Баланс тяжелых металлов в почве

27-09-2017, 19:13

Баланс тяжелых металлов в почве - это количественное выражение процесса, учитывающего все источники их поступления и расхода в течение определенного промежутка времени. Баланс характеризует перспективу (отдаленную и близкую) изменения экологической обстановки по загрязнению почвы токсичными элементами и включает в себя приходную и расходную части. В приходную часть баланса входят следующие источники их поступления: известковые, органические и минеральные удобрения; посевной материал, поступление с атмосферными осадками (жидкие и твердые). В расходной части учитывают вынос с урожаем основной и побочной продукции и потери вследствие вымывания с инфильтрационными и поверхностными водами. Некоторое количество тяжелых металлов поступает в почву с пестицидами. Однако расход пестицидов для проведения защитных мероприятий небольшой, поэтому они не представляют опасности как источник загрязнения почв тяжелыми металлами и поэтому не принимаются при расчетах.
Нами произведен расчет баланса цинка, меди, свинца, кадмия и никеля в дерново-подзолистой почве при длительном применении средств химизации в Домодедовском районе Московской области, который отличается развитым промышленным и сельскохозяйственным производством. При расчете баланса в статье прихода принимали во внимание поток мокрого и сухого атмосферного осаждения, поступление элементов со средствами химизации и семенами. В статью расхода включены вынос металлов с основной и побочной продукцией и потери с инфильтрационными водами.
Анализ данных по поступлению тяжелых металлов из атмосферы на территорию агроландшафта показал, что поступление Cu на 60% происходило с жидкими осадками, в то время как Pb и Ni поступали на поверхность почвы в основном с сухим потоком (табл. 98). Сопоставление полученных значений атмосферных выпадений с фоновым содержанием металлов в почвах свидетельствует о существенном привносе исследуемых элементов как с жидким, так и с сухим потоками. Так, например, поступление Zn составило 0,3 мг/кг в год, что соответствует десятым долям процента среднего содержания этого металла в почвах.

На основании полученных при анализе удобрений данных по содержанию в них примесей тяжелых металлов проведена оценка количественного поступления в почву при различных системах удобрения, на основании материалов, полученных в полевых опытах, которые длительное время проводятся на ЦОС ВИУА в Домодедовском районе Московской области (Барыбино). Основной привнос Zn и Cu в почву происходит с атмосферными выпадениями, поступление этих элементов с удобрениями и известью составляет 2-10% от общего поступления (табл. 99) Исключение составляет применение органических удобрений, где процент от суммарного поступления составил для Zn - 61%, для Cu 59%. Совершенно иная закономерность в приходной статье баланса выявлена для Pb, Cd и Ni. Основная масса этих элементов поступала в почву с удобрениями и известью.

Следующая статья прихода в балансе металлов - поступление с посевным материалом. По сравнению с рассмотренными выше статьями вклад ее менее существенен и составил менее 1 % от общего поступления.
Вынос элементов из почв с основной и побочной продукцией для Zn и Cu составил основную статью расхода (70-96% от суммарного выноса). Для Pb, Cd и Ni вынос с урожаем приблизительно равен потерям элементов в результате внутрипочвенного стока. Биологический вынос элементов в значительной мере был обусловлен величиной урожая и содержанием металлов в сельскохозяйственных культурах.
На базе полученных результатов подведен баланс исследованных элементов в длительных полевых опытах (табл. 100).

Рассчитанный баланс показал, что для всех металлов привнос элементов превышает вынос, то есть происходит их аккумуляция в поверхностном слое почвы. Однако при этом содержание тяжелых металлов в почве в течение 25-30 лет ведения сельскохозяйственного производства сохраняется на уровне фонового. При сравнении запасов тяжелых металлов в пахотном слое с поступлением их в почву вследствие положительного баланса установлено, в почве произошло ежегодное увеличение содержания Cd - на 0,05-0,15% (0,0002-0,0005 мг/кг), Pb - на 0,1% (0,01 мг/кг). Ni - на 0,1% (0,01 мг/кг), Zn - на 0,4-0,5% (0,15-0,20 мг/кг), Cu - на 0,2% (0,035 мг/кг) от общего запаса.
На основании полученных данных о величине ежегодного поступления тяжелых металлов в агроценоз и оценки верхней и нижней границ средних запасов элементов в слое почвы 0-20 см с помощью среднего квадратичного отклонения было расчитано количество лет, через которые можно будет зафиксировать достоверное увеличение валового содержания металлов. Результаты расчетов показали, что при существующем балансе метаплов в почве потребуется очень длительный период, измеряемый сотнями лет. Следовательно, современная научно обоснованная система удобрения в полевых севооборотах не является источником загрязнения почвы тяжелыми металлами.
В результате проведенных исследований нами затронута весьма актуальная проблема, связанная с одной стороны с необоснованными утверждениями о загрязнении почвы тяжелыми металлами в результате применения минеральных удобрений и мелиорантов, с другой стороны - с вопросами разработки рекомендаций по внесению в дерново-подзолистые почвы микроэлементов (в частности Cu и Zn). Для получения достоверных результатов необходима комплексная оценка, опирающаяся на балансовые расчеты. Без учета приходных или расходных статей складывается совершенно неверное представление о реальной необходимости внесения микроэлементов в почву, в результате чего положительного эффекта от применения микроудобрений нет. Так, по нашим рассчетам в почвах исследуемой территории с системами удобрений, широко распространенными для дерново-подзолистых почв Московской области и других регионов, сложился положительный баланс Zn и Cu. При этом ежегодный прирост содержания Zn составляет 0,87-1,17 кг/га, для Cu значение прироста изменяется от 0,2 до 0,25 кг/га. Приведенные цифры свидетельствуют об отсутствии необходимости внесения этих микроэлементов, так как идет постоянный процесс обогащения ими почвы.
Обухов А.И. Попова А.А. (1992) произвели исследования баланса тяжелых металлов в агроценозе на дерновосреднеподзолистых окультуренных почвах тяжелого механического состава на покровных суглинках (Солнечногорский район Московской области). Поле - водораздельная территория рек Сходни и Клязьмы, площадью 80 га, охвачено системой искусственного дренажа. Отчуждение тяжелых металлов производилось по показателям внутрипочвенного стока и биологического выноса с основной и побочной продукцией. Баланс изучали в течение 3-х лет в звене севооборота: ячмень, многолетние травы, вико-овсяная смесь. Химический состав внесенных минеральных, органических и известковых удобрений приведен в таблице 101. Из представленных в таблице материалов следует отметить очень высокое содержание кадмия в известковом удобрении, которое в десятки раз превышает количество этого элемента в известняковой муке, производимой на всех предприятиях Московской области. При этом по загрязненности кадмием известковое удобрение почти в 2 раза превосходило простой суперфосфат, что, как правило, не имеет в известной нам научной литературе и на практике подтверждения. He характерно и сильно завышено также содержание кадмия в хлористом калии.

Баланс тяжелых металлов в агроценозе свидетельствует о том, что основной источник поступления тяжелых металлов -удобрения (табл. 102). Суммарно с органическими, известковыми и минеральными удобрениями на поверхность почвы поступало 72-98% тяжелых металлов (%): Zn - 89, Pb - 79, Cd - 89, Cu - 92, Fe - 72, Mn - 98, Ni - 85. При этом вследствие не характерно высокого содержания кадмия в известняковой муке, данные по поступлению этого элемента по крайней мере в 2-2,5 раза завышены. Основной расходной статьей баланса был вынос тяжелых металлов с отчуждаемым урожаем сельскохозяйственных культур за исключением свинца, кадмия и никеля. Потери этих элементов с внутрипочвенным стоком составили 50-75%. В целом баланс тяжелых металлов положительный. Однако ежегодное накопление в почве тяжелых металлов составляет сотые и тысячные доли от среднего фонового их содержания в почве и в настоящее время существенного отрицательного значения не имеет. Система удобрения, при которой среднегодовые дозы составляли: 15 т/га навоза 1 т/га извести и N100P90K60, не оказала заметного влияния на содержание валовых форм тяжелых металлов в почве.

ЦИНАО был произведен расчет баланса тяжелых металлов в земледелии Московской области за период 1981-1990 годов на уровне районов. При этом были проанализированы источники поступления и выноса тяжелых металлов из почвы. Эти расчетные данные свидетельствуют о том, что наибольший вклад в загрязнение почвы приходится на осадки сточных вод (в %): по кадмию 55. цинку 72, меди 89 и хрому 72 (табл. 103).

Поступление тяжелых металлов с минеральными удобрениями составило 0,3-2,7% от их общего количества и для большинства элементов было в несколько раз меньше выноса их с урожаями растений (для свинца в 3 раза, цинка в 25 , меди в 5,5, хрома - в 4 раза). По сравнению с поступлением тяжелых металлов с атмосферными осадками в почву при внесении минеральных удобрений попадало намного меньше тяжелых металлов: кадмия в 3 раза: свинца в 6,4; цинка - в 14,3; меди в 2,3; никеля в 2,7 раза. Поступление тяжелых металлов с известковыми и особенно с традиционными видами органических удобрений также многократно превысило приход в почву этих элементов с минеральными удобрениями.

Балансовые расчеты показывают, что пока не наблюдается непосредственной опасности загрязнения почв тяжелыми металлами за счет применения минеральных, органических удобрений. известкования и фосфоритования на уровне 1981-1990 годов (табл. 104). Однако ненормированное применение осадков сточных вод в качестве органических удобрений может приводить к избыточному накоплению токсических элементов в почве и ухудшать качество сельскохозяйственной продукции (табл. 105). Так. например, за период 1981-1990 годов баланс кадмия в земледелии Московской области был положительным и составил +22,6 г/га или 0,007 мг/кг почвы в год. Одновременно в районах, применяющих осадки сточных вод, накопление кадмия составило уже +51,6 г/га или 0,02 мг/кг ежегодно или в 2,8 раза выше. В районах же с интенсивным и не контролируемым применением этой формы органических удобрений среднегодовое превышение прихода кадмия над его расходом составило по районам: Балашихинскому +1612 г/га или 0,54 мг/кг, Ленинскому +512 г/га или 0,2 мг/кг, Люберецкому +524 или 0,2 мг/кг почвы. То есть, в этих районах интенсивность накопления кадмия в почве в 30-70 раз выше, чем в среднем по области. Следствием такого неблагоприятного баланса кадмия стала необходимость проведения детоксикационных мероприятий с целью получения пригодной для приготовления пищевых продуктов и кормов растительной продукции. Аналогичная, но менее острая ситуация возникла и с загрязнением почвы цинком. В некоторых хозяйствах: "Бронницкая ПТФ" Раменского района совхоз "имени Моссовета" Люберецкого района и других содержание цинка в почве достигло 121-178 мг/кг. Неблагополучно положение с содержанием свинца в почве в ряде хозяйств области. Так, выявлены участки с высоким содержанием свинца в совхозах "Бронницкий" и "Раменский" Раменского района (55 мг/кг), совхозе “имени Моссовета" Люберецкого района (70-100 мг/кг), в совхозах "Подольский" и "Михайловский" Подольского района (50-72 мг/кг).

Химический состав осадков сточных вод г. Москвы и некоторых городов Московской области свидетельствует о том, что даже среднее содержание в них может превышать фоновое в почве для Cd в 30 раз, Zn в 60 раз, Cu в 25 раз, As - 20 раз. Максимальное же содержание этих элементов может быть еще в 2-3 раза выше.
Было проведено также определение баланса тяжелых металлов в почвах Нижегородской области. Для расчета приходных и расходных статей баланса использована среднегодовая информация за период 10 лет на уровне район - область по объему и ассортименту минеральных удобрений, внесению фосфоритной муки, органических удобрений и известковых материалов, а также урожаям сельскохозяйственных культур. Для расчетов использована усредненная нормативно-справочная информация по содержанию тяжелых металлов в удобрениях и сельскохозяйственных культур. В частности, в расчетах было принято содержание тяжелых металлов в удобрениях, приведенное в таблице 106.

Баланс тяжелых металлов в агроценозах Нижегородской области приведен в таблице 107. Анализ приходных статей баланса свидетельствует о том, что меньше всего тяжелых металлов поступает на поверхность почв с минеральными удобрениями (0,6-6,6%) и больше всего с органическими (18,6-60,8%). Значительное количество тяжелых металлов поступает на поверхность почвы с атмосферными осадками (16,3-47,4%). Среди расходных статей преобладает вынос урожаем (для Pb, Zn, Cu и Cd). Наибольший суммарный расход из почвы вследствие выноса растениями и миграции с инфильтрационными водами для цинка и меди (42-48% от суммарного прихода), наименьший -для кадмия, никеля и хрома (5,5-6,5%). В целом баланс для всех исследуемых элементов положительный, но ежегодное накопление их в почве составляет ничтожную долю, выражающуюся в десятых и сотых долях процента от фонового содержания в почве. Для подтверждения этого положения был произведен прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами в некоторых хозяйствах Нижегородской области (табл. 108). Приведенные в нем результаты расчета свидетельствуют о том, что ежегодное поступление свинца, цинка, меди, никеля и хрома составляет десятые доли процента от запаса этих элементов в почве и поэтому время для достижения ПДК их находится в интервале 1-8 тысяч лет. Для кадмия этот период меньше, но также близок к 500 годам. При этом следует иметь в виду, что для кадмия цифры по-видимому занижены, так как в расчетах было принято слишком высокое содержание этого элемента в известковых удобрениях. В целом же можно констатировать, что в настоящее время в этих хозяйствах существенной опасности загрязнения почвы тяжелыми металлами нет, что и подтверждено результатами агрохимического обследования почв области.

Таким образом, расчет баланса тяжелых металлов позволяет определить состояние экологической обстановки в отношении загрязнения почв тяжелыми металлами и дать научнообоснованный прогноз о вероятной опасности ухудшения ситуации. Задача в настоящее время состоит в том, чтобы при расчетах была максимально использована достоверная информация о содержании тяжелых металлов во всех объектах как приходной, так и расходной частей баланса. Особенно это относится к химическому составу удобрений и растительной продукции. Очень мало экспериментального материала по содержанию тяжелых металлов в инфильтрационных водах, а в водах поверхностного стока их просто нет. При расчетах максимально следует использовать именно местную информацию, и минимально-усредненные данные.