Nickel and Vanadium in Crop Production of the Rostov Oblast

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.

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.

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). 

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).

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).

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.

Для оценки уровней накопления тяжелых металлов в растениях были рассчитаны коэффициенты биологического поглощения. Как показали результаты исследования, горох способен активно накапливать никель (КБП 1,22), что объяснимо его важной биохимической функцией (рис. 1, рис. 2).

Рисунок 1 - Коэффициент биологического поглощения (КБП) никеля в сельхозкультурах

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.95.4

Рисунок 2 - Коэффициент биологического поглощения (КБП) ванадия в сельхозкультурах

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.95.5

Известно, что никель относится к элементам среднего биологического захвата (КБП = 0,1–1); ванадий является элементом слабого и очень слабого захвата, КБП которого не превышает 0,1 [19]. Снижение интенсивности накопления Ni отмечается в фруктовых и ягодных культурах, таких как вишня и виноград (КБП=0,08), и переход элемента в категорию элементов слабого и очень слабого захвата. Увеличение интенсивности накопления никеля отмечается в горохе (КБП=1,22) и перемещение этого элемента на более высокий уровень (рис. 1). Переход ванадия в группу среднего биологического захвата отмечено в рисе, суданской траве и моркови (рис. 2).

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.

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.