Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы. Агроэкологическая оценка устойчивости природных и агроландшафтов к техногенезу 9
1.1. Влияние техногенеза на экологическую устойчивость агроландшафтов 10
1.2. Устойчивость природных и сельскохозяйственных растений к техногенному загрязнению 23
1.3. Экологическая оценка отходов производства и направление их использования 30
Глава 2 Время, место, условия и методы проведения исследований 41
2.1 Характеристика почвенных условий 42
2.2 Агрометеорологические условия в годы исследования 44
2.3 Объекты исследования 46
2.4 Программа проведения исследований 51
2.5 Методика выполнения исследований 55
Глава 3 Экспериментальная часть 57
3.1 Агроэкологическая оценка влияния отходов производства, природных минералов и зернобобовых культур на состав и свойства чернозема оподзоленного 57
3.2 Влияние удобрительных форм на основе шлаковых отходов, природных цеолитов и фосфоритов на содержание тяжелых металлов и их подвижность в пахотном слое чернозема оподзоленного 63
3.3 Влияние удобрительных форм на микробиологический состав чернозема оподзоленного 70
3.4 Влияние удобрительных форм на формирование корневой системы зернобобовых культур 74
3.5 Влияние удобрительных форм на формирование симбиотического аппарата зернобобовых культур 85
Глава 4 Экологическая оценка различных приемов повышения посевных качеств зернобобовых культур 92
4.1 Влияние исследуемых удобрительных форм на лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян гороха 93
4.2 Экологическая оценка влияния различных факторов на длину проростков и корней гороха 97
4.3 Оценка влияния исследуемых удобрительных форм на силу роста гороха в конусных цилиндрах 99
4.4 Влияние исследуемых удобрительных форм на полевую всхожесть зернобобовых культур 104
Глава 5 Агроэкологическая эффективность применения природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов на зернобобовых культурах 112
5.1 Влияние исследуемых удобрительных форм на фотосинтетическую деятельность зернобобовых культур 112
5.2 Продуктивность зернобобовых культур при использовании отходов производства и природных минералов 125
Глава 6 Эколого-экономическая эффективность применение исследуемых удобрительных форм на зернобобовых культурах 135
Выводы 143
Рекомендации производству 146
Список литературы 147
Приложения 172
- Влияние техногенеза на экологическую устойчивость агроландшафтов
- Агрометеорологические условия в годы исследования
- Влияние исследуемых удобрительных форм на лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян гороха
Введение к работе
Актуальность темы. Рассматривая экологическое значение почв на ландшафтном уровне, следует отметить, что они, занимая центральное место в ландшафтных системах, тесно связаны с остальными компонентами ландшафта водными и воздушными геохимическми потоками вещества. Происходящие в почвах процессы контролируют химический состав поверхностных и грунтовых вод, определяют в значительной мере благодаря «дыханию почв», газовый состав приземной атмосферы. Поэтому нормальное функционирование почв как биокосных природных и природно-антропогенных подсистем в ландшафтных системах имеет большое значение для экологической устойчивости ландшафта в целом.
В ряду депонирующих природных сред почвы испытывают наибольший техногенный пресс химических элементов, поступающих с атмосферными осадками, осаждающихся в виде сухих аэрозолей, привносимых с удобрениями, ядохимикатами, различного рода компостами, а также при аварийных ситуациях. Химические загрязняющие вещества поступают в основной массе на поверхность и в верхние, наиболее логически ранимые горизонты почв.
Судьба поступающих в почву техногенных химических веществ различна. Наиболее устойчивые в данных биоклиматических и почвенно-биохимических условиях накапливаются в малоподвижных формах. Другие, претерпевая ряд химических превращений и вступая в реакции с органическими и минеральными соединениями почвы, изменяют ее свойства. Третья группа химических соединений - самая подвижная, образующая истинные или коллоидные растворы, в почвах с промывным или периодически промывным режимом выносятся за пределы почвенной толщи, достигают уровня грунтовых вод и загрязняют последние или выносятся поверхностно-склоновым стоком в местные депрессии и водоемы и образуют в геохимиче-
ски подчиненных звеньях ландшафтов локальные очаги интенсивного загрязнения.
Устойчивость почв по отношению к различным загрязнителям неодинакова. Для прогноза изменения почвенно-экологической обстановки необходимо учитывать химический состав загрязняющих техногенных веществ, степень буферности и возможные направления ответных реакций почв на данный конкретный тип химического воздействия. Эти обстоятельства вызвали необходимость проведения исследований по эколого-геохимической оценки устойчивости черноземов региона и экспериментального подтверждения возможности восстановления экологического равновесия в результате рационального и безопасного для окружающей среды внесения удобрительных средств на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства и эколого-стабилизирующего значения зернобобовых культур.
Цель наших исследований — оценить эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного и эколого-стабилизирующую роль зернобобовых культур (горох, соя, люпин), при воздействии различных видов геохимических стартеров (шлаковые отходы производства, природные фосфориты и цеолиты).
Задачи исследований:
Изучить влияние фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на агрофизические, физико-химические и биологические свойства чернозема оподзоленного.
Исследовать влияние изучаемых геохимических стартеров на валовое содержание тяжелых металлов и образование их подвижных форм в пахотном слое чернозема оподзоленного.
Определить формирование симбиотического аппарата различных видов зернобобовых культур (горох, соя, люпин) в зависимости от применения природных минералов и шлаковых отходов.
Установить влияние удобрительных свойств фосфоритной муки, цеолита и шлаковых отходов на посевные качества зернобобовых культур.
Выявить влияние различных доз фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на ростовые процессы и фотосинтетическую деятельность, продуктивность и качество продукции зернобобовых культур.
Эколого-экономическая оценка продуктивности различных видов зернобобовых культур и устойчивости чернозема оподзоленного, под воздействием природных минералов и шлаковых отходов.
Научная новизна исследований. Впервые в условиях черноземов лесостепной зоны европейской части России проведены комплексные исследования экологической устойчивости и плодородия черноземов оподзолен-ных и продуктивности зернобобовых культур к воздействию различных видов химических соединений. В приоритетном порядке решены следующие вопросы:
Показана эколого-геохимическая устойчивость чернозема оподзоленного среднесуглинистого к химическим воздействиям нетрадиционных удобрительных форм на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства;
Определены величины накопления и степени подвижности тяжелых металлов в пахотном слое почвы. Доказано, что внесение фосфоритной муки и шлаковых отходов в высоких дозах (1-1,5 т/га) обуславливает техногенную консервацию таких тяжелых металлов, как свинец, кадмий, никель, марганец - для фосфоритной муки, свинец, кобальт — для шлаков;
Разработан и апробирован способ предпосевной обработки семян гороха шлаком и цеолитом в дозе 50 кг на 1 т семян;
Установлена эколого-стабилизирующая роль зернобобовых культур в воспроизводстве плодородия чернозема оподзоленного к техногенным воздействиям;
5. Дана оценка экономической эффективности использования удобрительных свойств шлаковых отходов производства, природных цеолитов и фосфоритов.
Практическая значимость. Для практического использования разработан способ повышения посевных качеств гороха, позволяющий повышать урожайность и экологическую устойчивость растений к экстремальным погодным условиям. Разработаны приемы эффективного и экологически безопасного применения природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов при возделывании гороха, сои, люпина на черноземах оподзоленных.
Результаты исследований служат теоретической и практической основой регламентирования использования эколого-стабилизирующих и фито-мелиоративных свойств люпина узколистного Кристалл и гороха Орловча-нин и удобрительных свойств природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов для воспроизводства плодородия деградированных черноземов лесо-степей и повышения продуктивности культур.
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке агрономов, экологов, зоотехников, ветеринаров, инженеров-механиков в Орловском государственном аграрном университете.
Реализация работы. Изучения эколого-геохимической устойчивости чернозема оподзоленного и эколого-стабилизирующей роли зернобобовых культур прошли производственную проверку в ЗАО «Куракинское», Свердловского района и ОАО «Агрофирма Мценская» Мценского района Орловской области и подтвердили выводы, изложенные в диссертационной работе. Они предложены для внедрения и в других сельскохозяйственных предприятиях Орловской области и региона в целом, с целью создания приемов воспроизводства плодородия деградированного чернозема оподзоленного.
Апробация работы. Исследования были выполнены в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет». Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на Всероссийском
8 конкурсе на лучшую работу среди аспирантов и молодых ученых г. Воронеж ВГАУ имени К.Д. Глинки (2007 г.), на базе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева стал Лауреатом «Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых сельскохозяйственных вузов» г. Москва (2007 г.), научно-практических конференциях ОрелГАУ (2005, 2006, 2007, 2008 гг.), научных конференциях «неделя науки» ОГУ (2005, 2006, 2007 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы семь работ, из них четыре в журналах реферируемых ВАК. Приоритетность научных изысканий подтверждена одним патентом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 239 наименования, в том числе 27 на иностранном языке, общий объем диссертации составляет 207 страниц, включая 33 таблицы, 26 рисунков и 52 приложения.
Влияние техногенеза на экологическую устойчивость агроландшафтов
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы (Яковлев, 2000). Большую сложность и актуальность представляет изучение влияния соединений тяжелых металлов (ТМ) техногенного происхождения на физико-химические свойства почв (Переломов, 2003). , Поступление тяжелых металлов в почву обусловлено выбросами промышленных предприятий, тепловых электростанций, миграцией из свалок и открытых карьеров, от автотранспорта (Белюченко, 1997).
Источниками самых различных загрязнителей: пыли, ядовитых газов и т.п. являются отвалы перерабатывающей промышленности. Неблагоприятные экологические последствия нахождения на территории отвалов во многом связаны с загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами (Ахундова, 1989). Так например, в Тульской области ежегодный выброс вредных веществ в атмосферу составлял в 1991 году 600 тыс. т, в реки — 419 млн. м (Дмитриев, 1989).
Тяжелые металлы из почв мигрируют в грунтовые воды и водоемы, а затем потребляются человеком с питьевой водой. Они поступают в растения и, в дальнейшем, попадают в продукты питания растительного и животного происхождения. Частично, тяжелые металлы попадают из почв с испарением и из растений с транспирацией в воздушную среду, а затем через органы дыхания в организм человека. Небезопасны для биоты и человека и физические поля, трансформированные и отраженные скоплениями тяжелых металлов. Под действием тяжелых металлов происходит угнетение практически всего растительного и почвенного мира суши и водоемов. При этом часть изменений накапливается и действует на биоту на генетическом уровне (Савич, Па-рахин и др., 2002).
Тяжелые металлы оказывают различное влияние и на определенные группы микроорганизмов. Отмечается, что действие высоких концентраций тяжелых металлов на численность микроорганизмов проявляется в стимулировании различных грибных спороношений и в угнетении актиномицетов (Черных, 1995).
И.В. Асеева и др. установили, что аэротехногенное загрязнение дерново-подзолистых почв значительно снижает их ферментативную активность. Наиболее чувствительными к загрязнению почв от комбината по производству минеральных удобрений были дегидрогеназа и уреаза. Активность азотфиксации и денитрификации уменьшалась в 2-3 раза вблизи комбината по сравнению с фоновыми участками (Гомонова, 1994).
На примере бурой лесной почвы, длительное время находящейся в зоне аэротехногенного загрязнения крупного химического предприятия, происходят изменения в составе микрофлоры и ингибирование микробиологических процессов в результате прямого влияния загрязнителей на жизнедеятельность микробоценозов (Веденеев, 1981; Звягинцев, 1989).
Л.Г. Долгова (1981) установила, что ассоцияция почвенных микроорганизмов в прикорневой части растений, распространенных в зоне действия выбросов промышленных предприятий, характеризуется снижением общего числа микроорганизмов, уменьшением видов микрофлоры, использующей органические и минеральные формы азота, сокращением численности нит-рификаторов и микроскопических грибов. В почвах техногенных территорий снижена активность процессов аммонификации и нитрификации, обеспечи вающих минерализацию органических веществ. При этом, наоборот, загрязнение почв промышленными токсикантами вызывает повышенную численность денитрифицирующих микроорганизмов, что объясняется поступлением в почву оксидов азота, сернистого газа, фреона и других веществ и созданием в почве анаэробных условий.
Накопление тяжелых металлов уменьшает биопродуктивность угодий и одновременно ингибирует ферментативную и микробиологическую активность, что ведет к уменьшению накопления гумуса, уменьшению комплексо-образующей и структурообразующей способности, биологической активности почвенного раствора. Чувствительным показателем загрязнения является ферментативная активность. Были получены данные о снижении активности уреазы, инвертазы, каталазы и фосфатазы в почве при загрязнении ее свинцом и кадмием (Черных, 1988). Однако снижение активности ферментов происходит только при достаточно высокой степени загрязнения, что накладывает ограничения на возможность использования данного показателя в качестве индикатора на присутствие поллютантов (Кузнецов и др., 1988; Степанова, Коренькова, Финохина, 2004).
Это уменьшает устойчивость почв к переуплотнению, развитию ог-леения и, в конечном итоге, ограничивает и устойчивость почв к загрязнению. Накопление в почве тяжелых металлов ведет к увеличению их подвижности, к проникновению в более глубокие слои почвенного профиля, к загрязнению растительности, к угнетению биоты, к увеличению содержания тяжелых металлов в грунтовых водах (Савич, Парахин и др., 2002, Чугунова, 1990). Поглощение тяжелых металлов почвами существенно зависит от реакции среды, а также от состава анионов почвенного раствора. Было обнаружено, что в кислой среде преимущественно сорбируются свинец, цинк, медь, в щелочной - кадмий и кобальт (Орлов и др., 2002). Установлено, что загрязнение тяжелыми металлами вызывает изменение щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных свойств почвы.
Агрометеорологические условия в годы исследования
Изучение удобрительных свойств отходов производства и природных минералов на физиологические особенности роста и развития зернобобовых культур и экологическую устойчивость чернозема оподзоленного среднесуглинистого проводили в 2005-2007 гг. на опытном поле кафедры земледелия Орловского государственного аграрного университета. Рельеф опытного участка выровненный.
Морфологические признаки чернозема оподзоленного среднесуглинистого опытного участка: горизонт А1]ах 0-23 см — пахотный. Свежий, темно-серого цвета, среднесуглинистый, структура комковато-пылеватая.
Весь горизонт рыхлый, тонкопористый, густо пронизан корнями растений, слабо припудрен кремнеземистой присыпкой. Переход в подпахотный горизонт заметен по уплотнению.
Горизонт А 23-35 см - подпахотный. Свежий, темно-серого цвета со слабым коричневатым оттенком, среднесуглини-стый, комковато-зернистой структуры, рыхлый, тонкопористый, густо пронизан корнями растений, слабо припудрен кремнеземистой присыпкой. Переход в следующий горизонт В] постепенный. горизонт Bi 35-67 см - переходный по гумусу. Свежий, темно-серый с буровато-коричневатым оттенком, средне-суглинистый, комковато-мелкоореховатой структуры, слегка уплотнен, тонкопористый, кремнеземистая присыпка в виде ясной припудренности. Переход в следующий горизонт В заметен потёками. горизонт В 67-100 см - иллювиальный. Свежий, темно-коричневый с буроватым оттенком и потёками гумуса, среднесуглинистый, уплотнен, тонкопористого сложения, структура комковато-ореховатая, на поверхности структурных отдельностеи точечные скопления кремнеземистой присыпки. Переход постепенный. горизонт ВС 100-121 см. Свежий, желтый, среднесуглинистый, комковатый, пористый, уплотненный, слабо выщелоченный элювий лессовидного суглинка. Переход в горизонт С заметен.
Горизонт С 121-150 см. Свежий, палевый, среднесуглинистый, комковатый, пористый, уплотнен, с паутиной псевдомицелия, вскипающего от соляной кислоты, лессовидный суглинок. По основным физико-химическим показателям данные почвы пригодны для возделывания всех районированных в области сельскохозяйственных культур и являются типичными для данной природно-экономической зоны.
Пахотный слой чернозема оподзоленного среднесуглинистого характеризуется следующими показателями: содержание гумуса - 6,6 %, подвижного фосфора по Кирсанову - 10,4 мг/ЮОг, обменного калия по Масловой -10,1 мг/100 г почвы, рНс0Л - 6,0, сумма поглощенных оснований - 32,5 мг.-экв./ЮОг, мощность гумусового горизонта- 62 см, плотность - 1,0-1,3 г/см3.
Влияние исследуемых удобрительных форм на лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян гороха
На активную азотфиксацию большое влияние оказывают внешние условия среды. Она значительно снижается в засушливые годы, та как для нормальной жизнедеятельности клубеньковым бактериям требуется достаточное увлажнение почвы. Эти бактерии хорошо развиваются в почвах с нейтральной или слабокислой реакцией почвы (pHKci 5,6-7,0), поэтому подщелачива-ние способствует их размножению и улучшению деятельности.
На образование клубеньков и их азотфиксирующую способность большое влияние оказывает обеспеченность почвы подвижными формами фосфора, калия, органическим веществом, а также микроэлементами. Клубеньки на корнях бобовых культур начинают формироваться через 7-10 дней после всходов. В течение первого месяца роста растений азотфиксация идет слабо и достигает максимума только к фазе бутонизации. Поэтому на первом этапе роста зернобобовых культур, до начала деятельности клубеньков они должны быть обеспечены доступными макро и особенно микроэлементами питания (Новикова, Самсонова, 2008).
Высокий уровень фотосинтеза, так как клубеньковые бактерии требуют много углеводов, развитие мощной корневой системы и оптимальная влажность оказывают непосредственное влияние на увеличение численности клубеньков, что и было доказано нашими исследованиями.
Как видно из рисунка 10 количество клубеньков у растений гороха Батрак в фазу бутонизации варьировало в среднем за три года от 7,5 млн. шт/га (контроль) до 11,3 - 11,4 млн. шт/га (шлак 1 т/га, цеолит 5 т/га + шлак 0,5 т/га).
В 2005 году максимальное количество клубеньков - 11,5 млн. шт/га отмечено при внесении шлака в дозе 1 т/га, с увеличением дозы шлака до 1,5 т/га их количество снизилось на 2,2 млн. шт/га и составило 9,3 млн. шт/га. Совместное внесение 0,5 т/га шлака с 5 т/га цеолита повысило количество клубеньков до 10,9 млн. шт/га, при контроле 8,0 млн. шт/га. Внесение цеоли та в максимальных дозах способствовало увеличению количества клубеньков до 9,7 млн. шт/га, что в 1,2 раза выше чем в контроле.
Наибольшее количество клубеньков - 14,2 млн. шт/га, у растений гороха Батрак в 2006 году установлено в варианте (цеолит 5 т/га + шлак 0,5 т/га), при контроле 8,3 млн. шт/га. Внесение цеолита в дозе 5 т/га увеличило количество клубеньков до 11,3 млн. шт/га, а с увеличением дозы до 10 т/га исследуемый показатель увеличился в 1,6 раза и составил 13,0 млн. шт/га. Количество клубеньков при внесении 1 т/га шлака повысилось в 1,6 раза в сравнении с контролем и составило 13,4 млн. шт/га, с увеличением дозы шлака на корнях гороха Батрак, отмечено наименьшее количество клубеньков - 8,9 млн. шт/га.
