Свойства почв, влияющие на тяжелые металлы

Степень негативного действия тяжелых металлов на растения определяется не столько валовым их количеством, сколько содержанием мобильных соединений, находящихся в почве. Формы же соединений металлов и процессы их трансформации в большей мере обусловлены свойствами почв, родом и концентрацией анионов в почвенном растворе, формами гумусовых веществ, способных образовывать с катионами металлов разные по растворимости соединения и сорбционными процессами на поверхности твердой фазы почвы, а также свойствами самих металлов. При прогнозировании накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах важной характеристикой служит направление трансформации попадающих в почву соединений элементов, изменение степени их доступности для корневых систем растений. Почва проявляет свои буферные свойства, переводя воднорастворимые соединения металлов в труднорастворимые формы, а труднорастворимые -в более мобильные, то есть прослеживается конвергенция внесенных соединений элементов, их превращение в соединения, свойственные самой почве конкретного состава и свойств. Однако буферная способность почвы не беспредельна, и с возрастанием экзогенных концентраций металлов постепенно увеличивается и количество тех соединений, в которых они поступают в почву.
Подвижность тяжелых металлов в почве и их поступление в растения очень изменчивы и зависят от многих факторов: вида растений, почвенных и климатических условий. Концентрация тяжелых металлов в растениях зависит также от возраста растений и сильно варьирует в различных органах.
В случае конкретного почвенно-климатического региона и наличия определенного типа растительности, доступность тяжелых металлов определяется свойствами почвы, изменяя которые можно существенно влиять на накопление тяжелых металлов в растительной продукции. К почвенным факторам относятся: гранулометрический состав, содержание органического вещества, реакция среды, емкость катионного обмена. К этим факторам добавляют содержание подвижных соединений фосфора и дренированность, подчеркивая все же их второстепенное значение.
Содержание фосфатов в почве по своему действию на доступность растениям тяжелых металлов аналогично влиянию реакции среды, что связано с слабой растворимостью солей тяжелых металлов в форме ортофосфатов. С ростом содержания в почве подвижных соединений фосфора увеличивается содержание трудно доступных для растений фосфатов тяжелых металлов.
В многолетнем полевом опыте МГУ (В.Г. Минеев, Н.Ф. Гомонова. 1991) длительное применение только азотно-калийных удобрений подкислило почвенный раствор и увеличило содержание подвижного алюминия. Вследствие этого содержание подвижных соединений тяжелых металлов в почве увеличилось (%): кадмия на 15, свинца на 98, никеля на 102. Применение полного минерального удобрения снизило содержание подвижных форм этих элементов до уровня неудобренной почвы. Следовательно, в условиях сильнокислой реакции среды фосфорные удобрения могут существенно снижать подвижность тяжелых металлов в почве. В длительном полевом опыте ВИУА, проведенном на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве с сильнокислой реакцией среды в результате 26-летнего систематического применения суперфосфата содержание подвижных форм тяжелых металлов снизилось (%): свинца на 40, меди на 35, кадмия на 10, марганца на 26, железа на 17 (С.И. Цыганок, 1993). Наряду с действием почвенных фосфатов на подвижность тяжелых металлов в почве имеет место и противоположный процесс, заключающийся в снижении содержания в почве подвижных соединений фосфора. Так, например, в полевом опыте НИИКХ увеличение содержания тяжелых металлов в почве до очень высоких величин (мг/кг): кадмия до 24,1, цинка до 1170 и меди до 1966 привело к снижению содержания подвижного фосфора более чем в 3 раза, что может быть объяснено образованием труднорастворимых соединений фосфора с этими металлами (табл. 46). Результаты этого опыта свидетельствуют о тесной динамичной обратной связи между содержанием соединений тяжелых металлов и подвижных фосфатов в почве. При этом следует иметь в виду, что наиболее ярко эта закономерность проявляется на почвах с кислой реакцией среды. В условиях интенсивного известкования связь между этими показателями ослабевает.

Гранулометрический состав почвы оказывает прямое влияние на подвижность тяжелых металлов. Опасность загрязнения растений тяжелыми металлами на почвах тяжелого механического состава значительно меньше, что связано с большей удерживающей способностью илистой фракции. На глинистых и суглинистых почвах токсичность тяжелых металлов проявляется слабее, чем на песчаных и супесчаных. Так, например, в вегетационном опыте ВНИПТИХИМ урожай моркови на супесчаной дерново-подзолистой почве, загрязненной кадмием, цинком и свинцом, на фоне известкования был 1,5-3,5 раза ниже. чем на тяжелосуглинистой. При известковании дозой CaCO3, равной половинной по гидролитической кислотности, на супесчаной почве урожая не было вообще в отличие от тяжел о суглинистой, где он получен, но был низким. Результаты этого опыта свидетельствуют о том, что детоксикационный эффект гранулометрического состава многократно слабее, чем от изменения реакции среды в почве.
С органическим веществом почвы металлы могут образовывать комплексные соединения, которые менее доступны для поглощения растениями. Поэтому на почвах с высоким содержанием органического вещества опасность накопления избыточного количества тяжелых металлов в растениях меньше, чем в малоплодородных с низким содержанием гумуса. Применение навоза, торфа, торфо-навозно-фосфоритных и других компостов позволяет использовать свойство многих органических соединений к комплексообразованию с тяжелыми металлами. Образующиеся металлоорганические комплексы являются в большинстве случаев неспособными к преодолению клеточных мембран на контакте почва-корень. При внесении органических удобрений подвижность тяжелых металлов, как правило, снижается. Количественное выражение этого процесса может быть подвержено резким изменениям и сильно зависит от уровня реакции среды в почве. В то же время следует иметь в виду, что на гумусированных почвах могут образовываться и подвижные формы тяжелых металлов, связанные с органическим веществом. способные мигрировать за пределы корнеобитаемого слоя с инфильтрационными водами. На гумусированных почвах в результате активно текущих биологических процессов образуется большое количество нитратов, которые при определенных условиях также могут усиливать миграцию тяжелых металлов за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
Наиболее устойчивые соединения в почве образуют тяжелые металлы с гуминовыми веществами. Вследствие плохой растворимости комплексов гуминовых кислот с тяжелыми металлами, особенно в кислой среде, их можно рассматривать, как запасное количество тяжелых металлов в почве, связанное с органическим веществом.
Тяжелые металлы образуют комплексы и с фульвокислотами устойчивость которых увеличивается с ростом pH.
Устойчивость металлоорганических комплексов в сильной степени зависит от pH и других свойств почвы. Она может быть представлена в виде следующего ряда:

Обогащение почвы большим количеством органического вещества снижает токсичность тяжелых металлов. Например, в вегетационном опыте ВНИПТИХИМ внесение в почву 500 т/га торфа позволило получить урожай моркови на кислой почве и на фоне дозы извести 0,25 г. к. Без торфа в этом случае растения погибли (табл 47). На фоне половинной и полной доз извести эффективность торфа повышалась.

При внесении тройной дозы CaCO3 действие торфа не проявилось. Результаты опыта показали, что внесение даже очень большого количества органического вещества в виде торфа на загрязненной тяжелыми металлами почве при кислой реакции среды было слабоположительным. Известкование почвы явилось непременным условием проявления сильного детоксикационного действия торфа, но только в определенном интервате реакции среды при pH 5,0-5,6.
В микрополевом опыте Костромского ПИЦАС на почве, загрязненной тяжелыми металлами (цинк-300, медь-150, свинец-100. кадмий-5 мг/кг), при сильнокислой реакции среды положительное влияние органических удобрений на предотвращение токсичности тяжелых металлов не проявилось. На вариантах опыта, где были внесены раздельно торфо-навозный компост 100 т/га. лигнин и сапропель по 60 т/га растения картофеля дали очень поздно сильно ослабленные всходы и не образовали клубней. Ни один из видов органических удобрений не предотвратил гибели урожая картофеля.
Исследований по изучению органических удобрений в качестве детоксикантов избыточного содержания тяжелых металлов в почве проведено совершенно недостаточно. Особенно это относится к дозам органических удобрений. В настоящее время вопрос о детоксикационном эффекте доз различных видов навоза. торфа, компостов и других органических удобрений остается открытым. He выяснена эффективность применения высоких доз навоза и торфо-навозных компостов, так как при этом возможен побочный отрицательный эффект от накопления в почве избыточного количества минеральных соединений азота и ухудшения качества растительной продукции.
В различных литературных источниках имеются предложения о возможности использования природных цеолитов для уменьшения подвижности и в некоторых случаях очистки почв от тяжелых металлов. Являясь ионообменниками с высокой емкостью цеолиты могут поглощать наиболее мобильную часть токсичных элементов и таким образом, снижать их поступление в растения. Следует иметь в виду, что их поглотительная способность относится только к металлам, находящимся в растворе в виде катионов. Поступление в растения анионов в присутствии цеолитов не снижается. В исследованиях, проведенных за рубежом отмечены факты достаточно эффективного, применения цеолитов на загрязненных почвах. В Японии получены положительные результаты при использовании клиноптилолита и морденита для извлечения кадмия, свинца и других ионов тяжелых металлов из многокомпонентных смесей. Способность цеолитов инактивировать тяжелые металлы в почве отмечена в исследованиях научных учреждений Польши и Болгарии. При этом, например, внесение цеолита в дозе 50 т/га снижало содержание свинца в растениях на 40-60%. В то же время на некоторых почвах действие цеолита вообще не проявилось.
В странах СНГ и большей частью в научно-исследовательских учреждениях Грузии также получены экспериментальные данные о положительном эффекте при использовании клиноптилолита для обработки почв, загрязненных свинцом. Было показано, что наибольший эффект может быть получен при использовании модифицированной формы цеолита, путем обработки природного сорбента раствором хлористого натрия. Например. в полевых опытах Института почвоведения Грузии, проведенных на участках, загрязненных свинцом, содержание этого элемента в корнях и стеблях растений кукурузы было в 2 раза ниже при добавке в почву клиноптилолита (Г.В. Цицишвили и др., 1985). Положительные результаты от применения цеолитов получены также в опытах Украинского НИИ земледелия, но оптимальный результат обеспечивали очень высокие дозы этого материала, соответствующие 70-100 т/га (Н.Ф. Челищев, P.B. Челищева, 1980).
В большинстве исследований, проведенных отечественными научными учреждениями (МГУ, ВИУА, ВНИПТИХИМ) в последние годы влияние цеолитов на поступление тяжелых металлов в растения было слабым и неустойчивым. Например, в вегетационном опыте ВНИПТИХИМ урожай моркови на кислой почве (pH 4.8) составил всего лишь 11 г на сосуд. Внесение в почву кадмия, цинка и свинца привело к гибели урожая независимо от применения цеолита и навоза в дозах, соответствующих 20-40 т/га. Доведение pH почвы до 6,0 позволило получить на загрязненной почве урожай 75 г на сосуд. При этом уровне реакции среды сочетание цеолита с навозом повысило урожай моркови до 95 г на сосуд. При pH 6,6-6,9 урожай моркови возрос до 100-133 г на сосуд, и в этих условиях применение цеолита и органических удобрений не дало эффекта. Внесение в почву цеолита в дозе 6 т/га не влияло на содержание кадмия в моркови и очень слабо снизило содержание в ней цинка (на 3 мг/кг или 9%) и свинца (на 0,6 мг/кг или 16%).
Увеличение дозы цеолита до 20 т/га привело к снижению содержания кадмия на 0,61 мг/кг (31%), цинка - на 9,5 мг/кг (29%) и свинца - на 1,12 мг/кг (31%), но в условиях кислой реакции среды в почве. Экспериментальные данные опытов ВНИПТИХИМ очень близки к результатам полученным в Польше, в которых при внесении разных видов цеолита в кислые почвы, загрязненные свинцом, удалось снизить содержание этого металла в среднем на 30%. Однако, на некоторых почвах эффект от применения цеолита был слабым или не проявился вовсе (Borowiak et al, 1985).
Судя по приведенным данным, перспективность использования цеолитов в качестве средства, снижающего токсичность тяжелых металлов и их накопление в растениях, остается весьма спорной Убедительных экспериментальных материалов об эффективности этих мелиорантов крайне недостаточно. He выяснена и продолжительность детоксикационного действия цеолита.
Реакция среды в почве является важнейшим фактором, определяющим токсичность тяжелых металлов и их вероятное накопление в растительной продукции. При известковании уменьшается подвижность в почве тяжелых металлов и, как следствие, их поступление в растения. Количественные параметры этого процесса исследованы крайне недостаточно и зависят от многих факторов: вида и формы химических соединений металлов, уровня реакции среды в почве, содержания в ней органического вещества и фосфатов, ее гранулометрического состава, особенностей растений (А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас. 1989, В.Г. Минеев, 1990, В.Б. Ильин, 1991). При создании в почве реакции среды в интервале pH 6,0-6,5 большинство тяжелых металлов образуют труднорастворимые соединения в виде карбонатов. Одновременно резко увеличивается содержание водорастворимого и обменного кальция, которые уменьшают способность корневой системы растений к поглощению ряда металлов (стронция, кадмия, свинца, марганца и других). Наличие свободного СаСО3 усиливает этот процесс и делает его более устойчивым и длительным. Известкование благоприятствует образованию комплексов органических веществ с тяжелыми металлами. Однако, при нейтрализации почвенной кислотности подвижность некоторых тяжелых металлов (молибдена, ванадия, селена) может возрастать. Ряд элементов сохраняет подвижность в широком диапазоне pH.
Несмотря на единодушную положительную оценку известкования в опубликованных научных работах получены различные результаты, характеризующие эффективность детоксикационного действия доз известковых удобрений. Так. в опытах М. Пиотровской (1981) наибольший эффект получен при внесении только очень высокой дозы извести, составляющей 30 т/га CaCO3. Однако и при этом содержание в травах цинка, кадмия и меди было выше ПДК.
По данным В.Г. Петраш и Ю.Г. Деребон (1988) применение доломитовой муки на орошаемой сточными водами дерново-подзолистой почве приводило к снижению содержания меди и цинка в растениях костра безостого. В большинстве укосов величина снижения поступления в растения меди и цинка под влиянием нейтрализации кислотности почвы достигала 200-300% и проявилась как на неудобренном фоне, так и при внесении минеральных удобрений. На некоторых укосах это действие известкования было выражено слабо.
Многие авторы приводят данные, свидетельствующие о значительном положительном эффекте известкования кислых почв с целью инактивации избыточных количеств тяжелых металлов. Так. Л. Файтонджиев (1981), изучая разные дозы извести на сильнокислой светло-серой лесной почве Болгарии, выявил различную их эффективность в снижении содержания свинца в люцерне. Результаты его исследований показали, что уже при нейтрализации обменной кислотности в почве заметно возросла величина pH и в 2 раза уменьшилось содержание алюминия. Это положительно отразилось на урожае: сухая масса увеличилась почти на 60%. количество Pb в сене люцерны уменьшилось в 4 раза. Однако, нейтрализация обменной кислотности не обеспечивала получения растительной продукции, приемлемой с ветеринарно-гигиенических позиций. При увеличении дозы извести с целью полного устранения гидролитической кислотности почвы и достижения нейтральной реакции среды, содержание Pb в сене снизилась в 13 раз, однако началось падение урожая. Создание очень высокого содержания свободного СаСО3 привело к дальнейшему снижению поступления свинца в растения, но урожай люцерны при этом был ниже, чем на неизвесткованной почве.
В исследованиях И.А. Шильникова с соавторами (1994) положительное влияние известкования на уменьшение поступления тяжелых металлов в растения наблюдалось вплоть до применения дозы известняковой муки, соответствующей 40 т/га СаСО3. Эти данные свидетельствуют о том, что уровень максимального действия доз извести на урожай и содержание тяжелых металлов в растительной продукции не совпадают. Следовательно. положительное влияние известкования, как детоксиканта, может проявляться не только на почвах с избыточной кислотностью, но и на почвах с оптимальной для роста и развития растений реакцией среды.
Имеющаяся в настоящее время информация свидетельствует о том. что необходимо с учетом свойств почв, особенностей культурных растений и химических свойств тяжелых металлов экспериментально разрабатывать научно-методические подходы к известкованию почв, как специфическому мелиоративному приему по детоксикации тяжелых металлов. В настоящее время ясным является лишь общее положение, свидетельствующее о том, что известкование является одним из наиболее эффективных и реально выполнимых с экономической и ресурсной позиции мероприятий по детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв.
Емкость катионного обмена определяется минералогическим составом глинистой фракции и содержанием органического вещества С ростом обменной емкости катионов возрастает удерживающая способность почв в отношении тяжелых металлов. снижающая возможность их накопления в растениях в избыточном количестве. Влияние состава обменных катионов на доступность растениям тяжелых металлов исследовано крайне слабо и определенного значения их не установлено.
Значение дренажа проявляется в удалении избыточного количества влаги из почвы, так как избыток воды благоприятствует появлению в ней металлов с низкой валентностью в более растворимой форме. Аналогичную дренажную роль может выполнять глубокое рыхление слабодренированных почв, так как в анаэробных условиях растворимость тяжелых металлов увеличивается.
Среди почвенных факторов, влияющих на загрязнение растений тяжелыми металлами, ведущая роль принадлежит содержанию и форме (степени подвижности) тяжелого металла в почве. Управляя другими факторами, детоксикационные мероприятия в первую очередь должны быть направлены на снижение подвижных форм тяжелых металлов, так как на валовое их количество влиять практически невозможно.
В 1990-1994 годах в ВИУА, ВНИПТИХИМ, НИИ картофельного хозяйства, Тверском и Костромском ПИЦАС проведены исследования по влиянию известкования, органических и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве и растениях.
На Костромской ПИЦАС в 1994 году проведен микроделяночный полевой опыт с целью изучения транслокации тяжелых металлов в почве, сельскохозяйственной продукции и разработки приемов детоксикации почв для получения чистой продукции. Почва дерново-подзолистая супесчаная слабоокультуренная: pH 4,0, содержание подвижных форм фосфора и калия составило соответственно 2.0 и 5,4 мг на 100 г, гидролитическая кислотность 5,6 мэкв на 100 г почвы. Валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг: Zn-5,4; Cu-1,0; Pb-5,2; Cd-0,15. Тяжелые металлы вносили непосредственно перед посадкой картофеля в виде сернокислого цинка, медного купороса уксусно-кислого свинца и кадмия из расчета на чистый металл: цинка 300, меди 150. свинца 100, кадмия 5 мг на 1 кг почвы. Доломитовую муку вносили в дозе, соответствующей 2,5 гидролитической кислотности, торфо-навозный компост (ТНК) в дозе 100 т/ra, лигнин - 60 т/га. сапропель - 100 т/га.
Картофель сорта "Изора". был посажен на второй день после внесения в почву тяжелых металлов и удобрений. Результаты опыта показали, что внесение водорастворимых форм тяжелых металлов меди, свинца, цинка и кадмия в дозах, равных или несколько превышающих ПДК, привело к гибели урожая на всех вариантах, где не была внесена доломитовая мука (табл. 48).

Применение органических удобрений и повышенной дозы минеральных удобрений не устранило полной гибели растений от токсикоза тяжелых металлов в условиях кислой реакции среды. Положительное влияние 100 тонн торфо-навозного компоста на урожай картофеля проявилось только на произвесткованной до уровня pH 6,2-6,4 почвы при степени насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями 90-92%. Следовательно, только известкование почвы, хотя и проведенное лишь перед самой посадкой картофеля, смогло стать барьером в условиях резко выраженной фитотоксичности меди, свинца, цинка и кадмия. При этом следует иметь ввиду, что в почву были внесены водорастворимые формы тяжелых металлов. обладающие наибольшей фитотоксичностью. ПДК водорастворимых форм тяжелых металлов пока не разработаны.
После уборки картофеля было проведено определение подвижных форм тяжелых металлов в почве по вариантам опыта (табл. 49).

Результаты анализа показали, что содержание подвижных форм тяжелых металлов оставалось высоким до конца вегетационного периода. Удвоение дозы минеральных удобрений на 15-20% увеличивав содержание в почве подвижных соединений меди и свинца. В целом зависимости между содержанием в почве подвижных соединений тяжелых металлов и урожаем картофеля не установлено. Если известкование проявило четкое влияние на устранение фитотоксичности тяжелых металлов, то это никак не коррелирует с содержанием их подвижных соединений на вариантах с применением извести и без нее. Возможно это явление связано с кратковременностью действия известкования на почву, а также с высокой подвижностью в почве водорастворимых форм тяжелых металлов. Однако, результаты опыта свидетельствуют о том, что положительное влияние известкования на устранение или ослабление фитотоксичности тяжелых металлов может быть и не связано со снижением подвижных форм тяжелых металлов в почве.
В результате применения минеральных удобрений содержание подвижного фосфора увеличилось более, чем в 5 раз, но не устранило отрицательного действия тяжелых металлов на урожай клубней.

На фоне тяжелых металлов их содержание в клубнях и ботве картофеля увеличилось (табл. 50). Причем содержание цинка, меди, свинца и кадмия в клубнях было на порядок ниже, чем в ботве. Соотношение содержания элементов в клубнях по отношению к ботве составило в среднем для цинка 1:10, меди 1:10 и кадмия 1:20. Если содержание этих элементов в ботве было очень высоким, то в клубнях находилось в пределах гигиенически допустимого количества. Это свойство культуры картофеля противостоять загрязнению клубней тяжелыми металлами является очень ценным и в перспективе представляет большие возможности его использования в практике сельскохозяйственного производства на загрязненных почвах. Вследствие гибели клубней на непроизвесткованной почве трудно выявить влияние факторов на поступление тяжелых металлов в растения. Сильное действие на снижение концентрации тяжелых металлов в ботве картофеля оказало известкование. В меньшей степени снижение содержания тяжелых металлов в ботве происходило при внесении в почву органических удобрений и удвоенной дозы минеральных удобрений.
В Тверском ПИЦАС в 1993 году на суглинистой дерново-подзолистой среднеокультуренной почве (pH 5,7-6,0; содержание подвижных P2O5 и K2O соответственно 24-28 и 23-26 мг на 100 г почвы) проведен полевой опыт, в котором изучалось влияние совместно внесенных в почву цинка, кадмия, меди и свинца на урожай и поступление этих элементов в растительную продукцию. Тяжелые металлы вносили в виде сернокислого цинка, азотнокислого кадмия, хлорной меди и уксуснокислого свинца в дозах, мг/кг почвы: Cd - 5, Cu - 100, Pb - 100, Zn - 300 весной перед посадкой сельскохозяйственных культур под предпосевную культивацию.
В качестве фона вносили минеральные удобрения из расчета N100P80K80. Содержание тяжелых металлов в исходной почве было не высоким и по принятой эколого-токсикологической оценке по содержанию валовых и подвижных форм этих элементов относилось в основном к первой группе, характеризующей благоприятную ситуацию. Содержание валовых форм находилось в следующих пределах, мг/кг: меди 2-3, цинка 8-11, свинца 4-6, кадмия 0.23-0,33. Среднее содержание подвижных форм (экстрагент 1 M HCl) в процентах от валового количества составило для меди 40, цинка 24, свинца 67. Содержание тяжелых металлов в компосте и осадке сточных вод (ОСВ) приведено в таблице 51, материалы которой свидетельствуют о том, что содержание тяжелых металлов в компосте было сравнительно низким и не могло существенно повлиять на их количество в пахотном слое почвы. В осадках сточных вод содержание тяжелых металлов было в десятки раз выше, чем в компосте, но в целом было все же намного ниже, чем приводимое в исследованиях многих авторов (Ю.В. Алексеев, 1987; Г.А. Гармаш, 1989: B.A. Касатиков, 1988), за исключением никеля, количество которого в 3-4 раза было выше обычного, заметно превосходя ПДК.

Полевой опыт имеет в натуре 3 поля, на которых одновременно выращивали картофель, кукурузу и кормовую свеклу. Результаты учета урожая в полевом опыте Тверского ПИЦАС приведенные в таблице 52, показали, что в отличие от опыта, проведенного на почве с сильно-кислой реакцией среды, при внесении тяжелых металлов гибели растений не последовало и фитотоксическое действие их было выражено слабее. Резкое отрицательное действие на урожай тяжелых металлов проявилось на кукурузе и особенно на кормовой свекле, урожай картофеля остался без изменений. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в условиях интенсивного известкования картофель более устойчив к токсическому действию тяжелых металлов, чем кукуруза и кормовая свекла.
Кроме того, фитотоксичность в целом была не высокой вследствие того, что дозы TM за исключением Cd были низкими.

Отсутствие резкого отрицательного действия осадков сточных вод на урожай культур, на наш взгляд, можно объяснить их относительно невысокой степенью загрязнения тяжелыми металлами
Увеличение содержания в почве тяжелых металлов приводило к накоплению элементов в растениях (табл. 53 и 54). В большей степени это относится к цинку, содержание которого в корнях свеклы и клубнях картофеля возрастаю более, чем в 3 раза. Содержание меди, свинца и кадмия повышалось в среднем на 10-30%. При сравнении с нормами ПДК содержание Cu, Zn, Pb в корнях свеклы, клубнях картофеля и воздушно-сухой массе кукурузы было ниже предельно-допустимых концентраций, а содержание Cd несколько превышало ПДК. При сравнении с нормами МДУ некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных все показатели, в том числе и Cd. были ниже предусмотренных норм. Действие одного известкования и в сочетании с компостами было большей частью положительным, но относительно не высоким. Осадок сточных вод наоборот приводил, хоть и к слабому, но увеличению содержания тяжелых металлов в корнях свеклы, клубнях картофеля и зеленой массе кукурузы. Результаты анализов показали, что загрязненность ботвы свинцом, цинком и кадмием была в несколько раз выше, чем у корней.


Известно, что известкование устраняет избыточную кислотность почвы и обогащает почвенно поглощающий комплекс и почвенный раствор кальцием. Работами O.K. Кедрова-Зихмана (1957) экспериментально доказано, что решающим фактором для роста и развития растений является, главным образом, нейтрализация реакции среды в почве. Результаты проведенных ВНИПТИХИМ модельных опытов показали, что аналогичная закономерность наблюдается в реакции растений и на почвах, загрязненных тяжелыми металлами.
В вегетационном опыте ВНИПТИХИМ, проведенном в 1992 году на дерново-подзолистой суглинистой почве с сильнокислой реакцией среды (pH 4,0), изучалось влияние различных форм известковых удобрений, а также углекислого натрия и сернокислого кальция на урожай кормовой свеклы. Мелиоранты вносили в дозах 0,5 и 3,0 по гидролитической кислотности. При закладке опыта в почву внесены тяжелые металлы (мг/кг): кадмий-10, цинк-300, свинец-100. Результаты опыта, приведенные в таблице 55, показали, что на неизвесткованной почве и при внесении сернокислого кальция, из-за токсичности тяжелых металлов, урожай свеклы полностью погиб, а на незагрязненной тяжелыми металлами почве составил 417 г/сосуд. При внесении всех материалов, которые изменяли реакцию среды в сторону подщелачивания, в том числе и не содержащего кальция углекислого натрия, получены нормально развитые растения свеклы. Наибольшую эффективность проявили высокие дозы известковых материалов, обеспечивающие создание нейтральной. а при внесении углекислого натрия - слабощелочной реакции среды в почве. Следовательно, при детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв с помощью известьсодержащих материалов, главное внимание следует уделять их активной нейтрализующей способности. При этом половинной по гидролитической кислотности дозы известкового удобрения для устранения фитотоксичности кадмия, цинка и свинца было недостаточно. Наибольшую достоверную прибавку урожая кормовой свеклы обеспечила доза 1,5 гидролитической кислотности углекислого натрия, приведшая к изменению pH почвы до слабощелочного уровня, более высокого, чем при внесении CaCC3 и даже CaO в дозе, равной 3,0 г. к. Значение содержания магния в известковом удобрении для детоксикации загрязненной почвы не проявилось, так как разницы в действии доломитовой муки и CaCO3 не было.

В полевом опыте НИИ картофельного хозяйства, проведенном в 1992-1993 годах на дерново-подзолистой супесчаной почве, внесением осадка сточных вод в возрастающих дозах и применением солей кадмия, цинка и меди создали широкий диапазон содержания этих элементов в почве от низкого до очень высокого уровня по шкале А.И. Обухова (1988): кадмия от 0.4 до 24.0; цинка от 35 до 1170; меди от 13 до 1800 мг/кг. Одновременно создавались различные уровни реакции среды в почве от pH 5.7 до 7.6.
Уровень загрязнения почвы по мере увеличения содержания тяжелых металлов в почве оказал резкое отрицательное действие на урожай картофеля, который снижался в 3 раза (табл. 56) Снижение урожая при очень высоком уровне загрязнения почвы объясняется возросшим фитотоксическим действием кадмия, цинка и меди не только по отдельности, но и в их сочетаниях. Однако, увеличение уровня загрязнения до очень высокого имело и другой побочный негативный эффект: высокое содержание в почве тяжелых металлов привело к снижению подвижных форм калия и, особенно, фосфора. Так, содержание фосфора снизилось более, чем в 3 раза.

Поэтому не только фосфорные удобрения могут оказывать блокирующее действие на содержание подвижных соединений тяжелых металлов в почве, но и тяжелые металлы могут ухудшить фосфорное питание растений за счет уменьшения запасов подвижных фосфатов в почве.
В полевом опыте НИИКХ отрицательное действие тяжелых металлов на урожай картофеля в большой степени зависело от уровня реакции среды в почве (табл. 57) В интервале pH почвы 5,7-6,1 урожай картофеля снизился при среднем уровне загрязнения почвы тяжелыми металлами в 1,8 раза, при высоком - в 2,8 раза, а при очень высоком - в 3,0 раза по сравнению с контрольным вариантом (низкий уровень загрязнения) Повышение pH почвы до нейтрального уровня реакции среды в 1.5-2,0 раза снизило фитотоксичность возрастающего загрязнения почвы. Доведение реакции среды до слабощелочной позволило даже при высоком уровне загрязнения почвы получить урожай, мало отличающийся от того, который получен на незагрязненной почве при pH 5,7-6,1.

При среднем уровне загрязнения почвы, который имеет наибольшее распространение в практических условиях, доведение реакции среды в почве до pH 7,5-7,6 позволило получить фактически максимальный урожай, существенно не отличающийся от урожая на незагрязненной почве.
На фоне слабощелочной реакции среды в почве положительное влияние на урожай картофеля при средней степени загрязнения кадмием (1.2-1,8 мг), медью (26-35 мг) и цинком (51-67 мг) оказали фосфоритная мука и торф, внесенный в дозе 120 т/га (табл. 58). Действие опилок и цеолита не проявилось, а внесение соломы приводило к снижению урожая, возможно за счет временной иммобилизации минерального азота и ухудшения азотного питания растений. С фосфоритной мукой в почву поступило 1760 кг пятиокиси фосфора или почти 60 мг на 100 г почвы, что положительно повлияло на продуктивность картофеля на незагрязненной почве, но не было эффективным при ее загрязнении На сильно загрязненной почве (Cd 4,6-11, Cu 67-185, Zn 143-265 мг/кг) эффективно было только внесение торфа.

Анализ клубней картофеля показал, что при увеличении валового содержания кадмия, цинка и меди в почве их количество в клубнях увеличивалось (табл. 59). Однако, содержание кадмия в клубнях при 30-кратном увеличении количества этого элемента в почве по сравнению с нормами ОДК оставалось в гигиенически благоприятном интервале, не превышая 0,16 мг на кг сухого вещества (или 0,03 мг в пересчете на сырую массу). Содержание Zn и Cu в клубнях картофеля на сильно загрязненной почве было выше ПДК.

Сопоставление содержания Cd, Zn и Cu в клубнях картофеля с уровнями загрязнения почвы этими элементами при различной реакции среды показало, что при величине рHсол 5,7-6,1 по мере роста уровня загрязнения почвы до высокого, содержание Cd, Zn и Cu в клубнях увеличивается выше ПДК (табл. 60). При слабощелочной реакции среды (рНсол 7,3-7,7) даже на сильно загрязненных почвах содержание этих элементов было ниже ПДК. Результаты опыта показали, что интенсивное известкование с целью создания слабо щелочной реакции среды в почве позволяет получать на сильнозагрязненных кадмием, цинком и медью почвах картофель, пригодный для продовольственных целей. Поэтому при прогнозировании вероятного загрязнения картофеля кадмием, цинком и медью необходимо иметь данные не только о содержании этих металлов в почве, но и уровня ее кислотности. В приведенном опыте при слабощелочной реакции среды на загрязненной TM почве пораженность клубней паршой обыкновенной была очень низкой. Можно объяснить этот факт не только неблагоприятным уровнем реакции среды для этого возбудителя, но и повышенным фоном цинка и меди, при котором развитие парши на клубнях снижается.

В микрополевом опыте, проведенном на ЦОС ВИУА, исследовалось влияние возрастающих доз извести и величины pH на поступление в растения моркови кадмия, цинка и свинца (И.А. Шильников. Л.А. Лебедева. С.Н. Лебедев. 1994) Диапазон доз известняковой муки был таким широким, что обеспечивал сдвиг pH на 2,1 до практически максимально возможного для дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы уровня. Результаты опыта, приведенные в таблице 61, показали, что с ростом величины pH до наивысшего значения происходит снижение содержания в моркови кадмия, цинка и свинца соответственно в 3,3; 5,0 и 3,9 раза. И хотя точность в опыте оказалась и не высокой, все же общая закономерность положительного влияния известкования на снижение содержания в растении всех тяжелых металлов проявилась вполне отчетливо, вплоть до самой высокой дозы извести. Высокое содержание тяжелых металлов в корнеплодах выше ПДК объясняется внесением непосредственно под эту культуру воднорастворимых форм Cd, Zn и Pb.

В опыте с укропом при внесении возрастающих доз извести в супесчаную и тяжелосуглинистую почвы проявилась примерно та же закономерность. Содержание Cd и Zn в укропе с ростом pH почвы до уровня 7,1-7,4 закономерно снижалось. Наибольшее в количественном выражении снижение поступления Cd и Zn в растение происходило в интервале pH 5,5-6,0. затем оно носило плавно затухающий характер, но проявлялось отчетливо для цинка до pH 7,0-7,1, а для кадмия до pH 7,4 (рис.2).

Следовательно, на сильно кислой почве наибольший эффект по снижению поступления в растения TM оказали оптимальные в агрохимическом значении дозы извести, ориентировочно соответствующие 7-12 т/га CaCO3. Увеличение доз извести до 30-40 т/га давало меньший, но вполне определенный эффект.
Содержание фосфатов в почве по своему действию на доступность растениям тяжелых металлов аналогично влиянию реакции среды, что связано со слабой растворимостью солей тяжелых металлов в форме ортофосфатов. С ростом содержания в почве подвижных соединений фосфора увеличивается содержание трудно доступных для растений фосфатов тяжелых металлов.
В многолетнем полевом опыте МГУ (В.Г. Минеев, H.Ф. Гомонова, 1991) длительное применение только азотно-калийных удобрений подкислило почвенный раствор и увеличило содержание подвижного алюминия. Вследствие этого содержание подвижных соединений тяжелых металлов в почве увеличилось (%): кадмия на 15; свинца на 98; никеля на 102. Применение полного минерального удобрения снизило содержание подвижных форм этих элементов до уровня неудобренной почвы. Следовательно. в условиях сильнокислой реакции среды фосфорные удобрения могут существенно снижать подвижность тяжелых металлов в почве. В длительном полевом опыте ВИУА. проведенном на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве с сильнокислой реакцией среды в результате 26-летнего систематического применения суперфосфата содержание подвижных форм тяжелых металлов снизилось (%): свинца на 40; меди на 35; кадмия на 10; марганца на 26; железа на 17 (С.И. Цыганок. 1993). Наряду с действием почвенных фосфатов на подвижность тяжелых металлов в почве имеет место и противоположный процесс, заключающийся в снижении содержания в почве подвижных соединений фосфора. Так, например, в полевом опыте НИИКХ увеличение содержания тяжелых металлов в почве до очень высоких величин (мг/кг): кадмия до 24,1; цинка до 1170 и меди до 1966 привело к снижению содержания подвижного фосфора более, чем в 3 раза, что может быть объяснено образованием труднорастворимых соединений фосфора с этими металлами (табл. 62). Результаты этого опыта свидетельствуют о тесной, динамичной, обратной связи между содержанием соединений тяжелых металлов и подвижных фосфатов в почве.

При этом следует иметь в виду, что наиболее ярко эта закономерность проявляется на почвах с кислой реакцией среды. В условиях интенсивного известкования связь между этими показателями ослабевает.
С целью выявления приоритетности действия факторов на поступление тяжелых металлов в растения был заложен микрополевой опыт на ЦОС ВИУА в 1990 г. по 1/9 выборке факториальной схемы 6x6x6 на тяжелосуглинистой и супесчаной почвах Площадь сосуда без дна 25x25 см. Повторность в опыте 2-кратная. Агрохимическая характеристика тяжелосуглинистой почвы: pH 4.5. содержание органического вещества 1.4%, Ca+Mg 12.1 мг-экв/100 г. валовое содержание Cd-0,2, Zn-27. Pb-10 мг/кг Агрохимическая характеристика супесчаной почвы: pH 4,0. содержание органического вещества 1,2%, Ca+Mg 2,0 мг*экв/100 г. обменная кислотность 0,9 мг-экв/100 г. валовое содержание Cd-0,2. Zn-14. Рb-10 мг/кг. В опыте вносили раздельно тяжелые металлы в шести дозах (от 0 до пяти доз); кадмий - в форме азотнокислой соли, максимальная доза 20 мг/кг почвы: цинк - в сернокислой форме, максимальная доза -500 мг/кг. свинец - в азотнокислой форме, максимальная доза -500 мг/кг. В конце 2-го года в почве определили содержание TM в вытяжке 1н. HCl, все расчеты вели с учетом этих данных. Известь вносили в шести дозах, максимальная доза по 6 г. к. (40 т/га), максимальный pH - 6,7-7,0. Третьим фактором был торф. Максимальная доза - 500 т/га которая увеличила содержание органического вещества в почве до 5,0-5,8%. В 1991 г. выращивали укроп, в 1992 г. - озимую рожь на зеленую массу. Результаты опыта обработаны регрессионным анализом и полученные данные приведены в таблице 63 (Шильников И.А., Лебедева Л.А., Лебедев С.Н. и др.. 1994) Наибольшее действие на поступление кадмия и цинка оказали: смена культуры, изменение содержания TM в почве, pH почвы и ее гранулометрический состав. Увеличение содержания органического вещества было наименее действенным. Роль гранулометрического состава дерново-подзолистой почвы проявилась вполне определенно, но все же была менее существенной чем такие факторы, как культура, содержание TM в почве и pH. Значение pH было очень близко к действию уровня TM в почве и культуры. Поэтому фактор реакции среды в почве, которым в практике с организационной и экономической сторон наиболее приемлемо управлять, по-видимому, станет основным в реализации задачи детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв.

Содержание тяжелых металлов в растениях зависит не только от содержания конкретного элемента в почве, но и от соотношения между ними. Вопрос об антагонизме и синергизме между тяжелыми металлами при их поступлении в растения исследован очень слабо, но немногочисленные результаты экспериментов свидетельствуют о его важности. Так, например, в опытах ВНИПТИХИМ получены следующие результаты. На загрязненной только свинцом почве (200 мг/кг) содержание свинца в корнеплодах свеклы в зависимости от интенсивности известкования изменялось от 10,5 до 6,4, превышая ПДК для растений, равную 5 мг на кг сухой биомассы. При той же дозе свинца, но на почве также загрязненной кадмием и цинком содержание этого металла в растениях составило 4,6-1,3 мг на кг, то есть было в пределах санитарно-гигиенической нормы. Следовательно. загрязнение почвы смесью металлов в 2,3-4,9 раз снижало накопление свинца в растениях. Противоположный результат получен при загрязнении корнеплодов свеклы цинком. Поступление этого элемента в корни свеклы при внесении смеси тяжелых металлов увеличивалось в 3-4 раза по сравнению с вариантом, на котором в почву внесен был только цинк в дозе 300 мг на кг. В этом случае свинец и кадмий сильно повысили содержание цинка в растениях. В отличие от свинца и цинка поступление кадмия в растения свеклы существенно не зависело от того, один он был внесен в почву или в смеси с другими элементами (рис. 3-5).

Таким образом, наряду с содержанием в почве тяжелых металлов и свойствами самих почв сильное влияние на загрязнение растительной продукции может оказывать состав и соотношение элементов-загрязнителей. Однако эта часть проблемы в системе почва-растение-удобрение для тяжелых металлов исследована настолько слабо, что ни о каких даже ориентировочных прогнозах нельзя говорить. В то же время в практических условиях загрязнение почвы несколькими тяжелыми металлами или их комплексом является преобладающим. Исследования же проводились в большинстве случаев с одним элементом.
Таким образом, в системе почва-растение-удобрение между содержанием подвижных соединений тяжелых металлов в почве и их доступностью растениям существует сложная многофакторная зависимость. Среди агрохимических приемов, позволяющих регулировать поступление тяжелых металлов в растения, по материальносырьевым ресурсам, экономической и агрономической эффективности наибольшее значение имеет известкование почвы. В этом состоит одна из важнейших природоохранных ролей этого мелиоративного приема. Наибольший детоксикационный эффект известкования проявляется на почвах с сильнокислой реакцией среды. В этих условиях только известкование почвы устраняло резко выраженную фитотоксичность совместного внесения меди, свинца, цинка и кадмия. Применение различных форм органических удобрений в этих условиях было не эффективно. На почвах со слабокислой и близкой к нейтральной реакцией среды также проявлялось действие известкования на снижение поступления тяжелых металлов в растения. При известковании с целью снижения или устранения фитотоксичности тяжелых металлов главная цель состоит в изменении реакции среды в почве. По нашим экспериментальным данным роль катиона при этом не имеет значения. Наибольший детоксикационный эффект в отношении тяжелых металлов достигается при использовании комплекса приемов (подбор сельскохозяйственных культур, известкование. применение органических удобрений и др.).

---