Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1.ПовсдениешС8, Cd и Zn в.системе почва-растение при радиоактивном, химическом и комбинированном загрязнении сельскохозяйственных угодий 11
1.2 .Влияние Cd и Zn на урожайность сельскохозяйственных культур, плодородие и микробиологическую активность почв 22
І.З.Мсроприятия по снижению накопления 137Cs, Cd и Zn в урожае сельскохозяйственных культур 29
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Объекты исследований 39
2.2.Методы исследований 44
ГЛАВА 3. НАКОПЛЕНИЕ 137Cs И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (Cd И Zn) В УРОЖАЕ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ РАДИОАКТИВНОМ И ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВ
3.1. Оценка влияния средств химизации и способов обработки почвы на поступление Cs в урожай зерновых культур 46
3.2. Влияние приемов агрохимического окультуривания дерново-подзолистых почв на урожайность зерновых культур и переход 137Cs в растения 49
3.2.1. Влияние минеральных удобрений и агромелиораитов на продуктивность
и на накопление 137Cs в урожае зерновых культур 50
3.2.2. Влияние применения природных сорбентов на подвижность 137Cs в почве
и поступление в урожай зерновых культур 55
3.3. Влияние агромелиораитов и сорбентов на накопление Cd и Zn в урожае
зерновых культур при химическом загрязнении
3.3.1. Оценка фитотоксичности тяжелых металлов (на примере Cd) на продуктивность зерновых культур 58
3.3.2. Влияние органических удобрений и природных мелиорантов на накопление Cd и Zn в урожае зерновых культур при химическом загрязнении почв 60
3.3.3. Влияние органических удобрений и сорбентов на накопление I37Cs, Cd и Zn в урожае зерновых культур при химическом и комбинированном загрязнении почвы 64
ГЛАВА 4, ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ И АГРОХИМИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
4.1. Влияние способов обработки почвы и минеральных удобрений на численность основных групп почвенных микроорганизмов (бактерий, грибов и актиномицетов) ; 68
4.2. Действие способов обработки почвы и минеральных удобрений на потенциальную активность азотфиксации, денитрификацин почвы и скорость эмиссии 72
4.3. Влияние минеральных удобрений и способов обработки на ферментативную активность почвы ...79
4.4. Влияние органических и минеральных удобрений на микробиологическую активность дерново-подзолистых почв 84
4.5. Влияние приемов окультуривания на микробиологическую активность дерново-подзолистых почв 89
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ АГРОМЕЛИОРАНТОВ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ
5.1. Влияние органических удобрений и сорбентов на численность основных
групп почвенных микроорганизмов при загрязнении почвы Cd и Zn 96
5.2. Действие агромелиорантов на потенциальную активность азотфиксации, деиитрификации и скорость эмиссии СОг в почве при загрязнении Cd и Zn 99
5.3. Влияние органических удобрений и сорбентов на ферментативную активность почвы при загрязнении Cd и Zn 106
ВЫВОДЫ... , 109
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 112
ЛИТЕРАТУРА 113
ПРИЛОЖЕНИЕ 129
- .Влияние Cd и Zn на урожайность сельскохозяйственных культур, плодородие и микробиологическую активность почв
- Оценка влияния средств химизации и способов обработки почвы на поступление Cs в урожай зерновых культур
- Действие способов обработки почвы и минеральных удобрений на потенциальную активность азотфиксации, денитрификацин почвы и скорость эмиссии
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия в результате хозяйственной деятельности человека наблюдается рост числа и интенсивности физических и химических факторов, оказывающих негативное влияние на человека и окружающую среду. Вероятность загрязнения территорий Российской Федерации радиоактивными веществами в случае аварийных ситуаций на АЭС и других предприятиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) остается весьма высокой.
Радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации обусловлено преимущественно аварией па Чернобыльской АЭС, причем в ряде областей Российской Федерации уровни радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий l37Cs ограничивают ведение АПК, что приводит к существенному ухудшению социально-экономической ситуации в этих регионах. Именно сельскохозяйственные экосистемы являются наиболее уязвимыми и критическими вследствие того, что производимая на них продукция дает основной вклад в дозу внутреннего облучения населения, проживающего на загрязненных территориях [3].
В Российской Федерации радиоактивное загрязнение зафиксировано на территории 21 региона, а общая площадь, подвергшаяся загрязнению, составила 150 тыс.км2. Наиболее загрязненными оказались Брянская, Тульская, Калужская и Орловская области. В этих областях было проведено детальное картирование сельскохозяйственных угодий по плотности загрязнения Cs. В Брянской области площади сельскохозяйственных угодий с плотностью загрязнения Cs свыше 1 Ки/км составили 700,8 тыс. га, в Калужской -145,5 тыс. га, в Тульской - 778,7 тыс. га, в Орловской - 419,2 тыс. га. Для Рязанской и Смоленской областей площади сельскохозяйственных угодий с плотностью загрязнения Cs 1-5 Ки/км составили соответственно 388,0 и 8,2 тыс. га.
При плотности загрязнения более 555 кБк/м2 137Cs (15 Ки/км2) устанавливалась зона жесткого радиационного контроля. В России на 01.01.91 г. она действовала на площади 2,4 тыс. км2. Эта зона в основном находится на территории Брянской области. В Тульской, Калужской и Орловской областях имеются отдельные "пятна" ,37Cs в населенных пунктах, на сельскохозяйственных и лесных угодьях. Наибольшему радиоактивному загрязнению подверглись 7 районов Брянской области (Красногорский, Злынковский, Новозыб-ковский, Клинцовский, Гордеевский, Климовский и Стародубский) с общей площадью сельскохозяйственных угодий (на 01.01.92 г.) 484 тыс. га, в том числе пашни - 333,4 тыс. га и пастбищ - 151 тыс. га. Удельный вес этих районов в производстве зерна составлял 22%, картофеля - 34%; овощей - 28% от валового производства области. В зоне жесткого
контроля (на 01,01,92 г.) на территории Брянской области находилось 103,2 тыс. га сельскохозяйственных угодий, где расположено 276 населенных пунктов и проживало 111,4 тыс. человек [58, 101].
Поступление 137Cs в организм человека с продуктами питания происходит главным образом в результате его перехода из почвы в растения и далее в продукцию животноводства. Большое значение с точки зрения опасности токсикантов различной природы для ведения сельскохозяйственного производства имеет их доступность для растений. Прогнозирование химико-токсикологической и радиационной обстановки в сельском хозяйстве, а также разработка комплекса мероприятий по ее улучшению, базируются на знании особенностей миграции химических токсикантов и радионуклидов в агроландшафтах и оценке значимости различных факторов, влияющих на поведение загрязнителей.
В ряду отрицательных факторов, усиливающих агроэкологическое неблагополучие, особое место занимает загрязнение почв токсикантами различной природы [7]. Особенно сильно воздействует на агроэкосистемы промышленное производство. Присущие техногенным биоценозам сообщества живых организмов характеризуются изменчивостью структуры, слабой устойчивостью, случайным составом видов и неспособностью к воспроизводству [62, S8]. Большую озабоченность в последние десятилетия вызывает загрязнение природной среды тяжелыми металлами (ТМ). ТМ, такие как Со, Zn, Си, Ni, Mo, относятся к категории микроэлементов, но, накапливаясь в почвах и растениях в больших концентрациях, становятся токсичными для растений, животных и человека. Изучение особенностей поступления и снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции является весьма актуальным. Достаточно сказать, что для ТМ в принципе не существует механизмов самоочищения - они лишь перемещаются из одного природного резервуара в другой, взаимодействуя с различными категориями живых организмов, и повсюду оставляя негативные последствия этого взаимодействия. В среднем поступление металлов в организм человека происходит следующим образом: по цепям питания - 40-50%, с водой - 20-40%, с воздухом - 20-40%.
Наиболее высокая степень загрязнения характерна для территорий, прилегающих к крупным городам с приоритетом металлургического производства, химической промышленности и машиностроения. Зоны влияния городов простираются на десятки километров, а крупных промышленных агломераций — на сотни километров: Московской - 200 км, Тульской - 120 км, Средпсуральской - 300 км, Кемеровской - 200 км. В результате работы только металлургических предприятий ежегодно на поверхность земли поступает не
менее 154,7 тыс, т меди, 121,5 тыс. т цинка, 89 тыс, т свинца, 12 тыс. т никеля, 0,8 тыс, т кобальта, 1,5 тыс. т молибдена [7],
Основными сельскохозяйственными источниками загрязнения агросферы ТМ являются средства химизации (минеральные удобрения, мелиоранты и др.) и средства защиты растений. Содержание ТМ, примесных элементов в различных средствах химизации, может в сотни раз превышать их среднее содержание в почвах. В фосфорных удобрениях содержатся Cd, Cr, Со, Си, Pb, Ni, V, Zn. Наибольшую экологическую опасность представляют Hg, Cd, Pb и Zn. Навоз и известь также содержат тяжелые металлы. При дозе навоза 50 т/га в почву поступает 38 г/га Pb; 2,3 г/га Cd; 75 г/га Ni; с известью (5 т/га) - 221, 32 и 177 г/га Pb, Cd и Ni, соответственно.
Поступление ТМ в растения в значительной степени зависит от свойств почв, фазы развития растений, форм токсикантов в почвах и их трансформации [19, 24]. Защитная функция почв обусловлена не только минеральной составляющей, но и содержанием и составом гумусовых веществ, и один из путей связывания ТМ - образование солей гумино-вых кислот и комплексов с гуминовыми кислотами.
На почвах, загрязненных ТМ, меняется соотношение питательных веществ в почве, наблюдается значительное снижение урожайности культур. Загрязнение почвы ТМ вызывает различные отклонения не только в росте и развитии растений, но и в анатомическом строении листа: происходит уменьшение толщины столбчатой и губчатой паренхимы, уменьшаются размеры клеток, снижается защитная функция эпидермиса. Не менее глубокое влияние оказывают тяжелые металлы на микрофлору и фауну почвы.
При организации сельскохозяйственного производства на территориях, подвергшихся техногенному загрязнению, необходимо применение эффективных агромелиоративных мероприятий в земледелии, внесение оптимальных доз извести, органических и минеральных удобрений; подбор высокоурожайных сортов культур, устойчивых против болезней и вредителей, накапливающих минимальное количество ТМ и'радионуклидов; внесение природных мелиорантов длительного срока действия; разработка оптимальной системы защиты сельскохозяйственных культур от болезней, вредителей и сорной растительности, и многое другое. Обеспечение получения в загрязненных районах сельскохозяйственной продукции, отвечающей экологическим и радиологическим стандартам, крайне важно для поддержания инфраструктуры сельских районов и создания благополучной социальной обстановки на техногенно загрязненных территориях.
При этом изучение влияния 137Cs и тяжелых металлов на показатели биологической активности почвы, характеризующие уровень ее плодородия, представляется чрезвычайно
важным для понимания механизмов поглощения токсикантов растениями из почвы. Соче-танное действие антропогени ых факторов на такие показатели биологической активности дерново-подзолистой почвы, как численность различных групп почвенных микроорганизмов, потенциальная активность азотфиксации, денитрификации почвы и скорость эмиссии Cd в ночве, ферментативная активность почвы, изучено недостаточно.
Цель и задачи исследования. Целью работы является комплексная оценка влияния технологических приемов возделывания зерновых культур на их продуктивность, накопление !37Cs, Cd и Zn в урожае и микробиологическую активность дерново-подзолистых почв при радиоактивном и химическом загрязнения.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить влияние способов основной обработки почвы и средств химизации на на-
I ^7
копление Cs в урожае зерновых культур (ячмень, озимая рожь, овес) и плодородие почв в условиях радиоактивного загрязнения.
2. Исследовать действие агрохимических приемов и природных сорбентов на переход
Cs и продуктивность зерновых культур при радиоактивном загрязнении почв.
Изучить влияние агротехнических и агрохимических мероприятий на показатели биологической активности почв в условиях радиоактивного загрязнения.
Выявить фитотоксичное действие тяжелых металлов (на примере Cd) на продуктивность зерновых культур.
Оценить влияние органических удобрений и сорбентов на переход Cd и Zn в зерновые культуры при химическом (моно и биэлементном) и комбинированном радиоактивном и химическом загрязнении ПОЧВ.
Исследовать действие ТМ (Cd и Zn) на почвенный микробоценоз, потенциальную активность азотфиксации, денитрификации, скорость эмиссии СО2 в почве и ферментативную активность дерново-подзолистых почв.
Изучить влияние органических удобрений и сорбентов па состав микробоценоза и биологическую активность почв при химическом загрязнении.
Сравнительная оценка эффективности агрохимических мероприятий по снижению потоков Cs с зерном.
Теоретический вклад и научная новизна. Проведена количественная оценка перехода Cs, Cd и Zn в зерновые культуры при внесении в почву радионуклида и тяжелых металлов в различных концентрациях.
Проведенные исследования динамики изменения различных показателей биологической активности (численность основных групп почвенных микроорганизмов, потенци-
альная активность азотфиксации и денитрификации почвы, скорость эмиссии СОї в почве, активность каталазы, дегидрогеназы и др. почвенных ферментов) позволяют получить объективные оценки состояния почвенного микробоценоза и изменения плодородия техногенно загрязненной дерново-подзолистой почвы.
Оценена эффективность применения природных и новых искусственных сорбентов в ограничении перехода 137Cs, Cd и Zn в ячмень, овес и пшеницу и нивелировании негативного действия высоких концентраций загрязняющих веществ на биологическую активность почвы.
Проведен анализ применения комплекса агротехнических и агрохимических мероприятий по минимизации перехода ' 7Cs, Cd и Zn в зерновые культуры с целью экологизации земледелия и получения экологически безопасной продукции растениеводства на дерново-подзолистой почве. Разработаны конкретные предложения производству.
Практическая значимость результатов исследований. Результаты исследований свидетельствуют о том, что гарантированное получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции на техногенно загрязненной дерново-подзолистой почве достигается оптимизацией технологий возделывания сельскохозяйственных культур при качественном выполнении всех агротехнических операций и внедрением новых приемов (в том числе с применением природных и новых искусственных сорбентов), способствующих минимизации накопления ,37Cs, Cd и Zn зерновыми культурами.
Показано, что изменение различных показателей биологической активности почвы при применении различных приемов в технологиях возделывания культур дает объективную информацию о состоянии почвенного плодородия.
Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в конкретных рекомендациях по применению защитных мероприятий па техногенно загрязненных территориях с целью получения экологически безопасной продукции растениеводства.
Предложенные технологии обработки почвы, применения органических, минеральных удобрений, природных и искусственных сорбентов на техногенно загрязненных сельскохозяйственных угодьях, можно использовать при разработке практических рекомендаций по организации и ведению сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Эффективность применения на дерново-подзолистой почве минеральных и органических удобрений, природных и искусственных сорбентов при химическом моно- и биэле-ментном и радиоактивном загрязнении с целью экологизации земледелия и получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Влияние различных технологических приемов возделывания зерновых культур на показатели биологической активности радиоактивно загрязненной после аварии на ЧАЭС дерн ово-подзолистой почвы.
Оценка влияния различных концентраций TM(Cd и Zn) на показатели биологической активности дерново-подзолистой почвы: а) потенциальную активность азотфиксации, де-нитрификации и скорость эмиссии СОг в почве; б) численность основных групп почвенных микроорганизмов; в) ферментативную активность почвы.
Результаты по оценке применения органических и минеральных удобрегний, природных и искусственных сорбентов с целью нейтрализации негативного действия Cd и Zn при химическом загрязнении на различные показатели биологической активности почвы.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Радиоактивность при ядерных авариях и взрывах» (Москва, 2000 г.), 1-й Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2004 г.), 2-й Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2005 г.), 6-й Международной конференции «Экология человека и природы (Плес, 2004 г.), 2-Й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (Тула, 2004).
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работдх^в виде научных статей и тезисов докладов, 4 статьи приняты в печать и находятся в стадии опубликования.
Работа выполнена в рамках программ научно-теоретических и прикладных исследований по тематике РАСХН.
Апробация диссертации состоялась на межлабораторпом научном семинаре ГНУ ВНИИСХРАЭ 16 июня 2005 г.
Автор благодарит всех сотрудников лаборатории № 8 и физико-химического отдела ГНУ ВНИИСХРАЭ, а также коллективы кафедр агрохимии и биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета за содействие и всестороннюю помощь в выполнении настоящей работы.
Автор выражает искреннюю благодарность зам. директора по научной работе Но-возыбковской Государственной сельскохозяйственной опытной станции ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова Ф.В. Моисеенко и ведущим специалистам А.Т. Куриленко, М.Г. Дра-ганской и М.А. Духанину за помощь в организации и проведении многолетних полевых опытов.
Влияние Cd и Zn на урожайность сельскохозяйственных культур, плодородие и микробиологическую активность почв
Как известно, Cd считается токсичным элементом, и основная причина его токсичности связана с нарушением эпзиматической активности. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием Cd в растениях - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев [35]. Фитотоксичность Cd проявляется в тормозящем действии па фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации ССЬ, изменении проницаемости клеточных мембран. Cd повышает предрасположенность растений к грибковым заболеваниям. При повышении концентрации Cd процессы регуляции в значительной степени подавляются, в результате чего происходит значительное накопление элементов в растительном организме. Избыток металлов приводит к дисбалансу компонентов питания, нарушению синтеза и функций многих биологически активных соединений: ферментов, витаминов, гормонов [87]. Продуктивность при этом падает. По данным D. Sauerbeck [161], при повышении содержания Cd в сухой массе зерновых культур от 5 до 69 мг/кг снижение урожая достигает 5-64% соответственно. Значительный интерес с точки зрения, как величины урожая сельскохозяйственных культур, так и его качества, представляют данные по изучению влияния металлов на формирование репродуктивных органов растений. В условиях вегетационных и микрополе-вых опытов на примере ячменя было выяснено, что действие высоких концентраций Cd вызывает уменьшение количества зерен в колосе, но увеличение массы каждого зерна ячменя. В ряде исследований установлено, что зерновые культуры (ячмень, овес) более устойчивы к действию Cd и Zn, чем бобовые (вика, люпин и клевер) [10, 139]. Статистически значимое падение урожая соломы овса на дерново-подзолистой среднеокультурешгай почве происходило при дозе Cd 50 мг/кг почвы, а вики и люпина менее 20 мг/кг; при содержании Cd 100 мг/кг почвы бобовые культуры погибали. В работе [135] отмечали отсутствие влияния Cd при дозе 100 мг/кг почвы на вегетативную массу 7-суточных растений ячменя (фаза 2-го листа) в условиях вегетационного опыта на дерново-подзолистой почве, но резкое снижение урожайности зерна в момент созревания - в 3,7; соломы - в 2,0 раза по сравнению с контролем. По данным ряда авторов [127], при внесении в дерново-подзолистую почву 20 мг/кг Cd коэффициент накопления Cd в 30-суточных растениях ячменя (убранных после достижения ими фазы выхода в трубку) увеличивается в 3-4 раза по сравнению с контрольным вариантом. При этом фитотоксичным содержанием тяжелых металлов считалось такое, которое статистически значимо снижало урожай на 50%. Однако на почвах с высоким уровнем плодородия растения подвержены негативному действию ТМ в меньшей степени, чем на малоплодородных почвах.
Оценивая в целом разработанные в настоящее время нормативы содержания тяжелых металлов в почве, следует признать недостаточную в ряде случаев их обоснованность. Необходимы их совершенствование и дифференциация в зависимости от свойств почвы (не только от механического состава и кислотности) и биологических особенностей сельскохозяйственных культур.
Накопление Cd вегетативными органами растений при загрязнении почв позволяет рассматривать, например, листовые овощи как один из основных источников поступления Cd в организм человека [124,140].
По данным, полученным в условиях вегетационных и микрополевых опытов на дерново-подзолистой почве и черноземе [139], растения по накоплению Cd образуют следующие убывающие ряды;
Люпин вика клевер редис кукуруза овес ячмень озимая пшеница.
Что касается Zn, то это жизненно важный для растений элемент. Он повышает интенсивность фотосинтеза. Доказано влияние Zn на проницаемость клеточных мембран, а также стабилизирующее действие на клеточные компоненты и системы микроорганизмов [7]. Недостаток Zn вызывает отклонения в развитии растений, избыток - хлороз и снижение урожайности [116, 133]. Фоновые концентрации Zn в зерне злаков изменяются в пределах 6-49 мг/кг сухой массы. По данным, полученным в условиях вегетационных и микрополевых опытов на дерново-подзолистой почве и черноземе, растения по накоплению Zn образуют следующие убывающие ряды: клевер вика люпин редис кукуруза овес озимая пшеница ячмень.
Межвидовые различия в накоплении растениями отдельных элементов значительно варьируют и составляют для зерна от 2 до 30 раз, а для соломы и вегетативной массы от 30 до 130 раз. Zn в ячмене накапливается преимущественно в генеративных органах, в пшенице - в равной степени и в стеблях, и в колосе; в овсе — преимущественно в стеблях. В зерне наибольшее содержание Zn обнаружено в зародыше по сравнению с оболочками и эндоспермом [118].
Ряд авторов [57, 140, 141] указывает, что на кислых почвах идет более интенсивное накопление Zn и Cd в растениях, чем на почвах с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды. Так, сельскохозяйственные культуры, возделываемые на загрязненной дерново-подзолистой слабоокультуренной почве, содержали значительно больше цинка, свинца и кадмия, чем на окультуренной почве и черноземе с тем же уровнем загрязнения. При этом одновременное присутствие в почве трех элементов (Zn, Pb и Cd) усиливало поступление в растения цинка и кадмия, что согласуется с работами K.W. Smilde [162], который установил, что токсичность данных металлов в чистом виде меньше, чем в сочетании с другими элементами. Необходимо подчеркнуть, что результаты, полученные при изучении взаимодействия металлов друг с другом при поступлении в растения, весьма разноречивы, поскольку имеются данные как об антагонизме, так и о синергизме между ними [121]. Известкование кислых почв ведет к снижению накопления металлов в урожае зерновых культур. В серии вегетационных и микрополевых опытов на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, загрязненной Cd в концентрациях 3-20 мг/кг, было установлено, что известкование почвы по полной гидролитической кислотности способствовало снижению накопления Cd в зерне ячменя, овса и яровой пшеницы в 1,4-1,9 раза [105]. Как известно, в России площадь почв с избыточной кислотностью, нуждающихся в известковании, составляет около 36,7 млн. га или 31.6% общей площади пашни [66].
Бобовые (вика и люпин) высокочувствительны к действию Zn. Так, доза Zn 2000 мг/кг ()6 ПДК) почвы вызывает 100%-пую гибель урожая вики и люпина и лишь 2-кратное снижение урожая овса и ячменя по отношению к контролю [140]. На почвах с высоким уровнем плодородия растения подвержены негативному действию ТМ в меньшей степени, чем на малоплодородных почвах. В частности, на дерново-подзолистой слабоокультуренной почве дозы Zn 500 мг/кг почвы вызывают 50% падение урожая зерна ячменя по отношению к контролю, в то время как на типичном черноземе лишь доза Zn 2000 мг/кг почвы вызывает достоверное снижение урожая ячменя на 13% по сравнению с контролем. Под действием высоких ( 500 мг/кг почвы) доз цинка происходит уменьшение как количества зерен в колосе ячменя, так и массы каждого зерна.
О механизмах устойчивости различных растений к повышенным концентрациям ТМ пока мало сведений. Устойчивость растений к одному металлу, как правило, не адекватна для других. Можно предположить, что данное свойство организма находится под генетическим контролем и может быть использовано при выведении новых сортов растений, способных давать урожаи незагрязненной продукции на почвах с высоким уровнем содержания ТМ.
В условиях полифакторного (искусственные радионуклиды и ТМ) загрязнения сельскохозяйственных угодий комбинированному физическому (ионизирующее излучение) и химическому (поглощенные металлы) воздействию подвергаются все биологические объекты, включая и почвенную микробиоту.
Как известно, почвенные микроорганизмы являются наиболее устойчивым к радиоактивному облучению компонентом экосистем. Дозы облучения, летальные для растений, не оказывают существенного влияния на численность и жизнеспособность микроорганизмов. Отметим имеющиеся в литературе данные Тимофеева-Ресовского и др. авторов [123] о стимулирующем эффекте внесения в почву радиоактивных изотопов, об отсутствии изменений в составе популяции почвенных микроорганизмов при внесении радионуклидов в количестве 5 мкКи/кг почвы (185 кБк/кг) и другие [59].
Оценка влияния средств химизации и способов обработки почвы на поступление Cs в урожай зерновых культур
В полевом опыте (Опыт 1) на дерново-подзолистой песчаной почве изучали влияние технологических приемов - способов основной обработки почвы и применения средств химизации на накопление Cs в урожае овса, ячменя и озимой ржи, возделывае мых в звене севооборота со следующим чередованием культур: люпин, озимая рожь, картофель, ячмень, овес. При возделывании яровых зерновых (овес, ячмень) испытывали дозы минеральных удобрений - N90P60K90 - рекомендованная для Новозыбковского и Злын-ковского районов Брянской области [22] и повышенная - N]2oP6oKi205 Для озимой ржи -рекомендованная доза - N90P60K120, а повышенная - N135P90K1B0.
Одним из факторов, оказывающим влияние на поступление Cs в растения, является перераспределение радионуклида по профилю почвы при механической обработке. Глубига основной обработки почвы под озимую рожь и овес на неудобренном варианте не оказывало влияния па накопление 137Cs в урожае. Это связано с тем, что многократная перепашка почвы под озимую рожь, возделываемую после люпина, привела к практически равномерному распределению Cs в пахотное слое посвы (0-20 см). Технология обработки почвы под предшественник ячменя — картофель, при возделывании которого ежегодно вносят 80 т/га торфонавозного компоста под перепашку, способствовала более интенсивному поступлению Cs в ячмень по дискованию в 1992 г. Коэффициент перехода Cs в зерно ячменя, возделываемого по дискованию, на контроле в 1,4 раза выше, чем по вспашке. Внесение минеральных удобрений в рекомендованной дозе под овес по вспашке не оказывало влияние на поступление Cs из почвы в растения. При внесении повышенной дозы - Ni2oP6oKi2oMg4o накопление 137Cs в зерне овса по вспашке снижается по сравнению с контролем на 12%. Применение минеральных удобрений в рекомендовнной и повышенной дозах при возделывании овса по дисковой обработке почвы приводит к снижению содержания mCs в зерне на 20-22% При возделывании ячменя в севообороте применение минеральных удобрений оказывает неоднозначное влияние на переход Cs в растения в зависимости от глубины ос-новной обработки почвы. Накопление Cs в зерне ячменя, возделываемого по вспашке, при внесении минеральных удобрений в рекомендованной и повышенных дозах возрастает по сравнению с контролем в 1,3-1,5 раза. Применение удобрений в дозе NgoP6oKgoMg3o под ячмень по дискованию не влияло на переход 137Cs в растения. При внесении повышенной дозы - N]2oP6oKi2oMg4o по дискованию коэффициент перехода l37Cs в зерно ячменя снижается по сравнению с контролем в 1,3 раза (табл. З.1.2.).
Результаты исследований показали, что способы зяблевой обработки дерново-подзолистой песчаной почвы (вспашка на глубину 20-22 см и обработка дисковыми боронами в 2 следа на глубину 10-12 см) под овес не оказывали влияния на урожайность зерна (З.1.1.). Продуктивность озимой ржи и ячменя, возделываемых по вспашке без применения удобрений, в 1,1-1,3 раза выше, чем по дискованию (табл. 3.1.2.),
Применение минеральных удобрений в рекомендованных дозах при возделывании по вспашке, овса, озимой ржи и ячменя, повышает урожай зерна в 1,5-2,4 раза, а при дисковой обработке почвы - в 1,7-1,9 раза. Использование средств химической защиты урожая от сорной растительности, болезни растений и вредителей повышает урожайность овса на 5-9% при внесении минеральных удобрений и на 18-27% на контроле. Внесение повышенных доз минеральных удобрений в технологиях возделывания овса, озимой ржи и ячменя на дерново-подзолистой песчаной почве достоверно ие приводило к дальнейшему росту урожайности зерновых культур по сравнению с рекомендованной дозой.
При оценке эффективности технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур необходимо учитывать вынос радионуклидов с продукцией, так как этот показатель более реально характеризует радиологическую обстановку в исследуемом районе. Применение агрохимических мероприятий в растениеводстве практически всегда способствует увеличению урожайности зерновых культур, и снижение концентрации Cs в растениях может быть обусловлено эффектом «разбавление».
Вынос (поток) 137Cs с продукцией - это доля радиоактивности, отчуждаемая с 1 кг массы урожая с площади 1м и при плотности загрязнения 1 кБк/м . Вынос Cs равен произведению коэффициента перехода (Бк/кг)/(кБк/м2) на урожайность (кг/м2) и площадь (1 м2) при стандартной плотности загрязнения почвы 137Cs 1 кБк/м2. Единица измерения выноса - Бк/м , Расчет выноса 137Cs с единицы площади (Бк/м2) позволяет реально оценить то количество радиоактивности, которое будет участвовать в формировании коллективных доз облучения. С этой точки зрения эффективными будут технологические приемы, снижающие не только концентрацию 137Cs в зерне, но и уменьшающие вынос радионуклида с продукцией (Бк/м2).
Применение минеральных удобрений и пестицидов при возделывании овса приводит к увеличению выноса 137Cs зерном по вспашке на 34-60%, а при дисковой обработке на 35-57%. Вынос Cs с урожаем озимой ржи при внесении N9oP6oK-i2oMg2o и Nn5P9oKi8oMg2o увеличивается по сравнению с контролем по вспашке в 1,3-1,5 раза, а при дисковой обработке вынос увеличивается в 2,0-2,2 раза. Повышение урожайности ячменя при внесении минеральных удобрений увеличивает вынос Cs с урожаем по вепшке в 3,3-3,5 раза, а по дискованию - в 1,6-2,5 раза.
С радиологической точки зрения при возделывании озимой ржи на дерново подзолистой песчаной почве с плотностью загрязнения по Cs 740 кБк/м оптималтьная доза основного внесения минеральных удобрений в сидеральном севообороте N9oP60 i2o а для яровых зерновых культур (ячмень, овес) - N90P60K90.
Действие способов обработки почвы и минеральных удобрений на потенциальную активность азотфиксации, денитрификацин почвы и скорость эмиссии
В полевых условиях было интересно проследить динамику изменения таких важных показателей биологической активности, как потенциальная активность азотфиксации, денитрификации почвы и скорость эмиссии СОг в почве под зерновыми культурами в зависимости от доз применяемых удобрений и способов обработки почвы. Как известно, показатель уровня азотфиксации тесным образом связан с содержанием гумуса в почве, коэффициент корреляции равен г=0,85±0,13 [60].
При возделывании овса на дерново-подзолистой песчаной почве достоверных различий в уровне азотфиксации в зависимости от глубины обработки почвы без применения удобрений не обнаружено (табл. 4.2.1.). Азотфиксирующая способность почвы возрастает при внесении повышенных доз минеральных удобрений по вспашке на 74%. Уровень азотфиксации в конце вегетации овса снижается при внесении минеральных удобрений по дискованию в 1,3-1,7 раза в зависимости от их доз. При внесении повышенной дозы удобрений - Ni2oP6oKi2oMg40 как по вспашке, так и по дискованию, наблюдается усиление процесса денитрификации в 1,2-1,5 раза. Соотношение активности азотфиксации и денитрификации почвы при плужной обработке в 1,5 раза выше, чем при дисковании, так как при достаточном количестве влаги в почве по вспашке создаются более благоприятные условия влажности и газообмена для деятельности азотфиксирующих бактерий.
Более энергичное разрушение органического вещества сопровождается усилением выделения СС 2, так называемым «дыханием» почвы. При дисковании активность дыхания почвы в 1,2-1,8 раза выше, чем при плужной обработке. Это объясняется тем, что при безотвальной обработке основная масса растительных остатков находится в самом верхнем горизонте почвы. Потенциальная активность дыхания почвы при внесении минеральных удобрений под овес по вспашке по вспашке снижается в 1,3-1,4 раза. Внесение минеральных удобрений в рекомендованной дозе - Nt)or 6oK9oMg3o при дисковой обработке почвы приводит к снижению скорости эмиссии СОг в почве под овсом в 1,3 раза. Повышенная доза минеральных удобрений по дискованию увеличивает потенциальную активность дыхания почвы незначительно (7%).
Динамику изменения показателей биологической активности почвы изучали в полевом опыте 1992 г. под ячменем и озимой рожью в зависимости от доз применяемых удобрений и способов обработки почвы,
Азотфиксация. На дерново-подзолистой песчаной почве (опыт 1) под ячменем наиболее благоприятные условия для накопления биологического азота в почве складывались в апреле и в мае (до фазы кущения), когда дефицит влаги в почве еще не ощущался так сильно. В дальнейшем потенциальная активность азотфиксации, как при вспашке, так и при дисковании снижалась в 2-3 раза, оставаясь, в среднем, очень низкой. Дефицит влаги в почве вызвал сдвиг максимума азотфиксации к началу вегетационного периода. Под ячменем на контроле по дискованию азотфиксация достоверно не изменялась по сравнению со вспашкой в апреле и июне, а в мае она снижалась в 2,5 раза, к моменту уборки урожая напротив, возросла в 1,7 раза (рис. 1, приложение 1), Под озимой рожью на неудобренном варианте азотфиксация при вспашке не менялась в течение всего вегетационного периода, дискование почвы достоверно увеличило значение этого показателя в мае и июле в 1,9-3,2 раза. Внесение рекомендованной дозы минеральных удобрений (КвдРбоКэдМёзо) под ячмень стимулировало азотфиксацшо при дисковой обработке дерново-подзолистой песчаной почвы в 1,5-2 раза. Повышенпые дозы удобрений (Ni2oP6oKi2oMg4o) под ячмень при дисковании либо снижали в 1,3-1,7 раза (май, июль), либо существенно не меняли уровень азотфиксации почвы по сравнению с контролем. Эти же дозы удобрений вызывали угнетение деятельности азотфиксирующих бактерий при вспашке в апреле - мае в 1,3-2,8 раза, и лишь к концу вегетации наблюдалась стимуляция -в 1,3-1,7 раза.
Под озимой рожью стимуляция азотфиксации при внесении рекомендованных (N9oP6oKi2oMg2o) и повышенных (Ni35P9oKisoMg2o) доз удобрений отмечена при вспашке лишь в апреле (рост составил 2,0 раза по сравнению с контролем). Уровень азотфиксации в почве под озимой рожью, возделываемой по дискованию при внесении повышенных доз минеральных удобрений увеличивается в июне в 2,3 раза. В целом следует говорить о большей отзывчивости ячменя на внесение рекомендованных доз минеральных удобрений по сравнению с озимой рожью.
Денитрификация, Процесс денитрификации является обратным азотфиксации, и осуществляют его те же микроорганизмы при изменении условий внешней среды. Усиление денитрификации приводит к газообразным потерям азота почвы и в том числе непроизводительным потерям азота минеральных удобрений, тем самым уменьшая поток необходимых растению питательных веществ. Максимальные потери азота под ячменем и озимой рожью отмечены в мае по дисковой обработке почвы. Уровень денитрификации при внесении минеральных удобрений по дисковой обработке почвы снижается в мае под ячменем в 2,8-3,6 раза, а под озимой рожью - в 1,9-2,8 раза. Непроизводительные потери азота в почве в апреле при внесении рекомендованных доз минеральных удобрений под ячмень и озимую рожь, возделываемых по вспашке, снижаются в 1,4-1,6 раза (рис. 2, приложения 1-2). Уровень денитрификации в почве под ячменем по вспашке возрастает в мае в 1,5-1,8 раза, а под озимой рожью - в 2,0-2,3 раза в зависимости от доз минеральных удобрений. В засушливый июнь в почве под ячменем происходит усиление непроизводительных потерь азота в 1,4-1,6 раза как при дисковании, так и при вспашке. Внесение повышенных доз удобрений по вспашке под ячмень приводит к увеличению уровня денитрификации почвы в 1,6 раза в июле по сравнению с контролем. Под озимой рожью негативное действие удобрений на процессы трансформации соединений азота проявляется только в июле при дисковании. Рост денитрификации при применении различных доз удобрений составляет 1,6-1,9 раза. Повышенные дозы удобрений, внесенные под озимую рожь при плужной обработке, способствуют снижению уровня денитрификации почвы в 1,6-1,8 раза в июне и июле по сравнению с контрольными вариантами. Таким образом, рекомендованные дозы минеральных удобрений наиболее эффективны в плане поддержания баланса азота в почве под ячменем и озимой рожью при дисковании почвы в условиях оптимального увлажнения. В условиях дефицита влаги в почве нецелесообразно вносить высокие дозы удобрений под ячмень как при плужной обработке почвы, так и по дискованию, а под озимую рожь лучше их вносить по вспашке.
Интенсивность дыхания почвы характеризует процессы минерализации органического вещества. Наблюдения за динамикой интенсивности дыхания почвы показали, что скорость эмиссии СО2В почве на контроле в посевах ячменя и озимой ржи, как по вспашке, так и по дискованию, достигает минимума в мае и резко возрастает при дефиците влаги в июне и июле (рис. 3, приложения 1-2). Активность дыхания почвы в вариантах без внесения минеральных удобрений при дисковой обработке почвы под ячмень по сравнению со вспашкой в мае и июле выше в 1,4 и 6,1 раза соответственно. Отмечено, что скорость эмиссии СС 2 в почве в июне 1992 г. на контроле под ячменем при дисковании в 1,4 раза ниже, чем по вспашке. При возделывании озимой ржи при дисковании потенциальная активность дыхания в июле была в 1,3 раза выше, а в апреле в 1,5 раза ниже по сравнению со вспашкой в вариантах без внесения минеральных удобрений.
