Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы и основные положения 4
1.1. Актуальность исследований 4
1.2. Цели и задачи исследования 5
1.3. Научная новизна результатов исследований 5
1.4. Апробация работы и публикации 6
2. Состояние вопроса и обоснование задач на исследование 7
2.1. Обработка почвы и подбор культур в севооборотах на почвах загрязненных тяжелыми металлами 7
2.2. Содержание химических элементов в окружающей среде их влияние на плодородие почвы 8
2.3. Влияние химических элементов на рост и развитие растений 12
2.4. Влияние химических элементов на ка чество растительной продукции .14
2.5. Влияние свойств почвы на формы тяжелых металлов 15
2.6. Анализ методов санации почв и мелиорирующих средств 17
2.7. Анализ влияния способов заделки мелиорантов на улучшение агрохимических показа телей по чвы и нейтрализацию загрязнителей 23
3. Почвенно-климатические условия и методы исследований 26
3.1. Почвы зоны и опытных участков. 26
3.2. Климатические условия северной лесостепной зоны челябинской области и метеорологические условия в годы проведения опытов 39
3.3. Программа и методы исследований 44
3.4. Агротехника в опыте 55
Экспериментальная часть 58
4. Влияние способов обработки почвы и приемов мелиорации техногенно-загрязненных почв на снижение негативного влияния тяжелых металлов и урожайность сельскохозяйственных культур 58
4.1. Влияние способов обработки загрязненных почв на изменение агрохимических показателей, урожайность и качество сельскохозяйственных культур 58
4.2. Динамика поступления цинка и кадмия в растения яровой пшеницы и гречихи 62
4.3. Влияние основной обработки почвы на поступление цинка и кадмия в растения донника 71
4.4.аллелопатические свойства тестовых культур 72
4.5. Влияние степени загрязнения почвы тяжелыми металлами на агрохимические свойства почвы и их миграция по профилю почвы 76
4.6. Влияние основной обработки на биологическую активность почвы 80
4.7. Влияние способов заделки мелиорантов техногенно загрязненных почв на свойства почвы и урожайность сельскохозяйственных культур 83
Выводы к главе 4 96
5. Исследование связи урожая со степенью загрязнения почвы тяжелыми металлами 98
5.1. Фотосинтетическая деятельность посевов яровой пшеницы и гречихи 98
5.2. Влияние цинка и кадмия на развитие растений и урожайность зерна яровой пшеницы 104
5.3. Влияние цинка и кадмия на структуру урожая гречихи 110
5.4. Влияние цинка и кадмия на урожайность сухой массы донника 112
5.5. Анализ влияния степени загрязнения почвы цинком и кадмием на качество сельскохозяйственных культур 113
5.5.1. Влияние цинка и кадмия на качество яровой пшеницы 114
5.5.2. Влияние цинка и кадмия на качество гречихи 117
5.5.3. Влияние цинка и кадмия на качество донника 119
5.6. Влияние основной обработки почвы на поступление цинка и кадмия в сорные растения 122
Выводы к главе 5 126
6. Биоэнергетическая оценка мероприятий по способам заделки мелиорантов и снижению поступления тяжелых металлов в растения 128
6.1. Биоэнергетическая эффективность производства с.-х. культур на почвах загрязненных цинком и кадмием при основной обработке почвы .. 128
6.2. Биоэнергетическая оценка внесения мелиорантов и способов их заделки 130
Выводы к главе 6 131
Общие выводы 132
Рекомендации сельскохозяйственному производству 134
Список использованных источников 135
Приложения 146
- Содержание химических элементов в окружающей среде их влияние на плодородие почвы
- Климатические условия северной лесостепной зоны челябинской области и метеорологические условия в годы проведения опытов
- Динамика поступления цинка и кадмия в растения яровой пшеницы и гречихи
- Биоэнергетическая эффективность производства с.-х. культур на почвах загрязненных цинком и кадмием при основной обработке почвы
Введение к работе
По данным иностранных и отечественных ученых [104; 183; 186] в результате работы металлургических предприятий ежегодно на поверхность Земли поступает 121500 т цинка, 8900 т свинца, 1860 т кадмия, 154650 т меди, 12000 т никеля, 765 т кобальта, 1500 т молибдена, 30 т ртути. Вследствие сжигания угля и нефти, на поверхность Земли выпадает ежегодно 1600 т ртути, 3600 свинца, 2100 меди, 7000 цинка, 3700 никеля. С выхлопными газами транспортных средств на земную поверхность попадает 260000 т свинца в год или в 3 раза больше чем от всех металлургических предприятий. Загрязнение почвы техногенными выбросами, содержащими тяжелые металлы, часто превышают допустимые пределы для возделывания сельскохозяйственных культур. Как правило, эти почвы не пригодны для использования в с.-х. производстве.
Ежегодно промышленные предприятия Челябинской области выбрасывают в окружающую среду около 5 млн. т загрязняющих веществ, в т.ч. около 800 т тяжелых металлов, из которых на долю хрома приходится - 222 т, никеля - 180 т, свинца— 144 т, меди — 95 т, ванадия — 88 т. Кроме того, автомобильный транспорт выбрасывает в атмосферу свыше 370 тыс. тонн токсичных соединений [128]. Большая часть загрязнителей накапливается в почве и создает неблагоприятную экологическую обстановку.
Наибольшую степень загрязнения имеют почвы на территориях, прилегающих к промышленным центрам, при этом она зависит от расстояния до источника загрязнения и направления господствующих ветров. Только одно предприятие г. Челябинска - ОАО «MEЧЕЛ» выбрасывает в атмосферу 20 вредных веществ 1; 2; 3 и 4 классов опасности, в количестве до 192 тыс. тонн в год, в том числе до 84 тыс. пыли, содержащей окислы опасных металлов 1 и 2-го класса опасности. По загрязнению атмосферы вредными веществами комбинат относится к 1-му классу опасности. Наибольшую опасность вызывают загрязнения свинцом, никелем, марганцем, хромом и т.д.
Наши исследования, проведенные в Соснове ком районе, прилегающем к ОАО «Мечел» показали, что загрязнение почвы составляет выше ПДК никелем - 2.2%, хромом - 1.6%, кобальтом - 7.8% от обследованной площади. Загрязненными оказались 8% площади с.-х. угодий. Негативное влияние на физико-химические свойства почв оказывают кислотные выбросы промышленных предприятий. По данным Ю.Д. Кушниренко [90] в среднем за 3 года в атмосферу выброшено более 800 тыс.т. окислителей-диоксидов серы, азота и углерода, которые при взаимодействии с атмосферной и почвенной водой образуют кислоты. Кислотные выбросы увеличивают степень кислотности почвы, уменьшают поглотительную способность и буферность почвы, увеличивают подвижность органического вещества и щелочноземельных металлов и миграцию их в нижнюю часть почвенного профиля.
Суммарная плотность загрязнения земель Челябинской области тяжелыми металлами, радионуклидами, а также территории, занятой техногенными отходами составляет 50 тыс. кв. км, или 56% всей территории области.
Содержание химических элементов в окружающей среде их влияние на плодородие почвы
Плодородие почвы - это её способность обеспечивать условия для производства растениями органического вещества. Под плодородием понимается не только обеспечение растений элементами питания и водой, но и весь комплекс почвенных свойств и процессов, оказывающих влияние на жизнь растений, таких как реакция среды, концентрация и состав почвенного раствора, окислительно-восстановительный потенциал, плотность сложения почвы, её структурное состояние, воздушный и тепловой режимы, содержание токсинов и т.д. Биогенная аккумуляция химических элементов один из наиболее впечатляющих результатов почвообразовательного процесса. По мнению В.Б. Ильина [58] сопоставлением содержания элемента в растительной ткани и в литосфере можно выразить востребованность элемента в образовании и развитии современных видов растений. Последовательное, по мере убывания соотношения концентрации элемента в растении к концентрации данного элемента в литосфере составляет ряд биофильности. Тогда соотношение концентрации элемента в земной коре и литосфере составляет ряд геофильности (табл. 1).
В научной литературе давно обсуждается вопрос, почему самыми биофильными оказались химические элементы, не преобладающие в веществе нашей планеты. А.П. Виноградов [25] объяснил это явление. Свойства неметаллов С, Н, О, N, Р, S оказались уникальными, и в настоящее время ставится под сомнение возможность использования других химических элементов при зарождении жизни на других небесных телах. При зарождении жизни на Земле были образованы, надо полагать, все химические элементы на пригодность их для участия в биохимических процессах организации живой природы. По мнению Е.А. Бойченко [19] содержание металлов-макроэлементов в растительной ткани за длительный период эволюции изменялось десятки раз, металлов-микроэлементов сотни и тысячи раз. Металлы-макроэлементы (К, Са, Mg) выполняют в растении общие, фундаментальные функции, которые необходимы при возникновении жизни (регулирование ионного баланса и реакции среды в клетках, воздействие на гидратацию и проницаемость протоплазмы), тогда как металлы-микроэлементы участвуют в усилении или замедление реакций ферментативных систем, которые в процессе эволюции постоянно совершенствуются.
В настоящее время 20 элементов относят к необходимым элементам питания и 12 элементов считают условно необходимыми. К необходимым относятся элементы, без которых растения не могут полностью закончить цикл развития и которые не могут быть заменены другими элементами, по условно необходимым элементам в ряде опытов имеются сведения о К, Си, (Ag), Mg, Са, Zn, (Sr, Cd), В, (AL), С, (Si, Ті, Pb), N, P, V, O, S, Mo, (Cr, Se), CI, J, Mn, (F), Fe, Co, (Ni). Условно необходимые элементы приведены в скобках.
Биогенная аккумуляция является мощным фактором перераспределения элементов в профиле почв. Ее результат - относительное обогащение верхнего 0-10-см слоя биофильными элементами, в том числе относящимися к группе тяжелых металлов - Fe, Mn, Zn, Си, Со. Вероятно, некоторое повышение содержания элементов, не относящихся к биофилам - Cd, Pb, Cr, Ni, также может быть объяснено их биогенной миграцией из нижних слоев в зону активного круговорота элементов [167]. Большая группа химических элементов, с атомным весом более 50 (Hg, Pb, W, Sn, Ni, Cd, Mo, Cu, Co, Mn, Cr, Zn, Sr и др.), обладающих хорошо выраженными свойствами металлов, составляют группу тяжелых металлов.
Почва состоит из твердой фазы, почвенного раствора и газовой фазы. Твердая фаза почвы содержит основной запас питательных веществ для растений. Она состоит из минеральной части, на которую в большинстве почв приходится 90-99% массы твердой фазы, и органической части, которая играет важную роль в ее плодородии. Почти половина твердой фазы почвы приходится на кислород, одна треть на кремний, более 10% на алюминий и железо, и только 7% на остальные элементы, в том числе по 1.3 % на калий и кальций; по 0.6 натрий и магний; 0.02 — хром; 0.005 — цинк; 0.001 — свинец; 0.0008 - кобальт; 0.00005 - кадмий [25].
Органическая часть почвы состоит из негумифицированных органических веществ растительного или животного происхождения и гумуса. В культурные почвы ежегодно поступает на 1 га 5-8 т органических остатков. Масса бактерий в слое почвы 0-20 см достигает от 0.7 до 2.7 т на 1 га, что составляет 1-2% от всего содержания органического вещества. На все негумифицированные органические вещества приходится 10-15% общего запаса органического вещества, они оказывают стимулирующее или угнетающее действие на рост и развитие растений, сравнительно легко разлагаясь в почве, являются источником питательных веществ, содержащиеся в них азот, фосфор, сера и др. переходят в доступную для растений минеральную форму. Оставшаяся часть превращается в специфическое органно-минеральное соединение в почве — гумус. Гумус как интегрированный показатель плодородия почв подвержен наиболее заметным изменениям. Значительные его потери происходят при распашке почв. На динамику органичес5кого вещества пахотных почв влияет система ее основной обработки. Интенсивная обработка почвы способствует разложению органического вещества, поскольку нарушаются естественные физические для протекания этого процесса: физическая окклюзия, недостаток кислорода, снижение уровня влажности и водоудерживающей способности почвы. Наиболее перспективным с точки зрения сохранения гумуса является безотвальная обработка. Эти данные подтверждаются В.А. Синявским, Н.Ш. Борисковой [153] проведенные на черноземе выщелоченном на Шадрине кой сельскохозяйственной опытной станции в пятипольном севообороте пар-пшеница-однолетние травы-пшеница при двух вариантах системы обработки почвы: вспашка на 22-25 см под все культуры и безотвальное рыхление на глубину 30 см в паровом поле под яровую пшеницу и поверхностные обработки дисковым лущильником на глубину 10-12 см под другие культуры севооборота. Потери гумуса при этом произошли в двух вариантах, но в случае минимальных обработок уменьшение содержания гумуса в среднем для слоя 0-20 см составило 0.68%, тогда как при ежегодной вспашке значительно больше -2.%. Избежать потерь гумуса в опыте не удалось, т.к. он проводился в севообороте с паром, но этот процесс сведен был к минимуму за счет уменьшения количества глубоких обработок почвы [78].
Разные типы почв отличаются по составу минеральной части, по количеству и составу органического вещества и по содержанию макроэлементов. Валовой запас в пахотном слое чернозема составляет азота (0.2-0.5%), -фосфор3 (0.1-0,3%), калия (2-2.5%) [4]. Общий запас макроэлементов в десятки и сотни раз превышает годовой вынос этих элементов. Для оценки эффективного плодородия почвы необходимо знать содержание питательных веществ в доступных для растений формах.
Для повышения эффективного плодородия почвы громадное значение имеет применение органических или минеральных удобрений. Известно, что растения усваивают из удобрений с учетом действия и последействия до 40-60% азота, 20-30% фосфора и 30-50% калия. Установлено, что вымывание из почвы катионов подчиняется следующей закономерности: NH4 Na K Mg Ca, а анионов С1 Ж)з Р04 [85]. При избыточном внесении азотных удобрений, отмечаются факты повышенного накопления нитратов, в овощах, кормах, в зерне и в питьевой воде. В отличие от азота фосфор мигрирует в почве очень слабо. Несмотря на это фосфор из почвы может вымываться дождевыми и снеговыми водами. При многократном применении суперфосфата усиливается растворяющее действие остатков неорганических кислот: - РО4. С Г и Fe\
Климатические условия северной лесостепной зоны челябинской области и метеорологические условия в годы проведения опытов
Климат лесостепной зоны Челябинской области определяется не только её широтным положением, но и влиянием Уральских гор. Атлантические циклоны, переваливаясь через Урал, оставляют на его западных склонах значительную часть своей влаги и поступают в Зауралье более сухими. Разница в сумме годовых осадков восточных и западных склонов Уральского хребта превышает 200 мм. Засушливость климата возрастает по мере удаления от Уральских гор.
Существенное влияние оказывают Уральские горы и на тепловой режим Зауралья. Вдоль Уральских гор происходят периодические вторжения с севера холодного, с низким содержанием влаги, арктического воздуха. Поэтому январская температура воздуха на Южном Урале на 6С ниже среднеширотной, на такую же величину увеличивается годовая амплитуда температуры [71; 168].
В целом климат лесостепной зоны характеризуется как умеренно-континентальный с некоторым увеличением континентальное в восточном направлении. Средняя месячная температура воздуха изменяется по области от -14...—18С в январе до +17...+19 в июле. Максимальные значения температуры, наблюдающиеся в течение года изменяются от -48С зимой до +39С летом. Среднегодовая температура составляет 1.2...1.3С.
По суммам средних суточных температур зона характеризуется как умеренно теплая. За период с температурой выше 10С сумма температур колеблется в пределах 1800-2000С, увеличиваясь от предгорий Урала к Западно-Сибирской низменности. Продолжительность периода с температурой выше +10С также увеличивается с запада на восток и составляет 125-130 дней, с температурой выше +15С - 60-80 дней. Средняя продолжительность безморозного периода равна 100-120 дней, сокращаясь в отдельные годы до 60 дней (весной вероятность заморозков сохраняется до середины июня, осенью -с середины августа).
В течение года выпадает 350-400 мм осадков, в том числе за период с температурой выше +ЮС 200-250 мм. Ближе к горам годовая сумма осадков возрастает до 550 мм. Устойчивый снежный покров устанавливается на территории зоны в середине ноября и сохраняется около 150 дней. Высота снегового покрова достигает 40 см. Запасы влаги в метровом слое почвы в весенний период составляют 140-170 мм (приложения 1-8).
Наглядное представление о режиме увлажнения дают климограммы (рис. 5), построенные по методу, разработанному Н. Walter [191]. Они позволяют оценить степень сухости погоды за период вегетации. Это достигается выбором на графике масштаба, в соответствии с которым для каждого месяца указана среднесуточная температура воздуха (С) и среднемесячное количество осадков (мм). Единица масштаба соответствует для температуры 1С, а для осадков 3 мм. Месяцы, для которых точки на графике, обозначающие осадки, лежат выше точек температуры, считаются хорошо обеспеченными осадками, ниже -засушливыми.
Климограммы позволяют количественно оценить погодные условия в период вегетации растений, по ним можно наглядно сопоставить погодные условия разных лет исследований. Засушливый период в 1999 и 2000 году приходился на июль, в 2001 году на первую и третью декаду июля, в 2002 году на июль, и 2003 году на вторую декаду июля.
Данные о температуре воздуха и осадках, по данным Челябинской метеостанции приведены в приложениях 9-10.
Погодные условия 1999 года. Нормальная температура летних месяцев 1999 года и достаточное количество осадков, явились благоприятной основой для протекания агрохимических процессов в почве, что способствовало улучшению питательного режима для растений и протеканию физико-химических процессов, направленных на фиксирование тяжелых металлов.
Сумма положительных температур за период перехода температуры через 10С составила 2114, что на 209С ниже средней многолетней. Максимальная температура апреля достигала 25.5С, средняя декадная температура была 5.3С. Сумма осадков составила 4.9 мм. В мае выпало осадков 49.6 мм, на 41.7 % выше нормы. Температура воздуха 10.3С на 1.5С меньше нормы. В июне количество осадков было на уровне средних многолетних. Средняя месячная температура 15.4С, на 1.5С меньше нормы. В июле сумма осадков превысила норму в 1.5 раза и составила 109.4 мм. Средняя месячная температура 20.3С, на 1.6С выше нормы. В августе сумма осадков составила 77.1 мм, на 37.6 % превысив норму. Температурный режим за этот месяц был в норме. Сентябрь по сумме осадков превышал норму на 53.6%, а температура была на уровне средней многолетней.
Погодные условия 2000 года. По температурному режиму 2000 год был тёплым. Сумма положительных температур за 5 месяцев (IV- VIII) составила 2156С при средней многолетней 2051 С. Уже в апреле средняя декадная температура была 7С при средней многолетней 2.6С. Максимальная температура поднималась в апреле до 26.3С. После некоторого снижения температуры в мае (8.7С при средней многолетней 11.8С) вновь устанавливается повышенный температурный режим, который сохранялся до второй декады сентября. Самыми теплыми месяцами были июнь (19.1 С при средней многолетней 16.9С) и июль (20.2С при средней многолетней 18.7С). Максимальная температура поднималась за этот период до 31-32С. Продолжительность вегетационного периода составила 132 дня.
По количеству осадков 2000 год резко отличался от средних многолетних показателей. За период активной вегетации выпало 434 мм при норме 267 мм. Крайне нетипичным был характер распределения осадков. Самый влажный месяц — июль — оказался в 2000 году самым засушливым (вместо 71 мм по норме, выпало 15.4 мм). За май и июнь, которые считаются на Южном Урале наиболее засушливыми, выпало 240 мм осадков, почти три нормы. Количество осадков в августе было близким к норме, но со второй декады сентября вновь установилась дождливая погода (за 20 дней выпало более 73 мм при норме 20 мм).
Таким образом, и температурный и водный режимы лета 2000 года были благоприятными для формирования урожая. ГТК за вегетационный период составил 1.2, в июне 2.2, в июле 0.3, в августе 1.1.
Большой недобор урожая получен в тех хозяйствах, которые не могли завершить сев в мае из-за дождливой погоды. Посевные работы продолжались до середины июня, в результате чего созревание хлебов наступило к концу сентября. Но в этот период установилась дождливая прохладная погода, что привело к большим потерям урожая и резкому снижению качества зерна.
Погодные условия 2001 года. По температурному режиму 2001 год был тёплым. Сумма положительных температур за 5 месяцев (IV- VIII) составила 2173С при средней многолетней 2051С. Уже в апреле средняя декадная температура была 6.5С при средней многолетней 2.6С. Максимальная температура поднималась в апреле до 24.9"С. Уже в мае устанавливается повышенный температурный режим (средняя температура воздуха 14.2С при средней многолетней 11.8С), который сохранялся до третьей декады сентября. Самыми теплыми месяцами были июль (18.4С при средней многолетней 18.7С) и август (16.0С при средней многолетней 16.5С), Максимальная температура поднималась за этот период до 30.5...32С. Продолжительность вегетационного периода составила 180 дней. Период вегетации с t 5С (11.04.-8.10.2001г. — 180 дней при средней многолетней 21.04.-7.10. — 169 дней), а период активной вегетации с t 10С (21.04. - 7.09.2001г. - 139 дней при средней многолетней 9.05. - 16.09. - 130 дней).
Динамика поступления цинка и кадмия в растения яровой пшеницы и гречихи
Посевы всех исследуемых культур, хотя и в разной степени, но накапливают в большом количестве тяжелые металлы. В наших опытах во все годы исследований основные культуры имели высокое загрязнение цинком и кадмием. К уборке культур концентрация этих металлов снижалась достаточно заметно.
Н.Г. Зырин и др. [52J приводят ПДК цинка в зерне пшеницы и гречихе 25 мг/кг, кадмия - 0.116 мг/кг, МДУ цинка в растительном корме - 50 мг/кг, кадмия -0.35 мг/кг сух. в-ва, в черноземе для Cd - 3, для Zn - 300, а содержание подвижных форм в мг/кг сух. почвы 5.5 и 115 соответственно. ПДК Cd в зерне по Н.Г. Гайдукову и др. [32] - 0.022 мг/кг, МДУ Cd в зерне и зернофураже - 0.2, в почве валовое содержание Cd — 3, подвижное - 0.2 мг/кг.
По данным различных авторов [1; 18; 30; 55; 56; 58; 63; 65; 93; 122; 141; 182; 186], нормативы и ПДК кадмия в зерне 0.1-0.3 мг/кг, в почве 1-5 мг/кг, цинка в зерне 50-58 мг/кг, в почве валовое — 50, подвижное - 23.0. МДУ для зерна пшеницы и гречихи 0.35, для соломы пшеницы и гречихи 0.36 мг/кг.
Поступление тяжелых металлов в растения в значительной мере зависит от свойств почв, фазы развития растений, форм соединения тяжелых металлов в почвах и их трансформации [9; 16; 17; 24; 114]. Исследованиями [13; 47; 52; 54; 55; 121; 137; 184] установлено что, зеленая масса всех растений постепенно и довольно медленно накапливает кадмий. Уровень поглощения кадмия растениями зависит от его количества в воде. Как правило, при увеличении содержания элемента в почве, его количество в разных органах растений также увеличивается.
Наибольшие значения коэффициенты биологического поглощения (КБП) по данным [47] имеет зеленая масса вики, затем в убывающей последовательности идет пшеница, ячмень. Однако зерно имеет еще более высокие коэффициенты поглощения, чем зеленая масса, следовательно, можно ожидать более высоких уровней содержания кадмия в зерне к концу роста растений.
Устойчивость злаковых растений к загрязнению делает их более безопасными в качестве кормовых культур, но ограничивает возможность использования растений этих семейств для очищения почв от загрязнения. Регулирование растением поглощения элементов, видимо, не носит абсолютного характера, о чем свидетельствует отклонение от линейного поглощения тяжелых металлов при возрастании их концентрации в среде [165]. Многие исследователи, изучающие симптомы проявления токсичности ТМ на с.-х. растениях и ее диагностику, отмечают, что Cd в 2-20 раз токсичнее других металлов. Н.А. Черных [179] установлено, что кадмий в отличие от цинка даже при малых количествах в почве (2.5-5 мг/кг) приводит к превышению ПДК в растениях. С течением времени в почве идет закрепление подвижных соединений металлов, результатом чего является увеличение толерантных концентраций, а также концентраций, приводящих к гибели растений, к снижению урожаев и к превышению ПДК, что подтверждается сравнением результатов опытов, проводимых длительное время.
Накопление кадмия по данным Р.И. Первуниной и др. [134] происходит в основном в корнях растений, но в нашем случае анализы были проведены в надземных частях (стебель, листья, зерно). А.Д. Габович, Л.С. Припутько [31] отмечают, что внесение в почву кадмия в дозе 10 мг/кг привело к накоплению в зерне металла в концентрации, вдвое превышающих ПДК. По данным Г.С. Ищенко и др. [62] при самых высоких дозах ТМ, отмечено значительное увеличение концентрации кадмия в соломе. По-видимому, это вызвано нарушением механизма, блокирующего поступление токсичных ионов в растения.
Как свидетельствует анализ качества урожая внесение кадмия сильно загрязняет зерно пшеницы этим элементом. По данным Л.М. Кузнецовой, Е.Б. Зубаревой [90] даже при дозе 1 мг/сосуд его содержание в зерне составляет 0.26 мг/кг, что превышает ПДК (0.1 мг/кг) увеличение доз до 10, 30, 50 мг/сосуд вызывает повышение количества элемента в зерне соответственно до 0.80, 1.84, 2.44 мг/кг, что пропорционально 8, 18, 24 ПДК. Также сильно происходит накопление кадмия и в соломе. При МДУ для грубых кормов 0.3 мг/кг содержание его достигает 0.4-5.87 мг/кг в зависимости от степени искусственного загрязнения.
На основании результатов опытов по исследованию влияния разных доз кадмия на рост, развитие ячменя и по исследованию его накопления в растениях Первуниной и др. [134] были предложены три уровня содержания кадмия внесенного в почву в виде окиси: критический, вызывающий снижение урожая на 10 % (20-50 мг/кг), допустимый - приводящий к накоплению кадмия в фитомассе в количествах, не превышающих допустимые концентрации в кормах и растительной пище по нормам ВОЗ (1-5 мг/кг) и летальный вызывающий гибель растений (50-100 мг/кг). При этом допустимые и критические уровни кадмия в изучаемых почвах в меньшей степени зависят от свойств почвы и вида внесенного соединения по анализу соломы, чем зерна.
Содержание цинка и кадмия в различных частях растений яровой пшеницы и гречихи и коэффициенты биологического поглощения представлены в таблицах 28, 29, 30, 31. Наиболее интенсивное поступление кадмия в растения происходит в первый год. Внесенные в пахотный слой соединения кадмия создают большую локальную концентрацию кадмия в корнеобитаемом слое, и тесный контакт с прорастающими семенами при дальнейшем развитии растений способствует интенсивному поглощению элемента. Изучение распределения кадмия по отдельным органам было проведено на растениях пшеницы и гречихи, достигших полной спелости. Коэффициенты биологического поглощения (КБП) рассчитанные как отношение содержания элемента в частях растений (на сухой вес) к содержанию его в почве, являются наибольшими для листьев, затем в порядке наименьшего накопления ТМ в стеблях и наименьшими для зерна, высокие в первый год после внесения металлов, на второй и третий годы они снижаются, и происходит восстановление почвы.
По содержанию Cd в растениях пшеницы и гречихи прослеживается такая же закономерность снижения концентрации как и Zn, происходит восстановление почвы. Это связано с интенсивной миграцией соединений кадмия в глубь почвы в течение первого и второго года опыта. Однако во все годы сохраняется характер накопления кадмия вегетативной частью растений из почвы с разным его содержанием. Увеличение концентрации металла в почве с 2 до 16 мг/кг существенно не изменяет его поступления в вегетативные органы растений, и лишь содержание 200-1600 мг/кг кадмия в почве приводит к резкому усилению его поступления в растения. Но в тоже время по качеству содержание Cd в зерне пшеницы в 2003 г. при дозах 2-1600 мг/кг составило 0.14-0.38 мг/кг, в зерне гречихи при дозах 2-1600 мг/кг 0.11-0.59 мг/кг. По кадмию хоть и происходит очищение почвы, то зерно превышает ПДК (0.1 мг/кг).
П.М. Авраменко [1] считает, что проводить оценку загрязнения зерна гречихи не вполне корректно, поскольку анализируется не обрушенное зерно, в нашем опыте аналогичный случай, и если анализировать обрушенное зерно, возможно концентрация Cd и Zn будет ниже чем в зерне пшеницы. Нормальное содержание для Cd менее 0.5, для Zn - 60 мг/кг сухого вещества.
По данным А. Кабата-Пендиас [63] среднее содержание кадмия в зерне злаковых культур из различных стран находится в пределах 0.01- 0.75, в зерне пшеницы ФРГ - 0.04, Швеции - 0.06, США - 0.1, Египта - 0.01-0.09 мг/кг см. В.Б. Ильин [59] приводит пределы критических концентраций (КК) тяжелых металлов в надземной массе растений ячменя для Cd — 6-10, для Zn - 120-130.
Биоэнергетическая эффективность производства с.-х. культур на почвах загрязненных цинком и кадмием при основной обработке почвы
Наивысшая биоэнергетическая эффективность производства наблюдалась на контрольном варианте, где было получено 154472 МДж/га валовой энергии (по сумме урожаев сухой массы донника, зерна яровой пшеницы и зерна гречихи), это на 8.0-42.3 % больше, чем на вариантах с внесением кадмия, а совокупные затраты при этом были практически одинаковы (табл. 67, приложения 33-39).
Максимальный выход валовой энергии получен на пшенице - 63772, гречихе - 43597, доннике - 47103 МДж/га, однако на этих вариантах и самые большие затраты совокупной энергии, поэтому энергетический коэффициент находился в пределах 6.85,
На пшенице выход валовой энергии находился на вариантах Cd 2-1600 (30663-58064 МДж/га), на Zn 200-1600 (60999-61652 МДж/га), на гречихе выход валовой энергии на вариантах Cd 2-1600 (21299-40102 МДж/га), на Zn 200-1600 (39270-40602 МДж/га), на доннике на вариантах Cd 2-1600 (20259-42805 МДж/га), на Zn 200-1600 (29731-33671 МДж/га), но высокие затраты совокупной энергии вызвали снижение энергетического коэффициента до 3.19-6.25 на вариантах с Cd, а на Zn энергетический коэффициент составил 5.76-5.98. Приращение валовой энергии на вариантах Cd 2-1600 было ниже на 11-63 %, на Zn 200-1600 на 16-20 % по отношению к контролю. Затраты энергии на 1 к.е. ниже только на контрольных вариантах, а на вариантах с внесением ТМ они повышаются в 1.1-2 раза.
Загрязнение почвы ТМ снижало урожайность всех культур, поэтому энергетические эквиваленты на дозы ТМ и затраты совокупной энергии снижают выход валовой энергии. При загрязнении почвы ТМ выход валовой энергии снизился на 47 %. Учитывая то, что затраты энергии по вариантам опыта одинаковые, как бы считая, что загрязнение почвы (естественный фон), а не внесенные как удобрения, совокупные затраты возросли, что значительно снизило окупаемость производства продукции (энергетический коэффициент).
Биоэнергетическая оценка элементов технологии возделывания сельскохозяйственных культур на почвах подверженных техногенному воздействию тяжелых металлов и эффективности приемов обработки почвы представлена в таблице 68 (Прил. 40).
Исследованиями агрохимиков установлено, что при внесении извести в дозе 8-10 т/га прибавка урожайности наблюдается в течении 8 лет. По данным таблицы видно, что за три года применения мелиорантов энергетическая эффективность повышается и через два года затраты на внесение мелиорантов окупятся. Приведенные данные показывают высокую эффективность применения безотвальной системы обработки почвы.
Наиболее эффективно применение объёмной обработки, где аккумулирование энергии с урожаем получено на 4.8% больше при внесении глауконита и на 9.7% при внесении извести, а затраты энергии на производство единицы продукции на 5-7 % меньше по сравнению с отвальной. Коэффициент энергетической эффективности при объемной обработке при внесении извести составил 3.29 против ЗЛО при поверхностной, при внесении глауконита 3.00 против 2.88 соответственно.
Самые низкие затраты энергии в полевом опыте на мелиорированных участках с внесением глауконита и извести при поверхностной заделке мелиорантов 35568.1 и 33888.1 МДж соответственно, и самый высокий коэффициент энергетической эффективности (3.0) получен при объемной заделке глауконита.
Проведение биоэнергетической оценки различных способов заделки мелиорантов показывает, что наиболее эффективна с точки зрения затрат энергии на производство единицы продукции объемная обработка. Выводы к главе 6 1. Наивысшая биоэнергетическая эффективность при загрязнении почвы цинком и кадмием наблюдалась на контрольном варианте, где было получено 154472 МДж/га валовой энергии. Максимальный выход валовой энергии получен на пшенице - 63772, гречихе - 43597, доннике - 47103 МДж/га. Выход валовой энергии снизился на 47 %, энергетический коэффициент с 6.85 до 3.19. 2. Наиболее эффективно применение объёмной обработки, где аккумулирование энергии с урожаем получено на 4.8% больше при внесении глауконита и на 9.7% при внесении извести, а затраты энергии на производство единицы продукции на 5-7 % меньше по сравнению с отвальной. Коэффициент энергетической эффективности при объемной обработке при внесении извести составил 3.29 против 3.10 при поверхностной, при внесении глауконита 3.00 против 2.88 соответственно. Самые низкие затраты энергии в полевом опыте на мелиорированных участках с внесением глауконита и извести при поверхностной заделке мелиорантов 35568.1 и 33888.1 МДж соответственно. 1. Интенсивное перемешивание почвы пахотного слоя (объемная обработка) способствует снижению накопления тяжелых металлов в зерне сельскохозяйственных культур по сравнению с поверхностной и отвальной обработками. Концентрация тяжелых металлов в растениях за три года снижается и происходит тенденция самосохранения растений за счет защитных барьеров самих растений. 2. При мелиорировании почвы внесением глауконита, при поверхностной заделке прибавка урожайности за три года составила 5.4 %, при отвальной 9.1 %, при объемной 14.4 %, при внесении извести соответственно 7.9 %, 9.2 %, 19.8 %. Средняя прибавка урожая за три года 0.4 т/га по сравнению с контролем. 3. При известковании происходит повышение рН, суммы поглощенных оснований, нитратного азота, подвижного фосфора, обменного калия и снижение гидролитической кислотности, количества аммиачного азота. При внесении глауконита, за счет сорбционных свойств этого минерала происходит снижение гидролитической кислотности, суммы поглощенных оснований, аммиачного и нитратного азота, увеличивается количество подвижного фосфора и обменного калия. 4. На третий год происходит прочное закрепление цинка, свинца, марганца, как глауконитом, так и известью. На фиксацию меди и никеля мелиоранты оказывают различное влияние. Медь прочно закрепляется глауконитом, никель при известковании. Для закрепления тяжелых металлов при внесении глауконита предпочтителен отвальный способ, для извести объемный. При внесении глауконита накопление ТМ снижается от 2 до 4 раз, при известковании от 2 до 4.5 раз. При рассмотрении накопления всей разновидности ТМ известкование в выщелоченном черноземе является более эффективным приемом мелиорации, чем внесение глауконита.
