Введение. Производство сельскохозяйственной продукции неразрывно связано с использованием минеральных и органических удобрений, извести и других мелиорантов. При внесении их в почву, они наряду с основным назначением – пополнением недостающих элементов в почве – могут при длительном применении оказать влияние на реакцию почвенной среды, подвижность макро- и микроэлементов. Азотные удобрения способствуют увеличению подвижности цинка, кадмия, не оказывают влияние на состояние меди, но уменьшают доступность свинца. Под действием извести и органических удобрений снижается подвижность многих микроэлементов и тяжелых металлов. Действие фосфорных удобрений на потребление растениями тяжелых металлов проявляется в образовании с ними труднорастворимых соединений. Калийные удобрения являются химически нейтральными, но при длительном применении вызывают подкисление почвы [1; 2; 3].Кроме этого, многие исследователи отмечают в составе минеральных удобрений и извести присутствие тяжелых металлов и токсичных элементов и возможное их накопление в почве при использовании удобрений. Их количество в удобрениях, особенно в фосфорных, определяется, в основном, составом используемого сырья [4] и технологией переработки [5].В работах [6; 7; 8] приведены данные, характеризирующие содержание примесей тяжелых металлов в минеральных удобрениях. Азотные удобрения (аммиачная селитра, мочевина, сульфат аммония) содержат в среднем: цинка — 0,5–50 мг/кг, меди — 1,5–15, кадмия — 0,25, свинца — 1,3 мг/кг. Более высокое содержание примесей металлов определено в фосфорных удобрениях: цинк до 3000 мг/кг, медь до 1000, кадмий — 170, свинец — 92 мг/кг. Калийные удобрения и известь по содержанию тяжелых металлов занимают промежуточное положение между азотными и фосфорными удобрениями. Концентрация тяжелых металлов в органических удобрениях определяется их зольностью и колеблется в пределах: медь — 22 мг/кг, цинк — 566, свинец — 27, кадмий — 0,4 мг/кг сухого вещества.Анализируя имеющие литературные источники, можно отметить, что наибольшее количество примеси тяжелых металлов содержат фосфорные удобрения, в которых основную опасность представляет высокотоксичный элемент кадмий.Результаты исследований по действию минеральных удобрений и извести на накопление в почвах тяжелых металлов получены, в основном, в непродолжительных опытах с полевыми культурами в системе севооборота. Для более полной оценки их действия с выявлением степени антропогенной нагрузки исследования должны быть проведены в длительных стационарных опытах.Материалы и методы исследований. В ФНЦ «ВИК им В.Р. Вильямса» действие длительного использования минеральных удобрений на агрохимические показатели почвы, содержание тяжелых металлов и качество растительной продукции изучали в опыте, заложенном в 1946 г. и предназначенном для изучения влияния удобрений на продуктивность сенокоса. Для исследований взяты незаменимые для жизни растений микроэлементы — медь, цинк, а также высокотоксичные элементы — свинец и кадмий. Определение их в почве и растениях проводится на атомно-абсорбци- онном спектрофотометре NOVAA 300 с дейтериевым корректором фона, с использованием горючей смеси воздух–ацетилен. Подвижные кислоторастворимые формы тяжелых металлов определяли в вытяжке 1н. HCl при соотношении почвы к раствору 1 : 10 и взбалтывании на ротаторе в течение одного часа.Почва участка дерново-подзолистая среднесуглинистая, при закладке опыта характеризовалась как сильнокислая (рН 4,3) с низким содержанием гумуса (2,03%), среднеобеспеченная фосфором (50 мг/кг) и калием (70 мг/кг). Травостой создан посевом травосмеси: клевер красный, клевер ползучий, тимофеевка луговая, овсяница луговая, лисохвост луговой, кострец безостый, мятлик луговой.В опыте фосфорные и калийные удобрения вносили с 1946 г. по 1977 г. в дозе P30K30, а с 1977 г. по настоящее время дозы увеличены до P45K90 д. в. в связи с низким содержанием этих элементов в почве. Всего за годы проведения опыта по варианту с полным минеральным удобрением N120P45K90 в почву внесено (д.в.) 2685 кг/га фосфора, 3780 кг/га калия, 9340 кг/га азота.Расчеты данных по содержанию тяжелых металлов в отечественных удобрениях [9], представленные в таблице 1, показали, что за весь период проведения исследований в почву сенокоса с минеральными удобрениями дополнительно внесено веществ: 64 г/га меди, цинка — 154, кадмия — 85, свинца — 174 г/га, из которых с азотными удобрениями: меди — 7,5, цинка — 56, кадмия — 2, свинца — 12 г/га; с фосфорными удобрениями: меди — 39, цинка — 52, кадмия — 9, свинца — 114 г/га; с калийными удобрениями: меди — 17, цинка — 46, кадмия — 16, свинца — 47 г/га. 1. Содержание тяжелых металлов в удобрениях и мелиорантах Вариант опытаСодержание, мг/кгMnZnCuPbCdNiFeМочевина, аммиачная селитра26,00,81,30,257,525Суперфосфат простой гранулированный21019,314,342,53,5024,81650Хлористый калий1512,34,512,54,2519,3403Навоз (зольность 19,5%)276121,719,83,30,206,5406Известь29521,05,837,55,5030,01035 Результаты исследований и их обсуждение. На основании полученных результатов исследования установлено, что при использовании минеральных удобрений дополнительно в почву поступают микроэлементы и токсичные элементы. Определено их количество. Также представляется важным изучение ежегодного их накопления в почве, потребляют их растения полностью или частично.Проведенные нами с этой целью балансовые расчеты по варианту N120P45K90 за 2020 г. показали, что с минеральными удобрениями поступило: 1,0 г/га меди, 3,0 г/га цинка, 0,6 г/га кадмия, 3 г/га свинца и вынесено с урожаем 87 ц/га: 68 г/га меди, 268 г/га цинка, 0,8 г/га кадмия, 6 г/га свинца. То есть растения сенокоса полностью использовали годичное поступление меди, цинка, кадмия, свинца и дополнительно вынесли из почвы: 67 г/га меди, 265 г/га цинка, 0,2 г/га кадмия, 3 г/га свинца. Следовательно, длительное использование оптимальных доз минеральных удобрений не приводит к накоплению в почве сенокоса тяжелых металлов и токсичных элементов. Положительное влияние минеральные удобрения оказали и на другие свойства почвы (табл. 2).Уменьшилась кислотность почвы с сильнокислой (рН 4,3) до среднекислой (рН 4,5–5,3), при этом действие физиологически кислых удобрений не проявилось или было незначительным. Содержание органического вещества в почве увеличилось на 30–40%. Но запас гумуса в почве остается еще низким, менее 4% в горизонте 10–20 см.В научной литературе накоплено достаточное количество данных [10], подтверждающих, что длительное применение минеральных удобрений не только снижает содержание гумуса в почве, но и ухудшает его качество: снижается содержание общего углерода, гуминовых кислот и активных компонентов почвы, что приводит к разрушению органического вещества и снижению плодородия почвы. Причиной этому является недостаточное поступление в почву органического вещества и интенсивная его минерализация, вызванная частой обработкой почв. 2. Агрохимические показатели почвы в слое 0–10 и 10–20 см, 2020 г. ВариантопытаГоризонт, смрНKClГидролитическая кислотность,мг-экв./100 гГумус, %Азот, %Подвижные, мг/кгP2O5K2OCuZnCdPbБез удобрений0–105,083,334,230,15134,4771,54,68,450,252,9010–204,883,482,430,12142,3633,63,106,800,242,64P450–105,094,424,380,14527,32128,03,907,800,253,1010–204,953,822,400,12934,4767,63,07,800,252,95K900–104,783,823,820,148260,958,34,109,700,273,5010–204,683,712,290,121100,1033,43,456,800,263,24P45K900–105,034,824,220,210243,37118,03,9010,200,273,9510–204,933,912,270,13183,4342,73,507,800,283,80N120P45K900–104,854,324,070,152142,8658,93,658,900,284,3010–204,703,482,530,12372,3039,43,567,200,284,10N90P45K90 + 20 т/га навоза 1 раз в 4 года0–104,654,054,570,15251,1071,405,8013,00,302,6710–204,704,052,870,12727,7039,44,328,300,302,30 На необрабатываемых почвах и почвах сенокосов содержание гумуса находится в равновесном состоянии, так как происходит постоянная подпитка почвы остатками травостоев [9]. Одним из основных показателей качества гумуса является отношение C : N, чем оно ниже, тем больше гумус обогащен азотом. Для определения соотношения C : N иногда используют косвенный метод Вольфа, в котором расчетный коэффициент 1,724 умножают на содержание углерода в гумусе [11]. Коэффициент 1,724 получен из расчета, что в гумусе содержится 58% углерода.Для дерново-подзолистой суглинистой почвы опытного участка C : N составляет: С = 3,30% : 1,724 = 1,91, где 3,30% — содержание гумуса; C : N = 1,91 : 0,14 = 13,6.Соотношение 10,0 и менее характерно для качества гумуса в черноземах, для дерново-подзолистых почв — 11–15. Для почвы опытного участка C : N составляет 13,6, что можно считать оптимальным.Отмечено влияние длительного применения минеральных удобрений на другие агрохимические показатели. Увеличилось содержание подвижного фосфора, особенно в вариантах с этим удобрением, до 107–180 мг/кг, что, согласно классификации обеспеченности почв, считается повышенным. Содержание обменного калия по вариантам опыта колебалось в пределах от 55 до 97 мг/кг, это характеризует почву как среднеобеспеченную.При закладке опыта в почве не проводилось определение подвижных форм тяжелых микроэлементов — меди, цинка и токсичных элементов — кадмия и свинца, так как в то время отсутствовали методы их определения, поэтому полученные нами результаты (табл. 2) являются исходными. Согласно данным химического анализа, после 74 лет систематического внесения минеральных удобрений почва участка на сенокосе была высоко обеспечена подвижной медью (3,6–5,0 мг/кг) и цинком (8,0–10,0 мг/кг) почвы. Содержание в почве подвижных форм кадмия и свинца составило 0,25–0,30 мг/кг и 2,5–4,20 мг/кг соответственно.Итак, длительное применение минеральных удобрений в опыте при сенокосном использовании положительно отразилось на агрохимической характеристике почвы. Повышенное содержание подвижных форм меди, цинка, свинца и кадмия в почве не превышает ОДК, разрешенные ГН 2.1.72517-09, которые допускают концентрацию: меди — 5 мг/кг, цинка — 23 мг/кг, кадмия — 0,5 мг/кг, свинца — 5 мг/кг [12].В опыте на сенокосе перезалужение не проводилось на протяжении всего периода исследования. За это время на поверхности почвенного покрова сформировался плотный слой дернины, который, согласно данным других исследователей [4], может оказывать влияние на распределение минеральных и органических соединений в зоне корнеобитаемого слоя.С этой целью верхний гумусовый горизонт проанализирован по слоям 0–10 и 10–20 см. Полученные данные (табл. 2) показали, что кислотность почвы оказалась практически одинаковой по всему горизонту 0–20 см, а действие минеральных удобрений на величину рН были ничтожными.Как и предполагалось, значительно больше накопилось органического вещества и азота в слое 0–10 см. Содержание гумуса по всем вариантам опыта превысило на 0,89–0,99%, а гидролизуемого азота — на 0,014–0,015%. Более высокая концентрация минеральных элементов отмечена в слое 0–10 см. Содержание фосфора превышало на 40–80 мг/кг, а калия — на 10–15 мг/кг их значения в горизонте 10–20 см. Согласно литературным данным некоторых исследователей [13], накопление и вымывание токсичных элементов, попавших в почву, в значительной степени зависит от содержания гумуса, который связывает и удерживает ряд токсичных металлов, в первую очередь медь и цинк, которых в гумусовом горизонте в десятки раз больше, чем в минеральной части почвы.Результаты наших исследований показали, что хотя концентрация меди на 0,5–1,5 мг/кг и цинка на 1,0–1,5 мг/кг в слое 0–10 см превышает среднее по горизонту 0–20 см, однако их содержание достаточно высоко представлено и в зоне всего корнеобитаемого слоя.Несмотря на более высокий уровень гумуса в дерновом слое 0–10 см, содержание подвижного кадмия характеризовалось равномерностью его распределения по всему слою 0–20 см. По наблюдениям некоторых авторов [1; 13], для кадмия более свойственна миграция по профилю, чем накопление в верхних горизонтах почвы, так как органическое вещество не влияет или оказывает очень слабое действие на подвижность кадмия в почве. Также слабо изменялась подвижность свинца в почве от содержания гумуса.Как отмечено выше, почва опытного участка в достаточной степени обеспечена элементами питания, что благоприятно отразилось на химическом составе травостоя. Содержание фосфора в растениях в среднем составляет 0,25–0,50% сухого вещества и может колебаться в пределах 0,1–1,9% в зависимости от биологических особенностей растений, возраста и доз фосфорного питания [14]. Содержание фосфора в растениях по вариантам опыта в наших исследованиях характеризовалось средними значениями (0,17–0,42%) (табл. 3). Содержание калия в кормах колеблется около 1%, но может изменяться в интервале 0,3–2,5% в зависимости от содержания подвижных форм, удобрений и стадии вегетации. 3. Содержание минеральных элементов, микроэлементов и тяжелых металлов в кормовых травах при длительном применении минеральных удобрений(среднее за 2019–2020 гг.) Вариант опытаВ сухом веществе, мг/кг В % на сухое веществомедьцинккадмийсвинецP2O5K2OБез удобрений5,1027,60,130,970,171,06P454,7627,20,110,990,421,72K905,7627,20,141,030,421,53P45K905,22590,131,030,471,41N120P45K908,0331,20,161,040,170,80N90P45K90 + 20 т/га навоза6,3327,90,161,270,430,86  Характерной особенностью калия является его многократное использование растениями в процессе вегетации, так как он легко перемещается из старых тканей в молодые. В исследованиях на сенокосе травы были достаточно высоко обеспечены калием (1,06–1,70%) с незначительными колебаниями содержания по вариантам опыта. Снижение концентрации калия в варианте с полным минеральным удобрением до 0,80%, вероятно, связано с «эффектом разбавления», вследствие более высокого урожая трав.В последнее время медь и цинк стали относить к тяжелым элементам, исходя только из массы атомов: медь — 63,54, цинк — 65,37, хотя оба микроэлемента являются обязательными для растений, а медь — это единственный элемент, улучшающий рост растений в условиях азотного питания [15; 16]. В опыте растения сенокоса в достаточной степени обеспечены медью (5–8 мг/кг) и цинком (27–31 мг/кг). Не наблюдалось изменение их содержания под действием фосфорно-калийных удобрений, но азотные удобрения на этом фоне способствовали увеличению их потребления, как и в опытах других авторов [17; 18; 19].Максимальное содержание кадмия в растениях составляло 0,16 мг/кг, а свинца — 1,27 мг/кг. Достоверной связи между подвижностью в почве и содержанием в растениях не наблюдалось, но азотные удобрения на фосфорно-калийном фоне незначительно стимулировали их потребление растениями сенокоса. Содержание кадмия и свинца в травах было ниже допустимого уровня и не представляло опасности для окружающей среды и животных (табл. 4) [20]. 4. Допустимая концентрация токсичных минеральных элементов в кормах ЭлементВид кормасеносенажсилосзеленые кормаискусственно высушенные кормамг/кг, не болееКадмий0,250,300,300,10–0,070,50Свинец2,05,00,80,6–0,35,0Мышьяк0,50,50,50,52,0Ртуть0,100,050,050,050,10 Основной задачей стационарного опыта являлось изучение длительного действия минеральных удобрений на продуктивность сенокоса и формирование агрофитоценозов при различных технологических системах. Результаты опыта указывают на существенные различия состава травостоя в зависимости от доз вносимых удобрений. Так, раздельное применение фосфорных (Р45) и калийных удобрений (K90), как и без внесения удобрений, способствовало формированию низовозлакового травостоя, основную долю которого занимает овсяница красная (до 70%), доля бобовых видов составляет до 13%. Верховые злаки в составе травостоя практически отсутствуют.В вариантах с полной минеральной подкормкой (N120P45K90) из пяти видов верховых злаков и двух видов бобовых в составе высеянной при залужении травосмеси сохранился на 74-й год опыта только лисохвост луговой (до 70% массы), который в этих условиях обитания, вероятно, обладает большей конкурентоспособностью. При применении полного минерального удобрения с дозой азота 120 кг/га бобовые виды практически выпадают из состава. Виды разнотравья занимают до 7–10% общей массы урожая.Заключение.1. Длительное систематическое применение минеральных удобрений на сенокосе не оказало отрицательного действия на агрохимические свойства почвы. Дерново-подзолистая суглинистая почва опытного участка была достаточно высоко обеспечена подвижными формами фосфора, калия, меди, цинка. Содержание подвижных форм кадмия и свинца не превышало допустимого уровня безопасности их в почве. Улучшились другие агрохимические показатели: уменьшилась кислотность почвы с рН 4,3 до рН 4,5–5,0, содержание органического вещества в почве по вариантам опыта возросло на 30–40%.2. Внесение за годы проведения опыта с минеральными удобрениями примеси микроэлементов (меди, цинка) и токсичных элементов (кадмия, свинца) оказало влияние на увеличение их подвижности в почве и содержание в травах. В зависимости от варианта опыта травосмеси сенокоса содержали оптимальное количество меди, цинка, а содержание кадмия и свинца было значительно ниже допустимого уровня, предусмотренного ТС201/00ТС. 3. Балансовые исследования по использованию растениями сенокоса примесей микроэлементов и токсичных элементов, поступивших с минеральными удобрениями за год, показали, что растения сенокосов полностью использовали внесенные примеси меди, цинка, кадмия и свинца. 4. Длительное применение минеральных удобрений на сенокосах отразилось на видовом составе травостоев. Применение фосфорных и калийных удобрений приводило к перестройке фитоценоза в низовозлаковый тип травостоя. Совместное применение фосфорно-калийных удобрений несколько увеличивало долю верховых злаков (до 26,5%). Применение полного минерального удобрения (N120P45K90) способствовало сохранению ранее высеянных злаков (лисохвоста лугового, мятлика лугового).