Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Степи юга Европейской части России – зона интенсивного сельскохозяйственного производства, где выращивается около 80 % земледельческой продукции страны. По стоимости произведенной в 2021 г. сельскохозяйственной продукции Ростовская область занимает 2 место в России, уступая только Краснодарскому краю – региону с гораздо более благоприятными природно-климатическими условиями [1]. Основная отрасль сельского хозяйства области – растениеводство. В 2021 г. Донской край произвел 10,6 % общероссийского урожая подсолнечника, 9,3 % зерна, 4,0 % овощей и 3,2 % плодов и ягод.

Сельскохозяйственные угодья занимают более 80 % общей площади области. На долю пашни приходится 57,9 % всей ее территории [2]. Посевные площади, резко сократившиеся в 1990-х гг., с 2001 г. постоянно увеличиваются. Одновременно повышается агротехногенная нагрузка на территорию, что проявляется в росте применяемых минеральных удобрений. За последние три года доза вносимых удобрений превысила 80 кг на 1 га посева [3]. Это максимальная величина за всю историю земледелия на Дону.

В соответствии с классификацией Н.С. Касимова [4] на территории Ростовской области выделены следующие отделы агроландшафтов: полевые, 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.

Полевые богарные ландшафты абсолютно доминируют на территории Ростовской области. Из-за дефицита водных ресурсов площадь орошаемых земель сократилась в 2 раза по сравнению с 1980-ми гг. и сейчас составляет около 3,6 % от общей площади пашни. Сады и виноградники занимают еще меньшее пространство – менее 1 %.

Почвенный покров агроландшафтов образован преимущественно черноземами и каштановыми почвами. Черноземы занимают основную часть Ростовской области; на засушливом востоке и юго-востоке развиты каштановые почвы. Среди почв черноземного ряда выделяют следующие подтипы: черноземы южные, обыкновенные, североприазовские и предкавказские, а также лугово-черноземные почвы. Каштановые почвы представлены темно-каштановыми, каштановыми и светло-каштановыми подтипами. Их отличительной чертой является солонцеватость, растущая в восточном направлении.

Внесение больших количеств минеральных удобрений приводит к нарушению биогеохимических циклов миграции элементов и накоплению тяжелых металлов (ТМ) во всех блоках агроэкогеосистем. Таким образом, целью исследования является исследование распределения ТМ в почвенно-растительном покрове различных агроландшафтов.

Материалы и методы исследования

В основу работы положены результаты эколого-геохимической съемки на территории 42 агропредприятий разной земледельческой специализации, расположенных в различных природно-сельскохозяйственных зонах Ростовской области (рисунок). Опробование включало в себя отбор проб поверхностного (0–20 см) почвенного горизонта и сельскохозяйственных культур.

Эколого-геохимическая съемка проводилась в 2015–2018 гг. 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 477 проб.

На каждой площадке одновременно с почвой отбирали пробу продуктивной части сельскохозяйственной культуры. Опробование проводилось по достижению культурами товарной зрелости. В результате было отобрано 311 проб сельскохозяйственных растений, из них: 187 проб зерновых и зернобобовых культур, 74 – кормовых трав, 29 – фруктов, 21 – овощей.

В почвенных и растительных образцах методом атомно-абсорбционной спектрометрии определялось содержание ванадия, кадмия, марганца, меди, никеля, свинца, хрома и цинка. Для почвенных проб рассчитывались коэффициенты концентрации и рассеяния тяжелых металлов по отношению к местному геохимическому фону. Интенсивность накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах выражалась через коэффициент биологического поглощения (КБП), полученный делением содержания химического элемента в растении на его содержание в почве.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки уровня антропогенного преобразования сельскохозяйственных ландшафтов необходимо знать содержание химических элементов в ландшафтах фоновых территорий. Эталонные фоновые ландшафты должны располагаться вне зоны влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения [4]. Интенсивное земледельческое освоение территории обусловило исчезновение естественных степей, поэтому в качестве фоновых величин многими учеными используются концентрации ТМ в почвах локальных охраняемых природных территорий [5]. В настоящей работе за природный геохимический фон приняты содержания ТМ в почвах пастбищ, наиболее отдаленных от основных источников загрязнения районов Ростовской области [6]. Региональные фоновые концентрации ТМ в почвах представлены в табл. 1.

Схема расположения агропредприятий На схеме цифрами обозначены: 1 – ООО «Север»; 2 – СПК «Тихий Дон»; 3 – ТОО «Вешенское»; 4 – СПК «Киевский»; 5 – ПОО ТОО «Октябрь»; 6 – ООО «Партнер»; 7 – ООО «Слава»; 8 – СТ «Мичуринец»; 9 – ООО «Родина»; 10 – КФХ «Колос»; 11 – ООО «Стычное»; 12 – ООО «Винсовхоз Цимлянский»; 13 – ООО «Плодосовхоз»; 14 – СПК «Зори Волгодонска»; 15 – ООО «Мелиоратор»; 16 – ОАО «Янтарное»; 17 – АО «Бакланниковское»; 18 – ФЛ «Междуреченский»; 19 – СПК «Елкинский»; 20 – КФХ «Руно»; 21 – ООО «ССЦ «Макошь»; 22 – ООО «Центр-Агро»; 23 – СПК Колхоз «Приазовье»; 23 – ПСХК «Александровский»; 24 – СПК Колхоз «Краснокутский»; 25 – ООО «Степное»; 26 – Раздорское СКО; 27 – ООО «Винодельня Ведерниковъ»; 28 – ТНВ «Янтарное Природный»; 29 – ООО «Ольгинское»; 30 – ООО «Ключевое»; 31 – СКО «Целинская»; 32 – ООО «Агрофирма «Целина»; 33 – СПК «Лиманный»; 34 – ООО «Степь»; 35 – СПК «Зерновое»; 36 – ООО «Красноармейское»; 37 – СПК «Восток»; 38 – ООО «Зори Ставрополья»; 39 – ООО «Агрофирма Донагро-78»; 40 – СПК «Родина»; 41 – ООО «Алмаз»; 42 – СПК Племзавод «Подгорное»

Таблица 1

Фоновые содержания ТМ в почвах Ростовской области, мг/кг [6]

Таблица 2

Содержания ТМ в различных типах почв полевых неорошаемых ландшафтов Ростовской области [7, 8]

Как уже отмечалось, наиболее распространенными агроландшафтами в пределах Ростовской области являются неорошаемые (богарные) ландшафты, отличающиеся минимальным агрогенным преобразованием почвенной среды. На их примере возможно изучение распределения химических элементов в разных типах почв области (табл. 2).

Анализ содержаний элементов в почвах богарных ландшафтов выявил незначительные различия в концентрациях ТМ внутри разных типов почв. Это объясняется общей направленностью почвообразовательного процесса и слабой литогеохимической дифференциацией почвообразующих пород. По особенностям распределения в почвах выделяются следующие группы элементов:

1) Cr, Cu, Zn и Ni, для которых незначительное увеличение концентраций наблюдается в ряду: каштановые – подтипы черноземных – лугово-черноземные почвы;

2) V, накапливающийся в основном в каштановых почвах;

3) Mn, Cd и Pb, для которых установлена слабая дифференциация элементов в разных подтипах почв.

В целом среднее содержание микроэлементов в почвах неорошаемых ландшафтов близко к фоновым величинам. Исключение составляют кадмий и свинец, содержание которых превышает естественный педогеохимический фон в 1,1–1,2 раза, а также медь и цинк, чьи концентрации в 1,1–1,25 раза меньше 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 и др. Так, орошаемое земледелие характеризуется значительным воздействием на протекающие процессы миграции вследствие изменения водного баланса в системе вода (оросительная, грунтовая, дренажная) – почва, дополнительного поступления химических элементов с удобрениями и пестицидами, а иногда и изменения структуры почвенного покрова. Эти факторы вызывают возникновение более значительной дифференциации содержания элементов в верхнем почвенном покрове агроландшафтов (табл. 3).

Средние содержания Cr, Cu, Cd, и Pb в почвах мелиорируемых типов ландшафтов превышают естественный педогеохимический фон в 1,1–2,6 раза; средние содержания Cu в рисовых чеках, Zn в почвах садов и V в почвах ландшафтов многолетних насаждений сопоставимы с фоновыми величинами. Концентрации Mn в почвах орошаемых ландшафтов и Ni в почвах овощных плантаций и рисовых чеков составляют 0,7–0,8 долей от фона.

Таблица 3

Содержания ТМ в почвах различных агроландшафтов, мг/кг [7, 8]

Примечание. * – коэффициент рассеяния (Кр); ** – коэффициент концентрации (Кк).

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 чеков изменчивы щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия среды, непостоянен гидродинамический режим [9]. За счет нестабильности почвенно-геохимической обстановки формируются как положительные, так и отрицательные аномалии ТМ, а выращенный на этих почвах рис часто обеднен микроэлементами.

Марганец, подвижный в восстановительной обстановке, выносится из рисовых чеков под влиянием периодических восстановительных процессов в почвах, что проявляется в снижении его концентраций в 1,8 раза по сравнению с природным фоном. Содержания хрома, не образующего водорастворимых соединений в ландшафте, и ванадия максимальны в почвах рисовых чеков по сравнению с другими агроландшафтами (табл. 3).

В ландшафтах многолетних насаждений наблюдается значительное повышение содержания Cu (в 2,6 раза выше фонового содержания), что связано с широким применением медьсодержащих фунгицидов – бордоской жидкости и хлорокиси меди [8]. Виноградники по сравнению с садами чаще обрабатываются медьсодержащими препаратами, поэтому концентрации элемента в почвах виноградников намного выше.

Сравнение содержаний ТМ в почвах различных сельскохозяйственных ландшафтов выявляет отчетливую тенденцию выноса марганца и накопления хрома, меди, кадмия, свинца и ванадия в почвах орошаемых ландшафтов и многолетних насаждений.

Разная обеспеченность почв микроэлементами приводит к различному их накоплению в сельскохозяйственных культурах. Влияние на химический состав растений оказывают не только почвенно-геохимические особенности почв, но и видовая принадлежность растений, биоморфы, фазы вегетации, природные условия и другие факторы.

Содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственной растительности Ростовской области изменяются в широких пределах (табл. 4). Наибольшую вариабельность проявляет марганец. Его содержания колеблются от 7–11 мг/кг в плодовых культурах (вишня, яблоки) до 220 мг/кг в свекле. Большая изменчивость содержаний в разных культурах характерна для цинка, кадмия, свинца и никеля. В то же время концентрации хрома и меди находятся в узком диапазоне. Наименьшие содержания Cr наблюдаются в кукурузе (0,14 мг/кг), наибольшие – в эспарцете и капусте (0,28 мг/кг). Весьма равномерно распределение меди в сельскохозяйственных культурах, максимальными концентрациями отличается виноград (9,6 мг/кг).

На фоне широкого диапазона содержаний ТМ в пробах растительности была выявлена следующая тенденция роста средних концентраций Mn, Cu, Zn, Cd, Pb и V в последовательности: зерновые и зернобобовые культуры – овощи и фрукты – кормовые травы.

Таблица 4

Содержания ТМ в продуктивной части сельскохозяйственных культур, выращенных на территории Ростовской области, мг/кг сухого вещества [7, 8, 10]

Увеличение средних содержаний никеля происходит несколько в ином порядке: овощи и фрукты – кормовые травы – зерновые и зернобобовые культуры. Этот порядок складывается благодаря естественной способности гороха к активному накоплению элемента, отмечаемой многими авторами [11, 12].

Полученная закономерность в накоплении микроэлементов растительностью также может быть объяснена тем, какую часть растения употребляют в пищу: корнеплоды, содержащие максимальное количество элементов (свекла), 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 Cr, Mn, Zn, Ni и V в овощах и фруктах подтверждает, что растения аккумулируют химические элементы в следующем порядке: корни > листья > плоды.

Для оценки уровней накопления тяжелых металлов в растениях были рассчитаны коэффициенты биологического поглощения (КБП). Как показали результаты исследования, сельскохозяйственные культуры вне зависимости от места произрастания склонны накапливать свинец (КБП 3,2–27,9), что происходит за счет высокой техногенной нагрузки. Также растения активно аккумулируют медь (КБП 1,14–7,53) и цинк (КБП 1,09–12,43), что объяснимо их важной биохимической функцией (табл. 5).

Известно, что цинк относится к элементам сильного биологического накопления (КБП превышает единицу); марганец, никель, медь и свинец являются элементами среднего биологического захвата (КБП = 0,1–1); ванадий, хром и кадмий относятся к элементам слабого и очень слабого захвата, КБП которых не превышает 0,1 [13]. В сельскохозяйственных культурах Ростовской области наблюдается увеличение значений КБП кадмия, свинца и меди и перемещение этих элементов на более высокий уровень. Переход хрома в группу среднего биологического захвата отмечается в пшенице (КБП = 0,115), а переход ванадия – в суданской траве (КБП = 0,233). Увеличение интенсивности накопления марганца отмечается в пшенице, кукурузе, суданской траве, эспарцете и свекле, цинка – в горохе и пшенице (табл. 5).

Таблица 5

Коэффициенты биологического поглощения ТМ сельскохозяйственными культурами Ростовской области

Примечание: * БХА – биогеохимическая активность вида.

С помощью показателя биогеохимической активности вида (БХА), получаемой путем суммирования коэффициентов биологического поглощения отдельных элементов, можно оценить общую способность изучаемой культуры к концентрации различных микроэлементов. Наиболее интенсивное вовлечение тяжелых металлов в биогенную миграцию характерно для суданской травы, пшеницы и люцерны, величины БХА которых равны 38,05; 37,25 и 36,71 соответственно, наименее интенсивное – для винограда (БХА = 7,45).

На основании анализа полученных данных можно утверждать, что для кормовых трав характерно интенсивное накопление всех рассматриваемых элементов. Также для свеклы характерно интенсивное накопление 6 из 8 рассматриваемых химических элементов (Cr, Mn, Cu, Zn, Ni и V). Данное обстоятельство связано с тем, что были проанализированы корнеплоды свеклы, которые запасают питательные вещества и ассоциированы с корневой системой.

Заключение

Изучение распределения ТМ в различных генетических типах почв богарных агроландшафтов выявило пониженные содержания Zn и Cu, а также повышенные концентрации Pb и Cd по сравнению с естественным почвенно-геохимическим фоном. В то же время различия в содержаниях элементов между разными типами почв богарных ландшафтов 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 Mn из почв и накоплению Cr, Cu, Zn, Pb и V. Эта закономерность обусловлена уровнем агротехногенного воздействия, которое увеличивается от богарных агроландшафтов к рисовым чекам и виноградникам.

При изучении сельскохозяйственной продукции была выявлена следующая тенденция роста содержания тяжелых металлов: зерновые и зернобобовые культуры – овощи и фрукты – кормовые травы. Среди овощей особого внимания заслуживает свекла, для которой было отмечено повышенное накопление большинства элементов (Cr, Mn, Cu, Zn, Ni, V) относительно остальных рассматриваемых культур.