CC BY
47УДК 631.11: 631.52 (574.2)
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НОУ - ТИЛЛ ТЕХНОЛОГИИ В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ
Г.Н. Чуркина, к.б.н. — Научно-производственный центр зернового хозяйства им. А.И. Бараева», Казахстан
E-mail: galina_churkina@mail.ru
Приведены результаты агроэкологической оценки нулевой технологии обработки почвы (прямой посев) в сравнении с минимальной (мелкая плоскорезная обработка) и традиционной (глубокая плоскорезная обработка) на основании показателей почвенного плодородия (содержание фосфора, нитратного азота, гумуса, микроэлементов и остаточных количеств пестицидов) в условиях многолетнего применения технологий на южных карбонатных черноземах Северного Казахстана. Установлено, что при шестилетнем применении нулевой и минимальной технологий возделывания масличных и зернобобовых культур прослеживается постепенное снижение подвижного фосфора от фазы полных всходов рапса и гороха до фазы созревания этих культур. При мелкой плоскорезной обработке снижение содержания фосфора происходит более энергичней. Это связано как с увеличением выноса данного элемента растениями, так и физико-химическими процессами, протекающими в почве, при которых дигидрофосфат кальция переходит в гидрофосфат и три-кальций фосфат. Для экологического анализа ресурсосберегающих технологий проведена токсикологическая оценка остаточных количеств пестицидов, интенсивно использующихся при защите растений от сорной растительности, болезней и вредителей. Содержание остаточного количества глифосата колебалось от 0,112 до 0,264 мг/кг по всем изучаемым технологиям, но в первый год применения гербицида раундап количество глифосата не превышало предельно - допустимых концентраций в почве.
Ключевые слова: ноу-тилл технология, южный карбонатный чернозем Северного Казахстана, подвижный фосфор, нитратный азот, гумус, микроэлементы и остаточные количества пестицидов.
Основа любой системы земледелия - обработка по- ботки недостаточно для образования продуктивной и
чвы. Традиционные методы интенсивной обработки почвы рано или поздно приводят к снижению запаса почвенного гумуса, уменьшению почвенно-биологи-ческой активности и эрозии вплоть до деградации почвы, а также снижению урожайности. Прямой посев (или No-till), т.е. полный отказ от любой обработки почвы, напротив, является такой системой, при которой снижается эрозия, повышается содержание гумуса, восстанавливается микробная биомасса в почве, улучшается структура почвы и в результате - повышается плодородие почвы [1]. Кроме того, уменьшается объем инвестиций в технику, требуется меньшее количество рабочей силы на гектар, экономится горючее и повышается эффективность. Эту систему, наряду с пастбищами постоянного пользования, можно рассматривать в качестве технологии наиболее близкой природе [2].
Практически все преимущества прямого посева обусловлены постоянным покрытием почвы, и лишь немногие из них тем, что почва не обрабатывается. Прямой посев без остатков на поверхности приводит к неудачам. Поэтому необходимо стремиться к увеличению до максимума производства биомассы в каждом регионе. Оптимальный объем сухой биомассы составляет более 10 т/га в год. Однако одной нулевой обра-
устойчивой формы сельского хозяйства. Необходима четкая схема практических и теоретических знаний и методов, включающих грамотные севообороты, интегрированный подход к системе защиты растений, возврат питательных веществ в почву в виде удобрений, а также рациональное и профессиональное использование внешних материалов.
Цель исследований - проведение агроэкологиче-ской оценки ресурсосберегающих технологий выращивания сельскохозяйственных культур в северном регионе Казахстана.
Агроэкологическую оценку нулевой технологии почвы (прямой посев) проводили в сравнении с минимальной (мелкая плоскорезная обработка) и традиционной (глубокой плоскорезной обработкой) на основании показателей почвенного плодородия (содержание фосфора, нитратного азота, гумуса, микроэлементов и остаточных количеств пестицидов) в условиях многолетнего применения ноу-тилл технологии на стационарных опытах лаборатории агрохимии. Для этого на заложенных реперных участках был проведен отбор почвенных проб по фазам развития растений, в которых определи содержание макро- и микроэлементов, тяжелых металлов и остаточных количеств пе-
Владишрскш ЗемлеШеЩ)
№ 2 (76) 2016
1. Содержние азота и фосфора в почве при применении различных технологий возделывания масличных и зернобобовых культур, мг/кг
Варианты Слои почвы, см Фаза полных всходов Фаза созревания
Р2О5 ЫОз Р2О5 ЫОз
Рапс, глубокая обработка 0-20 39,6 39,0 27,4 15,5
20-40 16,5 31,3 14,0 9,5
Рапс, мелкая обработка 0-20 35,3 34,3 24,2 13,9
20-40 15,4 11,2 9,6 11,0
Рапс, нулевая обработка 0-20 37,9 20,8 28,4 14,3
20-40 14,1 13,2 12,7 11,2
Горох, глубокая обработка 0-20 36,0 17,6 23,9 13,8
20-40 13,0 6,6 9,7 7,7
Горох, мелкая обработка 0-20 30,1 19,3 28,6 16,7
20-40 12,4 8,2 10,8 10,8
Горох, нулевая обработка 0-20 23,5 14,3 18,1 15,8
20-40 11,7 6,4 10,2 10,3
НСР 0,5 1,05 2,16 3,08 4,12
2. Остаточное количество раундапа в почве под посевами пшеницы
Варианты Содержание раундапа, мг/кг пдк
Пшеница нулевая технология 1КПП 0,181 0,5
Пшеница плодосменный севооборот1КПП 0,151 0,5
Пшеница нулевая технология 3КПП 0,145 0,5
Пшеница традиционная технология 3КПП 0,264 0,5
Пшеница плодосменный севооборот 3КПП 0,196 0,5
Пшеница по пару традиционная технология 0,112 0,5
стицидов.
Определение нитратов проводили ионометриче-ским методом по ГОСТ 26951-86, подвижного фосфора и калия - по методу Мачигина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205). Метод основан на извлечении калия (и фосфора) из почвы 1%-м раствором углекислого аммония при соотношении почва: раствор = 1:20. Содержание органического вещества почвы определяли по методу Тюрина И.В. в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). Метод основан на окислении углерода гумусовых веществ до СО2 раствором двухромовокислого калия (К2СГ2О7), приготовленного на серной кислоте, разведенной в воде в объемном отношении 1:1 (хромовая смесь), и последующим определении трехва-
Рис. 1- Содержание гумуса на вариантах с ноу-тилл технологией при внесении различных удобрений
Рис. 2 - Содержание лабильного углерода на вариантах с ноу-тилл технологией при внесении различных удобрений
Рис. 3 - Содержание гуминовых и фульвокислот на вариантах с ноу-тилл технологией при внесении различных удобрений
лентного хрома, эквивалентного содержанию органического вещества, на спектрофотометре.
Остаточные количества пестицидов определяли хроматографическим методом. Определение тяжелых металлов проводили атомно-абсорбционным методом. Метод основан на извлечении из почвы подвижных соединений элементов и измерении поглощения электромагнитного резонансного излучения свободными атомами цинка, меди, кадмия и кобальта на атомно - адсорбционном спектрофотометре ААС-6200.
Наличие в почве элементов питания растений при многолетнем применении ресурсосберегающих тех-
№ 2 (76) 2016
ЗлаЭтшрскт ЗемлеШедь
нологий возделывания служит решающим фактором роста урожайности и качества продукции. Климатические условия Северного Казахстана в период проведения экспериментов (2013-2015 гг.) характеризовались как благоприятные для роста и развития зерновых культур. Периодически выпадающие осадки в вегетационный период носили как ливневый, так и затяжной характер и свели к минимуму такой важнейший фактор целинных регионов как засуха. Поэтому лимитирующим фактором для развития растений стало наличие в почве подвижных элементов азота и фосфора. Содержание калия в почве в опытах было высоким для масличных и бобовых культур - 423-600 мг/кг почвы. В динамике подвижного фосфора в опытах с шестилетним применением минимальной и нулевой технологий возделывания масличных и зернобобовых культур наблюдается постепенное уменьшение данного элемента питания от фазы полных всходов рапса и гороха до фазы созревания этих культур (табл. 1).
Данная закономерность прослеживается на всех технологиях возделывания масличных и зернобобовых культур. В посевах рапса и гороха при глубокой плоскорезной обработке содержание Р2О5 в слое 0-20 см изменяется от 30 до 40 мг/кг почвы, происходит незначительное уменьшение содержания подвижного фосфора от кущения к созреванию. При мелкой обработке снижение содержания фосфора происходит более энергично. При использовании более шести лет ноу-тилл технологии снижение фосфора в сравнении с мелкой плоскорезной технологией в посевах рапса составляет 3,7 мг в фазе созревания в слое 0-40см. Это связано, как с увеличением выноса данного элемента растениями пшеницы, так и физико-химическими процессами, протекающими в почве, при которых ди-гидрофосфат кальция переходит в гидрофосфат и три-кальций фосфат. Эта физико-химическая реакция носит обратимый характер. При увеличении доз подвижного фосфора выше оптимального уровня усиливаются процессы перехода фосфора в труднодоступную форму и, наоборот, при уменьшении его содержания до среднего и низкого преобладают процессы перехода из труднодоступного в легкодоступный фосфор. Эти процессы постоянно происходят в почве и они взаимосвязаны.
На всех фонах обработки почвы в посевах рапса и гороха в фазе полных всходов высокое содержание нитратного азота наблюдается в слое почвы 0-20 см, что служит положительным фактором для развития биомассы растений и формирования в дальнейшем урожая этих культур. При использовании нулевой и минимальной технологии нитрификационные процессы образования нитратного азота активно протекают и в нижних горизонтах, где не проводитят обработку почвы. Так, в посевах рапса и гороха по нулевой и минимальной технологии содержание нитратного азота находится в пределах от 6,4-10,8 мг/кг. Канадскими учеными [3] доказано, что при нулевой и минимальной технологии дополнительный азот требуется
только первые 2-3 года для восстановления микроорганизмов, ускоряющих процесс минерализации и гумификации, оптимизируя тем самым соотношение углерода к азоту до оптимальных величин, т.е. ниже, чем 20:1. Это подтверждается в наших исследованиях при посеве рапса и гороха, возделываемых шестой год по нулевой и минимальной технологии.
Считается, что практика ноу-тилл способствует накоплению почвенного органического углерода (или замедляет его потери) за счет ограничения количества механически индуцированного окисления растительных остатков и органического вещества в почве. Следует отметить, что нетрадиционные культуры (рапс, горох) по разному влияют на оборот углерода в системе ноу-тилл. К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный материал, позволяющий в общих чертах составить представление о процессах трансформации гумусовых веществ. Любые органические остатки, поступающие в почву, подвергаются в ней процессам разложения под воздействием микроорганизмов и мезофауны, использующие эти остатки как строительный и энергетический материал. Этот процесс состоит из минерализации и гумификации. Конечный результат первого - постепенное разложение органических компонентов и образование минеральных соединений, используемых в биологическом круговороте (рис. 1).
Высокое (3,11%) содержание гумуса по сравнению с другими вариантами было на варианте с внесением аммиачной селитры в рядки. Также тенденция к повышению наблюдалась на варианте с внесением аммофоса и аммиачной селитры в рядки и составила 2,94%. Не высокое (2,56%) содержание гумуса было в контроле и варианте с внесением аммофоса. В среднем по вариантам оно находилось на уровне 2,76% и относилось к низкому уровню обеспеченности почв гумусом.
Высокое (0,58%) содержание лабильного углерода по сравнению с другими вариантами также отмечается на варианте с внесением аммиачной селитры в рядки (рис. 2). Не большое снижение отмечается на варианте с внесением нитроаммофоса и контроле - 0,56%. Низкое (0,47%) содержание лабильного углерода выявлено на варианте с внесением аммофоса в рядки.
Групповой состав гумуса - одна из важных качественных характеристик. Накопление содержания гу-миновых кислот находится на уровне 0,36% (рис.3). Высокое (0,39%) содержание гуминовых кислот отмечено на варианте с внесением аммиачной селитры, а самое низкое (0,31%) на варианте с использованием аммофоса и аммиачной селитры. Содержание фульво-кислот на изучаемых вариантах находилось на уровне 0,17%. В пределах от 0,09% на варианте применения аммофоса до 0,21% на варианте с внесением аммофоса и аммиачной селитры. Доля гуминовых кислот была больше доли фульвокислот, поэтому можно считать, что тип почв был гуматно-фульватным на всех изучаемых вариантах. Таким образом, внесение аммиачной
8лаЭимгрсШ ЗемлеЗЪдеф
№ 2 (76) 2016
3. Изменения содержания микроэлементов в посевах рапса и гороха при различных технологиях
селитры в рядки способствует более высокому накоплению гумуса, лабильного углерода и образованию гуминовых кислот.
В период освоения ноу-тилл технологии отказ от механической обработки заменяется использованием химических полютантов - это гербициды, фунгициды и инсектициды. В почвенных пробах, отобранных на различных полях, где более шести лет интенсивно применяют нулевую технологию возделывания зерновых культур, определяли остаточное количество препарата раундап (д.в. глифосат), который использовали для борьбы с однолетними злаковыми сорняками.
Глифосат - гербицид сплошного действия благодаря своим химическим свойствам является неотъемлемым элементом нулевой технологии обработки почвы. Стойкость глифосата в почве изменяется в широких пределах и нет однозначного ответа на вопрос: «Сколько времени глифосат остается в почве?». Периоды полураспада (время, необходимое для распада или уноса половины исходного количества глифосата), определенны производителем гербицида и составляют от 3 до 141 дней. Gimsing A.L.[4] считает, что гли-фосат образует прочные комплексы с большинством почв, и поэтому он исключительно мобилен. Это означает, что маловероятно заражение глифосатом воды и почвы вне участка его применения. Однако другие ученые YuY., ZhouQ.X. [5] установили, что эта связь с почвой является обратимой. Американскими учеными MorilloE.et. all., Thompson D.G. [6] рассмотрены процессы десорбции гербицида, когда глифосат отсоединяется от частиц и легко связывается с разными видами почв. Однако десорбция, когда глифосат отсоединяется от частиц почвы, происходит также легко.
Проведен хроматографический анализ определения остаточных количеств препарата раундап. Этот
№ 2 (76) 2016
гербицид сплошного действия использовали для борьбы с однолетними и многолетними сорняками (д.в. глифосат) на стационаре лаборатории защиты растений. Препарат вносили однократно с расходом 1 л/га (табл. 2).
Токсикологический анализ показал, что содержание остаточного количества глифосата колебалось от 0,112 до 0,264 мг/кг по вариантам опыта. Таким образом, на варианте с гербицидом раундап количество глифосата при применении его перед посевом не превышало предельно - допустимых концентраций в почве (ПДК).
Также целью наших исследований было изучение процессов накопления микроэлементов при длительном использовании минеральных удобрений и ноу-тилл технологии в черноземных почвах Северного Казахстана.
Микроэлементы мы разделили на группы. Металлы с переменной валентностью, которые в условиях увлажнения почв интенсивно развивают восстановительные процессы с образованием сорбционных комплексов, к данной группе относится кобальт (Со). Микроэлементы, которые тесно связаны с компонентами почвы и с органическим веществом в результате окислительно-восстановительных процессов - медь (Си). К микроэлементам, накопление которых не зависит от увлажнения почвы и окислительно - восстановительных процессов и имеющих слабое сродство к органическому веществу, можно отнести цинк ^п).
Для оценки степени влияния десятилетнего применения ноу-тилл технологии на накопление тяжелых металлов и микроэлементов проводили исследования на южных карбонатных черноземах Северного Казахстана. Результаты исследований на вариантах с посевами рапса и гороха с различными технологиями возделывания показали, что содержание Си в изучаемой почве меньше его кларка (18 мг/кг) и свидетельствует о рассеянии элемента относительно литосферы (табл. 3).
Концентрация меди в южных карбонатных черноземах составляет 18,0 мг/кг. Сравнительный анализ по вариантам обработки почвы показал отсутствие достоверных различий по меди между ними, также отмечено отсутствие превышения ПДК.
Содержание подвижного цинка в черноземных почвах колеблется от 3,5 до 5,0 мг/кг почвы. Нами не отмечено превышения ПДК на всех вариантах, включая контроль. Статистическая обработка данных показала отсутствие достоверных отличий по цинку между вариантами.
Оптимальные количества кобальта повышают урожай и улучшают диетическую ценность продукции растениеводства, недостаточные и повышенные его концентрации через пищевые цепи могут вызывать эндемические заболевания у человека и животных. Кобальт относится к числу биологически активных элементов и всегда содержится в организме животных и в растениях. Наиболее высокое содержание кобальта в черноземе было на варианте с рапсом по глубокой обработке. В посевах гороха по мелкой обработке оно
ВлаЗимгрсШ ЗешебЪдецТз
возделывания
Варианты Слои почвы, см Микроэлементы, мг/кг
Cu Zn Co Cd
Рапс, глубокая обработка 0-20 4,8 4,8 6,5 0,1
20-40 4,5 4,2 6,1 0,1
Рапс, мелкая обработка 0-20 4,6 3,8 3,6 0,1
20-40 3,7 3,4 3,6 0,12
Рапс, нулевая 0-20 4,6 4,0 4,3 0,09
20-40 4,1 3,5 4,3 0,09
Горох, глубокая обработка 0-20 4,3 3,9 4,0 0,13
20-40 4,0 3,7 3,6 0,11
Горох, мелкая обработка 0-20 4,3 4,1 3,5 0,16
20-40 3,9 3,8 3,2 0,15
Горох, нулевая 0-20 4,1 3,9 3,9 0,15
20-40 4,0 3,6 3,9 0,14
НСР 0 5 0,23 0,12 0,21 0,01
было достоверно ниже. Эта особенность могла возникнуть из-за почвенной разности между полями, так как пестрота в залегании материнских пород в значительной мере определяет колебания в содержании кобальта в почвах.
Кадмий (Cd) попадает в почву с суперфосфатом (как примесь) и входит в состав фунгицидов. Содержание кадмия в черноземных почвах было на уровне кларка и не превышало ПДК. Загрязнений почвы кадмием не происходило, а слабощелочная реакция почвенного раствора свидетельствует о малоподвижном состоянии сорбированного почвой Cd. Отсутствие достоверных различий между вариантами подтверждает предположение о том, что содержание кадмия в первый год исследования носит фоновый режим и, по всей видимости, имеет природное происхождение. Таким образом, многолетнее применение технологии ноу-тилл не вызвало существенных изменений в содержании кадмия и было в 5 раз меньше ПДК.
Проведенными исследованиями установлено, что при шестилетнем применении нулевой и минимальной технологий возделывания масличных и зернобобовых культур прослеживается постепенное снижение подвижного фосфора от фазы полных всходов рапса и гороха до фазы созревания этих культур. При мелкой плоскорезной обработке снижение содержания фосфора происходит энергичнее. Это связано как с увеличением выноса данного элемента растениями, так и физико-химическими процессами, протекающими в почве, при которых дигидрофосфат кальция переходит в гидрофосфат и трикальций фосфат. Для экологического анализа ресурсосберегающих технологий проведена токсикологическая оценка остаточных количеств пестицидов, интенсивно использующихся при защите растений от сорняков, болезней и вредителей. Содержание остаточного количества глифосата колебалось от 0,112 до 0,264 мг/кг по всем изучаемым технологиям, но в пер-
ECOLOGICAL ASSESSMENT OF NO-TILL TECHNOLOGY IN
G.N. Churkina
вый год применения гербицида раундап количество глифосата не превышало ПДК в почве. Не зависимо от технологий возделывания рапса и гороха с применением минеральных удобрений накопление меди, цинка, кобальта и кадмия происходит на уровне кларка. Только применение минеральных удобрений способствует тенденции накопления микроэлементов и тяжелых металлов.
Литература
1 Чернова О. В., Бекецкая О. В. Допустимые и фоновые концентрации загрязняющих веществ в экологическом нормировании (тяжелых металлов и других химических элементов)// Почвоведение, 2011, №9. -С. 1102-1113.
2 Zaccone C., Caterina R. Di., Rotunno T., Quinto, M. Soil farming system food health: Effect of conventional and organic fertilizers on heavy metal (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) content in semolina samples// Soil & Tillage Research Journal, 2010, №107. -Р.97-105.
3. Liu X., Herbert S.J., Hashemi A.M., Zhang X., Ding G. Воздействие сельскохозяйственного менеджмента на органическое вещество почвы и трансформацию углерода - обзор // Растения, почва и окружающая среда, 2006, Вып. 52. - С. 531-543.
4. Gimsing A.L., Borgard O.K. Effect of phosphate on the adsorption of glyphosate on soils, clay minerals and oxides // Inter. J. Environ. Analitic. Diem, 2002, V. 82, № 8-9. -Р. 545-552.
5. Yu Y., Zhou Q.X. Adsorption characteristics of pesticides methamidophos and glyphosate by two soils // Chemo-sphere, 2005, V. 58, № 6 -Р. 811-816.
6. Morillo E., Undabeytia T., Maqueda C., Ramos A. Glyphosate adsorption on soils of different characteristics. Influence of copper addition // Chemosphere, 2000, V. 40, № 1. -Р. 103-107.
NORTHERN KAZAKHSTAN
There are given agroecological assessment results of zero soil treatment technology (straight sowing) as compared to the minimal (shallow subsurfacial treatment) and the traditional ones (deep subsurfacial treatment) based on the characteristics of soil fertility (the content of phosphorus, nitrate nitrogen, humus, microelements and pesticides residuals) in the conditions of long-term application in southern carbonate chernozem soils of Northern Kazakhstan. There was tracked down a gradual decrease of mobile phosphorus content in rape and been plants from the stage of full young seedling to that of ripening during 6-years' application of zero and minimal treatment technologies of oil-producing and cereal cultures. With shallow subsurfacial treatment the decrease of phosphorus content is observed more energetically, what is stated to be dependent both on the microelement's off-set by plants as long as on physical and chemical processes in soil while calcium dihydrogenphosphate turns into hydrogenphosphate and 3-calcium phosphate. For ecological analysis of resource-saving technologies there is given a toxicological assessment of pesticides residuals used intensively to protect plants from weeds, diseases and pests. Glyphosate residual content changed from 0,112 to 0,264 mg per kg with all the technologies under examination, but glyphosate content during the first year of ROUND-UP herbicide application was not higher than is maximum allowable.
Keywords: no-till technology, southern carbonate chernozem of Northern Kazakhstan, mobile phosphorus, nitrate nitrogen, humus, microelements and pesticides residuals.
ВлаЭимгрсШ ЗешеШеф
№ 2 (76) 2016
