Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса 11
1.1. Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность 15
1.2. Влияние тяжелых металлов на величину и качество урожая сельскохозяйственных культур Устойчивость культурных растений к воздействию тяжелых металлов 29
1.3. Торфяники как уникальное природное образование. Классификация. Экологическое значение в биосфере 34
1.4. Торфяные ресурсы России, их изученность и результаты использования в народном хозяйстве 41
1.5. Использование торфяников в зарубежных странах 50
1.6. Основные принципы международных стандартов на системы управления охраной окружающей среды и на системы управления качеством продукции 52
Глава 2. Загрязнение сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами и ее качество. экологический подход 63
2.1. Объекты и методы исследований 63
2.2. Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая 67
2.2.1. Влияние тяжелых металлов па рост и развитие пшеницы и бобов 70
2.2.2. Влияние тяжелых металлов на оводненность листьев пшеницы и бобов 73
2.2.3. Влияние тяжелых металлов на урожай зерна и его качество 74
2.3. Содержание тяжелых металлов в растениях в разные фазы развития 90
2.4. Влияние тяжелых металлов на содержание химических элементов в пшенице и бобах 105
2.5. О металлотолерантности сельскохозяйственных растений и токсичности тяжелых металлов 132
2.6. Верхние критические концентрации тяжелых металлов в растениях как один из критериев для разработки ПДК 146
2.7. Влияние тяжелых металлов, внесенных в почву с осадком сточных вод, на урожай и качество продукции 160
ВЫВОДЫ 174
Глава 3. Экологическое и экономическое обоснование рационального использования торфа в сельском хозяйстве 176
3.1. Сравнительная эффективность основных направлений использования торфа 176
3.2. Производство и применение питательных грунтов на основе торфа 193
3.2.1. Обоснование исследований 193
3.2.2. Характеристика сырья для производства торфогрунтов. Методика и условия проведения опытов 198
3.2.3 Схемыопытов 200
3.2.4. Результаты исследований.
Улучшение качества торфогрунтов 206
3.2.4.1. Влияние минерального питания и возраста рассады на ее качество и урожай капусты 206
3.2.4.2. Влияние цеолита и глины на качество рассады и урожай капусты 224
3.2.4.3. Влияние ретардантов роста на качество рассады овощных культур 232
4 Малообъелтая ресурсосберегающая технология производства рассады овощных культур на торфоплитах 235
Выводы 240
Системы качества в сельскохозяйственном производстве как один из путей получения экологически безопасной продукии 244
Основания для разработки системы управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях 244
Методические подходы при разработке систем управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях в соответствии с международными стандартами 265
Сертификация технологий в сельском хозяйстве как метод контроля получения экологически безопасной продукции заданного качества 289
Общие выводы 297
Научно-практические рекомендации 300
Список цитируемой литературы
- Влияние тяжелых металлов на величину и качество урожая сельскохозяйственных культур Устойчивость культурных растений к воздействию тяжелых металлов
- Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая
- Производство и применение питательных грунтов на основе торфа
- Основания для разработки системы управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях
Влияние тяжелых металлов на величину и качество урожая сельскохозяйственных культур Устойчивость культурных растений к воздействию тяжелых металлов
В настоящее время хорошо известно, что избыток ТМ в почве приводит к снижению урожая сельскохозяйственных культур. Эксперименты проводились на разных типах почв с различными растениями и разными дозами металлов. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что степень угнетения растений и снижения урожая зависит от свойств почвы, от характеристики металла, от времени трансформации поступивших соединений ТМ, а также от биологических особенностей изучаемых культур. Подробно этот вопрос освящен в главе 2.2.
Немногочисленны и противоречивы данные о влиянии повышенных концентраций тяжелых металлов в почве на качество получаемой на них сельскохозяйственной продукции. Этот вопрос также подробно представлен в разделе 2.2.3.
Еще большую остроту и значимость вопрос поведения ТМ в природной среде получил после появления в печати сведений об отравлениях и заболеваниях человека и животных, вызванных избытком элементов в растительной пище. Например, в Японии употребление в пищу риса, загрязненного кадмием, вызвало многочисленные случаи тяжелого специфического заболевания итаи-итаи (Purwes, 1977). В США отмечена связь между повышенным содержанием кадмия в зерновых культурах и частотой заболевания гипертонией (Минеев, Макарова, Тришина, 1981).
С этого периода большое внимание стало уделяться поведению (закреплению, высвобождению доступной для растений формы) металлов в почве, интенсивно начала изучаться реакция самих растений на высокие концентрации металлов в среде обитания.
Биологов давно интересуют ответные реакции растительного организма на неблагоприятные факторы окружающей среды. Известны многочисленные работы, касающиеся метаболизма растений в условиях засоления, механизмов адаптации их к стрессам различных типов жаро- и засухоустойчивости растений (Удовенко, 1976, 1979; Альтергот, 1976; Генкель, 1979) и другие публикации, рассматривающие устойчивость растений к различным неблагоприятным факторам.
Несмотря на большие успехи в этой области, неясным остается вопрос о том, существует ли только один механизм устойчивости, объединяющий все ее виды, или имеются различные механизмы к засухе, избыточной концентрации ионов, холоду и т.д. В настоящее время высказывается мнение (Растения в экстремальных..., 1983), что реакция растений на неблагоприятные факторы носит все же неспецифичный характер. Поскольку избыток металлов в окружающей среде можно рассматривать как один из неблагоприятных для растений факторов, то устойчивость растений к ТМ приобретает дополнительный интерес. Еще в начале 50-х годов Д.Н.Насонов и В.Я.Александров (1940) высказали предположение, что соли ТМ действуют на коллоидное состояние протоплазмы так же, как и другие агенты: уже в слабых концентрациях они вызывают обратную, а затем необратимую коагуляцию протоплазмы и ядра. Понятие не специфичности, единства молекулярного механизма ряда реакций клетки на отрицательные воздействия развивается и в настоящее время. Несомненно, что нельзя рассматривать ответную реакцию организма только на клеточном уровне, хотя это, по мнению Г.В.Удовенко (1976), можно считать как первичное (основное) нарушение, обусловленное непосредственным действием стресса на клетку. Г.В.Удовенко (1979) указывает на существование нескольких механизмов адаптации растений к стрессам: на клеточном, организменном и популяционном уровнях. Однако работ, посвященных изучению ответных реакций растений на избыток ТМ в среде обитания, еще мало. Поэтому составить цельную картину влияния металлов на растительный организм пока очень сложно. В этом вопросе мы разделяем точку зрения В.Ф.Альтергота (1976), по мнению которого не специфичность реакции организма проявляется прежде всего на начальных этапах воздействия, при усилении же его наблюдаются разнообразные ответные реакции.
Наиболее общим и, вероятно, первичным звеном неспецифических механизмов ответной реакции растительного организма на внешние воздействия, как считает Н.В.Приходько (1977), являются клеточные мембраны, и степень изменения проницаемости мембран в экстремальных условиях в значительной мере определяет результирующую надежность системы. Важную роль мембран в формировании защитно-приспособительных реакций организмов при неблагоприятных воздействиях среды, подчеркивает Т.В.Чиркова (1983). Ею было показано, что повышенная стойкость, характерная для приспособленных к неблагоприятному воздействию растительных организмов, в большей мере определяется состоянием липидного компонента мембран. По отношению к ТМ существует мнение (Стоянов и др., 1980), что они, по-видимому, нарушают структуру клеточных мембран и дестабилизируют транспорт ионов, как ближний, так и дальний.
Наиболее общими, малоспецифичными проявлениями токсичного действия ТМ, как полагают А.В.Косицин и Н.В.Алексеева-Попова (1983), можно считать торможение роста, хлороз и нарушение водного обмена. Они наблюдались у многих растений на ранних стадиях угнетения от избытка почти всех ТМ, и, по-видимому, имели вторичный характер.
В то же время работами многих исследователей показано, что металло-устойчивость растений в пределах геохимических аномалий имеет строгую избирательность к металлу, воздействию которого подвергается популяция. Данные Н.В.Алексеевой-Поповой с соавторами (1983), A.D.Bradshaw (1981) свидетельствуют о том, что устойчивость популяций к свинцу не обязательно сопровождается устойчивостью к другим металлам, т.е. можно говорить о специфическом характере устойчивости.
Достаточно интересным в теоретическом плане и важным в практическом отношении является вопрос устойчивости к ТМ культурных растений. В подавляющем же большинстве работ изучалась дикая травянистая растительность естественно обогащенных ТМ территорий (Петрунина, 1965) и на заброшенных шахтных отвалах (Towett, 1958; Hogan, Ranser, 1979, Bradahaw, 1981 и др.). По нашему мнению и мнению других исследователей, в настоящее время существует недостаток информации, касающейся устойчивости сельскохозяйственных культур к повышенным концентрациям ТМ в окружающей среде. Дело в том, что изучение металлотолерантности культурных растений имеет свои особенности. Для пояснения вышесказанного следует привести точку зрения Б.П.Строганова (1962) о солеустойчивости растений, который считает необходимым различать два аспекта этого понятия - биологический и агрономический.
Влияние тяжелых металлов на рост, развитие, оводненность тканей, величину и качество урожая
Торможение роста, хлороз и нарушение водного обмена относится к наиболее общим, малоспецифичным проявлениям токсического действия ТМ (Алексеева-Попова, Косицин, 1983). Известно, что рост, являясь интегральным показателем, характеризует приспособление растений к условиям среды (Климаченко, 1973). Его также можно рассматривать как сложный процесс, суммарное выражение физиологического состояния растений (Альтергот, 1965). Рост и развитие растений нельзя отделить друг от друга, так как почти любой процесс развития связан с ростом (Либберт, 1976), в том числе величина и качество урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому целесообразно рассмотрение этих величин в одной главе.
Влияние ТМ на рост и развитие сельскохозяйственных культур исследовалось многими авторами, в частности Р.И. Первуниной, Н.Г. Зыриным (1980), В.Б. Ильиным, Г.А. Гармашом, Н.Ю. Гармаш (1985), Ж.З. Гуральчу-ком (1986), Ф.Л. Гольдбергом с соавторами (Goldberg, Gorbarino, Genevini, 1980), А Зортебергом (Sorteberg, 1982) и др., которые показали, что высокие концентрации металлов значительно угнетают рост растений.
Установлено, что избыток тяжелых металлов отрицательно действует на растение, вызывает тератологические изменения, а также хлорозы и некрозы как отдельных частей, так и всего растения (Колесникова, 1978; Школьник, 1981; Марусина, 1981; Bogges, 1978; Khan, Frankland, 1983 и др.).
Исследований, касающихся влияния ТМ на оводненность тканей растения, немного. По данным А.В. Косицина с соавторами (Косицин, Алексеева-Попова, Игошина, 1983), свинец вызывал снижение оводненности тканей у астры альпийской и повышение содержания в них сухого вещества. Изучив различные по устойчивости к свинцу группы растений, авторы пришли к выводу, что сильнее всего этот показатель меняется у неустойчивых растений, более устойчивые же - противостоят этому воздействию. Аналогичный факт отмечен в работах И.Т. Йорданова, М.Т. Меракчийской (1976), S.D.Lane, E.S.Martin (1980). Однако имеются данные, что растения реагировали на избыток ТМ в тканях путем увеличения их гидратации (Faber, Niezgoda, 1980).
Большинство публикаций по вопросу влияния ТМ на культурные растения так или иначе связано с изучением действия на урожай. Твердо установлено, что высокие концентрации металлов в среде обитания снижают урожай сельскохозяйственных растений (Покровская, 1980; Обухов и др., 1980; Скрипниченко, Золотарева, 1981; Гармаш, 1983, 1985; 1986; Rahimi, Buseler, 1979; Sauerbeck, 1983, Сизов, Хомяков, Хомяков, 1990; Ильин, 1991; Черных, 1995; Овчаренко, 2000 и др.). Степень снижения урожая и количество металлов в среде обитания, вызывающее это снижение, у разных авторов сильно различаются, так как изучались разные культуры, разные по своей буферной емкости субстраты, разные формы вносимых металлов, кроме того, сами опыты проводились в разных гидротермических условиях. Поэтому сравнение и использование этих сведений сопряжено с большими трудностями.
Установлено, что статистически значимое падение урожая соломы овса в вегетационном опыте (через 8-Ю лет после внесения металлов в почву) на дерново-подзолистой среднеокультуренной почве происходило при дозе Cd 50 мг/кг, а вики и люпина - 20 мг/кг. При содержании Cd 100 мг/кг бобовые культуры погибли. Достоверное падение урожая бобовых на этой же почве произошло при содержании свинца 500 мг/кг, зерновых - 1000 мг/кг. На дерново-подзолистой неокультуренной почве вика и люпин погибли уже при дозе цинка 1000 мг/кг, тогда как падение урожая овса происходило только при содержании его 2000 мг/кг (Черных, 1995).
Снижение урожая петрушки, выращиваемой на среднесуглинистой неокультуренной почве (рН 4,3), наблюдалось при внесении 1,0 мг/кг Cd, на тяжелосуглинистой окультуренной (рН 5,1) при внесении 3,0-5,0 мг/кг (Си-доренкова, 1999). По данным этого же автора в вегетационных опытах добавление кадмия в дозах 0,25-5,0 мг/кг на дерново-подзолистых почвах разного механического состава и выщелоченном черноземе не оказало отрицательного влияния на урожай пшеницы, гороха, картофеля, моркови и редиса.
Результаты вегетационных и микрополевого опытов показали, что внесение в кислую тяжелосуглинистую дерново-подзолистую почву цинка в дозах 300 и 500 мг/кг приводило к резкому снижению урожая моркови и свеклы или к его гибели (Овчаренко, 2000).
При внесении в дерново-подзолистую супесчаную почву кадмия в количестве 5 мг/кг, цинка - 300 мг/кг, меди - 150 мг/кг и свинца - 100 мг/кг происходило сильное снижение урожая лука и картофеля, посадки свеклы и картофеля погибли (Гришина, 2001).
На дерново-подзолистой почве, загрязненной в одном случае кадмием в дозах 5 и 10 мг/кг, а в другом свинцом в дозах 200 и 500 мг/кг почвы, не наблюдалось выраженного отрицательного влияния на рост и развитие растений зерновых культур (Соловьева, 2002).
При выращивании растений ячменя обыкновенного сорта Дина и овса посевного сорта Фаленский в сосудах с песком 50%-ное по сравнению с контролем уменьшение длины корня у ячменя наблюдали при концентрации кадмия 200 мг/кг, а у овса - 600 мг/кг. Накопление биомассы этими культурами под действием различных концентраций кадмия ингибировалось в меньшей степени. Только применение высоких концентраций (800 и 1000 мг/кг) приводило к снижению по отношению к контролю накопления биомассы обоих злаков на 50% и более (Титов, Лайдинен, Казнина, 2002).
Загрязнение почвы кадмием в условиях вегетационного опыта в дозах 5 и 50 мг/кг способствовало снижению массы растения яровой пшеницы на 7 и 46% соответственно. Под действием кадмия уменьшалась не только масса зерна с 0,50 до 0,43 г/растение на фоне 5 мг Cd и до 0,28 на фоне 50 мг Cd /кг почвы, но и соломы - с 0,76 до 0,75 и 0,40, а также масса половы - с 0,20 до 0,19 и 0,12 соответственно (Серегина, 2004).
Производство и применение питательных грунтов на основе торфа
В полевых севооборотах на торфяниках следует ограничивать площади пропашных культур, ускоряющих минерализацию торфа, кроме картофеля. Торфяная почва срабатывается под картофелем вдвое быстрее, чем под многолетними травами (табл. 42). Однако картофель увеличивает годовой выход зерновых единиц с гектара в сравнении с травами в 2,7 раза и сокращает срок окупаемости потерь торфа полученной продукцией. Поэтому в районах с достаточными ресурсами торфяных почв возможна интенсивная пропашная культура. Она во много раз выгоднее, чем использование торфа на компост. Кроме того, семенные клубни, полученные в холодных торфяных почвах, на 10-20 % продуктивнее клубней, выращенных на минеральных почвах. При урожае 300 ц/га высококачественным семенным материалом можно обеспечить 8-10 га и получить дополнительно на дерново-подзолистых почвах 12-15 т товарных клубней. На каждую тонну минерализованного торфа с учетом семенного эффекта картофель обеспечивает в 2,0-2,5 раза больше зерновых единиц, чем многолетние травы при урожае сена 80-100 ц/га. Дополнительно в качестве удобрения поступает 20-30 т/га зеленой картофельной ботвы, которую необходимо предварительно скашивать, измельчать и смешивать с почвой при машинной копке клубней.
Среди сельскохозяйственных культур многолетним травам принадлежит особая приоритетная роль в улучшении гумусного состояния почв и их физической мелкокомковатой структуры, а бобовым травам - в накоплении природного биологического азота, заменяющего дорогостоющий азот минеральных удобрений. На каждую кормовую единицу травы оставляют в почве в 1,5-2,0 раза больше корней, чем кормовые и пропашные культуры. Травы активно на 189 капливают в почве лабильное органическое вещество и элементы питания растений. Вспаханный плугом с предплужниками травяной пласт и оборот пласта в Нечерноземье являются лучшими предшественниками в севообороте для других культур. Травы защищают почву от ветровой и водной эрозии, почвенный профиль от потерь макро- и микроэлементов, предотвращают загрязнение грунтовых вод и водоисточников за счет многократного сокращения поверхностного стока и перехвата вымываемых веществ глубокой корневой системой в подпахотных горизонтах.
Плотный культурный травостой снижает засоренность почвы, не уступая чистому пару. При этом травы дают продукцию, а пар требует дополнительных энергозатрат на уход за ним и является источником потери гумуса в почвах. Травы дезинфицируют почву и, формируя раннюю биомассу первого укоса, разгружают основной период уборки урожая. При двух-трехлетнем пользовании они уменьшают энергозатраты хозяйства и расход горючего за ротацию севооборота путем сокращения объема работ на пахоте, культивации и посеве. Освоение севооборотов с многолетними травами в Нечерноземье — первоочередная задача повышения культуры и продуктивности земледелия и животноводства при минимальных затратах и высоком экономическом эффекте (Кирю-шин, Ганжара, Титлянова и др., 1993).
Культурные травосмеси при правильном выращивании и использовании гарантируют в наших условиях устойчивость кормовой базы молочного стада. Зеленые корма в пастбищный период и обильное кормление высококачественным сеном в зимний стойловый период - основа высокой молочной и мясной продуктивности. На минеральных почвах в благоприятные годы многолетние травы дают два полноценных укоса, а в неблагоприятные обычно гарантируют один укос. На мелиорированных и окультуренных торфяных почвах, располагающих повышенными запасами продуктивной летней влаги и доступного азота, получают два полноценных урожая трав (Научные труды Кировской луго-болотной опытной станции, 1993). При использовании бобово-злаковых травосмесей и бобовых трав животными исключается перерасход кормов, достигающий 25% из-за распространенной белковой недостаточности. Травы в зеленом, высушенном состоянии и силосной массе обеспечивают наиболее дешевую кормовую единицу, что может служить основой снижения себестоимости производства молока и мяса.
По окупаемости приема известкования кислых почв и экономии азотных минеральных удобрений люцерна, клевер и другие бобовые травы не имеют себе равных. Поэтому известковать следует в первую очередь поля, отводимые под бобовые растения и бобово-злаковые травосмеси. На торфяных почвах травы наиболее устойчивы к жесткому температурному режиму и являются лучшим средством экологической защиты от разрушительной сработки торфяника и основой эффективного пролонгированного торфопользования (Скоропанов, 1968).
Система удобрения - основа расширенного воспроизводства плодородия и культурного преобразования торфяных почв, их ресурсосберегающего и рентабельного использования в комплексах мелиорации и земледелия. Вместе с тем, это центральное звено научно обоснованного регулирования антропогенно-биологического круговорота веществ в земледелии и животноводстве путем их воспроизводства на фермах, в полях севооборота и промышленности и рационального использования в агроценозах.
В зависимости от стадии развития торфяника и почвенно-климатической зоны необходимо применять дифференцированные системы удобрений. Например, на вновь осваиваемых торфяниках необходимо применение полной дозы минеральных удобрений (NPK) как на севере, так и в южных районах Нечерноземной зоны. В период пролонгированного использования торфяной почвы азотные удобрения эффективны лишь в северной части Нечерноземной зоны. Выработанные деградированные торфяники на заключительном этапе развития также нуждаются в полном минеральном удобрении независимо от широты их расположения.
Основания для разработки системы управления качеством в сельскохозяйственных предприятиях
Для повышения продуктивности растений необходима максимально полная мобилизация их потенциальных возможностей в процессе формирования урожая. Минеральное питание - один из важных и регулируемых фак торов решения этой задачи. Оптимизация минерального питания достигается только в том случае, если растение обеспечивается одновременно оптимальными количествами N, Р, К, Са, Mg, S, Fe, Си, Zn, Mn, Со, Mo, В. Следует отметить, что под оптимальными подразумеваются содержания элементов питания в субстрате, которые позволяют получить максимальный для данных условий урожай при минимальных затратах минеральных удобрений.
Все большее внимание исследователей привлекает так называемое биологическое земледелие, смысл которого заключается в ограниченном использовании (или даже исключении) химических средств. Этот тезис не выдерживает никакой критики при выращивании зерновых, кормовых, овощных и других культур на почвах Центрального экономического района РФ. В то же время, при выращивании рассады овощных культур с использованием малообъемной технологии на торфоплитах сухого прессования это вполне реально. В связи с этим частично или полностью исключалось внесение минеральных удобрений в торфоплиты за счет введения в них биоудобрения бамила. Бамил - микробное гранулированное удобрение, полученное при биологической переработке сточных вод свиноводческих комплексов и состоящее из высушенной биомассы микроорганизмов активного ила, микробных метаболитов и органических компонентов осадка сточных вод. Отличается от других органических удобрений высоким содержанием азота (5%), фосфора (1,8%), калия (0,8%), кальция (3,4%) и магния (0,5%). Разработан во ВНИИСХМ, г. Санкт-Петербург (Архипченко, 1995). В вегетационных и полевых опытах с внесением бамила под разные культуры было выявлено повышение урожайности сельскохозяйственных культур (Архипченко, 1996). В присутствии бамила активизировалась деятельность представителей почти всех физиологических групп микроорганизмов, увеличивалось содержание доступного органического вещества, обогащенного азотом, увеличивалась минерализация органического вещества самой почвы (Кутузова, Сирота, Орлова, Воробьев, 2002).
Одним из существующих способов улучшения свойств торфяных субстратов может быть применение в качестве компонентов таких природных материалов, как вермикулит, каолинит, монтмориллонит и другие. Особый интерес вызывает использование в качестве минеральных добавок природных цеолитов, которые могут избирательно поглощать и обменивать определенные виды катионов, являются эффективными регуляторами режима питания растений, особенно азотно-калийного.
Цеолиты как тепличный субстрат стали использоваться в середине 1980-х гг. В этот период была предпринята попытка их широкого применения в отечественном овощеводстве без достаточно серьезного предварительного и всестороннего изучения. Работу перенесли на производственные площади, и сразу стали появляться вопросы, как удобрять и поливать растения, следует ли предварительно насыщать цеолиты элементами питания.
Было установлено, что емкость поглощения цеолитов зависит от типа (месторождения) цеолита, а скорость насыщения - от размера фракций, концентрации насыщающего раствора, элемента питания (Субстраты и питание. Тепличный практикум. 2002). Известно, что использование цеолитов способствует значительному снижению содержания водорастворимых форм аммонийного азота и калия (Перфильева, Алексеева, Сысоева, 1991).
Проведение экспериментов с цеолитами затруднительно из-за значительной территориальной отдаленности их месторождений. К наиболее близким по свойствам к цеолитам материалам относятся природные глины, имеющие сложное кристаллическое строение, высокую дисперсность и поглотительную способность, наличие химически связанной воды. Поэтому внесение глины в торфоплиты и торфогрунты может приводить к улучшению их качества: увеличению прочности и связности при набухании и обеспечению растений элементами минерального питания на весь период роста рассады.
