Введение к работе
Актуальность темы. В современном земледелии актуальным является поиск путей повышения продуктивности агробиогеоценоза при оптимизации объемов использования минеральных удобрений и внедрении в систему «почва-растение» веществ, позволяющих стабилизировать урожайность, сохраняя высокое качество растительной продукции и ее безопасность для животных и человека. Одним из малоизученных в этом направлении факторов является использование кремнийсодержащих материалов природного происхождения, в частности, цеолитов и диатомитов, которые являются не только носителем одного из макроэлементов, необходимых растению для продуктивного органогенеза, но и реальной возможностью улучшения экологического состояния биогеоценоза за счет высокой способности этих материалов к сорбции различного рода веществ. В свою очередь, закрепление в твердой фазе этих материалов отдельных элементов позволяет снижать их миграционную способность по профилю почвы и избыточное накопление растениями, что весьма актуально не только для тяжелых металлов, но и для соединений, быстро и массово вымывающихся из почвы, например, некоторых форм биогенных элементов.
Немаловажным для агропромышленного комплекса страны является и готовность к применению в своем производстве удобрительных материалов, полученных с использованием элементов нанотехнологий. Такие вещества относятся к новому классу современных удобрений, удобрительная ценность и потенциальная опасность (или безопасность) которых должны быть выявлены в первую очередь. В связи с этим, изучение возможности использования в сельскохозяйственном производстве кремнийсодержащих материалов природного происхождения (цеолита, диатомита) и кремнийсодержащего препарата, модифицированного с помощью нанотехнологий, актуально в научном и прикладном плане.
Цель и задачи исследования. Основной целью исследований явилась оценка возможности использования кремнийсодержащих материалов в системе «почва-растение» как ресурсного фактора, позволяющего повысить урожайность культур при сохранении качества и безопасности компонентов агробиогеоценоза.
В задачи исследований входило:
изучение влияния кремнийсодержащих природных и модифицированных материалов – цеолита, диатомита и нанопрепарата с кремнием – на урожайность яровой пшеницы, овса, гороха и картофеля;
учёт отдельных показателей качества и безопасности основной растительной продукции при внесении материалов, содержащих кремний;
оценка влияния кремнийсодержащих материалов на содержание и вынос надземной биомассой растений основных макроэлементов (азота, фосфора, калия и кремния);
экологическая оценка природных кремнийсодержащих материалов по влиянию на агрохимические показатели почвы, ее устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами и транслокацию меди в растение;
расчет эффективности использования минеральных удобрений и кремнийсодержащих материалов в агробиоценозе по окупаемости урожаем и коэффициенту биоаккумуляции кремния в продукции.
Предмет исследований – взаимодействия между био- и экотопом в структуре агробиогеоценоза; объект исследований – природные кремнийсодержащие материалы цеолит и диатомит, а также препарат, содержащий кремний в виде частиц нано- и микроразмеров.
Научная новизна. Впервые в условиях светло-серых лесных почв Нижегородской области проведено изучение эффективности использования природных кремнийсодержащих препаратов (диатомита и цеолита), а также модифицированного удобрения, в котором кремний представлен наноформой, в системе «почва-растение» на картофеле, зерновых (яровая пшеница, овес) и зернобобовых (горох) культурах.
Определено влияние препаратов на продуктивность агрофитоценоза, качество и безопасность сельскохозяйственной продукции в зависимости от способов их использования. Установлена оптимальная кратность разведения исходного раствора нанопрепарата при использовании его в агробиогеоценозе.
Произведена оценка влияния кремнийсодержащих материалов на агроэкологическое состояние (включая содержание тяжелых металлов и интенсивность дыхания) светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, а также оценена способность цеолита к снижению подвижности металла при загрязнении почвы медью.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке современных технологий выращивания сельскохозяйственных культур с целью оптимизации применения традиционных минеральных удобрений, а также снижения негативного воздействия элементов, обладающих токсическим эффектом (ТМ) или повышенной миграционной способностью (биогенные элементы), на состояние агрофитоценоза и педосферу.
Основные положения работы используются в учебных курсах Нижегородской ГСХА в процессе преподавания дисциплин агрохимия, система применения удобрений, сельскохозяйственная экология, экотоксикология.
Основные защищаемые положения
природные кремнийсодержащие материалы цеолит Хотынецкого месторождения Орловской области и диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области при внесении их в почву положительно влияют на урожайность картофеля и яровой пшеницы, выращиваемых последовательно: прирост урожайности достигает 45 и 22% соответственно в прямом действии и последействии при урожайности на контроле (фон N120Р100К120) клубней картофеля 23,5 т/га, а зерна пшеницы 1,64 т/га;
внесение цеолита и диатомита в почву способствует оптимизации состояния почвенного поглощающего комплекса, повышает обеспеченность ее подвижными соединениями фосфора и калия, приводит к снижению содержания подвижных форм тяжелых металлов и некоторому повышению интенсивности дыхания почвы;
цеолит обладает способностью к детоксикации меди в системе «почва-растение»: его использование на загрязненной (2ПДК и 4ПДК) почве позволяет снизить содержание подвижных соединений меди в почве (на 42%) и степень подвижности меди (с 5-6 до 3% по отношению к валовому содержанию), а также концентрацию меди в растениях. Коэффициент биоаккумуляции меди при этом резко снижается в сравнении с неудобренной и незагрязненной почвой (с 4,3 до 1,4-1,8);
применение в агроэкосистеме кремнийсодержащего препарата, полученного с использованием технологии модифицирования солей низкими концентрациями наночастиц, способствует повышению продуктивности фитоценоза (на 10-30% в зависимости от кратности разбавления нанопрепарата и способа его использования), увеличению содержания в почве актуальных форм кремния (на 10-20%) и коэффициента его использования, а также стимулирует усвоение растениями азота, фосфора и калия.
Апробация работы и основные публикации. Результаты исследований автора ежегодно заслушивались на конференциях аспирантов и научно-педагогических работников Нижегородской ГСХА, а также были доложены на международной научно-практической конференции «Нетрадиционные источники и приёмы организации питания растений» (г. Н. Новгород, 2011).
Общее количество опубликованных работ представлено 7 наименованиями, из них 3 статьи – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Личное участие в печатных работах составляет 1,23 усл. печ. листов.
Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, обзор литературы, 5 глав содержательной части, выводы. Она изложена на 151 страницах, содержит 49 таблиц, 3 рисунка и 10 приложений. Список литературы включает 285 наименований, в т.ч. 44 иностранных публикации. Работа выполнена в соответствии с комплексным тематическим планом научных исследований Нижегородской ГСХА (номер гос. регистрации темы 0120.0 805769).
Работа выполнена лично автором во время обучения в очной аспирантуре при кафедре. Разработка общей концепции и программы исследований проведена под руководством проф. Титовой В.И. В решении отдельных вопросов диссертационных исследований в разное время принимали участие преподаватели Дабахова Е.В., Гейгер Е.Ю. и студентка Шамаева М.С., что нашло отражение в опубликованных работах и которым автор выражает искреннюю благодарность.
Автор выражает глудокую признательность всему коллективу кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА за консультационную, организационную и моральную поддержку при проведении исследований и написании диссертационной работы.
