Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Плодородие, экологическое состояние земель сельскохозяйствен
ного назначения и потребность земледелия в мелиорантах 11
Уровень плодородия почв и потребность в химических мелиорантах ....11 Экологическое состояние земель сельскохозяйственного назначения.... 14 Ассортимент и объемы применения химических мелиорантов для
повышения плодородия почв 16
Глава 2. Объекты, методы исследований и нормативная база 22
Глава 3. Агроэкологическая оценка металлургических шлаков 34
Феррохромовые самораспадающиеся шлаки 34
Биологическая роль хрома 35
Содержание и поведение хрома в почвах 37
Агроэкологическая оценка феррохромовых шлаков 43
Влияние биологических особенностей растений и известковых
удобрений на фитотоксичность хромовых соединений 60
Оценка загрязнения хромом почв Свердловской области 76
Эффективность доменных и конвертерных шлаков 102
Глава 4. Зола от сжигания бурых углей как химический мелиорант
для кислых почв 117
Состав, свойства золы и технологические особенности ее
применения для удобрения почв 117
Действие буроугольной золы на свойства почв и продуктивность
сельскохозяйственных культур 123
Токсикологическая оценка золы бурых углей 139
Биологическое тестирование золы 156
Глава 5. Особенности использования белитового шлама для
нейтрализации реакции почвенной среды 167
Эффективность белитового шлама в зависимости от размера частиц... 167 Содержание тяжелых металлов и токсичных элементов в растениях
клевера при удобрении белитовым шламом 175
Влияние конверсионного мела на транслокацию стронция в системе
почва-растение 175
Глава 6. Технологические аспекты применения нетрадиционных
химических мелиорантов в земледелии 178
Требования к зерновому составу гранулированных мелиорантов 178
Гранулирование природного мела 193
Сравнительная оценка гранулированных известковых удобрений 198
Глава 7. Агроэкологическая оценка фосфорсодержащих мелиорантов...208
Состав и особенности апатит - штафелитовых руд 208
Агроэкологическая оценка апатит-штафелитовых руд 212
Эффективность фосфатно-карбонатных пород 220
Влияние Камышинской фосфоритной муки на урожайность
сельскохозяйственных культур и плодородие почвы 223
Глава 8. Реабилитация земель, загрязненных тяжелыми металлами
в результате применения осадка городских сточных вод 227
Приемы экологической реабилитации загрязненных почв 227
Сравнительная оценка эффективности нетрадиционных химических
мелиорантов, применяемых в качестве детоксикантов 231
Особенности накопления тяжелых металлов различными культурами..248 Влияние видов удобрений на урожайность растений и транслокацию
тяжелых металлов в системе почва-растение 251
Выводы 266
Предложения производству 269
Список литературы 270
Приложения 303
Введение к работе
Кризис в сельскохозяйственном производстве нашей страны привел к резкому сокращению объемов применения минеральных и еще в большей степени известковых удобрений. В структуре затрат на применение химических мелиорантов, в отличие от минеральных удобрений, большую часть составляют расходы на их перевозку. Поэтому, расширение ассортимента известковых удобрений, снижение их стоимости за счет использования нетрадиционных химических мелиорантов могут существенно увеличить объемы применения средств химизации для повышения плодородия почв. Объемы ежегодно поступающих в отвалы нетрадиционных химических мелиорантов, превышают 20 млн. т. С учетом запасов, находящихся в отвалах, для мелиорации кислых почв можно использовать ежегодно десятки миллионов тонн таких мелиорантов. Ограничивающим фактором в их применении, в основном, является токсикологическая оценка. В соответствии с Законом о безопасном применении пестицидов и агрохимикатов № 109-ФЗ от 19.07.97г. для включения удобрений и мелиорантов в каталог разрешенных к применению в сельскохозяйственном производстве средств химизации необходимо проведение всесторонней агроэкологической экспертизы.
Полученные данные по содержанию тяжелых металлов и микроэлементов в нетрадиционных химических мелиорантах, содержащих биофильные элементы, а также исследования их поведения в системе мелиорант (удобрение) -почва-растение позволяют оценить возможные риски, избежать негативного экологического воздействия на окружающую природную среду.
В последние годы появилось немало работ по оценке вклада средств химизации в нарушения экологического равновесия. Однако комплексных исследований в этом направлении так же, как и по разработке защитных мероприятий, предотвращающих поступление различных токсикантов в растительную продукцию, проведено недостаточно. Остается мало изученным и влияние минеральных и известковых удобрений на
транслокацию тяжелых металлов в системе удобрение (мелиорант) - почва-растение в зависимости от вида загрязнения. Это предопределило проведение исследований по оценке вклада в загрязнение окружающей среды некоторых нетрадиционных химических мелиорантов, используемых или рассматриваемых в качестве перспективных для удобрения почв.
Актуальность проблемы. Исследования направлены на изучение подробного химического состава и физических свойств некоторых нетрадиционных химических мелиорантов, содержащих биогенные элементы и влияния размеров их применения в накоплении наиболее распространенных токсикантов в системе мелиорант - почва - растение. Эти результаты позволяют расширить ассортимент и источники поставок известковых удобрений, а также оценить возможный риск, связанный с использованием нетрадиционных химических мелиорантов для повышения плодородия почв.
На основе проведенных исследований разработаны регламенты и конкретные рекомендации по применению некоторых мелиорантов, позволяющие использовать их для повышения плодородия почв и избежать негативного экологического пресса на окружающую природную среду.
Для почв, уже загрязненных тяжелыми металлами, требуется разработка специальных систем применения удобрений с тем, чтобы получать на них нормативно чистую растительную продукцию.
Существуют только общие рекомендации по применению известковых и минеральных удобрений на загрязненных почвах. Однако конкретных предложений по расчету доз и видов детоксикантов в зависимости от загрязнителя не существует. Более того, некоторые рекомендации носят противоречивый характер. Поэтому исследования, направленные на снижение риска при использовании средств химизации, имеют важное как научное, так и практическое значение и являются актуальными.
Цель и задачи исследований. Целью работы является агроэкологиче-ская оценка нетрадиционных химических мелиорантов, содержащих биофиль-
ные элементы, применяемых или рассматриваемых перспективными для повышения плодородия почв.
Задачами исследований предусматривалось:
изучить запасы и объемы применения нетрадиционных химических мелиорантов;
изучить поведение тяжелых металлов в системе мелиорант (удобрение— почва — растение;
дать оценку степени загрязнения биологических объектов при использовании нетрадиционных химических мелиорантов и разработать регламенты по их применению, позволяющие избежать негативного экологического воздействия на окружающую природную среду;
разработать способы улучшения физических свойств пылевидных мелиорантов и природного мела для получения неслеживающихся гранулированных известковых удобрений;
изучить эффективность удобрений и агроруд на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, разработать предложения по их применению для получения нормативно чистой продукции;
изучить транслокацию тяжелых металлов различными культурами и их реакцию на применение детоксикантов.
Научная новизна работы. Получены новые данные по комплексной аг-роэкологической оценке нетрадиционных химических мелиорантов. Дана оценка влияния содержащихся в них биофильных элементов, а также примесей тяжелых металлов и токсичных элементов на плодородие почвы, величину и качество урожая.
Впервые изучена эффективность продуктов обогащения и переработки апатит-штафелитовых руд Ковдорского месторождения, проведена их агроэко-логическая оценка. Показано, что наряду с фосфоритами апатит-штафелитовые руды могут использоваться в качестве основного фосфорного удобрения.
Получены новые данные о влиянии стандартной и активированной камы-шинской фосфоритной муки на урожайность сельскохозяйственных культур и
фосфатный режим почвы. Уточнены условия повышения эффективности удобрений из сырых молотых фосфоритов на каштановой почве с нейтральной реакцией среды.
Показана высокая эффективность применения фосфоритно-кар-бонатных пород на кислых почвах Хабаровского края для улучшения фосфатного режима и регулирования реакции почвенной среды.
Установлено, что на почвах, длительное время удобрявшихся осадками сточных вод, внесение повышенных доз азотных удобрений сопровождается усилением транслокации в растения тяжелых металлов, особенно кадмия, никеля и цинка. Основным приемом, препятствующим этому процессу, является известкование.
На защиту выносятся следующие положения:
эколого-агрохимическая оценка нетрадиционных химических мелиорантов при их использовании для повышения плодородия почв;
технологические приемы улучшения физических свойств пылевидных мелиорантов;
нормативные требования к качеству гранулированных известковых
удобрений;
научное обоснование применения удобрений и мелиорантов на загряз
ненных тяжелыми металлами почвах и отбора сельскохозяйственных культур
для выращивания на загрязненных почвах.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований получены данные по объемам ежегодного выхода, отвальным запасам, подробном химическом составе и физическим свойствам нетрадиционных химических мелиорантов. Определено содержание в них основных токсикантов, изучено влияние уровня их применения на накопление наиболее распространенных токсикантов в системе мелиорант - почва - растение. Всё это позволило разработать предложения по расширению ассортимента известковых удобрений за счёт нетрадиционных химических мелиорантов.
Разработаны регламенты, рекомендации и руководства по безопасному применению металлургических шлаков, золы бурых углей, природного мела и некоторых других нетрадиционных химических мелиорантов для повышения плодородия почв.
Предложены технологические приемы улучшения физико-химических свойств золы бурых углей и природного мела. Они сводятся к получению гранулированных продуктов путем использования вяжущих свойств самих мелиорантов, специальных связующих материалов или смешивания с непылящими мелиорантами.
Все исследования направлены на снижение риска до минимума при использовании новых нетрадиционных химических мелиорантов.
По итогам исследований изданы следующие рекомендации:
«Руководство по применению в качестве известкового удобрения шлака доменного гранулированного», 1988 г.
«Рекомендации по осуществлению контроля за использованием феррохро-мового шлака для известкования почв с целью предотвращения отрицательных последствий», 1989,2002 гг.
«Рекомендации по применению золы бурых углей для известкования кислых почв», 1990 г.
«Регламент применения феррохромового самораспадающегося шлака для известкования кислых почв», 2002 г.
Апробация работы. Основные итоги исследований докладывались на Ученых советах ВНИПТИХИМ, Конференции «Методы оценки нетрадиционных химических мелиорантов» (Ленинград-Пушкин, 1987); 5-й научной конференции международной ассоциации агрохимиков и агроэкологов «Агроэколас» (Москва, МГУ, 1998); Международном симпозиуме «Проблема фосфора и комплексное использование нетрадиционного минерального сырья в земледелии» (РАСХН, Немчиновка, 2000); Всероссийской научно-практической конференции: «Ассортимент минеральных удобрений, средств защиты растений и совершенствование научно-технологического агрохимического обеспечения сель-
сельхозтоваропроизводителей» (Москва, ВВЦ, 2002,); Международной научно-практической конференции (ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, Курск, 2002); НТС технологического центра по земледелию НИИСХ ЦРНЗ в 2003 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 38 научных работ. Получено 4 авторских свидетельства.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 8 глав, выводов и предложений производству, изложена на ... страницах, содержит 136 таблиц, 5 рисунков. Список литературы включает 380 наименований, в том числе 77 иностранных авторов. Приложения представлены на 22 листах.
Объекты, методы и условия проведения исследований. Исследования по теме диссертационной работы выполнялись с 1984 по 2003 годы в соответствии с тематическим планом НИР ВНИПТИХИМ, в рамках выполнения Постановления Совета Министров СССР № 1036 от 4.11.1985г. «О мерах по обеспечению известкования кислых почв в 1986-1990 годах», программ ВПНО «Союзсельхозхимия», Россельхозхимия и РАСНХ по проблемам:
изучить свойства, дать агрохимическую оценку известьсодержащим отходам промышленности, разработать предложения по их промышленной доработке и выдать рекомендации по применению отходов для известкования почв;
разработать теоретические основы экологического высокоэффективного применения удобрений и других агрохимических средств для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и сохранения плодородия почвыразработать технологию применения средств химизации, адаптированную для получения нормативно чистой продукции на почвах, загрязненных тяжелыми металлами.
К числу нетрадиционных химических мелиорантов относятся: металлургические шлаки, зола от сжигания некоторых видов топлива, белитовый шлам, конверсионный и природный мел, шлам содового производства, фильтрационный осадок (дефекат), цементная пыль, а также фосфаты малых месторожде-
ний, непригодных для промышленной переработки на концентрированные фосфорные удобрения, продукты переработки и обогащения апатит-штафелитовых руд Ковдорского месторождения.
Для решения поставленных задач были проведены лабораторные, вегетационные, полевые и производственные опыты. Исследования по агрохимической и экологической оценке нетрадиционных химических мелиорантов проведены на дерново-подзолистых почвах различной степени кислотности и гранулометрического состава, выщелоченном черноземе, серой лесной почве, луго-во-бурой и подзолисто-бурой тяжелосуглинистых почвах. Опыты по агрохимической и экологической оценке мелиорантов проведены во ВНИПТИХИМ, его Воронежском отделе, Восточно-Сибирском и Дальневосточном филиалах, а также на полях Московской области.
Существуют различные подходы к оценке качества почвы по экологическим параметрам, в том числе: по составу почвы, контролю за ростом растений и развитием почвенных организмов [Фомин, Фомин, 2001]. В соответствии с Методическими указаниями в случаях использования нетрадиционных удобрений в качестве средств химизации сельского хозяйства осуществляется систематический контроль за загрязнением почв сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства [Мет. указ. по опр. тяжелых металлов..., ЦИНАО, 1992].
При разработке программ исследований руководствовались следующими источниками: Методическими рекомендациями по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами [М., ИМГРЭ, 1982]; Методическими рекомендациями по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве [М., 1982, №2609-82]; Методическими рекомендациями по обследованию и картографированию почвенного покрова по уровням загрязненности промышленными выбросами, [М., Почв, институт им. В.В. Докучаева, 1987]; Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства [М., ЦИНАО, 1992]. Химико-аналитические работы выполняли в соответствии с ГОСТ, разработанным ЦИНАО.
