Сельское хозяйство/3. Земледелие, грунтоведение и агрохимия

К.с.-х.н., доц. Яковишина Т.Ф.

Государственное высшее учебное заведение “Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры”, Украина

Регрессионная модель влияния техногенного загрязнения кадмием на содержание подвижного фосфора в черноземе обыкновенном

Перспективным приемом изучения почвы, как экологической системы со сложной многоуровневой организацией и принципами функционирования, особенно при техногенном загрязнении тяжелыми металлами, является метод математического моделирования, который направлен на установление количественных зависимостей между формами нахождения этих токсикантов в почвенном профиле и совокупностью свойств почвы.

В агроэкологии, как правило, выделяют четыре формы тяжелых металлов в почве: водорастворимые формы; подвижные формы, показывающие доступность этих токсикантов для корневой системы растений (элюент ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) рН 4,8); потенциально-подвижные или активные (элюент 1Н HCl) и валовое содержание, которое в незагрязненных почвах обуславливается наличием этих элементов в материнской породе и определяется генезисом, фациальными различиями, а также процессами почвообразования [1]. В незагрязненных почвах солянокислая вытяжка экстрагирует 23-37 %, ААБ – 7-10 %, а водная вытяжка менее 1 % от валового содержания тяжелого металла.

Содержание тяжелых металлов в почве и соотношение между выше перечисленными формами обуславливается реакцией почвенного раствора, количеством органического вещества, биологическим круговоротом элементов, гранулометрическим составом почв и т.д. Обеспеченность растений тем или иным элементом определяется не столько его валовым содержанием, сколько наличием подвижных форм, поэтому именно их изучали в модельном эксперименте.

Важная роль моделей заключается в том, что с их помощью можно количественно оценить, как факторы, влияющие на поведение тяжелых металлов в почве, к которым, прежде всего, нужно отнести ее буферную способность, так и их, в большинстве случаев, отрицательное действие на почвенное плодородие.

Чернозем обыкновенный с содержанием гумуса – 4,0 %, физической глины – 57 %, полуторных оксидов – 5,5 %, карбонатов – 0,4 %, рН – 6,75 по количеству набранных баллов (3,5 + 15 + 7 + 1,5 + 10 = 37) (В.Б.Ильин, 1995) обладает повышенной степенью буферности к загрязнению тяжелыми металлами.

Одним из многочисленных факторов определяющих почвенное плодородие является содержание подвижного фосфора в почве. Известно, что повышенное содержание подвижного фосфора в почве [2], впрочем, как и интенсивное применение фосфорных удобрений [3], на фоне нейтральной и щелочной реакции среды (рН_водн. изучаемых в опыте черноземов обыкновенных 6,75), способствуют закреплению тяжелых металлов в ППК путем осаждения в недоступные растениям фосфаты [4]. Обменная способность ППК при одинаковой валентности тяжелых металлов зависит от их атомного веса, т.е. катионы большего атомного веса вытесняют больше поглощенных катионов, чем катионы металлов меньшего атомного веса, что связано с их энергией поглощения, которая возрастает с увеличением атомной массы.

Поэтому возникла необходимость в изучении влияния загрязнения характерного представителя тяжелых металлов – кадмия на содержание подвижного фосфора, что и было проделано в модельном эксперименте с зональной почвой Северной Степи Украины – черноземом обыкновенным малогумусным тяжелосуглинистым при уровне техногенной нагрузки в 1,0; 10,0; 50,0 и 100,0 ПДК по кадмию.

В естественных условиях чернозем обыкновенный характеризуется средней обеспеченностью подвижными фосфатами – 8,7-10,0 мг/100 г почвы (метод Чирикова) в пахотном слое. По данным ИЗХ УААН (Ю.К.Кудзин, 1970) интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур и широкое применение на полях тяжелой техники привели к ухудшению пахотного слоя и уменьшению содержания подвижного фосфора практически в 2 раза. Это свидетельствует о том, что в настоящее время, несмотря на повышенную степень буферности чернозем обыкновенный не готов к принятию техногенной нагрузки от загрязнения тяжелыми металлами. В Днепропетровской области в районах, где сельское хозяйство пересекается с промышленным производством, отмечены локальные геохимические аномалии с превышением Cd в почве до 2 ПДК и соответственно снижением содержания подвижного фосфора на 12,0-15,0 %.

Как показали результаты модельного эксперимента содержание подвижного фосфора в черноземе обыкновенном уменьшалось прямо пропорционально степени загрязнения кадмием, при чем с течением времени этот процесс усугублялся, что свидетельствует о о закреплении катионов Cd²⁺ в нерастворимые фосфаты.

Использование методов математической статистики позволило не только оценить точность полученных экспериментальных данных, но и установить существующие связи между степенью загрязнения кадмием и обеспеченностью почвы подвижными фосфатами. Регрессионная модель строилась в виде полинома второго порядка от исследуемого техногенного фактора. Коэффициенты уравнения определялись методом пошаговой множественной регрессии с отбраковкой несущественных параметров модели. Оценка точности модели проводилась по значению коэффициента множественной корреляции. Воздействие кадмия на содержание подвижных форм фосфора во времени представлено следующими уравнениями:

через 1 сутки Р_п.ф. = 3E-06Cd_п.ф.² - 0,006706Cd_п.ф. + 9,8305, RІ = 0,947

через 10 суток Р_п.ф. = 5E-0706Cd_п.ф.² - 0,008206Cd_п.ф. + 9,6925, RІ = 0,865

через 20 суток Р_п.ф. = 3E-0606Cd_п.ф.² - 0,009506Cd_п.ф. + 9,5233, RІ = 0,958

через 40 суток Р_п.ф. = 4E-0606Cd_п.ф.² - 0,010906Cd_п.ф. + 9,382, RІ = 0,921

где: Р_п.ф. – содержание подвижного фосфора в почве (метод Чирикова), мг/100 г почвы; Cd_п.ф – содержание подвижного кадмия в почве (ААБ, рН 4,8), мг/кг.

Подытожив выше изложенное, следует отметить, что методы математической статистики дают возможность получить качественно новую информацию о факторах контролирующих подвижность тяжелых металлов, что и было показано на примере техногенной нагрузки кадмием на обеспеченность почвы подвижным фосфором.

Литература:

1. Кадацкий В.Б., Васильева Л.И., Тановицкая Н.И., Головатый С.Е. Распределение форм тяжелых металлов в естественных ландшафтах Беларуси // Экология. – 2001. - №1. – С. 33-37.

2. Кудеярова А.Ю. Влияние орто- и конденсированных фосфатов на химические и спектральные свойства гумусовых производных и металлов // Известия АН. Серия биологическая. – 2002. - №2. – С. 219-229.

3. Потатуева Ю.А., Сидоренкова Н.К., Прищеп Е.Г. Агроэкологическое значение примесей тяжелых металлов и токсичных элементов в удобрениях // Агрохимия. – 2002. - №1. – С. 85-95.

4. Фатеев А.И., Бындыч Т.Ю. Изменение основных агрохимических показателей почв при загрязнении тяжелыми металлами // Труды Междунар. конф. “Ґрунтознавство та агрохімія на шляху до сталого розвитку України”. – Книга 3. Агрохімія та ґрунтознавство. – Вінниця. – 2002. – С. 148-149.