Разработка и применение экологических технологий, направленных на снижение негативного действия тяжелых металлов на агроценозы
На правах рукописи
КАРТУЗОВА Мария Николаевна Разработка и применение экологических технологий, направленных на снижение негативного действия тяжелых металлов на агроценозы 03.02.08 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011 2
Работа выполнена на кафедре судебной экологии экологического факультета Российского университета дружбы народов.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов» Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Наталья Анатольевна Черных Научный консультант доктор сельскохозяйственных наук Ратников Александр Николаевич Официальные оппоненты доктор сельскохозяйственных наук, профессор Плющиков Вадим Геннадьевич кандидат биологических наук Лой Надежда Николаевна Ведущая организация Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. Тимирязева
Защита диссертации состоится «30» июня 2011 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссер тационного совета Д 212.203.17 в Российском университете дружбы народов по адресу:
115093, г. Москва, Подольское шоссе, д. 8/5, экологический факультет РУДН
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета друж бы народов по адресу: 117923, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.
Автореферат разослан «28» мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Карпухина Е.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Охрана окружающей среды в современном мире занимает одно из ведущих мест среди множества проблем, стоящих перед человечеством. Это связано с техногенным загрязнением значительных по масштабам территорий в результате хозяйст венной деятельности человека. Техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. Загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации обусловлено преимущественно выбросами промышленных, энергетических, химических предприятий, а также ненормированным применением средств химизации, к которым относятся минеральные удобрения и некоторые мелиоранты, средства химической защиты растений от вредителей и болезней и др.
Загрязнение почв ТМ в настоящее время выявлено во всех промышленно развитых ре гионах Российской Федерации. Ареалы распространения техногенных выбросов вокруг про мышленных комплексов охватывают площадь 18 млн. га, что составляет около 1% общей площади Российской Федерации. Площадь почвенного покрова, загрязненного ТМ, состав ляет по ориентировочным оценкам 3,6 млн. га (Романенко Г.А. Концепция, 2003). Более млн. га почв сельскохозяйственных угодий загрязнено особо токсичными элементами (I класс опасности) и около 2,3 млн. га – токсичными (II класс опасности) (Научные основы ве дения.., 2004).
Опасность для человека и других представителей биоты ТМ представляют в том случае, когда накапливаются в организме в токсических концентрациях. Для ТМ в принципе не су ществует механизмов самоочищения – они лишь перемещаются из одного природного резер вуара в другой.
Обеспечение получения в загрязненных районах сельскохозяйственной продукции, от вечающей экологическим стандартам, крайне важно для поддержания инфраструктуры сель ских районов и создания благополучной социальной обстановки на техногенно загрязненных территориях. Решение этих задач является весьма актуальным для сельскохозяйственного производства.
Разработка комплекса мероприятий по улучшению химико-токсикологической обста новки в сельском хозяйстве и получению продукции, соответствующей санитарно гигиеническим нормативам, базируется на изучении закономерностей поступления ТМ в растения в зависимости от вида металла, его свойств, форм выпадений на агроценозы и уровня загрязнения почвы. В настоящее время информации о воздействии ТМ на почвенный микробоценоз и биологическую активность почвы, характеризующие уровень ее плодоро дия, недостаточно. Этот аспект проблемы особенно важен при разработке технологий и приемов, ориентированных на снижение негативного действия ТМ на агроценозы и экологи зацию земледелия.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является изучение количественных параметров перехода тяжелых ме таллов в растения и оценка технологических приемов получения экологически безопасной продукции растениеводства на техногенно загрязненных территориях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить размеры перехода Cd, Zn, Cu в сельскохозяйственные культуры при загрязнении дерново-подзолистых почв;
исследовать влияние тяжелых металлов (Cd, Zn, Cu) на продуктивность сельскохозяйст венных культур;
изучить влияние тяжелых металлов (Cd, Zn, Cu) на показатели биологической активности дерново-подзолистых почв;
оценить влияние новых видов комплексных удобрений (Супродит) на поступление Cd, Zn, Cu из почвы в растения, их продуктивность и вынос ТМ с хозяйственно-ценной части уро жая;
выявить эффективность различных технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на минимизацию накопления ТМ в продукции растениеводства на дерново-подзолистых почвах (на примере Центрального региона Россий ской Федерации).
Теоретический вклад и научная новизна работы.
Проведен анализ и обобщен материал по поведению ТМ в компонентах агроэкосистем, технологическим приемам, направленным на минимизацию накопления загрязнителей в продукции растениеводства.
Проведена количественная оценка перехода Cd, Zn, Cu в продукцию растениеводства при загрязнении почв тяжелыми металлами в различных концентрациях.
Проведены исследования динамики изменения различных показателей биологической активности почвы (потенциальная активность денитрификации и азотфиксации почвы, ско рость эмиссии СО2 в почве), ферментативной активности (ферменты – каталаза, инвертаза, де гидрогеназа), что позволяет получить оценку состояния почвенного микробоценоза и измене ния плодородия техногенно загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы.
Оценена эффективность применения впервые разработанного удобрения пролонгиро ванного действия Супродит, промышленных удобрений и природных сорбентов в ограниче нии перехода Cd, Zn, Cu в продукцию растениеводства и нивелировании негативного дейст вия ТМ на урожайность и биологическую активность почвы.
Практическая значимость результатов исследований.
Новые экспериментальные данные могут быть полезны при решении практических во просов, связанных с рациональным землепользованием, рекультивацией земель, оптимиза цией сельскохозяйственного производства, получения экологически безопасной сельскохо зяйственной продукции на загрязненных тяжелыми металлами территориях.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что гарантированное получение эко логически безопасной сельскохозяйственной продукции на загрязненной ТМ дерново подзолистой почве достигается различными технологическими приемами, в том числе вне дрением новых приемов (применение природных и искусственных сорбентов), способст вующих минимизации накопления Cd, Cu, Zn зерновыми культурами, кормовыми бобами, картофелем. Наиболее перспективным технологическим приемом является применение впервые разработанного удобрения пролонгированного действия Супродит. Показано, что данное удобрение находит применение в хозяйствах Калужской и Брянской областей.
Получены: Патент (в соавторстве) на способ получения Супродита (Федеральная служба по интеллектуальной собственности, № 2336257 от 20.10.2008 г.) и два авторских свидетель ства (в соавторстве) о депонировании и регистрации объекта интеллектуальной собственно сти (№12412 от 03.09.2007 г.;
№13890 от 27.06.2008), а также Диплом и Серебряная медаль «За разработку высокоэффективного комплексного удобрения пролонгированного действия Супродит» (9-ая Российская агропромышленная выставка, 2007 г.).
Имеются акты производственных испытаний нового комплексного удобрения пролон гированного действия (Супродит).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Выявлены и оценены закономерности влияния ТМ (Cd, Cu, Zn) в зависимости от их содержания в почве, на продуктивность сельскохозяйственных культур и накопление загряз няющих веществ в продукции растениеводства.
2. Установлена эффективность действия агрохимических средств, природных и искусст венных сорбентов по минимизации накопления ТМ (Cd, Cu, Zn) в продукции растениеводст ва.
3. Разработано новое комплексное удобрение пролонгированного действия Супродит, применение которого на загрязненных тяжелыми металлами почвах позволяет получать рас тениеводческую продукцию соответствующего принятым в России нормативам качества.
4. Экспериментально доказано положительное действие Супродита и природных мелио рантов на биологическую активность почвы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсу ждены на международных и всероссийских конференциях, в том числе на Всероссийской на учно-практической конференции «Инновационно-технологические основы развития земле делия» (Курск, 2006), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы эколо гии и природопользования» (Москва, 2006), Всероссийской конференции научно практических итогов реализации проектов, поддержанных Российским фондом фундамен тальных исследований в ходе регионального конкурса «ЦЕНТР» в Центральном федераль ном округе (Тамбов, 2007), Международном экологическом симпозиуме «Экологические и инженерно-экономические аспекты жизнеобеспечения» (Ганновер, 2007), Международной научной конференции «Сельское хозяйство и климатические изменения» (Саксония, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах в виде научных статей, патента и авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах, включает введение, пять глав, выводы, 46 таблиц, 15 рисунков, список литературы из 216 наименова ний.
Благодарность. Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признатель ность научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук А.Н. Ратникову и науч ному руководителю, доктору биологических наук, профессору Н.А. Черных за интересную тему, постановку задачи и постоянную помощь в работе. Также автор благодарит коллектив лаборатории № 8 Государственного научного учреждения «Всероссийский научно исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИСХРАЭ РАСХН) за помощь в подготов ке и проведении экспериментов, постоянную поддержку и неоценимые советы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Объекты исследований. Объектами исследования являлись тяжелые металлы Cd, Zn и Cu, существенно различающиеся своими свойствами и поведением в системе почва растение, сельскохозяйственные культуры – ячмень, яровая пшеница, овес, редис и карто фель, биологическая активность почв, новое комплексное удобрение пролонгированного действия Супродит.
Методики исследований.
Исследования поведения тяжелых металлов в системе почва-растения и апробация тех нологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на полу чение экологически безопасной продукции растениеводства, проводились в серии вегетаци онных и микрополевых опытов на базе ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский ин ститут сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН» (г. Обнинск) 1) Оценка фитотоксичности различных уровней загрязнения дерново-подзолистой су песчаной почвы ТМ (Cd, Zn) на продуктивность сельскохозяйственных культур, качество хозяйственно-ценной части урожая проводилась в микрополевом 1-нолетнем опыте с вы ращиванием ячменя (сорт «Эльф») и редиса (сорт «Жара»). Дозы внесения Cd – 1;
5;
10;
20;
50 мг/кг почвы и Zn – 125;
250;
500;
1000;
2000 мг/кг. Минеральные удобрения при возделы вании ячменя вносили в дозе N90P90K90 (90 кг на га д.в.), а при возделывании редиса N100P100K100 (100 кг на га д.в.). Площадь опытных делянок – 4 м2 (2 х 2), повторность опыта – 4-х кратная.
2) Влияние природных минералов (вермикулит, палыгорскитовая глина) на урожай ность сельскохозяйственных культур, микробиологическую активность почвы (потенциаль ная активность азотфиксации, денитрификации, дыхания почвы) и качество продукции рас тениеводства при химическом загрязнении почвы Cd, Zn, Cu проводилось в микрополевых 2-х и 3-хлетних опытах со следующим чередованием выращивания культур: овес (с.Скакун), ячмень (с.Эльф);
бобы (с.Остерлецкие), картофель (с.Удача), яровая пшеница (с.Энита).
а) Схема 2-х летнего опыта при возделывании овса и ячменя включала 1. N90P90K90 фон;
2. Фон + Cd10 мг/кг почвы;
3. Фон + Cd10 мг/кг почвы + палыгорскитовая глина 10 т/га;
4. Фон + Cd10 мг/кг почвы + вермикулит 5 т/га;
Уборка урожая овса и ячменя проводи лась в фазу технической спелости. Площадь опытных делянок – 2 х 2 = 4 м2, повторность – 3 х кратная.
б) Схема 3-х летнего опыта при возделывании кормовых бобов в 2008 г. включала:
1.Контроль (без удобрений);
2. N30P60K60 - фон;
3. Фон + Cd15 мг/кг почвы;
4.Фон + вермику лит (5 т/га) + Cd15 мг/кг почвы;
5. Фон + К60 + Cd15 мг/кг почвы.
Схема опыта при возделывании картофеля в 2009 г.: 1. Контроль (без удобрений);
2.
N100P100K100 - фон;
3. Фон + Cd15 мг/кг почвы (внесен в 2008 г.);
4. Фон + вермикулит (5 т/га) + Cd15 мг/кг почвы (вермикулит и Cd15 внесены в 2008 году);
5. Фон + К100 +Cd15 мг/кг почвы (Cd внесены в 2008 г.) Схема опыта при возделывании яровой пшеницы в 2010 г.: 1. Контроль (без удобре ний);
2. N90P90K90 - фон;
3. Фон + Cd15 мг/кг почвы (внесен в 2008 г.);
4. Фон + вермикулит ( т/га) + Cd15 мг/кг почвы (вермикулит и Cd15 внесены в 2008 году);
5. Фон + К90 +Cd15 мг/кг почвы (Cd внесены в 2008 г.).
Площадь опытных делянок – 4 м2, повторность – 3-х кратная.
Агрохимическая характеристика почв до проведения опытов Емкость Гу Ca+2 Mg+2 поглоще- Нг P2O5 K2O Почва рНKCl мус, ния % мг/100 г почвы мг-экв/100 г почвы Дерново-подзолистая 4,5 7,8 6,5 1,5 0,4 8,3 3,7 1, супесчаная* Дерново-подзолистая 6,0 22,2 3,9 18,4 2,0 22,0 0,8 1, легкосуглинистая* Дерново-подзолистая 6,2 25,3 10,7 18,6 2,8 22,9 0,4 2, среднесуглинистая** Примечание: *- полевые опыты;
**- вегетационные.
3) Влияние агрохимических средств (NPK, нитрофоска) и Супродита на урожайность сельскохозяйственных культур, микробиологическую активность дерново-подзолистой лег косуглинистой почвы (денитрификация, дыхание почвы, активность почвенных ферментов – дегидрогеназа, инвертаза, каталаза) и качество продукции растениеводства при химическом загрязнении почвы Cd, Zn, Cu проводилось в вегетационных 2-хлетних опытах с выращива нием ячменя (с.Эльф), ярового ячменя (с.Нур), яровой пшеницы (с.Энита).
Тяжелые металлы вносили в виде растворов сернокислых солей при перемешивании в увлажненную до 60% ПВ почву. Питательные элементы (N;
P2О5;
K2О) вносили в количестве 0,15 г/кг почвы в виде растворов солей NН4NО3, КН2РО4 и К2SО4. Модифицированный сор бент (N – 0,7%;
P2О5 – 11%;
K2О – 13,0%) применяли в количестве 0,5 г/кг почвы. Комплекс ное удобрение – нитрофоску вносили в количестве 4,8 г на сосуд, новое комплексное удоб рение Супродит (N – 14%;
P2О5 – 15,7%;
K2О – 11,2%) – 5,6 г на сосуд.
а) схема опыта при возделывании ячменя (с.Эльф) включала: 1.N0,15P0,15K0,15 – фон;
2.
Фон + Cd 6 мг/кг почвы;
3. Фон + Zn 600 мг/кг почвы;
4. Фон + Cu 390 мг/кг почвы;
5. Фон + Cd 6 мг/кг почвы + модифицированный сорбент;
6. Фон + Zn 600 мг/кг почвы + модифици рованный сорбент;
7. Фон + Cu 390 мг/кг почвы + модифицированный сорбент.
б) схемы опытов при возделывании ярового ячменя (с.Нур) и яровой пшеницы были одинаковы и включали: 1. N0,15P0,15K0,15 – фон 1;
2. Фон 1 + Cd 6 мг/кг почвы;
3. Фон 1 + Zn 600 мг/кг почвы;
4. Фон 1 + Cu 390 мг/кг почвы;
5. Супродит (1,4 г/кг почвы) – фон 2;
6. Фон 2 + Cd 6 мг/кг почвы;
7. Фон 2 + Zn 600 мг/кг почвы;
8. Фон 2 + Cu 390 мг/кг почвы;
9. Нит рофоска (1,2 г/кг почвы) – фон 3;
10. Фон 3 + Cd 6 мг/кг почвы;
11. Фон 3 + Zn 600 мг/кг поч вы;
12. Фон 3 + Cu 390 мг/кг почвы.
Повторность опытов 4-х кратная. Планирование экспериментов осуществляли по методике Журбицкого З.И. (1968), анализ структуры урожая после уборки зерновых культур в вегетационных и полевых опытах и статистическую обработку данных проводили по Доспехову Б.А. (1972).
Для определения потенциальной активности азотфиксации, денитрификации и скоро сти эмиссии СО2 в почве (дыхание почвы), ферментативной активности (определение дегид рогеназы, каталазы и инвертазы) при выращивании ярового ячменя на почве, загрязненной ТМ, отбирали пробы почвы в фазу выхода в трубку, колошения и в фазу полной спелости (уборка урожая).
Все агрохимические показатели почв: содержание гумуса, рН, гидролитическую ки слотность, сумму обменных оснований, содержание подвижного фосфора и обменного калия – определяли по стандартным методикам (Аринушкина, 1970;
Практикум по агрохимии, 2001). При этом руководствовались ГОСТами: ГОСТ 26213-91;
ГОСТ 6483-95;
ГОСТ 26207 91;
ГОСТ 26487-85.
При определении подвижной, кислоторастворимой и труднодоступной форм Cd, Cu, Zn в почвах руководствовались «Методическими указаниями» ЦИНАО (1993).
Определение потенциальной активности азотфиксации, денитрификации и дыхания почвы (скорости эмиссии СО2 в почве) осуществляли на газовом хроматографе Модель по методике МГУ (Звягинцев Д.Г., Умаров М.М. и др., 1991). Анализ ферментативной ак тивности почвы (определение активности каталазы, дегидрогеназы проводили по Хазиеву Ф.Х. (1991).
Определение содержания ТМ в зерне и соломе проводили атомно-абсорбционным спо собом по методике ЦИНАО (1993 г.). При этом руководствовались ОСТ 10125-96.
Математическую обработку результатов исследований, включавшую расчет статисти ческих оценок, выполняли с использованием пакета прикладных программ в составе Micro soft Excel 2007 с 95% - ным уровнем значимости результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ Накопление тяжелых металлов (Cd, Zn) в урожае сельскохозяйственных культур в зависимости от уровня загрязнения дерново-подзолистой супесчаной почвы В полевом опыте изучали влияние различных уровней загрязнения дерново - подзоли стой супесчаной почвы в воднорастворимой форме: Cd в концентрации - 0;
1;
5;
10;
20;
мг/кг почвы или 0, 3, 15, 30, 60, 150 кг/га и Zn в концентрации - 0;
125;
250;
500;
1000;
мг/кг почвы или 0, 375, 750, 1500, 3000, 6000 кг/га на продуктивность и накопление ТМ в урожае ярового ячменя.
Загрязнение дерново-подзолистой супесчаной почвы Cd в концентрации 10 мг/кг при водит к снижению урожая зерна на 36%. С ростом уровня загрязнения почвы Cd до 20 мг/кг продуктивность ячменя снижается на 83%. Концентрация Cd 50 мг/кг почвы вызывает сте рильность колосьев, урожая зерна ячменя не получено (табл. 1).
Величина токсического эффекта ТМ зависит от уровня плодородия почвы. Загрязнение хорошо окультуренной дерново-подзолистой супесчаной почвы Cd в концентрации 70 мг/кг вызывает снижение урожая зерна яровой пшеницы на 25%. (Юдинцева и др., 1988).
Негативное влияние различных концентраций Zn в почве неоднозначно отразилось на продуктивности ярового ячменя. Продуктивность ячменя при уровне загрязнения почвы Zn 750 кг/га (концентрация 250 мг/кг почвы) снижается на 8% по сравнению с контролем. При концентрации Zn 500 мг/кг почвы урожай ячменя составляет 31% от контроля. Резкое паде ние урожайности ячменя на 100% наблюдается при загрязнении почвы Zn 1000 мг/кг. Полная гибель растений наступает в ранние фазы их развития при концентрации Zn 2000 мг/кг поч вы.
Минимальное накопление Cd в зерне ячменя при концентрации токсиканта 1 мг/кг поч вы. С ростом уровня загрязнения почвы от 1 мг/кг до 20 мг/кг поглощение Cd растениями и накопление в зерне увеличивается в 13,8 раза. Загрязнение дерново-подзолистой супесчаной почвы с рН 4,5 Cd в растворимом виде не гарантирует получение зерна (продовольственно го), соответствующего установленным стандартам при концентрации 1 мг/кг.
Таблица 1. Продуктивность ячменя и содержание Cd и Zn в урожае (зерно) на дерново подзолистой супесчаной почве Кадмий Цинк Концен- Уро- Содержа- Вынос Концен- Урожай Содержа- Вынос тра- жай ние Cd в Сd тра- зерна, ние Zn в Zn с ция в поч- зерна, зерне, с зерном, ция в поч- ц/га зерне, зер мг/м ве, мг/кг ц/га мг/кг ве, мг/кг мг/кг ном, мг/м 0 31,4 0,02±0,001 0,006 0 33,5 23,4±0,47 7, 1 30,8 0,20±0,010 0,062 125 31,2 45,7±1,88 14, 5 26,3 0,41±0,016 0,108 250 30,9 65,1±2,80 20, 10 20,1 1,25±0,108 0,251 500 10,5 96,0±3,92 10, Нет зерна 20 5,2 2,75±0,138 0,143 Нет зерна Гибель растений 50 НСР05 НСР 1,4 1, * ПДК Cd для зерна – Сан ПиН-01 - 0,1 мг/кг ПДК Zn для зерна – Сан ПиН-96 – 50 мг/кг На почве, загрязненной Zn в концентрации 125 мг/кг, получение зерна, соответствую щего санитарно-гигиеническим нормативам (СанПиН-96), возможно. С увеличением кон центрации Zn от 125 до 500 мг/кг содержание элемента в зерне ячменя возрастает в 2 раза.
Максимальное количество Zn в зерне накапливается при концентрации 500 мг/кг почвы.
Тяжелые металлы, внесенные в дерново-подзолистую почву в виде растворов, находятся в обменной и подвижной формах (табл. 2) и легко доступны для корневой системы растений.
Интенсивное поступление Cd и Zn в растения связано с низким уровнем плодородия дерно во-подзолистой супесчаной почвы и низкой её сорбционной способностью.
Таблица 2. Формы нахождения Cd и Zn в зависимости от их концентрации в дерново подзолистой супесчаной почве Доза Формы нахождения Cd в почве, Доза Формы нахождения Zn в почве, % от общего содержания % от общего содержания Cd, Zn, мг/кг мг/кг кислотора- кислотора обменная подвижная обменная подвижная почвы почвы створимая створимая 1 29,6 32,2 27,0 125 30,0 41,1 23, 5 38,3 29,0 22,4 250 31,3 42,0 20, 10 39,8 32,2 19,3 500 32,2 41,0 23, 20 41,6 34,3 15,5 1000 34,5 40,5 18, 50 42,7 34,8 15,8 2000 35,5 40,5 17, По результатам исследований при загрязнении дерново-подзолистой супесчаной почвы Cd и Zn прямой пропорциональной зависимости между их концентрацией в почве и накоп лением в зерне ячменя не выявлено.
Влияние промышленных минеральных удобрений и нового комплексного удобрения Супродита на продуктивность и накопление Cd, Zn, Cu в урожае зерновых культур В условиях вегетационных опытов на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве изучали действие Cd, Zn, Cu на продуктивность зерновых культур и накопление их в урожае в зависимости от применения различных видов и форм минеральных удобрений. Дозы Cd – мг/кг, Zn – 600 мг/кг, Cu – 390 мг/кг были выбраны как соответствующие уровню загрязне ния 3 ПДК (Методические указания по проведению комплексного мониторинга, 2003), что возможно вблизи промышленных предприятий или на случай нештатной ситуации.
Комплексная оценка влияния простых минеральных удобрений, содержащих один или два элемента питания растений (NН4NО3, КН2РО4, KСl), комплексного удобрения про мышленного производства – нитрофоски и нового комплексного удобрения Супродита на поступление Cd, Zn, Cu из загрязненной почвы в растения, изменение показателей биологи ческой активности почвы и снижение фитотоксичности ТМ проводилась в течение двух лет с яровым ячменем (2007-2008 гг.) и яровой пшеницей (2009-2010 гг.).
Опыт с яровым ячменем. Загрязнение дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы Cd, Zn, Cu в концентрации 3 ОДК приводит к снижению урожая зерна в первый год опыта на 10 38% в зависимости от вида и форм используемых удобрений. Максимальные потери урожая зерна отмечены при загрязнении почвы Zn в концентрации 600 мг/кг на фоне применения простых минеральных удобрений (фон 1). Применение Супродита при выращивании ячменя способствует повышению урожая зерна на незагрязненной почве по сравнению с простыми минеральными удобрениями и нитрофоской (фон 3) в 1,2-1,3 раза. Продуктивность ячменя на загрязненной Cd почве при использовании нитрофоски снижается на 20%, а при внесении Супродита – на 13%. В первый год опыта урожай зерна ячменя на загрязненной Cd, Zn, Cu почве при внесении Супродита в 1,2-1,4 раза выше, чем на фоне простых минеральных удоб рений и нитрофоски (табл. 3).
Таблица 3. Влияние Супродита и нитрофоски на продуктивность и накопление Cd, Zn, Cu в зерне ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (1-й год опыта) Масса, г/сосуд Масса, г/сосуд Вариант зерно солома Cd Zn Cu N0,15P0,15K0,15 – фон 1 13,5 32,7 0,03±0,003 42,3±1,9 8,3±0, Фон 1 + Cd6 мг/кг почвы 11,3 28,8 45,3±0,9 7,7±0, 1,58±0, Фон 1 + Zn600 мг/кг почвы 8,3 26,7 0,08±0,008 312,5±5,9 9,0±0, Фон 1 + Cu390 мг/кг почвы 10,1 17,3 0,04±0,005 43,4±0,8 18,3±1, Супродит (1,4 г/кг почвы) - фон 2 15,8 33,0 0,05±0,005 42,1±2,5 8,8±0, Фон 2 + Cd6 мг/кг почвы 13,8 31,5 42,9±1,5 8,9±0, 0,63±0, Фон 2 + Zn600 мг/кг почвы 10,6 30,7 0,07±0,006 155,8±3,6 9,0±0, Фон 2 + Cu390 мг/кг почвы 14,2 26,3 0,08±0,003 44,1±1,9 10,7±0, Нитрофоска (1,2 г/кг) - фон 3 12,6 28,2 0,05±0,002 40,9±3,0 8,1±0, Фон 3 + Cd6 мг/кг почвы 10,1 25,4 44,5±3,9 8,7±0, 1,49±0, Фон 3 + Zn600 мг/кг почвы 8,5 24,6 0,06±0,001 237,2±9,8 7,7±0, Фон 3 + Cu390 мг/кг почвы 11,3 23,1 0,02±0,002 43,9±1,8 16,7±0, НСР05 1,2 2, Через год после взаимодействия Zn с почвой потери урожая зерна ячменя составляют 43-58%. При загрязнении почвы Cd в концентрации 6 мг/кг в зависимости от вида вносимых минеральных удобрений урожай снижается на 11-26%, причем наибольшие потери урожая в варианте с нитрофоской (табл. 4). Супродит ингибирует фитотоксичность Cd. Преимущество нитрофоски в сокращении недобора зерна проявилось на почве, загрязненной Cu в концен трации 390 мг/кг. Эффективность Супродита по снижению отрицательного действия Cd и Zn на рост, развитие и формирование продуктивности ячменя на второй год опыта в 1,4 раза выше, чем нитрофоски.
Поступление Cd из загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы в пе риод созревания ячменя практически не зависело от форм применения минеральных удобре ний промышленного производства как в первый год опыта (табл. 3), так и через год после внесения токсиканта в почву в количестве 6 мг/кг (табл. 4).
Внесение Супродита, обладающего высокой емкостью поглощения и содержащего азот, фосфор, калий в соотношении N:Р:К=1:1,2:1,3 в почву, загрязненную Cd, способствует снижению накопления токсиканта в зерне по сравнению с нитрофоской (фон 3) и простыми минеральными удобрениями (фон 1) в 2,4-2,5 раза.
Таблица 4. Влияние Супродита и нитрофоски на продуктивность и накопление Cd, Zn, Cu в зерне ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (2-й год опыта) Масса, г/сосуд Масса, г/сосуд Вариант зерно солома Cd Zn Cu N0,15P0,15K0,15 – фон 1 12,2 31,5 0,04±0,001 45,1±5,8 9,4±0, Фон 1 + Cd6 мг/кг почвы 10,6 29,9 44,2±2,5 8,9±0, 1,33±0, Фон 1 + Zn600 мг/кг почвы 5,1 22,5 0,03±0,007 320,7±12,5 9,3±0, Фон 1 + Cu390 мг/кг почвы 6,3 20,1 0,05±0,004 48,4±1,5 19,1±0, Супродит (1,4 г/кг почвы) - фон 2 13,2 32,6 0,06±0,009 37,8±0,9 9,2±0, Фон 2 + Cd6 мг/кг почвы 11,7 28,5 39,2±2,1 8,6±0, 0,53±0, Фон 2 + Zn600 мг/кг почвы 7,5 25,5 0,06±0,007 172,2±9,7 9,4±0, Фон 2 + Cu390 мг/кг почвы 12,1 19,2 0,04±0,003 45,3±0,7 12,3±0, Нитрофоска (1,2 г/кг) - фон 3 10,9 29,8 0,07±0,009 46,4±0,4 9,6±0, Фон 3 + Cd6 мг/кг почвы 8,1 22,7 46,0±0,5 9,5±0, 1,34±0, Фон 3 + Zn600 мг/кг почвы 5,3 25,6 0,04±0,009 258,0±12,5 9,8±0, Фон 3 + Cu390 мг/кг почвы 11,1 28,2 0,05±0,01 49,0±1,6 18,9±0, НСР05 1,1 1, Наибольшее количество Zn накапливается в зерне ячменя при использовании простых минеральных удобрений. Супродит, внесенный в почву, загрязненную Zn в концентрации 600 мг/кг, ограничивает его поступление в растения в 2,0 раза. Содержание Zn в зерне ячме ня при использовании нитрофоски в 1,3 раза ниже, чем в варианте с простыми минеральны ми удобрениями. При повышенном количестве Cu в почве – 390 мг/кг - применение Супро дита позволяет получать зерно, соответствующее санитарно-гигиеническим нормативам. В первый год опыта эффективность Супродита по уменьшению накопления Cu в зерне ячменя в 1,6 раза выше, чем нитрофоски (табл. 3).
При 2-х летнем нахождении ТМ в варианте с внесением простых минеральных удобре ний в зерне ячменя только содержание Cd снижается в 1,2 раза, а поступление Zn и Cu в рас тения и накопление в зерне повышается на 2-4% (табл. 4).
Эффективность Супродита по ограничению перехода Cd в ячмень на 2-ой год опыта такая же, как и в первый. Следует подчеркнуть, что на почвах, загрязненных Cd6 мг/кг, полу чение зерна, соответствующего установленным санитарно-гигиеническим нормативам, на всех исследуемых агрофонах не гарантируется.
Применение Супродита на угодьях с повышенной концентрацией Zn в почве способст вует снижению содержания токсиканта в зерне ячменя в 1,9 раза по сравнению с внесением простых минеральных удобрений. Но это не обеспечивает получение зерна с содержанием Zn, соответствующего допустимым нормативам, так же как и в первый год опыта. Содержание Zn в зерне ячменя при внесении нитрофоски в 1,2 раза ниже, чем на фоне 1. Эффективность Супродита по снижению накопления Zn в урожае ячменя в 1,5 раза выше, чем нитрофоски.
Накопление Cu в урожае при внесении Супродита в 1,6 раза ниже, чем при внесении простых минеральных удобрений. Последействие Супродита по ограничению перехода Cu в ячмень в 1,5 раза выше, чем нитрофоски (табл. 4).
Наибольший вынос Cd, Zn, Cu с урожаем зерна ячменя получен в варианте с внесением простых минеральных удобрений как в первый, так и на второй год опыта (табл. 5). Приме нение Супродита в технологии возделывания ячменя на загрязненной Cd почве позволяет уменьшить поток токсиканта с урожаем с единицы площади в 2,0-2,3 раза по сравнению с простыми минеральными удобрениями. Эффективность нитрофоски по снижению выноса Cd с зерном значительно ниже и составляет 1,2-1,3 раза.
Вынос Zn с зерном при внесении комплексных удобрений нитрофоски и Супродита в 1,2-1,6 раза ниже, чем при использовании простых минеральных удобрений. Наибольший положительный эффект по уменьшению потока Zn с зерном ячменя получен в варианте с Супродитом. Внесение Супродита в почву, загрязненную Cu, способствует сокращению вы носа металла с урожаем зерна в 1,2 раза только в первый год наблюдений. Вынос Cu с урожаем зерна ячменя при использовании нитрофоски увеличивается по сравнению с про стыми минеральными удобрениями в 1,1 раза в первый год опыта и в 1,8 раза на второй год.
Это связано с тем, что при внесении нитрофоски в почву, загрязненную Cu в концентрации 390 мг/кг, продуктивность ячменя возрастает по сравнению с вариантом - N0,15P0,15K0,15 в 1,2 1,7 раза (табл. 5).
Таблица 5. Вынос Cd, Zn, Cu с зерном ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, мг/сосуд Элемент Супродит Нитрофоска N0,15P0,15K0, Cd6 мг/кг почвы 0,018±0,00 0,009±0,00 0,015±0, 0,014±0,00 0,006±0,00 0,011±0, Zn600 мг/кг почвы 2,594±0,049 1,652±0,040 2,016±0, 1,632±0,064 1,292±0,073 1,367±0, Cu390 мг/кг почвы 0,185±0,009 0,152±0,008 0,189±0, 0,120±0,007 0,149±0,009 0,210±0, Примечание: * - 1-ый год исследования;
** - 2-ой год исследования.
Опыт с яровой пшеницей. Урожайность зерна яровой пшеницы, возделываемой на дерно во-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной Cd, Zn, Cu в концентрации 3 ОДК, в зависимости от видов и форм минеральных удобрений в первый год опыта снижается на 10 45% (табл. 6). Потери урожая зерна при загрязнении почвы Cd в концентрации 6 мг/кг со ставляют 10-24%, причем наименьшие потери отмечены в варианте с нитрофоской. Приме нение комплексных удобрений при возделывании яровой пшеницы на почве, загрязненной Cd, повышает урожай зерна в 1,1-1,2 раза по сравнению с простыми минеральными удобре ниями как в первый, так и на 2-ой год опыта (табл. 7).
Таблица 6. Влияние Супродита и минеральных удобрений на накопление Cd, Zn, Cu в зерне яровой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (1-й год опыта) Масса, г/сосуд Содержание элементов в зерне, Вариант мг/кг зерно солома Cd Zn Cu N0,15P0,15K0,15 – фон 1 12,3 23,9 0,010±0 43,1±0,9 5,6±0, Фон 1 + Cd6 мг/кг почвы 9,4 20,2 40,4±1,5 4,7±0, 2,53±0, Фон 1 + Zn600 мг/кг почвы 6,8 15,4 0,03±0,008 266,9±18,0 4,0±0, Фон 1 + Cu390 мг/кг почвы 8,1 21,1 0,02±0,007 42,3±1,7 19,3±0, Супродит (1,4 г/кг почвы) - фон 2 13,5 24,2 0,015±0,002 45,3±0,8 4,9±0, Фон 2 + Cd6 мг/кг почвы 10,8 22,6 41,8±1,5 5,3±0, 1,50±0, Фон 2 + Zn600 мг/кг почвы 9,1 15,2 0,02±0,008 164,9±9,5 5,1±0, Фон 2 + Cu390 мг/кг почвы 11,9 24,1 0,03±0,007 43,8±1,4 11,5±0, Нитрофоска (1,2 г/кг) - фон 3 11,6 22,8 0,015±0,001 43,6±0,6 5,1±0, Фон 3 + Cd6 мг/кг почвы 10,4 19,4 42,8±0,9 5,7±0, 3,06±0, Фон 3 + Zn600 мг/кг почвы 7,4 18,2 0,015±0,003 247,4±10,0 4,9±0, Фон 3 + Cu390 мг/кг почвы 10,5 19,3 0,020±0,005 39,8±1,2 15,7±0, НСР05 1,2 1, При загрязнении почвы Cu в концентрации 390 мг/кг урожай зерна в зависимости от агрофона в первый год на 10-34%, а на 2-ой год на 7-14% ниже, чем на незагрязненной поч ве. Наименьшие потери урожая получены на почве, содержащей Cu, при использовании Су продита – 7-12% и нитрофоски – 8-10%.
Наибольшее отрицательное влияние на рост, развитие и формирование продуктивности яровой пшеницы оказывает Zn в концентрации 600 мг/кг почвы, особенно в варианте с ис пользованием простых минеральных удобрений, где недобор урожая зерна составил в пер вый год 45%. Супродит нивелирует отрицательное действие Zn на ростовые процессы и формирование зерна как в первый год, так и на 2-ой год опыта (табл. 7).
Применение комплексных удобрений нитрофоски и Супродита на техногенно загрязненной почве в первый год опыта обеспечивает получение урожая зерна на 8-32% вы ше в зависимости от химических свойств токсикантов, чем при внесении простых минераль ных удобрений. Такая же закономерность отмечена и при двухлетней инкубации Cd, Zn, Cu в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве.
При выращивании яровой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной Cd в концентрации 6 мг/кг, поступление токсиканта в растения и накопление в зерне в варианте с внесением нитрофоски в 1,2 раза выше, чем при использовании простых минеральных удобрений (фон 1). Супродит ограничивает переход Cd в растения в 1,7-2, раза по сравнению с простыми минеральными удобрениями.
При загрязнении почвы Zn в концентрации 600 мг/кг содержание токсиканта в зерне яровой пшеницы при внесении нитрофоски и Супродита снижается в 1,1-1,6 раза (табл. 6), как в первый год опыта, так и во второй (табл. 7). Эффективность Супродита по ограниче нию перехода Zn из почвы в растения в первый год в 1,5 раза выше, чем нитрофоски. Наи большее количество Zn и Cu в зерне яровой пшеницы накапливается при использовании про стых минеральных удобрений (фон 1). Применение нитрофоски способствует снижению на копления Cu в урожае в 1,2 раза. Содержание Cu в зерно при внесении Супродита в 1,7 раза ниже, чем в варианте с внесением простых минеральных удобрений.
В первый год опыта применение Супродита на почве, загрязненной ТМ в концентрации 3 ОДК, обеспечивает снижение содержания Cd, Zn, Cu в зерне яровой пшеницы в 1,4-2,0 раза по сравнению с нитрофоской.
Таблица 7. Влияние Супродита и минеральных удобрений на накопление Cd, Zn, Cu в зерне яровой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (2-й год опыта) Масса, г/сосуд Содержание элементов в зерне, Вариант мг/кг зерно солома Cd Zn Cu N0,15P0,15K0,15 – фон 1 20,9 27,5 0,02±0,001 37,8±1,2 5,5±0, Фон 1 + Cd6 мг/кг почвы 18,4 25,0 40,3±1,8 4,7±0, 1,85±0, Фон 1 + Zn600 мг/кг почвы 15,8 23,5 0,05±0,01 232,5±14,0 3,9±0, Фон 1 + Cu390 мг/кг почвы 17,9 26,9 0,04±0,01 41,4±1,9 19,5±0, Супродит - фон 2 25,1 29,6 0,04±0,01 40,8±2,1 4,9±0, Фон 2 + Cd6 мг/кг почвы 22,6 26,9 41,6±2,4 5,6±0, 0,84±0, Фон 2 + Zn600 мг/кг почвы 21,2 25,3 0,06±0,02 5,0±0, 128,1±8, Фон 2 + Cu390 мг/кг почвы 23,3 30,1 0,07±0,01 42,7±1,5 10,4±0, Нитрофоска (1,2 г/кг) - фон 3 22,3 28,8 0,02±0,01 39,9±1,7 4,9±0, Фон 3 + Cd6 мг/кг почвы 19,8 25,2 44,3±1,8 5,8±0, 1,30±0, Фон 3 + Zn600 мг/кг почвы 17,8 23,1 0,06±0,01 193,3±12,0 4,3±0, Фон 3 + Cu390 мг/кг почвы 21,2 24,8 0,04±0,01 40,7±1,5 14,3±0, НСР05 1,4 2, На второй год опыта комплексные удобрения Супродит и нитрофоска снижают накоп ление Cd в зерне в 1,4-2,4 раза по сравнению с простыми минеральными удобрениями (N0,15P0,15K0,15). Последействие Супродита по снижению поступления Cd в растения при оди наковом уровне загрязнения почвы выше (до 1,5 раза), чем нитрофоски.
Эффективность Супродита по ограничению перехода Zn из почвы в растения на второй год составляет 1,8 раза, т.е. выше, чем в год внесения. При загрязнении почвы Zn положи тельное действие Супродита как по увеличению продуктивности яровой пшеницы, так и по снижению накопления загрязнителя в урожае проявляется в течение более длительного вре мени, чем использование нитрофоски. На второй год опыта накопление меди в зерне при применении нитрофоски и Супродита в 1,4-1,9 раза ниже, чем при внесении простых мине ральных удобрений. Последействие Супродита и нитрофоски по ограничению перехода Cu из загрязненной почвы в растения значительно выше, чем в год внесения.
Внесение Супродита при возделывании яровой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной ТМ, позволяет уменьшить вынос Cd с урожаем зер на в 1,5 раза, а Zn и Cu - до 1,2 раза по сравнению с простыми минеральными удобрениями (фон 1). Эффективность нитрофоски по снижению выноса Cd, Zn, Cu с зерном пшеницы в 1,2-2,0 раза ниже, чем Супродита в первый год опыта. Такая же закономерность отмечена и при двухлетнем нахождении Cd, Zn, Cu в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (табл. 8).
Таблица 8. Вынос Cd, Zn, Cu с зерном яровой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуг линистой почве, мг/сосуд Элемент Супродит Нитрофоска N0,15P0,15K0, Cd6 мг/кг почвы 0,024±0,004 0,016±0,002 0,032±0, 0,034±0,005 0,019±0,003 0,026±0, Zn600 мг/кг почвы 1,815±0,0227 1,500±0,158 1,831±0, 3,674±0,0345 2,716±0,303 3,441±0, Cu390 мг/кг почвы 0,343±0,009 0,137±0,008 0,165±0, 0,349±0,007 0,242±0,0024 0,303±0, Примечание: * - 1-ый год исследования;
** - 2-ой год исследования.
Применение комплексных удобрений в технологиях возделывания зерновых культур на техногенно загрязненных угодьях позволяет получать зерно с меньшим содержанием Cd, Zn, Cu, чем при внесении минеральных удобрений промышленного производства, содержащих только один или два из необходимых для растений элементов питания. В полевых опытах с однолетними и многолетними травами, выполненных в ВНИИСХРАЭ на дерново подзолистой легкосуглинистой почве, установлено, что содержание Cd в сене при использо вании Супродита снижается до 4-х раз.
Полученные результаты исследований свидетельствуют о перспективности использо вания нового комплексного удобрения Супродита, обладающего пролонгированным дейст вием, при возделывании яровых зерновых культур на угодьях, загрязненных тяжелыми ме таллами.
Влияние модифицированного сорбента на продуктивность и накопление Cd, Zn, Cu в урожае ячменя Комплексная оценка влияния нового агромелиоранта – модифицированного сорбента на урожайность ячменя, выращенного на загрязненной Cd, Zn, Cu (в концентрации 3 ОДК) почве, поступление ТМ из почвы в растения и микробиологическую активность загрязнен ной почвы проводилась в условиях вегетационного опыта. Модифицированный сорбент, об ладающий свойствами сорбента и минерального удобрения (N – 0,7%;
Р2О5 – 11%;
К2О – 13%), получен в ГНУ ВНИИСХРАЭ.
При загрязнении дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы Cd в концентрации мг/кг урожайность зерна ярового ячменя в первый год опыта на 25% ниже, чем на незагряз ненной почве. Присутствие Zn в концентрации 600 мг/кг почвы оказывает отрицательное влияние на рост и развитие ячменя, что приводит к снижению урожая зерна на 36,0%. Медь, внесенная в количестве 390 мг/кг почвы, не вызывает резкого падения продуктивности ячме ня (табл. 9). При двухлетней инкубации Cd, Zn, Cu в почве урожай зерна ячменя снижается по сравнению с незагрязненной почвой на 6-46%. Минимальны потери урожая зерна на поч ве, загрязненной Cu в концентрации 390 мг/кг. Максимальное снижение продуктивности яч меня на почве, загрязненной Zn, 46% (табл. 10). Отрицательное действие Cd и Zn на разви тие растений и формирование продуктивности ячменя нивелируется при внесении модифи цированного сорбента, доводя урожай зерна до 81-84% от фона - N0,15P0,15K0,15 (1-й год опыта).
Таблица 9. Влияние модифицированного сорбента на накопление Cd, Zn, Cu в зерне ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (1-й год) Урожай Содержание элементов в зерне, мг/кг Вариант зерна, Cd Zn Cu г/сосуд N0,15P0,15K0,15 – фон 20,1 0,008±0 46,6±2,80 9,4±0, Фон + Cd6 мг/кг почвы 15,0 45,0±2,00 8,9±0, 1,45±0, Фон + Zn600 мг/кг почвы 12,9 0,06±0,009 8,8±0, 272,9±11, Фон + Cu390 мг/кг почвы 18,2 0,04±0,006 43,5±3,04 14,2±0, Фон + Cd6 мг/кг почвы + Н* 17,0 43,9±2,25 9,1±0, 1,08±0, Фон + Zn600 мг/кг почвы + Н* 16,2 0,03±0,004 8,7±0, 186,3±7, Фон + Cu390 мг/кг почвы + Н* 23,3 0,04±0,005 40,9±2,45 10,2±0, Примечание: Н* - модифицированный сорбент.
При возделывании ярового ячменя на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной Cd и Zn в концентрации 3 ОДК, получение зерна, соответствующего установ ленным санитарно-гигиеническим нормативам, не гарантируется. Загрязнение почвы Zn в концентрации 600 мг/кг приводит к увеличению его накопления в зерне ячменя в первый год опыта в 4,5 раза по сравнению со значениями допустимых уровней (табл. 9). Внесение моди фицированного сорбента в почву ограничивает переход Cd в растения в 1,3 раза, но его со держание в зерне в 10,8 выше, чем ПДК. Поступление Cu в растения и накопление в зерне ячменя при внесении в почву модифицированного сорбента снижается в 1,4 раза. При внесе нии агромелиоранта в почву, загрязненную Zn, содержание токсиканта в зерне в первый год опыта снижается в 1,5 раза.
Таблица 10..Влияние модифицированного сорбента на накопление Cd, Zn, Cu в зерне ячме ня на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (2-й год опыта) Урожай Содержание элементов в зерне, мг/кг Вариант зерна, Cd Zn Cu г/сосуд N0,15P0,15K0,15 – фон 19,8 0,009±0 45,5±2,53 7,1±0, Фон + Cd6 мг/кг почвы 15,9 43,7±2,19 8,3±0, 1,33±0, Фон + Zn600 мг/кг почвы 10,7 0,03±0,004 8,9±0, 224,4±10, Фон + Cu390 мг/кг почвы 18,6 0,02±0,002 44,7±1,79 14,6±0, Фон + Cd6 мг/кг почвы + Н* 17,3 39,9±1,63 9,1±0, 0,55±0, Фон + Zn600 мг/кг почвы + Н* 13,4 0,04±0,003 8,9±0, 159,3±5, Фон + Cu390 мг/кг почвы + Н* 19,4 0,05±0,006 42,2±1,81 10,3±0, Примечание: Н* - модифицированный сорбент.
Накопление Cd в зерне ячменя при двухлетней инкубации достигает высоких значений – 1,33 мг/кг сухой массы, что превышает установленные нормативы в 13,3 раза. Содержание Cd в зерне ячменя при внесении модифицированного сорбента в 2,4 раза ниже, чем в вариан те без мелиоранта. Но это не гарантирует получение экологически безопасного зерна ячменя на почве, загрязненной Cd. Загрязнение почвы Zn в повышенной концентрации приводит к усиленному поступлению токсического элемента в растения и аккумуляцию в зерне. На вто рой год опыта содержание Zn в зерне выше ПДК в 2,2 раза. Эффективность модифицирован ного сорбента по снижению накопления Zn в зерне ячменя через год после попадания в поч ву сопоставимо с первым годом. При возделывании ячменя на почве, загрязненной Cu в кон центрации 390 мг/кг, при внесении модифицированного сорбента возможно получение каче ственной продукции (продовольственное зерно), соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам.
Влияние агрохимических средств и агромелиорантов на продуктивность и накопление тяжелых металлов в урожае сельскохозяйственных культур Экспериментальная оценка влияния минеральных удобрений и природных минералов – палыгорскитовой глины и вермикулита - на поступление Cd в зерновые культуры из загряз ненной дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы проводилась в полевом опыте.
Загрязнение дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Cd в концентрации 10 мг/кг приводит к снижению урожая зерна овса по сравнению с контролем (N90P90K90) на 27%. От рицательное действие Cd на продуктивность овса нивелируется при внесении палыгорскито вой глины и вермикулита (табл. 11). Урожайность ячменя (вторая культура в севообороте) на почве, загрязненной Cd, по сравнению с контролем снижается на 23%.
Повышение емкости катионного обмена почвы, загрязненной Cd, обеспечивает сниже ние перехода ТМ в растения. Содержание Cd в зерне овса при внесении палыгорскитовой глины снижается в 1,5 раза, а при внесении вермикулита – в 1,6 раза. Вынос Cd с зерном овса (мг/м2) при использовании палыгорскитовой глины и вермикулита в 1,4-1,5 раза меньше, чем на почве без агромелиорантов.
Таблица 11. Влияние природных сорбентов на урожайность овса и ячменя и накопление Cd в зерне на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве Овес, действие Ячмень, последействие Вариант Урожай Содержание Урожай Содержание зерна, Cd, в зерне, зерна, Сd, в зерне, ц/га мг/кг ц/га мг/кг N90P90K90 - контроль следы следы 32,4 28, N90P90K90 + Сd10 мг/кг почвы 23,8 22, 3,02±0,25 1,86±0, N90P90K90 + Сd10 мг/кг + палы- 25,2 2,06±0,10 25,3 0,88±0, горскитовая глина 10 т/га N90P90K90 + Сd10 + вермикулит 5 24,2 1,94±0,15 23,5 1,04±0, т/га НСР05 1,3 1, Последействие палыгорскитовой глины и вермикулита по ограничению поступления Cd в ячмень значительно выше, чем в год их внесения. Почвенные минералы выполняют барьерные функции на пути поступления ТМ из почвы в растения за счет вхождения катионов внутрь кристаллической решетки минералов, что обеспечивает более полное их поглощение поч венно-поглощающим комплексом (ППК) и прочность закрепления в поглощенном состоя нии. Это приводит к снижению перехода ТМ из почвы в растения.
Содержание Cd в зерне ячменя в вариантах с внесением вермикулита и палыгорскито вой глины на второй год опыта в 1,7-2,1 раза ниже, чем при внесении минеральных удобре ний - N90P90K90 в загрязненную почву. Вынос Cd с зерном ячменя с единицы площади при внесении природных сорбентов сокращается в 1,7-1,9 раза.
При загрязнении дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Cd в концентрации мг/кг получение зерна (овес, ячмень), соответствующего допустимым уровням на пищевые цели и фураж, затруднено. Содержание Cd в зерне овса в 6,5-10 раз, а в зерне ячменя в 2,9 6,2 раза выше МДУ (0,3 мг/кг зерна).
Экспериментальная оценка влияния агрохимических средств и вермикулита на поступ ление Cd в различные сельскохозяйственные культуры проводилась в полевом опыте на дер ново-подзолистой легкосуглинистой почве в севообороте: кормовые бобы, картофель, яровая пшеница.
Кормовые бобы. При загрязнении дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Cd в кон центрации 15 мг/кг урожай вегетативной массы кормовых бобов снижается по сравнению с фоном на 28%. Негативное влияние Cd на рост, развитие кормовых бобов и их урожайность нивелируется при внесении вермикулита и калийных удобрений в дозе 120 кг д.в. на 1 га на фоне N30P60 (табл. 12).
Таблица 12. Влияние калийных удобрений и вермикулита на продуктивность кормовых бо бов и накопление Cd в урожае на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве Урожай Содержание Cd Вынос Cd Вариант вегетативной в вегетативной с урожаем, мг/м массы, ц/га массе, мг/кг Без удобрений 82,9 0,029±0,005 0, N30P60K60 - фон 165,3 0,030±0,006 0, N30P60K60 + Cd15 мг/кг почвы 119,1 0,707±0,055 0, N30P60K60 + вермикулит + Cd15 132,7 0,434±0,018 0, мг/кг N30P60K60 + К60 + Cd15 мг/кг поч- 140,2 0,302±0,012 0, вы НСР05 7, Поступление Cd в кормовые бобы и накопление в вегетативной массе при внесении вермикулита в почву снижается в 1,6 раза. Внесение дополнительного количества калия (К60) в дерново-подзолистую легкосуглинистую почву способствует снижению накопления Cd в корме в 2,3 раза. При загрязнении почвы Cd в концентрации 15 мг/кг на фоне N30P60K120 воз можно получение силосной массы из кормовых бобов, соответствующей по содержанию ме талла установленным требованиям. Максимальный вынос Cd с урожаем кормовых бобов от мечен на фоне полного минерального удобрения в дозе N30P60K60. При внесении вермикулита вынос Cd вегетативной массой с единицы площади уменьшается в 1,5 раза. Применение по вышенной дозы калийных удобрений позволяет получить корм с минимальным содержанием Cd (0,302 мг/кг зеленой массы) и снизить вынос с урожаем в 1,8 раза (табл. 12).
Картофель. Картофель (с. Удача) возделывали после кормовых бобов по стандартной тех нологии для Калужской области. Загрязнение почвы Cd приводит к снижению урожайности картофеля на 15%. Потери урожая клубней при внесении вермикулита сокращаются до 7%, а при внесении двойной дозы калия в составе полного минерального удобрения (N100P100K200) до 5% по сравнению с незагрязненной почвой (N100P100K100).
При возделывании картофеля на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, загряз ненной Cd, содержание металла в клубнях в 4,3-10 раз выше установленных нормативов (СанПиН - 01). Применение вермикулита ограничивает переход Cd из почвы в растения в 1, раза. Внесение повышенной дозы калийных удобрений (N100P100K200) не позволяет получить картофель, пригодный на продовольственные цели, несмотря на то, что содержание Cd в клубнях снижается в 2,3 раза. Поток Cd с урожаем картофеля с единицы площади при внесе нии вермикулита уменьшается в 1,3 раза. Максимальный положительный эффект по сниже нию выноса Cd с урожаем достигается при внесении двойной дозы калия (К200) на фоне N100P100, который составляет 2,1 раза (табл. 13).
Таблица 13. Влияние калийных удобрений и вермикулита (последействие) на продуктив ность и накопление Cd в клубнях картофеля (2-ой год опыта) Содержание Урожай Вынос Cd с урожа Вариант Cd в клубнях, ем клубней, мг/м клубней, ц/га мг/кг Без удобрений 67,5 0,025±0,00 0, N100P100K100 - фон 380,8 0,026±0,001 0, N100P100K100 + Cd15 мг/кг почвы 325,0 0,304±0,013 0, N100P100K100+вермикулит+Cd15 мг/кг 355,7 0,212±0,017 0, N100P100K100+К100+Cd15 мг/кг почвы 360,4 0,130±0,008 0, НСР05 18, Яровая пшеница. Предшественник яровой пшеницы (с. Энита ) – картофель.
Через 3 года после внесения Cd в почву при возделывании яровой пшеницы потери урожая зерна составляют 23%. Недобор зерна при внесении вермикулита в почву, загрязненную Cd, сокращается до 13,5%, а при дополнительной заправке почвы калием (K90) на фоне N90P90K - до10% по сравнению с незагрязненной почвой - N90P90K90 (табл. 14).
Содержание Cd в зерне яровой пшеницы при внесении вермикулита в 1,4 раза меньше, чем в вариантах без агромелиоранта. Переход Cd из почвы в растения и накопление в зерне снижается при внесении повышенной дозы калия (N90P90K180) в 1,8 раза.
Таблица 14. Влияние калийных удобрений и вермикулита на продуктивность яровой пше ницы и накопление Cd в зерне (3-й год опыта) Вариант Урожай Содержание Cd Вынос Cd с зерном, мг/м зерна, ц/га в зерне, мг/кг Контроль (без удобрений) 11,2 0,02±0,008 0, N90P90K90 - фон 29,7 0,03±0,005 0, N90P90K90 + Cd 15 мг/кг почвы 22,9 1,22±0,057 0, N90P90K90 + вермикулит + Cd 15 мг/кг 25,7 0,85±0,083 0, N90P90K90 + К90 + Cd 15 мг/кг почвы 26,8 0,69±0,089 0, НСР05 3, Вынос Cd с зерном яровой пшеницы при однократном внесении вермикулита уменьша ется в 1,3 раза. Максимальный положительный эффект по снижению выноса Cd с урожаем зерна с единицы площади при внесении N90P90K180. Получение продовольственного зерна с содержанием Cd, соответствующим СанПиН 2.3.2.1078-01, при концентрации 15 мг/кг почвы не гарантируется.
Влияние агромелиорантов и новых комплексных удобрений на микробиологическую активность почв при загрязнении тяжелыми металлами Исследования по влиянию ТМ на микробиологическую активность почв и разработки приемов, направленных на сохранение почвенного плодородия, проводились в условиях по левого и вегетационного опытов. В качестве показателей биологической активности почвы использовали: потенциальную активность азотфиксации, потенциальную активность денит рификации, уровень дыхания почвы по скорости эмиссии СО2 в почве, ферментативную ак тивность (ферменты: дегидрогеназа, инвертаза, каталаза).
Изучение влияния агрохимических средств и природного мелиоранта вермикулита на биологическую активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, загрязненной Cd в концентрации 15 мг/кг, проводилась в полевом опыте при возделывании кормовых бобов.
При загрязнении дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Cd активность азот фиксации в фазу цветения кормовых бобов снижается по сравнению с незагрязненной поч вой в 1,4 раза. Добавление вермикулита в почву нивелирует негативное действие Cd на по тенциальную активность азотфиксации (табл. 15). Потенциальная активность азотфиксации почвы, загрязненной Cd, при внесении двойной дозы калия в составе полного удобрения (N30P60K120) в 1,3 раза выше, чем в варианте с внесением N30P60K60.
Загрязнение почв ТМ усиливает процесс диссимиляторного восстановления нитратного азота до молекулярного (N2) либо до газообразных оксидов азота (NO) и (N2O), что ведет к деградации почв. Потенциальная активность денитрификации при загрязнении почвы Cd возрастает в фазу цветения бобов в 1,6 раза по сравнению с контролем. Применение верми кулита и двойной дозы калия (К120) на фоне N30P60. позволяет сократить непроизводительные потери азота в фазу цветения кормовых бобов в 1,4-1,5 раза.
Интенсивность дыхания почвы характеризует процессы минерализации органического вещества. Скорость эмиссии СО2 в почве, загрязненной Cd в концентрации 15 мг/кг, снижа ется в 1,6 раза по сравнению с незагрязненной почвой (N30P60K60). Потенциальная активность дыхания почвы, загрязненной Cd, при внесении вермикулита в 1,2 раза выше, чем в почве без агромелиоранта. Дополнительное внесение калия (К60) на фоне N30P60K60 в загрязненную Cd почву усиливает скорость эмиссии СО2 в почве в 1,4 раза по сравнению с одинарной дозой (N30P60K60) (табл. 15).
Таблица 15. Влияние Cd на биологическую активность дерново-подзолистой легкосуглини стой почвы при возделывании кормовых бобов. Фаза цветения Потенциальная активность, мг/кг сутки Вариант азотфиксации, денитрификации, дыхания – аN2 x 10 аN-N2О аС-СО N30P60K60 – контроль 260,2±8,8 34,3±1,7 2425,2±388, Фон + Cd15 мг/кг почвы 184,8±19,5 54,7±3,1 1556,8±192, Фон + вермикулит (5 т/га) + Cd15 221,3±14,1 36,3±1,8 1935,8±199, мг/кг Фон + К60 + Cd15 мг/кг почвы 238,7±6,4 38,4±1,6 2166,2±255, Изучение влияния загрязнения почв ТМ на показатели биологической активности про водилось в серии вегетационных опытов при выращивании ярового ячменя на дерново подзолистой среднесуглинистой почве при концентрации: Cd - 6, Zn - 600, Cu – 390 мг/кг и применении новых видов комплексных удобрений.
При загрязнении дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы ТМ в концентрации ПДК скорость эмиссии СО2 в фазу выхода в трубку ячменя снижается при внесении Cd в 1, раза, а при внесении Zn и Cu – в 1,9 раза. Скорость разложения органического вещества поч вы, загрязненной Cd в дозе 6 мг/кг почвы, по сравнению с незагрязненной возрастает в 1,2 1,9 раза в фазу колошения – полной спелости. До фазы колошения стимуляция активности дыхания в почве с Cd отсутствует, напротив, наблюдается снижение потенциальной актив ности дыхания до 1,5 раз (табл. 16).
Таблица 16. Потенциальная активность дыхания дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы под ячменем в год внесения Потенциальная активность дыхания, aC-CO2 мг/кг за сутки Вариант опыта 1 2 Фон – NPK 2679,1±189,2 744,4±63,2 539,9±83, Фон + Cd6 мг/кг почвы 1830,7±274,4 891,6±52,2 1038,2±148, Фон + Zn600 мг/кг почвы 1386,2±173,1 1503,0±292,9 4327,4±495, Фон + Cu390 мг/кг почвы 1400,8±218,4 840,5±72,2 758,7±68, Фон+Cd6 мг/кг почвы + Н* 996,7±141,7 700,4±58,1 583,6±29, Фон+Zn600 мг/кг почвы + Н* 3110,3 ±82,8 1262,4±234,3 2263,4±395, Фон+Cu390 мг/кг почвы + Н* 1163,5±143,3 569,3±59,2 735,4±33, Примечание: Н* – модифицированный сорбент;
1 – выход в трубку;
2 – колошение;
3 – полная спелость.
Zn и Cu, внесенные в почву в количестве 600 и 390 мг/кг почвы, снижают потенциаль ную активность дыхания почвы под ячменем в фазу выхода в трубку в 1,9 раза по сравнению с фоном. Стимуляция скорости эмиссии СО2 в почве при внесении Zn начинается с фазы коло шения и до уборки урожая и составляет 2,0-8,0 раза, что свидетельствует об усилении процес са минерализации органического вещества почвы. Потенциальная активность дыхания почвы при загрязнении Cu возрастает в 1,4 раза только на момент уборки растений.
Применение модифицированного сорбента на техногенно загрязненных почвах позво ляет уменьшить скорость разложения органического вещества почвы в год внесения ТМ в зависимости от времени взаимодействия с почвой: для Cd – в 1,3-1,8 раза, для Zn – в 1,2-1, раза, для Cu – в 1,1-1,5 раза. Следует отметить, что положительный эффект использования комплексного удобрения при реабилитации почвы, загрязненной Zn, проявляется через ме сяц после их внесения (фаза колошения ячменя). Модифицированный сорбент стимулирует скорость эмиссии СО2 в почве, загрязненной цинком (Zn600), в фазу выхода в трубку ячменя по сравнению с вариантом без внесения агромелиоранта до 2,2 раза.
Исследование влияния различных видов промышленных минеральных удобрений (про стых, комплексных) и нового комплексного удобрения Супродит на потенциальную актив ность денитрификации и скорость эмиссии СО2 проводилось на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве в серии вегетационных опытов. Установлено, что в первый год опыта различные виды комплексных удобрений (нитрофоска и Супродит) не оказывают су щественного влияния на уровень потенциальной активности денитрификации в почве, за грязненной Cd (табл. 17).
Таблица 17. Влияние удобрений на потенциальную активность дыхания и денитрифи кации дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, загрязненной ТМ, в год внесения Потенциальная активность, мг/кг.сут денитрифика Вариант опыта дыхания, aC-CO ции, aN-N2O 1 2 3 Фон 1 – NPK 652,6±30,1 1024,0±52,7 827,0±15,9 3,6±0, Фон 2 – Супродит 700,4±33,0 1319,1±90,9 887,2±66,7 4,9±0, Фон 3 – нитрофоска 633,1±12,6 758,8±32,1 723,8±25,2 4,1±0, Фон 1 + Cd6 мг/кг почвы 739,3±8,1 875,5±27,7 866,6±7,3 2,9±0, Фон 2 + Cd6 мг/кг почвы 735,4±33,0 1505,9±66,0 1003,9±81,4 5,1±0, Фон 3 + Cd6 мг/кг почвы 570,0±7,3 812,6±14,8 653,7±19,1 4,0±0, Фон 1 + Zn600 мг/кг почвы 398,9±62,0 865,7±21,0 658,6±36,1 2,5±0, Фон 2 + Zn600 мг/кг почвы 840,5±16,5 1120,7±66,0 779,9±15,1 2,8±0, Фон 3 + Zn600 мг/кг почвы 441,9±6,8 592,1±18,0 537,0±34,4 2,6±0, Фон 1 + Сu390 мг/кг почвы 398,9±62,0 933,9±27,5 658,8±18,0 1,6±0, Фон 2 + Сu390 мг/кг почвы 642,2±8,6 896,7±8,7 737,6±37,9 2,6±0, Фон 3 + Сu390 мг/кг почвы 391,8±18,0 550,3±11,7 323,8±22,8 2,2±0, Примечание: 1 – выход в трубку;
2 – колошение;
3 – после уборки урожая.
Сравнительная оценка действия различных форм и видов минеральных удобрений на потенциальную активность дыхания дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, за грязненной ТМ, показала, что при использовании Супродита Cd, внесенный в количестве мг/кг почвы, не снижает уровень дыхания почвы в течение всего вегетационного периода ячменя. Потенциальная активность дыхания почвы, загрязненной Cd, при использовании нитрофоски в фазу выхода в трубку и полной спелости снижается в 1,1 раза (табл. 17). Ак тивность дыхания почвы, загрязненной Cd, при использовании Супродита в фазу выхода в трубку ячменя в 1,3 раза выше по сравнению с нитрофоской.
Внесение Zn в концентрации 600 мг/кг почвы приводит к снижению скорости эмиссии СО2 в почве под ячменем на фоне применения нитрофоски и простых минеральных удобре ний в растворимом виде (фон 1) в 1,2-1,6 раза. Скорость разложения органического вещества при внесении Супродита в почву, загрязненную Zn, в 1,5-1,9 раза выше, чем в варианте с нитрофоской.
Медь, внесенная в концентрации 390 мг/кг почвы, снижает потенциальную активность дыхания в варианте с нитрофоской в 1,4-2,2 раза. Потенциальная активность дыхания почвы, загрязненной Cu, при внесении Супродита снижается по сравнению с незагрязненной почвой в 1,1-1,5 раза. Скорость эмиссии СО2 почвы при загрязнении медью при внесении нитрофос ки в 1,6-2,3 раза ниже, чем при использовании Супродита.
Через год после внесения Cd в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву ско рость эмиссии СО2 была максимальной в фазу выхода в трубку на всех исследуемых фонах минерального питания ячменя (рис. 1.). В конце вегетационного периода ячменя на второй год опыта потенциальная активность дыхания почвы, загрязненной Cd, при внесении Супродита снижается в 1,2 раза. Супродит, добавленный в загрязненную Cd почву, повышает скорость эмиссии СО2 в фазу выхода в трубку по сравнению с нитрофоской в 2,4 раза, а в фазу полной спелости ячменя – до 1,5 раз.
Потенциальная активность дыхания почвы, содержащей Zn, при внесении Супродита снижается в фазу выхода в трубку в 1,5 раза, а на момент уборки ячменя – в 2,4 раза. Ско рость эмиссии СО2 в почве, загрязненной Zn, в фазу выхода в трубку ячменя при использо вании Супродита и нитрофоски практически одинакова (рис. 1).
а) б) в) Рис. 1. Влияние различных видов удобрений на динамику потенциальной активности ды хания почвы под ячменем через год после внесения тяжелых металлов: а) Cd;
б) Zn;
в) Cu (КУ – комплексное удобрение, НФ – нитрофоска) (опыт 2) В конце вегетации ячменя уровень дыхания почвы снижается при применении Супро дита в 1,5 раза по сравнению с внесением нитрофоски в почву, содержащую Zn.
При загрязнении почвы медью применение нитрофоски уменьшает потенциальную ак тивность дыхания в почве в фазу выхода в трубку в 6,0 раз, а в фазу полной спелости ячменя – в 1,3 раза. Скорость разложения органического вещества почвы, загрязненной Cu, при применении Супродита во все периоды отбора проб замедляется в 1,2-1,6 раза. Потенциаль ная активность дыхания почвы, загрязненной Cu, при использовании Супродита в 1,2-5, раза выше, чем при внесении в почву нитрофоски.
Таким образом, новое комплексное удобрение Супродит через год после внесения по эффективности в восстановлении биологической активности почв, загрязненных ТМ, не ус тупает промышленному комплексному удобрению - нитрофоске.
Изучение изменения ферментативной активности почв в условиях техногенного за грязнения приобретает важное значение. С помощью ферментов осуществляется разложение и синтез органических соединений, что является сущностью почвообразовательного процес са. Несмотря на то, что некоторые тяжелые металлы входят в состав ряда ферментов (Zn входит в состав дегидрогеназы, протеиназы, пептидазы;
Cd способен замещать Zn в жизнен но важных энзиматических реакциях;
Cu входит в состав цитохромоксидазы), избыток Zn, Cd, Cu токсичен для ферментов, приводя к разрыву или торможению энзиматических реак ций (Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1990). Токсическую активность металлов обычно выстраива ют в ряд: Cd Pb Zn Cu (Черных Н.А., Милащенко Н.З., 1999).
В вегетационном опыте изучали влияние модифицированного сорбента на активность дегидрогеназы и каталазы в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной Cd, Zn, Cu при возделывании ярового ячменя. Активность дегидрогеназы в почве, загрязнен ной Cd в концентрации 6 мг/кг почвы, снижается по сравнению с фоном (NPK) в 1,9-2,8 раза.
В почве, загрязненной Zn и Cu в количестве 3 ПДК, активность дегидрогеназы в 1,6-2,2 раза ниже, чем на незагрязненной почве. Максимальное снижение активности дегидрогеназы при загрязнении почвы Cd, Zn, Cu отмечено в фазу выхода в трубку ячменя. С течением времени от фазы выхода в трубку до полной спелости ячменя активность дегидрогеназы почвы, загрязненной Cd, возрастает в 1,7-2,0 раза, при загрязнении Zn – до 1,6 раза, при за грязнении Cu – в 1,2-1,4 раза (табл. 18).
Таблица 18. Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность дерново - подзоли стой среднесуглинистой почвы под ячменем в год внесения Ферментативная активность дегидрогеназы, мг ТФФ/10 г инвертазы, мг глюкозы/10 г Вариант опыта почвы за сутки почвы за сутки 1 2 3 1 2 Фон – NPK 4,2 5,3 5,8 60 110 Фон + Cd6 мг/кг почвы 1,5 2,6 3,1 40 90 Фон + Zn600 мг/кг почвы 2,2 3,3 3,5 - 103 Фон + Cu390 мг/кг почвы 2,1 3,0 2,6 40 60 Фон + Cd6 +Н* 2,9 3,5 3,7 67 66 Фон + Zn600 +Н* 3,3 4,3 3,4 60 104 Фон + Сu390+Н* 5,0 5,5 4,4 54 159 НСР05 0,4 0,4 0,5 5 10 Примечание: Н* – модифицированный сорбент;
1 – выход в трубку;
2 – колошение;
3 – после уборки урожая.
Модифицированный сорбент способствует повышению активности дегидрогеназы в почве, загрязненной Cd, в 1,1-1,9 раза, а при загрязнении почвы Zn – в 1,3-1,5 раза. Наиболее благоприятное действие агромелиоранта на ферментативную активность проявилось на поч ве, загрязненной Cu, где активность дегидрогеназы полностью восстановилась и была выше, чем при внесении полного минерального удобрения. Наблюдения за динамикой фермента тивной активности при загрязнении почвы тяжелыми металлами (Cd, Zn, Cu) показывают, что модифицированный сорбент стимулирует активность дегидрогеназы, фермента, связан ного с процессом дыхания почвы, в фазу выхода растений в трубку в 1,5-2,4 раза в зависимо сти от вида металла-загрязнителя, в фазу колошения – в 1,3-1,8 раза по сравнению с вариан том без внесения удобрения.
Инвертаза – фермент, разлагающий в почве сахарозу на глюкозу и фруктозу. При за грязнении почвы Cd и Zn активность фермента снижается в 1,2-1,5 раза, а при внесении в почву Cu в количестве 3 ПДК – в 1,5-1,8 раза. Внесение модифицированного сорбента в дер ново-подзолистую среднесуглинистую почву, загрязненную Cd, Zn и Cu, восстанавливает активность инвертазы во все периоды наблюдений (табл. 19).
Таблица 19. Влияние ТМ и удобрений на динамику активности дегидрогеназы дерново подзолистой среднесуглинистой почвы под ячменем в год внесения Активность дегидрогеназы, Вариант опыта мг ТФФ*/10 г почвы за 24 часа 1 2 Фон 1 – NPK 5,6 4,2 4, Фон 2 – Супродит (1,4 г/кг почвы) 7,8 6,3 4, Фон 3 – нитрофоска 5,1 3,3 4, Фон 1 (NPK) + Cd6 мг/кг почвы 2,4 3,3 1, Фон 2 (Супродит) + Cd6 мг/кг почвы 3,4 4,0 4, Фон 3 (нитрофоска) + Cd6 мг/кг почвы 0,7 1,8 3, Фон 1 (NPK) + Zn600 мг/кг почвы 0,1 1,3 2, Фон 2 (Супродит) + Zn600 мг/кг почвы 2,8 2,4 2, Фон 3 (нитрофоска) + Zn600 мг/кг почвы 0,5 1,7 2, НСР05 0,6 0,5 0, Примечание: * – трифенилформазан;
1 – выход в трубку;
2 – колошение;
3 – после уборки урожая.
Экспериментальная оценка действия различных видов удобрений (NPK в виде растворов солей NH4NO3, КН2РО4, KCl;
комплексного промышленного удобрения нитро фоски и нового комплексного удобрения Супродит) на показатели ферментативной активно сти почв (дегидрогеназа) в динамике на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве представлена в табл. 19.
При загрязнении почвы тяжелыми металлами (Cd, Zn) активность дегидрогеназы сни жается в 1,1-10 раз в зависимости от вида металла, применяемых удобрений и сроков отбора проб в период вегетации ячменя. Кадмий в варианте с применением NPK в виде раствори мых солей снижает активность дегидрогеназы в почве в 1,2-2,3 раза, а в варианте с внесени ем нитрофоски – в 1,4-7,2 раза. Активность дегидрогеназы в почве, загрязненной Cd, при внесении Супродита снижается в 1,1-2,3 раза. Эффективность Супродита по повышению ак тивности дегидрогеназы в варианте, где в почву был внесен Cd, оказалась выше в 1,2-4, раза, чем при использовании промышленных минеральных удобрений (табл. 19). Активность дегидрогеназы на фоне простого минерального удобрения (фон 1) и нитрофоски (фон 3) при внесении в почву Zn в концентрации 600 мг/кг почвы упала почти до нуля на ранней стадии развития ячменя. Внесение Супродита нивелирует негативное действие Zn в высокой кон центрации на активность дегидрогеназы. Активность дегидрогеназы почвы, загрязненной Zn, при применении Супродита была в 1,4-1,9 раза выше по сравнению с почвой, удобренной промышленными минеральными удобрениями.
Технологические приемы по минимизации накопления тяжелых металлов в продукции растениеводства Загрязнение сельскохозяйственных угодий ТМ устанавливается на основании фактов обнаружения повышенных концентраций их в почвах, продукции растениеводства и кормах;
снижения урожайности и ухудшения качества продукции;
изменения роста и развития расте ний;
негативного влияния на состояние почвенного плодородия (физико-химические свойст ва почвы, воздействие на микробоценоз и др.) Для получения продукции растениеводства, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям к качеству и безопасности продовольственного сырья по содержанию тяжелых металлов, необходимо на сельскохозяйственных угодьях с избыточным содержанием в почве элементов осуществлять ряд мероприятий организационного и технологического характера.
Для снижения концентрации ТМ в сельскохозяйственных растениях используются раз личные технологические приемы рекультивации (восстановления) загрязненных земель (таб лицы 20 и 21).
Таблица 20. Классификация приемов восстановления земель, загрязненных тяжелыми ме таллами Группа приемов восстановления Физические Химические Биологические Обработка почвы: Известкование в дозе 1,5-2,5 Hг Подбор видов сельскохозяй - вспашка с оборотом пласта;
ственных культур - глубокое безотвальное рых- Внесение удобрений:
ление до 45 см - минеральных (калийных и фос- Подбор сортов форных);
Вспашка почвы с оборотом - органических;
Севообороты пласта на природных лугах - комплексных.
Применение микробиологиче Применение сорбентов: ских и биопрепаратов, физио - химических;
логически активных веществ - глинистых минералов, содержа щих алюмосиликаты;
- на основе природных минералов Применение комплексных соеди нений, обладающих свойствами удобрений и сорбентов.
Обработка почвы – эффективный прием восстановления плодородия техногенно на рушенных почв. Основными задачами
обработки почвы являются создание благоприятных водно-воздушного и теплового режимов путем изменения строения пахотного слоя почвы и ее структурного состояния;
улучшение питательного режима в результате воздействия на жизнедеятельность почвенной биоты.
Обработка почвы включает: стандартную и глубокую вспашку, вспашку с оборотом пласта, совмещение отвальной вспашки и рыхления подпахотного горизонта, что приводит к перераспределению токсикантов в профиле почв, уменьшению горизонтальной миграции за грязнителей и снижению аккумуляции в продукции ТМ (Cd, Pb, Zn, Сu, Со) от 1,2 до 3,0 раза Вспашка с оборотом пласта уменьшает содержание Cd, Pb, Zn, Сu, Со в продукции в 1,5-3, раза. Вспашка под яровые зерновые и картофель на глубину пахотного слоя, боронование на глубину 3-4 см и культивация – на 10-12 см приводят к снижению перехода ТМ в 1,2-2, раза.
Для перемещения ТМ из верхних слоев почвы в нижележащие проводят вспашку на глубину 30 см в сочетании с внесением органических и известковых удобрений. В условиях техногенного загрязнения постоянная обработка почвы на одну и ту же глубину способству ет образованию плужного уплотнения и концентрированию ТМ на плужной подошве. Раз рушение плужного уплотнения с помощью глубокой обработки дерново-подзолистой песча ной почвы с помощью чизельного плуга (на глубину 40-45 см) и последующем уменьшении глубины основной обработки (18-20 см) способствует удалению за пределы пахотного слоя ТМ. Вспашка с перемещением загрязненного слоя почвы в более глубокие слои за пределы пахотного горизонта применяется при содержании ТМ в почвах до 10 ОДК. Эффективным и ресурсосберегающим приемом, снижающим поступление ТМ в растения из почвы и умень шающим их горизонтальную миграцию, является совмещение отвальной вспашки и рыхле ния подпахотного горизонта, особенно на полях с небольшим пахотным горизонтом.
Таблица 21. Эффективность технологических приемов восстановления земель, загрязненных тяжелыми металлами № Кратность снижения накопления ТМ в Технологический прием п/п сельскохозяйственной продукции Вспашка с оборотом пласта Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 1,2-3,0 раза.
Глубокое безотвальное рыхление (40-45 Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 2,0-3,0 раза.
см) Чередование культур (севооборот) Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 1,5-2,0 раза Подбор сортов и видов культур В зависимости от культуры Cd, Pb, Zn, Сu от 1,5 до 10 раз Известкование (в дозе 1,5-2,0 Нг) До 2,0-2,5 раз (кроме Cr) Применение органических удобрений* Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 1,2-2,3 раза Применение калийных удобрений** Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 1,2-1,7 раза Применение фосфорных удобрений** Cu, Ni, Zn в 1,2-2,5 раза Комплексное окультуривание (известко- Cd, Pb, Zn, Сu в 1,2-3,5 раза вание, внесение удобрений и т.д.) Применение природных сорбентов (цео- Cd, Pb, Zn, Сu, Со в 1,2-4,0 раза литы, трепела, глины и др.) и искусст венных сорбентов и удобрений на их ос нове (Супродит) Применение биопрепаратов и физиоло- Cd, Zn, Cu, Pb в 1,2-2,0 раза гически активных веществ Коренное улучшение лугов и пастбищ Cd, Pb, Zn, Сu в 1,2-4 раза Примечание: * – более 30 т/га;
** – дополнительно 1P;
1K, к региональным дозам удобрений.
Известкование кислых почв. Кислая реакция почвенной среды - одна из главных при чин высокой миграции ТМ в системе почва-растения. Снизить кислотность почвы и связан ное с ней вредное действие подвижного Al позволяет известкование, которое обогащает поч ву Ca, Mg и компенсирует потери этих эле- ментов вследствие выноса их с урожаем, улучшает физические и физико-химические свойства почвы, ее структуру, способствует уменьшению подвижности ТМ. После известкования почв с повышенной кислотностью про исходит иммобилизация тяжелых металлов и снижается их включение в биологический кру говорот. Внесение в почву известковых материалов в дозе 1,5-2,0 НГ снижает накопление ТМ (кроме Cr, Mo) в 2,0-2,5 раза. На участках с повышенным содержанием ТМ реакция поч венной среды должна быть доведена до рН 6,3-6,5 в минеральных почвах и до рН 5,5 – в тор фяно-болотных почвах.
Органические удобрения. Органические удобрения является надежным и незаменимым средством повышения урожайности и улучшения плодородия почв. Применение навоза, торфонавозных компостов, сидератов, соломы и других органических материалов увеличи вает запасы органического вещества в почве, ее буферную способность и емкость поглоще ния, является эффективным средством снижения подвижности большинства ТМ (Cd, Zn, Cu, Pb, Co, Ni). Наиболее эффективным является использование торфокомпостов. Переход ТМ в сельскохозяйственные культуры из малоплодородных почв в 1,5-2 раза выше, чем из хорошо окультуренных и высокоплодородных почв. При загрязнении почв ТМ органические удоб рения применяют в максимально возможных дозах с учетом потребности сельскохозяйст венных культур в азоте, чтобы не происходило избыточного накопления нитратов в расти тельной продукции.
Степень прочности связывания ТМ гумусом зависит от соотношения в нем гуминовых и фульвокислот. В то же время простое смешивание органических остатков с загрязненной ТМ почвой имеет положительный, но кратковременный эффект. Эффект также бывает не продолжительным, когда с почвой перемешивается недостаточное количество органического вещества и реакционноспособные группы органических веществ могут оказаться насыщен ными раньше, чем уровень токсиканта снизится настолько, чтобы уменьшился его отрица тельный эффект. Тем не менее, в любом случае органические вещества являются хорошим адсорбентом катионов и анионов. Внесение органического вещества в почву активизирует микробное закрепление ТМ.
Применение высоких доз органических удобрений довольно эффективно на легких поч вах. Их внесение уменьшает подвижность в почве Cd на 10-30%;
Pb – до 50%. Ni – до 37% в зависимости от доз применения минеральных удобрений совместно с органическими. Для снижения поступления ТМ в продукцию растениеводства рекомендуется органические удоб рения применять в повышенных (в 1,5-2 раза) дозах по сравнению с зональными. Равномер ное внесение 50-80 т/га навоза или торфонавозного компоста при зяблевой вспашке под кар тофель позволяет снизить содержание ТМ (Cd, Pb, Zn, Сu, Со) в 1,2-2,0 раза. Внесение тор фонавозного компоста в дерново-подзолистую почву, загрязненную Pb, Cd, Zn, Co, снижает их накопление в вегетативной массе кормовых бобов и злаково-бобовом травостое в 1,4-2, раза. Добавление измельченной соломы в дерново-подзолистую почву, загрязненную ТМ, блокирует поступление в продукцию кадмия на 30-50%, для меди и цинка защитное действие соломы несколько меньше.
Минеральные удобрения. Взаимодействие в почве ТМ с фосфат-ионами приводит к снижению их подвижности за счет образования труднорастворимых соединений. Эффектив ность применения фосфорных удобрений зависит от содержания металлов в почве и реакции среды. Фосфоритную муку целесообразно применять на почвах с рН 5,8 в дозах 300- кг/га Р2О5, а суперфосфат – 120-150 кг/га с учетом обеспеченности почвы фосфором и пла нируемых урожаев. Применение фосфорных удобрений снижает содержание в продукции ТМ (Cd, Pb, Zn, Сu, Ni, Со) в зависимости от вида удобрений, культуры, химического эле мента примерно в 1,2-2,5 раза.
Закрепление (фиксация) ТМ в почве является одним из способов снижения их поступ ления как в растения, так и в природные воды. Содержание Cd, Zn, Cu, Pb при комплексном окультуривании дерново-подзолистых почв (внесение навоза, извести и минеральных удоб рений) снижается в 1,2-5,0 раза. Внесение повышенных доз минеральных удобрений и ме лиорантов часто приводит к изменению подвижности микроэлементов в почве, что может способствовать ухудшению микроэлементного состава производимой продукции растение водства. Накопление Cd, Pb, Zn, Сu в урожае растений снижается при применении на дер ново-подзолистой почве минеральных удобрений в дозе N90P90K90 в 1,2-1,7 раза. Внесение под планируемый урожай зерновых N60-90P60-90K60-120 перед посевом способствует снижению со держания ТМ в 1,2-2,5 раза. Заделка осенью равномерно под вспашку P60-90K90-120 и весной пе ред посадкой картофеля N60-90 уменьшает поступление ТМ в 1,2-2,5 раза. Сбалансированное применение азотных, фосфорных и калийных удобрений в соотношении N:P:K=1:1:1,5 и N:P:K=1:1,5:2 позволяет получать продукцию в соответствии с СанПиН 2.3.2.1078-01 по со держанию ТМ.
Закрепление (фиксация) ТМ в почве – один из способов снижения их поступления как в растения, так и в природные воды. Содержание Cd, Zn, Cu, Pb при комплексном окультуривании дерново-подзолистых почв (внесение навоза, извести и минеральных удоб рений) уменьшается в 1,2-5,0 раза. Внесение повышенных доз минеральных удобрений и ме лиорантов часто приводит к изменению подвижности микроэлементов в почве и к ухудше нию качества растениеводческой продукции.