Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы. Агроэкологические основы применения цеолитов и отходов производства в системе почва-растение 9
1.1 Влияние техногенеза на состояние окружающей среды 9
1.2 Природные цеолиты и их агроэкологическая оценка использования в земледелии 18
1.3 Экологическая оценка удобрительных свойств отходов производства и направления их использования 27
Заключение 38
2 Время, место условия, объекты и методы проведения исследований 40
2.1 Объекты исследований 40
2.2 Климатические условия 49
2.3 Агрометеорологические условия в годы исследований 51
2.4 Методика выполнения исследований 55
3 Экспериментальная часть 58
3.1 Эффективность различных способов предпосевной обработки семян ячменя 58
3.2 Агроэкологическая эффективность использования удобрительных свойств цеолитов, навоза, торфа, шлаков и биологически активных веществ на ячмене 80
3.2.1 Влияние удобрительных свойств цеолитов, навоза, торфа, шлаков и биологически активных веществ на полевую всхожесть ячменя 80
3.2.2 Влияние цеолитов, шлака, и органических удобрений на фотосинтетический потенциал и чистую продуктивность фотосинтеза растений ячменя 84
3.2.3 Влияние цеолитов, органических удобрений, шлака и биопрепарата "Никфан" на структуру урожая и урожайность зерна ячменя 88
3.3 Влияние цеолитов, шлаковых алюминиевых отсевов, органических удобрений на состав и свойства светло-серой лесной среднесуглннистой почвы 92
3.3.1 Эколого-экономическая эффективность использования удобрительных свойств Сосковских цеолитов и шлака на ячмене 105
Выводы 109
Предложения производству 114
Список литературы 115
Приложения 136
- Влияние техногенеза на состояние окружающей среды
- Климатические условия
- Эффективность различных способов предпосевной обработки семян ячменя
Введение к работе
Сельскохозяйственное использование почв определяет не только уровень обеспечения населения продуктами питания, но также экологическое состояние среды обитания человека. Нарушение экологических законов при использовании земель приводит к падению плодородия почв, к загрязнению водной и воздушной среды, к снижению урожайности сельскохозяйственных культур к ухудшению качества сельскохозяйственной продукции. При этом, влияние сельскохозяйственного производства на состояние экосистем все более усиливается, приводя к негативным последствиям, так как все процессы, связанные с ведением сельскохозяйственного производства, вызывают изменения окружающей среды. При этом трансформация соединений, поступающих в экологическую систему, в первую очередь, происходит в почве. Почва является как фильтром поступающих токсикантов, так и важнейшим фактором их трансформации, местом аккумуляции.
В настоящее время наиболее важной экологической проблемой является загрязнение почв тяжелыми металлами. Тяжелые металлы из почв мигрируют в грунтовые воды и водоемы, а затем потребляются человеком с питьевой водой. Они поступают в растения и, в дальнейшем, попадают в продукты питания растительного и животного происхождения. Частично, тяжелые металлы попадают из почв с испарением и из растений с транспирацией в воздушную среду, а затем через органы дыхания в организм человека. Небезопасны для биоты и человека и физические поля, трансформированные и отраженные скоплениями тяжелых металлов. Под действием тяжелых металлов происходит угнетение практически всего растительного и почвенного мира суши и водоемов. При этом часть изменений накапливается и действует на биоту на генетическом уровне. В связи с эти необходимы исследования по разработке комплекса агроприемов по предотвращению поступления тяжелых металлов в растения и снижению их подвижности в почве. (Савич В.И., Парахин Н.В., Степанова Л.П. и др., 2002).
Актуальность темы. К важнейшим проблемам земледелия относится обеспечение воспроизводства органического вещества и элементов питания в почвах, стабилизация их плодородия, получение устойчивых урожаев растениеводческой продукции при эффективном решении вопросов охраны окружающей среды.
В условиях острого дефицита минеральных и органических удобрений актуальна разработка перспективных и экологически безопасных приемов применения нетрадиционных удобрений, в том числе природных цеолитов и шлаковых отходов, накапливающихся в больших объемах вблизи промышленных районов.
Согласно зарубежному опыту, эффективным методом применения цеолитов является их сочетание с различными наполнителями, в первую очередь, с навозом, торфом,, шлаками, позволяющие получать удобрительные формы высокого качества. Вопросы экологически безопасного использования мелиорантов и удобрительных форм на основе отходов производства и природных цеолитов, действие и последействие этих форм в системе почва-растение в условиях России, разработаны недостаточно. Поэтому возникает необходимость изучения агроэкологической эффективности применения таких мелиорантов в агроценозах зерновых культур, транслокации в них тяжелых металлов, устойчивости культур в условиях техногенной нагрузки на светло-серую лесную почву.
Цели и задачи исследований. Целью нашего исследования было: изучить удобрительные свойства солевых отсевов алюминиевого шлака и цеолит-содержащих трепелов Сосковского и Хотынецкого месторождений Орловской области, определить эффективность внесения их под ячмень и установить сравнительную эффективность различных удобрительных форм на их основе для воспроизводства плодородия деградированных светло-серых лесных почв. Для решения поставленной цели были определены следующие задачи; - установить сравнительную эффективность внесения в почву как мелиоранта цеолитов Сосковского и Хотынецкого месторождений и сорбцион- ных и мелиоративных свойств цеолитов на свойства светло-серых лесных почв, как в чистом виде, так и в сочетании с органическими удобрениями; доказать эффективность удобрительных свойств солевых шлаковых отсевов и возможность их применения на ячмене и установить экологическую целесообразность сочетания удобрительных свойств шлаковых отходов с цеолитами для изменения свойств светло-серых лесных почв и получения экологически чистой продукции; установить экологическую эффективность применения биологически активных веществ в условиях деградированных светло-серых лесных почв; определить влияние цеолитов и шлаков на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов, на численность и видовой состав микроорганизмов в светло-серых лесных почвах; показать действие цеолитов и шлаков на качество и элементный состав зерна ячменя; установить экологически безопасные способы утилизации отходов производства и использования их удобрительных и мелиоративных свойств для воспроизводства плодородия светло-серых лесных почв и повышения посевных качеств семян и продуктивности ячменя; - определить эколого-экономическую эффективность использования цеолитов и шлаков на ячмене в условиях светло-серых лесных почв.
Научная новизна работы. В условиях северной части лесостепи Центрально-Черноземного региона на основе комплексного подхода всесторонне изучено влияние удобрительных и мелиоративных свойств солевых отсевов алюминиевого шлака, цеолитов различных месторождений и способов применения нетрадиционных удобрительных форм на урожайность и качество зерна ячменя, а также изменение свойств светло-серых лесных почв. Научно доказано, что применение цеолитовых туфов, солевых отсевов алюминиевого шлака, как в чистом виде, так и совместно является эффективным приемом в получении высокого и качественного урожая зерна ячменя. Установлены экологиче- ски безопасные способы утилизации отходов производства и использования их удобрительных и мелиоративных свойств для воспроизводства плодородия светло-серых лесных почв и повышения посевных качеств семян и продуктивности ячменя.
Практическая значимость. Доказано, что в разных экологических условиях качество посевного материала ячменя можно повышать применением таких факторов, как низкочастотное облучение, обработка семян шлаком и цеолитом сухим и полувлажным способами, что позволяет их отнести к регуляторам роста и развития растений. Использование цеолитов Сосковского месторождения Орловской области в дозе 10 т/га и его сочетаний с 5 т/га навоза и 1 т/га шлака обеспечивает улучшение агрофизических и физико-химических свойств светло-серых лесных почв, способствует лучшему усвоению растениями макро- и микроэлементов, образованию биологически активных веществ, благоприятно влияющих на всхожесть, рост и физиологическое состояние растений ячменя, и обеспечивает создание экологически устойчивого аг-роландшафта. Использование удобрительных и мелиоративных свойств цеолитов Сосковского месторождения Орловской области и солевых алюминиевых шлаковых отсевов на светло-серых лесных почвах центральных районов России является экономически выгодным и экологически безопасным агротехническим приемом повышения плодородия почв и экологической устойчивости как почв, так и растений ячменя к экстремальным погодным условиям и в зонах экологического риска.
Реализация работы. Изученные удобрительные формы, а также способы их применения прошли производственную проверку в ОАО "Агрофирма-Сосково", структурных подразделениях "Сосковское", "Россия" Сосковского района Орловской области и подтвердили выводы, изложенные в диссертационной работе. Они предложены для внедрения и в других сельскохозяйственных предприятиях Орловской области и региона в целом, с целью создания приемов воспроизводства плодородия деградированных светло-серых лесных почв, а также получения высокого и качественного урожая зерна с использованием местных природных минералов и отходов производства.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на международной научной конференции г. Москва (2005 г.), научно-практических конференциях ОрелГАУ (2004, 2005 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 работ. Приоритетность научных изысканий подтверждена двумя патентами.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, которые включают литературный обзор, описание объектов и методов, экспериментальной части, выводов, списка литературы, состоящего из 188 наименований, в том числе 11 иностранных источников, и 34 приложений. Полный объем работы, включая 18 рисунков и 27 таблиц, составляет 135 страниц печатного текста.
Влияние техногенеза на состояние окружающей среды
Источником самых различных загрязнителей (пыли, ядовитых газов и т.п.) являются отвалы перерабатывающей промышленности. Неблагоприятные экологические последствия нахождения на территории отвалов во многом связаны с загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами.
Их накопление в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, которое по цепочке может распространяться на значительные территории. При этом загрязнение окружающей среды такими элементами, как мышьяк, свинец, кадмий, стронций и другими может представлять непосредственную опасность для здоровья и жизни населения.
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы. Большую сложность и актуальность представляет изучение влияния соединений тяжелых металлов техногенного происхождения на физико-химические свойства почв.
Поведение и функции тяжелых металлов в почвах определяется не только их концентрацией, но и формами нахождения элементов. В свою очередь, локализация тяжелых металлов в тех или иных формах зависит от ряда факторов: количества и состава соединений, унаследованных от материнской породы и поступающих из антропогенных источников, взаимодействия с компонентами почв и почвенных растворов при вторичном перераспределении. Характер этих взаимодействий связан как со свойствами ионов металлов, так и с составом и свойствами почв. Формы нахождения тяжелых металлов в почвах определяют их подвижность, миграционную способность, доступность живым организмам и токсичность (Переломов Л.В., Пинский Д.Л., 2003). С химической точки зрения существует относительно небольшое количество принципиально различающихся форм нахождения тяжелых металлов в почвах: формы, образованные в результате изоморфного замещения и фиксации тяжелых металлов в дефектах кристаллических структур почвенных минералов, осадки малорастворимых солей, сформировавшиеся в результате процессов осаждения или соосаждения совместно с другими малорастворимыми осадками, и собственные минералы тяжелых металлов, ионы тяжелых металлов, адсорбированные на поверхности почвенных частиц (Пинский Д.Л., 1997; Пинский Д.Л., 1998; Добровольский В.В., 1999; Мотузова Г. В., 1999; SpozitoG, 1989).
По мнению Г.В. Мотузовой (1994), в почвах формируется система термодинамически устойчивых в данных условиях соединений, которая в наибольшей мере соответствует природному сбалансированному круговороту веществ. Устойчивость системы соединений химических элементов приобретена в процессе длительной эволюции почв путем последовательной смены этапов мобилизации, перемещения, аккумуляции химических веществ, разрушения неустойчивых в данных условиях соединений и накопления наиболее стабильных из них.
При агроэкологической оценке земель необходимо учитывать не только процессы, связанные с антропогенным воздействием на почву, но и естественные почвообразовательные процессы. Протекание этих процессов в почве зависит от следующих факторов: 1) фактора интенсивности; 2) фактора емкости; 3) фактора кинетики. При этом полнота реакции зависит от степени открытости системы - поступления и удаления вещества, поступления продуктов в почву и удаления продуктов реакции за пределы микрозон и горизонтов. Возможность протекания реакций определяется фактором интенсивности: константами равновесия в окислительно-восстановительных процессах, кислотно-основных реакциях, константах ионного обмена. Все эти константы контролируют рН и Eh среды, активность ионов в твердой фазе и в растворе. Ряд процессов невозможен при менее кислых или более щелочных значениях рН, при больших значениях Eh. Полнота осуществления реакции зависит от массы реагентов: буферной емкости почв и емкости десорбента почвенного раствора,
Свойства почв определяют их сорбционную, миграционную, трансформирующую способность, протекторные функции. В первую очередь, это показатели рН, окислительно-восстановительного состояния, гранулометрический состав, сорбционная емкость по отношению к различным типам сорбции, фракционный состав соединений в почве. На территории России с севера на юг, в основном, распространены следующие зональные типы почв: тундровые, глеево-подзолистые, подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы, каштановые. Кислотность этих почв меняется от рН = 3,5-4,5 в дерново-подзолистых почвах, до рН = 6,0-7,0 в серых лесных и черноземных почвах, В соответствии с рН, с севера на юг закономерно изменяется содержание гумуса и емкость поглощения почв. При кислой реакции среды и избытке воды протекает кислый гидролиз и диспергирование минеральной и органической части почвы. Это приводит к накоплению в почвах более низкомолекулярных фуль-вокислот, по сравнению с гуминовыми кислотами, (Сгк : Сфк = 0,5) в связи с чем, в таких почвах накапливается меньше гумуса -1-2%, что соответствует и меньшей емкости поглощения почвами катионов 5-10 мг-экв./100 г, такие свойства характерны для подзолистых почв. В черноземах при нейтральной реакции среды в групповом составе гумуса преобладают гуминовые кислоты (Сгк : Сфк = 2-2,5). Это способствует большему накоплению гумуса (4-12%) и большей емкости поглощения почвами катионов (50-70 мг-экв./ЮО г почвы).
Климатические условия
Орловская область расположена в северо-западной части Центрального Черноземья, ее территория составляет 24,7 тыс. км . Она занимает северный и западный склоны Среднерусской возвышенности. Протяженность с запада на восток свыше 200 км, с севера на юг - 150 км. В целом территория Орловской области характеризуется сильно волнистым равнинным рельефом, изрезанную глубокими долинами рек, оврагами и балками. Расчлененность рельефа, характер почвенного покрова, хозяйственная деятельность человека определили активное повсеместное развитие процессов эрозии.
На территории Орловской области в направлении с северо-запада на юго-восток в течении теплого периода года, когда вегетируют растения, происходят закономерное увеличение притока прямой солнечной радиации и некоторое сокращение рассеянной. Годовой приток солнечной радиации составляет около 3473 МДж/м2. По сезонам года это тепло распределяется следую-щим образом: зима - 226 МДж/м , весна - 1177 МДж/м , лето - 1675 МДж/м и осень - 495 МДж/м2 Радиационный баланс в целом за год положительный и составляет около 1320 МДж/м2. При этом с марта по октябрь баланс положительный, а с ноября по февраль - отрицательный. В процессе фотосинтеза в основном поглощаются лучи красной и частично сине-фиолетовой части спектра (0,38-0,71 мкм). Для территории Орловской области за теплый период года (с апреля по октябрь) ФАР составляет 1533 МДж/м2, а за год в целом 1818 МДж/м . Продолжительность светового дня возрастает с 15 часов в начале мая до 17 часов к третьей декаде июня, а к концу сентября вновь понижается до 12 часов.
Климат территории умеренно континентальный, с устойчиво холодной зимой и теплым летом. В области преобладают ветры южного, юго-западного, западного и восточного направлений, западные и юго-западные ветры сопровождаются осадками.
Среднегодовая температура воздуха в области составляет 4-5 С. Температура наиболее теплого месяца июля - составляет 17,9-19,6 С, а наиболее холодного месяца - января -9,0-10,5 С. Абсолютный минимум температуры в Орловской области-38 С, максимум составляет 37 С.Среднее число дней,в году со снежным покровом - 123. Дата образования устойчивого покрова - начало декабря, а дата окончания снеготаяния -первая половина апреля. Общая продолжительность периода с положительной среднесуточной температурой составляет 220 дней. Средняя дата начала безморозного периода 2 апреля, окончание - 9 ноября. По средним многолетним данным прекращение заморозков приходится на вторую половину мая. Средние даты осеннего заморозка приходятся на последнюю пятидневку сентября. Продолжительность безморозного периода составляет в среднем 146 дней.
Орловская область относится к полосе произрастания среднеранних и среднеспелых культур. Период со среднесуточными температурами выше 10 С начинается в начале мая и заканчивается в середине октября и продолжительность его в среднем составляет 141 день. Сумма положительных температур 10 С - 2200-2300. За период с температурой 10 С в среднем выпадает 300 мм осадков. Гидротермический коэффициент равен 1,2-1,3, что является показателем достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период. Наиболее засушливые периоды - май и первая половина июня.
Эффективность различных способов предпосевной обработки семян ячменя
Увеличение количества и качества продукции растениеводства - главная задача в развитии сельскохозяйственного комплекса. Центральное звено в решении этой проблемы - семеноводство. Семена, носители биологических свойств, в решающей степени определяют количество и качество получаемого урожая. Ученые и специалисты сельского хозяйства постоянно совершенствуют и разрабатывают новые агроприемы и технические средства для предпосевной стимуляции семян, чтобы улучшить их посевные качества.
Прорастание семян - один из наиболее важных и сложных процессов, влияющих на прохождение всех последующих этапов развития организмов при вегетации растений. Оно характеризуется интенсивным обменом, запасенные питательные вещества претерпевают значительные изменения, превращаясь в жизненно необходимые для организма соединения, которые обеспечивают нормальный рост и развитие зародыша. В продуктивности растений важную роль играют процессы, протекающие в начале развития, обусловливающие подготовку и переход к генеративному периоду.
Естественные условия не всегда благоприятны для нормального развития зародыша, особенно в начальный период, поэтому довольно большое количество семян, жизнеспособных, но не обладающих жизненной активностью, приходится просто впустую выбрасывать в землю. Поэтому необходимо готовить посевной материал, чтобы все жизнеспособные семена всходили и давали урожай. В связи с этим в сельскохозяйственной практике применяют комплекс мероприятий, направленных на повышение продуктивности растений. Особенно необходимы такие средства воздействия, которые могут активизировать прорастание семян и усиливать жизнедеятельность зародыша на начальном этапе. При благоприятных условиях начинается интенсивный рост и развитие зародыша. При оценке качества посевного материала ставятся такие задачи, как: получение достоверной информации по основным параметрам оценки, которая должна быть достаточно информативной для оценки последующего роста и развития растений. При определении всхожести семян можно получить сразу три оценочных показателя - энергию прорастания, всхожесть, массу ростков, каждый из которых характеризует отдельные функции растительного организма, развивающиеся независимо друг от друга, но в целом, характеризующие потенциальную всхожесть семян.
Широкий разброс полученных данных (таблицы, приложения) определяется многими причинами, как естественным состоянием семян, их неоднородностью, надежностью оценочного показателя, так и воздействием исследуемых факторов на посевные качества семян.
В различных экологических условиях качество посевного материала можно повышать различными факторами; такими как низкочастотное облучение, сухая и полувлажная обработка семян шлаком и цеолитом. Применение этих факторов, как показали исследования, повышает энергию прорастания и использование питательных веществ, заключенных, как в самом семени, так и в почве, позволяет формировать высокопродуктивную биомассу и, в целом, запланированный урожай.
Нами было изучено воздействие различных факторов на качество посевного материала ячменя, таких как: низкочастотное облучение семян ячменя в течение 0,5 ч, 1 ч; сухая и полувлажная обработка шлаком и цеолитом.
Данные (табл. в, рис. 3, 4) показывают, что энергия прорастания семян ячменя составила 69,0% и отличалась от показателя лабораторной всхожести на 36,0%, энергия прорастания в варианте полувлажной обработки цеолитом снизилась в сравнении с контролем на 12,4% и составила 56,6%, также снижение наблюдается в вариантах предпосевного облучения в течение 1 часа и сухой обработки шлаком на 4,25%—0,9% и составила 64,75% и 68,1% соответственно. В 2004 г. на семенах ячменя установлено увеличение энергии прорастания только в условиях низкочастотного облучения семян в течение 0,5 ч и сухого опудривания цеолитом - 70,3%.
Как видно из таблицы 6 (рис. 5) длина проростка увеличивается в сравнении с контролем на 0,6-2,9 см.
Так, при воздействии облучения всхожесть увеличилась до 90-94% в зависимости от времени экспозиции; обработка шлаком обусловила увеличение всхожести семян до 89,5-93,5% в зависимости от способа обработки.
