Особливостіповедінки фтору в агроекосистемах вивчалися протягом 2001- 2004 рр. у трьохприродно-кліматичних зонах України – Полісся, Лісостепу та Степу в умовахприродних (перелоги) та агроекосистем (польові стаціонарні досліди) на ґрунтах.Роботи виконувались у межах програми з агроекологічного моніторингунауково-методичного центру «Агроекологія», головною організацієюякого є Інститут агроекології та біотехнології УААН. Зразки ґрунтів відбиралипошарово через кожні 20 см до глибини 100 см. Вивчали також вміст фтору в природних водах, які відбирали паралельно із зразками ґрунту в місцях розташуваннястаціонарних дослідів. Для екотоксикологічної оцінки поряд із фтором проводиливизначення у ґрунтах важких металів (Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Co).
Протягом1996-2003 рр. досліджувалися фосфорити родовищ України: Ново-Амвросієвського –фосфоритовий концентрат (25,0% Р2О5), глауконітовий продукт (16,0% Р2О5),Південно-Осиківського – фосфоритовий концентрат (28,0% Р2О5), Осиківського – фосфоритовийконцентрат (19,0% Р2О5), Ратнівського – фосфоритовий концентрат (19,0 і 28,0%Р2О5), Здолбунівського – фосфорит (12,6% Р2О5) родовищ таМаневицько-Клеванської фосфоритоносної площі – фосфоритовий концентрат (25,0%Р2О5). В лабораторних умовах проводили вивчення екотоксикологічних властивостейфосфоритів, дослідження динаміки переходу фтору з фосфоритів у розчин прирізних кислотно-основних умовах середовища (рН=4; 7; 9).
Протягом2000-2002 рр. досліджували поведінку фтору в системі «грунт-добриво-рослина»при застосуванні нового виду фосфорного добрива вітчизняного виробництваагрофоски при вирощуванні озимої пшениці в умовах Поліськоїгрунтово-кліматичної зони на дерново-середньопідзолистому грунті (дослідне полеЧернігівського інституту АПВ УААН). Схема польового досліду передбачалавивчення рекомендованої дози – 60 кг/га за вмістом Р2О5 і, для врахуванняможливості нагромадження полютантів у ґрунті, дози 180 кг/га за вмістом Р2О5.Зразки рослинного матеріалу відбирали тричі за вегетаційний період згідно зфенологічними фазами розвитку озимої пшениці. Одночасно відбирали ґрунтовізразки пошарово через 20 см до глибини 100 см.
У лабораторнихумовах визначення вмісту фтору в ґрунті, рослинах, фосфоритах проводилипотенціометричним методом з попередньою екстракцією зразків. Для вилученнярухомих (водорозчинних (ВФФ)) форм фтору з ґрунту використовували дистильовануводу, потенційно-рухомих (лугорозчинних (ЛФФ) та кислоторозчинних (КФФ)) – екстрагенти0,1N NaOH та 0,01N HCL, валової (ВФ) – метод сплавлення проби ґрунту зконцентрованим NaOH. Фтор з рослин вилучали за допомогою екстрагента 1,0 NНСІО4. Для вирівнювання іонної сили розчину використовували буфер TISAB(рН=5,0-5,5).
Фоновий вміст фторув грунтах різних природно-кліматичних зон України. Аналіз результатівдосліджень показав, що фоновий вміст валового фтору в різних типах ґрунтівваріює в дуже широкому діапазоні — від 49,5 до 297,5 мг/кг. Найвищі йогоконцентрації характерні для ґрунтів зони Лісостепу (167,7 — 297,5 мг/кг), кислідерново-підзолисті ґрунти зони Полісся відзначаються невисоким вмістом F- – нарівні 83,7 мг/кг. Ґрунти чорноземного типу характеризуються широким діапазономконцентрацій валового фтору (від 49,5 до 172,5 мг/кг), що пов'язано з їхгенезисом.
При дослідженіфонового вмісту рухомих форм фтору (водорозчинного, лугорозчинного такислоторозчинного) у типових ґрунтах України встановлено, що для ґрунтів зониПолісся характерним є перевага процесів накопичення фтору в кислоторозчиннійформі, вміст якого досягає 4,64 мг/кг, тоді як у ґрунтах зон Лісостепу і Степупереважаючим є накопичення лугорозчинної (від 1,68 до 12,09 мг/кг) таводорозчинної (від 0,53 до 6,97 мг/кг) форм елементу.
Результатипроведених досліджень показали, що між вмістом рухомих форм фтору в ґрунтах іпоказниками їх фізико-хімічного стану спостерігаються певні тенденціїкореляційного зв'язку, а саме: реакція ґрунтового розчину впливає на кількістьлугорозчинної (r=0,596) і кислоторозчинної (r=-0,539) форм фтору — іззбільшенням рівня рН кількість кислоторозчинного фтору в грунтах знижується;збільшення в ґрунтах кількості магнію, алюмінію та заліза може призводити дозменшення кислоторозчинного фтору – відмічена зворотна залежність між вмістомцієї форми фтору і кількістю магнію (r=-0,632), кількістю алюмінію (r=-0,576) ікількістю заліза (r=-0,740); із збільшенням кількості гумусу вмісткислоторозчинної форми фтору зменшується, а лугорозчинної – зростає.
Особливостірозподілу фтору за профілем ґрунтів. Результати дослідження процесів акумуляціїі вертикальної міграції рухомих і потенційно-рухомих форм фтору (ВФФ, ЛФФ, КФФ)показали, що для більшості ґрунтів поліської та лісостепової зон переважаючимпроцесом було накопичення рухомих сполук F- у верхніх шарах (гумусовий ігумусово-елювіальний горизонти). Для ґрунтів степової зони з нейтральною талужною реакцією ґрунтового розчину була виявлена зворотна тенденція –збільшення рухомих сполук фтору в нижніх горизонтах. Так, длядерново-підзолистих ґрунтів зони Полісся характерним був надзвичайно високийвміст кислоторозчинного фтору в орному (4,64 мг/кг) і підорному (3,49 мг/кг)шарах з поступовим зменшенням його вмісту до глибини 80-100 см. У чорноземі звичайному малогумусному вміст лугорозчинної форми елементу зменшувався вниз запрофілем ґрунту від 12,09 мг/кг (у шарі 0-20 см) до 6,95 мг/кг (у шарі 80-100 см), а водорозчинної – від 6,97 до 5,46 мг/кг відповідно. У темно-каштановомузалишково-солонцюватому ґрунті, навпаки, вміст лугорозчинної форми фторузростав із 2,81 у шарі 0-20 см до 11,9 мг/кг у шарі 0-100 см.
Довготривале(більше 10 років) застосування мінеральних добрив на ґрунтах північних регіонівзони Полісся з кислою реакцією ґрунтового розчину і невисоким вмістом уґрунтовому комплексі кальцію, призвело до зменшення кількості валового фтору ворному шарі ґрунтів, порівняно з контролем, на 40-70%. Таке явище може бутипов'язане із збільшенням рухомості фтору під впливом мінеральних добрив, впершу чергу калійних, і, як наслідок, активізацією двох процесів: вертикальноїміграції фтору вниз за профілем ґрунту та транслокації у сільськогосподарськірослини з подальшим відчуженням елементу з продукцією за межі поля.
На чорноземахглибоких півдня Лісостепу і звичайних зони Степу з реакцією середовища близькоюдо нейтральної, високим насиченням ґрунтового вбирного комплексу кальцієм імагнієм, які здатні утворювати з фтором малорозчинні сполуки, внесеннямінеральних добрив, навпаки, сприяло процесам акумуляції валового фтору ворному шарі ґрунту, його кількість збільшилася на 7-160%, порівняно зконтролем.
Дослідженнявпливу мінеральних добрив на вміст в орному шарі рухомих сполук фтору показало,що під їх впливом відбувалося підвищення вмісту водорозчинного фтору в ґрунтахзони Полісся на 10-38% та зони Степу на 18-96%; лугорозчинного фтору удерново-середньопідзолистих ґрунтах зони Полісся на 35%, у ґрунтах Лісостепу –чорноземах опідзоленому слабозмитому і звичайному малогумусному – на 11-16 %, ав темно-сірому опідзоленому ґрунті – на 220 %.
Застосуваннярізних доз NPK сприяло підвищенню вмісту кислоторозчинної форми фтору в ґрунтахопідзоленого типу зони Полісся і Лісостепу на 46-142%, одночасно ґрунти зонЛісостепу й Степу відрізнялися дуже низьким вмістом цієї форми фтору. Так, учорноземах звичайних і темно-каштанових ґрунтах зони Степу його вміст складавлише 0,19-0,56 мг/кг.
Чорноземопідзолений слабо змитий забруднення ґрунтів. Коефіцієнт сумарного забруднення(Zn), порівняно з природним фоном, складав 2,2-24,5 одиниць і зростав зпереходом від ґрунтів зони Полісся (2,4 одиниці) до ґрунтів зони Степу(9,0-24,2 одиниць).
Процеси, яківідбувалися під впливом мінеральних добрив у верхніх горизонтах ґрунтів значноюмірою обумовлювали вертикальну міграцію рухомих форм фтору. Відбуласяактивізація міграції водорозчинної, лугорозчинної і кислоторозчинної форм фторуза межі орного шару ґрунтів. В ґрунтах опідзоленого типу зони Полісся таЛісостепу спостерігалась інтенсивна міграція кислоторозчинного фтору, дляґрунтів зони Степу характерною була міграція водорозчинного і, особливо,лугорозчинного фтору.
Вплив зрошення напроцеси нагромадження та міграції фтору при застосуванні мінеральних добрив.Процеси нагромадження і міграції рухомих форм фтору при зрошенні булодосліджено на темно-каштановому солонцюватому ґрунті в стаціонарному дослідіІнституту землеробства південного регіону УААН. Було встановлено, що під впливомзрошення відбувалось вилуговування рухомих форм фтору поливними водами зверхніх шарів темно-каштанового ґрунту і нагромадження їх переважно в нижніхгоризонтах. Застосування мінеральних добрив (N90P60K30) призвело до значногонагромадження рухомих і потенційно-рухомих форм фтору за генетичнимигоризонтами ґрунту, а також активізувало процеси вертикальної міграціїелементу.
Оцінкаекотоксикологічного стану темно-каштанового ґрунту при міграції фтору підвпливом зрошення і мінеральних добрив за використанням коефіцієнту концентрації(Кс) показала, що застосування мінеральних добрив в умовах зрошення призвело допідвищення активності міграції фтору у водорозчинній і лугорозчинній формі донебезпечного рівня (Кс=0,6-3,2), а в кислоторозчинній – до особливонебезпечного рівня (Кс=11,0-24,0).
Екотоксикологічнахарактеристика фосфорних добрив вітчизняного виробництва за вмістом фтору.Екотоксикологічна оцінка фосфоритів родовищ України за вмістом фтору. Привикористанні фосфоритів як добрив можливе надходження фтору в агроекосистеми зподальшим включенням його в біогеохімічний кругообіг.
На активністьпереходу фтору з фосфоритів у ґрунтовий розчин значною мірою впливають ґрунтовікислотно-основні умови. З метою прогнозу цього процесу в агроекосистемах булопроведено лабораторний дослід з вивчення особливостей і динаміки переходу фторуз фосфоритів у ґрунтовий розчин. В результаті досліджень було встановлено, щонайбільша кількість F- вилучалася з фосфоритів при лужній реакції середовища –до 379 мг/л, в той час як при нейтральній – до 43 мг/л, при кислій реакціїсередовища – до 33 мг/л фтору (табл.3).
Перехід фтору зфосфоритових концентратів у розчин при різній реакції середовища (часекстракції 14 діб), мг/л. Враховуючи це, необхідно наголосити на тому, що контрольза переходом фтору з фосфоритів у ґрунтовий розчин при застосуванні їх якдобрив необхідно проводити, в першу чергу, на ґрунтах з лужною реакцієюґрунтового розчину.
Отриманірезультати показали, що найбільш активним джерелом надходження в грунт фторуможуть виступати фосфоритові концентрати Ново-Амвросієвського іПівденно-Осиківського родовищ, поклади яких розташовані у південно-східномурегіоні країни і можуть забезпечувати фосфорними добривами саме районирозповсюдження ґрунтів з нейтральною і лужною реакцією середовища.
З метою прогнозуекологічного ризику застосування було проведено розрахунки допустимого вмістуфтору (g2) у фосфоритах родовищ України. Розрахунки базувалися на даних щодовмісту діючої речовини у фосфориті (g1), фонового вмісту фтору в ґрунті (F),гранично-допустимої концентрації (ГДК), стійкості ґрунтів до забруднення фтором(kt) і часу досягнення небезпечної концентрації фтору в ґрунті (Tk):
G2 = (ГДК-F)30000 kt g1/Tk d
Отриманірезультати дозволили розробити наступні регламенти за вмістом фтору: привикористанні фосфоритів як добрив у дозі (d) 90 кг/га (за вмістом Р2О5) уфосфоритах Здолбунівського родовища (12,6 % Р2О5) допустима концентраціяфтор-іону не повинна бути вищою 1,3%, у фосфоритах Осиківського і Ратнівського(19,0% Р2О5) – 2,1%, Ново-Амвросієвського (16,0 % Р2О5) – 1,7 %,Південно-Осиківського і Ратнівського (28,0% Р2О5) – 3,0%, а дляНово-Амвросієвського (25,0% Р2О5) родовища та Маневичсько-Клеванської площі(25% Р2О5) рівень F- не повинен перевищувати 2,7%.
Вплив нового видуфосфорного добрива агрофоски на поведінку фтору в системі«добриво-грунт-рослина». Дослідження нового виду фосфорного добриваагрофоски (АФК) проводилися на дерново-середньопідзолистих грунтах привирощуванні озимої пшениці в умовах польового досліду.
Застосуванняагрофоски у дозах Р60 і Р180 призвело до збільшення вмісту валового фтору ворному шарі ґрунту з 65,5 до 84,0-87,0 мг/кг, і, особливо, в підорному шарі – з4,5 до 34,0-149,0 мг/кг. Поряд із збільшення валового вмісту застосуванняагрофоски сприяло підвищенню кислоторозчинного фтору – з 4,31 до 6,54 мг/кг,або на 13-68%, порівняно з контролем.
Застосуванняагрофоски Р180 в запас на 3 роки призвело до нагромадження кислоторозчинногофтору в орному шарі ґрунту в перший рік внесення (від 5,59 у фазу кущіння до11,68 мг/кг у фазу повної стиглості пшениці). В наступні роки встановленопоступове зменшення вмісту F- в ґрунті до рівня 4,48-2,97 мг/кг.
Застосуванняагрофоски Р180 в значній мірі сприяло вилуговуванню та міграції фтору згумусового та гумусово-елювіального горизонту. Так, вміст кислоторозчинногофтору зменшувався з 8,75 мг/кг (шар 0-20 см) до 2,20 мг/кг (шар 60-80 см).
Отримані данісвідчать про можливість впливу фосфорного добрива агрофоски на міграцію рухомихформ фтору за межі кореневмісних шарів ґрунту з подальшим надходження його уґрунтові води.
Екотоксикологічнаоцінка за показником перевищення фонового вмісту фтору в орному шарі ґрунтупоказала, що застосування АФК у дозі Р60 відповідає IV класу небезпечності(перевищення 2).
Екотоксикологічнаоцінка за показниками активності радіальної міграції (Кс) показала, щозастосування АФК як у дозі Р60, так і у дозі Р180 відповідає III класунебезпечності (Кс перевищує 1,1 одиниці).
Особливостінагромадження фтору рослинами пшениці при застосуванні агрофоски. За данимитрирічних досліджень було встановлено особливості перерозподілу фтору увегетативних та генеративних органах озимої пшениці. Найбільша кількість фторупри застосуванні АФК Р60 концентрувалася в кореневій системі пшениці — 0,47мг/кг. У надземних вегетативних органах — стеблах та листі пшениці містилося0,29 мг/кг фтору, в зерні — 0,17 мг/кг (у контрольному варіанті вміст F-становив відповідно 0,31, 0,28, 0,13 мг/кг).
Висновки
У даній роботінаведено теоретичне узагальнення і новий підхід до екотоксикологічної оцінкифтору залежно від генезису ґрунтів та застосування мінеральних добрив. Зарезультатами проведених досліджень було зроблено наступні висновки:
1. Фоновий вміствалового фтору у різних типах ґрунтів України залежить від особливостейгенезису і коливається в широких межах – від 49,5 до 297,5 мг/кг. Найбільшимвмістом фтору характеризуються ґрунти зони Лісостепу – 166,7-297,5 мг/кг, меншейого в ґрунтах зони Полісся – 83,7 мг/кг та зони Степу – 49,5-89,5 мг/кг.
2. Вміст рухомихі потенційно-рухомих форм фтору є функцією фізико-хімічних властивостейґрунтів. Спостерігається залежність між рухомістю фтору і кислотно-основнимивластивостями ґрунтів (r=0,6); вмістом мулистої фракції (r=0,7); кількістюмагнію, алюмінію, заліза (r=0,6-0,7). Для підзолистих ґрунтів зони Поліссяхарактерним є високий вміст кислоторозчинної форми фтору (4,6 мг/кг), припереході до зони Лісостепу і Степу спостерігається збільшення водорозчинногофтору (до 7,0 мг/кг) і, особливо, лугорозчинного фтору (з 1,7 до 12,1 мг/кг).
3. Генетичніособливості формування ґрунтів обумовлюють розподіл рухомих форм фтору за їхпрофілем. Для більшості ґрунтів зони Полісся і Лісостепу характерним єзменшення водорозчинної, кислоторозчинної та лугорозчинної форм фтору відгумусово-елювіальних горизонтів до материнської породи (в 1,1-6,6 раз); дляґрунтів зони Степу відмічена зворотна залежність – з переходом до материнськоїпороди вміст рухомого фтору збільшується у 1,6-7,6 раз.
4. Тривалезастосування мінеральних добрив (NPK) на ґрунтах підзолистого типу з кислоюреакцією середовища призводить до зменшення вмісту валового фтору в орному шаріна 44-70%. При застосуванні мінеральних добрив на ґрунтах з нейтральною талужною реакцією середовища спостерігається його нагромадження в орному шаріґрунту (чорноземах звичайних ґрунтах його кількість збільшилась на 103-156%).
5. Під впливомтривалого застосування мінеральних добрив на ґрунтах підзолистого типувідбувається підвищення вмісту кислоторозчинного фтору (на 0,17-2,17 мг/кг, абона 3-143%) з подальшою активізацією його вертикальної міграції. Коефіцієнтконцентрації коливається в межах 0,2-2,8, але в ряді випадків піднімається доособливо небезпечного рівня – 27-35 одиниць.
6. Застосуваннямінеральних добрив в умовах зрошення на темно-каштанових ґрунтах призводить доактивізації процесів міграції фтору та до його вилуговування з гумусовихгоризонтів в нижні шари ґрунту, що може бути причиною надходження фтору уґрунтові води. Встановлено, що вниз за профілем ґрунту вміст водорозчинноїформи фтору підвищується на 99-312%, лугорозчинної – на 20-94%,кислоторозчинної – на 127-230%.
7.Екотоксикологічна оцінка фосфоритів українських родовищ показала, що найбільшакількість F- вилучалася при лужній реакції середовища – до 379 мг/л, принейтральній – до 43 мг/л, при кислій – до 33 мг/л. Найбільш активним джереломфтору можуть виступати фосфоритові концентрати Ново-Амвросієвського іПівденно-Осиківського родовищ.
8. Прогнозекологічного ризику застосування фосфоритів в якості добрив (доза 90 кг/га завмістом Р2О5) показав, що допустима концентрація фтору не повинна перевищувати:у фосфоритах Здолбунівського родовища — 1,3 %, Ново-Амвросієвського — 1,7-2,7%,Осиківського – 2,1%, Південно-Осиківського — 3,0%, Ратнівського – 2,1-3,0%,Маневичсько-Клеванської площі — 2,7%.
9.Екотоксикологічна оцінка нового виду фосфорних добрив агрофоски за вмістомфтору свідчить, що при його застосуванні на дерново-середньопідзолистих ґрунтахзначно зростає вміст валового (на 28-32%) і кислоторозчинного (на 13-68%)фтору. Застосування агрофоски в запас на 3 роки в перший рік внесенняпризводить до збільшення вмісту кислоторозчинного фтору в орному шарідерново-підзолистого ґрунту з 5,6 до 11,7 мг/кг та до активізації міграціїF--іону з гумусово-елювіального горизонту. За показниками міграції агрофоскуможна віднести до III класу небезпечності, за перевищенням фону — до III-IVкласу небезпечності.
10. Встановлено,що при застосуванні фосфорних добрив на фоні азотно-калійного живлення основнакількість фтору акумулюється в кореневій системі рослин, яка відіграє захисніфункції організму відносно фтору. При застосуванні агрофоски у кореневій системіпшениці було знайдено 0,47 мг/кг фтору, у надземних вегетативних органах – 0,29мг/кг, у надземних генеративних (зерні) – 0,17 мг/кг.
При впровадженніу сільськогосподарське виробництво нових видів фосфорних добрив необхіднопроводити їх екологічну експертизу за вмістом фтору. Регламентацію вмісту фторуу фосфорних добривах доцільно здійснювати з урахуванням дози внесення добрива,грунтово-кліматичних особливостей зони застосування, фонового вмісту фтору уґрунті, гранично-допустимої концентрації, стійкості ґрунтів до забрудненняфтором і часу досягнення небезпечної концентрації фтору в ґрунті.
Списоквикористаних джерел:
1. Макаренко Н.А., Ліщук А.М., БуожисА.О., Кавецька Т.В. Екотоксикологічна оцінка якості фосфоритів України //Агрохімія і ґрунтознавство. Міжвідомчий тематичний науковий збірник. Спец.випуск до V з'їзду УТГА. – Ч.2. – Харків, 1998.
2. Кавецький В.М., Макаренко Н.А.,Ліщук А.М. Екотоксикологічна оцінка небезпечності застосування добрив вагроекосистемі // Проблеми агропромислового комплексу Карпат: Збірник науковихпраць. – 1998.
3. Кавецький В.М., Гець Т.С.,Макаренко Н.А., Ліщук А.М. Екотоксикологічна оцінка фосфоритів за вмістом фторупри їх використанні на дерново-середньопідзолистих ґрунтах. — Вісник аграрноїнауки Причорномор'я. — Вип. 3, т.2. – 2001.
4. Ліщук А.М. Вертикальна міграціяфтору у різних типах грунтів України при застосуванні мінеральних добрив //Вісник аграрної науки Причорномор'я. Спец. випуск 3 (23). – Ч1. –«Проблеми степового землеробства і рослинництва та їх вирішення вреформованих сільськогосподарських підприємствах». – Миколаїв, 2003.
5. Ліщук А.М. Екотоксикологічнаоцінка ґрунтів України за вмістом фтору при застосуванні мінеральних добрив //Науковий вісник НАУ. – Вип.64. – Київ, 2003.
6. Kavetsky V.N., Makarenko N.A.,Lischyk A.N. Integration classification pollutants to of degree danger // Тез.международной конф. «Рациональное природопользование: системный анализ вэкологии» – Севастополь, 1996.
7. Ліщук А.М. Про необхідністьконтролю фтору в агроекосистемах // Матеріали всеукраїнської конф. молодихвчених «Засади сталого розвитку аграрної галузі». – Київ, 2002.
8. Ліщук А.М. Вміст фтору в ґрунтахУкраїни // Матеріали науково-практичної конф. молодих вчених «Проблемисучасного землекористування». – Київ-Чабани, 2002.
9. Ліщук А.М. Вміст фтору у ґрунті ірослинах при застосуванні нового виду добрива агрофоски // Зб. матеріалів ІІІміжвузівської науково-практичної конференції аспірантів «Сучасна аграрнанаука: напрями досліджень, стан і перспективи». – Вінниця, 2003.
10. Ліщук А.М. Агроекологічниймоніторинг за вмістом фтору у темно-каштановому ґрунті Херсонської області призрошенні та застосуванні мінеральних добрив // Збірка тез доповідей IVміжнародної науково-практичної конф. студентів, аспірантів, молодих вчених«Екологія. Людина. Суспільство». – Київ, 2003.
11. Ліщук А.М. Вміст фтору в різнихтипах ґрунтів при застосуванні мінеральних добрив // Матеріалинауково-практичної конф. молодих вчених «Стабілізація землекористування тасучасні агротехнології». – Київ-Чабани, 2003.
12. Ліщук А.М. Особливості розподілуфтору в різних типах ґрунтів України // Матеріали VII міжнародноїнауково-практичної конференції «Наука і освіта '2004».Том 68. –Дніпропетровськ, 2004.