СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 86-90

Экология и биоразнообразие экосистем

УДК 635.21:632.122

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КАРТОФЕЛЯ НА ПОЧВЕ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ
ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

В.М. ЗУБКОВА, Н.В. ЗУБКОВ, Т.А. БОРИНА

В мелкоделяночных полевых опытах при внесении минеральных и органических удобрений изучали влияние загрязнения почвы Cd, Pb и Zn на урожайность и размеры поступления в почву растительных остатков у картофеля сорта Невский. По химическому составу и массе клубней, ботвы и корней определяли количество Cu, Zn, Pb, Cd, Ni и Mn, вовлекаемых в биологический круговорот, а также их отчуждение и накопление в послеуборочных остатках.

Ключевые слова: биологический круговорот элементов, тяжелые металлы, фоны удобрений, хозяйственный вынос, послеуборочные остатки.

Одно из важнейших условий при интенсивном ведении сельского хозяйства — целенаправленное управление круговоротом веществ в земледелии и создание оптимального баланса макро- и микроэлементов, поскольку его нарушение может существенно изменить биохимический состав растений и, тем самым, ухудшить качество питания животных и человека.
В природе трудно найти ландшафты, где естественная продукция и вода имели бы оптимальное соотношение всех химических элементов в строгом соответствии с требованиями живого организма. В связи с проблемой охраны окружающей среды, увеличением техногенной нагрузки на почву остро ставится вопрос о накоплении тяжелых металлов (ТМ) в цепи почва—растение—животное—человек, а также изучении санитарной роли сельскохозяйственных растений, способности отдельных их органов накапливать биогенные и небиогенные элементы, что имеет большое значение также для определения потребности культур в удобрениях, их места в севооборотах, процессах почвообразования и окультуривания почвы (1-4).
Целью настоящей работы было изучение круговорота микроэлементов при выращивании картофеля на загрязненной Cd, Pb и Zn почве.

Методика. Исследования проводили в мелкоделяночных полевых опытах (учетная площадь делянок 3 м2) с растениями картофеля сорта Невский в Муниципальном сельскохозяйственном предприятии «Новоселки» Ярославского района Ярославской области (2004-2005 годы). Почва в опытах — дерново-подзолистая среднесуглинистая со средним содержанием гумуса, высоким — подвижного фосфора и повышенным — калия, слабокислая. Исходное валовое содержание Cd, Pb и Zn в почве, определенное после кипячения в вытяжке 5 н. HNO3 и HClO4 (3:1), составило соответственно 0,40; 11,3 и 28 мг/кг при доле потенциально доступных форм, определенных в вытяжке 1 н. HNO3, 60-70 %. Искусственное загрязнение Zn, Pb и Cd создавали внесением в почву ZnSO4Ł7H2O, Pb(CH3COO)2Ł3H2O и Cd(CH3COO)2Ł2H2O из расчета соответственно 300, 200 и 5 мг/кг, что по экологическому состоянию почвы характеризуется, как чрезвычайная ситуация.

Действие тяжелых металлов изучали на фоне минеральных (N90P90K135) и органоминеральных (навоз 30 т/га + N90P90K135) удобрений.

При определении биомассы корней использовали метод, описанный в работе Ф.И. Левина (5). В расчетах условно принимали, что на картофельном поле после уборки остается приблизительно 1/3 ботвы.

Содержание тяжелых металлов в растительных и почвенных образцах измеряли общепринятым атомно-абсорбционным методом (спектрометр Ц-115М1, Россия). Результаты исследований обрабатывали методом дисперсионного анализа.

Результаты. Изучение закономерностей накопления растительных остатков при выращивании картофеля на дерново-подзолистой почве, загрязненной тяжелыми металлами, а также зависимости между массой послеуборочных остатков и урожайностью картофеля показало, что урожайность клубней при применении удобрений увеличивалась в среднем за 2 года в 2,5-2,7 раза (табл. 1). Загрязнение почвы тяжелыми металлами не оказало существенного влияния на этот показатель.

1. Урожайность клубней картофеля сорта Невский и масса послеуборочных растительных остатков на фоне удобрений и загрязнения почвы тяжелыми металлами (Ярославская обл., среднее за 2004-2005 годы)

На удобренных фонах образовывалось значительно больше ботвы и корней, хотя их доля относительно массы клубней несколько снижалась  по сравнению с вариантами без удобрений.
В норме (без загрязнения почвы) масса ботвы составляла 43-45, при загрязнении Cd, Pb и Zn — соответственно 40-44, 45-48 и 43-47 % от массы клубней; корней — соответственно 63-65, 63-67, 63-70 и 68-72 % от надземной массы, достигая 7,5-20,4 ц/га. Количество растительных остатков находилось в прямой зависимости от продуктивности растений картофеля. Внесение минеральных удобрений приводило к увеличению количества послеуборочных остатков в 2,2 раза, совместное внесение минеральных удобрений и навоза — в 2,3 раза. В составе послеуборочных остатков преобладали корни, доля которых в вариантах без загрязнения, составляла 65-66 %, при загрязнении Cd, Pb и Zn — соответственно 65-66, 65-68 и 67-68 %.
При изучении действия тяжелых металлов необходимо определить количество отчуждаемых и поступающих в почву элементов, поскольку их  соотношение чрезвычайно важно для стабильности экосистемы (6, 7).
На незагрязненной почве отчуждение микроэлементов (хозяйственный вынос) убывало в ряду: Zn > Mn > Cu > Pb = Ni > Cd (табл. 2). Загрязнение почвы сказалось в первую очередь на биологическом выносе микроэлементов-загрязнителей: для Cd, Pb и Zn он возрастал соответственно до 55, 83 и 1480 г/га (см. табл. 2, 3). Загрязнение почвы Pb также способствовало большему выносу Zn, Cd и Mn; загрязнение Cd увеличивало вынос Zn на 6-20 г/га; загрязнение Zn вовлекало в круговорот больше Ni. При загрязнении почвы Cd его отчуждение возрастало в 8,8-13,4 раза, достигая максимальной величины при совместном внесении навоза и минеральных удобрений. Отчуждение Pb при его повышенном содержании в почве увеличивалось только в 2,2-2,4 раза. Хозяйственный вынос Zn на фоне его критического содержания в почве был выше по сравнению с незагрязненными вариантами в 5,5-6,1 раза.
Участие клубней и ботвы в отчуждении различалось в зависимости от микроэлемента и, вероятно, его физиологической роли в растениях.

На отчуждение Cu, Zn, Pb, Cd, Ni и Mn с клубнями приходилось соответственно 77-87, 40-54, 29-64, 16-50, 55-76 и 21-36 %. Участие клубней в выносе микроэлементов-загрязнителей уменьшалось при повышенном содержании последних в почве.

При определении доз микроудобрений и прогнозировании размеров отчуждения тяжелых металлов необходимо учитывать, что у растений картофеля на 1 т клубней (с соответствующим количеством ботвы) из почвы с фоновым содержанием микроэлементов выносится: Сu — 1,1-1,5; Zn — 4,6-5,3; Pb — 0,3-0,4; Cd — 0,08-0,12; Ni — 0,33 г; Mn — 3,0-5,1 г. Загрязнение почвы Zn, Cd и Pb приводило к увеличению их выноса соответственно до 29; 1,1 и 0,8 г/т.
Наряду с отчуждением микроэлементов значительное их количество возвращается в почву с корневыми и пожнивными остатками (см. табл. 3). При использовании минеральных удобрений на незагрязненной почве поступление микроэлементов увеличивалось в 1,8-4,0 раза, при совместном внесении органических и минеральных удобрений — в 1,6-3,9 раза.
Загрязнение почвы Cd усиливало поступление в почву Cd, Pb и Zn; загрязнение Pb — Pb, Zn, Cd, Mn. Повышенное содержание в почве цинка способствовало накоплению в пожнивных и корневых остатках Cd и Ni. При загрязнении почвы Cd на удобренных вариантах в почву возвращалось Cu, Zn, Pb, Cd, Ni и Mn соответственно в 1,9-2,3; 2,3; 2,7-3,2; 2,2; 2,8-2,9 и 3,0-4,0 раза больше, чем в варианте без удобрений.
Применение удобрений на почве, загрязненной Pb, также сопровождалось увеличением возврата в почву всех микроэлементов, особенно Mn. Существенных различий между минеральным и органоминеральным фонами в этом случае не выявлено. На загрязненной Zn почве наиболее резко увеличивался остаточный вынос по таким элементам, как Pb и Cd, особенно на органоминеральном фоне.
Различия в выносе на удобренных и неудобренных вариантах, в первую очередь, определялись большим количеством остаточной сухой массы при внесении удобрений, а также изменением содержания элементов в растительных остатках, связанным с проявлением антагонизма и синергизма ионов.
Таким образом, вовлечение в биологический круговорот неодинакового количества микроэлементов по-разному сказывается на плодородии почвы. При выращивании картофеля изученного сорта Невский в зависимости от соотношения микроэлементов в отчуждаемой части урожая и послеуборочных остатках в пахотном слое со временем возможно накопление Ni — в норме и при загрязнении почвы Pb; Pb — при загрязнении почвы Cd, а также Cd — при загрязнении почвы Pb и Zn. При критическом содержании микроэлементов-загрязнителей их количество, извлеченное из почвы корневой системой растений картофеля, значительно превосходит отчуждаемое с урожаями, что также может привести к биологической аккумуляции. Отчуждение таких биогенных микроэлементов, как Cu, Zn и Mn, превосходило их поступление в почву соответственно в 2,1-3,4; 1,1-1,6 и 1,1-1,4 раза, что указывает на необходимость внесения соответствующих удобрений. При этом следует отметить, что даже на загрязненной Zn почве соотношение его в отчуждаемой части урожая и послеуборочных остатках растений картофеля практически не изменялось.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. А л е к с е е в  Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. М., 1987.
2. М и н е е в  В.Г. Экологические проблемы агрохимии. М., 1987.
3. И л ь и н  В.Б. Тяжелые металлы в системе почва—растение. Новосибирск, 1991.
4. Тяжелые металлы в системе почва—удобрение—растение /Под ред. М.М. Овчаренко. М., 1997.
5. Л е в и н  Ф.И. О роли картофеля в биологическом круговороте азота и зольных элементов в дерново-подзолистой почве. Агрохимия, 1965, 5: 27-36.
6. Е л ь к и н а  Г.Я. Сбалансированность элементов питания и продуктивность картофеля на подзолистых почвах. Агрохимия, 2006, 1: 23-31.
7. V a n  N o o r d w i j k  M.,  G e o r g  C. Access and excess problems in plant nutrition. In: Progress in plant nutrition. Plenary Lectures of the XIV Int. Plant Nutr. Col. «Food security and sustainability of agroecosystems through basis applied research». Dordrest, Boston, London, 2002: 25-40.

BIOLOGICAL MICROELEMENTS CYCLE DURING POTATO GROWING ON SOIL CONTAMINATED BY HEAVY METALS

V.M. Zubkova, N.V. Zubkov, T.A. Borina

S u m m a r y

In field experiments on the plots of land the authors studied the influence of soil contamination by Cd, Pb, and Zn on productivity of potato of the Nevskii variety (with addition of mineral and organic fertilizations) and degree of entrance to soil of plant remains. The amount of Cu, Zn, Pb, Cd, Ni and Mn involved in biological cycle and also their entry to soil with afterremaining was determined on chemical composition, masses of tuber and roots.