CC BY
28
ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, АГРОХИМИЯ, МЕЛИОРАЦИЯ
УДК 631.445.2.:665
Влияние мелиорантов и удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур, произрастающих на почвах, загрязнённых тяжёлыми металлами
Андрей Владимирович Ложкин, аспирант, Андрей Викторович Леднев, доктор с.-х. наук ГНУ Удмуртский НИИСХ Россельхозакадемии, г. Ижевск,, Удмуртская Республика, Россия
E-mail: ugniish@yandex.ru
Представлены данные по влиянию шести видов удобрений и мелиорантов (фосфоритной и известняковой муки, суперфосфата, сульфида натрия, торфа и цеолита) на урожайность с.-х. культур (викоовсяной смеси, ячменя и овса), произрастающих на искусственно загрязнённом тяжёлыми металлами агрозёме текстурно-дифференцированном среднесуглинистом (опыт 1 - загрязнение произведено нитратом свинца в дозе 250 мг/кг, опыт 2 - сульфатом кадмия в дозе 5 мг/кг).
Установлено, что внесение всех изучаемых мелиорантов и удобрений в почву, загрязнённую тяжёлыми металлами, в течение трёх лет наблюдений обусловило повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Наиболее высокую статистически достоверную прибавку урожайности обеспечило внесение в почву торфа в дозе 100 т/га, цеолита в дозе 100 т/га, суперфосфата в дозе 120 кг д.в./га и известняковой муки в дозе 12 т/га. Она колебалась в зависимости от их вида и года использования от 9 до 32%. Данные мелиоранты и удобрения не только повысили урожайность культур, но и снизили в растениеводческой продукции содержание тяжёлых металлов ниже уровня ПДК.
Ключевые слова: тяжелые металлы, рекультивация, урожайность
Интенсификация промышленного производства и рост численности населения приводит к резкому увеличению негативного воздействия человеческого общества на окружающую среду, и, в первую очередь, ее загрязнению. Среди многочисленных загрязнителей окружающей среды особое место занимают тяжелые металлы [1]. Они не только ухудшают экологическое состояние индустриально развитых территорий, но и напрямую влияют на здоровье их населения.
В Удмуртской Республике наибольшую опасность из тяжелых металлов (ТМ) имеют свинец и кадмий. По данным РЦАС «Удмуртский», доля почв с повышенным и высоким уровнями содержания валового кадмия по республике составляет 84,3%, в том числе с высоким - 14,6%, почв со средним и повышенным уровнем содержания свинца - 9,2% [2]. Основная часть наиболее загрязнённых почв расположена вокруг крупных населённых пунктов и автодорог. В приведённой статистике не учтена площадь городских и промышленных территорий, степень загрязнения которых ТМ, в большинстве случаев, значительно превышает ПДК.
Цель исследований - разработать высокоэффективную экологически безопасную технологию рекультивации почв, загрязнённых ТМ.
Рекультивация почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, позволяет решить сразу три задачи: повысить плодородие почв, улучшить экологическое состояние загрязнённых территорий и получить растениеводческую продукцию надлежащего качества. Существующие в настоящее время технологии рекультивации загрязнённых почв имеют недостаточно высокую эффективность или требуют очень больших затрат, и поэтому разработка новых приёмов и способов восстановления их плодородия и агро-экологического состояния, позволяющих снизить стоимость рекультивационных работ, имеет большую актуальность и практическую значимость.
Материал и методы. Исследования почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, в Удмуртском НИИСХ проводят с 2010 года. За этот период были проведены два лабораторных опыта, в которых изучалось четыре
уровня внесения большого количества мелиорантов и удобрений. Результаты опытов опубликованы в Материалах Всероссийских научно-практических конференций [3, 4] и они легли в основу для закладки в 2011 году 2-х полевых мелкоделяночных опытов, результаты которых и приведены в данной статье.
Опыты заложены в мае 2011 года на опытном поле ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА на искусственно загрязнённом агро-зёме текстурно-дифференцированном сред-несуглинистом. Опыт 1 - загрязнение произведено нитратом свинца в дозе 250 мг/кг, опыт 2 - загрязнение произведено сульфатом кадмия в дозе 5 мг/кг. В качестве изучаемой культуры в 2011 г. выбраны однолетние травы (викоовсяная смесь), в 2012 г. -ячмень сорта Раушан, в 2013 г. - овес сорта Гунтер.
Опыты заложены в четырехкратной повторности согласно общепринятым методикам. Размер опытной делянки 1,0^2,0 м. Площадь опытной делянки 2,0 м2. Размещение вариантов систематическое со смещением. В опыте были использованы следующие мелиоранты и удобрения (далее просто мелиоранты): низинный торф с сильной степенью разложения (60-70%), с близкой к нейтральной реакцией (рНка 5,8) и влажностью 65%; известняковая мука 1 класса, с нейтрализующей способностью 92 %; фосфоритная мука высшего сорта с содержанием Р2О5 -30 %; гранулированный простой суперфосфат с содержанием Р2О5 - 19 %; цеолит из Хотынецкого месторождения Орловской области. В качестве сульфида натрия взята химически чистая соль. Все агротехнические работы на опытах проведены вручную (кроме посева).
В микроделяночных опытах во все три года исследований 2 раза за вегетационный период (в фазу всходов культуры и после её уборки) отобраны почвенные образцы на полный агрохимический анализ и определение содержания подвижных форм тяжёлых металлов. Определена биологическая урожайность культуры и её структура (поделя-ночно), в растительных образцах проанализировано валовое содержание изучаемых тяжёлых металлов.
Результаты и их обсуждение. Урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых в опыте, является наиболее объективным показателем изменения плодородия почвы под действием изучаемых факторов. Повышение урожайности культур и их качества является конечным и главным свидетельством эффективности агроприе-мов. В наших исследованиях в 2011 году действие тяжёлых металлов, удобрений и мелиорантов изучалось на викоовсяной смеси (табл. 1).
Данные таблицы 1 свидетельствуют, что все изучаемые мелиоранты, внесённые для снижения степени подвижности свинца, оказали положительное действие на урожайность викоовсяной смеси, однако степень их влияния на этот показатель сильно различалась. Наибольшее действие оказало внесение цеолита в дозе 50 т/га, он обеспечил математически достоверную прибавку -26,1% сухого вещества. Высокая эффективность цеолита обусловлена специфическим строением его кристаллической решётки, которая придает ему уникальные сорбцион-ные свойства (100-120 ммоль/100 г минерала). Кроме того, в составе цеолита содержалось повышенное количество калия, фосфора и ряда микроэлементов. Положительное влияние цеолита на свойства почвы и урожайность с.-х. культур проявляется, в первую очередь, на низкогумусированных дерново-подзолистых почвах, где он выполняет некоторые функции гумуса. Это достаточно хорошо известное явление, которое изучалось, в том числе, и в наших предыдущих работах [5]. Дальнейшее повышение дозы внесения цеолита до 100 т/га, хотя и обеспечило существенную прибавку урожайности - на 22,8%, но её величина в первый год после внесения уступала дозе 50 т/га. Близкое действие к цеолиту на повышение урожайности однолетних трав оказало внесение торфа в дозе 100 т/га - 23,2%, что связано с общеизвестным свойством этого мелиоранта улучшать целый ряд физических свойств почв (плотность, пористость, влагоемкость, оструктуренность и др.) за счет значительного повышения содержания в почве органического вещества.
Таблица 1
Влияние ТМ, мелиорантов и удобрений на урожайность сухого вещества викоовсяной смеси в полевых опытах, кг/м2
Вариант Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль) Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль)
/ 2 кг/м % / 2 кг/м %
опыт 1 (загрязнение свинцом) опыт 2 (загрязнение кадмием)
1. Незагрязнённая почва (абсолютный контроль) 0,435 - - 0,430 - -
2. Почва без мелиорантов + ТМ - фон (контроль) 0,452 - - 0,435 - -
3. Фон + фосфоритная мука 1 т/га 0,483 0,031 6,9 0,463 0,028 6,4
4. Фон + фосфоритная мука 1,5 т/га 0,517 0,065 14,4 0,491 0,056 12,9
5. Фон + суперфосфат 90 кг д.в./га 0,543 0,091 20,1 0,527 0,092 21,1
6. Фон + суперфосфат 120 кг д.в./га 0,558 0,106 23,5 0,564 0,129 29,7
7. Фон + сульфид натрия 90 кг/га 0,477 0,025 5,5 0,482 0,047 10,8
8. Фон + сульфид натрия 120 кг д.в./га 0,504 0,052 11,5 0,508 0,073 16,8
9. Фон + известь 8 т/га 0,523 0,071 15,7 0,467 0,032 7,4
10. Фон + известь 12 т/га 0,530 0,078 17,3 0,478 0,043 9,9
11. Фон + торф 50 т/га 0,494 0,042 9,3 0,461 0,026 6,0
12. Фон + торф 100 т/га 0,556 0,104 23,0 0,474 0,039 9,0
13. Фон + цеолит 50 т/га 0,570 0,118 26,1 0,524 0,089 20,5
14. Фон + цеолит 100 т/га 0,555 0,103 22,8 0,517 0,082 18,9
НСР05 0,078 17,3 0,092 21,1
Математически достоверную прибавку сухого вещества викоовсяной смеси обеспечило внесение суперфосфата в дозах 90 и 120 кг/га - на 20,3 и 23,6% соответственно. Повышение урожайности обусловлено увеличением содержания в почве подвижного фосфора. Несмотря на то, что помимо суперфосфата его содержание в почве увеличило также и внесение фосфоритной муки, достоверных различий в показателях урожайности выявлено не было. Это связано с тем, что в составе фосфоритной муки фосфор находится в составе трехзамещенного фосфата кальция, который характеризуется значительно более низкой доступностью для растений.
Благодаря улучшению физико-химических свойств загрязнённых дерново-подзолистых почв, статистически достоверную прибавку сухого вещества однолетних трав
обеспечило внесение в неё известняковой муки в дозе 12 т/га (увеличение урожайности - на 17%), доза 8 т/га также повысила урожайность трав, но только на уровне положительной тенденции.
Отмеченные выше закономерности проявились и в опыте с загрязнением дерново-подзолистой почвы кадмием, но в основном на уровне положительной тенденции. Математически достоверную прибавку сухого вещества викоовсяной смеси обеспечило только внесение обеих доз суперфосфата и цеолита.
Необходимо отметить, что фоновое внесение солей свинца и кадмия также проявило тенденцию на повышение урожайности викоовсяной смеси. Это связано с тем, что при этой дозе загрязнения они ещё не оказали своё токсичное действие на растения, но способствовали улучшению пищево-
го режима по этим элементам (так как они входят в состав целого ряда ферментов). Кроме того, искусственное загрязнение почвы нитратом свинца существенно улучшило азотный режим почвы.
Последействие внесения мелиорантов и удобрений в 2011 г. изучалось в 2012 г. на ячмене сорта Раушан (табл. 2). Данные таблицы свидетельствуют, что все изучаемые мелиоранты и удобрения оказали положительное действие на урожайность зерна, однако степень их влияния на этот показатель сильно различалась. Наибольшее действие оказало внесение торфа в дозе 100 т/га, он обеспечил математически достоверную прибавку - 20,1-32,4% сухого вещества. Длительное положительное последействие повышенных доз внесения торфа доказано в большом количестве полевых и производственных опы-
тов [6]. Второе место по повышению урожайности зерна заняло внесение цеолита в дозе 100 т/га (на 15,6-27,0%). Математически достоверную прибавку зерна ячменя обеспечило также последействие внесения в 2011 году обеих доз суперфосфата, фосфоритной муки и известняковой муки в дозе 12 т/га.
Необходимо отметить, что фоновое внесение солей тяжёлых металлов в 2011 году проявило тенденцию на понижение урожайности ячменя в 2012 г. По-видимому, эта культура более чувствительна к загрязнению почвы тяжёлыми металлами, и они уже начали оказывать своё токсичное действие на растения.
Все изучаемые мелиоранты и удобрения и на третий год после их внесения продолжали оказывать положительное действие на урожайность культуры (табл. 3).
Таблица 2
Влияние ТМ, мелиорантов и удобрений на урожайность ячменя, кг/м2
Вариант Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль) Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль)
/ 2 кг/м % / 2 кг/м %
опыт 1 (загрязнение свинцом) опыт 2 (загрязнение кадмием)
1. Незагрязнённая почва (абсолютный контроль) 0,162 - - 0,157 - -
2. Почва без мелиорантов + ТМ - фон (контроль) 0,154 - - 0,148 - -
3. Фон + фосфоритная мука 1 т/га 0,169 0,015 9,7 0,173 0,025 16,9
4. Фон + фосфоритная мука 1,5 т/га 0,174 0,020 13,0 0,176 0,028 18,9
5. Фон + суперфосфат 90 кг д.в./га 0,17 0,016 10,4 0,178 0,030 20,3
6. Фон + суперфосфат 120 кг д.в./га 0,178 0,024 15,6 0,185 0,037 25,0
7. Фон + сульфид натрия 90 кг д.в./га 0,164 0,010 6,5 0,165 0,017 11,5
8. Фон + сульфид натрия 120 кг д.в./га 0,168 0,014 9,1 0,167 0,019 12,8
9. Фон + известь 8 т/га 0,165 0,011 7,1 0,168 0,020 13,5
10. Фон + известь 12 т/га 0,17 0,016 10,4 0,174 0,026 17,6
11. Фон + торф 50 т/га 0,172 0,018 11,7 0,179 0,031 20,9
12. Фон + торф 100 т/га 0,185 0,031 20,1 0,196 0,048 32,4
13. Фон + цеолит 50 т/га 0,171 0,017 11,0 0,179 0,031 20,9
14. Фон + цеолит 100 т/га 0,178 0,024 15,6 0,188 0,040 27,0
НСР05 - 0,015 9,7 - 0,022 14,9
Таблица 3
Влияние ТМ, мелиорантов и удобрений на урожайность овса, кг/м2
Вариант Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль) Средняя урожайность Отклонение от фона (контроль)
кг/м2 % / 2 кг/м %
опыт 1 (загрязнение свинцом) опыт 2 (загрязнение кадмием)
1. Незагрязнённая почва (абсолютный контроль) 0,152 - - 0,153 - -
2. Почва без мелиорантов + ТМ - фон (контроль) 0,151 - - 0,152 - -
3. Фон + фосфоритная мука 1 т/га 0,163 0,012 7,4 0,156 0,004 2,8
4. Фон + фосфоритная мука 1,5 т/га 0,183 0,032 21,3 0,166 0,014 9,2
5. Фон + суперфосфат 90 кг/га 0,163 0,012 7,4 0,156 0,004 1,8
6. Фон + суперфосфат 120 кг/га 0,184 0,033 22,2 0,168 0,016 11,0
7. Фон + сульфид натрия 90 кг/га 0,153 0,002 0,9 0,155 0,003 2,8
8. Фон + сульфид натрия 120 кг/га 0,154 0,003 1,9 0,156 0,004 2,8
9. Фон + известь 8 т/га 0,173 0,022 14,8 0,171 0,019 12,8
10. Фон + известь 12 т/га 0,189 0,038 25,0 0,173 0,021 13,8
11. Фон + торф 50 т/га 0,164 0,013 8,3 0,156 0,004 2,8
12. Фон + торф 100 т/га 0,179 0,028 18,5 0,176 0,024 16,5
13. Фон + цеолит 50 т/га 0,188 0,037 25,0 0,170 0,018 11,9
14. Фон + цеолит 100 т/га 0,193 0,042 27,8 0,181 0,029 19,3
НСР05 - 0,014 9,3 - 0,013 8,8
На первые места вышли мелиоранты, обладающие наиболее значительным последействием - цеолит в дозе 100 т/га (прибавка зерна овса 19,3-7,8%) и известняковая мука в дозе 12 т/га (прибавка зерна 13,8-25,0%). Действие первого (более низкого) уровня внесения мелиорантов и удобрений на третий год проявлялось только на уровне положительной тенденции. Исключение составила известняковая мука, которая и в дозе 8 т/га статистически достоверно увеличила урожайность зерна овса.
Загрязнение почвы свинцом обусловило повышенное накопление их в зерне ячменя и овса. Наибольшее его количество содержалось в растениях, произраставших на фоновом (контрольном) варианте - 5,45-5,64 мг/кг, что превышало значение ПДК. Внесение всех изучаемых мелиорантов и удобрений позволило резко снизить накопление свинца в продукции. Самую высокую эффектив-
ность по ограничению его поступления в зерно проявили обе дозы суперфосфата (снижение на 86-93%), известняковая мука в дозе 12 т/га (снижение на 89-92%) и обе дозы сульфида натрия (снижение на 74-86%).
По сравнению со свинцом действие мелиорантов и удобрений на содержание кадмия в зерне было более контрастным. Наибольшее влияние на этот показатель проявили обе дозы сульфида натрия - снижение на 59-72%, на третьем и четвертом местах - суперфосфат в дозе 120 кг д.в./га и цеолит в дозе 100 т/га - снижение на 55-65%. Целый ряд мелиорантов, особенно при первом уровне доз их внесения, не снизил количество кадмия в растениеводческой продукции ниже уровня ПДК.
Выводы. Внесение всех изучаемых мелиорантов и удобрений в агрозём текстурно-дифференцированный среднесуглинистый, загрязнённый тяжёлыми металлами, в тече-
ние трёх лет наблюдений обусловило повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Наиболее высокую статистически достоверную прибавку урожайности обеспечило внесение в почву торфа в дозе 100 т/га, цеолита в дозе 100 т/га, суперфосфата в дозе 120 кг д.в./га и известняковой муки в дозе 12 т/га. Она колебалась в зависимости от их вида и года использования от 9 до 32%. Данные мелиоранты и удобрения не только повысили урожайность культур, но и, в большинстве случаев, снизили содержание ТМ в растениеводческой продукции ниже уровня ПДК.
Список литературы
1. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Са-вичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М.: ГНУ Почв. ин-т им. В.В. Докучаева РАСХН, 2012. 276 с.
2. Безносов А.И., Башмаков Л.Б., Нелю-бин В.Г. Содержание тяжелых металлов в пахотных почвах Удмуртской Республики: монография. Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. 74 с.
3. Леднев А.В., Ложкин А.В. Влияние видов и доз мелиорантов на снижение степени подвижности свинца в загрязнённой дерново-подзолистой почве // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции: материалы IX Междунар. научн.-практ. конф. Саранск, 18-19 апреля 2013 г. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2013. Ч. 2. С. 156-160.
4. Леднев А.В., Ложкин А.В. Влияние видов и доз мелиорантов на снижение степени подвижности кадмия // Развитие и внедрение современных технологий и систем ведения сельского хозяйства, обеспечивающих экологическую безопасность окружающей среды: материалы Междунар. научн.-практ. конф., 3-5 июля 2013г., г. Пермь. Т.1. Агрохимия и земледелие. Ч.1. Пермь: ОТ и ДО, 2013. 320-328.
5. Леднев А.В. Изменение свойств дерново-подзолистых суглинистых почв Среднего Предуралья при создании мульчирующего слоя: автореф. дис. ...канд. с.-х. наук. М., 1998. 24 с.
6. Малышев Ф.А. Мелиорация легких почв торфом. Минск: Наука и техника, 1989. 160 с.
Influence of ameliorants and fertilizers on productivity of the agricultural crops growing on soils, polluted by heavy metals
Lozhkin A., Lednev A.
The data on the influence of six types of fertilizers and améliorants (phosphate and limestone flour, superphosphate, sodium sulfide, peat, and zeolite) on productivity of agricultural crops (vetch-oats mixture, barley and oats) are presented. These crops were growing on texture-differentiated medium-loamy agrozeme which was artificially polluted by heavy metals (experiment 1 - lead nitrate pollution produced in a dose of 250 mg/kg, experiment 2 - cadmium sulfate in a dose of 5 mg/kg).
It is established that entering of all studied ameliorants and fertilizers in soil polluted by heavy metals, during all three years of observations has caused increase of productivity of agricultural crops. The highest statistically significant increase of productivity provided entering of peat into soil in a dose of 100 t/ha, the zeolite in a dose of 100 t / ha, superphosphate in a dose of 120 kg/ha, and limestone flour in a dose of 12 t/ha. The addition varied depending on type of fertilizer or ameliorant and year of use from 9 up to 32%. These ameliorants and fertilizers not only has increased crop productivity but also lowered the heavy metal content in crop products below maximum concentration limit level.
Key words: heavy metals, re-cultivation, productivity
