Omsk, Russian Federation
The purpose of the research is to identify the level and patterns of changes in the content of heavy metals and arsenic in arable soils and forest-steppe products of the Omsk region. Monitoring data for 1994–2018 on reference plots laid on arable soils are analyzed. Objects of research: cultivated plants and soils (low-power medium-humus heavy-loam segregated agrochernozem, medium-thick quasi-clay high-humus heavy-loam agrochernozem, hydrometamorphosed deep light-loam agrochernozem). The total content of copper, nickel, chromium is at the same level regardless of the horizon, arsenic-increases with depth, and cadmium, lead and mercury-decreases, as well as zinc (except for segregated agrochernozem, where its concentration decreases with depth, but then the opposite trend is observed). In the arable horizon, the content of heavy mobile met- als varied within the following limits (mg/kg): in agrocenoses segregation of low-power srednekraevom loam: copper – 0.12–0.15; zinc – 0.37–0.49; cadmium – 0.06–0.08; lead – 0,62–0.71; nickel – 0,52–0.69; chrome – 0.29–0.68; in low–power medium-humus heavy-loam segregated agrochernozem: copper – 0.11–0.14; zinc – 0.39–0.59; cadmium – 0.06–0.07; lead – 0.67–0.79; nickel – 0.62–0.70; chrome 0.50–0.94; in hydrometa- morphosed deep light-oam agrochernozem: copper – 0.11–0.14; zinc – 0.32–0.41; cadmium – 0.06–0.09; lead – 0.58–0.64; nickel – 0.57–0.70; chromium – 0.54–0.70. The studies also determined the total content of mercury and arsenic in soils, exceeding the maximum permissible concentrations were not found. Monitor- ing of the content of heavy metals and arsenic in crop samples revealed that agricultural products obtained at reference sites, both main and secondary, meet agroecological requirements. The content of copper was 1.9–4.3 mg/kg; zinc – 6.2–23.8; cadmium – 0.027–0.100; lead – 0.28–1.11 mg/kg; and mercury and arsenic – did not exceed the minimum level of determination of these indicators on the devices.
heavy metals, arsenic, content, soil, survey, products.
-
Введение. Почва является начальным зве- ном в системе «почва – растение – человек», и от содержания и поведения в ней того или иного элемента зависит концентрация в последующих звеньях. В биосферу поступает свыше 500 тысяч различных загрязняющих химических веществ, значительная часть их накапливается в почве. В Западной Сибири фоновое загрязнение и пе- ренос токсикантов еще не привели к повсемест- ным негативным последствиям. Однако это не означает, что подобные тенденции полностью отсутствуют. Для принятия своевременных про- филактических мер важно располагать системой наблюдений и раннего обнаружения изменений в агроландшафтах [1, 2].
Омская область имеет структуру промышлен- ности, которая формирует меньшую техногенную нагрузку на агроценозы региона, чем в европей- ской части страны. Поэтому поступление тяжелых металлов на поверхность почв и растений несу- щественно и пока не ведет к их загрязнению [1–3]. В агроландшафтах наиболее распростране- ны цинк, свинец, кадмий, ртуть, хром. Самыми токсичными являются кадмий, кобальт, медь, цинк, ртуть, свинец. Концентрация тяжелых ме- таллов в почвах и растениях определяется хи- мией типов почв и степенью антропогенного воз-
действия [4–6].
Цель исследований. Выявить уровень и за- кономерности изменения содержания тяжелых металлов и мышьяка в пахотных почах и продук- ции лесостепи Омской области.
Материалы и методы. В основу исследова- ний положены данные мониторинга лесостепной зоны Омской области, выполненного ФГБУ «ЦАС
«Омский» в 1994–2018 гг. на реперных участках, заложенных на пахотных почвах.
Объекты исследований: культурные рас- тения и почвы – агрочернозем сегрегационный маломощный среднегумусированный тяжелосуг- линистый (СП «Дружба»), агрочернозем квази- глеевый среднемощный сильногумусированный тяжелосуглинистый (СПК «Пушкинский»), агро- солонец гидрометаморфизованный глубокий лег- коглинистый (ООО «Юрьевское»). Определение тяжелых металлов и мышьяка в почвах сельско- хозяйственных угодий и продуктах растениевод- ства проводили согласно общепринятым методи- кам [7].
Результаты исследований и их обсужде- ние. При оценке уровня содержания в почвах тяжелых металлов и мышьяка их сравнивают с естественным фоном. Как правило, при необхо- димости контроля над техногенным загрязнением почв принято определять валовое содержание элементов (табл. 1).
Валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в почвах лесостепной зоны (2017 г.), мг/кг почвы
Таблица 1
Глубина отбора, см
Cu
Zn
Cd
Pb
Ni
Cr
Hg
As
Агрочернозем сегрегационный маломощный среднегумусированный тяжелосуглинистый
0–20
16,8
52,1
0,51
18,2
30,6
10,4
0,020
4,7
20–40
15,1
44,2
0,50
17,3
29,4
10,3
0,020
4,9
40–60
16,2
41,3
0,40
16,8
29,2
10,1
0,019
4,9
60–80
16,8
50,0
0,43
14,1
31,3
10,9
0,014
5,3
80–100
16,0
54,7
0,46
14,2
31,6
10,0
0,014
6,6
Агрочернозем квазиглеевый среднемощный сильногумусированный тяжелосуглинистый
0–20
23,4
63,2
0,68
21,0
36,4
12,1
0,019
5,3
20–40
21,0
53,6
0,50
19,6
35,0
12,5
0,011
6,2
40–60
21,8
59,8
0,58
18,8
36,1
12,0
0,013
6,7
60–80
20,7
53,0
0,54
18,0
34,1
11,4
0,013
6,0
80–100
20,8
49,2
0,47
17,9
33,2
12,0
0,006
6,3
Агросолонец гидрометаморфизованный глубокий легкоглинистый
0–20
21,9
60,4
0,62
21,0
32,4
12,1
0,013
4,8
20–40
21,0
59,4
0,52
19,4
31,0
11,1
0,008
5,6
40–60
21,1
58,0
0,59
19,4
31,6
11,0
0,012
5,8
60–80
21,1
51,3
0,48
18,5
30,5
10,2
0,012
6,0
80–100
18,3
39,2
0,41
17,3
29,3
11,4
0,009
6,7
ПДК
132
220
2,0
130
30,6
43,8
2,1
10,0
Установлено, что валовое содержание ис- следуемых элементов не превышает ПДК, что характеризует почвы как незагрязненные. При этом содержание меди, никеля, хрома находит- ся на одном уровне независимо от горизонта, мышьяка – с глубиной повышается, а кадмия, свинца и ртути – понижается, как и цинка (кроме агрочернозема сегрегационного, где его концен- трация с глубиной понижается, но затем наблю- дается обратная тенденция).
Однако валовое содержание не всегда может характеризовать степень опасности загрязнения
почвы, поскольку почва способна связывать со- единения металлов, переводя их в недоступные растениям состояния. Правильнее говорить о роли подвижных и доступных для растений фор- мах. Определение содержания подвижных форм нужно для характеристики миграции токсикантов из почвы в растения. Их доступность растениям изменяется от их вида и возраста, свойств почвы и климатических условий [8–12].
Нами была получена характеристика пахотного горизонта почв региона по содержанию подвижных форм исследуемых элементов (табл. 2).
Таблица 2
Содержание подвижных форм тяжелых металлов в пахотном горизонте почв лесостепной зоны (1994–2018 гг.), мг/кг почвы
Годы
Cu
Zn
Cd
Pb
Ni
Cr
Агрочернозем сегрегационный маломощный среднегумусированный тяжелосуглинистый
1994 – 1998
0,13
0,43
0,08
0,69
0,52
0,57
1999 – 2003
0,15
0,39
0,07
0,67
0,56
0,64
2004 – 2008
0,12
0,37
0,07
0,65
0,69
0,68
2009 – 2013
0,13
0,49
0,06
0,71
0,63
0,39
2014 – 2018
0,13
0,48
0,06
0,62
0,62
0,29
Агрочернозем квазиглеевый среднемощный сильногумусированный тяжелосуглинистый
1994 – 1998
0,13
0,44
0,07
0,71
0,68
0,78
1999 – 2003
0,13
0,42
0,06
0,73
0,67
0,78
2004 – 2008
0,14
0,39
0,07
0,79
0,62
0,84
2009 – 2013
0,12
0,50
0,06
0,67
0,70
0,50
2014 – 2018
0,11
0,59
0,06
0,70
0,69
0,51
Агросолонец гидрометаморфизованный глубокий легкоглинистый
1994 – 1998
0,13
0,36
0,09
0,63
0,59
0,67
1999 – 2003
0,14
0,32
0,08
0,64
0,57
0,62
2004 – 2008
0,12
0,32
0,08
0,61
0,57
0,70
2009 – 2013
0,11
0,40
0,08
0,61
0,61
0,65
2014 – 2018
0,14
0,41
0,06
0,58
0,70
0,54
ПДК
3,0
23,0
–
6,0
4,0
6,0
Наблюдения за изменением содержания под- вижных металлов в почвах с 1994 по 2018 г. не выявили превышения предельно допустимых концентраций. В пахотном горизонте содержание тяжелых подвижных металлов изменялось в сле- дующих пределах (мг/кг):
-
в агрочерноземе сегрегационном маломощ- ном среднегумусированном тяжелосуглинистом: медь – 0,12–0,15; цинк – 0,37–0,49; кадмий – 0,06– 0,08; свинец – 0,62–0,71; никель – 0,52–0,69; хром – 0,29–0,68;
-
в агрочерноземе квазиглеевом среднемощ- ном сильногумусированном тяжелосуглинистом:
медь – 0,11–0,14; цинк – 0,39–0,59; кадмий – 0,06–
0,07; свинец – 0,67–0,79; никель – 0,62–0,70; хром –
0,50–0,94;
-
в агросолонце гидрометаморфизованном глубоком легкоглинистом: медь – 0,11–0,14; цинк – 0,32–0,41; кадмий – 0,06–0,09; свинец – 0,58–0,64; никель – 0,57–0,70; хром – 0,54–0,70.
-
В исследованиях также определялись валовые содержания ртути и мышьяка в почвах, превыше- ний предельно допустимых концентраций не обна- ружено (рис. 1, 2).
Рис 1. Содержание ртути в пахотном горизонте почв лесостепной зоны (1994–2018 гг.)
Рис. 2. Содержание мышьяка в пахотном горизонте почв лесостепной зоны (1994–2018 гг.)
Элементный состав растений зависит от хи- мического состава почвы. Избыточное накопле- ние тяжелых металлов растениями обусловлено прежде всего их высокими концентрациями в по- чвах [13–16].
Агроэкологический мониторинг содержания тяжелых металлов и мышьяка в растениевод- ческих пробах 2009–2018 гг. выявил, что сель- скохозяйственная продукция, как основная, так и побочная, отвечает экологическим требованиям.
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов и мышьяка в растениеводческой продукции реперных участков лесостепной зоны (2009–2018 гг.), мг/кг
|
Год |
Культура |
Продукция |
Химический элемент |
|||||
|
Cu |
Zn |
Cd |
Pb |
Hg |
As |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Агрочернозем сегрегационный маломощный среднегумусированный тяжелосуглинистый |
||||||||
|
2009 |
Овес |
Зерно |
3,2 |
14,4 |
0,027 |
0,33 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,1 |
11,3 |
0,031 |
0,68 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2010 |
Кукуруза |
Зеленая масса |
2,6 |
10,5 |
0,063 |
0,73 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2011 |
Овес |
Зерно |
3,3 |
12,4 |
0,038 |
0,35 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,1 |
8,5 |
0,059 |
0,42 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2012 |
Пар |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
2013 |
Пшеница яровая |
Зерно |
3,7 |
20,4 |
0,045 |
0,40 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,9 |
6,8 |
0,051 |
0,31 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2014 |
Пшеница яровая |
Зерно |
4,3 |
18,9 |
0,038 |
0,29 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,1 |
9,7 |
0,100 |
0,43 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2015 |
Пшеница яровая |
Зерно |
3,7 |
23,8 |
0,042 |
0,33 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
1,9 |
11,9 |
0,085 |
0,61 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2016 |
Пшеница яровая |
Зерно |
4,1 |
15,3 |
0,051 |
0,30 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
3,3 |
11,7 |
0,038 |
0,35 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2017 |
Пшеница яровая |
Зерно |
4,1 |
23,8 |
0,045 |
0,28 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,5 |
11,2 |
0,030 |
0,37 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2018 |
Ячмень яровой |
Зерно |
3,2 |
22,1 |
0,037 |
0,29 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
1,7 |
8,4 |
0,045 |
0,78 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
Агрочернозем квазиглеевый среднемощный сильногумусированный тяжелосуглинистый |
||||||||
|
2009 |
Люцерна |
Зеленая масса |
1,3 |
8,8 |
0,046 |
0,33 |
<0,005 |
<0,025 |
Окончание табл. 3
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
2010 |
Люцерна |
Зеленая масса |
1,5 |
7,2 |
0,045 |
0,38 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2011 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,0 |
6,3 |
0,042 |
0,42 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2012 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,4 |
9,4 |
0,082 |
0,47 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2013 |
Кукуруза |
Зеленая масса |
3,1 |
6,9 |
0,064 |
0,39 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2014 |
Кукуруза |
Зеленая масса |
3,5 |
7,8 |
0,067 |
0,44 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2015 |
Овес |
Зерно |
3,7 |
14,3 |
0,042 |
0,29 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
3,5 |
9,6 |
0,055 |
0,48 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2016 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,38 |
7,92 |
0,066 |
0,30 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2017 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,10 |
6,8 |
0,120 |
1,11 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2018 |
Люцерна |
Зеленая масса |
1,80 |
6,2 |
0,084 |
0,73 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Агросолонец гидрометаморфизованный глубокий легкоглинистый |
||||||||
|
2009 |
Пшеница яровая |
Зерно |
4,3 |
14,9 |
0,040 |
0,39 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,1 |
9,0 |
0,051 |
0,70 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2010 |
Пшеница яровая |
Зерно |
3,3 |
10,1 |
0,050 |
0,39 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,5 |
8,3 |
0,089 |
0,54 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2011 |
Овес |
Зерно |
4,1 |
9,3 |
0,041 |
0,36 |
<0,005 |
<0,025 |
|
Солома |
2,5 |
8,3 |
0,071 |
0,67 |
<0,005 |
<0,025 |
||
|
2012 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,6 |
10,1 |
0,073 |
0,59 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2013 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,2 |
8,6 |
0,057 |
0,34 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2014 |
Люцерна |
Зеленая масса |
1,9 |
9,4 |
0,056 |
0,51 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2015 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,8 |
8,9 |
0,069 |
0,48 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2016 |
Люцерна |
Зеленая масса |
2,2 |
6,4 |
0,078 |
0,73 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2017 |
Люцерна |
Зеленая масса |
1,9 |
7,3 |
0,072 |
0,42 |
<0,005 |
<0,025 |
|
2018 |
Пар |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
МДУ |
30 |
50 |
0,3 |
5 |
0,05 |
0,5 |
||
Результаты исследований растениеводче- ской продукции, выращенной на пахотных по- чвах реперных участков, показали, что содержа- ние исследуемых элементов составило (мг/кг):
-
меди в основной и побочной продукции зерновых культур – 3,2–4,3 и 1,9–3,5 соответ- ственно; кукурузе на зеленную массу – 2,6–3,5; люцерне на зеленую массу – 1,3–2,8;
-
цинка в основной и побочной продукции зерновых культур – 9,3–23,8 и 6,8–11,9 соответ- ственно; кукурузе – 6,9–10,5; люцерне– 6,2–10,1;
-
кадмия в основной и побочной продукции зерновых культур – 0,027–0,051 и 0,030–0,100 соответственно; кукурузе – 0,063–0,067; люцер- не – 0,042–0,078;
-
свинца в основной и побочной продукции зерновых культур – 0,28–0,40 и 0,31–0,78 со- ответственно; кукурузе – 0,39–0,73; люцерне– 0,30–1,11;
-
ртути и мышьяка во всех исследуемых пробах растениеводческой продукции не пре- вышало минимальный уровень определения на
приборах данных показателей, что говорит об их отсутствии или минимальном содержании в сельскохозяйственных культурах.
Заключение. Таким образом, анализ данных динамики содержания подвижных форм тяже- лых металлов в почвах не выявил превышения предельно допустимых концентраций. В пахот- ном горизонте это содержание изменялось в следующих пределах (мг/кг): медь – 0,11–0,15; цинк – 0,32–0,59; кадмий – 0,06–0,09; свинец – 0,58–0,79; никель – 0,52–0,70; хром – 0,29–0,94.
Мониторинг содержания тяжелых металлов и мышьяка в растениеводческих пробах выявил, что сельскохозяйственная продукция, получен- ная на реперных участках, как основная, так и побочная, отвечает агроэкологическим требова- ниям. Содержание меди составило 1,9–4,3 мг/кг; цинка – 6,2–23,8; кадмия – 0,027–0,100; свинца
– 0,28–1,11 мг/кг; а ртути и мышьяка – не пре- вышало минимальный уровень определения на приборах данных показателей
1. Azarenko Yu.A. AssessingtheFund of Strongly Bound and Mobile Forms of Zinc in the soils of agrocenoses in the forest-steppe and steppe zones of the Omsk Irtysh Land // Annals of Biol- ogy. 2019. 35 (1). P. 67–72.
2. Agroekologicheskiy monitoring v Omskoy oblasti: ucheb. posobie / V.M. Krasnickiy, I.A. Bobrenko, V.I. Popova [i dr.]. Omsk, 2016. 52 s.
3. Kachestvo kormovyh kul'tur regiona (na pri- mere Omskoy oblasti): ucheb.-sprav. izdanie / V.M. Krasnickiy, I.A. Bobrenko, E.G. Pyhta- reva [i dr.]. Omsk: LITERA, 2017. 72 s.
4. Azarenko Yu.A. Zakonomernosti soderzhaniya, raspredeleniya, vzaimosvyazey mikroelemen- tov v sisteme pochva-rastenie v usloviyah yuga Zapadnoy Sibiri: monografiya. Omsk: Vari- ant-Omsk, 2013. 232 s.
5. Ermohin Yu.I., Trubina N.K., Sindireva A.V. Agroekologicheskaya ocenka deystviya kadmiya, nikelya, cinka v sisteme pochva-rasteniezhivotnoe: monografiya. Omsk, 2002. 117 s.
6. Chernyh H.A., Ovcharenko M.M. Tyazhelye me- tally i radionuklidy v biogenocenozah. M.: Agrokonsalt, 2002. 197 s.
7. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu kom- pleksnogo monitoringa plodorodiya pochv zemel' sel'skohozyaystvennogo naznacheniya / pod red. L.M. Derzhavina, D.S. Bulgakova. M.: Rosinformagroteh, 2003. 240 s.
8. Boldysheva E.P. Optimizaciya primeneniya cinkovyh udobreniy pri vozdelyvanii ozi- moy rzhi v Zapadnoy Sibiri // Sb. nauch. tr. Stavropol'skogo nauchno-issledovatel'skogo instituta zhivotnovodstva i kormoproizvod- stva. Stavropol', 2013. T. 3, № 6. S. 36–39.
9. Soil and ecological evaluation of agrocher- nozems of Siberia / A.A. Shpedt, Yu.V. Aksenova, M.R. Shayakhmetov, etc. // International Trans- action Journal of Engineering, Management, & Applied Sciences & Technologies. 2019. Vol. 10. № 3. P. 309–318.
10. Shpedt A.A., Aksenova Y.V. Soil Exhaustion Cri- teria for Central Siberia // Journal of Pharmaceu- tical Sciences and Research. 2018. V. 10 (4). P. 870–873.
11. Popova V.I., Goman N.V. Vliyanie mikroudo- breniy na produktivnost' ozimoy pshenicy pri vozdelyvanii na lugovo-chernozemnoy pochve v usloviyah Zapadnoy Sibiri // Pro- blemy nauchno-tehnologicheskoy moderni- zacii sel'skogo hozyaystva: proizvodstvo, menedzhment, ekonomika: sb. tr. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. obuchayuschihsya v magistra- ture; Institut ekonomiki i finansov OmGAU im. P.A. Stolypina. Omsk, 2014. S. 80–84.
12. Popova V.I. Optimizaciya primeneniya mikroudobreniy pod ozimuyu pshenicu // Rossiya molodaya: peredovye tehnologii – v promyshlennost'. 2013. № 3. S. 48–50.
13. Boldysheva E.P. Diagnostika i optimizaciya mikroelementnogo pitaniya ozimoy rzhi na lugovo-chernozemnoy pochve Zapadnoy Sibiri: avtoref. dis. … kand. s.-h. nauk. Omsk, 2018. 18 s.
14. Ermohin Yu.I. Optimizaciya mineral'nogo pitaniya i kachestva kartofelya i ovoschnyh kul'tur: dis. ... d-ra s.-h. nauk. Omsk, 1983. 437 s.
15. Agroekologicheskiy monitoring pochv na pra- vom beregu Irtysha lesostepnoy zony Om- skoy oblasti / V.M. Krasnickiy, I.A. Bobren- ko, A.G. Shmidt [i dr.] // Plodorodie. 2016.№ 3. S. 33–36.
16. Popova V.I. Optimizaciya primeneniya mikro- udobreniy pri vozdelyvanii ozimoy psheni- cy v usloviyah yuzhnoy lesostepi Zapadnoy Si-biri: avtoref. dis. … kand. s.-h. nauk. Omsk, 2018. 22 s.
