Введение к работе
Актуальность темы. Охрана окружающей среды в современном мире занимает одно из ведущих мест среди множества проблем, стоящих перед человечеством. Это связано с техногенным загрязнением значительных по масштабам территорий в результате хозяйственной деятельности человека. Техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. Загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации обусловлено преимущественно выбросами промышленных, энергетических, химических предприятий, а также ненормированным применением средств химизации, к которым относятся минеральные удобрения и некоторые мелиоранты, средства химической защиты растений от вредителей и болезней и др.
Загрязнение почв ТМ в настоящее время выявлено во всех промышленно развитых регионах Российской Федерации. Ареалы распространения техногенных выбросов вокруг промышленных комплексов охватывают площадь 18 млн. га, что составляет около 1% общей площади Российской Федерации. Площадь почвенного покрова, загрязненного ТМ, составляет по ориентировочным оценкам 3,6 млн. га (Романенко Г.А. Концепция, 2003). Более 1 млн. га почв сельскохозяйственных угодий загрязнено особо токсичными элементами (I класс опасности) и около 2,3 млн. га - токсичными (II класс опасности) (Научные основы ведения.., 2004).
Опасность для человека и других представителей биоты ТМ представляют в том случае, когда накапливаются в организме в токсических концентрациях. Для ТМ в принципе не существует механизмов самоочищения - они лишь перемещаются из одного природного резервуара в другой.
Обеспечение получения в загрязненных районах сельскохозяйственной продукции, отвечающей экологическим стандартам, крайне важно для поддержания инфраструктуры сельских районов и создания благополучной социальной обстановки на техногенно загрязненных территориях. Решение этих задач является весьма актуальным для сельскохозяйственного производства.
Разработка комплекса мероприятий по улучшению химико-токсикологической обстановки в сельском хозяйстве и получению продукции, соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам, базируется на изучении закономерностей поступления ТМ в растения в зависимости от вида металла, его свойств, форм выпадений на агроценозы и уровня загрязнения почвы. В настоящее время информации о воздействии ТМ на почвенный микробоценоз и биологическую активность почвы, характеризующие уровень ее плодородия, недостаточно. Этот аспект проблемы особенно важен при разработке технологий и приемов, ориентированных на снижение негативного действия ТМ на агроценозы и экологизацию земледелия.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является изучение количественных параметров перехода тяжелых металлов в растения и оценка технологических приемов получения экологически безопасной продукции растениеводства на техногенно загрязненных территориях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить размеры перехода Cd, Zn, Си в сельскохозяйственные культуры при загрязнении дерново-подзолистых почв;
исследовать влияние тяжелых металлов (Cd, Zn, Си) на продуктивность сельскохозяйственных культур;
изучить влияние тяжелых металлов (Cd, Zn, Си) на показатели биологической активности дерново-подзолистых почв;
оценить влияние новых видов комплексных удобрений (Супродит) на поступление Cd, Zn, Си из почвы в растения, их продуктивность и вынос ТМ с хозяйственно-ценной части урожая;
выявить эффективность различных технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на минимизацию накопления ТМ в продукции растение-
4 водства на дерново-подзолистых почвах (на примере Центрального региона Российской Федерации).
Теоретический вклад и научная новизна работы.
Проведен анализ и обобщен материал по поведению ТМ в компонентах агроэкосистем, технологическим приемам, направленным на минимизацию накопления загрязнителей в продукции растениеводства.
Проведена количественная оценка перехода Cd, Zn, Си в продукцию растениеводства при загрязнении почв тяжелыми металлами в различных концентрациях.
Проведены исследования динамики изменения различных показателей биологической активности почвы (потенциальная активность денитрификации и азотфиксации почвы, скорость эмиссии СО2 в почве), ферментативной активности (ферменты - каталаза, инвертаза, де-гидрогеназа), что позволяет получить оценку состояния почвенного микробоценоза и изменения плодородия техногенно загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы.
Оценена эффективность применения впервые разработанного удобрения пролонгированного действия Супродит, промышленных удобрений и природных сорбентов в ограничении перехода Cd, Zn, Си в продукцию растениеводства и нивелировании негативного действия ТМ на урожайность и биологическую активность почвы.
Практическая значимость результатов исследований.
Новые экспериментальные данные могут быть полезны при решении практических вопросов, связанных с рациональным землепользованием, рекультивацией земель, оптимизацией сельскохозяйственного производства, получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции на загрязненных тяжелыми металлами территориях.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что гарантированное получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции на загрязненной ТМ дерново-подзолистой почве достигается различными технологическими приемами, в том числе внедрением новых приемов (применение природных и искусственных сорбентов), способствующих минимизации накопления Cd, Си, Zn зерновыми культурами, кормовыми бобами, картофелем. Наиболее перспективным технологическим приемом является применение впервые разработанного удобрения пролонгированного действия Супродит. Показано, что данное удобрение находит применение в хозяйствах Калужской и Брянской областей.
Получены: Патент (в соавторстве) на способ получения Супродита (Федеральная служба по интеллектуальной собственности, № 2336257 от 20.10.2008 г.) и два авторских свидетельства (в соавторстве) о депонировании и регистрации объекта интеллектуальной собственности (№12412 от 03.09.2007 г.; №13890 от 27.06.2008), а также Диплом и Серебряная медаль «За разработку высокоэффективного комплексного удобрения пролонгированного действия Супродит» (9-ая Российская агропромышленная выставка, 2007 г.).
Имеются акты производственных испытаний нового комплексного удобрения пролонгированного действия (Супродит).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Выявлены и оценены закономерности влияния ТМ (Cd, Си, Zn) в зависимости от их содержания в почве, на продуктивность сельскохозяйственных культур и накопление загрязняющих веществ в продукции растениеводства.
-
Установлена эффективность действия агрохимических средств, природных и искусственных сорбентов по минимизации накопления ТМ (Cd, Си, Zn) в продукции растениеводства.
-
Разработано новое комплексное удобрение пролонгированного действия Супродит, применение которого на загрязненных тяжелыми металлами почвах позволяет получать растениеводческую продукцию соответствующего принятым в России нормативам качества.
-
Экспериментально доказано положительное действие Супродита и природных мелиорантов на биологическую активность почвы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях, в том числе на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-технологические основы развития земледелия» (Курск, 2006), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2006), Всероссийской конференции научно-практических итогов реализации проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований в ходе регионального конкурса «ЦЕНТР» в Центральном федеральном округе (Тамбов, 2007), Международном экологическом симпозиуме «Экологические и инженерно-экономические аспекты жизнеобеспечения» (Ганновер, 2007), Международной научной конференции «Сельское хозяйство и климатические изменения» (Саксония, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах в виде научных статей, патента и авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах, включает введение, пять глав, выводы, 46 таблиц, 15 рисунков, список литературы из 216 наименований.
