Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ремедиация земель, деградировавших в результате применения органических удобрений 8
1.1. Понятие, причины, виды и типы деградации почв 8
1.2. Загрязнение почв жидкими органическими удобрениями 10
1.2.1. Загрязнение почв бесподстилочным навозом 10
1.2.2. Загрязнение почв в результате применения нетрадиционных органических удобрений (сточных вод и осадков сточных вод) 15
1.2.3. Тяжелые металлы в составе органических удобрений 21
1.3. Влияние органических удобрений на почвенный микробоценоз 26
1.4. Ремедиация загрязненных земель 34
1.4.1. Фиторемедиация загрязненных почв 36
1.4.2. Особенности фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлам 41
Глава 2. Объекты и методы исследования 46
2. 1. Объекты исследования 46
2.1.1. Полевой опыт 46
2.1.2. Вегетационный опыт 49
2.1.3. Характеристика ЖН и СВ, использованных в полевом и вегетационном опыте 50
2.2. Методы исследований 53
2.2.1. Агрохимические методы 53
2.2.2. Микробиологические методы 55
Глава 3. Влияние жидких органических удобрений и растений фиторемедиаторов на физико-химические свойства почв 56
3.1. Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений-фиторемедиаторов на кислотно-основные свойства почв 56
3.2. Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений - фиторемедиаторов на электропроводность и содержание натрия в почве 63
3.3. Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений-фиторемедиаторов на содержание в почве фосфора и калия 71
3.4. Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений-фиторемедиаторов на содержание органического вещества и соединений азота в почве 81
Глава 4. Влияние жидкого навоза и растений-фиторемедиаторов на содержание тяжелых металлов в почве и распределение ТМ и нитратов в почвенном профиле 88
4.1. Влияние длительного ежегодного внесения ЖН и растений - фиторемедиаторов на содержание ТМ в пахотном горизонте почвы 88
4.1.1. Свинец 89
4.1.2. Кадмий 92
4.1.3. Цинк 96
4.1.4. Медь 99
4.2. Влияние однократного внесения ЖН, СВ и растений горчицы белой на содержание ТМ в почве 103
4.3. Влияние ежегодного применения ЖН и выращивания растений фиторемедиаторов на распределение ТМ и нитратов в почвенном профиле 112
Глава 5. Влияние возрастающих доз ЖН и СВ на продуктивность растений фиторемедиаторов 125
5.1. Влияние многократного применения возрастающих доз ЖН на продуктивность амаранта багряного, редьки масличной и горчицы белой 125
5.1.1. Амарант (Amaranthus crwe/tfws) 125
5.1.2. Редька масличная (Raphanus sativus) 127
5.1.3. Горчица белая (Sinapis а/За) 128
5.2. Влияние однократного применения возрастающих доз органических удобрений (ЖН и СВ) на формирование урожая горчицы белой 129
Глава 6. Оценка содержания и выноса N, Р, К и ТМ растениями фиторемедиаторами 132
6.1. Накопление и вынос N,P,K растениями - фиторемедиаторами при ежегодном внесении в почву возрастающих доз органических удобрений 132
6.2. Накопление и вынос N,P,K растениями горчицы белой при однократном внесения в почву возрастающих доз СВ и ЖН 140
6.3. Накопление и вынос ТМ растениями - фиторемедиаторами при ежегодном внесении в почву возрастающих доз органических удобрений 141
Глава 7. Влияние растений горчицы белой на выживаемость и численность Clostridium perfringens в почве после однократного внесения ЖН и СВ 143
Выводы 147
Список литературы 149
Приложения 173
- Загрязнение почв жидкими органическими удобрениями
- Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений - фиторемедиаторов на электропроводность и содержание натрия в почве
- Влияние однократного внесения ЖН, СВ и растений горчицы белой на содержание ТМ в почве
- Влияние однократного применения возрастающих доз органических удобрений (ЖН и СВ) на формирование урожая горчицы белой
Введение к работе
Бесконтрольное применение минеральных (Авдонин, 1982) и органических удобрений может способствовать деградации почв (Минеев, Болышева, 2002). Актуальность изучения влияния жидкого бесподстилочного навоза на свойства почв обусловлена тем, что современное животноводство в нашей стране - это бурно развивающаяся отрасль, которая перешла на технологию, при которой, твердые и жидкие экскременты животных смываются водой. Получаемые стоки могут использоваться как жидкие органические удобрения. С этой же целью во многих странах широко распространено использование промышленных сточных вод (СВ) и их осадков (ОСВ), проблема утилизации которых не менее актуальна.
Нарушение регламентов хранения, транспортировки и доз внесения органических удобрений, может являться источником поступления в почву токсичных соединений: тяжелых металлов (ТМ), дезинфицирующих, моющих, медикаментозных, полициклических органических веществ, а также патогенных микроорганизмов и гельминтофауны с большим сроком выживаемости в окружающей среде.
В нашей стране интенсивное, ненормированное применение бесподстилочного навоза и птичьего помета, некоторых стоков пищевой промышленности негативно отразилось на состоянии окружающей среды: нарушило процессы саморегуляции плодородия почвы, вызвало засоление, деградацию почвенной структуры, химическое и биологическое загрязнение. Засоление деградировавших от применения жидкого навоза почв происходит не только за счет натрия, но и благодаря поступлению в почву чрезмерных количеств соединений питательных макроэлементов - аммония, нитратов, фосфатов, калия. По сведениям Госкомэкологии и Роскомзема в настоящее время в России свыше 2,4 млн. га пахотных земель относятся к сильнодеградировавшим и утратившим свое плодородие в результате бесконтрольного применения бесподстилочного навоза, птичьего помета, твердых бытовыми отходами, осадков сточных вод, избыточно активного ила (Еськов, Тарасов и др., 2004).
Почвы, подвергшиеся длительному систематическому воздействию жидких органических удобрений, чаще всего, представляют собой, так называемые
антропогенные пустыни, - безжизненные пустоши не пригодные для роста большинства высших растений. Рекультивация подобных территорий с помощью обычных технологий, типа экскавации, требует значительных материальных затрат, поэтому большинство таких земель остаются заброшенными, выведенными из сельскохозяйственного использования (Cunningham, Berti, 2000; Ensley, 2000). Почвы, не закрепленные растительные покровом, подвержены ветровой и водной эрозии, то есть, являются источником загрязнения сопряженных экосистем. В этой связи появившаяся технология фиторемедиации вызывает всеобщий интерес и обладает привлекательностью в финансовом плане. Фиторемедиация - это технология очистки объектов природной среды in situ, в которой растение используется для удаления органических и неорганических загрязнителей из почв и вод (Raskin, Ensley, 2000; Terry, Banuelos, 2000; Schnoor, 2002). В настоящее время в России и за рубежом выявлен ряд растений-фиторемедиаторов для почв, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) и радионуклеидами, в то время, как поиск растений-фиторемедиаторов, способных восстанавливать почвы, деградировавшие в результате применения органических удобрений, продолжается.
Культуры, способные очищать почвы, деградировавшие в результате применения навозных стоков, должны быть солевыносливыми, переносить переуплотнение, удалять из почвы значительные количества биофильных макроэлементов, что возможно при условии высокой продуктивности растений.
Целью данного исследования являлось изучение изменений основных агрохимических и биологических свойств дерново-подзолистой почвы, загрязненной в результате длительного внесения жидких органических удобрений, и эффективности фиторемедиации данной почвы амарантом багряным, редькой масличной и горчицей белой. В связи с поставленной целью решали следующие задачи:
Изучить изменение основных физико-химических свойств почвы при применении возрастающих доз жидких органических удобрений.
Исследовать влияние растений-фиторемедиаторов на содержание и перераспределение ТМ и нитратов в почвенной толще при многократном применении органических удобрений.
Изучить влияние возрастающих доз жидких органических удобрений на продуктивность растений-фиторемедиаторов.
Оценить вынос биофильных элементов (N,P,K) и тяжелых металлов (Cd, Pb, Си, Zn) растениями.
Оценить влияние горчицы белой на выживаемость индикаторных анаэробных бактерий (Clostridium perfringens), вносимых в почву с навозными стоками.
Научная новизна Впервые изучены фиторемедиационные свойства амаранта багряного, редьки масличной и горчицы белой при токсических уровнях загрязнения почв ТМ и биофильными элементами в результате применения жидких органических удобрений - жидкого навоза (ЖН) и сточных вод (СВ). Установлено, что горчица белая, редька масличная и, особенно, амарант багряный являются перспективными растениями-фиторемедиаторами на дерново-подзолистых почвах, загрязненных навозными стоками. Эти культуры способны выносить из почвы значительные количества азота, фосфора и калия, аккумулировать сразу несколько ТМ. Амарант багряный препятствует вертикальной миграции элементов загрязнителей по почвенному профилю. Горчица белая, за счет своих бактерицидных свойств, способна подавлять развитие патогенных анаэробных бактерий Clostridium perfringens, попадающих в почву с жидким навозом и промышленными сточными водами.
Практическая значимость Полученные результаты позволяют рекомендовать амарант багряный, редьку масличную и горчицу белую в качестве растений-фиторемедиаторов на дерново-подзолистых супесчаных почвах, загрязненных жидкими органическими удобрениями животного происхождения или стоками пищевой промышленности, а также на почвах с невысоким уровнем (2 ОДК) полиметаллического загрязнения.
Публикации По результатам исследований опубликовано 8 работ. Апробация Основные результаты диссертационной работы были доложены на Международной конференции 11 Nitrogen Workshop (Реймс, Франция, 2001); Международной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004); на XIII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2005» (Москва, 2005); на Международной
научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсообразующее земледелие» (Пенза 2005), на Международной научной конференции «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (Владимир, 2006); на IV Международной научно-практической конференции "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде" (Семипалатинск. 2006), а также на заседаниях кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ (2003; 2004; 2005).
Объем и структура диссертации Диссертация включает введение, обзор
литературы, описание объектов и методов исследования, результаты
экспериментов и их обсуждение, выводы, приложения и список литературы.
Материалы диссертации изложены на 187 страницах машинописного текста,
содержат 26 таблиц, 64 рисунка. Список литературы включает 259
наименований, в том числе 168 на иностранных языках.
Загрязнение почв жидкими органическими удобрениями
Бесподстилочный навоз - это текучая смесь кала и мочи животных, разбавленная или неразбавленная водой, которая иногда включает небольшое количество подстилки и корма. Содержание воды колеблется в среднем от 90 до 98% (Минеев, 1984). Благодаря высокому содержанию сравнительно легкоразлагаемого органического вещества, сбалансированному содержанию основных биогенных элементов и необходимых растениям микроэлементов, навоз и птичий помет издавна считаются ценными удобрениями. Во многих странах с высокоразвитым земледелием рациональное использование отходов животноводства позволяет существенно снизить производство и применение минеральных удобрений. Так, например, в Англии отходы животноводства обеспечивают всю пахотную площадь страны азотом из расчета 75 кг/га, фосфором (Р2О5) - 25 кг/га, калием (К20) - 75 кг/га, что позволяет производить меньше минеральных удобрений. Одновременно решается проблема утилизации отходов животноводства и защиты окружающей среды от загрязнения экскрементами животных и птиц (Орлов и др., 2002). В общей массе органических удобрений жидкий навоз, помет, стоки составляют 20%. Ежегодный объем их производства в РФ превышает 148 млн. т, в том числе жидкий навоз (ЖН) крупного рогатого скота (КРС) - 55, жидкий навоз свиной - 29, жидкий помет птичий - 9, навозные стоки свинокомплексов - 47 млн. т. Установлены примерные значения оптимальных доз и сроков внесения жидких органических удобрений. За расчетную среднюю дозу применения бесподстилочного навоза, помета принимается N200, при орошении - N300-
Коэффициенты использования растениями биогенных элементов из удобрений при применении в оптимальных дозах без орошения составляет, в среднем, для азота -0,5; фосфора - 0,3; калия - 0,8; при орошении для азота, калия - 0,7; фосфора - 0,5 (Тарасов, Кравченко, Иванова, 2000). Количество экскрементов, их химический состав, уровень разбавления зависят от вида, породы, числа животных, режима их кормления, технического оборудования. В среднем, из комплекса по выращиванию коров на 3 тыс. голов ежегодно удаляется 210-215 м3 смеси экскрементов и сточной воды, из комплекса по откорму КРС на 10 тыс. голов - 450-670 м3, а суточный выход навозных стоков из комплекса по откорму свиней производительностью 150 тыс. голов достигает 2000-4000 м3. С учетом потерь навозных стоков в трубах и накопителях эти величины можно считать на 20-25% выше (Рэуце, Кырстя, 1986). Ежегодное количество навоза и стоков в РФ превышает 300 млн. т, то есть в почву поступает свыше 750 тыс. т азота, 310 тыс. т фосфора, 660 тыс. т калия. Для экологически обоснованной утилизации бесподстилочного навоза и помета в качестве органических удобрений требуется не менее 3,8 млн. га сельскохозяйственных угодий, однако их площадь ограничена 1,1 млн. га (Томаров, 2000). Более 110 млн. т жидкого навоза, помета, стоков в целях экономии транспортных и эксплуатационных расходов используются в чрезвычайно высоких дозах на крайне ограниченных площадях - а именно на полях, расположенных вблизи навозо-, пометонакопителей с бессменным травостоем, отсутствием очередности культур в кормовом севообороте, без подсева трав в случае их выпадения (Тарасов и др., 2000; Томаров, 2000). Свыше 30 млн. т бесподстилочного навоза, помета не используется, сбрасывается в овраги, балки, поверхностные водоисточники, причиняя экологический ущерб, оцениваемый по данным на 1999 г в 60 млрд. руб. (Тарасов и др., 2000). Длительное внесение чрезмерно высоких доз бесподстилочного навоза на одних и тех же полях ведет к загрязнению почвенного профиля макро- и микроэлементами.
Отрицательное влияние необоснованно высоких доз бесподстилочного навоза проявляется в ряде позиций (Береснев, 1995): через миграцию питательных веществ по почвенному профилю до грунтовых вод; путем выделения оксидов азота и других веществ в газообразной форме в атмосферу и ухудшения микроклимата; через ухудшение агрохимических свойств и баланса питательных веществ в почве; через накопление нитратов и других питательных элементов в высоких концентрациях в растительной продукции, негативно влияющих на здоровье человека и животных. С поверхностными стоками биогенные элементы и патогены могут поступать в водоемы, стимулируя развитие сине-зеленых водорослей (эвтрофикация водоемов), снижая содержание кислорода в воде, вызывая замор рыбы (Орлов и др., 2002). В результате преимущественно анаэробного брожения бесподстилочного навоза из легкоминерализуемых веществ экскрементов образуются газообразные продукты: аммиак, углекислый газ, сероводород, метан, меркаптан и летучие жирные кислоты. Повышенное содержание аммиака наблюдается в радиусе до 5 км от крупного свиноводческого комплекса. Животноводческий комплекс КРС на 10 тыс. голов загрязняет воздух аммиаком на расстоянии до 2,5-3,0 км (Минеев, 1984). Как известно, около половины общего содержания азота в бесподстилочном навозе находится в аммиачной форме. В зависимости от влажности и температуры аммиачный азот через 2-3 недели после внесения навоза в почву нитрифицируется. Вымывание нитратов приводит к накоплению их в более глубоких горизонтах очвенного профиля (Минеев, 1984). В исследованиях, проведенных в полевых и лизиметрических опытах на дерново-подзолистой супесчаной почве, получены данные о том, что по сравнению с неудобренной почвой систематическое внесение навоза (ежегодное внесение из ресчета 300 кг N на га) увеличило концентрацию нитратов в инфильтрационных водах в среднем на 70,3 мг/л N03 , а потери от вымывания - на 36,8 кг/га N03 - N (Трипольская и др., 2004). Накопление нитратов увеличивает риск загрязнения грунтовых вод и растительной продукции (Семенов, Платонова, 1997). Например, в животноводческих районах США содержание нитратов в грунтовых водах достигало 76 мг/л. В Швеции в 40% из 82 обследованных водоисточников содержание нитратов в воде более 30 мг/л, а в 20% - более 50 мг/л, в то время, как предельно допустимая концентрация нитратов в природных водах составляет 45 мг/л.
Загрязнения почв, снежного покрова и вод местного стока биогенными элементами влечет за собой соответствующие изменения показателей качества фитомассы культур на сельскохозяйственных угодьях, примыкающих к животноводческим фермам и комплексам. Скармливание скоту таких трав может вызвать нитратное отравление (Агроэкология, 2000). Избыток фосфатов, вносимых с навозными стоками, снижает подвижность железа в почве, вызывает хлороз - замедление фотосинтеза в растениях (Бабьева, Зенова, 1989). Фосфор навозных стоков аккумулируется в почве преимущественно в слое 0-40 см, ниже этой глубины содержание этого элемента находится на уровне фона. Поля фильтрации задерживают в верхних слоях почвы до 96% содержащегося в сточных водах фосфора даже после 50-летнего срока эксплуатации. В опытах ВИУА содержание общего фосфора в нижележащих горизонтах почвы через 5 лет практически не изменилось, в том числе и при внесении очень высоких доз бесподстилочного навоза. Однако в литературе есть данные о том, что, несмотря на медленное перемещение фосфора в почве, интенсивное удобрение жидким навозом может приводить к обогащению фосфором более глубоких горизонтов почвы и даже к проникновению его в мелкозалегающие грунтовые воды (Шильников, Аканова, 1995). Калий характеризуется большей подвижностью в почве по сравнению с фосфором. Избыточное накопление калия в почве блокирует усвоение растениями
Влияние однократного и многократного применения жидких органических удобрений и растений - фиторемедиаторов на электропроводность и содержание натрия в почве
Как показано многими исследователями, применение жидких органических удобрений оказывает существенное влияние на общую концентрацию почвенного раствора, особенно в момент внесения удобрений в почву (Kaushik et al, 2005; Gloaguen et al., 2007). В ЖН, в частности, содержится большое количество водорастворимых солей натрия, которые могут накапливаться в почве при многократном применении, вызывая засоление почвы (Еськов и др., 2004). Содержание натрия в жидких органических удобрениях является одним из основных критериев при установлении вносимых доз, особенно на почвах склонных к засолению (накоплению водорастворимых солей и обменного натрия в ППК) (Рэуце, Кырстя, 1986; Овцов, 2001). Дерново-подзолистые почвы не относятся к ряду засоленных, их почвенный поглощающий комплекс, как правило, недонасыщен основаниями, однако при внесении удобрений, содержащих избыточное количество одновалентных катионов, свойства этих слабооструктуренных почв могут ухудшаться, а изменившееся соотношение между одновалентными и двухвалентными катионами в ППК могут неблагоприятно влиять на минеральное питание растений (Гедройц, 1955). Как было показано Gloaguen и др., (2007) внесение жидких органических удобрений в течение 3-5 лет привело к засолению почвы на глубине свыше 1 метра, общая концентрация солей в корнеобитаемом слое была столь высока, что снижала всхожесть кукурузы и других зернобобовых культур. Общая концентрация солей в почвенном растворе характеризуется таким параметром, как электропроводность. Этот показатель, легко измеряемый в полевых и лабораторных условиях, позволяет оперативно оценить концентрацию солей, при которой идет прорастание семян и дальнейшее развитие растений.
Прибор «Land Mapper» ERM-01 позволяет получать данные по электропроводности, выраженные в мг/л. Известно, что величина оптимальной концентрации солей почвенного раствора для большинства сельскохозяйственных культур не должна превышать 1,0 г/л (Практикум...,2001). Для ЖН, который ежегодно вносили в полевом опыте, была характерна высокая электропроводность - 2050 мг/л. В пересчете на сухое вещество, он содержал в среднем 5% Na (табл. 8). Следовательно, при его внесении, в почву поступает от 750 до 1500 кг натрия на гектар. Измерение величины электропроводности под всеми культурами, которые выращивали в полевом опыте, показало, что при внесении ЖН этот показатель вырастал на порядок. Выращиваемая культура также оказывала влияние на величину электропроводности (табл. 14). В 2005 году на вариантах с амарантом багряным через неделю после появления всходов величина электропроводности при внесении ЖН, в дозе N300 была в 6,5 раз выше, чем в контрольном варианте, и в 12 раз при внесении максимальной дозы ЖН (N900). В абсолютных величинах электропроводность на вариантах с ЖН под амарантом багряным колебалась в интервале 200-370 мг/л. На вариантах с горчицей и редькой наблюдаются аналогичные закономерности, а именно рост величины электропроводности и валового содержания Na в почве. Величина электропроводности после появления всходов горчицы белой и редьки масличной составляла 240-440 мг/л. Следует подчеркнуть, что почва под этими культурами в большей мере, чем под амарантом обогащена водорастворимыми солями и натрием (табл.14).
Следовательно, при выращивании редьки масличной и горчицы белой, в почве нарастает содержание элемента, вызывающего пептизацию почвенных коллоидов - натрия. Следует подчеркнуть, что на супесчаной почве опытного участка под всеми культурами величина электропроводности не достигала критических величин, хотя концентрация солей во вносимом ЖН была критической для прорастания культур. Это связано с эффектом разбавления ЖН в почве и инфильтрацией его в нижележащие горизонты. Полученные данные согласуются с результатами, полученными в экспериментах на луговых почвах Kaushik и др., (2005). Интенсивная миграция компонентов свиного ЖН в нижележащие горизонты описана в многочисленных работах американских исследователей, которые основное внимание уделяли миграции азотсодержащих соединений в грунтовые воды (Kanwar et al., 1999; Karlen et al.,1998; Rabalais et al., 2002; Bakhsh et al.,2005). Таблица 14 Влияние ЖН на величину электропроводности и содержание Na в пахотном Общая концентрация солей в почвенном растворе при выращивании редьки и горчицы увеличивается соответственно в 9-16 раз (редька) и в 10-17 раз (горчица) с ростом доз ЖН по сравнению с контролем (табл. 14). Измерение величины электропроводности на всех вариантах опыта под всеми культурами к моменту уборки урожая показало, что она снизилась в среднем в 1,2-1,5 раза под всеми культурами, но под культурами редьки и горчицы оставалась выше, чем под амарантом. Снижение концентрации солей в почвенном растворе из пахотного горизонта к концу вегетации растений в полевом опыте происходит по нескольким причинам: благодаря вмыванию с атмосферными осадками в нижележащие горизонты, потреблению растениями, адсорбции почвенными коллоидами и, возможно, необменной фиксации почвенными минералами.Также, значительный вклад в снижение концентрации почвенного раствора могут вносить микроорганизмы-денитрификаторы (Stepanov, Korpela, 1997).
Содержание натрия в почве может снижаться вследствие его поглощения растениями и вмывания в нижележащие горизонты. В вегетационном опыте использование вегетационных сосудо, имитирующих пахотный слой почвы, не позволяло сильно разбавить концентрацию солей в почвенном растворе и, как следствие этого, величины электропроводности и содержание натрия при однократном внесении тех же, что и в полевом опыте, доз ЖН были значительно выше в течение двух лет проведения исследований. Электропроводность СВ была существенно ниже, чем ЖН (табл.8), что, естественно отразилось на величине этого показателя для водной вытяжки из почвы при внесении СВ. Первоначально, при внесении ЖН и СВ в почву вегетационного опыта до посева растений (табл 15), величина электропроводности увеличилась по сравнению с контролем почти в 50 раз (максимальная доза ЖН), и достигала величины, которая всего на 28% ниже, чем в самом ЖН. При внесении СВ концентрация солей возросла на варианте с максимальной дозой в 10 раз (сравнение с контролем), что только на 23% ниже, чем в самих СВ. Содержание натрия в почве также возросло при внесении органических удобрений, однако при внесении СВ оно было не столь значительным (увеличение в 2-5 раз по сравнению с контролем), нежели при внесении ЖН
Влияние однократного внесения ЖН, СВ и растений горчицы белой на содержание ТМ в почве
Валовое содержание ТМ в почве, использованной в вегетационном опыте, до посева растений горчицы белой и после внесения органических удобрений не превышало ПДК (приложение 9). При внесении всех доз СВ и ЖН, валовое содержание РЬ и Cd в почве достоверно не изменилось. В почве произошло увеличение содержания Zn - на 13 - 19 % при внесении возрастающих доз СВ, что составляет почти 59-63 % от ПДК и на 7-19,6% при внесении доз ЖН, что равно 43-64% от ПДК для этого элемента. Таким образом, при однократном внесении обоих форм жидких органических удобрений в минимальных дозах (100 кг/га N) происходит незначительное накопление цинка в почве. Последующее применение подобных доз СВ и ЖН приведет к увеличению содержания этого элемента в почве до критического (выше ПДК) уровня за 25 лет. При максимальных дозах применения СВ и ЖН возможное превышение ПДК может быть достигнуто за 4-5 лет. Валовое содержание Си в почве достоверно увеличивается при внесении средней и максимальной дозы СВ на 15-31 %, что составляет 18-23% от ПДК, и применение минимальной и максимальной дозы навоза на 13,4 - 29%, что соответствует 18,6-22,7% от ПДК меди для супесчаных почв. Следовательно, при ежегодном внесении СВ в дозе 100 кг/га N ПДК не будет превышена, а при применении ЖН ПДК будет достигаута не раньше, чем через 40 лет. При внесении максимальных доз этих удобрений загрязнение почвы Си можно ожидать через 13-15 лет.
Валовое содержание ТМ в почве без растений оставалось неизменным в первые и второй год проведения исследований (табл. 23). Н.Г. Зырин (1981), Iskander (2001) соотносят количественное содержание металлов-загрязнителей, переходящее в вытяжку 1 М НС1 с валовым содержанием элемента в почве. S.K. Gupta и др. (1996) называют количество металлов, переходящее в эту вытяжку - «psevdo total». Как показывают наши исследования, подтверждаемые исследованиями А.Р.Валитовой (2006), на низкогумусной парующей почве контрольного варианта 1М соляной кислотой экстрагируется от 30 до 40% от валового содержания свинца (рис. 30, табл. 23, приложение 10). При внесении ЖН и СВ содержание свинца, переходящего в солянокислую вытяжку, резко возросло и составило в первый год эксперимента на вариантах с возрастающими дозами СВ 45-55 % от его валового содержания, а на вариантах с увеличивающимися дозами ЖН 55-70%». На второй год исследования содержание кислоторастворимых форм свинца на вариантах с СВ продолжала расти и составила почти 60% от валового количества, а на вариантах с ЖН наметилась некоторое снижение и (или) стабилизация содержания кислоторастворимых форм. Подобное влияние жидких органических удобрений на изменение подвижности свинца в почве нельзя отнести за счет величин кислотности ЖН и СВ, поскольку их рН колебался в интервале 7,0-7,2. Рис. ЗІ Относительное содержание кислоторастворимых форм цинка в парующей почве вегетационного опыта (% от валового содержания). Содержание кислоторастворимых форм Zn в парующей почве на контрольном варианте составляло 22-27 % от его валового содержания (рис. 31, табл. 23, приложение 10). Эти данные свидетельствуют о том, что вытяжку 1 М НС1 нельзя использовать для характеристики валового содержания Zn даже на легких по гранулометрическому составу почвах. Внесение жидких органических удобрений существенно увеличивает долю Zn, переходящего в вытяжку 1 М НС1, однако столь четких, как для РЬ закономерностей не прослеживается (приложение 10). В контрольном варианте парующей почвы от 7 до 13 %
Си находится в потенциально доступной для растений форме (рис 31, табл. 23, приложение 10). После внесения органических удобрений содержание кислоторастворимых форм Си возросло и составило 8-21% от валового ее содержания после внесения возрастающих доз СВ и 15-24% на вариантах с ЖН. На второй год мы наблюдали ярко выраженное снижение содержания Си в вытяжке 1 М НС1. Отмеченные закономерности схожи с поведением тех же форм РЬ в парующей почве (приложение 10). Рис. 32 Относительное содержание кислоторастворимых форм меди парующей почве вегетационного опыта (% от валового содержания).
Влияние однократного применения возрастающих доз органических удобрений (ЖН и СВ) на формирование урожая горчицы белой
Результаты, полученные в вегетационном опыте, свидетельствуют о том, что биомасса горчицы белой, и всхожесть ее семян являются красноречивыми показателями изменений, происходивших в почве при внесении жидких органических удобрений. Еще до получения данных о биомассе растений горчицы мы могли судить о величине критических нагрузок высоких доз ЖН на это растение по всхожести семян (рис. 57). В каждый сосуд было посеяно 32 семени горчицы белой, максимальная всхожесть была зафиксирована на варианте с дозой ЖН 300 кг/га N в 2004 году (30 штук), минимальной она была при внесении 900 кг/га N - 12 штук. На контрольном варианте также отмечено некоторое снижение всхожести и гибель растений сразу после появления всходов, что связано с низким уровнем плодородия почвы. При внесении в почву возрастающих доз СВ прорастало на 30-40 % больше растений горчицы, чем на контрольном варианте, однако их общее число не превышало 24 семян на сосуд. На второй год проведения исследований всхожесть на всех вариантах опыта, кроме тех, где вносили максимальное количество СВ и ЖН, снижалась на 8 - 23%. На вариантах с максимальной дозой ЖН на второй год исследований происходило увеличение всхожести до - 17 семян на сосуд и не происходило последующей гибели растений. Сильное негативное влияние на всхожесть оказывают физические свойства почв, которые подвергаются сильному изменению при внесении высоких доз ЖН и СВ.
Происходит обесструктуривание и слитизация почвы, на поверхности образуется корка, что приводит к нарушению воздушного и водного режима. Токсическое действие на прорастание семян и на последующее развитие растений оказывает высокая концентрация почвенного раствора. Как было показано в главе 3, величина электропроводности и концентрации натрия в почве вегетационного опыта, напрямую определяют всхожесть растений горчицы и величину ее биомассы. Величина биомассы горчицы белой в первый год вегетации (рис. 58) на контрольном варианте была низкой (2,02 г сухого вещества на сосуд), что связано с низким уровнем плодородия почвы. Внесение возрастающих доз СВ приводит к увеличению биомассы в 2,5 - 3,5 раза. Самая большая биомасса (9,55 г/сосуд сухого вещества) была зафиксирована на варианте с внесением навоза в дозе 300 кг/га N, именно эта доза по литературным данным является оптимальной при использовании навоза (Еськов, Тарасов и др., 2004). Второй по величине урожай -7,2 г/сосуд сухого вещества характерен варианту с максимальной дозой СВ.
При увеличении дозы навоза до 900 кг/га азота происходит резкое сокращение биомассы, даже ниже уровня контрольного варианта - до 1 г/сосуд сухого вещества. Такая низкая биомасса горчицы на этом варианте является прямым следствием гибели всходов. Высокие концентрации элементов в растворе создавались за счет малого объема сосудов (отсутствие оттока в нижележащие горизонты), в отличие от полевого опыта, в почве которого происходило разбавление токсических концентраций почвенного раствора, за счет равномерного распределения элементов в почвенной толще. На второй год при изучении последействия применения СВ и ЖН было отмечено некоторое снижение величины биомассы горчицы практически на всех вариантах, что, по-видимому, связано с эффектом «почвоутомления», исключение составил вариант с максимальной дозой ЖН, на котором произошло увеличение биомассы в 5 раз по сравнению с предыдущим годом. Следовательно, уже на второй год после внесения происходит существенное снижение негативного воздействия высоких доз ЖН на рост и развитие растений 131 Потребление и вынос основных биофильных элементов, которые поступают в почву при внесении сверхвысоких доз органических удобрений, растениями-фиторемидиаторами рассматривается не как показатель качества растительной продукции, а как важная способность этих растений очищать почву. Наличие таких качеств у растения является основополагающим критерием при рассмотрении возможностей его использования для очистки почв от чрезмерно высоких концентраций азота, фосфора и калия (Рэуце, Кырстя, 1986). Интенсивность процесса удаления поллютантов из почвы зависит от поглотительной способности растения по отношению к этим элементам (Пурмаль, 1998). По этому принципу следует подбирать растения для очистки почв от избыточных количеств питательных элементов. Вторым критерием для выбора растений-фиторемедиаторов служит величина биомассы, которую растение способно накапливать за вегетационный период. Многими исследователями было показано, что ярутка полевая может накапливать до 1-2% ТМ в своей биомассе, но ее биомасса так невелика, что ощутимого фиторемедиирующего эффекта нужно ждать долго (Душенков, Раскин, 2000). Растения амаранта, редьки и горчицы, безусловно, отличались друг от друга как в отношении накопления в своей биомассе N,P,K, так и по величине образуемой биомассы (рис. 54, 55, 56; табл. 24; приложение 11). Растения горчицы белой накапливают в своих тканях наибольшее количество азота и фосфора, причем при внесении ЖН содержание N и Р в растениях горчицы увеличивается примерно в 1,5-2 раза по сравнению с контрольными вариантами. Амарант и редька занимают второе место по накоплению азота в своих тканях, его содержание в этих растениях так же увеличивается при внесении максимальной дозы ЖН в 2 раза. По накоплению фосфора амарант занимает второе, а редька третье место, причем, при внесении возрастающих доз ЖН мы не наблюдали столь существенного (как в случае с азотом) увеличения накопления этого элемента растениями.
Следовательно, высокий вынос фосфора из почвы амарантом и редькой в основном будет обусловлен способностью этих культур давать высокий урожай. По накоплению калия изучаемые нами растения можно поставить в следующий ряд по убыванию содержания данного элемента в их тканях: амарант багряный горчица белая редька масличная (табл. 24). Всем культурам было характерно увеличение поглощения калия в 1,5-2 раза при внесении возрастающих доз ЖН. Совместное внесение ТМ с ЖН оказывало, в основном, отрицательное воздействие на поглощение NPK амарантом и редькой масличной, то есть намечалась тенденция к снижению поглотительной способности растений, но были и исключения. В растениях горчицы наблюдалось существенное увеличение содержания фосфора на вариантах с внесением ТМ совместно с ЖН в дозе 900 кг/га N в 2003 и 2004 г. Следует отметить, что содержание NPK в растениях горчицы в 2004 году существенно не отличалось от такового в 2003 и 2005 годах, отсюда можно сделать вывод, что негативные погодные условия не отразились на способности этой культуры поглощать элементы загрязнители, а снижение показателей выноса NPK из почвы связано только со снижением урожая этой культуры.