Содержание тяжелых металлов в агрочерноземе Южного Предуралья при внесении осадков сточных вод в качестве удобрения

Полный текст

Введение

Утилизация отходов является одной из основных экологических проблем современной цивилизации. Особое место среди них занимают вещества, содержащие элементы питания растений, которые могут быть возвращены в биологический круговорот и использованы в сельском хозяйстве. К ним относятся осадки сточных вод (ОСВ), количество которых постоянно возрастает, составляя в РФ миллионы тонн в пересчете на сухое вещество и сотни миллионов – с учетом влажности. По содержанию углерода, азота, фосфора, калия и микроэлементов ОСВ не уступают традиционным органическим удобрениям. Многие авторы указывают на существенное повышение плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур, особенно при внесении ОСВ в почвы с невысоким естественным плодородием [1–5]. В то же время эффективность ОСВ отмечена и на почвах черноземного ряда [6–10]. Дозы ОСВ сильно варьируют от десятков [11–13] и сотен т/га [14], доходя до тысяч т/га в течение многолетнего опыта [15, 16] в зависимости прежде всего от почвенных условий и выращиваемых культур. Вместе с тем применение ОСВ в качестве удобрения даже после их обеззараживания от патогенной микрофлоры осложняется наличием тяжелых металлов (ТМ). При этом состав ОСВ зависит от технологии обработки, сезона, климатической зоны и конкретного города. Максимально допустимые дозы ОСВ не должны приводить к загрязнению почвы ТМ. Поэтому утилизация ОСВ путем использования в качестве органического удобрения должна соответствовать самым строгим гигиеническим нормативам и регулярно контролироваться.

Цель работы – изучение влияния осадков сточных вод на содержание тяжелых металлов при их внесении в агрочернозем Южного Предуралья.

Методика исследования

Исследование проводили на агрочерноземе южной лесостепи Республики Башкортостан. Почва опыта характеризовалась высоким потенциальным плодородием: тяжелосуглинистым гранулометрическим составом, высоким содержанием гумуса, близкой к нейтральной реакцией среды, высокой емкостью катионного обмена с преобладанием кальция. ОСВ были взяты с городских очистных сооружений г. Уфы после окончания технологического цикла их обработки. ОСВ (влажность 21%) были внесены в дозе 30 т/га и заделаны в верхний слой 0–20 см почвы. Образцы были отобраны на 4-х пробных площадках и фоновой почве с глубин 0–5, 5–20 и 20–40 см через полгода после внесения.

Аналитические исследования проводили в соответствии с общепринятыми методами [17]: содержание гумуса определяли по Тюрину, нитратного азота – колориметрическим методом с дисульфофеноловой кислотой, аммонийного азота – колориметрическим методом с реактивом Несслера, подвижного фосфора и обменного калия – по Чирикову, обменных катионов – трилонометрическим методом, pH_KCl – потенциометрическим методом, гидролитическую кислотность – по методу Каппена в модификации ЦИНАО [18]. Содержание ТМ определяли по [19, 20].

Суммарный химический показатель (Z_c) определяли по формуле Саета [21]: Z_c = (Σ K_c) – (n – 1),

где K_c – коэффициент концентрации i-го химического элемента, n – число, равное количеству элементов, входящих в геохимическую ассоциацию.

Коэффициент концентрации (K_c) рассчитывали по формуле: К_с = С_i/С_фон,

где C_i – фактическое содержание элемента, С_фон – геохимический фон.

Определение максимально допустимой дозы внесения ОСВ проводили по формуле [22] с учетом глубины пахотного слоя:

Д_ОСВ = (0.8ПДК – C_Ф) × 2000/С_ОСВ,

где Д_ОСВ – теоретически допустимая доза осадка, т сухой массы/га, C_Ф – концентрация ТМ в фоновой почве, мг/кг, 2000 – масса слоя 0–20 см почвы, т сухой массы/га, С_ОСВ – концентрация ТМ в ОСВ, мг/кг.

Данные обрабатывали статистическими методами в программе MS Excel.

Результаты и их обсуждение

Внесение ОСВ в агрочернозем оказало заметное влияние на его агрохимические свойства: увеличилось содержание гумуса (особенно в слое 5–20 см) и питательных элементов (табл. 1).

 

Таблица 1. Агрохимические свойства почвы

Вариант	Контроль		Поле
Глубина, см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Гумус, %	10.6 ± 0.9	7.9 ± 0.6	11.8 ± 0.9	11.9 ± 0.7
pHKCl	5.6 ± 0.1	5.5 ± 0.1	6.0 ± 0.1	6.0 ± 0.1
Hг, смоль/кг	3.79 ± 0.63	5.48 ± 0.91	1.98 ± 0.32	2.74 ± 0.45
Ca2+, смоль/кг	25.6 ± 1.2	26.6 ± 1.1	24.7 ± 1.3	26.0 ± 1.0
Mg2+, смоль/кг	3.4 ± 0.2	3.5 ± 0.1	3.3 ± 0.2	3.4 ± 0.3
N-NH4, мг/кг	12.9 ± 0.8	6.2 ± 0.6	65.8 ± 1.9	20.0 ± 1.8
N-NO3, мг/кг	28.9 ± 1.7	19.3 ± 1.1	37.6 ± 18.	36.6 ± 2.1
P2O5, мг/кг	169 ± 8	154 ± 7	220 ± 7	181 ± 8
K2O, мг/кг	128 ± 1	125 ± 1	143 ± 1	137 ± 1

 

Содержание минерального азота возросло в пахотном горизонте в 2.2–2.5 раза, преимущественно за счет его аммонийной формы, содержание которой увеличилось в слое 0–5 см в 5 раз, в слое 5–20 см – в 3 раза. Обеспеченность почвы подвижным фосфором возросла на 18–30%, перейдя из категории “высокая” в “очень высокую” в слое 0–5 см. Количество обменного калия изменилось в меньшей степени – на 9–12%. Внесение ОСВ способствовало также снижению гидролитической кислотности и нейтрализации почвенного раствора, при этом содержание поглощенных оснований существенно не изменилось. Во многом сходные тенденции к изменениям агрохимических свойств черноземов при внесении ОСВ выявлены и другими авторами [6, 8, 23]. Но при улучшении агрохимических свойств почвы может возникнуть опасность загрязнения токсичными элементами, особенно в регионах с повышенным фоновым содержанием ТМ и вблизи крупных промышленных центров.

Высокое содержание гумуса и нейтральная реакция среды обусловили низкое содержание подвижных форм ТМ (табл. 2).

 

Таблица 2. Содержание подвижных форм ТМ при внесении ОСВ в качестве удобрения, мг/кг

Элемент	Глубина, см	Поле	Контроль	ОСВ	ПДК
	0–5	1.59 ± 0.41	0.20 ± 0.02
Цинк	5–20	0.82 ± 0.14	0.20 ± 0.04	4.10 ± 0.93	23
	20–40	0.54 ± 0.10	0.23 ± 0.03
	0–5	1.0 ± 0.1	0.9 ± 0.1
Свинец	5–20	0.9 ± 0.1	0.9 ± 0.1	1.2 ± 0.2	6
	20–40	1.0 ± 0.1	0.8 ± 0.1
	0–5	0.12 ± 0.04	<0.05
Кадмий	5–20	<0.05	<0.05	0.44 ± 0.09	–
	20–40	<0.05	<0.05
	0–5	0.34 ± 0.07	0.28 ± 0.11
Кобальт	5–20	0.29 ± 0.06	0.21 ± 0.08	0.63 ± 0.25	5
	20–40	0.60 ± 0.04	0.33 ± 0.10
	0–5	0.18 ± 0.03	0.16 ± 0.02
Медь	5–20	0.16 ± 0.02	0.16 ± 0.01	0.50 ± 0.08	3
	20–40	0.10 ± 0.01	0.14 ± 0.03
	0–5	46.0 ± 3.4	32.4 ± 2.3
Марганец	5–20	32.0 ± 2.7	29.1 ± 1.9	74.2 ± 5.1	140
	20–40	48.3 ± 3.1	33.8 ± 3.3

 

При внесении ОСВ оно варьировало в диапазоне от 0.4 до 16.6% от ПДК и возрастало в ряду: Mn – Cu – Zn – Co – Pb. По сравнению с фоновой почвой только концентрации Co и Mn повысились в 1.5–2.0 раза, а содержание Zn в слое 0–5 см – в 8 раз. Концентрация этих элементов в ОСВ была заметно больше, чем в почве, но существенно меньше ПДК. Суммарный химический показатель составил в слоях 0–5, 5–20 и 20–40 см соответственно 10.2, 4.6, 3.6, что определяло уровень загрязнения как “допустимый”.

Валовое содержание валовых форм ТМ после внесения ОСВ не превышало ПДК (табл. 3).

 

Таблица 3. Содержание валовой формы ТМ в черноземе при внесении ОСВ в качестве удобрения, мг/кг

Элемент	Глубина, см	Поле	Контроль	ОСВ	ПДК
	0–5	4.8 ± 0.4	4.4 ± 0.3
Мышьяк	5–20	3.9 ± 0.7	3.3 ± 0.4	4.8 ± 0.3	10
	20–40	3.8 ± 0.2	3.6 ± 0.2
	0–5	95.0 ± 4.8	77.7 ± 9.6
Цинк	5–20	79.8 ± 2.6	72.2 ± 6.2	92.8 ± 4.7	220
	20–40	72.8 ± 1.8	67.1 ± 3.2
	0–5	9.9 ± 0.3	10.7 ± 1.2
Свинец	5–20	10.4 ± 0.6	11.8 ± 0.8	12.3 ± 2.2	130
	20–40	10.7 ± 0.5	11.2 ± 1.1
	0–5	0.40 ± 0.07	0.14 ± 0.05
Кадмий	5–20	0.18 ± 0.04	0.17 ± 0.06	1.02 ± 0.41	2
	20–40	0.07 ± 0.01	0.05 ± 0.02
	0–5	0.06 ± 0.01	0.03 ± 0.01
Ртуть	5–20	0.05 ± 0.01	0.04 ± 0.01	0.16 ± 0.07	2.1
	20–40	0.05 ± 0.01	0.02 ± 0.01
	0–5	81.5 ± 8.4	61.0 ± 5.6
Хром	5–20	74.3 ± 5.7	58.8 ± 4.4	77.5 ± 9.6	–
	20–40	76.8 ± 4.3	61.4 ± 4.7
	0–5	13.29 ± 0.25	12.14 ± 0.14
Кобальт	5–20	13.28 ± 0.42	12.41 ± 0.41	13.54 ± 0.37	–
	20–40	13.75 ± 0.25	11.93 ± 0.48
	0–5	62.8 ± 2.7	60.2 ± 1.9
Никель	5–20	66.2 ± 1.7	61.2 ± 0.1	62.3 ± 3.5	80
	20–40	70.0 ± 1.9	62.8 ± 2.9
	0–5	31.66 ± 1.04	27.65 ± 1.65
Медь	5–20	28.60 ± 0.81	26.55 ± 1.55	52.26 ± 2.15	132
	20–40	26.75 ± 0.85	24.95 ± 1.12
	0–5	705.3 ± 21.1	663.2 ± 27.1
Марганец	5–20	683.0 ± 29.0	667.4 ± 28.3	658.2 ± 30.7	1500
	20–40	675.3 ± 35.9	653.8 ± 24.2

 

Их суммарный химический показатель также был “допустимым” и в слоях 0–5, 5–20 и 20–40 см равнялся 4.8, 2.6, 4.7 соответственно. Вместе с тем необходимо отметить, что согласно ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, запрещается использование ОСВ в качестве удобрения при содержании в почве отдельных ТМ в концентрациях, превышающих 0.8 ПДК, на основании чего рассчитывают максимально допустимую дозу внесения ОСВ. В данной работе концентрации ТМ в фоновой почве изменялись в диапазоне 0.09–0.51 ПДК за исключением никеля (0.75 ПДК). Следует отметить, что почвы Южного Предуралья отличаются его повышенным содержанием [24, 25]. Никель относится к умеренно подвижным элементам, для которых характерно как накопление, так и частичный вынос [26], а коэффициент его миграции из внесенного в почву ОСВ оценивали в пределах 10–11% [27]. Максимально допустимая доза внесения ОСВ, рассчитанная по величине содержания этого элемента, составила 98 т/га. Однако после внесения 30 т ОСВ/га валовое содержание никеля (с учетом погрешности определения) вплотную приблизилось к величине 0.8 ПДК, что привело к опасности загрязнения почвы и нецелесообразности дальнейшего внесения ОСВ в почву этого поля.

Заключение

Таким образом, утилизация ОСВ путем использования его в качестве удобрения в дозе 30 т/га привело к увеличению содержания гумуса, минерального азота (до 2.5 раза), подвижного фосфора (до 30%) и обменного калия (до 12%), а также нейтрализации почвенного раствора. При этом содержание подвижных форм Mn, Cu, Zn, Co, Pb и Cd не превышало 16.6% от ПДК, содержание валовых форм As, Zn, Pb, Hg, Cd, Cr, Co, Cu и Mn также не превышало 51% от ПДК. Суммарный химический показатель содержания ТМ был “допустимым”. Только концентрация Ni, которая в фоновой почве составляла 0.75 ПДК, увеличилась до 0.8 ПДК. Следовательно, содержание никеля было лимитирующим при внесении ОСВ и ключевым элементом для мониторинга содержания ТМ в почвах.

Об авторах

О. А. Мелентьева

УФИЦ РАН

Email: gimib@mail.ru

Уфимский Институт биологии 

Россия, 450054 Уфа, просп. Октября, 69, Башкортостан

И. М. Габбасова

УФИЦ РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gimib@mail.ru

Уфимский Институт биологии 

Россия, 450054 Уфа, просп. Октября, 69, Башкортостан

Т. Т. Гарипов

УФИЦ РАН

Email: gimib@mail.ru

Уфимский Институт биологии 

Россия, 450054 Уфа, просп. Октября, 69, Башкортостан

И. К. Хабиров

Опытная станция “Уфимская”

Email: gimib@mail.ru
Россия, 450535 с. Чернолесовский, ул. Тополиная, 1, Уфимский р-н, Башкортостан

Список литературы

Дополнительные файлы