Мониторинг содержания хрома в сельскохозяйственных культурах и почвах
С.В. ЛУКИН, доктор сельскохозяйственных наук, директор
ФГУ «Центр агрохимической службы «Белгородский» E-mail: serg.lukin2010@yandex.ru
Резюме. В статье проанализированы результаты агроэко-логического мониторинга, характеризующие содержание подвижных форм хрома в заповедных и пахотных почвах Белгородской области, а также в растительной продукции. Среднее содержание хрома в зерне озимой пшеницы, выращенном на реперных объектах, составляло 0,48±0,02 мг/кг, в зерне ячменя — 0,44±0,04, в корнеплодах свеклы — 0,27±0,03 мг/кг. В побочной продукции названных культур величина этого показателя составляла в среднем 0,70±0,06, 0,60±0,13 и
0,34±0,04 мг/кг соответственно. Максимальная концентрация хрома в соломе пшеницы и ячменя (0,87. ..0,88 мг/кг) превышала МДУ для кормов, однако сейчас ее в кормовых целях практически не используют.
Хром — один из биогенных элементов, который постоянно находится в тканях растений и животных. (1).
«>
В растениях этот элемент участвует в синтезе белка, способен повышать продуктивность фотосинтеза и содержание хлорофилла в листьях. В небольших концентрациях хром может быть стимулятором, при повышенных — ингибитором продуктивности и качества урожая, а при высоких проявляется его токсичность. (2).
В соответствие с СанПиН 2. 3. 2. 1078-01, содержание хрома в сельскохозяйственном сырье и пищевых продуктах не нормируется, однако установлены максимально допустимые уровни (МДУ) его содержания в кормах. МДУ хрома для фуражного зерна, грубых и сочных кормов, а также корнеплодов составляет 0,5 мг/кг
Кларк валового содержания хрома в почве составляет 200 мг/кг (3). Его концентрация в пахотном слое темно-серых лесных тяжелосуглинистых почв Среднерусской возвышенности составляет 44. ..120 мг/кг, черноземов типичных тяжелосуглинистых и глинистых — 45. 130 мг/кг, черноземов обыкновенных тяжелосуглинистых и глинистых — 60. 130 мг/кг (4).
«>
В почве этот элемент разновалентен с преобладанием Сг+3, обладающего слабой растворимостью в кислой среде. В условиях щелочной среды возможно окисление Сг+3 до Сг+6 с образованием растворимых хроматов (5).
Фитотоксичность хрома зависит от его валентно
его доступность растениям. Шестивалентный хром
-анион хромовой кислоты, который практически не поглощается почвенными коллоидами, поскольку они несут преимущественно отрицательный заряд. Трехвалентный хром выступает в роли катиона и хорошо поглощается почвой, вследствие чего обладает малой токсичностью. Поэтому предельно допустимая концентрация (ПДК) трехвалентного хрома в почве равна 100 мг/кг тогда как ПДК шестивалентного хрома — 0,05 мг/ кг. Обращает на себя внимание явное противоречие между фоновым валовым содержанием хрома в почве и ПДК этого элемента. Кларк хрома в почве в 2 раза выше значения ПДК.
ПДК подвижных форм Сг+3 в почве, извлекаемых ААБ с рН 4,8, составляет 6 мг/кг. Однако, как показывают результаты исследований, проведенных на реперных объектах вблизи промышленных центров Свердловской области, даже при его содержании в почве на уровне ПДК или выше, растениеводческая продукция не накапливала этот элемент сверх допустимых нормативов (6).
Источники загрязнения окружающей среды хромом и его соединениями — осадки сточных вод кожевенных заводов, коммунальные стоки и выбросы металлургических предприятий. В минеральных удобрениях содержание этого элемента незначительно: в аммиачной селитре -13 мкг/кг в нитроаммофосе — 33, в азофоске
Данные о содержании хрома в растительной продукции достаточно противоречивы. По В.В. Добровольскому (1983) оно составляет 1,8 мг/кг (8). По данным Н.А. Протасовой и А.П. Щербакова (2003) среднее содержание хрома в зерне озимой пшеницы равно 2,3, в зерне ячменя — 6, в луговом сене — 28 мг/ кг сухого вещества (это значительно превосходит действующие значения МДУ) (4). По обобщенным данным О.А. Соколова и др. (2008) количество этого элемента в зерне находится в пределах 0,16. 0,71 мг/ кг (1). По данным Н.А. Черных и др. (1999) нормальная концентрация хрома в растениях составляет 0,1. ..0,5 мг/кг, а токсичная — 5. 30 мг/кг (7).
Хром в почвах легко вступает в соединение с органическим веществом, которое стимулирует восстановление Сг+6 до Сг+3. Мигрирует он в коллоидной форме и в составе механических взвесей. Как правило, для хрома характено отсутствие биогенной аккумуляции в гумусовом горизонте и равномерное распределение по профилю, которое в меньшей степени зависит от содержания гумуса, а в большей — от гранулометрического состава и, в частности, от накопления илистой фракции
(2). В пахотных черноземах республики Тыва среднее содержание подвижных форм хрома составляет 1,46 мг/ кг. Содержание подвижных форм хрома в серых лесных почвах варьирует в пределах 1,6. ..2,0 мг/кг (1).
Цель нашей работы -изучить закономерности фонового распределения подвижных форм хрома в
сти, определяющей подвижность элемента в почве и
Таблица 1. Содержание хрома в сельскохозяйственных культурах на реперных участках, мг/кг абсолютно сухого вещества КультураМДУ*±*oSxlimV,% Озимая пшеница зерноG,58G,48±G,G2G,41. ,G,5111,G соломаG,6GG,7G±G,G6G,41. G,8815,4 Ячмень зерноG,58G,44±G,G4G,35. G,5211,1 соломаG,6GG,6G±G,13G,31. G,8729,5
Сахарная свекла корнеплоды2,GGG,27±G,G3G,22. G,3624,1 ботва3,33G,34±G,G4G,25. ,G,483G,1
* для удобства сравнения значения МДУ приведены не с учетом стандартной влажности продукции, а пересчитаны на абсолютно сухое вещество.
Таблица 2. Содержание подвижных форм хрома в почвах естественных ландшафтов государственного заповедника «Белогорье»
ГоризонтМощность горизонта, смГпубина отбора проб, смСодержание подвижных форм, мг/кг
Темно-серая лесная (участок «Лес на Ворскле» ) а2в21. ..3422. ..32G,57 С га114. ..15G125. ..135G,88 Чернозем выщелоченный мощный тучный (участок «Ямская степь» ) аВ45. ..685G. 6GG,65 Чернозем типичный мощный тучный (участок «Ямская степь» ) с ca ca121. ..16515G. 16G2,22
почвах Белгородской области и его накопления в основных сельскохозяйственных культурах.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на 19 реперных объектах центра агрохимической службы «Белгородский» . Реперные участки заложены на пашне и представляют собой поле или участок поля площадью 4. 40 га. Почвенный покров реперных участков представлен черноземами типичными и выщелоченными.
Содержание подвижных форм хрома, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8, определяли в соответствии с общепринятой в агрохимической службе методикой, в растениеводческой продукции — в соответствии с ГОСТ 30692-2000.
Результаты и обсуждение. На реперных объектах Белгородской области среднее содержание хрома в зерне озимой пшеницы составляло 0,48±0,02, в зерне ячменя — 0,44±0,04, в корнеплодах свеклы
-0,27±0,03 мг/кг (табл. 1). В побочной продукции названных культур величина этого показателя была выше. В соломе пшеницы его содержалось в среднем 0,70±0,06, в соломе ячменя — 0,60±0,13, в ботве свеклы — 0,34±0,04 мг/кг Наибольшая концентрация
хрома в соломе пшеницы составляла 0,88 мг/кг, в соломе ячменя — 0,87 мг/кг. Эти значения превышают МДУ для кормов, однако сейчас солому в кормовых целях практически не используют.
Вынос хрома с урожаем зерна озимой пшеницы 3,5 т/га равен 1,44 г/га (с учетом соломы — 4,5 г/га), 3 т/га зерна ячменя — 1,14 г/га (с учетом соломы — 3,0 г/га), 35 т/га корнеплодов сахарной свеклы — 2,36 г/ га (с учетом соответствующего количества ботвы -4,15 г/га).
В почвах естественных ландшафтов Белгородской области минимальное содержание подвижных форм хрома отмечено в гумусово-аккумулятивном горизонте (0,48. 0,58 мг/кг), а максимальное — в материнской породе (0,88. 2,22 мг/кг) (табл. 2).
В почвах реперных объектов Белгородской области среднее содержание подвижных форм хрома в пахотном слое почвы составляло 0,46±0,09 мг/кг. С увеличением глубины отбора проб оно увеличивалось и достигало самых высоких значений в слое 81. 100 см
-1,33±0,20 мг/кг. Содержание подвижных форм этого элемента в пахотном горизонте находилось в пределах 0,26. 0,86 мг/кг, а в слое 81. 100 см — 0,71. 2,12 мг/ кг. Превышения ПДК не установлено (табл. 3). Запасы подвижных форм хрома в пахотном слое почв в среднем составляют 1,35 кг/га. Коэффициент их использования озимой пшеницей равен 0,33 %, ячменем — 0,22 %, сахарной свеклой — 0,31 %.
Таблица 3. Содержание подвижных форм хрома в почвах реперных участков, мг/кг Гпубина, смX±t05^XlimV,%
Выводы. Таким образом, среднее содержание подвижных форм хрома в пахотном слое почв реперных объектов Белгородской области составляет 0,46±0,09 мг/кг и с глубиной почвенного профиля достоверно увеличивается. Превышения уровней предельно допустимой концентрации подвижных форм этого элемента в почвах не установлено. Содержание хрома в основной продукции озимой пшеницы, ячменя и сахарной свеклы не превышало максимально допустимых уровней, установленных для кормов. Литература.
1. Соколов О.А., Черников В.А., Лукин С.В. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. — Белгород: КОНСТАНТА, 2008. — 188 с.
2. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. — М.: Наука, 1985. — 264 с.
3. Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах/ А.П. Виноградов. — М.: Изд-во АН СССР, 1957. — 259 с.
4. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Микроэлементы (Сг, V, Ni, Mn, Zn, Cu, Co, Ti, Zr, Ga, Be, Sr, Ba, B, I, Mo) в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья. — Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2003. — 368 с.
5. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. — М.: Высш. шк., 1975. — 342 с.
6. Тощев В.В., Мамаева Л.К. Агроэкологический мониторинг в зонах техногенного воздействия // Агрохимический вестник. — 2006. — №5. — С. 3-7.
7. Черных Н.А., Милащенко Н.З., В.Ф. Ладонин В.Ф. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами. — М.: Агроконсалт, 1999. -176 с.
8. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеивание. — М.: Мысль, 1983. — 272 с.
Источник
Хром хорошо поглощается почвой вследствие чего обладает малой токсичностью
Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжёлые металлы (ТМ).
К ТМ относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5 г/см3. Не все ТМ представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, олово, цинк, молибден, кобальт, никель. Три элемента (ртуть, свинец, кадмий) считаются наиболее опасными.
Большинство этих элементов относится к группе микроэлементов.
Содержание их в микроколичествах совершенно необходимо растительным и животным организмам и не вызывает у них никаких негативных реакций.
В агроландшафтах наиболее распространены: цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром.
Все основные циклы миграции ТМ в биосфере начинаются в почве, потому что именно в ней происходит мобилизация металлов и образование различных миграционных форм. Почва (её тонкодисперсные частицы и органическое вещество) – важнейший фактор, регулирующий поступление ТМ в растения. Она служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их поступление в растения и в сопредельные среды. Так как почва – основное средство сельскохозяйственного производства, накопление в ней избыточных концентраций тяжёлых металлов представляет прямую угрозу экологической безопасности получаемой продукции. В связи с этим, существует необходимость мониторинга содержания ТМ в почве, разработка мер по предотвращению поступления их в почвенный покров, а также снижение токсичности уже имеющихся концентраций элементов.
Для безопасного ведения сельскохозяйственного производства необходимо знать токсичность элемента, пути поступления в почву, условия миграции в ней, усвояемость растениями.
В настоящее время уже известен целый ряд мер для снижения уровня содержания ТМ в продукции, получаемой в процессе выращивания сельскохозяйственных культур. Тем не менее, одним из важнейших звеньев получения экологически безопасной продукции является нормирование ТМ [1].
Рассмотрим краткую характеристику наиболее опасных элементов.
Кадмий (Cd). Содержание кадмия в почвах невелико и, например, в чернозёме составляет 1·10 -5 % , что на порядок меньше, чем его содержание в растениях. Содержание кадмия в почве зависит от материнской породы. Основным источником загрязнения почв кадмием являются промышленные выбросы и сточные воды. Значительная часть кадмия может поступать в почву с фосфорными удобрениями, известковыми материалами и выбросами автотранспорта. Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а период его полувыведения из почвы один из самых больших (около 1100 лет).
Кадмий обладает мутагенным и канцерогенным свойствами и представляет генетическую опасность.
Никель (Ni). Среднее содержание никеля в растениях составляет 5·10 -5 % на сырое вещество, в организме животных – 1·10 -6 % , в почвах – 4·0 -3 %.
Основные источники поступления никеля в окружающую среду: сжигание топлива, цветная и чёрная металлургия, осадки сточных воды промышленности и коммунального хозяйства.
В кислой среде никель более подвижен чем в нейтральной или щелочной.
Никель необходим растениям в очень малых количествах. В водных культурах никель токсичен для растений (кукурузы, бобы) в дозе 2 мг/л. Более токсичен никель для растений на кислых почвах. Токсичность никеля проявляется при содержании его в растениях на уровне 50 мг/кг.
Никель способен изменять активность окислительно-восстановительных процессов, влияет на поглощающую способность корней. При повышенном содержании никеля в почве, происходит угнетение роста растений, снижается содержание хлорофилла в листьях.
Медь (Cu). Валовое содержание меди в почвах не превышает 1·10 -5 %. Очень низкое содержание меди в почвах с высоким рН.
Источники поступления меди в экосистемы: выбросы металлургических предприятий, минеральные и органические удобрения, осадки сточных воды.
Медь входит в состав ряда ферментов, важных для поддержания нормальной жизнедеятельности клеток. Недостаток меди вызывает хлороз листьев, увядание, задерживается цветение. В то же время все её соли токсичны, поэтому транспирационный показатель вредности меди (3,5 мг/кг) крайне значительно превышает ПДК для почвы (3,0 мг/кг).
Естественный почвенный фон содержания меди составляет 12-28 мг/кг, но, так как она является биогенным элементом, то её содержание в почве ниже 15 мг/кг приводит к заболеваниям растений.
Свинец (Pb). Среднее содержание свинца в почве колеблется от 0,37·10 -3 % до 4,3·10 -3 %. Источники поступления свинца: выбросы металлургических предприятий, автомобильный транспорт, осадки коммунальных и промышленных сточных вод, а также инсектициды, в состав которых он входит. За последние 30-40 лет кларк свинца в почве вырос почти на порядок вследствие мощного его поступления в окружающую среду.
Наибольшее количество свинца содержится в почве на расстоянии 1,2-2 м от дороги и поступает в почву даже на расстоянии до 300 м от дороги.
Почва, являясь естественным барьером на пути миграции и поступления свинца в растения и грунтовые воды, обладает высокой способностью закреплять поступающий в неё элемент.
Фоновое содержание свинца в почвах европейской части России колеблется в пределах 15-47 мг/кг. Загрязнение почвы свинцом на уровне 50 мг/кг опасно для здоровья человека.
Поступление свинца из почвы в растения увеличивается не пропорционально росту его содержания в почве.
Хром (Cr) – высокотоксичный элемент. В почве его содержание составляет 1,9·10 -2 %. Хром – один из биогенных элементов, который постоянно находится в клетках растений и животных.
Фитотоксичность хрома зависит от его валентности, определяющей подвижность элемента в почве и его доступность растениям.
Трёхвалентный хром выступает в роли катиона и хорошо поглощается почвой, вследствие чего обладает малой токсичностью. Поэтому ПДК трёхвалентного хрома в почве равна 100 мг/кг, тогда как ПДК шестивалентного хрома – 0,05 мг/кг. По токсичности хром уступает только ртути.
Цинк (Zn). Содержание цинка в почвах составляет 5·10 -3 %. Цинк и кадмий являются сопутствующими элементами: чем больше в почве цинка, тем больше и кадмия.
Цинк – один и главных микроэлементов: он входит в состав ферментов, обуславливающих и регулирующих многие жизненные процессы.
Цинк повышает жаро- и морозоустойчивость растений. При его недостатке в почве замедляется превращение неорганических фосфатов в органические соединения растений.
С другой стороны существенное увеличение содержания цинка в компонентах окружающей среды и продуктах питания негативно отражается на живых организмах, сопровождается ухудшением здоровья человека. Влияние высоких концентраций цинка проявляется в синергетическом действии, усиливая эффект других загрязнителей.
Растения обладают неодинаковой способностью поглощать цинк из почвы. Из всех тяжёлых металлов цинк наиболее подвижный элемент и хорошо усваивается растениями.
Экологическая ситуация Самарской области по содержанию подвижных форм тяжёлых металлов в почвах реперных участков в среднем за 2005-2010 гг. представлена в табл. 1.
Содержание подвижных форм тяжёлых металлов в почвах реперных участков в среднем за 2005-2010 гг.
Источник