CC BY
275
САНАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ
Л.В. Кирейчева, В.М. Яшин
ВНИИГиМ Россельхозакадемии А.В. Ильинский
Мещерский филиал ВНИИГиМ Россельхозакадемии
Использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется по мере роста производительных сил, что усиливает техногенное воздействие на природные объекты. Почва, как важнейший биогеохимический барьер и основная жизнеобеспечивающая сфера. Характер и степень влияния химических загрязняющих веществ на общую экологическую обстановку, отдельные биогеоценозы и компоненты биосферы неодинаковы в различных природных зонах и зависят от исходного природноресурсного потенциала и техногенеза. Усиление антропогенного прессинга на почвенный покров приводит к процессам деградации, среди которых в последние десятилетия широкое распространение получила химическая деградация почв и в частности загрязнение ТМ (Черников, Алексахин, Голубев, 2000; Орлов, 2002).
Загрязнение почвенного покрова - интегральный показатель техногенеза. В литературе загрязнение рассматривается как один из видов химической деградации почв [Нгуен Суан Хай, 2003]. Среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействию на почвы особое место занимают тяжелые металлы (ТМ), среди которых И& РЬ, Аб, С4 2п, Си, Сг, N1 поступают по трофической цепи в организм человека и сельскохозяйственных животных с растительной пищей, воздухом и водой [Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение, 1997].
В зоне распространения оподзоленных и выщелоченных черноземов Рязанской области, характеризующейся развитым сельским хозяйством и интенсивным техногенным воздействием на окружающую среду, наблюдается активизация процессов деградации почвенного покрова. Рязанская область входит в Нечерноземную зону РФ. Общий земельный фонд составляет 3,96 млн. га, в том числе площадь земель сельскохозяйственного назначения 2,9 млн. га. Большая часть (97%) территории области входит в Окский бассейн. По данным Управления Росприроднадзора по Рязанской области в почвах районов, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, количество ТМ. В результате ежегодного выноса питательных элементов с урожаем и на фоне отрицательного баланса кальция, черноземные почвы помимо закисления, характеризуются значительной обеднен-ностью подвижными элементами питания. Около 3035% площади пахотных черноземных почв имеют низкое содержание подвижного фосфора и значительно обеднены обменным калием (35-40%) [Система ведения агропромышленного производства Рязанской области на 1998-2010 гг., 1999, Белая книга, Рязань. 2001, 2003].
Агроэкологические исследования, выполненные
Мещерским филиалом ГНУ ВНИИГиМ Россельхозака-демии, показали, что на территории Рязанской области наибольшее распространение получили земли с низким и средним уровнями загрязнения медью, цинком, свинцом и кадмием [Мажайский, 2001].
Объектом исследований были деградированные оподзоленные и выщелоченные черноземы Рязанской области. Цель научно-исследовательской работы заключалась в разработке экологически безопасных способов санации черноземов, загрязненных ТМ.
Полевые и лабораторные исследования выполнены в двух направлениях: подбор культур-фитомелиорантов для выноса ТМ из почвы; иммобилизация ТМ в почве путем внесения мелиорантов с повышенной сорбционной способностью (карбонатный сапропель, удобри-тельно-мелиорирующие смеси).
В рамках первого направления с целью установления закономерностей перехода ТМ из почвы в растения в зависимости от суммарного загрязнения почвы, были проведены исследования в вегетационных сосудах с фитомелиорантами (гречихой и черными бобами) на оподзо-ленном черноземе: рНкС1 - 5,1; содержание гумуса 5,7%; Р205 - 23,5 мг/100 г; К20 - 19,2 мг/100 г. Было смоделировано 4 категории загрязнения почвы (от допустимой до чрезвычайно опасной), которые обосновывали по суммарному показателю загрязнения. Почву искусственно загрязняли ТМ, добавляя химически чистые водорастворимые соли. Для вегетационных опытов использованы следующие химически чистые соли: 2п(СН3СОО)2 • 2Н20, Си804 • 5Н20, РЬ(СН3С00)2; CdS04; повторность 4-х кратная. Определение ТМ в фитомассе выполнено методом атомно-абсорбционной спектрометрии. В течение вегетационного периода оптимальное увлажнение почвы (0,65 1111В) поддерживали поливами по массе сосудов [Практикум по агрохимии, 1987].
В рамках второго направления для оценки эффективности применения карбонатного сапропеля и удобри-тельно-мелиорирующей смеси (УМС) была проведена производственная проверка, цель которой заключалась в изучении влияния сорбент-мелиорантов на агрохимические свойства чернозема, урожайность и экологическое состояние растениеводческой продукции. Натурные исследования проводили на оросительной системе «Мес-кино» ООО «Малинищи» Пронского района Рязанской области в 2003-2005 гг. Чернозем оподзоленный глинистый, мощность гумусового горизонта 50-60 см; содержание гумуса 5,8%; рНКС1 - 5,1; Р205 - 12,5 мг/100 г; К20 - 12,2 мг/100 г. Гранулометрический состав почвенного профиля преимущественно глинистый, глины легкие, по содержанию частиц <0,01 мм граничат с тяжелыми суглинками.
Сапропели формируют коллоидную структуру в почве, повышают ее влагоемкость, способствуют закреплению биогенных элементов. Характерная особенность сапропелей - постепенная и длительная минерализация гумуса. Минералы илистой фракции сапропелей обладают высокой активностью и большой поглотительной способностью (ЕКО до 100-190 мг-экв/100 г).
Удобрительно-мелиорирующую смесь (УМС) готовили на основе карбонатного сапропеля оз. Неро и верхового торфа. Для активизации почвенной микрофлоры в смесь вносили композицию почвенных эффективных микроорганизмов (ЭМ-культура) типа «ЭМ-НИВА-1», который наиболее активно воздействует на процессы трансформации гумуса сапропелей при ферментативной стадии.
Полевой опыт совместно с О. Б. Хохловой был заложен в 2003 г. на делянках площадью 20 м2 на двух вариантах (сапропель, УМС) в пятикратной повторности. В качестве контроля принимался существующий агрофон в хозяйстве. Сапропель вносили поверхностно на делянки из расчета 10 т/га (т. е. 1 кг/м2) при влажности вещества не выше 7% после выполнения необходимых агротехнических работ. Доза внесения сапропеля составляла 1 кг/м2, что было обосновано расчетами и подтверждено ранее проведенными исследованиями [Кирейчева, Глазунова, 1994, Кирейчева, Яшин, Нгуен Суан Хай, 1995]. Подкормку ЭМ-культурой [ЭМ технология - надежда планеты, 2001] проводили мульчированием почвы ЭМ-компостом, который вносили в бороздки из расчета 10 кг компоста на делянку (0,5 кг/м2) и засыпали почвой.
Анализ полученных данных показывает, что бобовые культуры более толерантны к действию ТМ, чем гречиха, так как они могут получать питательные элементы за счет клубеньковых бактерий. В фитомассе указанных культур было определено содержание меди, цинка, свинца и кадмия.
Результаты исследований (табл. 1 и 2) показали, что при умеренно опасной степени загрязнения почв вынос поллютантов для гречихи в сумме по Си, 2п, РЬ и Cd составил 436 г/га, для бобов - 1340 г/га. Вынос бобами Си, 2п, РЬ заметно выше, чем гречихой, что необходимо учитывать в выборе культуры-фитомели-
3
1. Вынос ТМ фитомассой гречихи 10 , мг/га
Вариант опыта 2п Медь Цинк Свинец Кадмий
1 (контроль) 1,64 17,6 101,9 8,8 1,11
2 (допустимое) 13,55 23,3 182,0 9,1 1,32
3 (умеренно опасное) 30,12 27,2 396,6 10,2 2,05
4 (высоко опасное) 63,4 29,5 703,0 11,2 4,23
5 (чрезвычайно опасное) 146,04 19,1 779,3 6,4 4,63
2. Вынос ТМ фитомассой бобов 10 , мг/га
Вариант опыта 2п Медь Цинк Свинец Кадмий
1 (контроль) 1,64 17,1 169,6 8,5 0,95
2 (допустимое) 13,55 83,0 664,0 11,1 1,38
3 (умеренно опасное) 30,12 85,2 1240,7 13,6 2,43
4 (высоко опасное) 63,4 88,6 1248,2 15,3 3,33
5 (чрезвычайно опасное) 146,04 34,2 934,4 10,4 4,12
оранта для очистки почвы от содержания того или иного ТМ.
Таким образом, при умеренно опасной степени загрязнения оподзоленных и выщелоченных черноземов возможно использовать биологическую очистку почвы с применением: гречихи и русских черных бобов. Это обеспечит отрицательный баланс ТМ в почве (вынос превышает поступление в 1,2-3,7 раза).
Поступление и усвоение элементов в растениях зависит не только от концентрации и формы соединений каждого из них, но и от всего поступающего комплекса (Бурлакова, Антонова, Деев, 2001), которому присущи антагонистические и синергические взаимоотношения. Поэтому для разработки приемов детоксикации почв на основе фитомелиорации нами были рассчитаны коэффициенты биологического поглощения металлов по отношению к различным дозам и сочетаниям ТМ в почве, которые позволили оценить удельный вынос поллю-тантов из почвы, поскольку, чем больше значения указанного коэффициента, тем выше эффективность фитомелиорации.
Результаты расчета коэффициентов биологического поглощения Си, 2п, РЬ, Cd для фитомассы, овса, гречихи и бобов, сои представлены в таблице 3.
Варианты опыта (категория загрязнения) Фитомелиорант Медь Цинк Свинец Кадмий
1 (контроль) 1,64 овес 10,8 19,4 4,4 63,6
гречиха 5,4 11,8 3,2 17,2
бобы 4,6 17,2 2,6 13,0
соя 4,8 14,0 4,0 18,6
2 (допустимое) 13,55 овес 3,8 22,6 1,0 17,0
гречиха 2,0 9,0 0,8 7,2
бобы 4,2 19,6 0,6 4,4
соя 1,6 14,2 1,0 8,4
3 (умеренно опасное) 30,12 овес 2,0 27,2 0,4 11,0
гречиха 1,2 10,0 0,4 5,6
бобы 2,0 17,6 0,4 3,8
соя 1,0 12,8 0,6 4,8
4 (высоко опасное) 63,4 овес 0,8 21,6 0,4 8,2
гречиха 0,6 9,0 0,2 6,0
бобы 1,2 10,4 0,2 3,0
соя 0,8 11,8 0,4 5,2
5 (чрезвычайно опасное) 146,04 овес 0,4 10,4 0,16 5,4
гречиха 0,4 7,8 0,1 5,0
бобы 0,4 5,2 0,1 2,4
соя 0,2 10,0 0,2 5,2
4. Агрохимические свойства оподзоленного чернозема на опытном участке
Вариант рН Нг 8 Р2О5 К2О Гумус, %
ммоль/100 г мг/100 г почвы
2003 г.
Контроль 5,1 7,41 30,0 12,5 12,2 5,8
Сапропель 5,7 2,11 42,0 11,2 11,3 6,0
УМС 5,7 2,31 39,8 13,1 12,8 6,2
НСР05 0,21 0,35 2,0 1,1 2,1 0,2
2005 г.
Контроль 5,1 5,16 16,2 13,8 15,3 5,9
Сапропель 5,6 3,53 17,9 12,7 13,2 6,2
УМС 5,5 3,74 17,3 12,9 15,6 6,1
НСР05 0,1 0,6 1,0 2,5 3,3 0,4
Примечание: Нг - гидролитическая кислотность, 8 - сумма поглощенных оснований
6. Урожайность однолетних трав
Вариант Вика + овес (сено), ц/га Прибавка
повторность ц/га % к контролю
1 2 3 4 5 Среднее
Контроль 65,6 67,2 68,9 67,2 70,5 67,9 - -
Сапропель 80,3 82,0 86,9 95,1 91,8 87,2 19,3 28
УМС 91,8 86,9 88,5 90,2 91,8 89,8 21,9 32
НСР05 = 5,6 ц/га
7. Урожайность многолетних трав
Вариант Овсяница + клевер на сено, ц/га Прибавка
повторность ц/га % к контролю
1 2 3 Среднее
Контроль 16,6 18,4 19,0 18,0 - -
Сапропель 29,5 29,0 28,5 29,0 11 61
УМС 34,0 30,0 40,0 34,7 16,7 93
НСР05 = 5,9 ц/га
Наиболее высокими коэффициентами биологического поглощения при допустимой и умеренно опасной степени загрязнения почвы ТМ характеризуется овес. Гречиха интенсивнее, чем бобы аккумулирует свинец и кадмий, а бобы, в свою очередь, интенсивнее, чем гречиха аккумулируют медь и цинк.
На основе коэффициентов биологического поглощения (Ах) Си, 2п, РЬ, Cd культурами-фитомелиорантами был построен эмпирический ряд накопления ТМ фитомассой растений: 2п > Cd > Си > РЬ. Анализ эмпирического ряда накопления ТМ показал, что фитомелиоранты интенсивнее поглощают из почвы цинк и кадмий. Свинец и медь более прочно удерживаются ППК, поэтому их транслокация в растения происходит менее активно. В тоже время, медь, являясь микроэлементом, интенсивнее поглощается из почвы растениями, чем свинец. Полученные данные полностью согласуются с рядами биологического поглощения А.И. Перельмана (1999), согласно которым 2п и Cd относятся к ряду интенсивного и среднего накопления, а Си и РЬ к ряду слабого накопления и сильного захвата.
При высокой степени загрязнения почв поллютантами наблюдается угнетение развития сельскохозяйственных растений, поэтому нами были проведены полевые исследования по применению сорбент-мелиорантов (сапропель,
удобрительно-мелиорирующая смесь на основе сапропеля) для детоксикации почв, восстановления их плодородия и получения экологически безопасной растениеводческой продукции.
Полевые исследования ООО «Малинищи» показали, что при использовании мелиорантов в почве восстанавливается баланс минеральных элементов, снижается кислотность, увеличивается ЕКО почвы и сумма поглощенных оснований, повышается содержание гумуса, что благоприятно сказалось на урожае и качестве растениеводческой продукции.
При внесении сапропеля и удобрительно-мелиорирующей смеси урожайность однолетних трав увеличилась соответственно на 28% и 32% (табл. 6).
Из данных таблицы 7 видно, что на третий год после внесения органо-минеральных сорбентов увеличение урожая составило: в варианте с сапропелем - 11 ц/га, с УМС - 16,7 ц/га, что соответственно на 61 и 93% выше, чем в контроле.
При использовании сапропеля и удобрительно-мелиорирующей смеси содержание сырого протеина в воздушно-сухом веществе многолетних трав по вариантам опыта составило: контроль - 9,38%; сапропель -7,5%; УМС - 11,25%. Содержание сырого жира составило: 2,02; 1,82 и 1,99% соответственно. Таким образом, исследование химического состава кормов показало, что в варианте с УМС содержание сырого протеина увеличилось на 1,9% по сравнению с контролем.
Применение сапропеля из расчета 1,0 кг/м2 позволило снизить потребление ТМ фитомассой однолетних трав: Си - на 12%; РЬ - на 37%; Cd - на 34%, при использовании УМС произошло снижение ТМ в фитомассе однолетних трав: РЬ - на 6%; Cd - на 15%.
Таким образом, исследования показали высокую толерантность испытуемых растений к повышенному содержанию ТМ в почве и их способность накапливать большое количество токсикантов в фитомассе, что позволяет использовать их в качестве фитомелиорантов для биологической очистки загрязненной почвы при умеренно опасной степени загрязнения почв
16-32) медью, цинком, свинцом и кадмием.
Внесение сорбент-мелиорантов в загрязненную почву позволяет не только снизить поступление ТМ в растениеводческую продукцию, улучить агрохимические свойства деградированных черноземов, но и увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.
