Эколого-агрохимические аспекты устойчивости функционирования агроэкосистем
На правах рукописи
ФЕДОРОВСКИЙ Тарас Григорьевич ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ Специальность 03.02.08 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в ФГУ «Московский научно-исследовательский институт сельского хозяйства "Немчиновка"» Россельхозакадемии
Научный консультант: доктор биологических наук Замана Светлана Павловна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мажайский Юрий Анатольевич доктор биологических наук, профессор Орлова Валентина Сергеевна
Ведущая организация: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится 7 февраля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГОУ ВПО «Российский государст венный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская об ласть, г. Балашиха, ул. Ю.Фучика, 1, тел.: (495) 521-45-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»
Автореферат размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» http//www.rgazu.ru и на офи циальном сайте ВАК [email protected] «_» декабря 2011 г.
Автореферат разослан 26 декабря 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук О.Л. Сойнова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Недавно созданная организация «Международная оценка сельскохозяйственных знаний, науки и технологии на цели развития» счи тает, что важнейшей задачей современности является достижение сбалансирован ности в экологическом, социальном и экономическом отношении устойчивого раз вития. Как ключевое понятие устойчивое развитие имеет два основных признака сохранение окружающей природной среды (биосферы в целом и ее составляющих экосистем) и неопределенно долгое существование цивилизации.
Устойчивостью функционирования агроэкосистемы является способность поддерживать заданные производственные и социальные функции, сохраняя биосферные функции. Основными параметрами устойчивости являются сба лансированность биогеохимического круговорота (Ветров, 2005) и биологиче ская продуктивность.
В настоящее время особую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с устойчивым функционированием агроэкосистем при техногенном загрязнении. Необходим комплексный подход при изучении круговорота как жизненно-важных, так и токсичных химических элементов в системе почва растения-животные на конкретной территории хозяйствования. Сохранение биосферы посредством переориентации научно-технического прогресса на соз дание экологически безопасных технологий в сельском хозяйстве – основной путь устойчивого функционирования агроэкосистем.
Цель и задачи исследований. Основной целью наших исследований яв лялась разработка эколого-агрохимических аспектов устойчивости функциони рования агроэкосистем и экологически безопасных способов коррекции эле ментного статуса на территории хозяйства.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить важнейшие показатели химического состояния почвы, влияющие на миграцию химических элементов в системе почва-растения животные.
2. Изучить взаимосвязи между содержанием химических элементов в расте ниях, в биосубстратах животных и содержанием их в почве кормовых угодий.
3. Обосновать способ экологической оценки устойчивости функционирова ния системы почва-растения-животные на территории конкретного хозяйства.
4. Разработать экологически безопасные приемы коррекции элементного статуса территории хозяйства через почву, повышающие устойчивость функ ционирования агроэкосистемы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Показатели, влияющие на поступление химических элементов из почвы в выращиваемые на ней растения и на дальнейшую миграцию их в организм животных.
2. Эколого-агрохимические подходы к изучению устойчивости функцио нирования агроэкосистемы, разработанные с учетом содержания химических элементов в разных объектах системы почва-растения-животные на территории конкретного хозяйства.
3. Экологически безопасные способы улучшения элементного статуса конкретной территории агроландшафта с помощью восполнения эссенциаль ных химических элементов и микробиоты в почве кормовых угодий.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые раз работаны эколого-агрохимические аспекты устойчивости функционирования агроэкосистемы на территории конкретного хозяйства с учетом выявленных за кономерностей накопления химических элементов в биосубстратах коров, скармливаемых пастбищными травами.
Научно обоснованы и апробированы в хозяйственных условиях приемы восполнения дефицита подвижных форм эссенциальных элементов на территории агроландшафта с помощью применения жидких удобрений, содержащих энерге ны и микроэлементы - йод, селен, молибден, медь, цинк, кобальт, а также с по мощью нового бактериального удобрения.
Практическая значимость работы. Предложен способ экологической оценки устойчивости функционирования агроэкосистемы. Разработана техно логия внесения при подсеве трав жидких микроэлементсодержащих удобрений на основе энергенов с помощью разработанного нами устройства. Показана возможность применения на дерново-подзолистых почвах Московской области нового бактериального удобрения «Звезда полей», которое способствует увели чению содержания жизненно-важных химических элементов как в почве (под вижные формы), так и в выращиваемых кормовых травах.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 3-й Рос сийской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Новосибирск, 2000);
научно-практической конфе ренции «Круговорот биогенных веществ и плодородие почв в адаптивно ландшафтном земледелии России» (Москва, 2000);
симпозиуме «Перспективные агрохимические технологии повышения качества кормов» (РАСХН, 2002);
Между народной научной конференции «Современные проблемы геохимической экологии и сохранения биоразнообразия» (Киргизия, 2003);
4-й Российской биогеохимиче ской школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов био сферы» (Москва, 2003);
4-м Международном симпозиуме «Микроэлементы в чело веке: новые перспективы» (Греция, 2003);
Международной научной конференции «Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, 2005);
Рос сийско-Японском совещании «Проблемы геохимической экологии, диагностики микроэлементозов и их коррекции» (Москва, 2005);
на Международной конферен ции по микроэлементам в диете, питании, здоровье (Греция, о. Крит, 2007);
на 6-м Международном симпозиуме по современным подходам к мониторингу воздуха (включая биомониторинг) (Норвегия, 2008);
на Всероссийской научно практической конференции «Проблемы Рыбинского водохранилища и прибрежных территорий» (Москва, 2011);
на Международной научно-практической конферен ции «Многофункциональное адаптивное кормопроизводство» (Москва, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 в журналах ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, практических предложений. Работа изложена на 143 страницах, со держит 38 таблиц и 3 рисунка. Список использованной литературы включает 161 источник, в том числе 35 иностранных авторов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В основу диссертационной работы были положены результаты лабора торных и модельных опытов, а также полевых исследований, проведенных ав тором в 2000-2010 годы на территории животноводческого хозяйства в пос. Но воивановское Одинцовского района Московской области.
В пастбищный сезон на территории хозяйства отбирали образцы почвы, кормовых растений и кормов (Методические указания …, 1982, 1985), а также биосубстраты (молоко, терминальные волосы) крупного рогатого скота (КРС) черно-пестрой породы для химического анализа.
Пробы растений и кормов минерализовали методом сухого озоления (ГОСТ 26657-85). В образцах почвы определяли валовое содержание элементов с помощью спектрального анализа. Подвижные формы макроэлементов в почве определяли следующими методами: фосфор и калий – по методу Кирсанова;
кальций и магний – в КС1 вытяжке. Подвижные формы микроэлементов и тя желых металлов – в 1М HNO3 вытяжке, в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН 4,8), в системе вытяжек по Пейве-Ринькису и др.
Химические элементы в почве, растениях и кормах определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (Aanalyst 200), позволяющей в одной пробе одновременно определять широкий спектр элементов. Контроль точно сти результатов осуществляли по государственным стандартным образцам поч вы и растений.
Содержание химических элементов в молоке коров определяли с помо щью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Elan 9000) и метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Optima 2000 DV).
Для анализа терминальных волос КРС использовали микроволновую печь Mars-5 и атомно-абсорбционный спектрометр HITACHI Z-8000. Одновре менно с отобранными пробами волос КРС анализировали стандартные образ цы волос человека – CRM 397 (Commission of the European Communities).
Обработку полученных материалов осуществляли с помощью стандарт ных методов математической статистики.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1. Важнейшие показатели химического состояния почвы, влияющие на поступление элементов в агроэкосистему Одним из сложных моментов при определении миграции химических элементов в агроэкосистеме (почва-растения-животные) является установление показателей, в наибольшей степени отражающих возможности реального по ступления элементов из почвы в биогеохимическую пищевую цепь на конкрет ной территории. На поведение химических элементов в почвах особенно силь ное влияние оказывает реакция среды (рН).
Для определения динамики изменения содержания химических элементов в жидкой и твердой фазах почвы при разных диапазонах рН нами проведен модель ный опыт. В водную суспензию из органогенного горизонта почвы добавлялась ки слота или щелочь. После центрифугирования суспензий в жидкой и твердой фазах определяли Ca, Mg, K, Mn, Fe, Al, Si и углерод органического вещества.
В таблице 1 представлены результаты определения содержания элементов в жидкой фазе при разных диапазонах рН. Содержание Са при рНисх 4,2 составляет 8, ммоль-экв/кг, самое низкое его содержание (0,9 ммоль-экв/кг) наблюдается в диапа зоне рН 5-6, а самое высокое (22,2 ммоль-экв/кг) - в диапазоне рН 8-9. Повышение содержания Ca при рН 8-9 вызвано растворением содержащего кальций органическо го вещества (Ср), что можно объяснить максимальной прибавкой и кальция, и орга нического вещества в этом интервале рН. Уменьшение содержания Са при рН 9- связано с уменьшением содержания органического вещества.
Таблица Cостав жидкой фазы водной суспензии из органогенного горизонта почвы (ммоль-экв/кг) Химические Содержание химических элементов при разных значениях рН элементы 3-4 4-4,2 рНисх=4,2 4,2-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9- Са 14,5 10,3 8,0 5,8 0,9 4,5 8,7 22,2 12, Мg 4,8 3,0 2,0 2,4 2,8 2,6 2,9 5,3 5, K 4,6 3,1 3,0 22,8 36,8 40,8 54,8 94,8 114, Mn 1,2 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0, Fe 0,5 0,4 0,4 0,9 1,1 1,5 2,8 4,2 7, Al 6,9 5,5 5,6 6,0 5,6 4,0 6,8 11,2 18, Si 1,8 1,4 1,5 2,0 2,8 4,4 4,7 7,7 11, Cp, г/кг 0,8 0,9 1,1 4,3 5,5 5,8 6,3 9,6 6, Самое низкое содержание Mg наблюдается при рНисх (2,0 ммоль-экв/кг);
самое высокое (5,3 ммоль-экв/кг) – в диапазоне рН 8-9, что в определенной степени коррелирует с изменениями содержания органического вещества при разных диапазонах рН.
Самое низкое содержание K наблюдается при рНисх (3,0 ммоль-экв/кг);
при повышении рН от 4,2 до 10 содержание его резко увеличивается параллельно уве личению содержания органического вещества. Содержание Mn при рНисх составля ет 0,3 ммоль-экв/кг;
оно остается на одном и том же уровне во всех интервалах при повышении рН до 10. Содержание Fe при рНисх составляет 0,4 ммоль-экв/кг. При добавлении щелочи оно постепенно увеличивается, достигая 7,0 ммоль-экв/кг при рН 9-10 за счет растворения Fe-органических комплексов.
Содержание Al в растворе при рНисх составляет 5,6 ммоль-экв/кг. При повышении рН его содержание сначала увеличивается при рН 4,2-5, затем снижается при рН 5-6 и рН 6-7 и снова увеличивается при рН 8-10. Измене ния в содержании Al при увеличении рН можно объяснить тем, что при бо лее низких значениях рН происходит частичное вытеснение обменного Al в раствор;
при рН 5-6 и рН 6-7 Al осаждается в форме гидроксида, а при еще более высоких значениях рН происходит растворение гидроксида с образо ванием алюминат-ионов. Содержание Si в растворе при рНисх составляет 1, ммоль-экв/кг. При добавлении щелочи оно постепенно возрастает за счет пе рехода его из растительных остатков.
При снижении рН от исходного значения до рН 3 содержание в растворе всех выше перечисленных химических элементов увеличивается (в ммоль экв/кг): кальция – до 14,5, магния – до 4,8, калия – до 4,6, марганца – до 1,2, же леза – до 0,5, алюминия – до 6,9, кремния – до 1,8.
Таким образом, проведенный нами модельный опыт показал, что содер жание доступных растениям форм химических элементов в жидкой фазе почвы может динамично меняться в зависимости от рН. Поэтому судить о миграции химических элементов в системе почва-растения-животные на конкретной тер ритории агроландшафта целесообразно по реальному поступлению их в поле вых условиях в выращиваемые растения и дальше по пищевой цепи в организм животных (например, коров). Для оценки элементного статуса организма коров удобно использовать терминальные волосы хвоста (Лебедев, 1994).
2. Изучение устойчивости функционирования агроэкосистемы на территории хозяйства 2.1. Элементный состав почв. Исследования по устойчивости функциони рования системы почва-растения-животные проводились нами на территории хо зяйства, где сопряженно отбирались пробы почвы и растений на пастбище. Для оценки элементного состава почв при биогеохимических исследованиях использу ют показатели валового содержания химических элементов, а при агрохимических применяют показатели содержания их подвижных форм в водных, солевых или ки слотных вытяжках, причем уровни содержания микроэлементов (и тяжелых метал лов) в разных вытяжках из одной и той же почвы могут существенно различаться.
Поэтому при определении возможности поступления химических элементов из почвы в растения могут возникать трудности в выборе показателей.
В одних и тех же образцах почвы определяли содержание элементов раз ными методами. Дерново-подзолистая почва пастбища имела рНКС1=5,3, очень высокое содержание подвижного фосфора (338 мг/кг Р2О5), высокое содержа ние обменного калия (245 мг/кг К2О) и общего азота (0,169 %), среднее содер жание обменных кальция (8,6 мг-экв/100 г) и магния (2,1 мг-экв/100 г). По ре зультатам спектрального анализа установлено, что валовое (общее) содержа ние K, Co, Cu, Zn, Ti, V, Pb, B, Ni и Cd в почве пастбища было выше, а Ca, Mg, Fe, Mn, Al, Cr, Sr, Ba – ниже, чем их кларки по Виноградову (табл. 2).
Определение кислоторастворимых форм Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Co, Mn, Fe в почве пастбища показало (табл. 3), что в данную вытяжку переходит 21% Pb, 1% Cd, 11% Cu, 25% Zn, 12% Ni, 14% Co, 73% Mn и 1% Fe от их общего содер жания. Уровни содержания Pb, Cd, Cu, Zn, Ni были значительно ниже ориенти ровочно допустимых концентраций.
Результаты определения микроэлементов в этих же образцах почвы по методу Пейве-Ринькиса показали, что, согласно принятым в агрохимслужбе градациям, обеспеченность почвы подвижными формами Cu, Zn и Mn являлась высокой, Co – средней (табл. 4). В отличие от валового содержания (по кото рому Cu, Zn и Co были выше кларка, а Mn – ниже), в ацетатно-аммонийном буфере (ААБ) с рН 4,8, близком к рН кислой дерново-подзолистой почвы, об наружено, наоборот, низкое содержание Cu, Zn, Co и высокое – Mn.
Таблица Валовое содержание химических элементов в почве, мг/кг Среднее Кларки Элемент Уч. №1 Уч. №2 Уч. №3 Уч. № P 3000 4000 2000 3000 3000 Al 60000 60000 60000 80000 65000 Mg 3000 3000 3000 4000 3250 Na 20000 20000 20000 20000 20000 K 30000 30000 30000 30000 30000 Ca 4000 4000 3000 6000 4250 Fe 30000 30000 30000 30000 30000 Ti 5000 6000 5000 5000 5250 Mn 600 1000 800 600 750 Co 30 30 30 30 30 Cu 50 50 50 50 50 Ni 40 40 50 50 45 Zn 60 60 60 80 65 V 300 300 400 400 350 Cr 100 200 200 200 175 Pb 40 40 40 40 40 Sr 30 30 30 30 30 Ba 100 100 100 100 100 B 30 30 30 30 30 Cd 10 10 10 10 10 0, Таблица Содержание химических элементов в 1М НNO3 вытяжке, мг/кг Показатель Pb Cd Cu Zn Ni Co Mn Fe Среднее 8,5 0,13 5,7 16,1 5,5 4,2 546 содержание ±0,5 ±0,01 ±0,7 ±4,1 ±0,6 ±0,6 ±90 ± по паст.
% от валового 21 1 11 25 12 14 73 Таблица Содержание в почве подвижных форм элементов, мг/кг Метод определения Cu Zn Mn Co Pb Ni Fe 5,6 10,2 168 1, По Пейве-Ринькису - - ±0,4 ±0,5 ±23 ±0, ААБ 0,11 2,0 57,4 0,033 0,44 0,63 (рН 4,8) ±0,01 ±0,2 ±8,0 ±0,004 ±0,03 ±0,05 ± 2.2. Элементный состав растений и кормов. Выращенные на пастбище растения имели высокое содержание Ca (8,3 г/кг), Mg (2,7 г/кг), Mn (92 мг/кг) и низкое - Cu (8,4 мг/кг), Zn (27,5 мг/кг), Co (0,13 мг/кг). Низкое содержание Cu, Zn и Co выявлено не только в траве пастбища, но и в сене, а также в вико овсяной смеси (табл. 5), выращенных на других производственных участках данного хозяйства, что хорошо коррелирует с содержанием подвижных форм этих элементов в почве, определяемых в ацетатно-аммонийном буфере.
Таблица Содержание химических элементов в траве и кормах хозяйства P Na K Ca Mg Cu Zn Co Mn Fe Ni Pb Cd Объекты г/кг мг/кг Пастб. трава 2,3 0,5 33,7 8,3 2,7 8,4 27,5 0,13 92 145 1,9 0,5 0, Комбикорм - - 8,94 4,75 3,03 11,0 69,8 0,63 77 139 1,0 0,1 0, Сено 2,1 0,34 8,07 2,27 1,74 2,8 19,3 0,02 65 45 0,4 0,2 0, Вико-овс. смесь - - 35,8 4,16 1,88 6,2 28,6 0,13 55 104 1,5 0,4 0, Уровни содержания токсичных химических элементов (Pb, Cd и Ni) в укосах растений и в кормах данного хозяйства были ниже, чем максимально допустимые уровни для всех видов кормов (МДУ по Pb - 5, по Cd – 0,3, по Ni – 3 мг/кг) (Химизация в отраслях АПК, 1990). Выявленный недостаток эссенци альных микроэлементов Cu, Zn, Co в кормовых растениях, выращенных в дан ном хозяйстве, может восполняться в организме коров через комбикорм.
2.3. Экологическая оценка агроэкосистемы с позиций устойчивого функционирования С целью выявления взаимосвязей между содержанием подвижных форм химических элементов в почве пастбища и содержанием их в организме коров в хозяйстве подбирали группы животных, которых в летний период кормили только натуральными пастбищными кормами. В конце августа у животных отбирали пробы терминальных волос для химического анализа. Поскольку имеющиеся в литературе данные по диапазонам нормального содержания элементов в волосах КРС несколько противоречивы (Хенниг, 1976, Кальницкий, 1985, Лебедев, 1995), нами была проведена экспериментальная работа по установлению ориентировочных норм (табл. 6) содержания элементов в терминальных волосах коров черно-пестрой породы.
При устойчивом функционировании системы почва-растения-животные в организме коров, скармливаемых натуральными кормами, выращенными на территории хозяйства, должно быть оптимальное содержание химических элементов. Недостаток или избыток доступных форм элементов в почве будет приводить к недостатку или избытку их в организме животных. Поэтому определение элементного состава волос КРС может позволить выявлять экологические связи животных с геохимической средой обитания и служить экспресс-методом экологической оценки устойчивости функционирования агроэкосистем.
Исследования на территории хозяйства показали, что в почве пастбища наблюдалось высокое содержание доступных растениям подвижных форм фосфора (149 мг/кг), калия (203 мг/кг), магния (246 мг/кг) и марганца (57 мг/кг);
среднее – кальция (1714 мг/кг) и молибдена (0,18 мг/кг), по сравнению с принятыми в агрохимслужбе градациями (табл. 6). В то же время исследуемая почва была мало обеспечена подвижными формами жизненно-важных микроэлементов – Cu (0,11 мг/кг), Zn (2,0 мг/кг) и Co (0,03 мг/кг), определяемых в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8. Содержание железа в ацетатно-аммонийной вытяжке составляло 68 мг/кг.
Таблица Содержание элементов в почве, растениях и волосах коров Содержание химических элементов, мг/кг Объект исслед. P K Ca Mg Cu Zn Mn Co Fe Mo Почва 149 203 1714 246 0,11 2,00 57 0,03 68 0, Средний 22 64 1000 132 0,2 2,0 10 0,15 0, уровень - - - - - - - - - в почве 65 140 2000 240 0,5 5,0 20 0,30 0, Растения - 33740 8285 2745 8,3 27,5 92 0,13 146 0, Волосы - 3200 1219 1303 5,7 97 23 0,005 - 0, КРС Нормы в 1600 1200 900 7 110 10 0,02 20 0, волосах - - - - - - - - - 2300 1600 1100 8 130 20 0,04 40 0, По результатам химического элементного анализа терминальных волос коров установлено, что, по сравнению с ориентировочными нормами, наблюдалось высокое содержание K (3200 мг/кг), Mg (1303 мг/кг), Mn (23 мг/кг) и низкое – Cu (5,7 мг/кг), Zn (97 мг/кг) и Co (0,005 мг/кг), что хорошо коррелирует с содержанием подвижных форм перечисленных элементов в почве.
Таким образом, химический анализ терминальных волос КРС на содержание широкого спектра химических элементов может служить экспресс-методом эколо гической оценки устойчивого функционирования агроэкосистемы.
2.4. Элементный состав коровьего молока. В зависимости от недостат ка или избытка подвижных форм элементов в почве может наблюдаться недос таток или избыток их в продукции животноводства, в частности, в коровьем молоке. По результатам химического анализа молока коров из хозяйства пос.
Новоивановское установлено, что средние уровни содержания эссенциальных и токсичных элементов можно расположить по убывающей в следующем по рядке (мг/л): K (1161) Ca (1041) Na (1025) P (708) Mg (109) Zn (2,95) Si (0,56) Sr (0,52) Fe (0,35) B (0,17) Al (0,09) J (0,074) Cr (0,048) Cu (0,045) Ni (0,045) Se (0,039) Mn (0,015) V (0,013) Li (0,012) As (0,006) Sn (0,003) Co (0,002) Pb (0,0015) Hg (0,0005) Cd (0,0002).
Выявлено низкое содержание таких эссенциальных микроэлементов, как Fe, Zn, Mn и Co, по сравнению с установленными для них нормами (Zn и Fe – 2,5-4,0, Mn – 0,1-0,3, Co – 0,01–0,03 мг/л).
Несмотря на то, что в целом для Нечерноземной зоны, куда относится и Мос ковская область, характерна относительная обогащенность кормов железом, в хо зяйстве пос. Новоивановское выявлено низкое содержание железа в сене (45 мг/кг).
Средние уровни содержания в молоке Cr, Se и J соответствовали установлен ным естественным их уровням или были несколько выше. Содержание токсичных элементов Pb, Cd, Ni было значительно ниже ПДК;
низкие уровни их содержания обнаружены нами в укосах пастбищных растений и в кормах хозяйства. В молоке выявлен высокий уровень содержания стабильного стронция (0,52 мг/л), что связа но со значительной его концентрацией в используемой для поения коров водопро водной воде из артезианской скважины (6,5 мг/л). Высокий уровень содержания стабильного стронция (25,7 мг/кг) обнаружен нами и в волосах жителей пос. Ново ивановское, употреблявших питьевую воду из данной скважины.
Таким образом, элементный состав молока коров в значительной степени зависит от элементного состава выращиваемых пастбищных трав и кормов, а также используемой для поения животных воды.
Восполнение выявленного с помощью химического элементного анализа биосубстратов КРС (волос, молока) недостатка доступных форм жизненно-важных химических элементов на территории конкретного хозяйства наиболее целесооб разно проводить путем их внесения в почву кормовых угодий либо путем внесения бактериальных удобрений, способствующих активизации перехода химических элементов почвы из недоступного растениям состояния в доступное.
3. Восполнение жизненно-важных химических элементов в агроэко системе 3.1. Применение жидких микроэлементсодержащих удобрений Проводилась серия опытов по изучению миграции микроэлементов в системе почва кормовых угодий – удобрения – растения. На подобранных уча стках подсевали злаковые и бобовые травы с одновременным внесением жид ких биологически активных удобрений, содержащих энергены-гуматы калия (ГК) и необходимые микроэлементы. Энергены, имеющие высокую биологиче скую активность, получали способом твердофазной конверсии природных гу миновых кислот в процессе механической активации смеси угля с твердыми щелочами (Богословский и др., 2004).
В микрополевом опыте с применением при посеве клевера лугового и тимофеевки жидких гуминовых удобрений, содержащих медь, цинк и кобальт, предусматривалось 10 вариантов (табл. 7). Гумат калия вносили в дозе 1 кг/га, Cu – 0,5 кг д.в./га, Zn – 0,5 кг д.в./га, Co - 0,08 кг д.в./га, растворяя энергены и соли микроэлементов в воде.
После внесения удобрений содержание в почве подвижных форм Cu, определяемой в 1 н НС1 вытяжке, повысилось с 3,3 до 8,1 мг/кг, при этом увеличилось содержание данного элемента в бобово-злаковой травосмеси с 14 до 21 мг/кг. Содержание в почве подвижных форм Zn повысилось с 5,5 до 21,1 мг/кг, при этом увеличилось его содержание в бобово-злаковой травосмеси с 38,7 до 50, мг/кг, что практически соответствует рекомендуемой потребности в этом элементе в кормах для КРС (40-80 мг/кг). При низкой обеспеченности почвы подвижными формами Co (0,9 мг/кг), а также при низком содержании его в бобово-злаковой травосмеси (0,3 мг/кг) внесение данного элемента в почву способствовало увеличению подвижных форм Co в почве до 1,1–1,3 мг/кг и повышению его содержания в выращиваемых травах до 1,1 мг/кг, что практически соответствует рекомендуемой потребности в этом элементе в кормах для КРС (0,6-1,0 мг/кг).
Таблица Содержание микроэлементов в почве (подвижные формы) и в бобово-злаковой травосмеси, мг/кг Варианты Медь Цинк Кобальт опыта Почва Растения Почва Растения Почва Растения Контроль (б/у) 3,3 14,0 5,5 38,7 0,9 0, N60 4,1 14,0 6,3 39,8 0,9 0, ГК 7,3 16,0 6,8 40,2 1,0 0, ГК +Cu 8,1 19,2 6,5 40,6 1,0 0, ГК +Zn 6,3 17,0 19,3 50,0 1,0 0, ГК +Co 7,4 16,0 8,0 46,9 1,1 1, ГК+Cu+Co 7,7 21,1 9,2 42,7 1,1 0, ГК+Cu+Zn 7,7 17,9 21,1 50,3 1,0 0, ГК +Zn+Co 5,8 17,5 9,4 47,8 1,1 0, ГК +Cu+Zn+Cо 7,4 17,6 14,0 49,1 1,3 0, НСР05 1,5 2,2 5,6 4,6 0,1 0, Таким образом, внесение жизненно-важных микроэлементов Cu, Zn и Co в форме жидких биологически активных удобрений с энергенами способствовало более высокому их содержанию в выращиваемых злаково-бобовых травосмесях.
Положительные результаты микрополевого опыта явились основанием для продолжения исследований в хозяйственных условиях с целью разработки технологии внесения жидких биологически активных микроэлементсодержащих удобрений при полосном подсеве трав в дернину пастбища.
Предусматривалось шесть вариантов производственного опыта (табл.8).
Внесение жидких удобрений в дозе 200 л/га в вариантах 2-6 осуществлялось в виде заранее приготовленных водных растворов гумата калия (1 кг/га) и солей микроэлементов (Mo – 100 г/га, J – 115 г/га, Se – 55 г/га).
Таблица Содержание микроэлементов в почве после внесения удобрений Содержание микроэлементов, мг/кг Варианты опыта Мо J Se 1. Контроль (б/у) 0,10 1,30 0, 2. ГК 0,19 1,42 0, 3. ГК + Mo 0,53 1,74 0, 4. ГК + J 0,29 5,51 0, 5. ГК +Se 0,26 1,68 0, 6. ГК + Mo+J+Se 0,49 4,70 0, НСР05 0,25 2,70 0, Внесение удобрений способствовало увеличению в почве содержания молибдена в 4,9-5,3 раза, йода – в 3,6-4,3 раза и селена – в 1,7 раза.
Таким образом, внесение дефицитных микроэлементов в почву в виде жидких биологически активных удобрений с энергенами при выращивании кормовых трав позволяет получать обогащенные этими элементами натуральные корма для животных.
3.2. Применение нового бактериального удобрения Новое бактериальное удобрение «Звезда полей» представляет собой поро шок белого цвета без запаха, хорошо растворимый в воде. Оно содержит спорооб разующие бактерии, характеризующиеся широким спектром действия, в результате чего соединения почвы преобразуются в легкоусвояемые для растений формы.
Изучение влияния удобрения на систему почва-растения проводили в мик рополевом опыте, заложенном на дерново-подзолистой почве с клеверо тимофеечной травосмесью. На поверхность почвы опытных делянок (50 м2) с по мощью опрыскивателя вносили 2 л водного раствора, содержащего 12,5 г сухого удобрения.
После применения данного удобрения увеличилось в почве содержание подвижного фосфора (с 120 до 144 мг/кг), обменных калия (с 121 до 149 мг/кг), кальция (с 9,0 до 9,7 мг-экв/100 г), магния (с 1,8 до 3,6 мг-экв/100 г), подвиж ных форм Cu, Zn, Mn, Co (табл. 9). Содержание токсичных элементов в азотно кислой вытяжке при внесении бактериального удобрения снижалось.
Таблица Содержание химических элементов в почве, мг/кг Варианты опыта По Пейве-Ринькису В 1 М HNO3 вытяжке Cu Zn Mn Co Pb Cd Ni Контроль 4,6 3,4 96 1,0 8,3 0,1 2, Бактер. удобрение 4,9 5,8 100 1,1 5,4 0,1 1, Применение удобрения способствовало не только увеличению содержа ния доступных растениям форм элементов в почве, но и ускорению роста рас тений и улучшению их качества. Урожайность зеленой массы трав на делянках, где применяли удобрение, была на 50% выше, чем на контрольных делянках.
В растениях, выращенных с применением бактериального удобрения, повысилось содержание P, K, N, Cu, Zn, Co и Mn, по сравнению с контролем (табл. 10). Содержание Pb, Cd, Ni в растениях было ниже ПДК.
Таблица Содержание химических элементов в растениях, мг/кг Варианты опыта P K N Cu Zn Mn Co Pb Cd Ni Контроль 2600 19600 34000 14 41 44 0,4 3,4 0,1 2, Бактер. удобрение 2700 20200 34500 16 47 46 0,5 3,3 0,1 1, Таким образом, при внесении нового бактериального удобрения в почву не только повысилась урожайность трав, но и улучшился их качественный эле ментный состав. Следовательно, данное удобрение может быть рекомендовано для широкого применения на дерново-подзолистых почвах РФ с целью интен сификации биогеохимических процессов, способствующих устойчивому функ ционированию агроэкосистем.
ВЫВОДЫ 1. Количество подвижных форм химических элементов, способных мигри ровать в биогеохимической пищевой цепи, находится в зависимости от рН почвы.
Установлено, что при подщелачивании водной суспензии из органогенного гори зонта почвы до рН 10 содержание Ca, Mg, Al в жидкой фазе в одних диапазонах рН увеличивается, а в других – уменьшается;
содержание K, Fe, Si при возраста нии рН увеличивается. При подкислении водной суспензии до рН 3 содержание всех химических элементов в жидкой фазе увеличивается.
2. Выращенные на пастбище растения имели низкое содержание Cu, Zn, Co и высокое – Mn, что связано с низким содержанием в почве подвижных форм Cu, Zn, Co и высоким - Mn, определяемых в ацетатно-аммонийном буфере.
3. От содержания подвижных форм жизненно-важных элементов в почве за висит их накопление в волосах КРС. При высоком содержании в почве хозяйства доступных растениям форм K (203 мг/кг), Mg (246 мг/кг), Mn (57 мг/кг) и низком – Cu (0,11 мг/кг), Zn (2,0 мг/кг), Co (0,03 мг/кг) выявлено высокое содержание K (3200 мг/кг), Mg (1303 мг/кг), Mn (23 мг/кг) и низкое – Cu (5,7 мг/кг), Zn (97 мг/кг), Co (0,005 мг/кг) в терминальных волосах коров. Поэтому при экологической оценке устойчивости функционирования агроэкосистемы можно использовать данные по элементному составу волос КРС.
4. В молоке коров хозяйства выявлено низкое содержание эссенциальных микроэлементов – Zn, Fe, Cu, Mn, Сo;
содержание токсичных элементов (Pb, Cd, Ni) было ниже ПДК. Обнаружен высокий уровень стабильного стронция (0,52 мг/кг), что связано с высоким содержанием его (6,5 мг/л) в воде для поения животных.
5. Внесение жидких удобрений, содержащих энергены и микроэлементы Cu, Zn, Co в рекомендуемых дозах, способствовало повышению содержания вносимых микроэлементов в выращиваемых травах, что практически соответствовало реко мендуемой потребности в данных микроэлементах в кормах для КРС.
6. Внесение в почву кормовых угодий жидких кобальт-, иод- и селенсодер жащих биологически активных удобрений обеспечило увеличение содержания в почве Mo (с 0,10 до 0,53 мг/кг), J (с 1,3 до 5,5 мг/кг) и Se (с 0,21 до 0,36 мг/кг).
7. Новое бактериальное удобрение, вносимое в дерново-подзолистую поч ву Московской области, способствовало интенсификации биогеохимических про цессов и устойчивости функционирования агроэкосистемы. В выращенных с при менением данного удобрения травах повышалось содержание жизненно-важных элементов (P, K, N, Cu, Zn, Co, Mn).
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. При экологической оценке устойчивости функционирования агроэко системы целесообразно использовать данные по содержанию широкого спектра эссенциальных и токсичных химических элементов в биосубстратах коров (во лосах и молоке). Сравнение фактического содержания химических элементов в биосубстратах животных конкретного хозяйства с диапазонами их нормального содержания позволяет выявлять проблемные ситуации.
2. При кормлении коров натуральными пастбищными кормами недоста ток или избыток доступных форм химических элементов в почве приводит к недостатку или избытку их в организме животных, что отражается на химиче ском элементном составе их терминальных волос. Поэтому определение эле ментного состава данного биосубстрата может являться экспресс-методом оценки устойчивости функционирования агроэкосистемы.
3. Применение подсева трав в дернину пастбища с одновременным вне сением жидких удобрений, содержащих энергены и необходимые микроэле менты, способствует выращиванию сбалансированных по жизненно-важным элементам натуральных кормов и устойчивому функционированию системы почва-растения-животные.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Федоровский Т.Г., Ладонин Д.В., Соколова Т.А. Характеристика ки слотности торфянисто-подзолисто-глееватой почвы различными методами //Вестник МГУ, сер. Почвоведение. – 2005. – №1. – С. 22–28.
2. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г. Проблемы устойчивого развития агроэкосистем и технологические приемы восполнения в них эссенци альных химических элементов //Кормопроизводство. – 2004. – №12. – С. 2–5.
3. Соколов А.В., Замана С.П., Федоровский Т.Г. Влияние минеральных удобрений на качественный состав кормов и плодородие почв кормовых уго дий // Кормопроизводство. – 2006. - №1. – С. 26–29.
Другие публикации 4. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г. К вопросу о количест венной оценке устойчивого развития территории агроландшафта //Круговорот биогенных веществ и плодородие почв в адаптивно-ландшафтном земледелии России. М., 2000. – С. 191–198.
5. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г. Концептуальные под ходы к разработке экспресс-метода оценки агроэкосистемы с позиций устой чивого развития //Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы. М.: Наука, 2003. – С. 273–279.
6. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г. Современные приемы восполнения биогенных химических элементов на лугах и пастбищах //Сб.
«Современные проблемы геохимической экологии и сохранения биоразнооб разия». Киргизия, 2003. – С. 215–217.
7. Zamana S.P., Sokolov A.V.,Fedorovsky T.G. About the problem of quan titative assessment of sustainable development of agrolandscape territories //Procceding of the 4 International Symposium «Trace Elements in Human: New Perspectives». Greece. 2003. P. 1036–1045.
8. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г., Шахпендерян Е.А.
Эколого-биогеохимическая оценка территорий хозяйств Московской облас ти //Сб. «Биогеохимическая индикация аномалий». – М.: Наука, 2004. – С. 168–177.
9. Федоровский Т.Г., Замана С.П. Перспективные технологические приемы повышения продуктивности кормовых угодий в условиях ограни ченного применения удобрений и пути их реализации //Сб. «Агроэкологиче ская эффективность применения средств химизации в современных техноло гиях возделывания сельскохозяйственных культур». М.:ВНИИА, 2005. – С. 381–386.
10. Замана С.П., Федоровский Т.Г. Оценка агроэкосистемы с позиций устойчивого развития //Доклады российско-японского совещания «Пробле мы геохимической экологии, диагностики микроэлементозов и их коррек ция». М.: Наука, 2005. – С. 15–23.
11. Соколов А.В., Замана С.П., Федоровский Т.Г. Технология полосно го подсева трав в дернину природных угодий с одновременным внесением жидких биологически активных удобрений, содержащих необходимые мик роэлементы. Рекомендации. М., 2005. – 19 с.
12. Соколов А.В., Замана С.П., Кутровский В.Н., Федоровский Т.Г.
Технологический регламент применения микроэлементсодержащих удобре ний при возделывании бобово-злаковых травосмесей на кормовых угодьях.
М., 2007. – 25 с.
13. Замана С.П., Кутровский В.Н., Федоровский Т.Г. Элементный со став молока коров Московского региона //«Микроэлементы в медицине», т.
8, в. 2, 2007. – С. 36–40.
14. Замана С.П., Федоровский Т.Г., Соколов С.А. Основные эколого биогеохимические принципы оценки и коррекции элементного состава тер ритории агроландшафта //Материалы 6-й Международной биогеохимиче ской школы. Астрахань, 2008. – С. 63–64.
15. Zamana S.P., Kutrovsky V.N., Fedorovsky T.G. The element composi tion of cows milk of Moscow region //Cell biology and toxicology. V. 24, S. 1, 2008. P. 13.
16. Zamana S.P., Sokolov A.V., Fedorovsky T.G. Sokolov S.A. Ecological and biochemical principles of an elements composition estimation of an agricul ture landscape //6 International Symposium on Modern Principles of Air Monitor ing (including biomonitoring). Norway. 2008. P. 120–121.
17. Соколов А.В., Федоровский Т.Г., Замана С.П., Патлай В.В. Эффек тивные технические приемы и технические средства ускоренного улучше ния природных кормовых угодий //Вестник РГАЗУ. №9 (14). М., 2010. – С.118–124.
18. Замана С.П., Федоровский Т.Г., Мальцева О.Г. Сравнительная оценка определения химических элементов в почве при биогеохимических и агрохимических исследованиях //Сб. «Актуальные проблемы землеустрой ства, кадастров и охраны земель». М., 2010. – С. 228–237.
19. Замана С.П., Соколов А.В., Федоровский Т.Г., Соколов С.А. О воз можном способе восстановления лугов и пастбищ на территории осушаемых мелководий Рыбинского водохранилища //Сб. «Проблемы Рыбинского водо хранилища и прибрежных территорий». М., 2011. – С. 91–96.
20. Соколов А.В., Замана С.П., Патлай В.В., Федоровский Т.Г., Киндс фатер В.Я., Соколов С.А. Результаты исследований по отработке в хозяйст венных условиях элементов технологии прямого подсева семян бобово злаковых трав в дернину природных кормовых угодий //Сб. «Многофунк циональное адаптивное кормопроизводство». М., 2011. – С. 129–136.
Редакционно-издательский отдел ГУЗ Сдано в производство 12.10.2011. Подписано в печать 05.12.2011.
Формат 60х 841/16. Объем 1,0 п.л. Бумага офсетная.
Тираж 100. Заказ № _ Участок оперативной полиграфии ГУЗ Москва, ул. Казакова,