Научная статья на тему 'Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами'

Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
136
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / ОСАДКИ СТОЧНЫХ ВОД / УДОБРЕНИЕ / СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ / ПРИРОДНЫЕ ЦИКЛЫ / ТРАНСЛОКАЦИЯ / HEAVY METALS / SEWAGE SLUDGE / FERTILIZER / FARM CROPS / NATURAL CYCLES / TRANSLOCATION

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Сюняев Николай Константинович, Тютюнькова Маргарита Викторовна, Сюняева Ольга Ивановна, Филиппова Ася Вячеславовна

В статье рассматриваются проблемы использования нетрадиционных видов удобрений, в частности осадков сточных вод, под сельскохозяйственные культуры. Поднимается вопрос транслокации тяжёлых металлов в цикле агропроизводства и возможности безопасного использования осадков сточных вод. Рассмотрены зависимости накопления тяжёлых металлов от свойств почв и толерантности самих растений. Приведены результаты оценки накопления тяжёлых металлов в сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на фоне внесения осадков сточных вод на дерново-подзолистых супесчаных почвах. Выстроены вариационные ряды, способствующие пониманию аккумулирующих способностей и диапазона толерантности видов растений. Отмечена зависимость степени накопления тяжёлых металлов от климатических факторов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Сюняев Николай Константинович, Тютюнькова Маргарита Викторовна, Сюняева Ольга Ивановна, Филиппова Ася Вячеславовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PHYTOREMEDIATION OF HEAVY METALS OF SEWAGE SEDIMENTS BY FARM CROPS IN AGRO-ECOSYSTEMS WITH LIGHT SODDY-PODZOLIC SOILS

The article deals with the problems of using non-traditional types of fertilizers, in particular, sewage sludge, for farm crops. The question of heavy metals translocation in the cycle of agro-production and on the possibility of sewage sludge safe use is being raised. The dependences of heavy metals accumulation on soil properties and plants tolerance are considered. The results of assessment the heavy metals accumulation in farm crops, grown against the background of sewage sludge application on soddy-podzolic sandy loamy soils, are submitted. The variational series, contributing to understanding of the accumulation abilities and tolerance range of plant species have been built. The dependence of the degree of heavy metals accumulation on climatic factors has been pointed out.

Текст научной работы на тему «Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами»

Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами

Н.К. Сюняев, к.б.н, профессор, М.В. Тютюнькова, к.б.н, О.И. Сюняева, к.б.н., профессор, Калужский филиал ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА; А.В. Филиппова, д.б.н, профессор ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Нетрадиционные виды удобрений находят всё большее применение в сельскохозяйственном производстве, и особенно, осадки сточных вод разного генезиса [1]. Это важный момент в соблюдении природных циклов. Осадки сточных вод (ОСВ) отличаются своим разнообразным химическим составом, в том числе содержанием тяжёлых металлов (ТМ). Также известно о специфическом воздействии на организмы различных видов и концентраций ТМ. В настоящее время накоплен обширный материал по способности разных культур поглощать тяжёлые металлы (ТМ), однако недостаточно информации о транслокации ТМ ОСВ в различные растения при увеличении содержания ТМ в почве и изменении её химических, физических и биологических свойств. При наличии такой информации можно маневрировать культурами на почвах с использованием осадков сточных вод с целью получения экологически безопасной продукции [2, 3].

Накопление ТМ в растениях зависит от буферных и сорбционных способностей почв и от толерантности самих растений, т. е. их способности связывать ТМ в конъюгаты в вегетативных органах, в том числе и в корневых системах, и переводить соединения металлов в физиологически неактивное состояние. Диапазон толерантности растений зависит от видовой принадлежности, свойств и токсичности металла. Возможно приоритетными факторами, снижающими содержание ТМ в растениях, являются защитные механизмы, которые формируются в культурах [4].

Количественной характеристикой способности отдельных культур или их частей к поглощению ТМ является коэффициент использования ТМ из ОСВ и ООСВ (КИМо).

Целью нашего исследования явилось изучение масштабов поступления ТМ в сельскохозяйственные культуры (на примере ячменя, картофеля и овса) в условиях применения осадков сточных вод различной влажности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить продуктивность сельскохозяйственных культур при применении осадков сточных вод.

2. Рассчитать вынос ТМ урожаем сельскохозяйственных культур.

3. Рассчитать коэффициенты использования тяжёлых металлов из осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами.

Материал и методы исследования. Основными объектами исследования явились: 1) почва — дерново-подзолистая супесчаная; 2) сельскохозяйственные растения — овёс сорта Привет, ячмень сорта Эльф, картофель сорта Лосунак; 3) осадки сточных вод — после механического обезвоживания на центрифугах с флокулянтами (ООСВ или КЕК) и подсушенные в естественных условиях на иловых площадках в течение 10 лет и более (ОСВ).

Научно-исследовательская работа проводилась в течение 3 лет на экспериментальном участке кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии при опытном поле Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева с внесением дозы осадка — 10 т/га.

Схема опыта включала следующие варианты: I - контроль (без ОСВ); II - ОСВ - 10 т/га по сухому веществу (СВ); III — ООСВ — 10 т/га по СВ.

Анализы почвенных и растительных образцов и осадков проводили стандартными, лицензированными и сертифицированными методами в лабораториях ООО «ИЛКППЭ», ФГУ центра химизации и радиологии «Калужский», центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в г. Калуге, ОСК ГП «Калугаоблводока-нал». Критерием для оценки фиторемедиации ОСВ культурными растениями использовали коэффициент использования тяжёлых металлов из ОСВ (КИМо) (%), который определяли по формуле:

КИМо (%)= (В х 100 %)/Ктм, (1)

где КИМо — коэффициент использования тяжёлых металлов из ОСВ;

В — вынос тяжёлых металлов с урожаем (ц/га); Ктм — концентрация ТМ в пахотном слое (подв. форма), кг/га.

Вынос тяжёлых металлов с урожаем рассчитывали по формуле:

В=(УхКтМ)/105, (2)

где В — вынос тяжёлых металлов с урожаем, ц/га; У — урожайность, ц/га;

Ктм — концентрация ТМ в пахотном слое (подв. форма), кг/га.

Погодные условия в значительной степени оказали влияние на формирование урожая в эксперименте. Температура воздуха за время проведения опытов была различна. Осадки по годам проведения

опытов распределились неравномерно. Несмотря на это, органическая система удобрений обеспечила получение достоверных прибавок урожая. Расчёты КИМо, выноса ТМ с урожаем сельскохозяйственных культур и концентрации ТМ в пахотном слое почвы проводились по разности указанных величин в контрольной и опытных делянках.

Результаты исследования. Нами установлено, что по способности аккумуляции ТМ зерном овса выявлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ: Zn>Ni>Cr>Cu>Pb>Cd (рис. 1). Если сравнивать эти варианты, то при применении ООСВ содержание ТМ в зерне овса ниже. Это связано с меньшим содержанием ТМ в осадках и подвижностью ТМ.

ОСВ ООСВ

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 1 - Содержание ТМ в растениях овса

при применении осадков сточных вод

Исходя из полученных нами данных, по способности аккумуляции ТМ зерном ячменя установлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ: Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd (рис. 2).

Сравнение вариантов показало, что при применении ООСВ накопление ТМ в зерне ячменя ниже, чем у других культур.

Исходя из полученных нами данных, установлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ по способности аккумуляции ТМ клубнями картофеля: Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd (рис. 3). Если сравнивать эти варианты, то при применении ООСВ содержание ТМ в клубнях картофеля ниже, как и при возделывании других сельскохозяйственных культур.

Результаты расчётов КИМо (средние значения за 3 года) представлены на рисунках 4 и 5.

В результате наших исследований получены следующие закономерности:

«о

к0,7

46

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 2 - Содержание ТМ в зерне ячменя

при применении осадков сточных вод

ОСВ ООСВ

РЬ

Си

са

N1

Zn

Сг

Рис. 3 - Содержание ТМ в клубнях картофеля при применении осадков сточных вод

% .--

0,4

овёс ячмень картофель

г ■ ■ ■'

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 4 - КИМо сельскохозяйственными культурами при внесении ООСВ

% 0,45

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

овёс

ячмень

картофель

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 5 - КИМо сельскохозяйственными культурами при внесении ОСВ

1) установлены убывающие ряды для варианта ООСВ: для картофеля - Си>Са^п>РЬ>№=Сг, для овса — №^п>Сг>Са>Си>РЬ, для ячменя — Zn>Ni>Cd>Cu>Cr>Pb;

2) установлены следующие убывающие ряды для варианта ОСВ: для картофеля — Zn=Ni>Cu>Cd>Pb>Cr, для овса — Ni>Zn>Cr = Cd = Cu>Pb, для ячменя — Zn>Ni>Cu>Cd=Cr>Pb;

3) по способности поглощать ТМ сельскохозяйственные культуры располагаются в следующие ряды:

РЬ, Са, Си — картофель>ячмень>овёс;

№ — овёс>ячмень>картофель;

Ъа. — ячмень>картофель>овёс;

Сг — картофель> овёс> ячмень.

Анализируя КИМо картофеля, нельзя выявить чёткой зависимости поглощения ТМ, что объясняется особенностью данной культуры.

Если сравнивать два рисунка, то КИМо на варианте ОСВ < КИМо на варианте ООСВ. Это объясняется небольшой разницей выноса ТМ и значительной разницей подвижных форм ТМ в почве.

В результате исследования установлены различные количественные характеристики фито-ремедиации (КИМ ОСВ и ООСВ) различными сельскохозяйственными культурами на лёгких и малоплодородных дерново-подзолистых почвах. Эти эмпирические значения фиторемедиации следует учитывать при прогностических расчётах изменения содержания ТМ в подобных почвах

при применении осадков сточных вод разного технологического генезиса в качестве удобрения и устранения экологических рисков.

Литература

1. Сюняев Н.К. Комплексная оценка эффективности использования отходов быта и производства в сельском хозяйстве: монография /Н.К. Сюняев, H.H. Лазарев, О.И. Сюняева, М.В. Тютюнькова. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2015. 252 с.

2. Белопухов C.JI. Массоперенос никеля в агроэкосистеме с дерново-подзолистой супесчаной почвой при длительном применении осадков сточных вод / C.JI. Белопухов, Н.К. Сюняев, М.В. Тютюнькова, О.И. Сюняева // Агрохимия. 2017. №5. С, 86-90.

3. Сюняев Н.К, Филиппова A.B., Тютюнькова М.В. Мониторинг кадмия в агроэкосистеме в условиях длительного применения осадков сточных вод // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С, '177-181.

4. Сюняев Н.К. Проблемы загрязнения почв Калужской области в условиях применения нетрадиционных видов удобрений / Н.К. Сюняев, О.И. Сюняева, М.В. Тютюнькова, A.B. Филиппова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 1 (33). С. 221 — 223.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.