Экологическая оценка применения осадков сточных вод на дерново-подзолах владимирской мещеры
На правах рукописи
Пескарев Александр Александрович Экологическая оценка применения осадков сточных вод на дерново-подзолах Владимирской Мещеры Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре экологии Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева.
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Яшин Иван Михайлович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова РАСХН Лаборатория известкования почв главный научный сотрудник Аканова Наталья Ивановна доктор биологических наук, профессор МГУ имени М.В. Ломоносова Кафедра земельных ресурсов Макаров Олег Анатольевич Ведущая организация Почвенный институт имени В.В. Докучаева РАСХН
Защита состоится «26» декабря 2012 г. в «16» часов «30» мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева. Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет РГАУ – МСХА имени К.А.
Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева.
Автореферат разослан «24» ноября 2012 года
Ученый секретарь Селицкая О.В.
диссертационного совета
Общая характеристика работы
Актуальность. В современный период антропогенные нагрузки на агроэкосистемы заметно усилились, особенно при использовании осадков сточных вод (ОСВ), органоминеральных компостов и сапропелей. При этом нарушаются экологическая безопасность кормов, зерна, продуктов питания, ухудшается качество жизни людей, загрязняются почвы и воды (Ягодин и др., 1993, 1994;
Фокин, 1989;
Кабата-Пендиас и Пендиас, 1989;
Ильин, 1991;
Черников и др., 2000, 2003, 2007, 2012). В решении указанных агроэкологических проблем достигнуты определенные успехи (Добровольский В.В., 1984, 2011;
Савич, 2009;
Касатиков, 1994, 2007;
Мазиров, 2004;
Яшин и др.1993, 2000, 2011 и др.). Вместе с тем еще не в полной мере решены задачи, связанные с детоксикацией почв, в частности, от ионов тяжелых металлов (ТМ) в конкретных аграрных экосистемах. В этой связи необходим, с одной стороны, комплексный мониторинг экологического состояния почв, а с другой – совершенствование технологий выращивания культур в условиях загрязнения почв ТМ. Данному вопросу и посвящена диссертационная работа Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы экологическая оценка применения различных доз ОСВ по фону известкования, а также совместно с жидкими препаратами вермигуматов, на свойства дерново подзола супесчаного, качество и продуктивность растениеводческой продукции. Для решения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучение влияния осадков сточных вод на динамику почвенно агрохимических и эколого-токсикологических (содержание ТМ) показателей дерново-подзола супесчаного;
2. Оценка эффективности последействия известкования, а также внесения вермигуматов как методов рекультивации дерново-подзола, загрязненного ТМ в результате длительного применения ОСВ;
3. Исследование применения ОСВ, гуматов и последействия известкования на транслокацию ТМ в полевые культуры и степени загрязнения растительной продукции;
4. Оценка влияния осадка сточных вод, последействия известкования и внесение вермигуматов на качественный макроэлементный состав и продуктивность сельскохозяйственной продукции.
Научная новизна. В условиях Владимирской Мещеры (обширной зандровой равнины) проведен агроэкологический мониторинг и дана экологическая оценка агрогенно загрязненного тяжелыми металлами дерново подзола супесчаного, развитого на флювиогляциальных отложениях, в 1 результате длительного (с 1984 г.) применения ОСВ в качестве нетрадиционного органического удобрения.
В условиях полевого исследования изучен прием рекультивации загрязненной ТМ почвы в результате систематического применения ОСВ посредством известкования и внесения вермигуматов.
Проведена экологическая оценка степени загрязнения растениеводческой продукции мелкоделяночного и микрополевого опытов по санитарно гигиеническим нормативам и по биогеохимическому показателю коэффициента биогенного накопления элементов.
Охарактеризована динамика агрохимических и эколого-токсикологческих показателей почвы при использовании ОСВ и вермигуматов в период 2009 2011 гг. в условиях проведения мелкоделяночного и микрополевого опытов.
Изучено влияние вермигуматов на качество получаемой растениеводческой продукции овса, горчицы белой и тритикале (при разной степени химического загрязнения дерново-подзола супесчаного).
Практическая значимость. Полученные результаты исследований могут быть применены в агрохолдингах, акционерных обществах и фермерских хозяйствах Владимирской области при использовании ОСВ для выращивания экологически безопасной продукции растениеводства и кормов.
Полученные результаты позволяют предотвратить масштабное загрязнение продукции растениеводства ТМ в условиях антропогенных нагрузок на аграрные экосистемы, а также при использовании нетрадиционных удобрений, например, на основе ОСВ.
Результаты длительных полевых опытов будут систематизированы при разработке технологических приемов детоксикации почв зандровых равнин Владимирской области.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на промежуточных и итоговых аттестациях аспирантов и докторантов и на заседаниях кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в 2010 2012 гг., на 6-м съезде Докучаевского общества почвоведов в Петрозаводске (август 2012). По теме диссертации опубликованы четыре научные статьи, в том числе две в рецензируемых журналах ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов и библиографии. Изложена на 132 страницах, содержит 28 таблиц и 9 рисунков.
Фактические материалы данной работы были получены в период 2009 2012 гг. на кафедре экологии и полевых опытах ГНУ ВНИИОУ РАСХН во Владимирской области, п. Вяткино. Личный вклад автора в работу 80%.
2 Благодарности. Автор искренне благодарен своим учителям – профессору И.М. Яшину и профессору ГНУ ВНИИОУ В.А. Касатикову за оказанную методическую помощь, конструктивные советы при выполнении диссертационной работы, неоценимую помощь в проведении экспериментальных исследованиях на полевых опытах;
профессорам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева Васеневу И.И., Черникову В.А., доценту Раскатову В.А., аспирантам Петуховой А.А. и Когут Л.П., а также другим сотрудникам кафедры.
Студентка-дипломница кафедры экологии Сизинцева Алла участвовала в проведении полевых почвенных изысканий. Ей автор также благодарен.
Выносимые на защиту положения:
1. Изучено влияние веществ ОСВ на динамику агрохимических свойств дерново-подзола супесчаного в слое 0-20 см в условиях Владимирской Мещеры (2009-2011 гг.);
наиболее благоприятное воздействие ОСВ оказывает на фосфатный режим почвы, содержание органического вещества и кислотно основные свойства почвы, в том числе и по фону известкования.
2. Установлено, что длительное применение ОСВ в дозах 15-120 т/га привело к превышению как валового содержания ТМ, а именно Cd, Cu, Ni и Zn, так и подвижных форм кадмия.
3. Внесение извести, как прием рекультивации загрязненной ТМ почвы в результате применения ОСВ, а именно повышение дозы с 3 до 6 т/га понижало содержание подвижных форм ТМ в 2010-2011 гг. исследований.
4. Превышение содержания ТМ в зеленой массе горчицы белой показателей МДУ (для кормов) составило для Cd в 1,6-3,3 раза, для Cr – в 7,3 13,4 раза на всех вариантах мелкоделяночного опыта.
5. Применение ОСВ, вермигуматов и последействие известкования оказывало значительное влияние в получении достоверных прибавок урожайности зеленой массы горчицы белой и зерна тритикале относительно контрольных вариантов.
3 Глава I. Обзор литературы Экологические аспекты применения осадков сточных вод и мелиорантов в аграрных экосистемах Рассматриваются экологические особенности применения ОСВ в аграрных экосистемах Владимирской области (Касатиков, 1994, 2007;
Мазиров и др., 2005;
Мерзлая 1998, 2003). При этом утилизация ОСВ посредством внесения в почву в качестве нетрадиционного удобрения при возделывании сельскохозяйственных культур связана с решением ряда важных экологических задач. Первая – детоксикация ионов ТМ осадков сточных вод. Вторая – установление параметров биогеохимической миграции ионов ТМ, в частности, включение в биогенный поток миграции. Третья – водная миграция ионов ТМ в профиле почвы (Яшин и др. 1993, 2010, 2012).
Обобщены сведения о химическом загрязнении почв ТМ. Одним из приемов восстановления экологической безопасности является рекультивация почв, в частности, путем известкования. Причем, по агрохимическим критериям подобные почвы часто не нуждаются в известковании.
Проанализированы источники литературы, в которых излагаются сведения о влиянии известкования почв на инактивацию ионов ТМ:
поступление в растения, водную миграцию, улучшение биологической активности почвы.
В литературе преобладает информация о детоксицирующей способности гуматов в отношении почв, искусственно загрязненных солями ТМ. Сведений о реальных загрязненных аграрных экосистемах и процессах, происходящих в их почвах, весьма мало (Касатиков, 1998, 2010). В этой связи нами и были проведены полевые опыты, связанные с экологической оценкой влияния ОСВ на дерново-подзолы супесчаные.
Глава II. Объекты и методы исследований Полевые исследования проводились на опытном поле ГНУ ВНИИОУ РАСХН) в 2009-2011 гг. Опытное поле института расположено в северо восточной части Мещерской низменности, в 10 км от города Владимира вблизи п. Вяткино Судогодского района. Объектами исследований были почва, ОСВ, известковые удобрения, вермигуматы, а также процессы, протекающие в системе почва – растения – применяемые удобрения. Почвы опытного поля дерново-подзолы супесчаные, развитые на флювиогляциальных отложениях.
Пахотный горизонт мощностью 0-20 см (контрольный вариант, 2009 г.) имел следующие агрохимические показатели: рН солевой вытяжки - 6,6;
гидролитическая кислотность Нг – 0,68 мг-экв/100 г.;
сумма поглощенных оснований - 8,7 мг-экв/100 г.;
содержание общего органического углерода Сорг – 4 0,9%;
содержание доступных форм фосфора и калия соответственно 330 и мг/кг почвы.
Условия проведения стационарных полевых опытов:
Опыт № 1. Многолетний мелкоделяночный двухфакторный опыт по изучению влияния ОСВ и известкования заложен в 1984 году. В 2010-2011 гг. в рамках диссертационного исследования изучалось влияние длительного применения ОСВ и последействия известкования на агроэкологические свойства дерново-подзола, качество и урожайность полевых культур. Почва опыта загрязнена тяжелыми металлами в результате систематического внесения в период 1984-1995 гг., а затем в 2006 и 2010 гг. (последнее внесение) механически обезвоженных и аэробностабилизированных ОСВ очистных сооружений г. Владимира, которые полностью отвечали требованиям ГОСТа Р 17.4.3.07-2001 (таблица 1), в дозах 15, 30, 60, 120 т/га (50% влажности) в качестве нетрадиционного органического удобрения. За весь период исследований суммарные дозы ОСВ составили 165, 330, 660, 1320 т/га.
Известкование проводилось доломитовой мукой (далее – известь) в дозах 3, 6, т/га в 1984, 1990, 1995 и 2006 гг.
Схема опыта № 1: 1) контроль (без удобрений);
2) ОСВ 165 т/га + известь 3 т/га;
3) ОСВ 330 т/га + известь 3 т/га;
4) ОСВ 660 т/га + известь 3 т/га;
5) ОСВ 1320 т/га + известь 3 т/га;
6) ОСВ 165 т/га + известь 6 т/га;
7) ОСВ 330 т/га + известь 6 т/га;
8) ОСВ 660 т/га + известь 6 т/га;
9) ОСВ 1320 т/га + известь т/га;
10) ОСВ 165 т/га + известь 9 т/га;
11) ОСВ 330 т/га + известь 9 т/га;
12) ОСВ 660 т/га + известь 9 т/га;
13) ОСВ 1320 т/га + известь 9 т/га.
Повторность в опыте 6-ти кратная. Размер делянок: 1,5 х 2 м (3 м2), расположение внутри опыта - рендомизированное. Звено севооборота в 2009 2011 гг.: овёс - горчица белая - тритикале.
Опыт № 2. Микрополевой опыт по изучению влияния ОСВ и вермигуматов на агроэкологические свойства почвы, качество и продуктивность с/х культур проводится с 2006 г. Опыт заложен в бетонных сосудах без дна (диаметр - 20 см, высота – 30 см, рабочая площадь – 314 см2), что обеспечивает изоляцию каждого варианта от перемещения почвы. Сосуды вкопаны непосредственно на делянках стационарного мелкоделяночного опыта № 1 на II, IV, VI повторностях на вариантах 3, 5, 7, 9 принятых за фон.
Схема опыта № 2: 1) ОСВ 330 т/га + известь 3 т/га;
2) ОСВ 1320 т/га + известь 3 т/га;
3) ОСВ 330 т/га + известь 6 т/га;
4) ОСВ 1320 т/га + известь т/га;
5) ОСВ 330 т/га + известь 3 т/га + ВГ1;
6) ОСВ 1320 т/га + известь 3 т/га + ВГ1;
7) ОСВ 330 т/га + известь 6 т/га + ВГ1;
8) ОСВ 1320 т/га + известь 6 т/га + ВГ1;
9) ОСВ 330 т/га + известь 3 т/га + ВГ2;
10) ОСВ 1320 т/га + известь 3 т/га + 5 ВГ2;
11) ОСВ 330 т/га + известь 6 т/га + ВГ2;
12) ОСВ 1320 т/га + известь 6 т/га + ВГ2.
Таблица Агрохимические и агроэкологические свойства ОСВ г. Владимира (2010 года внесения) и нормативы ГОСТа Р 17.4.3.07-2001 Охрана природы. Почвы.
Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений Показатели ОСВ ГОСТ Р 17.4.3.07- Влажность, % 52,4 Сорг., % на сухое вещество 45,4 рНсол. 6,50 5,5-8, Содержание общих форм макроэлементов, % на сухое вещество Nобщ. 2,40 0, Робщ. 5,19 1, К общ. 0,72 н/н Содержание подвижных форм макроэлементов, на сухое вещество N, мг/кг 60, Р, мг/100 г К, мг/100 г Валовое содержание ТМ, мг/кг на сухое вещество 1 группа 2 группа Кадмий (Cd) 1,27 15 Медь (Cu) 69,6 750 Свинец (Pb) 27,4 250 Никель (Ni) 27,6 200 Хром (Cr) 96,3 500 Цинк (Zn) 94,1 1750 Подвижные формы ТМ, мг/кг на сухое вещество Cd Cu Pb Ni Cr Zn 0,20 1,39 1,92 1,25 0,90 3, В 2009 и 2011 гг. при содержании в вытяжке вермигумата Сорг 1,2 % (или 12 грамм Сорг на 1 л раствора) в перерасчете на единицу площади внесено 5 л/м (ВГ1 – 60 г Сорг /м2) и 10 л/м2 (ВГ2 – 120 г Сорг /м2). На фоновых вариантах в сосуды была внесена вода по 250 мл. Осадок сточных вод перед внесением был подсушен, измельчен, пересеян через сито 2 мм. Из расчета доз внесения 30 и 120 т/га количество внесенного ОСВ составило 60 и 240 г/сосуд (на 20 % влажность) соответственно. Осадок был внесен весной, перемешан с почвой сосуда, затем внесли вермигуматы. Вермигумат - жидкий гуминоподобный препарат, представляющий собой смесь фульво- и гуминоподобных веществ, получали из компоста навоза КРС, переработанного червями (вермикомпост), десорбцией водным раствором 0,1 н. КOH. Свойства вермигумата (, внесенного в 2009 г.: концентрация органического углерода (Сорг). – 12 г/л, азота - 1,5 %, 6 фосфора - 1,54 %, калия - 4,50 %. Величина pH доведена кислотой до нейтральной реакции.
Все работы выполнялись вручную, исходя из рекомендаций по закладке и проведению полевых опытов (Доспехов, 1974;
Минеев, 1989). В образцах органических удобрений определяли: органическое вещество (ГОСТ 27980-88);
влажность (ГОСТ 26713-85);
общий азот (ГОСТ 26715-85);
общий фосфор (ГОСТ 26717-85);
общий калий (ГОСТ 26718-85);
валовые и подвижные формы ТМ - по Методическим указаниям по определению тяжелых металлов, ЦИНАО 1992 г. Растительные образцы отбирали в период уборки для определения общего азота методом Къелдаля (ГОСТ 26889-86), общего фосфора – фотометрически (ГОСТ 26657-97), общего калия – методом пламенной фотометрии, общего содержания ТМ методом атомно-абсорбционной спектрометрии. В образцах почв, отобранных после вегетации полевых культур, проводили определение общего углерода по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), рН солевой вытяжки - потенциометрически (ГОСТ 27979-88), суммы поглощенных оснований - по методу Капенна (ГОСТ 27821 88), гидролитической кислотности – по методу Капенна в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91), подвижного фосфора и калия – методом Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91), подвижных форм ТМ после экстракции 1 М ацетат-аммонийным буфером с рН 4,8 (соотношение почва:
экстракт - 1:2,5), валовых форм ТМ - методом атомно-абсорбционного анализа по методике ЦИНАО.
Для характеристики степени загрязнения почвы ТМ (валовые и подвижные формы) и растениеводческой продукции применяли нормативы ПДК и МДУ (СанПиН 2.1.7.573-96). В качестве биогеохимических показателей загрязнения агроценоза ТМ использовали коэффициент биогенного накопления kбн (Перельман, 1989), характеризующийся отношением общего содержания элемента в растении к его биодоступным подвижным формам в пахотном слое 0-20 см почвы, и индекс суммарного загрязнения почвы Zc (Сает, 1984), рассчитанный по формуле: Zc = Kc – (n – 1), где Кс – коэффициент накопления ТМ относительно его фонового содержания (в нашем случае контрольном варианте опыта);
n – число элементов с Кс 1. Рассчитанный показатель Zc сравнивали с ориентировочной оценочной шкалой категорий загрязнения почв: 16 - слабо загрязненная;
16,1-32 - средне загрязненная;
32,1-128 - сильно загрязненная;
128 – очень сильно загрязненная.
7 Глава III. Экспериментальная часть 3.1. Экологическая оценка применения ОСВ и последействия известкования в мелкоделяночном опыте ВНИИОУ 3.1.1. Влияние применения ОСВ на агрохимические свойства дерново-подзолов опытного участка Изучено действие веществ ОСВ и последействие известкования в мелкоделяночном опыте № 1 на агрохимические показатели дерново-подзола супесчаного. Выявлено наиболее заметное положительное влияние ОСВ, внесенных осенью 2010 г., на фосфатный режим почвы (таблица 2). Внесение ОСВ с высоким содержанием фосфора (5,2 %) привело к повышению содержания этого элемента в слое 0-20 см до 770-2880 мг/кг. В сравнении с 2010 г. его содержание повысилось пропорционально дозам ОСВ в 1,9;
2,1;
2, и 2,7 раза.
Таблица Влияние ОСВ и известкования на агрохимические свойства дерново-подзола супесчаного в слое 0-20 см в 2010 – 2011 гг.
2+ 2+ Рподв. Сорг.
Hг K обм. S(Са +Mg ) Варианты pHксl мг-экв/100 г мг/кг мг-экв/100 г опыта 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1. 6,20 6,10 0,50 0,54 200 210 38 35 5,46 6,01 0,87 0, 2. 6,32 6,55 0,43 0,41 400 770 36 32 6,55 6,29 0,98 1, 3. 6,32 6,62 0,44 0,40 480 1020 38 37 6,37 6,57 1,06 1, 4. 6,30 6,61 0,45 0,40 510 1780 38 42 6,00 6,73 1,25 1, 5. 6,32 6,60 0,45 0,37 940 2670 40 62 6,49 6,56 1,43 1, 6. 6,30 6,70 0,45 0,38 440 800 38 37 6,19 6,65 1,02 1, 7. 6,40 6,75 0,39 0,33 500 920 36 34 6,02 6,56 1,11 1, 8. 6,42 6,74 0,41 0,35 650 1620 39 39 6,20 6,67 1,03 1, 9. 6,45 6,85 0,41 0,35 1100 2880 40 55 5,92 6,79 1,47 1, 10. 6,40 6,77 0,41 0,32 440 890 35 36 6,07 7,70 0,95 1, 11. 6,47 6,83 0,41 0,30 430 1080 36 36 6,12 7,01 1,08 1, 12. 6,47 6,83 0,35 0,30 590 1720 36 40 6,09 6,92 1,12 1, 13. 6,47 6,80 0,34 0,30 990 2660 40 55 6,36 7,15 1,30 1, Примечание: 1 – 2010 г.;
2 – 2011 г.
Из-за невысокого содержания в осадках сточных вод калия (0,7%), уровень его в почве возрос незначительно лишь по максимальным дозам ОСВ (660 и 1320 т/га). Улучшаются также кислотно-основные свойства почвы. Так, величина рНKCL повысилась с 6,1 в контроле до 6,6 на удобренных ОСВ вариантах по фону известкования 3 т/га, и до рН 6,8 по фону известкования т/га. Hг при этом снизилась с 0,54 мг-экв/100 г до 0,40 и 0,30 мг-экв/100 г соответственно по последействию доз известкования 3 и 9 т/га. Заметно 8 увеличилась сумма поглощенных оснований, особенно на вариантах по последействию известкования 9 т/га до 7 мг-экв/100 г.
Динамика органического вещества дерново-подзола свидетельствует о повышении общего содержания Сорг. в удобренных вариантах опыта. Так, содержание Сорг. в дерново-подзолах опытного участка увеличивалось в зависимости от количества поступившего органического вещества с ОСВ с 0, % до 1,1-2,0%. В среднем по вариантам 2, 6, 10 (дозы ОСВ 165 т/га) содержание Сорг. увеличилось на 12 %, на вариантах 3, 7, 11 (330 т/га ОСВ) – на 20 %, на вариантах 4, 8, 12 (660 т/га ОСВ) – на 31 %, на вариантах 5, 9, 13 (1320 т/га ОСВ) – на 24 % относительно 2010 г.
3.1.2. Влияние длительного внесения ОСВ на содержание тяжелых металлов в почве В результате длительного систематического внесения различных доз ОСВ в почве опытного участка в 2010 г. валовое содержание Cd превышало ОДК в 4 10 раз;
Cu,Ni и Zn до 1,5-2 раза, а содержание хрома доходило до 130-192 мг/кг почвы (по максимальной дозе ОСВ).
По вариантам с максимальной дозой ОСВ и с увеличением доз известкования наблюдалось снижение содержания подвижных форм элементов Cd с 1,01 до 0,62 мг/кг;
Cu, Cr, и Ni также теряли свою подвижность (таблица 3). Уменьшение Zc почвы составило на 3,7 ед. Содержание Cd превышала допустимый уровень на большинстве вариантов опыта. Остальные ТМ находились в пределах нормативов ПДК подвижных форм в почве.
Таблица Последействие внесения ОСВ и известкования на содержание подвижных форм тяжелых металлов в дерново-подзоле супесчаном в слое 0-20 см, мг/кг (2010 г.) Варианты опыта Элементы Zc Cd Cu Cr Ni Pb Zn 1. Контроль, без удобрений 0,16 0,32 0,63 0,82 0,71 1,63 2. ОСВ 300 т/га + известь 3 0,35 0,44 0,89 0,92 0,82 2, 3, т/га 2,2 1,4 1,4 1,1 1,1 1, 3. ОСВ 1200 т/га + известь 3 1,01 1,15 1,62 3,11 1,45 2, 14, т/га 6,3 3,6 2,6 3,8 2,0 1, 4. ОСВ 300 т/га + известь 6 0,51 0,48 0,91 0,98 1,23 2, 5, т/га 3,2 1,5 1,4 1,2 1,7 1, 5. ОСВ 1200 т/га + известь 6 0,62 0,98 1,32 2,89 1,41 2, 11, т/га 3,9 3,1 2,1 3,5 2,0 1, ПДК подв. ТМ в почве, мг/кг 0,5 3,0 6,0 4,0 6,0 23,0 В числителе – содержание ТМ, мг/кг;
в знаменателе – Кс – коэффициент накопления ТМ.
9 По значениям Kc подвижные формы ТМ в почве вариантов с ОСВ т/га образовали убывающие ряды CdCuCrZnNiPb по фону известкования 3 т/га и CdPbCuCrZnNi по фону известкования 6 т/га. Для максимальной дозы ОСВ при известковании 3 и 6 т/га ряд Kc изменялся:
CdNiCuCrPbZn. По показателю Zc выявлено, что почвы всех вариантов характеризовались слабой степенью загрязнения.
После очередного внесения доз ОСВ в 30 и 120 т/га осенью 2010 г.
содержание подвижных форм тяжелых металлов в 2011 г. заметно увеличилось (таблица 4). Индекс Zc возрос примерно на 45% по вариантам 2 и 4, и в среднем на 26% по максимальной дозе ОСВ (варианты 3 и 5). Содержание подвижного кадмия превышало ПДК до 2 - 2,5 раз, остальные тяжелые металлы по прежнему не превышали установленные нормативы. По величине Кс подвижных форм ТМ выстраивается в следующий убывающий ряд CdNiCuCrPbZn (по максимальной дозе ОСВ). По показателю Zc почва варианта перешла в категорию средней степени загрязнения.
Таблица Влияние ОСВ и известкования на содержание подвижных форм тяжелых металлов в дерново-подзоле супесчаном в слое 0-20 см, мг/кг (2011 г.) Варианты опыта Элементы Zc Cd Cu Cr Ni Pb Zn 1. Контроль, без удобрений 0,21 0,32 0,51 0,32 0,57 1,86 2. ОСВ 330 т/га + известь 3 0,48 0,53 1,11 0,58 0,62 2, 5, т/га 2,3 1,7 2,2 1,8 1,1 1, 3. ОСВ 1320 т/га + известь 3 1,25 1,56 2,12 1,62 0,89 2, 18, т/га 6,0 4,9 4,2 5,1 1,6 1, 4. ОСВ 330 т/га + известь 6 0,62 0,67 1,56 0,72 0,77 2, 7, т/га 3,0 2,1 3,1 2,2 1,3 1, 5. ОСВ 1320 т/га + известь 6 1,09 1,26 1,64 1,30 0,87 2, 14, т/га 5,2 3,9 3,2 4,1 1,5 1, ПДК подв. ТМ в почве, мг/кг 0,5 3,0 6,0 4,0 6,0 23,0 В числителе – содержание ТМ, мг/кг;
в знаменателе – Кс – коэффициент накопления ТМ.
3.1.3. Загрязнение растительной продукции ТМ при использовании ОСВ.
Рассчитанные коэффициенты биогенного накопления элементов в зеленой массе горчицы белой были расположены в следующем убывающем порядке: ZnCuCrNiCdPb по последействию дозы ОСВ в 300 т/га и ZnCuCrCdNiPb по максимальной дозе ОСВ (таблица 5). А так как Zn и Cu являются важнейшими микроэлементами в питании растений, а факт превышения нормативов содержания цинка в зеленой массе горчицы белой незначителен, то к наиболее активным элементам биогенной миграции 10 относились хром и кадмий. Содержание этих ТМ в зеленой массе горчицы превышало МДУ (для кормов): Cd в 1,6-3,3 раза, Cr – в 7,3-13,4 раза. Таким образом, данные элементы являлись приоритетными загрязнителями агроценоза в условиях 2010 г.
Таблица Последействие внесения ОСВ и известкования на содержание тяжелых металлов в зеленой массе горчицы белой (мг/кг) 2010 г.
Варианты опыта Элементы Cd Cu Cr Ni Pb Zn 1. Контроль, без удобрений 0,13 4,70 1,05 1,05 0,30 34, 0,34 6,43 4,04 1,07 0,39 46, 2. ОСВ 300 т/га + изв. 3 т/га 1,0 14,6 4,5 1,2 0,5 20, 0,47 6,60 3,65 1,49 0,81 53, 3. ОСВ 1200 т/га + изв. 3 т/га 0,5 5,7 2,3 0,5 0,6 23, 0,32 6,12 2,60 1,29 0,42 43, 4. ОСВ 300 т/га + изв. 6 т/га 0,6 12,8 2,9 1,3 0,3 19, 0,99 12,7 6,68 2,34 0,91 65, 5. ОСВ 1200 т/га + изв. 6 т/га 1,6 13,0 5,1 0,8 0,7 28, МДУ (сочные и грубые 0,3 30,0 0,5 3,0 5,0 50, корма), мг/кг В числителе – общее содержание ТМ, мг/кг;
в знаменателе – kбн – коэффициент биогенного накопления ТМ.
В 2011 г. при выращивании тритикале полученная продукция (зерно) полностью отвечала предъявляемым требованиям СанПиН 2.1.7.573-96 и не превышала показателей МДУ (таблица 6).
Таблица Влияние ОСВ и известкования на содержание тяжелых металлов в зерне тритикале (мг/кг) 2011 г.
Варианты опыта Элементы Cd Cu Cr Ni Pb Zn 1. Контроль, без удобрений 0,01 6,27 0,01 0,12 0,72 39, 2. ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 0,02 6,67 0,01 0,13 0,72 39, 3. ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 0,02 6,98 0,02 0,17 0,99 45, 4. ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 0,02 7,19 0,01 0,13 0,86 40, 5. ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га 0,02 7,60 0,01 0,14 1,17 45, МДУ (зерно, зернофураж), 0,3 30,0 0,5 1,0 5,0 50, мг/кг 3.1.4. Продуктивность растениеводческой продукции при применении ОСВ Последействие ОСВ и известкования оказало заметное влияние на урожайность зеленой массы горчицы белой. Одинаковые достоверные прибавки получены по последействию суммарной дозы ОСВ в 300 т/га и 11 известкованию 3 т/га и 6 т/га – 21,7 ц/га или 78,3% относительно урожайности контрольного варианта 27,6 ц/га. По максимальной суммарной дозе ОСВ прибавка в среднем составляла 73%.
Внесение ОСВ осенью 2010 г. оказало положительное влияние в следующем. Достоверные прибавки урожая зерна получены на всех вариантах, кроме варианта 10 (ОСВ 165 т/га + изв. 9 т/га). Прослеживается зависимость величины прибавки урожая с дозой внесенного осадка. Средние прибавки от дозы 165 т/га и 330 т/га составили 2,6 и 4,6 ц/га зерна или 22 и 40% к урожайности на контроле 11,6 ц/га. Прибавки от доз 660 т/га и 1320 т/га получены одинаковые 6,5 ц/га зерна (56%). Четкой зависимости прироста урожайности от последействия известкования не установлено.
Известкование снижало фитотоксический эффект от длительного применения ОСВ на локальной территории, о чем свидетельствуют уровни полученных прибавок урожайности зеленой массы горчицы белой и зерна тритикале.
3.2. Экологическая оценка применения ОСВ и вермигуматов в микрополевом опыте ВНИИОУ 3.2.1. Влияние внесения ОСВ и вермигуматов на содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве полевого опыта и общего содержания экотоксикантов в растительной продукции Влияние последействия вермигуматов на содержание подвижных форм ТМ в почве 2010 г. характеризовалось некоторым повышением содержанием кадмия в 1,5-3 раза, хрома в 1,2-1,6 раз и до 2,5 раз никеля относительно фоновых (без применения ВГ) вариантов. Отсюда, увеличение содержания этих токсикантов в зеленой массе горчицы белой, где показатели МДУ для кормов превышены до 25-46 раз по хрому и никеля до 2-3 раз. Уменьшение подвижности ТМ по вариантам опыта выражено незначительно. Потенциальное влияние вермигуматов было вероятно лимитировано неблагоприятными климатическими условиями.
В условиях насыщенности пахотного слоя почвы веществами осадков сточных вод в 2011 г. выявлено превышение ПДК подвижного кадмия на всех вариантах опыта (таблица 5). Остальные изучаемые элементы находились в рамках установленных предельных концентраций. Подвижные формы ТМ по действию дозы ОСВ в 330 т/га по величине Кс расположились в следующий убывающий ряд CdCrCuNiPbZn.
Совместное внесение в почву микрополевого опыта ОСВ и вермигуматов с одной стороны хоть и способствовало (в 1,3-1,5 раза) повышению Zc в 12 сравнении с фоновыми вариантами за счет увеличения подвижности ТМ, однако было выявлено положительное действие вермигуматов, проявляющееся в некотором уменьшении фактического содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве по дозе ВГ1 – варианты 7 и 8, а по ВГ2 – 10 и 12. Следует отметить, что также как и в мелкоделяночном опыте прослеживается положительная зависимость последействия известкования на уменьшение подвижных форм ТМ. Полученная продукция (зерно тритикале) полностью отвечала нормативам МДУ (зерно/зернофураж) по содержанию ТМ.
Таблица Влияние ОСВ и действия вермигуматов на содержание подвижных форм тяжелых металлов в дерново-подзоле супесчаном в слое 0-20 см, мг/кг (2011 г.) Элементы Варианты опыта Zc Cd Cu Cr Ni Pb Zn Контроль 0,21 0,32 0,51 0,32 0,57 1,86 Фон 0,48 0,53 1,11 0,58 0,62 2, 1.ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 5, 2,3 1,7 2,2 1,8 1,1 1, 1,25 1,56 2,12 1,62 0,89 2, 2.ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 18, 6,0 4,9 4,2 5,1 1,6 1, 0,62 0,67 1,56 0,72 0,77 2, 3.ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 7, 3,0 2,1 3,1 2,2 1,3 1, 1,09 1,26 1,64 1,30 0,87 2, 4.ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га 14, 5,2 3,9 3,2 4,1 1,5 1, Фон + ВГ1 к фону 0,52 0,59 1,15 0,64 0,70 2, 5.ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 1, 1,1 1,1 1,0 1,1 1,2 1, 1,40 1,12 2,26 1,68 0,93 2, 6.ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 1, 1,1 1 1,1 1,0 1,0 1, 0,58 0,67 1,58 0,70 0,67 2, 7.ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га фона 1 1,0 1,0 1 1 0,99 1,12 1,78 1,10 0,81 2, 8.ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га фона 1 1 1,1 1 1 Фон + ВГ2 к фону 0,55 0,64 1,16 0,65 0,66 2, 9.ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 1, 1,1 1,2 1,0 1,1 1,1 1, 1,17 1,45 2,08 1,46 0,92 2, 10.ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га фона 1 1 1 1 1,0 0,62 0,70 1,55 0,70 0,75 2, 11.ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 1, 1,0 1,0 1,0 1 1 1, 0,91 1,04 1,88 1,04 0,81 2, 12.ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га фона 1 1 1,1 1 1 ПДК в почве, мг/кг 0,5 3,0 6,0 4,0 6,0 23, В числителе – содержание ТМ, мг/кг;
в знаменателе – Кс – коэффициент накопления ТМ.
.
13 3.2.2. Влияние вермигумата на элементный состав изучаемых полевых культур Анализ химического состава растений тритикале показал, что внесение вермигуматов способствовало увеличению содержания элементов питания в зерне и соломе (таблица 8).
Таблица Влияние ОСВ и вермигуматов на макроэлементный состав тритикале, % (2011 г.) Зерно Солома Варианты опыта N P2O5 K2O N P2O5 K2O Без удобрений 1,85 1,23 0,64 0,35 0,31 0, Фон ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 1,95 1,30 0,59 0,25 0,29 0, ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 1,95 1,22 0,59 0,36 0,31 1, ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 2,05 1,26 0,62 0,30 0,29 0, ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га 1,95 1,23 0,57 0,38 0,29 1, Фон + ВГ ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 2,60 1,23 0,59 0,29 0,29 0, ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 2,45 1,20 0,64 0,40 0,43 1, ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 2,60 1,23 0,64 0,30 0,29 0, ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га 2,65 1,23 0,57 0,46 0,43 1, Фон + ВГ ОСВ 330 т/га + изв. 3 т/га 2,54 1,21 0,62 0,29 0,26 0, ОСВ 1320 т/га + изв. 3 т/га 2,60 1,23 0,64 0,46 0,43 1, ОСВ 330 т/га + изв. 6 т/га 2,55 1,30 0,59 0,34 0,27 1, ОСВ 1320 т/га + изв. 6 т/га 2,40 1,23 0,62 0,38 0,43 1, Содержание азота в зерне дозы ВГ1 и ВГ2 увеличилось с 1,95 % до 2,40 2,65 %. Содержание фосфора и калия изменилось в небольшой степени. В соломе тритикале содержание азота при применении гуматов на варианте с ОСВ 330 т/га было на уровне фоновых вариантов и составило 0,26-0,30 %. На варианте с максимальной дозой ОСВ наблюдалось небольшое увеличение содержания азота с 0,36-0,38 % (на фоновых вариантах) до 0,38-0,46 % на вариантах с внесением вермигуматов. Существенного изменения содержания фосфора в соломе, как и в зерне тритикале от внесения вермигуматов не происходило. Содержание калия в соломе по дозе ОСВ 330 т/га увеличивался с 0,62-0,68 % до 0,81-0,92 % под влиянием ВГ1 и до 0,86-1,01 % от дозы ВГ2. На варианте с ОСВ 1320 т/га содержание калия в соломе под действием 14 вермигумата ВГ1 снижалось с 1,20 до 1,10-1,16 %, а под влиянием ВГ увеличилось и составило 1,27-1,41 % 3.2.3. Урожайность растениеводческой продукции при применении ОСВ и вермигуматов Наблюдения, проведенные в микрополевом опыте № 2 по применению ОСВ и вермигумата, показали, что неблагоприятные погодные условия 2010 г.
в большей степени отразились на состоянии растений в сосудах, чем растущих на делянках опыта № 1. Минимальное количество осадков при высоких температурах воздуха в начальный период роста горчицы, а затем прошедшие ливневые дожди в III декаде мая, вызвавшие застой воды и переувлажнение почвы в сосудах, тормозили рост и развитие растений. Данные учета урожая горчицы белой в 2010 г. показывают, что последействие вермигуматов было малоэффективным. Существенно значимые прибавки от дозы ВГ1, в размере % получены по фону известкования 3 т/га. По последействию известкования дозой 6 т/га достоверных прибавок не получено. По последействию двойной дозы вермигумата (ВГ2) прибавки не имели существенной разницы с контрольным вариантом. Таким образом, можно сделать вывод, что в условиях 2010 г. последействие вермигумата на урожайность горчицы белой было слабым. Четкой зависимости от доз ранее внесенного ОСВ не установлено.
Величины прибавок урожайности от последействия вермигумата на фоне увеличения доз известкования снижались.
Внесение весной 2011 г. вермигумата ВГ1 и ОСВ в колонки микрополевого опыта обеспечило получение достоверных прибавок урожайности зерна тритикале по дозе на всех вариантах. Влияние дозы ВГ2 на урожайность тритикале положительное, но достоверные прибавки получены только при дозе ОСВ 330 т/га. Прибавка урожайности зерна тритикале на фоновых вариантах (без применения ВГ) была достоверной только по дозе ОСВ 330 т/га.
15 ВЫВОДЫ 1. Установлено положительное влияние применения ОСВ на фосфатный режим и повышение содержание органического вещества почвы.
Повышение содержания обменного калия отмечено незначительно.
Оказано характерное улучшение кислотно-основных свойств почвы.
2. Длительное применение ОСВ привело к превышению ОДК как валового содержания ТМ, а именно Cd в 4-10 раз, Cu, Ni и Zn до 1,5-2 раза, так и подвижных форм (кадмий превышал ПДК подвижных форм тяжелых металлов от 2 в 2010 г. до 2-2,5 раз в 2011 г.). По значениям Kc подвижные формы ТМ в почве вариантов с ОСВ 300 т/га образовали ряды CdCuCrZnNiPb для известкования 3 т/га и CdPbCuCrZnNi для известкования 6 т/га (2010 г.). В 2011 г.
убывающий ряд по Kc подвижных форм ТМ: CdNiCuCrPbZn.
3. По вариантам по последействию максимальной дозой ОСВ и по фону увеличения доз извести в 2010 и 2011 гг. (как на мелкоделяночном, так и на микрополевом опытах) наблюдалось снижение содержания подвижных форм элементов Cd, Cu, Cr, Ni. Таким образом, внесение извести являлось довольно действенным средством рекультивации загрязненного ТМ дерново-подзола в условиях проведения полевых исследований.
4. Негативной стороной применения ОСВ в экологическом аспекте также являлось превышение содержания ТМ в зеленой массе горчицы белой показателей МДУ (для кормов), а именно Cd в 1,6-3,3 раза, Cr – в 7,3-13, раза на всех вариантах опыта. Таким образом, данные элементы являлись приоритетными загрязнителями растениеводческой продукции в 2010 г. В 2011 г. при выращивании тритикале полученная продукция (зерно) не превышала показателей МДУ за счет двух биологических барьеров биогенной миграции ТМ – корневой системы и стеблей растения.
5. Последействие внесения вермигуматов с содержанием Собщ. 1,2 % способствовало в 2010 г. как увеличению содержания подвижных форм ТМ в пахотном слое почвы, так и повышению содержания тяжелых металлов относительно фоновых вариантов в зеленой массе горчицы белой с превышением МДУ для кормов до 25-46 раз по хрому, никеля до 2-3 раз. В 2011 г. внесение вермигуматов совместно с ОСВ оказало более заметное положительное влияние на уменьшение подвижности ТМ относительно фона.
6. Анализ элементного состава растений тритикале показал, что внесение вермигуматов привело к повышению содержания азота в зерне в среднем на 20% относительно фоновых вариантов. Содержание фосфора и калия изменилось в небольшой степени. На варианте с максимальной дозой ОСВ наблюдалось небольшое увеличение содержания азота с 0,36-0, % (на фоновых вариантах) до 0,38-0,46 % на вариантах с внесением вермигуматов.
16 7. В целом внесение ОСВ и последействие известкования оказывало значительное влияние в получении достоверных значительных прибавок урожайности зеленой массы горчицы белой и зерна тритикале относительно контрольных вариантов.
8. Влияние внесение вермигуматов в микрополевом опыте в 2010 г. на урожайность горчицы белой было слабым, существенно значимые прибавки от дозы ВГ1 в размере 30 % получены только по фону известкования 3 т/га. В 2011 г. с тритикале использование вермигумата повышало урожайность зерна относительно фоновых вариантов (без применения ВГ). Достоверные прибавки по всем вариантам опыта обеспечивала доза ВГ1, вторая доза ВГ2 имела существенные прибавки только по последействию ОСВ в дозе 330 т/га.
Научные работы, опубликованные по диссертации В рецензируемых журналах ВАК РФ:
1. Пескарев А.А., Яшин И.М., Касатиков В.А. Агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы при применении удобрений на основе осадков сточных вод // Плодородие. 2011. № 1. – С. 9-10.
2. Касатиков В.А., Чемерис М.С., Яшин И.М., Пескарев А.А. Последействие внесения ОСВ и известкования на содержание подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое почвы и их транслокацию в растительную продукцию// Плодородие. 2012. № 5. – С. 45-47.
В сборниках научных трудов и материаловов конференций :
3. Пескарев А.А. Влияние органических удобрений на основе ОСВ на содержание тяжелых металлов в почве// Наука и современность. 2010 г.
- № 3.
4. Пескарев А.А Влияние органических удобрений на основе ОСВ на содержание тяжелых металлов в растительной продукции// Актуальные проблемы естественных наук. Москва. - 2010 г. - № 10. – С. 20 – 24.
17