Екологічна оцінка небезпечності фтору

Екологічна оцінка небезпечності фтору

Особливості поведінки фтору в агроекосистемах вивчалися протягом 2001- 2004 рр. у трьох природно-кліматичних зонах України - Полісся, Лісостепу та Степу в умовах природних (перелоги) та агроекосистем (польові стаціонарні досліди) на ґрунтах. Роботи виконувались у межах програми з агроекологічного моніторингу науково-методичного центру "Агроекологія", головною організацією якого є Інститут агроекології та біотехнології УААН. Зразки ґрунтів відбирали пошарово через кожні 20 см до глибини 100 см. Вивчали також вміст фтору в природних водах, які відбирали паралельно із зразками ґрунту в місцях розташування стаціонарних дослідів. Для екотоксикологічної оцінки поряд із фтором проводили визначення у ґрунтах важких металів (Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Co).

Протягом 1996-2003 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 - фосфоритовий концентрат (19,0% Р2О5), Ратнівського - фосфоритовий концентрат (19,0 і 28,0% Р2О5), Здолбунівського - фосфорит (12,6% Р2О5) родовищ та Маневицько-Клеванської фосфоритоносної площі - фосфоритовий концентрат (25,0% Р2О5). В лабораторних умовах проводили вивчення екотоксикологічних властивостей фосфоритів, дослідження динаміки переходу фтору з фосфоритів у розчин при різних кислотно-основних умовах середовища (рН=4; 7; 9).

Протягом 2000-2002 рр. досліджували поведінку фтору в системі "грунт-добриво-рослина" при застосуванні нового виду фосфорного добрива вітчизняного виробництва агрофоски при вирощуванні озимої пшениці в умовах Поліської грунтово-кліматичної зони на дерново-середньопідзолистому грунті (дослідне поле Чернігівського інституту АПВ УААН). Схема польового досліду передбачала вивчення рекомендованої дози - 60 кг/га за вмістом Р2О5 і, для врахування можливості нагромадження полютантів у ґрунті, дози 180 кг/га за вмістом Р2О5. Зразки рослинного матеріалу відбирали тричі за вегетаційний період згідно з фенологічними фазами розвитку озимої пшениці. Одночасно відбирали ґрунтові зразки пошарово через 20 см до глибини 100 см.

У лабораторних умовах визначення вмісту фтору в ґрунті, рослинах, фосфоритах проводили потенціометричним методом з попередньою екстракцією зразків. Для вилучення рухомих (водорозчинних (ВФФ)) форм фтору з ґрунту використовували дистильовану воду, потенційно-рухомих (лугорозчинних (ЛФФ) та кислоторозчинних (КФФ)) - екстрагенти 0,1N NaOH та 0,01N HCL, валової (ВФ) - метод сплавлення проби ґрунту з концентрованим NaOH. Фтор з рослин вилучали за допомогою екстрагента 1,0 N НСІО4. Для вирівнювання іонної сили розчину використовували буфер TISAB (рН=5,0-5,5).

Фоновий вміст фтору в грунтах різних природно-кліматичних зон України. Аналіз результатів досліджень показав, що фоновий вміст валового фтору в різних типах ґрунтів варіює в дуже широкому діапазоні - від 49,5 до 297,5 мг/кг. Найвищі його концентрації характерні для ґрунтів зони Лісостепу (167,7 - 297,5 мг/кг), кислі дерново-підзолисті ґрунти зони Полісся відзначаються невисоким вмістом F- - на рівні 83,7 мг/кг. Ґрунти чорноземного типу характеризуються широким діапазоном концентрацій валового фтору (від 49,5 до 172,5 мг/кг), що пов'язано з їх генезисом.

При досліджені фонового вмісту рухомих форм фтору (водорозчинного, лугорозчинного та кислоторозчинного) у типових ґрунтах України встановлено, що для ґрунтів зони Полісся характерним є перевага процесів накопичення фтору в кислоторозчинній формі, вміст якого досягає 4,64 мг/кг, тоді як у ґрунтах зон Лісостепу і Степу переважаючим є накопичення лугорозчинної (від 1,68 до 12,09 мг/кг) та водорозчинної (від 0,53 до 6,97 мг/кг) форм елементу.

Результати проведених досліджень показали, що між вмістом рухомих форм фтору в ґрунтах і показниками їх фізико-хімічного стану спостерігаються певні тенденції кореляційного зв'язку, а саме: реакція ґрунтового розчину впливає на кількість лугорозчинної (r=0,596) і кислоторозчинної (r=-0,539) форм фтору - із збільшенням рівня рН кількість кислоторозчинного фтору в грунтах знижується; збільшення в ґрунтах кількості магнію, алюмінію та заліза може призводити до зменшення кислоторозчинного фтору - відмічена зворотна залежність між вмістом цієї форми фтору і кількістю магнію (r=-0,632), кількістю алюмінію (r=-0,576) і кількістю заліза (r=-0,740); із збільшенням кількості гумусу вміст кислоторозчинної форми фтору зменшується, а лугорозчинної - зростає.

Особливості розподілу фтору за профілем ґрунтів. Результати дослідження процесів акумуляції і вертикальної міграції рухомих і потенційно-рухомих форм фтору (ВФФ, ЛФФ, КФФ) показали, що для більшості ґрунтів поліської та лісостепової зон переважаючим процесом було накопичення рухомих сполук F- у верхніх шарах (гумусовий і гумусово-елювіальний горизонти). Для ґрунтів степової зони з нейтральною та лужною реакцією ґрунтового розчину була виявлена зворотна тенденція - збільшення рухомих сполук фтору в нижніх горизонтах. Так, для дерново-підзолистих ґрунтів зони Полісся характерним був надзвичайно високий вміст 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 за профілем 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-каштановому залишково-солонцюватому ґрунті, навпаки, вміст лугорозчинної форми фтору зростав 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 регіонів зони Полісся з кислою реакцією ґрунтового розчину і невисоким вмістом у ґрунтовому комплексі кальцію, призвело до зменшення кількості валового фтору в орному шарі ґрунтів, порівняно з контролем, на 40-70%. Таке явище може бути пов'язане із збільшенням рухомості фтору під впливом мінеральних добрив, в першу чергу калійних, і, як наслідок, активізацією двох процесів: вертикальної міграції фтору вниз за профілем ґрунту та транслокації у сільськогосподарські рослини з подальшим відчуженням елементу з продукцією за межі поля.

На чорноземах глибоких півдня Лісостепу і звичайних зони Степу з реакцією середовища близькою до нейтральної, високим насиченням ґрунтового вбирного комплексу кальцієм і магнієм, які здатні утворювати з фтором малорозчинні сполуки, внесення мінеральних добрив, навпаки, сприяло процесам акумуляції валового фтору в орному шарі ґрунту, його кількість збільшилася на 7-160%, порівняно з контролем.

Дослідження впливу мінеральних добрив на вміст в орному шарі рухомих сполук фтору показало, що під їх впливом відбувалося підвищення вмісту водорозчинного фтору в ґрунтах зони Полісся на 10-38% та зони Степу на 18-96%; лугорозчинного фтору у дерново-середньопідзолистих ґрунтах зони Полісся на 35%, у ґрунтах Лісостепу - чорноземах опідзоленому слабозмитому і звичайному малогумусному - на 11-16 %, а в темно-сірому опідзоленому ґрунті - на 220 %.

Застосування різних доз NPK сприяло підвищенню вмісту кислоторозчинної форми фтору в ґрунтах опідзоленого типу зони Полісся і Лісостепу на 46-142%, одночасно ґрунти зон Лісостепу й Степу відрізнялися дуже низьким вмістом цієї форми фтору. Так, у чорноземах звичайних і темно-каштанових ґрунтах зони Степу його вміст складав лише 0,19-0,56 мг/кг.

Чорнозем опідзолений слабо змитий забруднення ґрунтів. Коефіцієнт сумарного забруднення (Zn), порівняно з природним фоном, складав 2,2-24,5 одиниць і зростав з переходом від ґрунтів зони Полісся (2,4 одиниці) до ґрунтів зони Степу (9,0-24,2 одиниць).

Процеси, які відбувалися під впливом мінеральних добрив у верхніх горизонтах ґрунтів значною мірою обумовлювали вертикальну міграцію рухомих форм фтору. Відбулася активізація міграції водорозчинної, лугорозчинної і кислоторозчинної форм фтору за межі орного шару ґрунтів. В ґрунтах опідзоленого типу зони Полісся та Лісостепу спостерігалась інтенсивна міграція кислоторозчинного фтору, для ґрунтів зони Степу характерною була міграція водорозчинного і, особливо, лугорозчинного фтору.

Вплив зрошення на процеси нагромадження та міграції фтору при застосуванні мінеральних добрив. Процеси нагромадження і міграції рухомих форм фтору при зрошенні було досліджено на темно-каштановому солонцюватому ґрунті в стаціонарному досліді Інституту землеробства південного регіону УААН. Було встановлено, що під впливом зрошення відбувалось вилуговування рухомих форм фтору поливними водами з верхніх шарів темно-каштанового ґрунту і нагромадження їх переважно в нижніх горизонтах. Застосування мінеральних добрив (N90P60K30) призвело до значного нагромадження рухомих і потенційно-рухомих форм фтору за генетичними горизонтами ґрунту, а також активізувало процеси вертикальної міграції елементу.

Оцінка екотоксикологічного стану темно-каштанового ґрунту при міграції фтору під впливом зрошення і мінеральних добрив за використанням коефіцієнту концентрації (Кс) показала, що застосування мінеральних добрив в умовах зрошення призвело до підвищення активності міграції фтору у водорозчинній і лугорозчинній формі до небезпечного рівня (Кс=0,6-3,2), а в кислоторозчинній - до особливо небезпечного рівня (Кс=11,0-24,0).

Екотоксикологічна характеристика фосфорних добрив вітчизняного виробництва за вмістом фтору. Екотоксикологічна оцінка фосфоритів родовищ України за вмістом фтору. При використанні фосфоритів як добрив можливе надходження фтору в агроекосистеми з подальшим включенням його в біогеохімічний кругообіг.

На активність переходу фтору з фосфоритів у ґрунтовий розчин значною мірою впливають ґрунтові кислотно-основні умови. З метою прогнозу цього процесу в агроекосистемах було проведено лабораторний дослід з вивчення особливостей і динаміки переходу фтору з фосфоритів у ґрунтовий розчин. В результаті досліджень було встановлено, що найбільша 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 реакції середовища - до 33 мг/л фтору (табл.3).

Перехід фтору з фосфоритових концентратів у розчин при різній реакції середовища (час екстракції 14 діб), мг/л. Враховуючи це, необхідно наголосити на тому, що контроль за переходом фтору з фосфоритів у ґрунтовий розчин при застосуванні їх як добрив необхідно проводити, в першу чергу, на ґрунтах з лужною реакцією ґрунтового розчину.

Отримані результати показали, що найбільш активним джерелом надходження в грунт фтору можуть виступати фосфоритові концентрати Ново-Амвросієвського і Південно-Осиківського родовищ, поклади яких розташовані у південно-східному регіоні країни і можуть забезпечувати фосфорними добривами саме райони розповсюдження ґрунтів з нейтральною і лужною реакцією середовища.

З метою прогнозу екологічного ризику застосування було проведено розрахунки допустимого вмісту фтору (g2) у фосфоритах родовищ України. Розрахунки базувалися на даних щодо вмісту 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

Отримані результати дозволили розробити наступні регламенти за вмістом фтору: при використанні фосфоритів як добрив у дозі (d) 90 кг/га (за вмістом Р2О5) у фосфоритах Здолбунівського родовища (12,6 % Р2О5) допустима концентрація фтор-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 для Ново-Амвросієвського (25,0% Р2О5) родовища та Маневичсько-Клеванської площі (25% Р2О5) рівень F- не повинен перевищувати 2,7%.

Вплив нового виду фосфорного добрива агрофоски на поведінку фтору в системі "добриво-грунт-рослина". Дослідження нового виду фосфорного добрива агрофоски (АФК) проводилися на дерново-середньопідзолистих грунтах при вирощуванні озимої пшениці в умовах польового досліду.

Застосування агрофоски у дозах Р60 і Р180 призвело до збільшення вмісту валового фтору в орному шарі ґрунту з 65,5 до 84,0-87,0 мг/кг, і, особливо, в підорному шарі - з 4,5 до 34,0-149,0 мг/кг. Поряд із збільшення валового вмісту застосування агрофоски сприяло підвищенню кислоторозчинного фтору - з 4,31 до 6,54 мг/кг, або на 13-68%, порівняно з контролем.

Застосування агрофоски Р180 в запас на 3 роки призвело до нагромадження кислоторозчинного фтору в орному шарі ґрунту в перший рік внесення (від 5,59 у фазу кущіння до 11,68 мг/кг у фазу повної стиглості пшениці). В наступні роки встановлено поступове зменшення вмісту F- в ґрунті до рівня 4,48-2,97 мг/кг.

Застосування агрофоски Р180 в значній мірі сприяло вилуговуванню та міграції фтору з гумусового та гумусово-елювіального горизонту. Так, вміст кислоторозчинного фтору зменшувався з 8,75 мг/кг (шар 0-20 см) до 2,20 мг/кг (шар 60-80 см).

Отримані дані свідчать про можливість впливу фосфорного добрива агрофоски на міграцію рухомих форм фтору за межі кореневмісних шарів ґрунту з подальшим надходження його у ґрунтові води.

Екотоксикологічна оцінка за показником перевищення фонового вмісту фтору в орному шарі ґрунту показала, що застосування АФК у дозі Р60 відповідає IV класу небезпечності (перевищення <2), у дозі Р180 - III класу небезпечності (перевищення > 2).

Екотоксикологічна оцінка за показниками активності радіальної міграції (Кс) показала, що застосування АФК як у дозі Р60, так і у дозі Р180 відповідає III класу небезпечності (Кс перевищує 1,1 одиниці).

Особливості нагромадження фтору рослинами пшениці при застосуванні агрофоски. За даними трирічних досліджень було встановлено особливості перерозподілу фтору у вегетативних та генеративних органах озимої пшениці. Найбільша кількість фтору при застосуванні АФК Р60 концентрувалася в кореневій системі пшениці - 0,47 мг/кг. У надземних вегетативних органах - стеблах та листі пшениці містилося 0,29 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 роботі наведено теоретичне узагальнення і новий підхід до екотоксикологічної оцінки фтору залежно від генезису ґрунтів та застосування мінеральних добрив. За результатами проведених досліджень було зроблено наступні висновки:

1. Фоновий вміст валового фтору у різних типах ґрунтів України залежить від особливостей генезису і коливається в широких межах - від 49,5 до 297,5 мг/кг. Найбільшим вмістом фтору характеризуються ґрунти зони Лісостепу - 166,7-297,5 мг/кг, менше його в ґрунтах зони Полісся - 83,7 мг/кг та зони Степу - 49,5-89,5 мг/кг.

2. Вміст рухомих і потенційно-рухомих форм фтору є функцією фізико-хімічних властивостей ґрунтів. Спостерігається залежність між рухомістю фтору і кислотно-основними властивостями ґрунтів (r=0,6); вмістом мулистої фракції (r=0,7); кількістю магнію, алюмінію, заліза (r=0,6-0,7). Для підзолистих ґрунтів зони Полісся характерним є високий вміст кислоторозчинної форми фтору (4,6 мг/кг), при переході до зони Лісостепу і Степу спостерігається збільшення водорозчинного фтору (до 7,0 мг/кг) і, особливо, лугорозчинного фтору (з 1,7 до 12,1 мг/кг).

3. Генетичні особливості формування ґрунтів обумовлюють розподіл рухомих форм фтору за їх профілем. Для більшості ґрунтів зони Полісся і Лісостепу характерним є зменшення водорозчинної, кислоторозчинної та лугорозчинної форм фтору від гумусово-елювіальних горизонтів до материнської породи (в 1,1-6,6 раз); для ґрунтів зони Степу відмічена зворотна залежність - з переходом до материнської породи вміст рухомого фтору збільшується у 1,6-7,6 раз.

4. Тривале застосування мінеральних добрив (NPK) на ґрунтах підзолистого типу з кислою реакцією середовища призводить до зменшення вмісту валового фтору в орному шарі на 44-70%. При застосуванні мінеральних добрив на ґрунтах з нейтральною та лужною реакцією середовища спостерігається його нагромадження в орному шарі ґрунту (чорноземах звичайних ґрунтах його кількість збільшилась на 103-156%).

5. Під впливом тривалого застосування мінеральних добрив на ґрунтах підзолистого типу відбувається підвищення вмісту кислоторозчинного фтору (на 0,17-2,17 мг/кг, або на 3-143%) з подальшою активізацією його вертикальної міграції. Коефіцієнт концентрації коливається в межах 0,2-2,8, але в ряді випадків піднімається до особливо небезпечного рівня - 27-35 одиниць.

6. Застосування мінеральних добрив в умовах зрошення на темно-каштанових ґрунтах призводить до активізації процесів міграції фтору та до його вилуговування з гумусових горизонтів в нижні шари ґрунту, що може бути причиною надходження фтору у ґрунтові води. Встановлено, що вниз за профілем ґрунту вміст водорозчинної форми фтору підвищується на 99-312%, лугорозчинної - на 20-94%, кислоторозчинної - на 127-230%.

7. Екотоксикологічна оцінка фосфоритів українських родовищ показала, що найбільша кількість F- вилучалася при лужній реакції середовища - до 379 мг/л, при нейтральній - до 43 мг/л, при кислій - до 33 мг/л. Найбільш активним джерелом фтору можуть виступати фосфоритові концентрати Ново-Амвросієвського і Південно-Осиківського родовищ.

8. Прогноз екологічного ризику застосування фосфоритів в якості добрив (доза 90 кг/га за вмістом 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 вмістом фтору свідчить, що при його застосуванні на дерново-середньопідзолистих ґрунтах значно зростає вміст валового (на 28-32%) і кислоторозчинного (на 13-68%) фтору. Застосування агрофоски в запас на 3 роки в перший рік внесення призводить до збільшення вмісту кислоторозчинного фтору в орному шарі дерново-підзолистого ґрунту з 5,6 до 11,7 мг/кг та до активізації міграції F--іону з гумусово-елювіального горизонту. За показниками міграції агрофоску можна віднести до III класу небезпечності, за перевищенням фону - до III-IV класу небезпечності.

10. Встановлено, що при застосуванні фосфорних добрив на фоні азотно-калійного живлення основна кількість фтору акумулюється в кореневій системі рослин, яка відіграє захисні функції організму відносно фтору. При застосуванні агрофоски у кореневій системі пшениці було знайдено 0,47 мг/кг фтору, у надземних вегетативних органах - 0,29 мг/кг, у надземних генеративних (зерні) - 0,17 мг/кг.

При впровадженні у сільськогосподарське виробництво нових видів фосфорних добрив необхідно проводити їх екологічну експертизу за вмістом фтору. Регламентацію вмісту фтору у фосфорних добривах доцільно здійснювати з урахуванням дози внесення добрива, грунтово-кліматичних особливостей зони застосування, фонового вмісту фтору у ґрунті, гранично-допустимої концентрації, стійкості ґрунтів до забруднення фтором і часу досягнення небезпечної концентрації фтору в ґрунті.

Список використаних джерел:

1. Макаренко Н.А., Ліщук А.М., Буожис А.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 в агроекосистемі // Проблеми агропромислового комплексу Карпат: Збірник наукових праць. - 1998.

3. Кавецький В.М., Гець Т.С., Макаренко Н.А., Ліщук А.М. Екотоксикологічна оцінка фосфоритів за вмістом фтору при їх використанні на дерново-середньопідзолистих ґрунтах. - Вісник аграрної науки Причорномор'я. - Вип. 3, т.2. - 2001.

4. Ліщук А.М. Вертикальна міграція фтору 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 в реформованих сільськогосподарських підприємствах". - Миколаїв, 2003.

5. Ліщук А.М. Екотоксикологічна оцінка 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 в экологии" - Севастополь, 1996.

7. Ліщук А.М. Про необхідність контролю фтору в агроекосистемах // Матеріали всеукраїнської конф. молодих вчених "Засади сталого розвитку аграрної галузі". - Київ, 2002.

8. Ліщук А.М. Вміст фтору в ґрунтах України // Матеріали науково-практичної конф. молодих вчених "Проблеми сучасного землекористування". - Київ-Чабани, 2002.

9. Ліщук А.М. Вміст фтору у ґрунті і рослинах при застосуванні нового виду добрива агрофоски // Зб. матеріалів ІІІ міжвузівської науково-практичної конференції аспірантів "Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи". - Вінниця, 2003.

10. Ліщук А.М. Агроекологічний моніторинг за вмістом фтору у темно-каштановому ґрунті Херсонської області при зрошенні та застосуванні мінеральних добрив // Збірка тез доповідей IV міжнародної науково-практичної конф. студентів, аспірантів, молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство". - Київ, 2003.

11. Ліщук А.М. Вміст фтору в різних типах ґрунтів при застосуванні мінеральних добрив // Матеріали науково-практичної конф. молодих вчених "Стабілізація землекористування та сучасні агротехнології". - Київ-Чабани, 2003.

12. Ліщук А.М. Особливості розподілу фтору в різних типах ґрунтів України // Матеріали VII міжнародної науково-практичної конференції "Наука і освіта '2004".Том 68. - Дніпропетровськ, 2004.