Введение к работе
Актуальность темы. Современное сельское хозяйство России в настоящее время находится в ситуации когда необходимо с одной стороны решать проблемы по восстановлению почвенного плодородия, связанное с резким сокращением полей занятых кормовыми травами, cидеральными культурами, уменьшения объемов применения органических удобрений, нарушением систем севооборотов (по России сегодня не обрабатывается около 40 млн. га бывших сельскохозяйственных угодий, почти стада КРС исчезло по различным причинам).
Уменьшение поголовья крупного рогатого скота стало причиной сокращения потребности в кормах с одной стороны, но как следствие уменьшение численности стада КРС явилось главным фактором, определяющим производство и применение органики с целью восстановления и повышения почвенного плодородия, которое в настоящее время имеет тенденцию к существенному снижению (Лыков А.М, Коротков А.А.,. Баздырев Г. И. 1999; Рожков В.А., Васенев И.И. 2003; Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. 2000).
Что бы поддержать или восстановить почвы сельскохозяйственного назначения по фактору плодородия необходимо в первую очередь разрабатывать агроприемы с использованием сидеральных культур (Малявко А.А. Прилепов В.В., Ториков В.Е., Дедков В.Д.2005). Ряд авторов (Лошаков В.Г., Эллмер ф., Иванов Ю.Д. и др. 1998, Котлярова О.Г. 2000), приводя результаты экспериментов по изучению биологии сидеральных культур и их последействия на продуктивность и экологическое состояние севооборотов интенсивных агросистем подчеркивают, что биологизация современных севооборотов на практике – это широкое использование специальных сидеральных культур в Российском.
В тоже время почвы сельскохозяйственного назначения в ряде регионов Российской Федерации нуждаются не просто в восстановлении плодородия, а в улучшении их агрохимических показателей и биологических характеристик. Это связано с тем, что постоянно ухудшающаяся экологическая обстановка особенно вокруг крупных промышленных центров (МОСКВА, САНКТ – ПЕТЕРБУРГ, ЧЕЛЯБИНСК, ЕКАТЕРИНБУРГ и др.) и нерешенные проблеммы с последствиями Чернобыльской аварии привели к сильному загрязнению почв сельскохозяйственного назначения тяжелыми металлами и другими токсикантами из которых сегодня наиболее опасными являются: кадмий, стронций, медь, ртуть, цезий (Белоус Н.М. 2005; Белоус Н.М., Шаповалов В.Ф., Моисеенко М.Г., Драганская М.Г. 2005; Овчаренко М.М. 1997).
На современном этапе развития агросферы необходимо вести поиск и новых культур, обладающих одновременно фитомелиоративными и фиторемедиационными свойствами, поскольку восстановление плодородия часто связано с предшествуюшим фитомелиорации этапом по очищению пахотного слоя почвы от различных загрязнителей в частности тяжелых металлов.
Необходимо шире раскрывать экологические возможности травянистых растений в соответствии с задачами, стоящими перед сельскохозяйственной экологией (Андросов Г.К., Поцепай Ю.Г. 2005).
Потенциальные возможности новых и традиционных растений для определенных географических зон еще только предстоит раскрыть в свете проблем фитомелиорации и фиторемедиации.
Цель и задачи исследований: изучение и экологическое обоснование использования перспективных растений в фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения.
В ходе выполнения эксперимента решались следующие задачи по изучению и определению:
- основных показателей почвенного плодородия в почве опытных участков сельскохозяйственного назначения;
- особенностей роста и развития горчицы белой, сафлора и пиона молочноцветкового при возделывании в качестве фитомелиорующей и фиторемедиационной культуры;
- корневых выделений горчицы белой в условиях искусственно созданного стресса (фосфорное голодание) и их подкисляющее действие;
- влияния выращивания фитомелиорантов в последействии на показатели почвенного плодородия и микробиологическую активность в вегетационных и полевых опытах;
- содержания биофильных элементов, в стеблевой и корневой части опытных растений;
- содержания тяжелых металлов в пахотном слое опытных участков при различном уровне внесения осадков сточных вод (ОСВ) до и после фиторемедиации;
- коэффициента биологического накопления, суммарного выноса тяжелых металлов фиторемедиационными культурами надземной и корневой частью;
- характера распределения тяжелых металлов в растительной массе у опытных растений;
- экологических аспектов технологии фитомелиорации и фиторемедиации;
- экологические ограничения при выращивании семенного картофеля в условиях повышенного содержания в почве тяжелых металлов.
Защищаемые положения:
- экологические особенности роста и развития традиционных и новых растений в условиях Нечерноземной зоны;
- физиологические особенности горчицы белой (Sinapis alba. L) в условиях искусственно созданного стресса (фосфорное голодание) при обосновании роли корневых выделений фитомелиорантов;
- влияние выращенных фитомелиорантов в последействии на показатели почвенного плодородия и микробиологическую активность почвы вегетационных и полевых опытов;
- изучение влияния фиторемедиации на динамику изменения содержания тяжелых металлов в пахотном слое опытных участков при различном уровне внесения осадков сточных вод (ОСВ);
- научное обоснование в выборе специальных универсальных культур для фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения;
- возможности использования ОСВ в сельскохозяйственном производстве
Научная новизна
Впервые опробована специальная методика по проведению тест-реакции на органические кислоты, выделяемые белой горчицей.
Определены выделяемые органические кислоты горчицей белой в условиях стресса, показана активность выделяемых кислот в зоне корневого чехлика при долговременной экспозиции опытных растений в деионизированной воде.
Установлено, что существенное подкисление деионизированной воды происходит только у молодых растений горчицы белой, в фазе 2 - 4 настоящих листьев, особенно при создании стрессовых условий. Среди выделяемых органических кислот горчицей белой были идентифицированы раннее не определяемые кислоты – муравьиная, изомаслянная и валериановая.
Впервые исследован вопрос о мелиоративных возможностях сафлора в условиях Нечерноземной зоны.
Изучены и определены фитомелиоративные и фиторемедиационные свойства сафлора, которые подтверждены патентом РФ (Постников Д.А. Способ очистки почв от тяжелых металлов. Патент RU № 2365078 C1,опубликовано: 27.08.2009 Бюл. № 24), а также горчицы белой, и пиона молочноцветкового.
Впервые установлены аккумулирующие свойства сафлора при выращивании в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами.
Исследованы вопросы рециклинга осадка сточных вод при получении семенного картофеля, как альтернативного приема фиторемедиации при использовании регуляторов роста для управления продукционным процессом в формировании нового урожая.
Практическая значимость.
Проведенные исследования (университет Хоенхайм - Германия, Институт Физиологии Растений РАН имени К.А. Тимирязева, ДАОС, г. Долгопрудный, МО ВИР – п. Михнево и полученные результаты убедительно доказывают, что наряду с горчицей белой для фитомелиорации можно с успехом использовать сафлор, запашка зеленой массы которого в последействии оказывает положительное влияние на плодородные свойства почвы. Установлено, что сафлор, как и горчица белая может быть использован в качестве культуры - фитомелиоранта для восстановления почвенного плодородия, содержание фосфора в пахотном слое почвы возрастает на 6% при запашке горчицы белой и на 9% с сафлором, а содержание обменного калия увеличивается на 5 и 2% соответственно,
Установлено, что в условиях Нечерноземной зоны сидерация при использовании сафлора позволяет увеличить микробиологическую активность почвы по шкале Д.Г. Звягинцева до оценки - “сильная”.
По результатам полевых экспериментов по проблеме фиторемедиации загрязненных почв установлено, что сафлор является активным гипераккумулянтом, использование в чередовании с горчицей белой в течение 4 лет эффективно для полного цикла технологии фиторемедиации загрязненных почв.
Установлено, что пион молочноцветковый за 3 года снижает загрязненность корнеобитаемого слоя почвы тяжелыми металлами в условиях техногенного загрязнения в том числе по цинку и кадмию – на 23 и 21 %, а по меди и свинцу на 17 и 9 % соответственно (опыты в ГБС РАН).
Показано, что на почвах с высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами, как альтернативного приема фиторемедиации возможно возделывание семенного картофеля (полевые опыты - ВНИПТИОУ – Владимирская обл., п. Судогда).
Апробация результатов исследования. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях факультета почвоведения агрохимии и экологии, во время научных стажировок в Германии (1997, 1998, 1999, 2008), в Польше (2007), на международной конференции ЭКОСТОК – 2006 (г. Москва), на международной конференции: – V съезд общества физиологов растений России (Пенза, 2003) и симпозиуме - “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования” (Пущино, 2003), а также на производственных конференциях г. Щелково (2004 - 2005 и г. Истра (2007 – 2009).
Личный вклад автора. Личное участие автора заключается в разработке научной гипотезы и алгоритма исследований. В течение 10 лет проведены при его непосредственном участии полевые и лабораторные модельные опыты в почвенной и водной культуре, лабораторные анализы. Проведенные эксперименты показали высокую значимость полученных результатов и убедительно доказали практическое значение новых и нетрадиционных культур при решении проблем фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения.
Публикации результатов исследований. Результаты диссертационной работы отражены в 31 печатных работах в научных, научно-производственных, научно-методических журналах и сборниках в том числе 9 в периодических научных изданиях перечня ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, девяти глав, выводов и предложений производству, списка литературы, включающего 295 источников, в том числе 108 зарубежных авторов. Диссертация изложена на 261 странице машинописного текста, включает 60 таблиц, 17 рисунков, схем, диаграмм и отдельных приложений.
Благодарности: профессорам РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева Кондратьеву М.Н., Лошакову В.Г., научному консультанту – докт., биол., наук Автухович И.Е., а также профессору Таджикского государственного аграрного университета Норову М.С. Директорам организаций: МУП “ Истринский водоканал” Петрушину Ю.Н. и НИЭС Щербакову А.Ю.
