Никель и ванадий в растениеводческой продукции Ростовской области
Никель и ванадий в растениеводческой продукции Ростовской области
Аннотация
Степная зона юга России представляет собой территорию, в рамках которой активно развиваются все отрасли промышленности, транспорта, сельского хозяйства. В пределах Ростовской области широко развит агропромышленный комплекс, представленный, в первую очередь, высокоэффективным растениеводством. В статье рассмотрены почвенный покров и сельскохозяйственная продукция области. Изучено изменение распределения никеля и ванадия в верхнем почвенном слое при использовании различных сельскохозяйственных технологий. Выявлено, что в почвах под мелиорируемыми ландшафтами образуются благоприятные условия для накопления ванадия и вынесения никеля. При изучении дифференции основных культур по способности к накоплению данных микроэлементов была отмечена тенденция к их накоплению в овощных культурах, в частности в свекле. Использовав содержание элементов в почве, был рассчитан коэффициент биологического поглощения изучаемых культур, что позволило оценить уровень накопления ими тяжелых металлов.
1. Введение
В последнее время в связи с активным развитием сельского хозяйства возникает повышенное давление на созданные агроэкосистемы. Степная зона юга Европейской части России – зона интенсивного сельскохозяйственного производства, где выращивается большая часть земледельческой продукции страны. Начиная с 2020 года, по стоимости произведенной сельскохозяйственной продукции Ростовская область занимает 2 место в России, уступая Краснодарскому краю, расположенному в более благоприятной по природно-климатическим условиям зоне. Основной отраслью сельского хозяйства области является растениеводство.
Сельскохозяйственные угодья занимают 81,3 % общей площади области. Доля пашни ежегодно увеличивается, достигая 57,9% всей ее территории (5841,4 тыс. га) [1]. Подобное увеличение угодий не может происходить бесследно.
Все агроландшафты на территории Ростовской области в соответствии с классификацией Н.С. Касимова [2] были разделены на следующие отделы: полевые пахотные, огородные (овощные), рисовые плантации и ландшафты с многолетними культурами (сады и виноградники). При дальнейшем разделении на классы, когда учитываются особенности водной миграции, выделяются неорошаемые (богарные) и орошаемые ландшафты, представленные овощными и рисовыми плантациями [3].
Среди названых ландшафтов наибольшее распространение в Ростовской области получили полевые богарные (71,2 % от площади всех сельскохозяйственных угодий) [4], представленные пахотными территориями, на которых активно выращиваются зерновые, зернобобовые, технические и кормовые культуры. Из-за дефицита водных ресурсов площадь орошаемых земель сократилась в 2 раза по сравнению с 1980-ми годами и сейчас составляет около 3,6 % от общей площади пашни. Сады и виноградники занимают ещё меньшее пространство – менее 0,5 %.
Агроландшафты расположены в пределах двух крупных почвенных зон: степной зоне южных и обыкновенных черноземов и сухостепной зоне каштановых почв. Первая зона занимает основную часть Ростовской области; на засушливом востоке и юго-востоке развиты каштановые почвы. Каштановые почвы представлены темно-каштановыми, каштановыми и светло-каштановыми подтипами. Характерной особенностью последних является сланцеватость, растущая в восточном направлении.
Развитие сельскохозяйственного производства происходит параллельно с увеличением агротехногенной нагрузки, проявляющейся в уплотнении почвы, дегумификации, внесения минеральных удобрений, приводящее к изменению в пахотном горизонте количественного содержания микроэлементов, что ведет к нарушению их биогеохимических циклов миграции и последующему накоплению во всех блоках агроэкосистем.
К микроэлементам относится большая группа химических элементов, встречающихся в организме в небольших количествах. К данной группе относятся никель и ванадий. Оба элемента необходимы живым организмам в небольшом количестве. Ni в растениях стимулирует процессы нитрификации и минерализации соединений азота, но при высоких концентрациях оказывает фитотоксическое действие, проявляющееся в снижении абсорбции питательных веществ, замедлению роста растений и нарушению метаболизма [5], [6], [7]. Действие ванадия на растительные сообщества также двоякое: он является незаменимым элементом в роли катализатора в процессах фиксации атмосферного азота, с другой стороны, может угнетающе действовать на растения, вызывая хлороз и приводя к замедлению темпов их роста [6], [8], [9].
В связи с этим, исследование распределения никеля и ванадия в почвах и особенно в растениеводческой продукции различных агроландшафтов – важная и актуальная научно-практическая задача.
2. Методы и принципы исследования
В основу работы положены результаты площадной эколого-геохимической съемки территории области, а также эколого-геохимического обследования 42 агропредприятий разной земледельческой специализации, расположенных в различных природно-сельскохозяйственных зонах Ростовской области. Опробование включало в себя отбор проб поверхностного (0–20 см) почвенного горизонта и сельскохозяйственных культур.
Эколого-геохимическая съемка проводилась по сети 0,5 × 0,5 км. Отбор почвенных образцов выполнялся методом конверта с пробной площадки размером 10 × 10 м. В ходе проведенных работ было отобрано 2492 проб.
На каждой площадке одновременно с почвой отбирали пробу продуктивной части сельскохозяйственной культуры. Опробование проводилось по достижению культурами товарной зрелости. В результате было отобрано 2110 проб сельскохозяйственных растений, из них: 1474 проб зерновых и зернобобовых культур, 495 – кормовых трав, 68 – фруктов и ягод, 85 – овощей.
В почвенных и растительных образцах содержание элементов определялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Для почвенных проб рассчитывались коэффициенты концентрации и рассеяния тяжёлых металлов по отношению к местному геохимическому фону. Интенсивность накопления тяжёлых металлов в сельскохозяйственных культурах выражалась через коэффициент биологического поглощения (КБП), полученный делением содержания химического элемента в растении на его содержание в почве.
3. Результаты исследования и их обсуждение
Основным источником поступления микроэлементов в растительные организмы является почвенный покров, состав которого претерпевает трансформацию под влиянием агротехногенной деятельности человека. С целью выявления степени преобразования сельскохозяйственных ландшафтов Ростовской области необходимо изучить естественное содержание химических элементов в почвах фоновых территорий. Эталонными территориями принято считать земли, расположенные вне зоны влияния сельскохозяйственной деятельности, промышленного загрязнения и крупных автомагистралей [2]. В данной работе за естественный геохимический фон приняты содержания никеля и ванадия в почвах пастбищ, максимально отдаленные от основных источников загрязнения районов Ростовской области [10], [11]. Фоновые содержания никеля в черноземных почвах составили 41 мг/кг, в каштановых почвах – 45 мг/кг; ванадия – 96 и 99 мг/кг соответственно.
Как уже отмечалось, среди всех агроландшафтов области наиболее распространенными являются неорошаемые (богарные) ландшафты, отличающиеся минимальным агрогенным преобразованием почвенной среды. На их примере возможно изучение распределения Ni и V в разных типах почв области (табл. 1).
Таблица 1 - Содержания тяжелых металлов в различных типах почв богарных ландшафтов Ростовской области
| Черноземы | Каштановые | |||
южные | обыкновенные | светло-каштановые | каштановые | темно-каштановые | |
Ni, мг/кг | 46 | 41 | 39 | 36 | 33 |
V, мг/кг | 92 | 96 | 110 | 105 | 116 |
Анализ содержаний элементов в почвах богарных ландшафтов выявил незначительные различия в концентрациях ТМ внутри разных типов почв богарных ландшафтов, что возможно объяснить общей направленностью почвообразовательного процесса и слабой литогеохимической дифференциацией почвообразующих пород. Распределение никеля в почвах имеет следующие особенности: наблюдается незначительное увеличение содержания элемента в ряду темно-каштановые – каштановые – светло-каштановые – черноземы обыкновенные – черноземы южные. Ванадий же наоборот накапливается преимущественно в подтипах каштановых почв.
В целом, среднее содержание микроэлементов в почвах неорошаемых ландшафтов близко к фоновым величинам. Исключением составляет никель в каштановых почвах, содержание которого в 1,15–1,36 раза меньше установленного педогеохимического фона.
Мелиорируемые ландшафты и многолетние насаждения испытывают более мощное агротехногенное воздействие, обусловленное интенсивным внесением минеральных удобрений и пестицидов, глубокой вспашкой, привносом химических элементов с оросительной водой, изменение структуры почвенного профиля и др. Эти факторы вызывают возникновение более значительной дифференциации содержания элементов в верхнем почвенном покрове агроландшафтов (табл. 2).
Таблица 2 - Содержания ТМ в почвах различных агроландшафтов
| Полевые пахотные | Ландшафты многолетних насаждений | Мелиорируемые | ||
богарные | сады | виноградники | орошаемые | периодически заливаемые | |
овощные плантации | рисовые чеки | ||||
Ni, мг/кг | 42 | 47 (1,1) | 49 (1,1) | 34 (0,8) | 37 (0,8) |
V, мг/кг | 98 | 95 | 92 | 105 (1,1) | 124 (1,3) |
Примечание: * – коэффициент рассеяния (Кр); ** – коэффициент концентрации (Кк); составлено по [9], [12]
Средние содержания V в почвах ландшафтов многолетних насаждений сопоставимы с фоновыми величинами, в почвах рисовых чеков – максимальны по сравнению с другими агроландшафтами. Концентрации Ni в почвах мелиорируемых ландшафтов (овощных плантаций и рисовых чеков) составляют 0,8 долей от фона.
Периодически заливаемые ландшафты отличаются наиболее интенсивным внесением удобрений и пестицидов и длительным пребыванием почвенного покрова под водой, что обусловило специфику геохимических процессов. В почвах рисовых чеках изменчивы щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия среды, непостоянен гидродинамический режим [13], [14]. За счет нестабильности почвенно-геохимической обстановки формируются как положительные, так и отрицательные аномалии ТМ, а выращенный на этих почвах рис часто обеднен микроэлементами.
Таким образом, можно выявить отчетливую тенденцию к выносу никеля и накопления ванадия в почвах орошаемых ландшафтов.
Разная обеспеченность почв микроэлементами приводит к различному их накоплению в сельскохозяйственных культурах. Помимо педогеохимических особенностей почв на химический состав растений также оказывают влияние видовая принадлежность растений, биоморфы, фазы вегетации, природные условия и другие факторы.
Содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственной растительности Ростовской области изменяются в широких пределах (табл. 3). Наибольшую вариабельность проявляет ванадий. Его содержание изменяется от 0,014–0,020 мг/кг во ржи и горохе до 0,845 мг/кг в рисе. Изменение концентрации никеля в продуктивной части сельскохозяйственных культур также происходит в широких пределах. Наименьшие содержания Ni наблюдаются в таких плодовых культурах как вишня, яблоко и виноград (0,11–0,16 мг/кг), наибольшие – в горохе 2,09 мг/кг).
Таблица 3 - Содержания никеля и ванадия в продуктивной части сельскохозяйственных культур, выращенных на территории Ростовской области
Культура | Химический элемент | Культура | Химический элемент | ||
Ni, мг/кг сухого вещества | V, мг/кг сухого вещества | Ni, мг/кг сухого вещества | V, мг/кг сухого вещества | ||
Зерновые и зернобобовые культуры | Эспарцет | 0,66 | 0,365 | ||
Пшеница | 0,35 | 0,046 | Фрукты и ягоды | ||
Ячмень | 0,34 | 0,039 | Виноград | 0,16 | 0,158 |
Рожь | 0,43 | 0,014 | Вишня | 0,15 | 0,175 |
Кукуруза | 0,30 | 0,039 | Яблоко | 0,11 | 0,067 |
Подсолнечник | 0,24 | 0,052 | Овощи | ||
Горох | 2,09 | 0,020 | Томат | 0,68 | 0,270 |
Рис | 0,76 | 0,845 | Морковь | 0,70 | 0,755 |
Кормовые культуры | Перец | 0,69 | 0,125 | ||
Люцерна | 0,59 | 0,341 | Капуста | 0,77 | 0,243 |
Суданская трава | 0,46 | 0,248 | Свёкла | 1,36 | 0,585 |
Примечание: составлено по [9], [12], [15], [16]
На фоне широкого диапазона содержаний ТМ пробах растительности была выявлена следующая тенденция роста средних концентраций V, характерная для многих тяжелых металлов [2], [6], [17], [18], в последовательности: зерновые и зернобобовые культуры – фрукты и ягоды – овощи – кормовые травы. Среди всех представленных культур особого внимания заслуживает рис, отличающийся наибольшим содержанием данного микроэлемента, что обусловлено их выращиванием в пределах рисовых чеков (периодически заливаемые ландшафты), которым свойственно накопление V.
Увеличение средних содержаний никеля происходит несколько в ином порядке: фрукты и ягоды – кормовые травы – зерновые и зернобобовые культуры – овощи. Этот порядок складывается благодаря естественной способности гороха к активному накоплению элемента, отмечаемой многими авторами [5], [17], [18].
Установленные закономерности в накоплении микроэлементов растительностью также могут быть объяснены и тем, какую именно часть растения употребляют в пищу: корнеплоды, содержащие максимальное количество элементов (свёкла), листья, занимающие по концентрации тяжелых металлов промежуточное положение за счет дополнительной аккумуляции элементов с пылью и атмосферными осадками (капуста) или плоды (вишня, виноград, томаты, яблоки, зерновые культуры). Тем не менее распределение исследуемых металлов в овощах и фруктах подтверждают факт того, что растения аккумулируют химические элементы в следующем порядке: корни > листья > плоды.
Рисунок 1 - Коэффициент биологического поглощения (КБП) никеля в сельхозкультурах
Рисунок 2 - Коэффициент биологического поглощения (КБП) ванадия в сельхозкультурах
На основании анализа полученных данных можно утверждать, что для кормовых трав характерно интенсивное накопление всех рассматриваемых элементов. Среди овощей особое внимание заслуживает свёкла, для которой характерно интенсивное накопление Ni и V. Данное обстоятельство связано с тем, что были проанализированы корнеплоды свеклы, которые запасают питательные вещества и ассоциированы с корневой системой.
4. Заключение
Различия в содержаниях элементов между разными типами почв богарных ландшафтов Ростовской области незначительны, что объясняется общей направленностью почвообразовательного процесса и слабой литогеохимической дифференциацией почвообразующих пород.
В почвах мелиорируемых ландшафтов по сравнению с неорошаемыми видна отчетливая тенденция к выносу Ni из почв и накоплению V. Данное обстоятельство связано с уровнем агротехногенного воздействия, которое увеличивается от богарных агроландшафтов к рисовым чекам и виноградникам.
При изучении сельскохозяйственной продукции были выявлены следующие тенденции роста содержания тяжелых металлов:
V: зернобобовые культуры – фрукты и ягоды – овощи – кормовые травы;
Ni: фрукты и ягоды – кормовые травы – зерновые и зернобобовые культуры – овощи.
Среди зерновых культур выделяется рис, который отличается наибольшей интенсивностью накопления ванадия, что обусловлено выращиванием его на почвах периодически заливаемых ландшафтов, в рамках которых складываются благоприятные условия для накопления этого элемента. В ряду овощных культур особого внимания заслуживает свёкла, для которой было отмечено повышенное накопление рассматриваемых микроэлементов относительно остальных рассматриваемых культур.