с.
17. Лукин С.В., Соловиченко В.Д. Результаты мониторинга плодородия почв государственного заповедника «Белогорье» // Достижения науки и техники АПК, 2008, №8. - С. 15-17.
18. Lukin S.V., Zhuikov D.V. Monitoring of the intents of manganese, zinc, and copper in soils and plants of the Central Cher-nozemic region of Russia // Eurasian Soil Science, 2021, Vol. 54, № 1, - P. 63-71.
19. Панасин В.И., Шатохин А.Ю., Рымаренко Д.А. Цинк в почвах сельскохозяйственных угодий Калининградской области // Агрохимический вестник, 2015, № 5, - С. 45-48.
20. Lukin S.V., Selyukova S.V. Ecological assessment of the content of cadmium in soils and crops in southwestern regions of the central chernozemic zone, Russia // Eurasian Soil Science, 2018, Vol. 51, № 1. - P. 1547-1553.
21. Касимов Н.С., Кошелева Н. Е., Сорокина О. И., Бажа С.Н., Гунин П.Д., Энх-Амгалан С. Эколого-геохимическое состояние почв г. Улан-Батор (Монголия) // Почвоведение, 2011, № 7. - С. 771-784.
22. Shahid M., Shukla A. K., Bhattacharyya P., Tripathi R. Micronutrients (Fe, Mn, Zn and Cu) balance under long-term application of fertilizer and manure in a tropical rice-rice system // Journal of Soils and Sediments, 2016, Vol. 16 (3). - P. 737-747.
23. Arndt J., Calabrese S., D'Alessandro W., Planer-Friedrich B. Using mosses as biomonitors to study trace element emissions and their distribution in six different volcanic areas // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2017, Vol. 343. - P. 220-232.
24. Спицын С.Ф., Томаровский А.А., Г.В. Оствальд. Поведение микроэлементов в системе почва-растения пшеницы в различных зонах Алтайского края // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2013, № 12. - С. 42-47.
