ІНСТИТУТ АГРОЕКОЛОГІЇ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

БОНДАРЬ ВАЛЕРІЯ ІВАНІВНА

УДК 577.4:631.82:631.416.3:631.92/95

ЕКОТОКСИКОЛОГІЧНА ОЦІНКА МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ ЗА ПОКАЗНИКАМИ ПОВЕДІНКИ МИШ'ЯКУ В АГРОЕКОСИСТЕМАХ

03.00.16. - екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Київ-2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті агроекології та біотехнології Української академії аграрних наук

Науковий керівник: доктор сільськогосподарських наук

Макаренко Наталія Анатоліївна,

Інститут агроекології та біотехнології УААН,

заступник директора з наукової роботи |

Офіційні опоненти: |

доктор сільськогосподарських наук, професор

Дегодюк Едуард Григорович,

Інститут землеробства УААН, головний науковий співробітник

кандидат сільськогосподарських наук, доцент

Рідей Наталія Михайлівна,

Національний аграрний університет України, декан факультету екології і біотехнології, зав. кафедрою екології агросфери |

Провідна установа |

Національний науковий центр

“Інститут ґрунтознавства та агрохімії

ім. О.Н. Соколовського” УААН, м. Харків |

Захист відбудеться „14” листопада 2005 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.371.01 в Інституті агроекології та біотехнології УААН за адресою: 03143, м. Київ, вул. Метрологічна, 12

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту агроекології та біотехнології УААН за адресою: вул. Метрологічна, 12

Автореферат розісланий ”____” жовтня 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.І. Моклячук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стратегія подальшого існування людства передбачає комплекс дій, серед яких важливими є заходи із зниження забруднення біосфери токсичними речовинами. Досягти цього можна лише за умови превентивної екологічної оцінки технологій, в тому числі агротехнологій. Мінеральні добрива, як обов’язковий елемент сучасних агротехнологій, при певних умовах можуть бути причиною погіршення екологічного стану ґрунтів, санітарно-гігієнічних показників якості сільськогосподарської продукції, забруднення природних вод біогенними і токсичними елементами. Існує думка, що порівняно з промисловим, такий вплив незначний і їм можна нехтувати. Проте, забруднення внаслідок застосування добрив носить хронічний характер і відноситься до дифузного виду, що вважається більш небезпечним, ніж локальне забруднення у районах розташування промислових об’єктів.

Серед небезпечних хімічних речовин не останнє місце відводиться миш’яку (As) - елементу, токсичні властивості якого відомі з давніх часів. Дослідженню поведінки миш'яку в екосистемах присвячені роботи Н.П. Вашкулата (1974), О.Т. Ведіної (1979), М.Г Зиріна (1979, 1985), Г.В Мотузової (1979, 1981, 1999), В. Ільїна (1992, 1993, 1995) та ін. Відомо, що кількість миш’яку в азотних добривах може складати 2 -120 мг/кг, фосфорних – 2-1200; органічних – 3-25; вапнякових матеріалах - 0,1-2,4 мг/кг (М.Г.Зирін, 1985; Ю.О.Потатуєва, 1991; О.О.Карпова, 1991; М.М.Городній, 2003). Однак, інформація щодо вмісту цього елементу у ґрунтах України, особливостей його міграції, транслокації та біокумуляції в агроекосистемах під впливом природних і антропогенних чинників носить фрагментарний, неузагальнений характер. Особливості впливу миш’яку на біологічні об’єкти агроекосистеми, його міграція за трофічними ланцюгами і надходження до тварин і людини, залежить, в першу чергу, від процесів нагромадження і рухомості у ґрунті – основному осередку у ланцюгу добриво-грунт-рослина-тварина-людина. Однак, існують певні неузгодженості між фактичним вмістом елементу у ґрунтах та чинними токсикологічними нормативами, не встановлено екологічно безпечні концентрації As у ґрунтах, що ускладнює проведення об’єктивної оцінки небезпеки цього елементу. Тому актуальним є вивчення поведінки миш’яку в компонентах агроекосистем під впливом природних і антропогенних чинників з метою розробки заходів щодо попередження можливих негативних впливів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися протягом 2002-2004 рр., згідно науково-тематичних планів Інституту агроекології та біотехнології УААН за науково-технічною програмою: “Агроекологічний моніторинг і моделювання сталих агроландшафтів та агроекосистем України” за завданням “Обґрунтувати і розробити основні напрямки раціонального природокористування на засадах оптимізації сільськогосподарських ландшафтів, охорони ґрунтових і водних ресурсів, біологізації агротехнологій та екологобезпечного використання засобів хімізації” (№ ДР 0101U003294).

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження полягала в розробці системи екотоксикологічної оцінки мінеральних добрив за показниками поведінки в агроекосистемі одного з потенційно небезпечних хімічних елементів – миш’яку.

Для досягнення поставленої мети було визначено наступні завдання:

· вивчити реакцію різних біологічних тестів на забруднення ґрунту миш’яком та встановити допустимі для екосистеми концентрації;

· вивчити вплив природних чинників на фоновий вміст миш’яку у різних ґрунтах України (нагромадження у верхніх шарах та розподіл за профілем) залежно від їх генезису;

· дослідити вплив тривалого застосування добрив на процеси кумуляції та міграції миш'яку в різних типах ґрунтів України;

· вивчити вплив добрив на фоні зрошення на процеси вилуговування та вертикальної міграції миш’яку в умовах темно-каштанового ґрунту;

· дослідити вплив добрив на процеси транслокації миш'яку в органи різних сільськогосподарських культур;

· розробити систему екотоксикологічних показників оцінки мінеральних добрив за результатами вивчення поведінки миш'яку в компонентах агроекосистеми;

· розробити регламенти вмісту миш'яку у мінеральних добривах (на прикладі фосфоритів місцевих родовищ України).

Об’єкт дослідження - поведінка миш’яку в компонентах агроекосистеми України під впливом природних та антропогенних чинників, в тому числі добрив.

Предмет досліджень – екотоксикологічна оцінка мінеральних добрив за показниками поведінки миш’яку в агроекосистемах.

Методи дослідження: 1) польовий – вивчення поведінки миш’яку у природних екосистемах та в умовах агроекосистем при тривалому застосуванні добрив (в контрольованих умовах стаціонарних польових дослідів); 2) лабораторний – визначення фізико-хімічними, біохімічними, екотоксикологічними методами кількісних і якісних характеристик об’єктів дослідження; 3) статистичний – встановлення на основі регресійного, дисперсійного, кореляційного методів достовірності отриманих результатів та взаємозв’язку між різними факторами.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше визначено фоновий вміст миш'яку в ґрунтах різних природно-кліматичних зон України; встановлено особливості впливу добрив на процеси його кумуляції, міграції в різних типах ґрунтів, а також особливості процесу транслокації миш’яку різними сільськогосподарськими культурами.

За результатами проведених досліджень вперше запропоновано систему екотоксикологічної оцінки миш'яку в компонентах агроекосистеми з метою попередження негативного впливу певних елементів агротехнологій, зокрема застосування мінеральних добрив. За розробленими критеріями оцінки проведено регламентацію фосфоритів родовищ України щодо вмісту миш'яку.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи можуть знайти своє практичне використання при проведенні екологічної експертизи агрохімікатів в процесі проведення їх державних випробувань; при виробництві мінеральних добрив для регламентації їх хімічного складу; у сільськогосподарських підприємствах для прогнозу забруднення ґрунту внаслідок застосування засобів хімізації.

Результати дослідження використано при складанні методичних рекомендацій „Методика агроекологічної оцінки мінеральних добрив”, розглянутих і затверджених на секції землеробства та виробництва продуктів рослинництва НТР Мінагрополітики України (протокол № 14 від 13 жовтня 2003 р.), Вченою радою Інституту агроекології та біотехнології УААН (протокол № 8 від 01 жовтня 2003р.).

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та задач дослідження, аналізі наукової літератури, безпосередньої участі у польових та експедиційних дослідженнях у межах програми ІАБ УААН з агроекологічного моніторингу, відборі зразків ґрунту, рослин з подальшим їх лабораторним вивченням (визначення вмісту валових та рухомих форм миш'яку в ґрунтових та рослинних зразках, фосфоритах, проведення дослідів з біотестування), статистичному аналізі отриманих експериментальних результатів, написанні наукових публікацій.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи представлялися на Всеукраїнській конференції молодих вчених “Засади сталого розвитку аграрної галузі” (Київ, 2002); науково-практичній конференції молодих вчених “Проблеми сучасного землекористування” (Київ-Чабани, 2002); третій науково-практичній конференції аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень стан і перспективи” (Вінниця, 2003); VI міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2003, робота відзначена дипломом); науково-практичній конференції молодих вчених “Стабілізація землекористування та сучасні агротехнології” (Київ – Чабани, 2003); VII міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта ‘2004” (Дніпропетровськ, 2004); науково-практичній конференції молодих вчених “Новітні технології вирощування сільськогосподарських культур – у виробництво” (Київ-Чабани, 2004); міжнародній науковій конференції “Екологія: проблеми адаптивно-ландшафтного землеробства” (Житомир, 2005).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 13 праць з яких 4 - статті у фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційну роботу викладено на 156 сторінках комп’ютерного тексту, складається зі вступу, п’яти розділів, три з яких є експериментальною частиною роботи, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних 238 літературних джерел, в тому числі 28 латиницею. Ілюстрована 37 таблицями, 33 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Огляд літератури. Аналіз літературних джерел показав, що хімічні властивості миш’яку визначають особливості його поведінки у природному середовищі, обумовлюють високу ступінь екотоксикологічної небезпеки, що робить обов’язковим контроль за цим елементом в агроекосистемах. Характер впливу миш’яку на біологічні об’єкти залежить, в першу чергу, від процесів нагромадження і рухомості у ґрунті, однак, інформація щодо вмісту миш’яку у ґрунтах України, особливостей його міграції, транслокації та біокумуляції під впливом природних і антропогенних чинників носить фрагментарний, неузагальнений характер. Сучасні технології вирощування сільськогосподарських культур, зокрема мінеральні добрива, як їх обов’язковий елемент, при певних умовах можуть бути причиною активізації процесів міграції та транслокації миш’яку, що потребує більш глибокого вивчення і розробки певних регламентів та превентивних заходів.

Умови та методи проведення досліджень. Польові і лабораторні дослідження проводили протягом 2002-2004 рр. Вивчення фонового вмісту миш'яку в ґрунтах, процесів кумуляції та радіальної міграції під впливом тривалого застосування добрив проводили в умовах стаціонарних польових дослідів наукових установ, що входили до складу науково-методичного центру УААН “Агроекологія” - Інституту агроекології та біотехнології; Інституту сільського господарства Полісся, Миронівського інституту пшениці, Інституту кормів, Інституту землеробства південного регіону, Донецького Інституту агропромислового виробництва, Рівненської, Хмельницької, Полтавської, Запорізької ДСГДС, Заповідного урочища “Юницьке” Луганської області, Біосферного заповідника “Асканія-Нова”. Досліджувалася поведінка миш’яку у різних типах ґрунтів під впливом наступних доз добрив: у дерново-середньопідзолистому глеюватому глинисто-піщаному на морені грунті - N75P75K75, у темно-сірому опідзоленому - N120P120K120, у чорноземі опідзоленому слабкозмитому середньосуглинковому - N90P60K30, у чорноземі типовому важкосуглинковому - N88P56K100, у чорноземі глибокому малогумусному слабковилугованому середньосуглинковому - N60P40K40, у чорноземі звичайному малогумусному середньосуглинковому на лесі - N50P50K50, у чорноземі звичайному неглибокому середньогумусному легкосуглинковому на лесі - N270P300K240 (на фоні 30 т гною), у темно-каштановому середньосуглинковому слабкосолонцюватому - N90P60K30.

Зразки грунту відбирали в ході експедиційних виїздів (протягом 2002-2004 рр.), які проводилися згідно загальної програми ІАБ УААН з агроекологічного моніторингу і в яких автор роботи приймав безпосередньо участь.

Для вивчення процесів кумуляції As відбирали зразки з орного шару ґрунту (0-20 см), для вивчення радіальної міграції - з глибини 1 м через кожні 20 см. У зразках ґрунту визначали валові і рухомі форми елементу. Для фізико-хімічної характеристики ґрунтів, які досліджувалися у різних природно-кліматичних зонах України, використовували дані, представлені у звітах співвиконавців НМЦ „Агроекологія”.

Питання транслокації As у сільськогосподарські культури (пшеницю яру, ріпак ярий, сою) вивчали в умовах польового досліду ІАБ УААН на сірому лісовому супіщаному слабкоглеюватому ґрунті у наступних варіантах: пшениця яра - 1) контроль (без добрив), 2) N150P100K100, 3) N75P50K50+ побічна продукція + сидерат, 4) N10P10K10 + побічна продукція + сидерат, 5) органічні добрива; ріпак ярий - 1) контроль (без добрив), 2) N120P100K90, 3) N60P30K45+ побічна продукція + сидерат, 4) N20P10K10+ побічна продукція + сидерат, 5) органічні добрива; соя - 1) контроль (без добрив), 2) N40P60K60, 3) N20P30K30+ побічна продукція + сидерат, 4) N10P10K10+ побічна продукція + сидерат, 5) органічні добрива. Рослинні зразки відбирали у фазу повної стиглості, аналізували підземні і надземні вегетативні органи (корінь, стебло, листя), і генеративні органи (зерно).

Для визначення безпечних рівнів забруднення ґрунту миш’яком проводили лабораторний дослід за методикою R.Chavinade зі штучним рівнем забруднення. Миш’як у грунт вносили у вигляді водного розчину As2O3 за наступною схемою: контроль (0), 5, 10, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175 мг/кг ґрунту. Для біотестування використовували системи показників на молекулярному, онтогенетичному, біогеоценотичному рівнях. Ферментативну активність ґрунту визначали за методом Галстяна; нітрифікаційну здатність - за методом Кравкова; токсичність миш'яку відносно проростання сільськогосподарських культур - за методом Гродзинського; токсичність миш'яку відносно представників мезофауни ґрунту - на індикаторному виді Eisenia foetida (земляні черв’яки).

Для встановлення ступеню ризику забруднення ґрунту As при застосуванні фосфорних добрив досліджували фосфоровмісні руди і продукти їх переробки родовищ України: Ново-Амросіївського, Південно-Осиківського, Волинського, Ратнівського, Здолбунівського, Маневичсько-Клеванської фосфоритоносної площадки (МКП).

У лабораторних умовах визначення миш'яку в ґрунті, рослинах та фосфоритах проводили фотоколориметричним методом [ТУ У6- 14005076.041-2000]. Екстракцію валового миш'яку з грунту та фосфоритів проводили конц. HCl (?-1,18-1,19 г/см3), рухомого - 0,2N HCl. Визначення миш’яку в рослинних зразках проводили після попереднього озолення рослинного матеріалу концентрованими азотною та сірчаною кислотою з додаванням води та оксалату амонію.

Достовірність та надійність результатів досліджень підтверджували даними математичної статистики вибіркової сукупності за допомогою дисперсійного, регресійного, кореляційного аналізів.

Екологічне нормування миш’яку у ґрунті за біологічними тестами. В основу екологічного нормування миш'яку в ґрунті було покладено реакцію організмів на вплив факторів середовища. В якості біологічних тестів було використано ферментативну активність грунту (група оксидоредуктаз), нітрифікаційну здатність грунту, реакцію представників мезофауни (земляні черв’яки Eisenia foetida ), реакцію вищих рослин (пшениця Triticum aestivum L, крес-салат Lepidium sativum L, редис червоний з білим кінчиком Raphanus sativus L.)

Результати досліджень показали, що з ґрунтових ферментів токсичний вплив миш’яку проявився лише у відношенні поліфенолоксидази і при дуже високих концентраціях – на рівні 175 мг/кг. В той же час, активність нітрифікаційної здатності ґрунту при штучному забруднені знизилась на 18 - 46 % порівняно з контролем. Результати досліджень впливу миш'яку на земляних черв’яків показали, що при концентраціях миш’яку в ґрунті від 5 до 150 мг/кг смертність становила 2,5 % порівняно з контролем, при підвищенні концентрації миш’яку до 175 мг/кг вона зросла лише до 5 %. Збільшення концентрації миш’яку до 100 мг/кг і вище призвело до пригнічення розвитку зародкового кореня і пагону пшениці, їх довжина зменшилася відносно контролю на 40 - 50 % та 39 - 89 % відповідно. Дослідження впливу миш'яку на проростання редису червоного та крес-салату показали, що вже при створенні забруднення на рівні 5 мг/кг відмічалося зниження проростання редису червоного на 14 % і крес-салату на 4 % відносно контролю. При підвищенні забруднення до рівня 10 мг As /кг проростання редису червоного знизилося на 27 %, що свідчить про створення зони песимуму для рослин. При забруднені ґрунту миш’яком вище 25 мг/кг відбувалося значне пригнічення проростання як редису червоного, так і крес-салату, а при концентраціях миш’яку 150-175 мг/кг - повна загибель рослин.

Узагальнення отриманого матеріалу дало можливість визначити найбільш чутливі біотести відносно забруднення ґрунту миш’яком і встановити рівні забруднення, які можуть негативно впливати на біологічні об’єкти агроекосистем. При цьому керувалися тим, що небезпечним необхідно вважати рівень забруднення, при якому для біологічних об’єктів відбувається зниження активності біохімічних, фізіологічних процесів, чисельності організмів 10 – 25 % і більше відносно контролю. Такий рівень забруднення ґрунту миш’яком вважали небезпечним. Базуючись на такому підході, було визначено найбільш чутливі тести, такими виявилися нітрифікаційна здатність ґрунту та реакція фітоіндикаторів – редису червоного з білим кінчиком і крес-салату. Згідно реакції названих тестів, небезпечною для екосистеми можна вважати концентрацію миш’яку у ґрунті вище 5 мг/кг (табл.1).

Таблиця 1

Концентрації миш’яку у ґрунті, при яких відбувається перехід умов існування біоти від комфорту до песимуму

(лабораторні досліди проводилися протягом 2002-2004 рр.)

Концентрація миш’яку в ґрунті, мг/кг | Біоіндикатори

нітри-фікаційна здатність грунту |

фермента-тивна

активність грунту,

поліфенол-оксидаза | земляні

черв’яки

Eisenia foetida | редис черво

ний з білим кінчиком

Raphanus sativus L. | крес-салат

Lepidium sativum L | зернівка пшениці

зародко-

вий

корінь | пагін

контроль (0)

5 | ¦ | ¦

10 | ¦ | ¦ | ¦

25 | ¦ | ¦

50 | ¦

75 | ¦

100 | ¦

125

150 | повна загибель

175 | ¦ | ¦ | повна загибель | повна загибель

Особливості поведінки миш'яку у системі грунт-добриво-рослина залежно від грунтово-кліматичних умов та застосування добрив.

Вміст валового та рухомого миш’яку в орному шарі різних типів ґрунтів України. Результати досліджень показали, що фоновий вміст валового миш’яку для різних типів ґрунтів України коливався в межах 0,98 - 5,40 мг/кг. Високим вмістом миш’яку характеризувались ґрунти чорноземного типу, поширені в зоні Лісостепу і Степу. Вміст миш'яку в цих ґрунтах значно залежав від активності процесів гумусоутворення, про що свідчить рівень корелятивного зв’язку – R (As- гумус) = 0,775. Певним чином на нагромадження миш'яку у верхніх шарах чорноземних ґрунтів впливали оксиди Сa і Mg, між вмістом As та цих елементів прослідковувався сильний та середній корелятивний зв’язок - R (As-СaО) = 0,666; R (As-MgО) = 0,493. Для ґрунтів з підзолистим типом ґрунтоутворення характерним був вміст миш'яку на рівні 2,2-2,7 мг/кг. Процеси кумуляції миш'яку у верхніх шарах цих ґрунтів були функцією вмісту оксидів Al (R(As-Al2O3)= 0,627) та в деякій мірі оксидів Fe (R(As-Fe2O3)= 0,344).

Екотоксикологічна оцінка хімічних елементів базується, перш за все, на результатах з вивчення вмісту їх рухомих сполук, оскільки саме вони визначають біодоступність і біотоксичність. За результатами проведених досліджень встановлено, що фоновий вміст рухомих форм миш’яку у верхніх шарах різних типів ґрунтів коливався від 0,25 до 1,14 мг/кг і залежав від їх фізико-хімічних властивостей. Серед таких властивостей в першу чергу можна підкреслити реакцію ґрунтового середовища. В наших дослідженнях спостерігався взаємозв’язок між рівнем рН та вмістом рухомого миш'яку, при цьому відмічалася достовірна кореляція - R (As-pH)= 0,434 (табл. 2).

Таблиця 2

Фоновий вміст валових і рухомих форм миш’яку у різних типах ґрунтів України, мг/кг (обстеження ґрунтів проводилося протягом 2002-2004 рр.)

Ґрунт | Вміст

валового

миш’яку | Вміст

рухомих форм

миш’яку | Частка рухомих сполук від валового вмісту, %

Зона Полісся

Дерново – середньопідзолистий глеюватий | 2,75±0,10 | 0,26±0,013 | 9,5

Зона Лісостепу

Сірий-лісовий середньоопідзолений | 2,18±0,10 | 0,47±0,032 | 21,6

Темно-сірий опідзолений | 2,40±0,11 | 0,51±0,019 | 21,3

Чорнозем опідзолений слабкозмитий | 5,40±0,23 | 1,14±0,064 | 21,0

Чорнозем типовий важкосуглинковий | 5,40±0,20 | 0,50±0,013 | 9,3

Зона Степу

Чорнозем звичайний малогумусний середньосуглинковий | 4,10±0,08 | 0,51±0,019 | 12,4

Чорнозем звичайний малогумусний неглибокий | 5,10±0,13 | 0,51±0,019 | 10,0

Темно-каштановий середньосуглинковий слабкосолонцюватий | 0,98±0,03 | 0,03±0,001 | 3,1

Темно-каштановий залишково слабкосолонцюватий | 2,70±0,08 | 0,25±0,013 | 9,3

Аналіз ґрунтів на вміст валових і рухомих сполук миш'яку дозволив виявити загальну залежність – ґрунти підзолистого типу характеризувалися більш високою часткою рухомих сполук миш'яку на фоні нижчого його загального вмісту. Кількість рухомого миш'яку у цих ґрунтах складала 9,5-21,6 % від загального вмісту, проти 9,3-12,4 % у ґрунтах чорноземного типу.

Вплив тривалого застосування добрив на кумуляцію миш’яку в орному шарі різних типів ґрунтів. У ґрунтах з ознаками підзолистого процесу ґрунтоутворення (дерново-підзолистому, темно-сірому опідзоленому, чорноземі опідзоленому) встановлено, що тривале застосування добрив (більше 10 років) не привело до значної кумуляції валового миш'яку в орному шарі. На відміну від підзолистих ґрунтів, у ґрунтах чорноземного типу зони Лісостепу з кумулятивним характером ґрунтоутворення, добрива сприяли нагромадженню As в гумусовому горизонті. Застосування мінеральних добрив на чорноземі типовому важкосуглинковому призвело до збільшення вмісту As з 2,25±0,05 до 5,88±0,32 мг/кг, на чорноземі звичайному неглибокому малогумусному з 2,05±0,04 до 5,18±0,15 мг/кг. Застосування мінеральних добрив на темно-каштановому ґрунті зони Степу призвело до підвищення кількості елементу в гумусовому горизонті більше ніж у 5 разів.

За результатами досліджень рухомих форм миш'яку в орному шарі підзолистих ґрунтів (дерново-середньопідзолистий, темно-сірий опідзолений), було встановлено, що мінеральні добрива привели до зменшення його кількості на 21 та 16 % порівняно з контролем (без добрив). На відміну від підзолистих ґрунтів, у ґрунтах чорноземного типу мінеральні добрива призвели до підвищення вмісту елементу на 32 – 213 % порівняно з контролем (без добрив). При застосуванні добрив на темно-каштановому ґрунті добрива сприяли підвищенню вмісту рухомого миш’яку майже у 4 рази.

Розподіл миш'яку у профілі різних типів ґрунтів залежно від їх генезису. Встановлено, що розподіл миш'яку у профілі ґрунту залежить від генетичних особливостей формування ґрунту, що в свою чергу обумовлюється наявністю біогеохімічного та адсорбційного бар’єрів.

У результаті дослідження виявлено, що на процеси кумуляції миш'яку у більшості ґрунтів впливав біогеохімічний бар’єр. Так, вміст миш'яку в гумусовому горизонті дерново-середньопідзолистого грунту (шар 0 - 20 см) складав 2,75 мг/кг з подальшим його зниженням в елювіальному горизонті до 1,65 мг/кг. В ілювіальному горизонті вміст миш’яку знаходився на рівні 1,38 мг/кг; у перехідному до материнської породи вміст миш'яку був на 54 % меншим ніж у гумусовому горизонті. У чорноземі типовому вміст As у гумусовому горизонті (H/k) складав 5,10 - 5,25 мг/кг (глибина 0 - 43 см), верхньому перехідному (Hpk) – 5,35 мг/кг (глибина 44 - 70см). Дослідження розподілу миш'яку в темно-каштановому ґрунті показали, що на природний розподіл As впливало два бар’єри – біогеохімічний та адсорбційний. Високий вміст миш'яку спостерігався у гумусовому (Не), гумусово- ілювіальному (НІ) горизонтах з вмістом миш'яку 2,70 і 2,45 мг/кг відповідно.

Радіальна міграція миш’яку за профілем різних типів ґрунтів під впливом добрив і зрошення. Тривале використання мінеральних добрив активізує процеси радіальної міграції миш’яку за профілем різних типів ґрунтів України.

В зоні Полісся на дерново-середньопідзолистому глеюватому ґрунті при застосуванні мінеральних добрив спостерігали тенденцію до вилуження миш’яку з гумусово-елювіального горизонту з подальшим нагромадженням в ілювіальному (рис. 2 а). Враховуючи, що ґрунти підзолистого типу поширені переважно у ландшафтах з промивним гідрологічним режимом, можна передбачити, що при систематичному застосуванні мінеральних добрив буде відбуватися поступове надходження миш’яку у ґрунтові води агроландшафту. Тривале застосування добрив на чорноземі опідзоленому слабкозмитому призвело до значної акумуляції миш’яку у верхніх шарах ґрунту - вміст As у шарі 0 - 40 см підвищився в 1,04 - 3,40 рази порівняно з фоном. Починаючи з глибини 40 - 60 см, внесення добрив активізувало процеси вилуговування елементу з подальшою акумуляцією його у нижньому перехідному горизонті та породі, де вміст As складав 5,25 і 4,98 мг/кг проти 1,75 і 2,05 мг/кг фонового (рис. 2 б). Важливе наукове значення мають результати, отримані при дослідженні тривалого впливу мінеральних і органічних добрив на нагромадження миш’яку у профілі чорнозему звичайного неглибокого малогумусного (Донецький ІАПВ). Схема досліду дає можливість визначити окремо дію не лише мінеральних, а і органічних добрив. Результати дослідження показали, що нагромадження елементу у профілі ґрунту відбувалося переважно за рахунок мінеральних добрив, під їх впливом кількість As збільшилася у шарі 0 - 80 см в 1,7-3,1 рази. Порівняно з мінеральними добривами внесок органічних добрив у процеси нагромадження As був незначний, під їх дією збільшення кількості миш’яку відбулося лише у 1,1-1,7 рази (рис. 2 в). Дослідження вмісту миш'яку при застосуванні добрив на темно-каштановому ґрунті, показало, що ці ґрунти характеризувалися високою здатністю до акумуляції елементу. На контролі (без добрив) в орному шарі вміст миш’яку складав 0,2 мг/кг; при застосуванні добрив він підвищився до 1,2 мг/кг. Необхідно відмітити, що підвищення вмісту миш'яку спостерігали у профілі всього ґрунту, його кількість збільшилася в 5,5-11,7 рази порівняно з контролем (рис. 2 г).

Вплив мінеральних добрив на процеси нагромадження і міграції миш’яку у ґрунті на фоні зрошення. Застосування мінеральних добрив на фоні зрошення у темно-каштановому ґрунті помітно підвищило не лише вміст валового миш’яку, але істотно вплинуло на кількість його рухомих сполук. Це, безперечно, може призводити до вертикальної та горизонтальної міграції цього токсичного елементу і надходження його у ґрунтові і поверхневі води агроландшафту. При застосуванні мінеральних добрив у дозі N90P60K30 вміст миш’яку збільшився з 1,35±0,06 до 2,15±0,06 мг/кг, підвищення дози мінеральних добрив до N150P90K60 призвело до подальшого збільшення вмісту миш’яку до 3,10±0,16 мг/кг. Зрошення помітно підвищило кількість рухомих сполук елементу – їх вміст збільшився з 0,07±0,002 мг/кг до 0,37±0,02 та 0,54±0,02 мг/кг відповідно (рис. 3).

а б

в г

Рис. 2. Вплив мінеральних і органічних добрив на міграцію миш’яку у профілі ґрунтів:

дерново-середньопідзолистого глеюватого (а),

чорнозему опідзоленого слабкозмитого (б),

чорнозему звичайного неглибокого малогумусного (в),

темно-каштанового середньосуглинкового слабкосолонцюватого (г)

Особливості транслокації миш'яку у сільськогосподарські культури залежно від удобрення. Дослідження особливостей розподілу миш'яку в органах сільськогосподарських культур, проведені в умовах польового досліду на сірому лісовому ґрунті з пшеницею ярою, ріпаком ярим та соєю показали єдину для всіх культур залежність - найвищі концентрації As спостерігалися у кореневій системі рослин. При застосуванні мінеральних добрив (максимальна доза N150P100K100) вміст миш'яку в корінні пшениці ярої складав 4,9 мкг/кг проти 2,8 мкг/кг на контролі (без добрив), у надземних вегетативних та генеративних органах - 2,9 мкг/кг (листя і стебла) та 1,7 мкг/кг (зерно) проти 1,7 і 0,7 мкг/кг відповідно на контролі (без добрив). Результати досліджень розподілу миш’яку за органами ріпаку ярого показали, що за мінеральної системи удобрення (N120P60K90) вміст миш’яку у кореневій системі підвищився в 4,0 рази, листях і стеблах - в 4,7, зерні – 3,5 рази. При внесенні максимальної дози мінеральних добрив (N40P60K60) в кореневій системі сої вміст миш'яку збільшився з 2,1 мкг/кг до 3,3, у листях та стеблах – з 1,0 до 2,3 мкг/кг (табл. 3).

Таким чином, дослідження, проведені з зерновими, зернобобовими та олійними сільськогосподарськими культурами (пшениця, ріпак, соя), показали безумовну залежність між нагромадженням миш’яку рослинами та застосуванням добрив. За результатами досліджень встановлено, що коефіцієнт біологічного поглинання миш'яку зростав від 0,01 до 0,94, залежно від сільськогосподарської культури та системи удобрення.

Таблиця 3

Вплив добрив на транслокацію миш’яку у сільськогосподарські культури (польовий дослід, грунт – сірий лісовий, шар – 0-20 см, 2003-2004 рр.)

Варіант | Вміст

рухомих форм

As в ґрунті, мг/кг | Вміст As в органах рослини

корінь | листя, стебла | зерно

мкг/кг | % до контро

лю | мкг/кг | % до контролю | мкг/кг | % до контролю

Пшениця яра

Контроль (без добрив) | 0,35 | 2,8 | - | 1,7 | - | 0,70 | -

N150P100K100 | 0,54 | 4,9 | 75 | 2,9 | 71 | 1,70 | 143

N75P50K50+ побічна продукція + сидерат | 0,45 | 3,9 | 39 | 2,3 | 35 | 1,20 | 71

N10P10K10+ побічна продукція + сидерат | 0,34 | 3,2 | 14 | 1,9 | 12 | <0,05 | < 1

НІР05% (Fфакт.>Fтабл.) | 0,08 | 0,30 | 0,20 | 0,10

Ріпак ярий

Контроль (без добрив) | 0,30 | 2,1 | - | 1,3 | - | 0,60 | -

N120P60K90 | 0,95 | 8,3 | 295 | 6,1 | 369 | 2,10 | 250

N60P30K45 + побічна продукція + сидерат | 0,42 | 3,2 | 52 | 1,7 | 31 | <0,05 | < 1

N20P10K10 + побічна продукція + сидерат | 0,39 | 2,4 | 14 | 1,5 | 15 | <0,05 | < 1

НІР 05% (Fфакт.>Fтабл.) | 0,05 | 0,33 | 0,08 | 1,13

Соя

Контроль (без добрив) | 0,30 | 2,1 | - | 1,0 | - | <0,05 | -

N40P60K60 | 0,44 | 3,3 | 57 | 2,3 | 130 | <0,05 | -

N20P30K30 + побічна продукція + сидерат | 0,36 | 2,7 | 29 | 1,7 | 70 | <0,05 | -

N10P10K10 + побічна продукція + сидерат | 0,23 | <0,05 | < 1 | <0,05 | < 1 | <0,05 | -

НІР 05% (Fфакт.>Fтабл.) | 0,03 | 0,21 | 0,17 | -

Екотоксикологічна оцінки миш'яку в компонентах агроекосистеми. Проведені дослідження дозволили встановити характерний вміст миш’яку в основних типах ґрунтів України, генетичні особливості розподілу його у їх профілі, особливості радіальної міграції та транслокації. Узагальнення отриманих даних, а також використання розробок Національного наукового центру “Інституту ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”, методичних підходів відомих вчених у галузі гігієни і токсикології М.П. Вашкулата, Є.І. Гончарука, М.С.Соколова та ін., розробки Н.А.Макаренко дали можливість розробити систему екотоксикологічної оцінки миш’яку за наступними показниками:

Оцінка небезпеки забруднення миш'яком верхніх шарів ґрунту - включає оцінку за перевищенням фонового вмісту та прогноз забруднення при надходженні миш’яку внаслідок антропогенної діяльності. Оцінка за перевищенням фонового вмісту проводиться за результатами експериментальних досліджень у конкретних грунтово-кліматичних умовах. Порівнюється фактичний вміст елементу з його фоновим вмістом у грунті. За результатами наших досліджень встановлено, що середній фоновий вміст валових і рухомих форм миш'яку в основних типах ґрунтів України наступний:

грунти | валові форми As, мг/кг | рухомі форми As, мг/кг

дерново-підзолисті | 2,8 | 0,30

сірі лісові | 2,3 | 0,50

чорноземи | 5,0 | 0,67

темно-каштанові | 1,8 | 0,14

За перевищенням фонового вмісту валових і рухомих форм миш'яку в орному шарі ґрунту пропонується наступна градація рівня небезпеки:

рівень небезпеки | перевищення фону, кратність

високо небезпечний | >6

небезпечний | 5-6

помірно небезпечний | 3-4

мало небезпечний | <2

Прогноз ризику забруднення орного шару ґрунту миш’яком (за Н.А.Макаренко) пропонується здійснювати за показником часу досягнення його критичної концентрації (Тк), який представляє собою відношення можливого додаткового надходження миш'яку у грунт (А) до фактичного (G):

Тк = А/G (роки)

Можливе додаткове внесення миш'яку в грунт (А, мг/кг) може бути розраховане відносно фонового його вмісту, враховуючи, що перевищення фонового вмісту у 4 рази може мати екотоксикологічну небезпеку:

А = 4F·3 000 000·kt, де

F – фоновий вміст миш’яку в ґрунті, мг/кг; 3 000 000 – маса орного шару ґрунту в перерахунку на суху речовину, кг/га; kt – коефіцієнт стійкості ґрунту до забруднення миш’яком, що враховує властивості ґрунту, бал. Встановлено усереднені коефіцієнти стійкості для грунтів основних грунтово-кліматичних зон:

грунтово-кліматична зона | kt, бал

Полісся | 0,3

Лісостеп | 0,6

Степ | 0,8

Фактичне надходження (G, мг/га) представляє собою кількість мг As, яка може надійти у кг ґрунту за певний період (за рік). У випадку застосування мінерального добрива розраховується як:

G = d g2 100/ g1, де

d – доза добрива за діючою речовиною, кг/га; g1 – вміст діючої речовини в добриві, %; g2 – вміст миш’яку в добриві, мг/кг.

Ризик забруднення ґрунту миш’яком буде визначатися Тк, за який може бути досягнуто небезпечних концентрацій. За цим показником пропонується наступна градація небезпеки:

рівень небезпеки | Тк , роки

високо небезпечний | < 10

небезпечний | 10-30

помірно небезпечний | 31-100

мало небезпечний | > 100

Екотоксикологічна оцінка миш’яку за показниками горизонтальної і вертикальної міграції - спрямована на попередження можливих негативних наслідків міграції миш'яку, одним з яких може бути забруднення ґрунтових і поверхневих вод. В якості кількісного показника активності вертикальної міграції використовують коефіцієнт концентрації (Кс), який характеризує ступінь накопичення елементів у компоненті системи відносно обраного еталону: Кс = ki / Ki, де ki – вміст (кількість) i- хімічного елементу (речовини) у n-компоненті, Ki - вміст (кількість) i- хімічного елементу (речовини) в еталоні (контролі).

В результаті вивчення вертикальної міграції миш'яку в основних типах ґрунтів України встановлено середній вміст елементу, характерний для природних умов, який можна використовувати як еталонний при відсутності результатів спеціальних досліджень у конкретних умовах (табл. 3).

Таблиця 3

Середній вміст миш’яку в профілі різних типів ґрунтів (переліг), мг/кг

Шар ґрунту, см | Ґрунти

дерново-підзолисті | сірі лісові | чорноземи | темно-каштанові

0-20 | 2,8 | 2,3 | 5,0 | 1,8

20-40 | 1,7 | 2,7 | 3,3 | 2,3

40-60 | 1,6 | 3,9 | 3,4 | 1,6

60-80 | 1,4 | 4,1 | 2,1 | 2,0

80-100 | 1,3 | 4,0 | 1,8 | 1,2

Відхилення Кс від 1 (Кс = 1, коли міграція миш’яку відповідає природним умовам або еталонним), говорить про активізацію процесів акумуляції або вилуження і дозволяє провести оцінку екотоксикологічних ризиків. При проведенні такої оцінки пропонується наступна градація рівня небезпеки міграції миш'яку:

рівень небезпеки | відхилення від 1, кратність (Кс еталону = 1)

високо небезпечний | >5,0

небезпечний | 3,0-5,0

помірно небезпечний | 1,1-2,9

мало небезпечний | < 1,0

При проведенні екотоксикологічної оцінки миш'яку за показниками вертикальної міграції пропонується використовувати показник - швидкість міграції у ґрунтовому профілі.

рівень небезпеки | швидкість міграції, см

Високо небезпечний | > 50

Небезпечний | 50-21

Помірно небезпечний | 20-10

Мало небезпечний | < 10

Цей показник вимірюється глибиною проникнення токсиканту (см) за певний проміжок часу (рекомендується – 3 місяці). Такі дослідження необхідно проводити в умовах лізиметричних установок.

Прогноз ризику надходження миш'яку у водні об’єкти базується на рекомендаціях щодо оцінки виносу хімічних речовин поверхневим стоком (Росія), роботах О.М. Арсана (1998 р.), Й.В. Гриба (1999 р.) та ін., і пропонується проводити на основі розрахунків виносу елементу з рідким стоком :

P = D b W F / 1000, де

Р – винос миш'яку з рідким стоком, мг; D – фактична кількість миш'яку, яка надходить з добривом у грунт, кг/га; b – параметр переходу миш'яку з добрива у стік, мг· га /л ? кг; W – об’єм стоку, м3/га; F – площа, для якої проводиться розрахунок, га.

Величина переходу (b) з мінеральних добрив у поверхневий стік становить для миш'яку 0,0013. Орієнтовний об’єм стоку (W) для території України в період весняного сніготанення складає близько 50 м3/га, визначається за картосхемами.

При надходженні з одиниці сільськогосподарських угідь на одиницю водної поверхні при рівномірному розподілі миш'яку у верхньому шарі води (0,3 м) концентрація його буде складати Св = Р / 1000 h, де Св – концентрація миш’яку у воді, мг/л; Р – винос миш'яку з рідким стоком, мг; h – глибина забрудненого шару (прийнято враховувати 0,3 м). Оцінку якості поверхневих вод за вмістом миш'яку необхідно проводити згідно наступної класифікації (мкг/л): I (дуже чиста) <1,0; II (чиста) - 1-5; III (забруднена) - 6-25; IV (брудна) - 26-35; V (дуже брудна) - >35.

Рівень небезпеки забруднення миш’яком поверхневих вод за величиною виносу його з рідким стоком (Р) можна оцінити:

Р < 1,5 мг – безпечний рівень;

1,5 мг ? Р < 7,5 мг – помірно небезпечний рівень;

7,5 мг ? Р < 10,5 мг – небезпечний рівень;

Р ? 10,5 мг – дуже небезпечний рівень.

Екотоксикологічна оцінка за показниками впливу на біоту необхідно проводити за результатами вивчення залежності „доза-ефект” шляхом вимірювання змін у біоті.

Результати наших досліджень показали, що для оцінки негативного впливу миш’яку на екологічний стан грунту доцільно використовувати мікробіологічні показники (активність мікроорганізмів, які приймають участь у процесах перетворення азоту), а також фітотести (редис червоний з білим кінчиком, крес-салат). При екотоксикологічній оцінці необхідно враховувати, що відхилення реакції від контролю менше ніж на 10 % - мало небезпечний рівень, на 10-25 % - помірно небезпечний і більше ніж на 25 % - небезпечний. Екологічне нормування миш'яку в ґрунті за реакцією біологічних тест-організмів показало, що небезпечною для екосистеми можна вважати концентрацію, яка перевищує 5 мг/кг.

Регламентація фосфорних добрив за вмістом миш'яку на прикладі фосфоритів родовищ України. Регламентація проводилася за результатами визначення вмісту миш’яку у фосфоритах з врахуванням фонового вмісту елементу у грунті та нормою застосування фосфоритів, як мінеральних добрив.

За результатами досліджень встановлено, що високим показником валового вмісту миш’яку характеризувались фосфорити родовищ Південно-Осиківського, Ново-Амвросіївського, Ратнівського родовищ, де вміст As складав 28,7, 26,9 і 26,7 мг/кг відповідно. Дослідження вмісту рухомих форм миш’яку показали, що високий їх вміст характерний для Ново-Амвросіївського, Південно-Осиківського, Ратнівського фосфоритових концентратів - 4,05, 3,42 і 2,85 мг/кг відповідно (табл. 5).

Таблиця 5

Вміст валового і рухомих форм миш’яку в фосфоритах родовищ України, мг/кг

Фосфорит | Р2О5,% | Вміст валового

миш’яку | Вміст рухомих форм миш’яку | % рухомих форм миш’яку

від

валового

вмісту

Ново-Амвросіївський фосфоритовий концентрат | 25 | 26,901,27 | 4,050,64 | 15,1

Ново-Амвросіївський глауконітовий концентрат | 16 | 12,601,27 | 1,750,64 | 13,9

Південно-Осиківський фосфоритовий концентрат | 28 | 28,701,27 | 3,420,95 | 12,0

Здолбунівський фосфоритовий концентрат | 13 | 12,700,32 | 2,280,32 | 18,0

Волинський жовновий фосфорит | 8 | 10,200,64 | 1,730,32 | 7,8

Ратнівський фосфоритовий концентрат | 19 | 20,600,64 | 1,780,95 | 8,6

Ратнівський фосфоритовий концентрат | 28 | 26,701,27 | 2,851,27 | 11,0

Маневичсько-Клеванська фосфоритоносна площа | 25 | 17,100,19 | 2,300,64 | 13,5

З метою прогнозу ризику забруднення ґрунту миш’яком при застосуванні