Содержание к диссертации
Введение
1. Агроэкологические особенности применения минеральных удобрений
1.1 Питательный режим почв – основа экологической стабильности агроэкосистемы
1.2 Экологические особенности возделывания культуры риса
1.3 Агроэкологическая эффективность различных форм и доз минеральных удобрений
1.4 Агроэкологическая роль кремния в жизнедеятельности растений
1.5 Экологические последствия применения минеральных удобрений в условиях орошения
2. Объекты и методы проведения исследований
2.1. Объекты и условия проведения исследований
2.2. Методы исследований
3. Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на рост, развитие и продуктивность растений
3.1 Результаты исследования образцов нитроаммофоски с оптимальной концентрацией добавки двуокиси кремния на фитотоксичность
3.2 Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на рост, развитие растений риса
3.3 Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на продуктивность риса
4 Влияние нитроаммофоски с антислеживающими добавками на пищевой режим почвы в условиях орошения
5 Экологическая оценка влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на состояние экосистемы
Заключение
Общие выводы по работе
Список используемой литературы
- Экологические особенности возделывания культуры риса
- Экологические последствия применения минеральных удобрений в условиях орошения
- Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на рост, развитие растений риса
- Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на продуктивность риса
Экологические особенности возделывания культуры риса
Черноземные почвы России занимают около 7% от общей площади сельскохозяйственных земель страны, но на них производится 80% растениеводческой продукции. На высокоплодородных почвах, хорошо обеспеченных органическим веществом, со слабокислой реакцией среды (рН 5,5-6,5), а также в условиях слабой и средней степени засоления, происходит наиболее полная реализация потенциальной продуктивности растений риса. По механическому составу, наиболее распространенными под рисом являются средне-, тяжелосуглинистые и глинистые почвы, т.е. хорошо удерживающие воду. Поэтому практически непригодны для возделывания риса сильно засоленные и легкие песчаные почвы. На почвах, где длительное время возделывался рис, открывается возможность возделывания других ценных культур. Поэтому возделывание риса является важным положительным экологическим и стабилизирующим аграрное производство фактором (Натальин Н.Б., 1973; Газиева Т.М., 1974; Воробьев Н.Г., 1989).
Для формирования урожая рис использует значительное количество питательных веществ. Например, с урожаем 50-60 ц/га зерна и соответствующего количества соломы рис выносит из почвы не менее 120-145 кг азота, 50-60 кг фосфора и 120-150 кг калия. Хотя в сравнении с кукурузой, сахарной свеклой и картофелем, на единицу урожая рис выносит меньшее количество питательных веществ, следует учесть существенные потери элементов с миграцией и сбросными водами.
Условия орошения рисовых чеков обусловливают специфику водно-воздушного режима почв: прекращение поступления кислорода и накопление в газовой почвенной среде 2-20% углекислоты, 4-10% - водорода и 15-75% метана. Отмечено значительное снижение величины окислительно восстановительного потенциала: в прикорневой зоне локализуются окислительные процессы, а за ее пределами - восстановительные (Костенков Н.М., 1976; Сидоренко О.Д., Савич В.И., Сидибе Т., 2005; Белоусов И.Е., 2004; Иващенко Н.П., Уджуху А.Ч., Челнокова Е.Е., 2008).
В условиях затопления ввиду анаэробиозиса в почве протекают восстановительные процессы, результатом которых является наличие подвижных соединений гумусовых веществ (типа фульвокислот), а также железа, серы, фосфора и марганца. Одновременно с этим в микрозоне ризосферы корней протекают окислительные процессы с участием аэробной микрофлоры: нитрификаторы, азотобактор, сульфофикаторы, причем наибольшее количество микробов обнаружено в фазы кущения и цветения, т.е. в период максимальной аэрации почвы корнями риса (Кононова М.М., 1976).
Кислород в корни и ризосферу нагнетается из листьев в силу биологических особенностей растений риса. Образовавшиеся закисные соединения очень вредны для растений. В почве кислород исчезает после затопления через сутки. А через 5 дней в аэробной зоне корней уже активно развиваются восстановительные микробиологические процессы - водородное и метановое брожение клетчатки, восстановление серы, железа, марганца и других, обусловливающие увеличение подвижности соединений серы, фосфора, калия, железа, марганца в почве, которые легче вступают во всевозможные реакции с внесенными удобрениями. Токсичные для растений закисные соединения, в процессе окисления, частично выпадают в осадок, при этом сохраняют высокую доступность и становятся безвредным источником питания для растений риса (Ерыгин П.С., 1950; Джулай А.П., 1953).
Наиболее сильно сдерживает поступление питательных веществ в растения образующийся в почве в этих условиях сероводород. Большая роль в нейтрализации сероводорода принадлежит закисному железу: образуется нерастворимое в воде сернистое железо, нетоксичное для растений. В условиях отсутствия кислорода численность аэробных микробов в пахотном слое достаточно высока, поскольку поступление кислорода происходит от корней риса и водорослей и составляет 140-237 млн. микробных тел на 1 г почвы (Ежов Ю.П., 1966; Чижиков В.Н., 2002).
Таким образом, условия возделывания риса в целом, могут привести к снижению плодородия почв: отмечено, что уже после нескольких лет бессменного возделывания риса снижается содержание всех форм азота, подвижного фосфора и обменного калия. Выявлено, что динамика изменения азотного режима почв совпадает с динамикой гумуса (Цветнова О.Б., Щеглов А.И., 1983).
Одним из основных примов регулирования режима питания растений с целью повышения производства зерна риса – это систематическое и научно обоснованное внесение минеральных удобрений (Никитишен В.И., 1984; Агарков В.Д., Уджуху А.Ч., Харитонов Е.М., 2006). Минеральные удобрения являются средством вовлечения дополнительной массы питательных веществ и регулированию их баланса, обеспечивающего расширенное воспроизводство плодородия почв, достаточного для получения максимальных урожаев зерна риса (Неунылов Б.А., 1961; Прянишников Д.Н., 1965; Юркин С.Н., 1975).
Влияние удобрений многообразно и разносторонне в отношении практически всех характеристик почвы. В том числе изменения содержания элементов питания, что наряду с положительным фактом, может иметь и отрицательные последствия для экологической стабильности (Вальков В.Ф., 1996; 2008; Миненко А.К., Шелтухов В.Н., Ушаков Л.А., 1987; Хитров Н.Б., Чечуева О.А., 1994; Шеуджен А.Х., 2005).
Экологические последствия применения минеральных удобрений в условиях орошения
Однако в настоящее время происходит переоценка влияния средств химизации. Экологические последствия применения удобрений можно рассматривать с трех позиций: местное влияние удобрений на экосистемы и почвы, на которых они применяются; влияние на другие объекты экосистемы и их звенья; влияние на объемы производимой продукции и качество, здоровье людей и животных.
В литературе имеется большой ряд публикаций, в которых освещаются негативные последствия от применения минеральных удобрений, главные из которых, увеличение подвижности некоторых тяжелых металлов и микроэлементов, содержащихся в почве (Ягодин В.А., Крылов Е.А, 2000; Гайсин, И.А., 2001).
Опасность активного вовлечения в геохимическую миграцию микроэлементов, например, В, Zn, Сu, Мn, может привести к возникновению в пахотном слое их дефицита (Аристархов А.Н., 2000; Бочко Т.Ф., Авакян К.М., Шеуджен А.Х., Харитонов Е.М., и др., 2002). Может неблагоприятно повлиять на процессы фотосинтеза, передвижение ассимилятов в растении, и обусловит снижение устойчивости к заболеваниям, стрессовым ситуациям (недостаточному и избыточному увлажнению, высоким и низким температурам воздуха), активности ферментных систем и, в конечном счете, снижению продуктивности (Kloke A., 1983; Миллер В.Р., Беккер З.Э., 1983; Анспок П.И., 1990).
Встречаются единичные работы, в которых указывается на ухудшение физических свойств почв в условиях систематического применения удобрений (Кудзин Ю.К., Гниненко Н.В., 1969). По данным которых, в полевых исследованиях на черноземах при возделывании картофеля доля почвенных агрегатов (более 1мм) в варианте с внесением азотных, фосфорных и калийных удобрений, по сравнению с неудобренным вариантом, снижалась с 82 до 77%. В исследованиях Шконде Э.И., Благовещенской З.К. (1982) также на черноземных почвах при внесении полного минерального удобрения на протяжении пяти лет содержание агрономически ценных агрегатов уменьшилось с 70 до 60%, а водопрочных — с 49 до 36%.
По данным многолетних опытов установлено отрицательное влияние длительного применения минеральных удобрений на агрофизические свойства почвы (Медведев В.В., 1988; Поляков А.Н., Шевцова Л.К., 1988; Цибулька Н.Н., Жукова И.И., Юхновец А.В., 2005). Микроморфологические исследования авторов показали, что возрастает плотность упаковки микроагрегатов, снижается видимая порозность, уменьшается доля зернистых агрегатов и доля частиц губчатого микросложения, увеличивается на 11% доля неагрегатированного материала.
Предполагается, что возможной причиной ухудшения структуры почвы является обеднение его пахотного слоя экскрементами почвенных животных (Чижикова Н.П., 1990; Бочко Т.Ф., Авакян К.М., Шеуджен А.Х. и др.; 2001; Белоусов И.Е., 2004).
Рис удовлетворительно произрастает на почвах с широким диапазоном уровня кислотности почв 5,6-7,5 ед. рН. Однако, внесение больших доз минеральных удобрений может послужить причиной обеднения почв гумусом и существенного подкисления среды (Кудеяров В.Н., Благодатский С.А., Ларионова А.А., 1990). Обобщение результатов более 400 длительных полевых опытов Геосети, свидетельствуют о том, что содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения за период 20-30 лет привело к снижению в среднем на 12-14%. Указывается, что внесение минеральных удобрений не компенсирует потерь органического вещества почв.
Длительное применение физиологически кислых минеральных удобрений способствует увеличению кислотности почв, обеднению пахотного слоя основаниями, ухудшению биологических свойств, что также сопровождается ухудшением агрофизических свойств (Кулаковская Т.Н., Детковская Л.П., 1972; Шильников И.А., Сычев В.Г., Аканова Н.И. и др. , 2008). С целью предотвращения такого негативного влияния минеральных удобрений рекомендуется периодическое известкование почв.
Негативное влияние удобрений на окружающую природную среду, может выражаться в загрязнении поверхностных и грунтовых вод, усилении эвтрофирования водоемов. Существует широко распространенное мнение, что применение минеральных удобрений, нарушение существующих регламентов, обусловливает загрязнение почв и растительной продукции тяжелыми металлами и токсичными элементами. Главный аргумент в этом выводе связан с содержанием загрязнителей в сырье, используемом для производства минеральных удобрений (Алексеев Ю.В., 1987; Попова А.А., 1991; Милащенко Н.Э., Захаров В.Н., 1991). Возможное содержание содержащихся токсичных элементов в минеральных удобрениях, в том числе суперфосфатах, приведено в таблицах 1 и 2.
Внесение минеральных удобрений в дозе 100 кг/га NPK обусловливает поступление в почву примерно (г/га): меди - 7,87, цинка – 10,25, кадмия -0,21, свинца – 3,36, никеля – 4,22, хрома – 4,77 (Алексеев Ю.В, 1987; Овчаренко М.М. и др., 1997). Расчеты показывают, что за период использования фосфорных удобрений в почвы бывшего СССР внесено (т): Cd-3200, Pb - 16633, Hg - 553 (Милащенко Н.Э., Захаров В.Н., 1991). Однако, практически все химические элементы, попавшие с удобрениями в почву, находится в малоподвижном состоянии (Орлов Д.С, Малинина М.С., Мотузова Г.В. и др., 1991; Прокопенко В.В., 2005).
Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на рост, развитие растений риса
В соответствии с законом толерантности избыток какого-либо вещества может быть так же вреден, как и недостаток. Количество доступных растениям элементов минерального питания определяется исходным плодородием почвы, почвенными процессами повышения и снижения доступности в течение вегетации, их содержанием и соотношением применительно к конкретной фазе развития растений.
Основная задача рисоводов получить больше зерна риса с наименьшими затратами. Наиболее перспективным решением этой задачи является внесение минеральных удобрений. По установившемуся мнению, на посевах риса использование удобрений, содержащих азот в нитратной форме, малоэффективно, вследствие высокой подвижности NO3- ионов в почвенном растворе, что может привести к значительным потерям азота. Поэтому большинство рекомендаций по системе удобрения в рисоводстве указывают о необходимости использования аммонийной формы азота, которая закрепляется в почве и в меньшей степени подвержена потерям.
В связи с этим наиболее распространено применение удобрений в отдельности, фосфорных в основным суперфосфата, калийных – хлористого калия или калийной соли и азотных удобрений, в качестве последних -сульфат аммония или карбамид. Однако, следует учитывать возможные негативные стороны внесения высоких доз удобрений в районах интенсивного рисосеяния, заключающиеся в загрязнении природных вод остатками удобрений. На посевах риса нитроаммофоска практически не применяется. Вместе с тем, исходя из состава этого удобрения, оно должно быть эффективно при внесении перед посевом, для обеспечения растений риса легкодоступными формами азота, фосфора и калия на самых ранних этапах онтогенеза, когда корневая система у них еще недостаточно развита и обладает слабой поглощающей способностью. По этой же самой причине существует большая вероятность использования этого удобрения для первой корневой подкормки (в фазе всходов) посевов риса.
В наших экспериментах было исследована зависимость образования корней от формы применяемого минерального удобрения (рис.8). Результаты полевого опыта свидетельствуют о том, что в условиях применения нитроаммофоски без добавки и с добавкой антислеживающего агента в фазе кущения не выявлено достоверной разницы по образованию количества корней на растении. Однако, с фазы выметывания добавка 6,0% сиштофа и двукратное применение нитроаммофоски с добавкой 0,2% SiO2 обусловили формирование большего количества корней, соответственно на 11,7% и 12,6%. К фазе молочно-восковой спелости зерна различия сохранились, прирост корней в этих вариантах составил соответственно 13,6% и 14,0%. Наилучшим вариантом был тот, в котором нитроаммофоска применялась не
Влияние нитроаммофоски на развитие корневой системы риса только при посеве риса, но и в подкормку. Добавка к удобрению кремния, по всей вероятности, способствовала оптимизации кремниевого питания растений, что по мнению большого ряда исследователей, приводит к увеличению количества и массы корней (Кудинова Л.И., 1974; Алешин Н.Е., 1982; Yamaguchi T., Tsuno Y., Nakano J., Mano P.,1995, Matichenkov V.V., 1996; Matichenkov V.V., Calvert D.V., Snyder G.S., 1999). Наблюдаемая закономерность: увеличение количества корней в зависимости от содержания кремния в удобрении (r = 0,74 – 86), доказывает целесообразность включения антислживающего агента в состав нитроаммофоски.
Исследования показали, что характер формирования корневой системы во всех вариантах был идентичен. Наибольшая масса корней к моменту уборки урожая образуется в слое почв 0-10 см, затем к отметке 10-20 см во всех вариантах снижается в 2 раза. Однако следует отметить, что очень малое количество корней обнаруживается и в слое 40-50 см (рис. 9).
Рис. 9. Формирование массы корней растений риса в зависимости от условий минерального питания (2013 г.)
Можно считать доказанным фактом, что кремний оказывает положительное влияние на растений риса, реакцию среды, водно-физические, физико-механические свойства почвы, а также, обладая высокой адсорбционной способностью, может удерживать в корнеобитаемом слое внесенные минеральные удобрения и тем самым опосредованно через другие факторы привести к улучшению условий питания и в конечном счете, повышению продуктивности сельскохозяйственных культур (Schollenberger C.J., 1922; Norton L.D., 1995; Matichenkov V.V., Calvert D.V., Snyder G.H., 2000 и др.).
Основываясь на этом факте, можно объяснить выявленную закономерность: увеличения массы корней растений риса в вариантах с нитроаммофоской, содержащей в своем составе двуокись кремния (3-5 варианты), причем более тесная зависимость выявлена в условиях двукратного поступления нитроамофоски в почв (r = 0,81). Как показали дальнейшие исследования, масса корней в фазе созревания в достаточно высокой степени коррелирует с элементами продуктивности растений риса.
Рост – это новообразование органов и тканей, и интенсивность его определяется, прежде всего, обеспеченностью растений элементами минерального питания, оптимизируя которое можно направленно влиять на обмен веществ и продуктивность растений.
В исследованиях в динамике развития растений наблюдения за их ростом является интегральной оценкой экологической обстановки агроценоза, условий жизнедеятельности растений, как результат суммы сопряженных физиологических и биохимических процессов, протекающих в растениях под воздействием изучаемых форм удобрения. Как недостаток элементов, так и избыток вызывает стресс у растений риса, снижая их потенциальную продуктивность. Особенно значимо влияние дисбаланса элементов питания в критические периоды развития растений риса: всходы, кущение, цветение, налив зерна.
Сравнительную оценку роста и развития растений риса проводили по изменению линейных размеров надземных вегетативных органов, накоплению сухого вещества, поглощению элементов минерального питания и формированию листовой поверхности.
Исследование влияния нитроаммофоски с антислеживающими добавками на продуктивность риса
Доказанный факт позволяет рекомендовать для получения экологически безопасной растительной продукции, полностью отвечающей санитарно-гигиеническим нормам и критериям диетической продукции, применение нитроаммофоски с антислеживающими добавками.
Применение средств химизации без учета экологической нагрузки и последствий может значительно нарушить способность экосистемы восстанавливать свои свойства, и привести к необратимым изменениям агроэкосистемы. Поэтому разработка и обоснование стратегии энергосберегающих технологий, обеспечивающих рациональное использование природных и сырьевых ресурсов, должна учитывать уровень негативного воздействия на все объекты природной среды. Агроэкосистемы формируются, изменяются и поддерживаются деятельностью человека, что зачастую приводит к нарушению экологического равновесия, естественных процессов трансформации, миграции и аккумуляции веществ, энергии в почве и в сопредельных средах. Деятельность рисоводческих хозяйств (забор воды и регулирование стока для орошения из водных ресурсов р. Кубань, использование земель) приводит к нарушению почвенно-мелиоративных, гидрогеологических, геохимических, биохимических и экологических условий региона. В технологии возделывания риса большое значение имеет качество оросительных вод, загрязнение которых, может оказать отрицательное влияние на плодородие почв, качество растениеводческой продукции.
В связи с этим нами проведено исследование оросительных вод на входе и при сбросе с чеков. Анализ результатов исследования показал, что достоверной разницы по химическому составу оросительных вод при их сбросе в сравнении с их составом при заборе из реки, не выявлено (таб.20).
Валовое содержание тяжелых металлов в воде рисовой оросительной системы (РОС) (в среднем из 10 проб, 2012 год) Точка забора воды Содержание в воде, мг/л Zn Pb Cd Co Cu Mn Ni При поступлении в РОС 0,023 0,015 0,0001 0,0025 0,011 0,161 0,034 При сбросе с поля 0,028 0,014 0,0001 0,0027 0,014 0,174 0,037 НСР05, мг/л 0,025 0,012 0,0002 0,0019 0,012 0,051 0,021 Полученные результаты позволяют дать предварительную оценку и прогноз загрязненности поверхностных вод реки тяжлыми металлами в зависимости от уровня химизации хозяйства.
В отсутствии очистных сооружений, безусловно остро стоит проблема загрязнения оросительных вод с рисовых полей, хотя загрязнения вод ТМ выше допустимых пределов не выявлено. Однако прослеживается некоторая тенденция к увеличению содержания марганца и цинка.
Анализируя наши данные с этой точки зрения можно сделать вывод, что воды, сбрасываемые с рисовых чеков в р. Кубань характеризуются благоприятным состоянием. Среди анионов в химическом составе воды р. Кубани преобладает сульфат-ион 54-67 мг/л, в небольших количествах присутствует хлорид-ион 5,6-8,2 мг/л, фосфат-ион (0,94-1,13 мг/л), нитриты (0,27-0,39 мг/л) и нитраты (1,68-2,78 мг/л), что не превышает ПДК культ-быт. назначения.
Таким образом, загрязнения оросительной воды превышающего пределы допустимых концентраций тяжелыми металлами не выявлено, по своему химическому составу она отвечала требованиям пригодности для орошения рисовых севооборотов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несбалансированное применение удобрений приводит к их избыточному содержанию в почвах, что может послужить причиной вымывания питательных веществ из почвы в грунтовые воды и ускорению эвтрофикации водоемов. Одним из механизмов снижения миграции удобрений за пределы почвенного профиля является рациональный выбор формы минерального удобрения. В основе разработки ассортимента комплексных минеральных удобрений ОАО «АКРОН» лежат следующие принципы: оптимизация минерального питания различных культур с учетом агрохимических и природно климатических условий и достижение максимальной отдачи от использования этих удобрений в виде повышения продуктивности и качественных характеристик продукции. При этом гарантируется соблюдение агроэкологических требований: стабилизация состояния и повышение содержания элементов минерального питания в почве, снижение рисков загрязнения почвы, водных ресурсов токсичными веществами; сохранение биоразнообразия в агроценозах и оптимизация их фитосанитарного состояния.
Исследования выявили преимущество формы нитроаммофоски с антислеживающими агентами на основе двуокиси кремния. Очевидны преимущества применения нитроаммофоски в земледелии России:
1. универсальное высокоэффективное экономичное комплексное азотно-фосфорно-калийное удобрение для применения на всех типах почв;
2. обеспечивает комплексное сбалансированное питание растений, содержит питательные вещества в благоприятном соотношении, в легкорастворимой и хорошо усвояемой форме для растений;
3. быстродействующий эффект в начальные периоды жизни растений: фосфор способствует развитию сильной корневой системы, азот – увеличивает устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды, калий улучшает морозостойкость, предохраняет от потери энергии, увеличивает содержание белка в продукции, кремний обладая высокой адсорбционной способностью, может удерживать в корнеобитаемом слое биогенные элементы удобрения;
4. не нарушает экологического равновесия окружающей среды, предохраняет почву от внесения лишнего количества удобрений;
5. производится из качественного экологически безопасного сырья. Уровень поступления примесей токсичных элементов в почву (в том числе свинца, мышьяка, кадмия, ртути) с максимальной дозой применения удобрения в сотни раз ниже ПДК или ОДК в почве сельскохозяйственного назначения по ГН 2.1.7.2041 и ГН 2.1.7.2511
6. благодаря кремнию удерживается в почве длительное время, не вымываясь в нижележащие горизонты при избыточном увлажнении;
7. имеет выровненный гранулометрический состав, химическую однородность гранул, равное содержание всех элементов в одной грануле, что позволяет равномерно распределить питательные элементы в почве; обладает хорошими физико-химическими характеристиками, удовлетворяющими условиям хранения и внесения: не слеживается, негигроскопично, 100%-ая рассыпчатость, не пылит.
На основании результатов полевых опытов разработаны рекомендации по дозам применения нитроаммофоски в типичных для зоны почвенно-климатических условиях, обеспечивающие получение заданной урожайности, с учтом биологических особенностей культурам, типа, подтипа и разности почв, их окультуренности (Приложение №1).
