Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД НА СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ

Козлов А.В. 1 Трушкова М.А. 1
1 ФГБОУ ВО "Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина"
В условиях полевого опыта, заложенного на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, изучено влияние высоких доз диатомита, цеолита и бентонитовой глины на содержание подвижных соединений цинка, кадмия, свинца и меди. Установлено, что уже в первый год после внесения в почву высококремнистых пород содержание подвижных форм тяжелых металлов в ней существенно снижается. Так, на вариантах с применением первой дозы диатомита (3 т/га) снижение содержания в почве подвижных форм тяжелых металлов было также существенным и составило 45% по цинку, 28% по кадмию, 13% по свинцу и 64% по меди. В отношении первой дозы цеолита данные изменения составили 21, 12, 9 и 1% соответственно, последняя из которых (содержание подвижной меди) оказалась математически несущественной. В отношении же первой дозы бентонитовой глины таковые изменения составили 28, 16, 7 и 41% соответственно, предпоследняя из которых (содержание подвижного свинца) также была недостоверной. Выявлен эффект влияния кратности повышения дозы всех пород и установлена сильная обратная корреляция между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в почве и значением ее обменной кислотности в зависимости от количества внесенного кремнийсодержащего материала.
подвижные формы тяжелых металлов
диатомит
цеолит
бентонитовая глина
обменная кислотность почвы
дерново-подзолистая почва
1. Агафонов Е.В. Влияние бентонита на повышение плодородия чернозема обыкновенного / Е.В. Агафонов, М.В. Хованский // Почвоведение. – 2014. – № 5. – С. 597-601.
2. Бочарникова Е.А. Кремниевые удобрения и мелиоранты: история изучения, теория и практика применения / Е.А. Бочарникова, В.В. Матыченков, И.В. Матыченков // Агрохимия. – 2011. – № 7. – С. 84-96.
3. Водяницкий Ю.Н. Природные и техногенные соединения тяжелых металлов в почвах // Почвоведение. – 2014. – № 4. – С. 420-432.
4. ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО. – М. : Изд-во стандартов, 1986. – 6 с.
5. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). – М. : ИД Альянс, 2011. – 352 с.
6. Козлов А.В. Роль и значение кремния и кремнийсодержащих веществ в агроэкосистемах / А.В. Козлов, А.Х. Куликова, Е.А. Яшин // Вестник Мининского университета. – 2015. – № 2 (10). – С. 23.
7. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы) // Почвоведение. – 2014. – № 7. – С. 851-868.
8. Лобода Б.П. Влияние удобрения на основе цеолитсодержащих трепелов Хотынецкого месторождения на урожайность и качество картофеля / Б.П. Лобода, В.Р. Багдасаров, Д.Д. Фицуро // Агрохимия. – 2014. – № 3. – С. 28-35.
9. Мажайский Ю.А. Агроэкология техногенно загрязненных ландшафтов / Ю.А. Мажайский, С.А. Торбатов, Н.Н. Дубенок, Ю.П. Пожогин. – Смоленск : Маджента, 2003. – 384 с.
10. Матыченков В.В. Влияние кремниевых удобрений на растения и почву / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова, Я.М. Аммосова // Агрохимия. – 2002. – № 2. – С. 86-93.
11. Никитин С.Н. Влияние удобрений на урожайность и биоэнергетическую эффективность технологий возделывания сельскохозяйственных культур в севообороте / С.Н. Никитин, А.Х. Куликова, А.В. Карпов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2015. – № 4 (32). – С. 45-51.
12. ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.48-06. Методика выполнения измерений массовой концентрации цинка, кадмия, свинца, меди, марганца, мышьяка и ртути в почвах, тепличных грунтах, сапропелях, илах, донных отложениях, твердых отходах методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. – Томск : ООО «НПП «Томьаналит», 2006. – 44 с.
13. Самсонова Н.Е. Эффективность природного высококремнистого цеолита при выращивании кукурузы в условиях западной части Центрального Нечерноземья / Н.Е. Самсонова, Ю.В. Козлов, М.В. Капустина, И.И. Денисова, Н.А. Антонова, И.А. Шупинская // Агрохимия. – 2016. – № 3. – С. 23-31.
14. Шеуджен А.Х. Влияние цеолитов на агрохимические показатели плодородия лугово-черноземной почвы и урожайность риса / А.Х. Шеуджен, А.К. Шхапацев, Т.Ф. Бочко // Агрохимия. – 2002. – № 8. – С. 14-20.
15. Pirzad A. Zeolite use efficiency variation under water deficit stress in grass pea and lentil / A. Pirzad, S. Mohammadzadeh // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Биология. – 2016. – Т. 9. – № 3. – С. 291-303.

К настоящему времени многими исследованиями показано, что в агроэкосистемах большинство тяжелых металлов являются наиболее приоритетными загрязняющими веществами почвенного покрова [3; 9]. В высоких концентрациях данные экотоксиканты способны изменять пути поступления в растения большинства элементов питания, выполняющих важные биохимические функции, органически связанные с формированием ус­тойчивости фитоценоза к неблагоприятным факторам окружающей среды [7].

Вместе с тем многими авторами в своих исследованиях, помимо высокой агрохимической ценности [1; 2; 6; 8; 10; 11; 13-15], также обосновывается детоксикационная способность высококремнистых пород в отношении подвижности тяжелых металлов в почве [2; 10]. Такая характеристика позволяет говорить не только об удобрительной ценности кремнийсодержащих материалов, но и об их способности повышать экологическую устойчивость агроэкосистем [6]. Поэтому изучение поведения их вещества в почвах различных почвенно-климатических зон и оценка защитной способности «силикатированного» почвенного покрова является актуальной в настоящее время.

Цель исследования

В связи с вышеуказанным в данной работе оценивается начало изменения содержания подвижных соединений свинца, кадмия, цинка и меди в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в зависимости от вида и дозы кремнийсодержащих пород, внесенных в качестве удобрительных веществ с пролонгированным эффектом действия.

Материалы и методы исследования

В сезон 2014 г. на базе картофелеводческого предприятия ООО «Элитхоз» Борского района Нижегородской области был заложен микрополевой опыт с озимой пшеницей сорта Московская 39, в котором испытывали влияние высоких доз различных кремнийсодержащих пород: диатомита Инзенского месторождения (Ульяновская область), цеолита Хотынецкого месторождения (Орловская область) и бентонитовой глины Зырянского месторождения (Курганская область).

Схема опыта предусматривала вариант без удобрений, учитываемый в качестве контроля, а также по три варианта с внесением в почву трех доз диатомита, цеолита и бентонитовой глины. Породы вносили однократно в летний период 2014 года в пахотный слой почвы при разбивке участка и закладке опытов в высоких дозах из расчета по 3, 6 и 12 т/га каждого вида. Агротехника выращивания культур – общепринятая для микрополевых экспериментов, все работы проводились вручную. Пшеницу убирали в фазу полной спелости зерна (август 2015 г.). Учетная площадь делянки – 1 м2, расположение делянок рендомизированное, биологическая повторность в опытах – четырехкратная.

Микрополевой опыт был заложен на одном участке, сложенном дерново-подзолистой легкосуглинистой почвой, которая характеризуется низким содержанием гумуса (1,2%), среднекислой реакцией среды (4,8 ед. рНKCl), а также средней обеспеченностью подвижными формами фосфора (86 мг/кг) и калия (110 мг/кг). Погодные условия 2015 года характеризовались незначительным количеством осадков, а сам год в целом был более жарким по сравнению со средними климатическими нормами региона.

Далее лабораторным испытаниям подвергалась почва гумусо-аккумулятивного слоя (А1), отобранная с делянок после уборки озимой культуры. Образцы почв высушивали до воздушно-сухого состояния, просеивали через сито с диаметром ячеек в 1 мм и анализировали на определение обменной кислотности почвы по ГОСТ 26483-85 [4] и на определение содержания подвижных соединений кадмия, свинца, цинка и меди в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН = 4,8) методом инверсионной вольтамперометрии на вольтамперометре-полярографе «ТА-Lab» по ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.48-06 [12]. Все анализы проведены на базе Лабораторного комплекса «Эколого-аналитическая лаборатория мониторинга и защиты окружающей среды» Мининского университета в период 2015-2016 гг. Аналитическая повторность – трехкратная. Математическая обработка полученных данных проведена методами дисперсионного анализа и корреляции по Б.А. Доспехову [5].

Результаты исследования и их обсуждение

В целом можно сказать, что в результате проведенных исследований были намечены определенные закономерности в изменении содержания экотоксикантов в почве. При этом таковые имели одну направленность, но неодинаковую силу в отношении различных металлов и кремнийсодержащих пород разного генеза.

Таблица 1

Влияние кремнийсодержащих пород на содержание подвижных соединений цинка и кадмия в почве

п/п

Вариант

Содержание подвижных

соединений цинка в почве, мг/кг

Содержание подвижных

соединений кадмия в почве, мг/кг

среднее

± к контролю

± к 1й дозе

среднее

± к контролю

± к 1й дозе

1

Контроль

39,3

2,5

2

Диатомит-1

21,6

- 17,7

1,8

- 0,7

3

Диатомит-2

7,8

- 31,5

- 13,8

1,2

- 1,3

- 0,6

4

Диатомит-3

2,4

- 36,9

- 19,2

0,4

- 2,1

- 1,4

5

Цеолит-1

31,2

- 8,1

2,2

- 0,3

6

Цеолит-2

10,9

- 28,4

- 20,3

2,0

- 0,5

- 0,2

7

Цеолит-3

5,1

- 34,2

- 26,1

1,6

- 0,9

- 0,6

8

Бентонит-1

28,4

- 10,9

2,1

- 0,4

9

Бентонит-2

18,0

- 21,3

- 10,4

1,9

- 0,6

- 0,2

10

Бентонит-3

12,6

- 26,7

- 15,8

1,5

- 1,0

- 0,6

НСР05

 

2,4

2,4

 

0,3

0,3

 

В частности, наибольшее снижение содержания подвижных форм экотоксикантов в почве (таблица 1 и 2) отмечалось на вариантах применения наибольшей дозы диатомовой породы (12 т/га), где содержание подвижных форм снижалось на 94% по цинку, на 84% по кадмию, на 46% по свинцу и на 80% по меди в отношении контроля. На вариантах применения аналогичной дозы цеолита данные снижения составили соответственно 87, 36, 32 и 73%, а на вариантах применения такой же дозы бентонитовой глины – 68, 40, 34 и 84% по отношению к контрольному варианту.

На вариантах с применением первой дозы диатомита (3 т/га) снижение содержания в почве подвижных форм тяжелых металлов было также существенным и составило 45% по цинку, 28% по кадмию, 13% по свинцу и 64% по меди. В отношении первой дозы цеолита данные изменения составили 21, 12, 9 и 1% соответственно, последняя из которых (содержание подвижной меди) оказалась математически несущественной. В отношении же первой дозы бентонитовой глины таковые изменения составили 28, 16, 7 и 41% соответственно, предпоследняя из которых (содержание подвижного свинца) также была недостоверной.

Таблица 2

Влияние кремнийсодержащих пород на содержание подвижных соединений свинца и меди в почве

п/п

Вариант

Содержание подвижных

соединений свинца в почве, мг/кг

Содержание подвижных

соединений меди в почве, мг/кг

среднее

± к контролю

± к 1й дозе

среднее

± к контролю

± к 1й дозе

1

Контроль

5,6

7,5

2

Диатомит-1

4,9

- 0,7

2,7

- 4,8

3

Диатомит-2

4,4

- 1,2

- 0,5

2,3

- 5,2

- 0,4

4

Диатомит-3

3,0

- 2,6

- 1,9

1,5

- 6,0

- 1,2

5

Цеолит-1

5,1

- 0,5

7,4

- 0,1

6

Цеолит-2

4,1

- 1,5

- 1,0

3,9

- 3,6

- 3,5

7

Цеолит-3

3,8

- 1,8

- 1,3

2,0

- 5,5

- 5,4

8

Бентонит-1

5,2

- 0,4

4,4

- 3,1

9

Бентонит-2

4,1

- 1,5

- 1,1

2,5

- 5,0

- 1,9

10

Бентонит-3

3,7

- 1,9

- 1,5

1,2

- 6,3

- 3,2

НСР05

 

0,5

0,5

 

0,7

0,7

 

Необходимо отметить, что в исследовании был выявлен эффект влияния кратности повышения дозы кремнийсодержащих пород в отношении содержания подвижных соединений тяжелых металлов в почве. Так, с увеличением дозы в 2 и 4 раза (6 и 12 т/га) по отношению к первой дозе (3 т/га) содержание подвижных форм всех токсикантов также стабильно снижалось за исключением варианта с двукратным увеличением дозы цеолита и бентонита в отношении содержания подвижного кадмия в почве, и варианта с двукратным увеличением дозы диатомита в отношении содержания подвижной меди. Здесь снижение содержания подвижного кадмия и меди не зависело от двукратного увеличения дозы пород.

Ряд авторов [1; 2; 10] указывает на то, что применение кремнийсодержащих пород в качестве удобрений и мелиорантов в агрофитоценозе способствует повышению значения рН солевой вытяжки почвы и, соответственно, снижению ее обменной кислотности. В наших исследованиях наблюдался аналогичный и довольно сильный эффект в отношении обменной кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (таблица 3).

Было установлено, что уже в первый год применения высоких доз диатомита, цеолита и бентонитовой глины обменная кислотность почвы переходит в разряд из среднекислой в слабокислую на вариантах с внесением в почву 6 и 12 т/га цеолита и бентонита, а также на варианте с внесением 12 т/га диатомитовой породы.

Таблица 3

Влияние кремнийсодержащих пород на обменную кислотность почвы

п/п

Вариант

Обменная кислотность почвы (рНKCl), ед. рН

Степень

кислотности почвы

среднее

± к контролю

± к 1й дозе

1

Контроль

4,81

среднекислая

2

Диатомит-1

4,92

0,11

среднекислая

3

Диатомит-2

5,06

0,25

0,14

среднекислая

4

Диатомит-3

5,13

0,32

0,21

слабокислая

5

Цеолит-1

5,04

0,23

среднекислая

6

Цеолит-2

5,21

0,40

0,17

слабокислая

7

Цеолит-3

5,16

0,35

0,12

слабокислая

8

Бентонит-1

4,94

0,13

среднекислая

9

Бентонит-2

5,14

0,33

0,20

слабокислая

10

Бентонит-3

5,10

0,29

0,16

слабокислая

НСР05

 

0,22

0,22

 

Минимальная доза диатомита и бентонитовой глины не оказали существенного эффекта в отношении рассматриваемого показателя, а максимальный эффект повышения значения рНKCl почвы был отмечен на вариантах с третьей дозой диатомита (0,32 ед. рН), а также со второй дозой цеолита (0,40 ед. рН) и бентонитовой глины (0,33 ед. рН).

Однако данные изменения были выявлены только при внесении в почву самих высоких доз пород по отношению к контролю, чего не было обнаружено ни при двух-, ни при четырехкратном их увеличении по отношению к вариантам с однократной дозой. По-видимому, влияние «фона» присутствующего кремнийсодержащего вещества в почве, который, как оказалось, способствует снижению обменной кислотности почвы, в первую очередь не зависит от собственной величины. Скорее всего, данное обстоятельство изначально было вызвано очень высоким уровнем дозы самих кремнийсодержащих пород.

Многие исследования [3; 7] свидетельствуют о том, что подвижность тяжелых металлов в почве напрямую зависит ряда факторов, и в том числе от степени ее кислотности. Поэтому при прочих равных условиях содержание подвижных соединений ТМ в почвах различного генезиса, как правило, низкое при высоких значениях рНKCl.

Исследования по влиянию возрастающей дозы кремнийсодержащих пород на содержание подвижных соединений цинка, кадмия, свинца и меди в почве и на величину ее обменной кислотности показали наличие корреляционной зависимости между отдельными параметрами, представленными в таблице 4. Во всех рассмотренных случаях коэффициент корреляции r был отрицательным, а связь характеризовалась как сильная, и лишь в одной зависимости (содержание подвижных форм меди – обменная кислотность на вариантах с цеолитом) она характеризовалась как умеренная.

Таблица 4

Влияние кремнийсодержащих пород на зависимость содержания подвижных соединений ТМ и величины обменной кислотности почвы

Показатели

r (sr) (коэффициент корреляции (стандартная ошибка))

Zn

Cd

Pb

Cu

рНKCl

диатомит

- 0,99 (0,10)

- 0,98 (0,12)

- 0,94 (0,24)

- 0,88 (0,33)

цеолит

- 0,91 (0,30)

- 0,83 (0,39)

- 0,92 (0,28)

- 0,78 (0,44)

бентонит

- 0,96 (0,21)

- 0,87 (0,35)

- 0,94 (0,23)

- 0,95 (0,23)

 

Данные закономерности подтверждают наличие обратной зависимости между содержанием подвижных соединений тяжелых металлов в почве и величиной ее обменной кислотности. Однако на основе условия (tr факт. ≥ tr теор.) из всех рассмотренных случаев существенной оказалась зависимость только между содержанием подвижного цинка и кадмия на вариантах с внесением в почву возрастающей дозы диатомита, а также зависимость между содержанием подвижного цинка на вариантах с внесением в почву возрастающей дозы бентонитовой глины. Поскольку в случаях остальных сравниваемых пар корреляция была весьма существенной она, по-видимому, также зависела не только от величины обменной кислотности почвы.

В ряде работ В.В. Матыченкова, Б.П. Лободы, Е.В. Агафонова [1; 8; 10] и других авторов указывается, что такая тенденция может быть объяснима повышением концентрации монокремниевых кислот в почвенном растворе, высвобождаемых в большей или меньшей степени из аморфного кремнистого вещества пород при их взаимодействии с ППК и ПБК почвы. По-видимому, при насыщении подвижными силикатами почвенно-поглощающий комплекс активизирует процессы обмена и сорбции, в результате чего ионы тяжелых элементов переводятся в малоподвижное и необменное состояние. Кроме того, в исследованиях также указывается факт высокой сорбционной и ионообменной активности исходных кремнийсодержащих пород.

Выводы

Таким образом, можно констатировать, что применение кремнийсодержащих пород в условиях дерново-подзолистых почв Борского района Нижегородской области уже в первый год наблюдений способствовало снижению содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве.

Пролонгированность действия высококремнистых материалов, рассматриваемая не только в примере их удобрительной ценности, но и детоксикационной способности, в целом позволяет говорить о гипотезе повышения устойчивости агроэкосистемы дерново-подзолистых почв Левобережья области, что и будет нами рассмотрено в последующих исследованиях в условиях звеньев зернотравяного и зернопропашного севооборотов.


Библиографическая ссылка

Козлов А.В., Трушкова М.А. ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД НА СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=25533 (дата обращения: 24.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074