Содержание к диссертации
Введение
1 . Сапропель как удобрение и его влияние на почву и растения 8
1.1 .Общие сведения о сапропелях 8
1.2.Состав и свойства сапропелей 9
1.2.1 .Физические свойства 10
1.2.2.Минеральный состав 11
1.2.3.Состав органического вещества сапропелей 17
1.2.4.Микробиологические свойства сапропелей 18
1.3 . Влияние сапропелевых удобрений на свойства почвы 19
1.4. Влияние сапропелей на развитие сельскохозяйственных растений 32
1.5.Экологические аспекты использования сапропелей 37
2. Методика исследований и условия проведения опыта 41
2.1. Условия проведения полевых экспериментов 41
2.2. Объекты исследований 44
2.3. Методика исследований 49
Результаты исследований 5
2 3. Характеристика сапропеля озера Великое 5
2 4.Влияние сапропеля озера Великое на свойства почвы 57
5. Влияние сапропеля на содержание тяжелых металлов в почве 73
б. Влияние сапропеля на микробиологическую активность почвы 76
6.1.Влияние сапропеля на жизнедеятельность популяций почвенных микроорганизмов 78
7. Влияние сапропеля на развитие растений 85
7.1. Влияние сапропеля на развитие различных сельскохозяйственных культур (вегетационные опыты) 85
7.2. Влияние сапропеля на развитие озимой ржи 88
7.3. Влияние сапропеля на накопление тяжелых металлов в растениях 99
Выводы 104
Предложения производству 106
Список литературы 107
- Влияние сапропелевых удобрений на свойства почвы
- Условия проведения полевых экспериментов
- Влияние сапропеля на развитие различных сельскохозяйственных культур (вегетационные опыты)
- Влияние сапропеля на накопление тяжелых металлов в растениях
Введение к работе
Актуальность исследований. В результате усиления антропогенного пресса на природную среду происходит нарушение экологического равновесия, что сопровождается снижением продуктивности почв, загрязнением их тяжелыми металлами и другими химическими токсикантами, уменьшением их мощности и гумусированности (Р.М.Алексахин и др., 2001; Н.А.Пронько, 2001; А.Н.Ратников и др., 2001).
Поэтому основной задачей современного земледелия является обеспечение воспроизводства плодородия за счет создаваемого в агроценозах органического вещества. При этом главная роль отводится органическим удобрениям, фактическая потребность в которых удовлетворяется только на 10-12%.
С целью восполнения этого дефицита перспективно использование различных природных источников, в частности, озерных сапропелей.
Основными причинами, сдерживающими использование сапропелевых удобрений, является слабая их изученность, а также отсутствие исследований по изучению свойств, характера воздействия на почву, живые организмы и использованию в сельском хозяйстве в условиях Среднего Поволжья.
В связи с этим изучение эффективности применения сапропелей в качестве органических удобрений актуально и представляет определенный интерес для науки и практики.
Цель исследований. Изучить химический состав озерного сапропеля и возможность его использования в качестве удобрения на выщелоченном черноземе в условиях лесостепи Поволжья.
Задачи исследований:
-определить содержание макро- и микроэлементов в составе исследуемого сапропеля;
-выявить изменения в агрохимических свойствах почвы под воздействием различных доз сапропеля;
-изучить влияние сапропеля на микробиологическую активность почвы;
-изучить влияние сапропеля на зимостойкость, выживаемость и урожайность различных сельскохозяйственных культур;
-определить изменения химического состава полученного зерна озимой ржи при использовании сапропеля как удобрения;
-определить уровень содержание тяжелых металлов в почве и клубнях картофеля в зависимости от доз сапропеля.
Научная новизна работы. Автором впервые изучен химический состав сапропеля из озера Великое и его влияние на агрохимические, микробиологические свойства выщелоченного среднегумусного среднесуглини-стого чернозема, на зимостойкость и продуктивность ряда сельскохозяйственных культур, а также на содержание в почве и в растениях тяжелых металлов. Установлено, что изучаемый сапропель относится к органо-известковому типу и его применение как удобрения улучшает качество выращиваемой растениеводческой продукции.
Теоретическое значение работы. Материалы диссертации и отраженные в ней научные положения и выводы, вносят вклад в развитие теоретических основ экологии почв и экологии растений.
Практическая значимость работы. Автором доказана положительная эффективность применения органо-известкового сапропеля в качестве удобрения. Внесение его в почву обеспечивает улучшение свойств чернозема выщелоченного, активизацию микробиологических процессов, а также способствует повышению продуктивности сельскохозяйственных растений.
Исследования проводились в соответствии с тематическим планом Министерства сельского хозяйства РФ (номер государственной регистрации 06.9.20.0111.65), а также по обычным программам, научным направлениям, вытекающим из координационных планов и отраслевых научных программ,
и являются составной частью плана научной работы Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии (Ульяновск, 1994-2002), научной конференции, посвященной 50-летию агрономического факультета Кировского сельскохозяйственного института (Киров, 1994), III республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан» (Казань, 1997), заседании Ульяновского отделения Всероссийского ботанического общества РАН (Ульяновск, 2000), Ульяновской областной межвузовской научно-практической конференции «Молодые ученые - Агропромышленному комплексу» (Ульяновск, 2002), Поволжской научно-практической конференции «Пути повышения качества зерна и продуктов его переработки» (Самара, 2002).
Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-химический состав сапропеля озера Великое;
-изменение агрохимических свойств почвы под влиянием сапропеля;
-усиление микробиологической активности почвы и увеличение количества популяций микроорганизмов;
-возможность использования изучаемого фактора в усилении адаптивных реакций растений к неблагоприятным факторам среды;
-обоснование использования сапропеля в качестве удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных растений и качества зерна озимой ржи;
-изменение содержания тяжелых металлов в органах растений и почве и возможность применения сапропеля как мелиоранта почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материала и методики исследований, результатов исследований, выводов, практических предложений, списка литературы и приложений. Содержит 25 таблиц, 5 рисунков. Список литературы включает 250 наименований, в том числе 40 зарубежных авторов.
Влияние сапропелевых удобрений на свойства почвы
В зависимости от доз внесения, содержания минеральных элементов, гуминовых кислот, других биологически активных веществ использование сапропелевых удобрений вызывает различные изменения в почвах (И.В.Тюрин, 1965; Р.Сталбов, А.Вупанс, 1989; М.З.Лопотко, П.Л.Кузьмицкий, 1989).
Исследования показывают, что сапропели, а также получаемые на их основе удобрения, оказывают существенное влияние на свойства почв и урожай растений. Сапропели характеризуются рядом специфических свойств, присущих только этим природным образованиям, поэтому представляет ставляет интерес оценка их воздействия на физические, химические и микробиологические показатели почв (В.С.Позняк, В.Е.Раковский, 1962; Лопот-ко М.З. и др., 1988; В.К.Лукашев, Л.И.Васильева, 1981).
Внесение сапропелевых удобрений изменяет морфологическое строение почвы - мощность гумусового горизонта, окраску, улучшает структуру и плотность. Для изменения гранулометрического состава пахотного горизонта от рыхлого песка к связному, закреплению илистой фракции сапропелей и увеличению доли физической глины, увеличению порозности на 6-13% и содержанию влаги в 1,2-1,5 раза требуется внесение высоких (100-400 т/га) доз сапропеля (Н.В.Науменко, 1994; Л.М.Томпсон, Ф.Р.Троу, 1982; Т.А.Иванова, Н.М.Михалева, 1992).
Применение сапропеля и удобрений на их основе вызывает изменение физических свойств почв. Оно обусловлено как механическим привнесением материала, содержащего частицы разного размера, так и физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии почвы с сапропелем (H.Stumpe, 1984). При внесении сапропеля во многих случаях отмечается увеличение содержания активного ила в почвах, что способствует созданию агрономически ценной комковой структуры, следовательно, более благоприятного водно-воздушного режима (Л.Н.Самойлов, 1984; В.И.Михайлина, 1983).
Исследованиями Т.И.Аршиновой (1962), А.И.Фомина (1981), А.В.Горблюк и др.(1986) установлено, что, под действием сапропелевых удобрений разного качества, содержание фракции физической глины в песчаных и суглинистых почвах возрастает на 5-10 %. Улучшение структуры почв происходит за счет поливалентных катионов сапропеля, которые образуют эластичные сорбированные пленки на поверхности агрегатов и усиливают их активное взаимодействие.
Высокая водоудерживающая и низкая фильтрационная способности сапропеля способствуют улучшению водно-физических свойств легких почв. Обладая клеящей способностью, сапропель при взаимодействии с почвой улучшает ее структуру, придает ей комковатость, рыхлость, увеличивает воздухопроницаемость.
О положительных изменениях структуры почв под действием сапропелевых удобрений свидетельствует повышение рыхлости, порозности и воздухопроницаемости. В исследованиях И.В.Попова и Ю.Н.Иванова (1980) внесение сапропеля способствовало созданию наиболее рыхлой структуры пахотного слоя. Если при вспашке контрольного участка плотность почвы изменялась на 0,65 г/см , то при вспашке удобренной почвы - на 0,96 г/см . При этом влажность почвы на опытном участке была выше, чем на контроле (соответственно 25 и 11,6%).
Под влиянием высокозольных сапропелевых удобрений, заделываемых на глубину 6-12 см в дозах 50-120 т/га, уменьшалась плотность легкой лесси-вированной и поверхностно-глеевой суглинистой почв в среднем на 0,08 г/см , на 3% увеличивалась порозность, на 15% возрастала водоудерживающая способность, улучшались фильтрационные свойства (Korschens, Greilich, 1983).
Многие исследователи подчеркивают улучшение показателей водного режима почв: впитывания, фильтрации воды и т.п. В опытах Т.И.Аршиновой (1962) влагоемкость почвы при внесении иловых отложений возрастала с 35 до 55%. В модельных опытах американских ученых Saxena, Marsell (1971) после обработки песчаной почвы сапропелевыми удобрениями возрастало содержание почвенной влаги. Внесение ила задерживало быстрое просачивание воды в нижележащие горизонты и способствовало более длительному, чем на контроле, удерживанию воды в почвенном профиле. Благоприятное изменение показателей водных свойств почв, видимо, связано с высокой вла-гоемкостью и водоудерживающей способностью сапропелей. Это особенно важно для улучшения водного режима почв легкого гранулометрического состава (А.В.Горблюк и др., 1986; Ф.А.Малышев и др., 1988).
Степень воздействия сапропелевых удобрений на показатели физических свойств почв находятся в прямой зависимости от вносимых доз. Например, в опытах Б.Н.Хохлова (1967) высокозольный сапропель в дозе 160 т/га повышал влагоемкость дерново-подзолистой почвы на 4%. Тот же сапропель при внесении в количестве 300-2200 т/га увеличивал влагоемкость почвы на 14-18%.
Внесение сапропелей активно сказывается на агрохимических свойствах почв (Г.А.Жуков, 1970; А.А.Широков, 1981; А.А.Цюнис, 1984).
При внесении высоких доз некарбонатных сапропелевых удобрений (ОВ-40-50%, N-2,4%, СаО-2,5%, Р2О5-0,5%, К2О-0,5%,15%ГК) на почвы легкого механического состава может увеличиться гидролитическая кислотность и содержание подвижного алюминия, степень насыщенности основаниями, содержание фосфора и калия из-за реакций высвобождения элементов и увеличения их подвижности. Из 17 параметров свойств, изучаемых А.В.Горблюк и др.(1986), доза 100т/га сапропеля максимально оптимизировала 4, при 200 т/га-5, при 300 т/га-13, при 400 т/га-8, при 800 т/га - 11 показателей.
Карбонатные сапропели влияют на фосфатный режим почв. Адсорбируя 1965-2008 мг Р2С 5 на 100г, внесенные в дозе 60 т/га карбонатные сапропелевые удобрения не изменяют показателей интенсивности фосфатов; с удвоением дозы снижается активность и концентрация фосфатов на 26-28% (в 0,01М СаС12), повышается фосфатный потенциал (с 5,66 до 5,75) и фосфат-буферная способность (от 0,042 до 0,053). Содержание подвижных форм фосфора на фоне карбонатных сапропелевых удобрений возрастает с 15 до 16,8-18 мг/г почвы В.И.Сороко, 1989).
Благоприятное воздействие на почву оказывают карбонатные сапропели, значительно снижающие кислотность, увеличивающие емкость поглощения и степень насыщенности почв основаниями. Например, в полевых опытах Б.Н.Хохлова и А.А.Широкова сапропели озера Неро, содержащие 20% извести, даже в небольших дозах (26-39 т/га) способствовали снижению обменной и гидролитической кислотности дерново-подзолистой почвы. При увеличении доз до 200-600 т/га реакция почв повышалась на 2,5 -3 единицы рН, гидролитическая кислотность уменьшалась почти в 3 раза. Значительное снижение гидролитической кислотности (с.5,6 до 0,53 мг-экв/100 г почвы) и увеличение суммы поглощенных оснований (с 15 до 45 мг-экв/100 г почвы) от использования высоких доз известковых сапропелевых удобрений отмечают В.А.Белов, А.А.Широков (1987).
Условия проведения полевых экспериментов
В северной части лесостепи Поволжья, к которому относится Ульяновская область, широко распространены серые лесные почвы, в южной - суглинистые выщелоченные, типичные и обыкновенные черноземы (Агроклиматические ресурсы ..., 1978).
Пахотный фонд Ульяновской области представлен как черноземами (65%), так и серыми лесными почвами (35%). В черноземах (51% площади) содержание гумуса превышает 6%, но 40% пахотных почв характеризуется пониженной гумусированностью. Из черноземов наиболее распространены выщелоченные. Содержание гумуса в них в пахотном слое составляет 5-8%, общего азота-0,3-0,5%, фосфора валового-0,16-0,20%. Они характеризуются средней обеспеченностью подвижным фосфором, бором, медью, кобальтом. В них содержится достаточно обменного калия, но мало цинка, марганца и молибдена (Система интенсивного земледелия..., 1990).
Опытное поле Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, где мы проводили свои эксперименты, представлено черноземом выщелоченным среднемощным среднесуглинистым.
An о_зо см - темный, зернисто-пылеватый комковатый, среднесуглини-стый, густо пронизан корнями растений, переход к следующему горизонту постепенный;
А 30-50 см - темно-серый, зернисто-комковатый, среднесуглинистый, однороден по окраске, переход к следующему горизонту постепенный;
Bi 50-100 см - светло-бурый, зернисто-комковатый, среднесуглинистый, увлажнен, переход к следующему горизонту постепенный;
В2100-150 см - желтоватый, бесструктурный, рыхлый, легкосуглинистый, переход к следующему горизонту постепенный; С 150 см - желтый, бесструктурный, рыхлый, легкосуглинистый, переход к следующему горизонту постепенный.
Бурное вскипание с глубины 60 см.
Реакция среды в пахотном слое почвы (рН (KCi) - 6,5) - слабокислая, содержание гумуса - 4,3%, содержание подвижного фосфора и обменного калия по Чирикову - соответственно 105 и 200 мг/кг почвы. Степень насыщенности почвы основаниями составляет 96,4-97,9%, сумма поглощенных оснований 15,5-17,8 мг-экв/100 г почвы. Обеспеченность основными элементами питания растений средняя.
По литературным данным (Агроклиматические ресурсы ..., 1978) климат Ульяновской области умеренно-континентальный, с теплым летом и холодной зимой, неравномерным распределением осадков в течение года. Средняя годовая температура воздуха составляет +4С, самого теплого месяца (июля) +20,3С и самого холодного месяца (января) - -14,3С. Продолжительность безморозного периода составляет 130-150 дней, периода вегетации растений 130-140 дней, периода со средней суточной температурой воздуха +10С - 142 дня. Сумма активных температур составляет 2200-2400С. Средняя дата последнего заморозка 14 мая, а первого - 22 сентября. Следует отметить, что продолжительность залегания устойчивого снежного покрова составляет 135-140 дней. Среднегодовое количество осадков по данным Октябрьской метеостанции составляет 380-420 мм. Интенсивность осадков по месяцам теплого периода крайне неравномерна. За май-июнь выпадает 84 мм, а за август-сентябрь - 103 мм. Гидротермический коэффициент меньше 1,0 (Агроклиматические ресурсы ..., 1978).
Отрицательное влияние урожайность сельскохозяйственных культур оказывают длительные бездождевые периоды, отсутствие влаги в почве (почвенная засуха), а также атмосферная засуха, обусловленная недостатком влаги в атмосфере. Среднее число дней с суховеями составляет 17 дней в год (Агроклиматические ресурсы, 1978).
Для детальной характеристики погодных условий за годы проведения наших полевых опытов были использованы данные Октябрьской метеостанции, расположенной в непосредственной близости от опытного поля Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии (Приложение 1).
Начало вегетационного периода 1993-1994 гг. характеризовалось недостатком влаги, что неблагоприятно сказывалось на полевой всхожести семян опытных растений. Температура воздуха не отличалась от среднемно-голетних данных. Снежный покров был достаточным для благоприятной перезимовки растений. Период вегетации 1994-1995 гг. был благоприятным для роста и развития растений. К моменту посева из-за обильных дождей в почве было достаточное количество влаги. В сентябре была оптимальная температура для осеннего роста и кущения. Низкие положительные температуры октября способствовали хорошей закалке растений перед уходом в зиму. Во второй декаде мая 1994 год осадков выпало значительно больше, чем в 1995 году. Это способствовало развитию растений. В июле наблюдалось повышенное количество осадков и в 1994 и в 1995 гг., что отразилось на урожае растений. Годы наших исследований по погодным условиям были типичными для Ульяновской области.
Влияние сапропеля на развитие различных сельскохозяйственных культур (вегетационные опыты)
Интегральным показателем эффективности воздействия любого из исследуемых экологических факторов на культурные растения является их урожайность, то есть получаемая итоговая основная продукция.
Для изучения влияния сапропеля на урожайность сельскохозяйственных культур нами были проведены вегетационные опыты с различными кормовыми культурами: амарантом, суданской травой, свеклой.
Амарант выращивается как кормовая культура и его основной продукцией является вся надземная фитомасса (табл. 7.1.1).
Установлено, что амарант положительно отзывается на внесение сапропеля. В зависимости от дозы удобрения урожайность как сырой, так и сухой кормовой фитомассы существенно повышается. При внесении сапропеля в дозе 60 т/га дополнительно можно получить 59,7% сырой и 60,8% сухой фитомассы, при дозе 30 т/га соответственно 44,9 и 41,7 % по отношению к контролю. Обе дозы внесенного удобрения обеспечивают статистически значимый (на 5%-ном уровне) эффект в сравнении с контролем.
Вегетационный опыт с суданской травой проводился с дополнительным использованием еще и дозы сапропеля 90 т/га. Результаты проведенных исследований приведены в табл. 7.1.2.
Установлено, что внесение дополнительных питательных элементов с сапропелем влияет на развитие суданской травы практически так же, как и на амарант. Подчеркнем, что оба эти растения относятся по фиксации углерода к С4-растениям. Под влиянием сапропеля, в зависимости от его дозы, урожайность суданской травы увеличивается по сырой фитомассе от 40 до 72,2 %, по сухой - от 33,9 до 73,9 %. Наибольшая урожайность получена при дозе сапропеля 90 т/га. Внесение этой дозы сапропеля обеспечивает получение более высоких урожаев, статистически существенных на 5%-ном уровне значимости.
Корнеплоды кормовой свеклы широко используются в животноводстве как высококалорийный и питательный корм. Они требовательны к плодоро 87
дию почвы. При наличии достаточного количества питательных веществ в почве свекла дает высокие урожаи корнеплодов. Кормовая свекла известна как интенсивная культура с продолжительным периодом вегетации, поэтому нами дополнительно была использована еще более высокая доза сапропеля -120 т/га. Внесение сапропеля в почву положительно сказалось на урожайности свеклы (табл.7.1.3). Наибольшая прибавка массы корнеплодов на 46,6% по сравнению с контролем наблюдается при внесении в почву самой высокой дозы сапропеля. Однако и в меньших дозах сапропель способствовал существенному увеличению получаемой кормовой массы корнеплодов (на 26,6 - 37,5 % относительно массы контрольного варианта).
Таким образом, сапропель можно использовать в качестве эффективного удобрения, вносимого под кормовые культуры. В результате создаются более благоприятные условия для развития растений, увеличивается их урожайность.
Следовательно, использование сапропеля в качестве удобрения биогенного происхождения, способствует созданию благоприятных условий в реализации взаимных связей организмов в популяциях растений, которые являются основой существования биоценозов (агроценозов). 7.2. Влияние сапропеля на развитие озимой ржи
В условиях лесостепи Поволжья предпочтение отдается озимым культурам, так как они дают более стабильные урожаи по сравнению с яровыми в годы с недостаточным количеством атмосферных осадков. В связи с этим в наших исследованиях мы использовали в качестве типичного примера важнейших озимых культур озимую рожь.
Непременным условием получения высокого и устойчивого урожая является успешная перезимовка озимых культур в малоснежные и морозные зимы, свойственные для исследуемого нами региона.
Уровень зимостойкости определяется, прежде всего, биологическими особенностями и наследственной способностью культуры формировать в осенний период адаптивные свойства в процессе взаимодействия с условиями внешней среды.
Осенью, в период замедленного роста у озимых культур происходит накопление ассимилятов в зимующих органах, содержанием и качественным составом которых в значительной степени и определяется уровень устойчивости растений к неблагоприятным условиям зимнего периода (Колоша, Че-репчук, 1964; Е.Н.Мишустина и др., 1966; Ремесло, Ковтун, 1977).
Исследователи связывают зимостойкость с водным режимом, с содержанием связанной воды в растении, с накоплением моносахаров (Л.В.Гаврилова, 1955; Н.В.Дорофеев, 1997), олигосахаров (В.Н.Марусин, 1966), небелковых форм азота (И.И.Туманов, 1967).
Для характеристики зимостойкости озимой ржи мы определили содержание связанной воды в узлах кущения в условиях полевого опыта (табл. 7.2.1.).
Установлено, что под влиянием низких температур в узлах кущения озимой ржи как в контроле, так и в вариантах с применением сапропеля уве 89
личивается содержание связанной воды. При внесении в качестве удобрения навоза (независимо от дозы) ее содержание превышает контрольные значения на 3,6-3,8% в 1994 и на 2,6-3,1% в 1995 году. При использовании сапропеля в дозе 60 т/га количество связанной воды в растениях было самым высоким и превышало контроль на 7,0 и 6,6% соответственно.
В середине зимы (январе 1995 года) содержание редуцирующих Сахаров в узлах кущения озимой ржи снизилось на 9,4-14,6%), а в марте эта разница стала менее значительной. Это связано с тем, что низкие среднемесячные температуры конца зимы усиливали процессы гидролиза белков и углеводов (табл. 7.2.1).
Динамика углеводов в осенний период и в процессе зимовки при использовании в качестве удобрения сапропеля свидетельствует о том, что главная роль в обеспечении морозостойкости и зимостойкости озимой ржи принадлежит сахарам, а также способности зимующих органов растений «экономно» использовать запас их в сложных условиях зимовки. В период осенней вегетации по мере снижения температуры воздуха и почвы содержание растворимых углеводов в узлах кущения озимой ржи увеличивается.
При этом наибольшее содержание Сахаров наблюдалось в варианте с сапропелем в почве в дозе 60 т/га оно превышало контроль в среднем на 7,0%.
Результаты математической обработки показывают, что существует прямолинейная зависимость зимостойкости растений озимой ржи от накопления в узлах кущения связанной воды и редуцирующих Сахаров.
Влияние сапропеля на накопление тяжелых металлов в растениях
Положительные изменения агрохимических свойств почвы при внесении в нее сапропеля ограничивают накопление тяжелых металлов в различных органах растений. Отмечается преимущественная аккумуляция их в корнях, пожнивных остатках, листьях и минимальная - в товарной продукции. Кроме того, различные сельскохозяйственные растения обладают раз личной толерантностью по отношению к тяжелым металлам. Например, большая чувствительность прослеживается у представителей семейства бобовых (вика, люпин, клевер) по сравнению со злаковыми (А.В.Гринь и др., 1980; А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиас, 1989).
В целях выявления возможности накопления тяжелых металлов в продукции сельскохозяйственных растений при внесении сапропеля в почву мы исследовали данный вопрос на примере картофеля, так как известно, что наибольшей металлоаккумулирующей способностью обладают подземные органы растений (А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиас, 1989; Н.М.Матвеев и др., 1997).
При этом было установлено, что содержание кадмия, цинка и меди ниже ПДК во всех вариантах опыта. Содержание никеля превышало ПДК только в клубнях у сорта Волжский на 0,1 мг/кг, а свинца - в 1,5 - 2,2 раза (табл. 7.3.1).
Нормативы содержания тяжелых металлов в растительных продуктах питания установлены в «Медико-биологических требованиях...» (1990). Внесение сапропеля в почву способствовало снижению содержания тяжелых металлов в клубнях картофеля во всех вариантах. Наилучшие показатели были получены при использовании большей дозы сапропеля (бОт/га).
Из пяти изучаемых элементов наибольшие различия наблюдались по содержанию свинца и кадмия. При внесении сапропеля в дозе 30 т/га их концентрация снижается практически в два раза (свинца с 0,65 до 0,50-0,34 мг/кг, кадмия - с 0,65 до 0,30-0,17 мг/кг). Увеличение количества вносимого сапропеля до 60 т/га еще больше снизило содержание этих элементов в клубнях картофеля - свинца до 0,26-0,13 мг/кг, а кадмия - до 0,27-0,09 мг/кг.
На содержание никеля доза сапропеля 30 т/га существенного влияния не оказала, а 60 т/га способствовала снижению в клубнях картофеля никеля до 0,65-0,25 мг/кг по сравнению с контролем 0,85 мг/кг.
Менее значительно изменилась концентрация цинка и меди относительно контроля, хотя и по этим элементам прослеживается четкая тенденция к снижению их в клубнеплодах.
Исследованиями установлено, что металлоаккумуляционная способность картофеля зависит и от его сортовых особенностей. Содержание никеля в зависимости от сорта изменялось от 1,9 до 2,6 раза при использовании сапропеля в дозе 60 т/га и наименьшим было в картофеле сорта Ильинский. Концентрация кадмия - от 1,5 до 3 раз и наименьшим было у сорта Ульяновский, а свинца от 1,4 до 2 раз.
Первую четверку тяжелых металлов в рядах накопления составляют у всех сортов картофеля Cd, Ni, Си, Zn.
Сравнение накопления тяжелых металлов в клубнях с накоплением их в почве показало, что высокое содержание кадмия в валовой форме в почве отражается в высоком накоплении его практически всеми сортами картофеля. Высокое накопление никеля клубнями ряда сортов, видимо, связано с биологическими особенностями сортов, а также с тем, что никель содержится в почве в основном в подвижной форме.
Таким образом, никель легко проникает в клетки растений. Поэтому, для выращивания на почвах с высоким содержанием, рекомендуются сорта с меньшей аккумулирующей способностью этого тяжелого металла, например, сорт Волжский.
При анализе влияния сапропеля на содержание тяжелых металлов в клубнях картофеля отмечаем, что сапропель снижает содержание их у всех сортов и не влияет на порядок расположения тяжелых металлов в рядах накопления, то есть, происходят не качественные, а количественные изменения.
1.Сапропель озера Великое относится к органо-известковому типу, в нем содержится окиси кальция 18,64-23,61, окиси железа 1,15-6,36, окиси фосфора 0,28-0,50, общего азота 1,65-1,92, общей серы 0,2-0,43, общего калия 0,6-0,8%, рН-7,6-8,5. Емкость поглощения 40-43 мг-экв./100 г. Органическая часть сапропеля отличается повышенным содержанием водорастворимых и легкогидролизуемых веществ 54,9-76,9%, целлюлозы 0,5-2,5%, углеводов 0,24-0,58%). Содержание тяжелых металлов и токсичных веществ не превышают их ПДК
2.Сапропель благоприятно влияет на агрохимические свойства выщелоченного чернозема: повышается содержание гумуса (на 0,45-0,92 %), улучшается реакция почвенной среды (рН возросла на 0,28-0,55 в зависимости от доз внесенного мелиоранта), увеличивается содержание доступного растениям фосфора, калия и серы.
3. Под влиянием сапропеля в почве снижается количество подвижных форм тяжелых металлов: цинка - на 23 %, меди - на 48,6, свинца - на 53,8, кадмия - на 54,6, никеля - на 30,7 %.
4. Вносимый в почву сапропель снижает поглощение тяжелых металлов растениями. Некоторые сорта картофеля обладают различной аккумуляционной способностью к накоплению тяжелых металлов в клубнях картофеля. Наибольшее накопление тяжелых металлов отмечено у сорта Волжский.
Предельно допустимую концентрацию в клубнях превысило содержание свинца (в 2 раза - в контрольных вариантах и 1,1-1,5 раза - в вариантах с навозом) и никеля (в 1,2-1,6 раза в контроле). В вариантах с использованием сапропеля содержание тяжелых металлов в клубнях не превышало ПДК.
5.Под действием сапропеля существенно возрастает интенсивность микробиологических процессов в почве. Внесение в почву сапропеля в дозах 30-60т/га стимулирует рост бактерий из рода Clostridium, участвующих в минерализации органических веществ и фиксации атмосферного азота, а также маслянокислых и азотфиксирующих бактерий.
б.Применение органо-известкового сапропеля приводит к большему накоплению редуцирующих Сахаров и связанной воды в растениях при наступлении неблагоприятных погодных условий и существенно повышает зимостойкость озимой ржи, ее выживаемость и урожайность. Наибольшее содержание Сахаров наблюдается в варианте с сапропелем в почве в дозе бОт/га и превышает контроль в среднем на 7,0 %, количество связанной воды при использовании того же количества сапропеля выше контроля на 6,8%, выживаемость больше в вариантах с использованием сапропеля на 13,6-14,2%) по сравнению с контролем.
7.Отмечено положительное действие сапропеля на качество сельскохозяйственной продукции. Вносимый в почву сапропель способствует повышению содержания в зерне озимой ржи белка от 7,2 до 8,3%, крахмала от 56 до 57,8%), фосфора от 0,91 до 1,05 %, а также азота, калия, кальция, что улучшает качество зерна.Интегральным показателем эффективности воздействия любого из исследуемых экологических факторов на культурные растения является их урожайность, то есть получаемая итоговая основная продукция.
Для изучения влияния сапропеля на урожайность сельскохозяйственных культур нами были проведены вегетационные опыты с различными кормовыми культурами: амарантом, суданской травой, свеклой.
Амарант выращивается как кормовая культура и его основной продукцией является вся надземная фитомасса (табл. 7.1.1).
Установлено, что амарант положительно отзывается на внесение сапропеля. В зависимости от дозы удобрения урожайность как сырой, так и сухой кормовой фитомассы существенно повышается. При внесении сапропеля в дозе 60 т/га дополнительно можно получить 59,7% сырой и 60,8% сухой фитомассы, при дозе 30 т/га соответственно 44,9 и 41,7 % по отношению к контролю. Обе дозы внесенного удобрения обеспечивают статистически значимый (на 5%-ном уровне) эффект в сравнении с контролем.
Вегетационный опыт с суданской травой проводился с дополнительным использованием еще и дозы сапропеля 90 т/га. Результаты проведенных исследований приведены в табл. 7.1.2.
Установлено, что внесение дополнительных питательных элементов с сапропелем влияет на развитие суданской травы практически так же, как и на амарант. Подчеркнем, что оба эти растения относятся по фиксации углерода к С4-растениям. Под влиянием сапропеля, в зависимости от его дозы, урожайность суданской травы увеличивается по сырой фитомассе от 40 до 72,2 %, по сухой - от 33,9 до 73,9 %. Наибольшая урожайность получена при дозе сапропеля 90 т/га. Внесение этой дозы сапропеля обеспечивает получение более высоких урожаев, статистически существенных на 5%-ном уровне значимости.
Корнеплоды кормовой свеклы широко используются в животноводстве как высококалорийный и питательный корм. Они требовательны к плодородию почвы. При наличии достаточного количества питательных веществ в почве свекла дает высокие урожаи корнеплодов. Кормовая свекла известна как интенсивная культура с продолжительным периодом вегетации, поэтому нами дополнительно была использована еще более высокая доза сапропеля -120 т/га. Внесение сапропеля в почву положительно сказалось на урожайности свеклы (табл.7.1.3). Наибольшая прибавка массы корнеплодов на 46,6% по сравнению с контролем наблюдается при внесении в почву самой высокой дозы сапропеля. Однако и в меньших дозах сапропель способствовал существенному увеличению получаемой кормовой массы корнеплодов (на 26,6 - 37,5 % относительно массы контрольного варианта).
Таким образом, сапропель можно использовать в качестве эффективного удобрения, вносимого под кормовые культуры. В результате создаются более благоприятные условия для развития растений, увеличивается их урожайность.
Следовательно, использование сапропеля в качестве удобрения биогенного происхождения, способствует созданию благоприятных условий в реализации взаимных связей организмов в популяциях растений, которые являются основой существования биоценозов (агроценозов). 7.2. Влияние сапропеля на развитие озимой ржи
В условиях лесостепи Поволжья предпочтение отдается озимым культурам, так как они дают более стабильные урожаи по сравнению с яровыми в годы с недостаточным количеством атмосферных осадков. В связи с этим в наших исследованиях мы использовали в качестве типичного примера важнейших озимых культур озимую рожь.
Непременным условием получения высокого и устойчивого урожая является успешная перезимовка озимых культур в малоснежные и морозные зимы, свойственные для исследуемого нами региона.
Уровень зимостойкости определяется, прежде всего, биологическими особенностями и наследственной способностью культуры формировать в осенний период адаптивные свойства в процессе взаимодействия с условиями внешней среды.
Осенью, в период замедленного роста у озимых культур происходит накопление ассимилятов в зимующих органах, содержанием и качественным составом которых в значительной степени и определяется уровень устойчивости растений к неблагоприятным условиям зимнего периода (Колоша, Че-репчук, 1964; Е.Н.Мишустина и др., 1966; Ремесло, Ковтун, 1977).
Исследователи связывают зимостойкость с водным режимом, с содержанием связанной воды в растении, с накоплением моносахаров (Л.В.Гаврилова, 1955; Н.В.Дорофеев, 1997), олигосахаров (В.Н.Марусин, 1966), небелковых форм азота (И.И.Туманов, 1967).
Для характеристики зимостойкости озимой ржи мы определили содержание связанной воды в узлах кущения в условиях полевого опыта (табл. 7.2.1.).
Установлено, что под влиянием низких температур в узлах кущения озимой ржи как в контроле, так и в вариантах с применением сапропеля увеличивается содержание связанной воды. При внесении в качестве удобрения навоза (независимо от дозы) ее содержание превышает контрольные значения на 3,6-3,8% в 1994 и на 2,6-3,1% в 1995 году. При использовании сапропеля в дозе 60 т/га количество связанной воды в растениях было самым высоким и превышало контроль на 7,0 и 6,6% соответственно.
В середине зимы (январе 1995 года) содержание редуцирующих Сахаров в узлах кущения озимой ржи снизилось на 9,4-14,6%), а в марте эта разница стала менее значительной. Это связано с тем, что низкие среднемесячные температуры конца зимы усиливали процессы гидролиза белков и углеводов (табл. 7.2.1).
Динамика углеводов в осенний период и в процессе зимовки при использовании в качестве удобрения сапропеля свидетельствует о том, что главная роль в обеспечении морозостойкости и зимостойкости озимой ржи принадлежит сахарам, а также способности зимующих органов растений «экономно» использовать запас их в сложных условиях зимовки. В период осенней вегетации по мере снижения температуры воздуха и почвы содержание растворимых углеводов в узлах кущения озимой ржи увеличивается.
При этом наибольшее содержание Сахаров наблюдалось в варианте с сапропелем в почве в дозе 60 т/га оно превышало контроль в среднем на 7,0%.
Результаты математической обработки показывают, что существует прямолинейная зависимость зимостойкости растений озимой ржи от накопления в узлах кущения связанной воды и редуцирующих Сахаров.
